JP2020020375A - ねじ部品およびその製造方法 - Google Patents

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【課題】締め付けるときに首部の破断を抑制できるねじ部品を提供すること。【解決手段】ねじ部品は、外周面に形成されたねじ部と、ねじ部の後端に隣接してなりねじ部の有効径よりも外径が小さい首部と、を有する軸部と、首部の後端に隣接し径方向外側に張り出した張出部と、を備える。ねじ部品を、軸線を含む断面で見たときに、少なくとも、ねじ部の有効径を通る仮想線と張出部の外表面との先端側交点から首部の外表面の先端まで、張出部および首部の外表面に沿ってファイバーフローが連続して存在する。【選択図】図2

Description

本発明はねじ部品およびその製造方法に関し、特にねじ部の有効径よりも外径が小さい首部を備えるねじ部品およびその製造方法に関するものである。
六角ボルト等のねじ部品は、ねじ部(おねじ)と、ねじ部の後端に隣接する首部と、を備える軸部、及び、首部の後端に隣接し径方向外側に張り出す張出部(頭部)を備えている。この種のねじ部品において、例えば特許文献1に開示される主体金具のように、ねじ部の有効径よりも首部(係合部)の外径が小さいものがある。特許文献1では切削により首部が形成され、首部にガスケットが配置される。
特開2007−280942号公報
しかしながら上記従来の技術では、ねじ部品に締め付けトルクが加えられると、ねじりモーメントによる応力集中は首部に生じ易いので、首部に過度に負荷がかかって首部が破断するおそれがある。例えば、締め付ける速度が速いときに、締め付け速度が遅いときの破断荷重よりも小さい荷重で首部が破断するおそれがある。
本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、首部の破断を抑制できるねじ部品およびその製造方法を提供することを目的としている。
この目的を達成するために本発明のねじ部品は、先端側から後端側へ軸線に沿って延びる軸部であって、外周面の一部に形成されたねじ部と、ねじ部の後端に隣接してなりねじ部の有効径よりも外径が小さい首部と、を有する軸部と、首部の後端に隣接し、径方向外側に張り出した張出部と、を備える。ねじ部品を、軸線を含む断面で見たときに、少なくとも、ねじ部の有効径を通る仮想線と張出部の外表面との先端側交点から首部の外表面の先端まで、張出部および首部の外表面に沿ってファイバーフローが連続して存在する。
また、本発明は前記ねじ部品の製造方法であって、ねじ部品に成形される前のワークの外周面にダイスを押し付けて少なくとも首部を転造する軸部形成工程を備える。
請求項1記載のねじ部品によれば、少なくとも、ねじ部の有効径を通る仮想線と張出部の外表面との先端側交点から首部の外表面の先端まで、張出部および首部の外表面に沿ってファイバーフローが連続して存在する。これにより首部の靭性を向上できるので、締め付けるときに首部の破断を抑制できる。
請求項2記載のねじ部品によれば、張出部の先端側交点からねじ部の外表面の先端まで、張出部、首部およびねじ部の外表面に沿ってファイバーフローが連続して存在する。これによりねじ部の靭性を向上できるので、請求項1の効果に加え、ねじ部の破断も抑制できる。
請求項3記載のねじ部品によれば、首部におけるファイバーフローの間隔は、張出部の先端側交点におけるファイバーフローの間隔よりも狭いので、張出部の先端側交点よりも首部を加工硬化させることができる。よって、請求項1又は2の効果に加え、首部の破断荷重を高くできる。
請求項4記載のねじ部品によれば、首部の硬度は、張出部の先端側交点の硬度よりも高いので、請求項1から3のいずれかの効果に加え、首部の破断荷重を高くできる。
請求項5記載のねじ部品によれば、張出部および軸部には、軸線に沿って貫通する軸孔が形成されている。よって、請求項1から4のいずれかの効果に加え、別の部材を軸孔に配置したり、ねじ部品が締め付けられたねじ穴に溜まった空気を軸孔から吸引したりすることができる。
