JP4444278B2 - 高精度なねじ切タップの製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は、切削ツールに係り、より詳細には、被削性の金属及び非金属材料において雌ネジを製造するための高精度な超硬合金ねじ切タップに関する。

ネジを必要とする機構及び機械構成要素には技術上長い歴史がある。とりわけ、パーツをアセンブリへ結合するには、締具構成要素としてのネジの適用が他のあらゆる手段を凌駕する。雌ネジのみならず、雄ネジを製造するには多くの方法があるが、タップが、雌ネジを製造する好ましい手段であることが経験的上知られている。雌ネジを製造するには現在二つのタップ方法がある。主なタップ方法は、穴の壁面から材料を切削して取除くことによってらせん状Ｖ字形のネジ山を作成することである。或いは、雌ネジを形成する材料を変位させることによって雌ネジを製造することができる。

雌ネジの形状及びサイズの寸法精度によって、ネジアセンブリの精度及び嵌まり具合が調整される。更に、タッピング(ねじ切）の速度によって、雌ネジの製造コストも左右される。ネジ穴の製造中、これまで、タップは、雌ネジの所望のリードに近似した速度でタップを回転させ、送る可撓性のタップヘッドを設けたドリルプレスやマシンツールによって、駆動されていた。マシンの送りが近似値にすぎないことから、形成されるネジのリードはタップのリードの影響を受け、マシンの送りとタップのリードとの差を該可撓性を有するタップヘッドによって調整する。可撓性を有するタップヘッドが、精度に影響を与えるだけでなく、その回転可能速度も制限される。また、切削中にタップヘッドによってタップが半径方向に振れることによって、生成時のネジの精度が一層制限される。

最近、マシンツールは、タップを保持するスピンドルの回転と送りを正確に同期させるべく、ＣＮＣコントロールによって改良され（例えば、ここで参照することにより、その全体の内容が本明細書中に組み込まれる文献１参照）、これによって、可撓性を有するヘッドが不要となる。さらに、ドリルやエンドミルなどの他の回転式シャンク型ツールを保持する手段が、最初は加熱により拡大し、次に冷却により縮小してツールのシャンクに嵌合可能なホルダによって改良された。或いは、液圧によってツールのシャンクを保持するホルダが開発された。収縮ホルダと液圧ホルダは共に、タップヘッドによるよりも径方向の振れを大幅に減少させて、ツールを回転させることができる。例えば、ホルダは、３マイクロメートル以内の振れで同心回転可能である。また、これらの方法は、従来より、ずっと高い把持力と剛性によって円筒形のシャンクを保持することができる。半径方向の振れが減少し、剛性が高くなったことにより、ツール鋼から製造される同様のツールよりもはるかに高い切削速度で使用することができる、超硬円筒形切削ツールの使用が可能となる。
米国特許第４，８７９，６６０号 米国標準規格（Ａ．Ｓ．Ｍ．Ｅ）-Ｂ９４．９-１９９９

最近、タップは、収縮嵌め合わせホルダ及び液圧ホルダをドリルやエンドミルなどの他の回転式シャンク型ツールと同様に使用できるように再設計され、構成されてきた。これらのツールホルダに用いるべく設計されることで、現在、タップは、旧式の設計によるスクエア部、フラット部または他のノッチの助けを借りない、完全に円筒形のシャンクで使用可能となった。しかしながら、現在、製造されているタップの円筒形のシャンクは、収縮嵌め合わせホルダ及び液圧ホルダの完全な使用を可能とする上で十分な精度（直径または真円度）を有していない。現在知られているタップの設計や寸法公差については非特許文献１を参照されたい。例えば、非特許文献１に基づいて製造される１２ｍｍのタップを考えると、シャンク直径の寸法公差は、＋０．００００、‐０．００１５インチ（３８マイクロメータ）である。この非特許文献１ではシャンクの真円度が制限されておらず、必須要件は、シャンク及び主要な直径の偏心が０．０００８インチ（２０マイクロメータ）以下、面取りされた切削エッジの偏心が０．００１５インチ（３８マイクロメータ）以下となっている。なお、これらの要求される特性は、製造中にタップが保持される中心に対して測定された場合の数値である。ネジ直径の同心度とタップのシャンクに対する面取りされた切削エッジとの間には直接的な関係はない。タップに収縮嵌め合わせホルダ及び液圧ホルダを効果的に使用するためのシャンクの直径は、ＤＩＮ規格７１６０のｈ６である必要があり、この場合、例えば、１２ｍｍのタップのシャンクの呼び径の直径公差が＋０、−１１マイクロメータ（＋０、−０.０００４インチ（約０．００１０ｃｍ））であること、該シャンクの真円度が３ミクロン（０．０００１２インチ（約０．０００３ｃｍ））以下であることが必要とされる。

