JP6268471B2 - 両ねじ体転造用ダイス構造 - Google Patents

Description

本発明は、ねじ部の軸方向における同一領域上に右ねじ部と左ねじ部とを有する両ねじ体を転造によって効率よく高精度且つ安定的に生産するための転造用ダイス構造等に関する。

従来、右ねじ又は左ねじの何れか一方のみのねじ部を有する雄ねじを転造によって製造する場合には、ブランクとも呼ばれる金属製円柱状の棒状体であるねじ素材を、多条の条部を表面に有する複数の剛性平板、剛性円柱若しくは剛性円筒体となるダイ部材によって押圧しつつ、ねじ素材とダイ部材を相対変位させて、ねじ素材表面を塑性変形させながらねじ山若しくはねじ溝を形成するのが一般的である。ダイ部材に形成される条部は、断面が所望の形状、例えば略三角形に形成され互いにほぼ平行でリード角をもった状態で形成される。

雄ねじ体としては、雄ねじ体のねじ部の軸方向における同一領域上に、右ねじ部と左ねじ部とを有する両ねじ体が知られ、これを転造によって生産するための試みがなされている（特許文献１参照）。

特許文献１によれば、ダイ部材に凹設される両ねじ体の条部となる平行四辺形の凹みの形状を最適化することで、転造後の軸形状が比較的安定し、なおかつ、条部を高精度に形成できる。しかし、今後は、一層高精度な両ねじ体を、転造装置の簡易なセッティングで大量生産できるようにする技術が求められている。

特開２０１３−４３１８３号公報

本発明は、上述の如くの問題を解決すること、即ち、両ねじ体を形成する際の円柱状のねじ素材に対する転動不良を低減し、高精度な両ねじ体の大量生産が可能な両ねじ体の転造用ダイス構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決する為に両ねじ体転造用ダイス構造が採用した手段は、ねじ素材に対して圧接しつつ相対変位する剛性の表面を有するダイ部材を備え、前記ダイ部材は、前記表面の最外部間を繋いで得られる仮想表面において前記相対変位する方向に沿って前記ねじ素材の軸心に次第に接近していく領域と、該軸心から次第に離反していく領域を有する前駆体加工領域と、前記仮想表面の法線方向視において略平行四辺形状を成し、該仮想表面から凹設される複数の凹部が、前記相対変位する方向に沿って複数配列される両ねじ部形成領域と、を備えることを特徴とする。

上記手段に関連して、前記ダイ部材における前記前駆体加工領域の少なくとも一部は、前記両ねじ部形成領域に対して、前記ねじ素材が相対変位する際の上流側に存在することを特徴する。

上記手段に関連して、前記ダイ部材における前記前駆体加工領域と前記両ねじ部形成領域が独立配置されることを特徴する。

上記手段に関連して、前記両ねじ部形成領域において前記相対変位する方向に沿って直線上に配置される複数の前記凹部の配列ピッチは、前記前駆体加工領域における前記接近する領域と前記離反する領域の間のピッチの整数倍に設定されることを特徴とする。

本発明によれば、両ねじ体を形成する際の円柱状のねじ素材に対する転動不良を低減し、高精度な両ねじ体の大量生産を可能にするという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施形態で採用される両ねじ体転造用ダイス構造の概要を示すものであり、（Ａ）は平ダイス転造、（Ｂ）はローリング転造、（Ｃ）はプラネタリ転造を示す図である。 （Ａ）は同ダイス構造のダイ部材を示す正面図、（Ｂ）は側面図である。 （Ａ）は同ダイス構造における両ねじ部形成領域の凹部の配置を説明する正面図であり、（Ｂ）は同両ねじ部形成領域によるねじ素材の変形工程を示す図であり、（Ｃ）は同凹部の断面形状を拡大して示す断面図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、同ダイス構造における前駆体加工領域によってねじ素材を加工する工程を示す側面図である。 （Ａ）は両ねじ体の一部を拡大して示す側面図であり、（Ｂ）は両ねじ領域のねじ山の最高頂部の断面積を示す断面図であり、（Ｃ）同両ねじ体の底面図である。 （Ａ）は両ねじ体の一部を拡大して示す側面図であり、（Ｂ）は両ねじ領域のねじ山の交差部の断面積を示す断面図であり、（Ｃ）同両ねじ体の底面図である。

以下本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本発明の実施形態に係る両ねじ体転造用ダイス構造について説明する。両ねじ体転造用ダイス構造は、円柱状のねじ素材Ｂに対して圧接しつつ、このねじ素材Ｂの軸方向に直交する方向に相対変位しながら当該ねじ素材Ｂ表面を変形させて、軸方向における同一領域上に右ねじ部と左ねじ部を有する両ねじ体Ｄを転造するためのものである。