請求項6記載のねじ部品によれば、点火プラグ用絶縁体またはガスセンサ用絶縁体が軸孔に配置される。よって、請求項5の効果に加え、ねじ部品に点火プラグ用絶縁体を組み合わせて点火プラグとしたり、ねじ部品にガスセンサ用絶縁体を組み合わせてガスセンサとしたりできる。
請求項7記載のねじ部品の製造方法によれば、軸部形成工程により、ねじ部品に成形される前のワークの外周面にダイスを押し付けて、少なくとも首部が転造される。これにより首部の靭性を向上できるので、ねじ部品を締め付けるときに首部の破断を抑制できる。さらに首部の外形の真円度を高くできる。
請求項8記載のねじ部品の製造方法によれば、軸部形成工程ではワークの外周面にダイスが押し付けられ、首部とねじ部とが同時に転造される。よって、請求項7の効果に加え、ねじ部の靭性を向上させ、ねじ部の破断も抑制できる。首部とねじ部とが同時に転造されるので、首部とねじ部とを別々に転造する場合に比べ、加工時間を短縮できる。また、首部とねじ部とを同軸にしやすくできる。
一実施の形態におけるねじ部品を用いた点火プラグの片側断面図である。 (a)はねじ部品の部分断面図であり、(b)はねじ部品のファイバーフローを示す模式図である。 ダイスの間に移動させたワークの側面図である。
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図1は一実施の形態におけるねじ部品(主体金具15)を用いた点火プラグ10の軸線Oを境にした片側断面図である。図1では、紙面下側を点火プラグ10の先端側、紙面上側を点火プラグ10の後端側という。
図1に示すように点火プラグ10は、絶縁体11及び主体金具15を備えている。絶縁体11(点火プラグ用絶縁体)は、高温下の絶縁性や機械的特性に優れるアルミナ等により形成された略円筒状の部材である。絶縁体11は軸線Oに沿って軸孔12が貫通する。
中心電極13は、軸孔12に挿入され軸線Oに沿って絶縁体11に保持される棒状の電極である。中心電極13は、絶縁体11の先端から突出するように軸孔12に配置されている。中心電極13は、熱伝導性に優れる芯材が母材に埋設されている。母材はNiを主体とする合金またはNiからなる金属材料で形成されており、芯材は銅または銅を主成分とする合金で形成されている。芯材を省略することは可能である。
端子金具14は、高圧ケーブル(図示せず)が接続される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料(例えば低炭素鋼等)によって形成されている。端子金具14は、先端側が絶縁体11の軸孔12に配置される。端子金具14は、軸孔12内で中心電極13と電気的に接続されている。絶縁体11の外周の先端側に主体金具15が固定されている。
主体金具15は、軸線Oに沿って貫通する軸孔16が形成された略円筒状の部材である。主体金具15は、導電性を有する金属材料(例えば低炭素鋼等)によって形成されている。主体金具15は、円筒状の軸部17と、軸部17の後端に隣接し軸部17の外径よりも外径が大きい張出部22と、を備えている。軸部17は、軸部17の外周面に形成されたねじ部18と、ねじ部18の後端20に隣接する首部21と、を備えている。ねじ部18の先端19は、軸部17のほぼ先端に位置する。
図2(a)はねじ部品(主体金具15)の軸線Oを含む部分断面図である。首部21の先端33はねじ部18の後端20(図1参照)に一致する。首部21の後端34は張出部22に隣接する。首部21の外表面31の直径は、ねじ部18の有効径よりも小さい。ねじ部18の有効径は、ねじ溝35の幅(軸線方向の寸法)がねじ山36の幅に等しくなるような仮想的な円筒(仮想線37)の直径である。本実施形態では、首部21における軸部17の肉厚Tは3.6mm以下であり、ねじ部18の呼び径(ねじ山36の外径)は18mm以下である。
図1に戻って説明する。主体金具15は、先端側から後端側へ順に、張出部22の後端に接続部23、工具係合部24、後端部25が隣接する。接続部23及び後端部25は、主体金具15を絶縁体11に組み付けるときに、塑性変形させて加締め固定するための部位である。工具係合部24は、エンジン28のねじ穴29にねじ部18を締め付けるときに、レンチ等の工具を係合させる部位である。張出部22は、エンジン28に対するねじ部18のねじ込み量を規制すると共に、ねじ部18とねじ穴29との隙間を塞ぐための部位である。
