JP2008025620A - ねじ部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじ転造加工時、ねじ山の頂部の一部が欠けた転造ダイスによって転造された場合でも、応力の集中する部位のねじ底部にまくれ込みが現出されず、耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等が向上するねじ部材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本コンロッドボルト１に、雌ねじ部との螺合部位に大径軸部４ａを形成すると共に、雌ねじ部との非螺合部位に小径軸部５ａを形成して、次に、ねじ転造加工により、大径軸部４ａに完全ねじ部４を形成すると共に、小径軸部５ａに不完全ねじ部５を形成するので、ねじ転造加工の際、ねじ山の頂部の一部が欠けた転造ダイスにより転造された場合でも、応力の集中する不完全ねじ部５のねじ底部にまくれ込み５５が現出されることはない。これにより、本コンロッドボルト１は、従来のコンロッドボルトに比べて、耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等が向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等に優れたねじ部材及び該ねじ部材の製造方法に関するものである。

自動車には、多種多数のボルトが使用されているが、例えば、図１に示すように、半円筒状のキャップ６０を、コンロッド６１の半円筒部分に取り付ける際には、コンロッドボルト（ねじ部材）５１が使用されている。
すなわち、図３に示すように、キャップ６０には、従来のコンロッドボルト５１（図７参照）の軸部５２が挿通される貫通孔６２が形成されると共に、コンロッド６１には、キャップ６０が取り付けられる面を開口して、コンロッドボルト５１の軸部５２が挿通される貫通孔６３が形成され、この貫通孔６３に連続して雌ねじ部６４が形成されている。そして、このコンロッドボルト５１を、キャップ６０及びコンロッド６１それぞれの貫通孔６２及び６３に挿通して、コンロッド６１の雌ねじ部６４に螺合することにより、キャップ６０をコンロッド６１に取り付けている。

そこで、従来のコンロッドボルト５１は、図７に示すように、頭部５４と軸部５２とからなり、該軸部５２には、その略全長に亘って、ねじ山断面形状が略三角形状となる完全ねじ部５３が形成されている。この完全ねじ部５３は、図６に示す第１及び第２転造ダイス７０、７１によるねじ転造加工によって形成される。
しかしながら、従来のコンロッドボルト５１の軸部５２にねじ転造加工により完全ねじ部５３を形成する際、ねじ山の頂部の一部が欠けた第１または第２転造ダイス７０、７１により過転造されて完全ねじ部５３が形成されると、図７（ｂ）に示すように、完全ねじ部５３のねじ底部に亀裂５５が現出する。

そこで、従来のコンロッドボルト５１の完全ねじ部５３のねじ底部に現出される亀裂５５の発生メカニズムを、図８に基いて図６も参照しながら以下（１）〜（５）にて説明する。
（１）ねじ転造加工により、コンロッドボルト５１の軸部５２に完全ねじ部５３を形成する際には、図６に示すように、コンロッドボルト５１の軸部５２を、固定位置で回動する円柱状の第１転造ダイス７０と、第１転造ダイス７０側に進退移動すると共に回動する円柱状の第２転造ダイス７１との間に配し、第２転造ダイス７１を回動させながら第１転造ダイス７０側に移動させて、コンロッドボルト５１の軸部５２を第１転造ダイス７０と第２転造ダイス７１との間で転動させる。すると、図８（ａ）に示すように、コンロッドボルト５１の軸部５２の材料が、第１及び第２転造ダイス７０、７１の各ねじ山間のねじ溝をねじ底部に向かって流れ込み、正規の高さに対して約８割程度の高さのねじ山５６、５６が形成される。
（２）引き続き、コンロッドボルト５１の軸部５２が第１及び第２転造ダイス７０、７１間を転動すると、図８（ｂ）に示すように、コンロッドボルト５１の軸部５２の材料が、第１及び第２転造ダイス７０、７１の各ねじ山間のねじ溝に完全に充填されて、コンロッドボルト５１の軸部５２に、正規の高さのねじ山５３、５３（完全ねじ部）が形成される。

（３）さらに、コンロッドボルト５１の軸部５２に完全ねじ部５３が形成された後、図８（ｃ）に示すように、この完全ねじ部５３が、第１または第２転造ダイス７０、７１のねじ山の頂部が欠けた部分５８を転動すると、過転造になると共に隣接するねじ山５３、５３の斜面の途中に段差５７、５７がそれぞれ形成される。
（４）さらに、コンロッドボルト５１の各段差５７、５７の部位が、再び第１または第２転造ダイス７０、７１の正常なねじ山の部分を転動すると、図８（ｄ）に示すように、過転造の状態が続き、各ねじ山５３、５３の各段差５７、５７の部分が、矢印で示すようにねじ底部に向かって押されるようにそれぞれ流動して、ねじ底部にて干渉し重なり合う現象が発生して、その部分に亀裂５５が現出される。
（５）その後、前項（３）及び（４）の動作が繰り返して行われると、ねじ底部に現出された亀裂５５が枝状に分かれるようにして伸び、亀裂５５（以下まくれ込みという）がさらに深く現出されるようになる。