転造方法としては、図１（Ａ）に示す、プレート状のダイ部材１０を二つ用いる所謂平ダイス転造や、図１（Ｂ）に示す、円柱状若しくは円筒型の二つ以上の丸ダイ部材１２，１２を合わせて用いる所謂ローリング転造、図１（Ｃ）に示す、一方が円弧型のダイ部材１３で、他方が円柱若しくは円筒型の丸ダイ部材１２を用いて転造する所謂プラネタリ転造などがある。以降、本実施形態では平ダイス構造の場合を具体的に説明するが、これらに例示されない他のあらゆる転造方法に本発明を適用することができる。

本実施の形態の転造ダイス構造は、ねじ素材Ｂに圧接される二つ以上のダイ部材１０を備えており、各ダイ部材１０は剛性表面２０を有する。これら二つ以上のダイ部材１０は、ねじ素材Ｂに対して圧接されながら、互いの剛性表面２０同士が相対変位すると共にねじ素材Ｂに対して相対変位する

図２（Ａ）に示すように、ダイ部材１０の剛性表面２０は、この剛性表面２０の最外部（最もねじ素材Ｂに接近する部分）間を繋いで得られる仮想表面２２において、凹部３０が複数独立して整列して設けられる両ねじ部形成領域Ｕを備える。両ねじ部形成領域Ｕの凹部３０は、法線方向視において略平行四辺形状を成しており、図２（Ｂ）に示すように仮想表面２２から凹設される。ここで、仮想表面２２は、プレート状のダイ部材１０の場合には平面状に、丸ダイス形態の場合には円筒面状に、円弧状ダイス形態の場合には部分円筒面（円弧面）状に設定することが望ましい。

図３（Ａ）に示すように、各凹部３０は、仮想平面２２の法線方向視において略平行四辺形状に形成され、好ましくは略菱形状を成す。このように略菱形状に設定すれば、転造される両ねじ体Ｄの右ねじ部と左ねじ部におけるそれぞれのねじピッチが互いに等しいものとすることが出来る。

これらの凹部３０は、それぞれ法線方向視における略平行四辺形状の四つ角対応部位のうち、二つ以上の角部３１，３１が、図３（Ａ）に示すように法線方向視において丸く形成される。本実施形態では、略平行四辺形状の四つ角対応部位の全ての角部３１，３１，３２，３２を丸く形成している。なお、これら二つ以上の角部３１，３１は、互いに対角位置状に設定することが好ましく、特に、二つ以上の角部３１，３１をねじ素材Ｂの転動する方向、即ち相対変位の方向における対角位置として設定すれば、転造の際に万一発生した切り子が相対変位の際に凹部３０から流れ出易くなって好ましい。

図３（Ｂ）に示すように、凹部３０は、この開口面を一構成面とするような仮想的な略四角錐形状の穴状を成しており、この略四角錐形状の中央頂部が凹部３０の最深部位３４を構成する。より好ましくは、凹部３０の最深部位３４が略扁平な底部３５を有するような形状とする。こうすることで、底部３５が広くなり、万一発生した切り子が詰まることなく流れ出易くなると共に、両ねじ体Ｄのねじ山Ｍの最高頂部が両ねじ体Ｄの軸直角方向において鋭角と成らずに済み、両ねじ体Ｄに対する雌ねじ体の螺合時における安定性を向上させることが出来る。また大量生産によって得られる両ねじ体Ｄの製品精度を著しく向上させることが出来る。

本両ねじ部形成領域Ｕにおいてねじ素材Ｂが相対移動すると、ねじ素材Ｂの軸部Ｅが徐々に形成され、なおかつ、その周囲に両ねじ山が形成されていく。

図３（Ｃ）に示すように、これらの凹部３０は、仮想表面２２の法線方向に沿う断面形状において、その周縁３３部分が、例えばＲ加工等のように丸く形成され、略平行四辺形状を成す周縁３３の周回上に沿って丸く形成される。このように、凹部３０の周縁３３部分を、周縁３３の周回上に亘って丸くすることによって、転造時にダイ部材１０表面とねじ素材Ｂとの不合理な当たりによってねじ素材Ｂから削り出されて発生する切り子の発生を防止することが可能となる。なお、本発明はこれに限定されず、例えば、図３（Ｄ）に示すように台形形状にしてもよく、Ｖ字形状にすることも可能である。