振れは、直径平面にありツールの軸と同心である真円からの半径方向の変動として定義される。実際上、一般に、振れは、シリンダの軸に直角に取り付けられたダイアルインジケータなどの装置によって測定され、インジケータ変化の合計（ｔｉｖ）として表される。偏心度は、振れまたはインジケータ変化合計の半分として定義される。使用中、タップはシャンクによって保持されるので、タップのネジ切りされた切削部分の振れは、タップをシャンクによって正確に保持してタップが回転されるときの振れを測定することによって、最も効果的に測定され得る。

切削ツールを製造するための材料としては、超硬タングステンが、その高い硬度及び高温での硬度保持能力を含む高温安定性などの特性により、高速スチールなどのツール鋼よりも好ましいとされる。一般に、超硬合金から製造された切削ツールは、「高速（ハイスピード）」鋼から製造されるツールより少なくとも３倍高い切削速度として使用でき、製品寿命も長い。しかしながら、超硬タングステンは、破壊靭性および強度の点でツール鋼より劣り、これにより、切削ツールを強固に保持する機械加工（旋削）作業におけるその使用が制限される。現在の技術によるタップの同心性を改良せずに超硬合金からタップを製造しても、そうしたタップは、たとえ、収縮嵌め合わせホルダ及び液圧ホルダの助けを借りたとしても、その使用が非常に制限される。現在の同心性でカーバイドタップが使用された場合、切削エッジが容易に欠落すなわち破損するため、ツールが使用できなくなる。更に、タップの回転速度が増すにつれて、タップの振れが大きくなるので、このようなタップが使用できる速度も限定される。

要するに、本発明によれば、完全に円筒形のシャンクを含むとともに、ネジ本体と切削面取りがシャンクと１０ミクロン以内で同心である、高精度超硬合金タップが提供され、これによって、雌ネジが形成される精度と速度が向上する。

本発明の更なる特徴及びこれらの特徴によって得られる利点が、図面に関して記述された以下の詳細な説明によって、より明確に理解されよう。

図１及び図２には、参照番号１０が付された本発明の実施の形態による高精度の超硬合金ねじ切タップが示されている。タップ１０は、円筒形の焼結された炭化タングステンの半製品から製造され、しばしば、基板と称される。該半製品は、タップ１０の仕上がり寸法よりも大きいサイズの直径を有し、表面４２及び４４で所定の長さにカットされる。

この基板の一般的な材料は、コバルトで接着された（複数種の）金属炭化物である。主な炭化物の成分は、炭化タングステンであるが、炭化タンタル、炭化チタン、及び炭化ニオブ等の他の炭化物が使用されてもよい。さらに、結晶成長を制限するために少量の遷移金属の炭化物が添加されてもよいし、基板が少量の不可避な不純物を含んでいてもよい。

基板を処理する際の第１のステップは、中心への円筒形トラバース研削などの方法によって、または、心なし送り込み研削方法によって、高精度の円筒形寸法公差に準じて半製品を研削することである。このステップの間、円筒形シャンク４６は、スクエア部、フラット部または他のノッチを設けずに、タップ１０の軸方向後端部で所定のサイズに切削され、ネジ本体部分３１の主直径は、タップ１０の軸方向前端部で形成される。円筒形シャンク４６の表面は、ドイツノルメン（Ｄｅｕｔｃｈｅ Ｎｏｒｍｅｎ）ＤＩＮ７１６０に記載された直径寸法公差ｈ６に準じて真円度３ミクロン以下で研削される。更に、この処理中または更なる処理の結果として、任意のネック部４９を形成してよく、該ネック部４９には、円筒形表面５２と、円筒形シャンク４６とネック部４９の間のベベル４８とを設けてよい。また、任意のベベル２４を、円筒形の研削によって研削してもよい。一般に、シャンク直径Ｄはネジの呼び形に略等しいが、本発明のシャンク直径は、比較的大きな直径のタップの場合は、ネジの呼び径より小さくてもよく、比較的小さな直径のタップの場合は、ネジの呼び径より大きくてよい。

本発明の一つの態様では、半製品は、研削中、高精度の液圧ホルダによって高精度に研削されたシャンク４６で保持され、ネジ本体部分５２とネジ切削面取り部５４が、１０ミクロン以内の振れで確実に円筒形シャンク４６に同心となるようにする。