そして、前述したようにねじ底部にまくれ込み５５が現出された従来のコンロッドボルト５１により、図３のようにキャップ６０をコンロッド６１に取り付け、該コンロッドボルト５１に曲げ荷重が繰り返し作用すると、応力が、コンロッドボルト５１の、コンロッド６１の貫通孔６３と雌ねじ部６４との境界部分に位置する完全ねじ部５３のねじ底部のまくれ込み５５に集中して、該まくれ込み５５を起点に破断し易くなり、コンロッドボルト５１の耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等を十分に満足することができなくなってしまう。

ところで、完全ねじ部５３のねじ底部へのまくれ込み５５の現出を防ぐためには、ねじ転造加工する際の作業管理において、段取の前後で軸部５２の位置を確認することで過転造とならないように管理し、さらに、第１及び第２転造ダイス７０、７１のねじ山の頂部に欠けた部位５８が有るか否かを定期的に検査する必要がある。
しかしながら、各転造ダイス７０、７１のねじ山の頂部に欠けた部位５８が有るか否かを検査する方法は、目視及び手感による検査方法であるため、微小なダイス欠け５８を見逃す虞があり、作業管理上において、特に、各転造ダイス７０、７１のダイス欠け５８の有無を厳密に管理することは困難であった。

そこで、特許文献１には、ネジ山を潰して形成した不完全ネジ部を、ネジ部の長さ方向中間に光軸調整に必要な範囲内に設けた、自動車用前照灯の光軸調整用アジャスタスクリューが開示されている。
実開昭５８−６１９１６号公報

しかしながら、上述した特許文献１の発明は、アジャストスクリューに、ネジ山を潰して不完全ネジ部を形成することで、この不完全ネジ部と車体側のナットとの密着性を増大させて、振動等によってアジャストスクリューが妄りに回動するのを未然に防止するもので、特許文献１の発明によって、ねじ山の頂部の一部が欠けた転造ダイスによってねじ転造加工される際、ねじ底部にまくれ込みが現出されるのを防ぐことは到底できない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ねじ転造加工時、ねじ山の頂部の一部が欠けた転造ダイスによって転造された場合でも、応力の集中する部位のねじ底部にまくれ込みが現出されず、耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等が向上するねじ部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための第１の手段として、請求項１に記載したねじ部材の発明は、雌ねじ部に螺合されるねじ部材であって、該ねじ部材の軸部には、前記雌ねじ部との非螺合部位に、ねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部が形成されると共に、前記雌ねじ部との螺合部位に、ねじ山断面形状が略三角形状となる完全ねじ部が形成されることを特徴とするものである。
請求項２に記載したねじ部材の発明は、請求項１に記載した発明において、前記完全ねじ部は、前記軸部の先端部分に形成されることを特徴とするものである。

また、上記課題を解決するための第２の手段として、請求項３に記載したねじ部材の製造方法の発明は、雌ねじ部に螺合されるねじ部材の製造方法であって、前記ねじ部材の軸部を、小径軸部と大径軸部とに形成する工程と、ねじ転造加工により、前記小径軸部にねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部を形成すると共に、前記大径軸部にねじ山断面形状が略三角形状となる完全ねじ部を形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。
請求項４に記載したねじ部材の製造方法の発明は、請求項３に記載した発明において、前記軸部を前記小径軸部と前記大径軸部とに形成する前記工程では、前記小径軸部と前記大径軸部とが転造加工によって形成されることを特徴とするものである。
請求項５に記載したねじ部材の製造方法の発明は、請求項３または４に記載した発明において、前記不完全ねじ部は、前記雌ねじ部との非螺合部位に形成されると共に、前記完全ねじ部は、前記雌ねじ部との螺合部位に形成されることを特徴とするものである。