図３（Ａ）に示すように、仮想表面２２の法線方向視において略平行四辺形状の凹部３０は、その対角線のうち少なくとも一方の対角線距離Ｗを、ねじ素材Ｂの半径をＲ０、円周率をπとするとき、２πＲ０以下となるように設定する。好ましくは、本発明の実施によって得られる両ねじ体Ｄの谷径をｄ_Ｒ（図５参照。）とするとき、凹部３０を成す略平行四辺形の対角線のうち少なくとも一方の対角線距離Ｗをπｄ_Ｒ以下とする。より好ましくは、凹部３０を成す略平行四辺形の対角線のうち少なくとも相対変位方向に平行な対角線の対角線距離をπｄ_Ｒ以下に設定する。このように設定することによって、右ねじ部と左ねじ部のねじピッチを同等に設定可能となる上、高精度な両ねじ体Ｄを得ることが出来るようになる。

また、図３（Ａ）のように、凹部３０の開口は、仮想表面２２の法線方向視における略平行四辺形の一方の対角線距離、好ましくは相対変位方向の対角線距離Ｗを比較的長く設定し、他方の対角線距離、好ましくは相対変位方向に対して直交する方向の対角線距離Ｆを比較的短く設定する。なお、凹部３０は、該凹部３０の容積をｖ、円周率をπ、ダイ部材１０の相対変位の方向に対する直交方向における凹部３０の凹設ピッチをｐ、両ねじ体Ｄの谷径をｄ_Ｒ（図５参照）、凹部３０の最深部位３４の深さをｈとするとき、ここの凹部３０の容積ｖの設定範囲が、πｐｄ_Ｒｈ／７≦ｖ≦πｐｄ_Ｒｈ／５で規定されるように構成することが好ましい。この範囲よりも小さく設定すると、ねじ山Ｍが痩せ過ぎたり、小さくなり過ぎて強度不足になったり、或いは、本発明の実施によって得られる雄ねじである両ねじ体Ｄに雌ねじ体を螺合した際に遊びが大きくなり過ぎてガタ付きが大きくなり過ぎてしまう。逆に、この範囲よりも大きく設定すると、ねじ山Ｍが太り過ぎたり、大きくなり過ぎて、本発明の実施によって得られる雄ねじである両ねじ体Ｄに雌ねじ体を螺合した際に遊びが小さくなり過ぎて螺合困難若しくは螺合不能になったり、或いは、ねじ山Ｍを高精度に転造することが困難となる。

以上説明の両ねじ体Ｄの転造用ダイス構造のダイ部材１０を用いて転造すれば、高精度な両ねじ体Ｄを効率的に大量生産することが可能となる。

ダイ部材の剛性表面は、この剛性表面の最外部（最もねじ素材Ｂに接近する部分）間を繋いで得られる仮想表面２２において前駆体加工領域を有する。この前駆体加工領域は、例えば、断面形状が楕円形、或いは、長円形等の如くの前駆的な断面形状（以下、略楕円形状という）に加工するためのものであり、これに続く両ねじ部形成領域Ｕにおいて、両ねじ部を形成しやすくするための前駆的形状を形成するためのものである。特に、前駆的な断面形状を略楕円形状に加工するダイ部材１０の剛性表面２０は、図２（Ａ）に示すように、仮想表面２２において前駆体加工領域Ｑを有する。

この前駆体加工領域Ｑは、図４に示すように、ねじ素材Ｂと相対変位する方向に沿って、仮想表面２２自体が面状態を維持したまま、当該ねじ素材Ｂの軸心Ｅ１に次第に接近していく接近領域Ｑ１と、軸心Ｅ１から次第に離反していく離反領域Ｑ２を繰り返している。従って、図４（Ａ）のように、当初は断面正円形状となるねじ素材Ｂが、接近領域Ｑ１で圧縮される工程が同位相で繰り返されることにより、最終的に、図４（Ｃ）のように、長軸と短軸を有する断面非円形となる。なお、ここでは接近領域Ｑ１及び離反領域Ｑ２が曲面となっている場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば図４（Ｄ）に示すように、断面が台形となるような凹凸であっても良く、また、鋸刃状の凹凸であっても良い。

図２（Ａ）のように、ダイ部材１０における前駆体加工領域Ｑの少なくとも一部は、両ねじ部形成領域Ｕに対して、ねじ素材Ｂが相対変位する際の上流側に存在する。望ましくは、前駆体加工領域Ｑと両ねじ部形成領域Ｕを独立配置する。このようにすると、両ねじ部形成領域Ｕにねじ素材Ｂが進入する前に、予め、前駆体加工領域Ｑにおいて、ねじ素材Ｂを略楕円形状に変形させることが可能となる。勿論この前駆体加工領域Ｑの一部または全部が、両ねじ部形成領域Ｕと重複するようにしても良い。重ねる場合は、ねじ素材Ｂを楕円加工しながら、ねじ山も同時に形成していくことになる。