主体金具15は、円環状のガスケット27を首部21に保持している。エンジン28のねじ穴29にねじ部18が締め付けられることにより、張出部22とエンジン28との間に挟まれたガスケット27は、ねじ部18とねじ穴29との隙間を封止する。
接地電極26は、主体金具15の軸部17に接続される棒状の金属製(例えばニッケル基合金製)の部材である。接地電極26と中心電極13との間に火花ギャップが形成される。本実施形態では、接地電極26は屈曲している。
図2(b)はねじ部品(主体金具15)のファイバーフロー39(鍛流線)を示す模式図である。ファイバーフロー39は、主体金具15の軸線Oを含む断面をエッチングして顕微鏡で観察される金属組織である。
主体金具15は、ねじ部18の有効径を通る仮想線37(図2(a)参照)と張出部22の外表面32とが交わる2つの交点のうち先端側の交点(先端側交点38)から首部21の外表面31の先端33まで、張出部22の外表面32及び首部21の外表面31に沿ってファイバーフロー39が連続して存在する。これにより、切削により首部21が形成されファイバーフローが切断される場合に比べ、主体金具15のうち張出部22の先端側交点38から首部21の先端33までの部位の靭性を向上できる。よって、締め付けトルクによる応力集中が首部21に生じても、締め付けるときに首部21の破断を抑制できる。
特に、首部21における軸部17の肉厚Tは3.6mm以下と薄いので、首部21の靭性を向上させることにより、首部21の破断の抑制に効果的である。なお、図2(a)及び図2(b)では、仮想線37と張出部22の外表面32とが交わる2つの交点のうち先端側交点38以外の後端側の交点は図示が省略されている。
本実施形態では、ファイバーフロー39は、先端側交点38からねじ部18の外表面30の先端19(図1参照)まで、張出部22の外表面32、首部21の外表面31及びねじ部18の外表面30に沿って連続して存在する。これにより、主体金具15のうち先端側交点38からねじ部18の先端19までの部位の靭性を向上できる。よって、締め付けるときにねじ部18の破断も抑制できる。特に、ねじ部18の呼び径は18mm以下と小さいので、ねじ部18の靭性を向上させることにより、ねじ部18の破断の抑制に効果的である。
図2(b)に示すように、首部21におけるファイバーフロー39の間隔は、張出部22の先端側交点38におけるファイバーフロー39の間隔よりも狭い。これにより、張出部22の先端側交点38よりも首部21を加工硬化させることができる。その結果、首部21の破断荷重を高くできるので、首部21の靭性と影響し合って、さらに首部21を破断させ難くできる。なお、ファイバーフロー39の間隔(密度)は、例えば、顕微鏡で観察した主体金具15の断面の多階調画像を取得し、その画像の色や明るさの度合い(濃淡)を比較して判定できる。
首部21の硬度は、張出部22の先端側交点38の硬度よりも高い。首部21の硬度を張出部22の硬度よりも高くするのは、首部21を加工するときに生じる加工硬化を利用できる。首部21の硬度を、張出部22の先端側交点38の硬度よりも高くすることにより、首部21の破断荷重を高くできる。よって、首部21の靭性と影響し合って、さらに首部21を破断させ難くできる。
首部21及び張出部22の硬度の高低は、例えば常温(15〜25℃)におけるビッカース硬さを比較することにより特定できる。ビッカース硬さは、JIS Z2244:2009に準拠して測定される。軸線Oを含む平面で主体金具15を切断し、その切断面を鏡面研磨してビッカース硬さを測定する試験片とする。
ビッカース硬さ試験では、首部21及び張出部22の各測定点にそれぞれ圧子を押し込んで圧痕を作る。首部21の外表面31から測定点(首部21の測定点)までの距離は、張出部22の外表面32から測定点(張出部22の測定点)までの距離と同じにする。また、各測定点において圧子に加える試験力および保持時間は同じにする。首部21及び張出部22の硬度の測定条件を同じにするためである。