次のステップにおいて、一つ以上のフルート５０が、面取り３０と組み合わされて切削エッジを提供するように、また、該タップが使用される際に形成されるチップ（切粉）を排出する手段を提供するように、研削される。図１に示されるように、フルート５０は、直線であり、一般にタップ１０の軸に平行に配向されている。フルートの他の配向も可能であることが理解されよう。例えば、使用中にタップ動作の前方へチップを押し出すため、短いフルートを、タップ１０の長手軸に対して５乃至２０度の角度でタップの挿入部に研削してもよい。あるいは、フルート５０がらせん状であってもよい。らせん状の回転は、穴からチップを引き出したいか、または、使用中のタップの動作の前方へチップを押出したいかによって選択される。

次のステップにおいて、ネジ本体部分３１は、Ｖ字型のネジ山の半製品表面を形成すべく、小直径と大直径に沿って、らせん状に研削される。引き続いて、ネジ山を切られた切削面取り部３０の形状が、研削によって形成される。Ｖ字型のネジ山の半製品表面と主直径は、タッピング中に形成される雌ネジのねじ山および主直径を反映する。ネジ切削面取り部３０は、タッピングする穴への挿入を可能にすべくテーパリングされている。

処理の最終ステップとして、タップ１０は、任意に、金属窒化物、カーバイド、炭窒化物、ホウ化物および／または酸化物からなる耐磨耗層（図示しない）によって任意に被覆されてもよい。ここで、耐磨耗層の金属は、アルミニウム、シリコン、及び周期表ＩＶａ、Ｖａ、及びＶＩａ族の遷移金属のうち１種類以上から選択される。この層は、単一単層として、または、交互に積層された層を含む多層で設けられる。

更なる選択として、上記任意の耐磨耗層は、二硫化モリブデン、二硫化モリブデンと転移金属炭素、炭素と遷移金属炭化物、炭素と遷移金属、炭素、及び窒化炭素からなる第２の外側摩擦低減層（図示なし）によって任意にコーティングされ得る。外層は、単一単層として、または、交互に積層された層を含む多層で設けられる。タップ１０の任意の耐磨耗層と外側摩擦低減層によるコーティングについては、その全体の内容が本明細書中に参照することによって組み込まれる「コーティングされたカーバイドタップ（“Ｃｏａｔｅｄ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｔａｐ”）」（ＫＧ−１９８１）と題された同時係願の米国特許出願シリアルＮｏ．１０ｘｘｘ，ｘｘｘに記載されている。

耐磨耗層と外側摩擦低減層は共に、例えば、イオンメッキ、マグネトロンスパッタリング、アーク蒸着などの任意の高イオン濃度プロセスを含む周知の物理的蒸着（ＰＶＤ）技術や、満足できるＣＶＤ層を達成する様々なＣＶＤプロセスを用いた化学蒸着（ＣＶＤ）技術のいずれか一つなどの蒸着技術の使用によって、塗布され得る。加熱フィラメントＣＶＤプロセスを、ダイヤモンドコーティング剤を塗布するために使用できる。

あるいは、完全な円筒形シャンク４６を有する高精度の超硬合金ねじ切タップ１０を、シリコンを含有するアルミニウム等の非鉄材料をタッピングする際に使用される耐磨耗層の場合と同様に、ダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状の炭素コーティングによってコーティングしてよい。

図２には、高精度の超硬合金ねじ切タップ１０の側面図が示されている。図２の左側には、直径Ｄと長さＬＳを有するシャンク４６が示されている。図２の右側には、長さＬＣを有するテーパリングされた切削面取り部３０を含む、長さＬＴのネジ本体部分３１が示されている。タップ１０の任意の特徴は、長さＬＮに沿って直径が減少したネック部４９を有し得ることである。タッピング中、タップ１０は、テーパリングされた切削面取り部５４によってネジ切りされる穴に挿入される。

上記説明は、いくつかの基本ステップを経て図１の高精度の超硬合金ねじ切タップ１０に到達するための処理を特徴付けたものである。しかしながら、この処理が、任意の数の好適なステップを取り得ることが理解されよう。上記基本ステップを用いたのは、説明を容易にするためである。つまり、本発明の範囲は、以上に説明された特定の処理ステップに限定されない。

本発明の高精度タップ１０の一つの態様は、ネジ本体部３１とネジ切削面取り部３０が１０ミクロン以内の振れで円筒形シャンク４６と同心となることであり、これによって、タップ１０が、その使用中に高精度タップホルダ（図示しない）によって保持された時、タップ１０のネジ本体部３１とネジ切削面取り部３０を、同期タッピング装置（図示なし）によって回転しても、複合された振れが非常に小さいために、該振れがタップ１０が使用されるときのネジ穴の精度や速度に影響を与えることがない。