両ねじ部形成領域Ｕにおいて相対変位する方向に沿って直線上に配置される複数の凹部３０の配列ピッチＰＵに対して、前駆体加工領域Ｑにおける接近領域Ｑ１と離反領域Ｑ２の間の変形ピッチＰＱはその整数倍、ここでは四倍に設定される。なお凹部３０は、平行四辺形が斜め格子状に配置されていることから、ジグザグ状に配置される複数凹部３０の格子ピッチＰＸが、直線上に配置される凹部３０の配列ピッチＰＵの二分の一となる。更に、前駆体加工領域Ｑとこれに隣接する両ねじ部形成領域Ｕの間は、変形ピッチＰＱの位相と配列ピッチＰＵの位相が一致している。このようにすると、前駆体加工領域Ｑから両ねじ部形成領域Ｕへのねじ素材Ｂの転動が円滑に行われる。

図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）に示すように、両ねじ体Ｄにおいて、右ねじと左ねじが重なって形成される両ねじ領域の特徴として、１８０度の位相差を有する一対のねじ山Ｍ、Ｍの最高頂部のねじ山Ｍのみの総断面積Ｓ１（図５（Ｂ）参照）と、この最高頂部に対して周方向に９０度ずれて、互いのねじ山Ｍ、Ｍが交差している交差部のねじ山Ｍのみの総断面積Ｓ２（図６（Ｂ）参照）が、大幅に異なることが挙げられる。即ち、両ねじ体Ｄの転造は、軸部Ｅを正円に近似させるようにねじ素材Ｂを変形させつつも、その周囲のねじ山Ｍは、最高頂部近傍の体積と、それに対して９０度ずれた交差部近傍の体積が異なるように転造しなければならない。従って、仮に断面正円のねじ素材Ｂのまま、両ねじ部形成領域Ｕを用いて転造する場合、交差部近傍のねじ素材Ｂを減肉し、最高頂部近傍のねじ素材Ｂを増肉しなければならず、ねじ素材Ｂの材質によっては、そのような材料の流動が困難な場合がある。

従って、本実施形態のように、両ねじ部形成領域Ｕよりも上流側の前駆体加工領域Ｑにおいて、ねじ素材Ｂを、将来のねじ山Ｍの最高頂部となり得る場所を長軸とし、将来のねじ山Ｍの交差部となり得る場所を短軸とする略楕円形状に変形させておくことで、両ねじ部形成領域Ｕでは、ねじ素材Ｂの塑性変形量を少なくすることが可能となる。しかも、ダイ部材１０に、前駆体加工領域Ｑと両ねじ部形成領域Ｕを一体的に配置しておき、前駆体加工領域Ｑの変形ピッチＰＱ（短軸と長軸のピッチ）と、両ねじ部形成領域Ｕにおけるねじ山の最高頂部と交差部のピッチ（配列ピッチＰＵの四分の一）の位相を一致させる。その結果、一連の転造動作で、楕円形又は長円形の加工とねじ山加工をまとめて行うことで、極めて高精度な両ねじ領域を、極めて高い作業効率で転造することが可能となる。

図２（Ａ）に示すように、ダイ部材１０の剛性表面２０は、両ねじ部形成領域Ｕに対して、ねじ素材Ｂの軸方向にずれた状態で隣接配置される平面状の円筒（円柱であってもよい）部形成領域Ｋを備える。この円筒部形成領域Ｋは、図５及び図６の両ねじ体Ｄの円筒領域を転造する。

本実施形態の転造用ダイス構造を用いた両ねじ体Ｄの転造方法は、円柱状のねじ素材Ｂに対して圧接しつつ、このねじ素材Ｂの軸方向に直交する方向に相対変位しながら当該ねじ素材Ｂ表面を変形させて軸方向における同一領域上に右ねじ部と左ねじ部を有する両ねじ体Ｄを転造する。

本実施例のようなプレート状のダイ部材１０を用いて転造する場合、図１（Ａ）に示すように、一方の平ダイ部材１０を固定し、これに対して最外表面間の距離が所定間隔ｄとなるように他方の平ダイ部材１０を配置し、この他方の平ダイ部材１０を、この間隔ｄを保持しながら相対変位させる。