点火プラグ10は、例えば以下のような方法によって製造される。まず、中心電極13を絶縁体11の軸孔12に挿入し、中心電極13の先端が絶縁体11の先端から突出するように配置する。次いで、端子金具14と中心電極13との導通を確保しながら、絶縁体11の軸孔12に端子金具14を挿入する。次に、予め接地電極26が接続された主体金具15に絶縁体11を挿入し、主体金具15の後端部25及び接続部23を屈曲して、主体金具15を絶縁体11に組み付ける。接地電極26を曲げ、主体金具15の軸部17をガスケット27に挿入し、ガスケット27を首部21に装着して点火プラグ10を得る。
次に、図3を参照して主体金具15の製造方法について説明する。主体金具15はワーク40から成形される。図3はダイス41の間に移動させたワーク40の側面図である。本実施形態ではダイス41は丸ダイスであり、3つのダイス41が配置されている。図3では、全部で3つあるダイス41のうち2つのダイス41のワーク40に面した部分(ダイス41の一部)が模式的に図示されており、ねじ部44の図示が簡略化されている。
図3に示すようにワーク40は、軸部17、張出部22、接続部23、工具係合部24及び後端部25を備える略円筒状の部材であり、冷間鍛造により一体成形されている。ワーク40の接続部23及び後端部25は、屈曲される前の円筒形である。ワーク40の軸部17は、ねじ部18及び首部21が形成される前の円筒形である。ワーク40の軸部17のうち、ねじ部18及び首部21が形成される予定の部位の外径は、主体金具15のねじ部18の有効径にほぼ等しい。ワーク40には、屈曲される前の接地電極26(直線状の棒材)が接合されている。
ワーク40は、ワークホルダ46に保持される。ワークホルダ46は、先端側にコレットチャックやマンドレル型ストッパ等を備えている。ワークホルダ46は、自身の先端側から軸線Oに沿ってワーク40の後端側からワーク40の先端側へ向けて挿入される。ワークホルダ46は、保持したワーク40の軸線Oを中心とする回転、及び、ワーク40の軸線Oの後端側(図3上側)への移動を許容する。
ワークホルダ46は、ばね(図示せず)が配置されている。ばねは、ワークホルダ46がワーク40を保持した状態でワーク40に軸線Oの後端側への力が加えられると、自身の弾性力によってワーク40に軸線Oの先端側(図3下側)への力を加え、ワーク40の軸線方向の位置を復元する。
ダイス41の中心軸42は、ワークホルダ46に保持されたワーク40の軸線Oに沿って配置されている。ダイス41の端面43は、ワーク40の軸線方向の後端側を向いている。ダイス41はねじ部44及び凸部45を備えている。ダイス41のねじ部44は、主体金具15のねじ部18をワーク40に形成する部位であり、凸部45はワーク40に首部21を形成する部位である。凸部45は、ダイス41の端面43に接続された円環状の突起であり、ねじ部44に隣接している。ダイス41は、アクチュエータ(図示せず)によって、ワーク40の軸線Oに垂直な方向へ往復移動し、さらに中心軸42を中心に回転する。
ワークホルダ46がワーク40をダイス41の間に移動させた後、移動工程において、ワーク40の軸線Oと垂直な方向に3つのダイス41が移動し、ダイス41がワーク40に近づく。ダイス41は、ワーク40の張出部22の外表面32のうち先端側を向く面にダイス41の端面43を接触させながら、ワーク40に近づく。ワークホルダ46は、ばね(図示せず)の復元力により、ワーク40に先端側(図3下側)への力を加え、張出部22の外表面32をダイス41の端面43に密着させる。ダイス41は、ねじ部44及び凸部45が軸部17に接触する(かみ込む)まで移動する。
軸部形成工程では、ダイス41のねじ部44及び凸部45を軸部17に押し当てた状態で、所定のねじ部18(図1参照)及び首部21が同時に転造されるように予め設定された回転角度だけダイス41を回転させる。ダイス41は回転を停止した後、ワーク40から遠ざかるように軸線Oに垂直な方向へ移動する。これにより、ワーク40に所定のねじ部18及び首部21が形成される。次に、メッキ等が施されて主体金具15が得られる。