従って、請求項１に記載したねじ部材の発明では、ねじ部材の軸部には、雌ねじ部との非螺合部位にねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部が形成される、すなわち、雌ねじ部との非螺合部位に小径軸部を形成して、該小径軸部にねじ転造加工により不完全ねじ部が形成されるので、ねじ転造加工する際、ねじ山の頂部の一部が欠けた転造ダイスによって転造されたとしても、小径軸部の範囲では、転造ダイスの各ねじ山間のねじ溝にねじ部材の材料が完全に充填されず過転造の状態にならないために、不完全ねじ部のねじ底部にまくれ込みが現出されることがない。これにより、ねじ部材に、完全ねじ部が雌ねじ部に螺合された状態で曲げ荷重が繰り返し作用して、その応力が完全ねじ部と不完全ねじ部との境界部分の不完全ねじ部のねじ底部に集中しても、その応力はねじ底部の全体に分散されるため、ねじ底部にまくれ込みが現出された従来のねじ部材よりも耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等を向上させたねじ部材が提供される。
請求項２に記載したねじ部材の発明では、複数の部材を締結するねじ部材として、従来のねじ部材よりも耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等を向上させたねじ部材が提供される。

また、請求項３に記載したねじ部材の製造方法の発明では、ねじ部材の軸部に小径軸部を形成した後、該小径軸部にねじ転造加工によりねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部が形成されるので、ねじ転造加工する際、ねじ山の頂部の一部が欠けた転造ダイスで転造されたとしても、小径軸部においては、転造ダイスの各ねじ山間のねじ溝にねじ部材の材料が完全に充填されず過転造の状態にならないために、不完全ねじ部のねじ底部にまくれ込みが現出されることがない。これにより、ねじ部材に、完全ねじ部が拘束された状態で曲げ荷重が繰り返し作用して、その応力が完全ねじ部と不完全ねじ部との境界部分の不完全ねじ部のねじ底部に集中しても、その応力がねじ底部の全体に分散されるため、ねじ底部にまくれ込みが現出された従来のねじ部材よりも耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等を向上させたねじ部材を製造する方法が提供される。
請求項４に記載したねじ部材の製造方法の発明では、ねじ部材の軸部が、加工硬化して高強度に形成され、従来のねじ部材よりも耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等を向上させたねじ部材を製造する方法が提供される。
請求項５に記載したねじ部材の製造方法の発明では、ねじ部材により複数の部材を締結した状態で、このねじ部材に曲げ荷重が繰り返し作用すると、応力が集中する箇所はねじ部材の雌ねじ部との非螺合部位に形成した不完全ねじ部となるが、その不完全ねじ部のねじ底部にはまくれ込みが現出されていないので、応力は不完全ねじ部のねじ底部の全体に分散されて、ねじ部材の耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等が十分に満足されるねじ部材を製造する方法が提供される。

本発明によれば、ねじ転造加工時、ねじ山の頂部の一部が欠けた転造ダイスによって転造された場合でも、応力の集中する部位のねじ底部にまくれ込みが現出されず、耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等が向上するねじ部材及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１〜図５に基いて詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係るねじ部材は、図１に示すように、例えば、キャップ６０をコンロッド６１に取り付ける際のコンロッドボルト１に採用されている。
本コンロッドボルト１は、図２に示すように、頭部２と軸部３とから構成されている。
本コンロッドボルト１の軸部３には、図２及び図３に示すように、コンロッド６１の雌ねじ部６４との螺合部位にねじ山断面形状が略三角形状となる完全ねじ部４が形成されると共に、コンロッド６１の雌ねじ部６４との非螺合部位、すなわち、コンロッド６１の貫通孔６３及びキャップ６０の貫通孔６２の大半部分に位置する部位にねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部５が形成される。また、完全ねじ部４は、軸部３の先端部に形成されると共に、不完全ねじ部５は、軸部３の中間部に形成される。

そして、本コンロッドボルト１の製造方法を図２に基いて説明する。
まず、第１の工程として、図２（ａ）に示すように、本コンロッドボルト１は、冷間型鍛造により、棒状体の一端部がブロック状の頭部２に型成形されて、頭部２と軸部３とに形成される。

次に、第２の工程として、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）に示す本コンロッドボルト１の軸部３が、転造成形加工により、先端部及び基端部に大径軸部４ａが形成されると共に、中間部に小径軸部５ａが形成される。この大径軸部４ａの外径は、図２（ａ）に示す軸部３の外径よりも小径で、最終的にねじ転造加工により形成される完全ねじ部４の外径に形成される。また、小径軸部５ａは、大径軸部４ａの外径よりも、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍの所定値小径に形成される。
また、先端部に形成される大径軸部４ａの長さは、図３に示すように、コンロッド６１の雌ねじ部６４の長さと略同一に設定されている。一方、中間部に形成される小径軸部５ａの長さは、コンロッド６１の貫通孔６３の長さに、キャップ６０の貫通孔６２の約６割程度の長さを合わせた相当の長さに設定されている。また、図２（ｂ）に示すように、軸部３の小径軸部５ａと大径軸部４ａとは、テーパ面またはＲ面（図２（ｂ）ではテーパ面）６ａで接続される。
なお、軸部３が転造成形加工により大径軸部４ａと小径軸部５ａとに形成される第２の工程は、頭部２がブロック状に型成形される第１の工程に含まれる場合もある。