図３（Ｂ）に示すように、両ねじ部形成領域Ｕにおいて、ねじ素材Ｂの中心軸Ｅ１と仮想表面２２との距離を、ねじ素材Ｂが相対変位する上流側から下流側に向かって小さく設定することもできる。その場合は、対向する一対の平ダイ部材１０の仮想表面２２を非平行にして、互いの距離が、ねじ素材Ｂの転動の進行方向に向かって次第に小さくなるように設定すればよい。

また、図１（Ｂ）に示すように、円柱状若しくは円筒型の二つ以上の丸ダイ部材１２，１２を合わせ用いる所謂ローリング転造の場合には、二つの丸ダイ部材１２，１２を、互いの回転軸が並行で、かつ最外表面間の距離が所定間隔ｄとなるように保持する。そしてこの間隔ｄを保持しながらそれぞれ回転可能にする。このとき、それぞれの丸ダイ部材１２，１２は互いに逆回転であっても同回転であってもよい。

また、図１（Ｃ）に示すように、一方が円弧型ダイ部材１３で、他方が円柱若しくは円筒型の丸ダイ部材１２を用いて転造するいわゆるプラネタリ方式の転造の場合には、一方の円弧型ダイ部材１３を固定し、これに対して最外部間の距離が所定間隔ｄとなるように、他方の丸ダイ部材１２を回転自在に保持する。そしてこの間隔ｄを保持しながら、剛性表面２０，２０間が相対変位可能となるように配設する。

また、本実施形態のダイス構造によれば、図２（Ａ）に示すように、ダイ部材１０の前駆体加工領域Ｑを利用して、ねじ素材Ｂを楕円形又は長円形加工することができる。

より具体的には、両ねじ部形成領域Ｕにねじ素材Ｂを進入させる前に、予めねじ素材Ｂを略楕円形状に変形させる。

その際、両ねじ部形成領域Ｕよりも上流側の前駆体加工領域Ｑにおいて、ねじ素材Ｂを、将来のねじ山Ｍの最高頂部となり得る場所を長軸とし、将来のねじ山Ｍの交差部となる得る場所を短軸とするように略楕円形状に変形する。結果、両ねじ部形成領域Ｕでは、ねじ素材Ｂの塑性変形量を少なくできる。しかも、ダイ部材１０上に前駆体加工領域Ｑと両ねじ部形成領域Ｕを一体的に配置しておき、前駆体加工領域Ｑの変形ピッチＰＱ（短軸と長軸のピッチ）と、両ねじ部形成領域Ｕにおけるねじ山の最高頂部と交差部のピッチ（配列ピッチＰＵの四分の一）の位相を一致させながら、一連の転造動作で、楕円形又は長円形加工とねじ山加工をまとめて行う。その結果、極めて高精度な両ねじ領域を、極めて高い作業効率で転造することが可能となる。

以上説明の両ねじ体Ｄの転造用ダイス構造について説明したが、勿論、これらに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１０ ダイ部材
２０ 剛性表面
２２ 仮想表面
３０ 凹部
３１ 角部
３５ 底部
５０ 谷部
Ｂ ねじ素材
Ｄ 両ねじ体
Ｅ 軸部
Ｋ 円筒部形成領域
Ｍ ねじ山
Ｑ 前駆体加工領域
Ｕ 両ねじ部形成領域

Claims (4)

1. ねじ素材に対して圧接しつつ相対変位する剛性の表面を有するダイ部材を備え、
   前記ダイ部材は、
   前記表面の最外部間を繋いで得られる仮想表面において前記相対変位する方向に沿って前記ねじ素材の軸心に次第に接近していく領域と、該軸心から次第に離反していく領域を有する前駆体加工領域と、
   前記仮想表面の法線方向視において略平行四辺形状を成し、該仮想表面から凹設される複数の凹部が、前記相対変位する方向に沿って複数配列される両ねじ部形成領域と、を備えることを特徴とする、
   両ねじ体転造用ダイス構造。
2. 前記ダイ部材における前記前駆体加工領域の少なくとも一部は、前記両ねじ部形成領域に対して、前記ねじ素材が相対変位する際の上流側に存在することを特徴する、
   請求項１に記載の両ねじ体転造用ダイス構造。
3. 前記ダイ部材における前記前駆体加工領域と前記両ねじ部形成領域が独立配置されることを特徴する、
   請求項１又は２に記載の両ねじ体転造用ダイス構造。
4. 前記両ねじ部形成領域において前記相対変位する方向に沿って直線上に配置される複数の前記凹部の配列ピッチは、前記前駆体加工領域における前記接近する領域と前記離反する領域の間のピッチの整数倍に設定されることを特徴とする、
   請求項１乃至３の何れかに記載の両ねじ体転造用ダイス構造。

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