以上のように、軸部形成工程によりワーク40の外周面にダイス41を押し付けて首部21が転造されるので、首部21の靭性を向上できる。よって、主体金具15を締め付けるときに首部21の破断を抑制できる。
さらに、ワーク40にダイス41を押し付けて軸線Oを中心にワーク40を回転させて首部21を形成するので、首部21の外形の真円度を高くできる。これにより、主体金具15の軸部17をガスケット27に挿入するときに、首部21をガスケット27に挿入し易くできる。また、首部21に配置されたガスケット27と軸部17とをほぼ同軸にできるので、ガスケット27の軸ずれによる漏れを生じ難くすることができ、ガスケット27によるシール機能を確実に発揮させることができる。
軸部形成工程では首部21とねじ部18とが同時に転造されるので、首部21の靭性の向上に加え、ねじ部18の靭性も向上できる。よって、ねじ部18の破断も抑制できる。また、首部21とねじ部18とが同時に転造されるので、首部21とねじ部18とを別々に転造する場合に比べ、加工時間を短縮できる。
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
実施形態では、主体金具15(ねじ部品)の軸孔16に絶縁体11(点火プラグ用絶縁体)が配置され、点火プラグ10を構成する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。ねじ部品の軸孔に他の部材を配置することは当然可能である。他の部材としては、例えば酸素センサ(ガスセンサ)等のセンサ用絶縁体が挙げられる。センサ用絶縁体をねじ部品の軸孔に配置することにより、種々のセンサが得られる。
実施形態では、軸線Oに沿って貫通する軸孔16が形成された主体金具15を例示してねじ部品を説明したが、これに限られるものではない。軸部17及び張出部22に軸孔16が形成されておらず、軸部17が中実の棒状であるボルト等のねじ部品においても同様の効果がある。この場合、特にねじ部18の呼び径が18mm以下のねじ部品に高い効果がある。ねじ部18の呼び径が18mmを超えるねじ部品の場合には、首部21の機械的強度を確保し易いので、首部21に破断が生じ難いからである。
実施形態では、首部21にガスケット27が配置されるねじ部品(主体金具15)について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。ねじ部品の首部21にガスケット27以外のリング状の部材を配置することは当然可能である。他のリング状の部材としては、例えばワッシャが挙げられる。
実施形態では、円筒の軸部17の外周にねじ山36が形成されたねじ部品(平行ねじ)について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。円錐状の外形をもつ軸部の外周にねじ山があるねじ部品(テーパねじ)に適用することは当然可能である。この場合、ねじ部の有効径は、ねじ溝の幅がねじ山の幅に等しくなるような仮想的な円錐の直径のことをいう。この場合も、首部の外径はねじ部の有効径よりも小さい。
実施形態では、冷間鍛造により一体成形された軸部17及び張出部22を備えるワーク40を用いてねじ部品(主体金具15)を製造する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。主に切削加工によって形成されたワーク40を用いてねじ部品を製造することは当然可能である。この場合も実施形態と同様に、首部21やねじ部18を切削によってワーク40に形成する場合に比べて、首部21やねじ部18の靭性を向上できる。