本発明の高精度の超硬合金ねじ切タップ４０の切削効率を証明するためのテストが行われた。あるテストでは、３３ ＨＲＣ ＡＩＳＩ ４３４０鋼を同期タッピング装置上で３００フィート（約９１ｍ）／分でタッピング（雌ねじ切）することによって、Ｍ１２×１．２５ｍｍピッチの高精度超硬合金ねじ切タップをテストした。本発明の高精度タップは、磨耗をほとんど生じずに、満足できるゲージ品質を有する１，６８６個の穴をタッピングできたが、非特許文献１に基づいて製造されたＴｉＮコーティングされたＨＳＳタップの場合、これによって製造された穴のうち、満足できる品質の穴数は、１５８個にすぎなかった。従来のタップは、タッピング速度を５０フィート（約１５ｍ）／分に減速したときに、やっと、本発明の高精度タップに比肩する数のネジ穴を製造できた。

本発明のＭ１２×１．２５の高精度の超硬合金ねじ切タップの他のテストでは、ＪＩＳ ＳＣＭ４４０スチールをタッピングする時、高精度タップを８０ｍ／分で使用可能であることがわかった。従来のタップによれば、ＪＩＳ ＳＣＭ４４０スチールをタッピングするには、１４ｍ／分がせいぜいであった。両テストにおいて、本発明のタップによって生成される雌ネジの品質がこれらの高速のタッピング速度でも維持できることがわかった。

これらのテストの結果は、本発明の高精度のタップが、雌ネジが製造される精度及び速度を向上させることによって、既存のタップ技術に比べ多くの利点を有することを示している。さらに、改良された直径の公差に基づいて製造された円筒形のシャンクを有する本発明の高精度タップによって、ＣＮＣ装置上で高精度の収縮嵌め合わせホルダ及び液圧ホルダを効果的に使用できるようになり、そのタッピングスピンドルにより、タップのリードに回転および送りが正確に同期される。本発明のタップを、これらの高精度のホルダと一緒に使用すると、雌ネジの精度が向上する。さらに、切削本体とシャンクの間の振れがわずかな超硬合金タップから製造されたタップは、劇的に向上した切削速度で使用できる。

本明細書中に参照されている文献、特許、及び特許出願は、参照することによって本明細書中に組み込まれる。

本発明は、種々の実施の形態に関して具体的に説明されているが、これは本発明を明確に説明するためであって、本発明を限定するものではないことが理解されよう。添付クレームの範囲は、従来の技術が許容する限り広くその範囲を捉えられたい。

本発明の実施の形態による高精度の超硬合金ねじ切タップの斜視図である。 図１の高精度の超硬合金ねじ切タップの側面図である。

Claims (15)

1. 半製品を研削して所定の直径公差を有する円筒形のシャンクを形成し、
   前記円筒形のシャンクを、高精度の液圧ホルダによって保持し、
   前記半製品を研削してネジ本体部とネジ切削面取り部とを形成し、前記ネジ本体部と前記ネジ切削面取り部が１０ミクロン以内の振れで前記円筒形のシャンクに同心とする、
   高精度なねじ切タップの製造方法。
2. 前記高精度な超硬合金タップを、金属窒化物、カーバイド、炭窒化物、ホウ化物および／または酸化物からなる第１の層である耐磨耗層によって任意に被覆し、前記金属は、アルミニウム、シリコン、及び周期表のＩＶａ、Ｖａ、及びＶＩａ族の遷移金属のうちの１種類以上から選択されることを更に備えた、請求項１に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
3. 前記耐磨耗層が単層としてまたは多層状態で設けられる、請求項２に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
4. 摩擦減少させるべく前記第１の層に第２の外層を塗布することを更に備える、請求項２に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
5. 前記外層が、二硫化モリブデン、二硫化モリブデンと転移金属、またはこれらの任意の組み合わせからなる、請求項４に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
6. 前記外層が、炭素、炭素と転移金属炭化物、またはこれらの任意の組み合わせからなる、請求項４に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
7. 前記外層が、炭素、遷移金属、またはこれらの任意の組み合わせからなる、請求項４に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
8. 前記所定の直径公差は、ドイツノルメン（Ｄｅｕｔｃｈｅ Ｎｏｒｍｅｎ）ＤＩＮ７１６０に記載された直径寸法公差ｈ６に準じる、請求項１に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
9. 前記円筒形のシャンクは、スクエア部、フラット部、または他のノッチを有さずに形成されている、請求項１に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
10. 前記半製品は、焼結された炭化タングステン材料から製造された、請求項１に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
11. 前記半製品は、高速鋼から製造された、請求項１に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
12. 前記タップの長手軸に対して斜めに１以上のフルートを研削することを更に備えた、請求項１に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
13. 前記１以上のフルートは、前記タップの長手軸に対してほぼ並行に研削されている、請求項１２に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
14. 前記斜めの角度は、５乃至２０度の角度である、請求項１２に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。
15. 前記１以上のフルートは、らせん状である、請求項１２に記載の高精度なねじ切タップの製造方法。

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