次に、第３の工程として、図２（ｂ）に示すコンロッドボルト１の小径軸部５ａ及び先端部分の大径軸部４ａを、図６に示す第１及び第２転造ダイス７０、７１によりねじ転造加工することで、図２（ｃ）に示すように、本コンロッドボルト１の先端部分の大径軸部４ａには、コンロッド６１の雌ねじ部６４と螺合される、ねじ山断面形状が略三角形となる完全ねじ部４が形成される。一方、本コンロッドボルト１の小径軸部５ａには、ねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部５が形成される。なお、完全ねじ部４の各ねじ山の角度と、不完全ねじ山５の各ねじ山の角度とは略同一である。

そして、このように形成された本コンロッドボルト１を、図３に示すように、キャップ６０の貫通孔６２及びコンロッド６１の貫通孔６３に挿通して、先端部の完全ねじ部４をコンロッド６１の雌ねじ部６４に螺合することにより、キャップ６０をコンロッド６１に取り付けている。

そこで、本コンロッドボルト１に、ねじ転造加工にて完全ねじ部４及び不完全ねじ部５が形成される際、ねじ山の頂部の一部が欠けた転造ダイス７０、７１により転造された場合、図４に示すように、本コンロッドボルト１の完全ねじ部４の範囲には、従来と同様にそのねじ底部にまくれ込み５５が現出されるが、不完全ねじ部５の範囲には、各転造ダイス７０、７１の各ねじ山間のねじ溝に、小径軸部５ａの材料が完全に充填されず過転造の状態にならないために、不完全ねじ部５のねじ底部にまくれ込み５５が現出されることはない。

そこで、上述したような製造方法を採用することにより、不完全ねじ部５のねじ底部に、まくれ込み５５が現出されないことを図５に示すグラフに基いて説明する。図５は、切り込み量（図６に示す第２転造ダイス７１が被加工軸部の外周面に接触してから第１転造ダイス７０側に移動した距離）と、ねじ底部に現出したまくれ込み量（亀裂の深さ）との関係をグラフにしたものである。条件としては、被加工軸部の外径が９ｍｍであり、第１及び第２転造ダイス７０、７１のねじ山の高さが０．７ｍｍで、しかも、第１転造ダイス７０は、そのねじ山の頂部の一部が０．１５ｍｍ欠けた状態である。

そして、この条件において、切り込み量とまくれ込み量との関係を検証してみると、図５から解るように、切り込み量が０．６〜０．６５ｍｍの範囲、すなわち、被加工軸部に形成されたねじ山の高さが正規の高さ（０．７ｍｍ）にまで達していないねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部５の状態では、まくれ込み５５は現出していない。しかしながら、切り込み量が０．７ｍｍの時、すなわち、被加工軸部の形成されたねじ山の高さが正規の高さに達し、ねじ山断面形状が略三角形状となる完全ねじ部４が形成された時に、まくれ込み５５が現出している（まくれ込み量：０．０２７ｍｍ）。
このように、ねじ山の頂部の一部が欠けた転造ダイス７０、７１によりねじ転造加工されたとしても、ねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部５のねじ底部には、まくれ込み５５が現出されないことが解る。
また、参考ではあるが、切り込み量が０．７ｍｍよりも大きくなると、完全ねじ部４の外径が転造前の軸径９ｍｍよりも小径となり、過転造が進むことから完全ねじ部４のねじ底部に現出されたまくれ込み量も次第に増加する。

次に、疲労試験により本コンロッドボルト１と従来のコンロッドボルト５１との耐疲労特性を比較した結果を説明する。
本コンロッドボルト１と従来のコンロッドボルト５１とを疲労試験機に同一条件、すなわち、本コンロッドボルト１は完全ねじ部４の全範囲を拘束した状態、また、従来のコンロッドボルト５１は、その完全ねじ部５３の先端部分で、本コンロッドボルト１の完全ねじ部４の長さ相当分を拘束した状態で設置して、それぞれのコンロッドボルト１、５１に同一の曲げ荷重を繰り返し付与して、破断回数についての比較検証を行った。
その結果、従来のコンロッドボルト５１は、略１０⁶回目で破断したのに対して、本コンロッドボルト１では疲労試験における合否基準となる１０⁷回目でも破断には至らなかった。このように、耐疲労特性において、本コンロッドボルト１が、従来のコンロッドボルト５１よりも高い強度を有していることが解る。