実施形態では、ねじ部18及び首部21をワーク40にそれぞれ形成するねじ部44及び凸部45が一体化されたダイス41を用いてねじ部品(主体金具15)を転造する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。ねじ部18を形成するダイスと首部21を形成するダイスとを準備し、ねじ部18と首部21とを同時に形成したり、ねじ部18と首部21とを別々に形成したりすることは当然可能である。ねじ部18と首部21とを別々に形成する場合、首部21を形成した後、ねじ部18を形成するのが望ましい。首部21の形成によるねじ部18の精度の低下を防ぐためである。
また、首部21を形成するダイスだけを準備し、そのダイスを用いて首部21を形成し、ねじ部18は切削により形成することは当然可能である。ダイスを用いて首部21を転造することにより、少なくとも首部21の靭性は向上するからである。
実施形態では、ワークホルダ46が、ダイス41の回転に連れて回転するワーク40の回転を許容する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。ワークホルダ46が保持するワーク40を回転させる機構を設け、ダイス41の回転と同期して、ダイス41の回転方向と反対方向にワーク40を回転してねじ部18及び首部21を転造することは当然可能である。
実施形態では、ダイス41として、3つの丸ダイスを用いる場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。ダイス41の数は適宜設定できる。また、ダイス41は丸ダイスに限られるものではなく、平ダイス等の他のダイスを用いることは当然可能である。
10 点火プラグ
11 絶縁体(点火プラグ用絶縁体)
15 主体金具(ねじ部品)
16 軸孔
17 軸部
18 ねじ部
19 ねじ部の先端
20 ねじ部の後端
21 首部
22 張出部
30 ねじ部の外表面
31 首部の外表面
32 張出部の外表面
33 首部の先端
34 首部の後端
37 仮想線
38 先端側交点
39 ファイバーフロー
40 ワーク
41 ダイス
O 軸線

Claims (8)

  1. 先端側から後端側へ軸線に沿って延びる軸部であって、外周面の一部に形成されたねじ部と、前記ねじ部の後端に隣接してなり前記ねじ部の有効径よりも外径が小さい首部と、を有する軸部と、
    前記首部の後端に隣接し、径方向外側に張り出した張出部と、を備えるねじ部品であって、
    前記ねじ部品を、前記軸線を含む断面で見たときに、
    少なくとも、前記ねじ部の有効径を通る仮想線と前記張出部の外表面との先端側交点から前記首部の外表面の先端まで、前記張出部および前記首部の外表面に沿ってファイバーフローが連続して存在するねじ部品。
  2. 前記張出部の前記先端側交点から前記ねじ部の外表面の先端まで、前記張出部、前記首部および前記ねじ部の外表面に沿ってファイバーフローが連続して存在する請求項1記載のねじ部品。
  3. 前記首部におけるファイバーフローの間隔は、前記張出部の前記先端側交点におけるファイバーフローの間隔よりも狭い請求項1又は2に記載のねじ部品。
  4. 前記首部の硬度は、前記張出部の前記先端側交点の硬度よりも高い請求項1から3のいずれかに記載のねじ部品。
  5. 前記張出部および前記軸部には、前記軸線に沿って貫通する軸孔が形成されている請求項1から4のいずれかに記載のねじ部品。
  6. 点火プラグ用またはガスセンサ用絶縁体が、前記軸孔に配置される請求項5記載のねじ部品。
  7. 先端側から後端側へ軸線に沿って延びる軸部であって、外周面の一部に形成されたねじ部と、前記ねじ部の後端に隣接してなり前記ねじ部の有効径よりも外径が小さい首部と、を有する軸部と、
    前記首部の後端に隣接し、径方向外側に張り出した張出部と、を備えるねじ部品の製造方法であって、
    ねじ部品に成形される前のワークの外周面にダイスを押し付けて少なくとも前記首部を転造する軸部形成工程を備えるねじ部品の製造方法。
  8. 前記軸部形成工程では、前記ワークの外周面にダイスを押し付けて前記首部と前記ねじ部とを同時に転造する請求項7記載のねじ部品の製造方法。
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