以上説明したように、本発明の実施の形態では、本コンロッドボルト１を製造する際、まず、コンロッドボルト１の軸部３に、転造加工により、その先端部、すなわち、コンロッド６１の雌ねじ部６４との螺合部位に大径軸部４ａを形成すると共に、その中間部、すなわち、コンロッド６１の貫通孔６３及びキャップ６０の貫通孔６３の大半部分に位置する部位に小径軸部５ａを形成する。次に、ねじ転造加工により、大径軸部４ａにねじ山断面形状が略三角形状となる完全ねじ部４を形成すると共に、小径軸部５ａにねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部５を形成する。
そして、このように本コンロッドボルト１が製造されることで、ねじ転造加工の際、ねじ山の頂部の一部が欠けた転造ダイス７０、７１により転造された場合でも、不完全ねじ部５の範囲では、転造ダイス７０、７１の各ねじ山間のねじ溝に、小径軸部５ａの材料が完全に充填されず過転造の状態にならないために、不完全ねじ部５のねじ底部にまくれ込み５５が現出されることはない。

その結果、本コンロッドボルト１によりキャップ６０をコンロッド６１に取り付け、本コンロッドボルト１に曲げ荷重が繰り返し作用し、その応力がコンロッド６１の雌ねじ部６４と貫通孔６３との境界部分（図３及び図４参照）に位置する本コンロッドボルト１の不完全ねじ部５のねじ底部に集中しても、応力はねじ底部の全体に分散されるために、本コンロッドボルト１は、従来のコンロッドボルト５１に比べて、耐疲労特性及び耐遅れ破壊特性等が向上する。

なお、本発明の実施の形態では、ねじ部材をコンロッドボルト１に限定して説明したが、自動車で使用される他のボルト、例えば、ヘッドボルト、クランクキャップボルト、フライホイールボルト、ボールジョイントボルト、ユニオンボルト、プーリボルト等にも採用することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るコンロッドボルトによりキャップをコンロッドに取り付けた状態の図である。 図２は、本コンロッドボルトの製造工程を段階的に示した図である。 図３は、本コンロッドボルトが、キャップの貫通孔を貫通して、コンロッドの雌ねじ部に螺合している図である 図４は、図３のＡ部を拡大した図である。 図５は、切り込み量とまくれ込み量の関係を示した図である。 図６は、ねじ転造加工の様子を示した図である。 図７（ａ）は、従来のコンロッドボルト全体図で、（ｂ）は（ａ）のＢ部の拡大図である。 図８は、従来のコンロッドボルトのねじ底部に現出されたまくれ込みの発生過程を段階的に示した図である。

符号の説明

１ コンロッドボルト（ねじ部材），３ 軸部，４ａ 大径軸部，５ａ 小径軸部，４ 完全ねじ部，５ 不完全ねじ部，６４ 雌ねじ部

Claims (5)

1. 雌ねじ部に螺合されるねじ部材であって、
   該ねじ部材の軸部には、前記雌ねじ部との非螺合部位に、ねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部が形成されると共に、前記雌ねじ部との螺合部位に、ねじ山断面形状が略三角形状となる完全ねじ部が形成されることを特徴とするねじ部材。
2. 前記完全ねじ部は、前記軸部の先端部分に形成されることを特徴とする請求項１に記載のねじ部材。
3. 雌ねじ部に螺合されるねじ部材の製造方法であって、
   前記ねじ部材の軸部を、小径軸部と大径軸部とに形成する工程と、
   ねじ転造加工により、前記小径軸部にねじ山断面形状が略台形状となる不完全ねじ部を形成すると共に、前記大径軸部にねじ山断面形状が略三角形状となる完全ねじ部を形成する工程と、を含むことを特徴とするねじ部材の製造方法。
4. 前記軸部を前記小径軸部と前記大径軸部とに形成する前記工程では、前記小径軸部と前記大径軸部とが転造加工によって形成されることを特徴とする請求項３に記載のねじ部材の製造方法。
5. 前記不完全ねじ部は、前記雌ねじ部との非螺合部位に形成されると共に、前記完全ねじ部は、前記雌ねじ部との螺合部位に形成されることを特徴とする請求項３または４に記載のねじ部材の製造方法。
   

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