JPWO2013132665A1 - スパイラルタップ - Google Patents

Abstract

ニッケル基耐熱合金、析出硬化系ステンレス鋼などの耐熱合金のような難削材の雌ねじ切削において耐久性が得られるスパイラルタップを提供する。雄ねじ（１６）が形成されたねじ部（１２）と、雄ねじ（１６）のねじ山と交差するように形成された螺旋状の一次溝（２２）と、一次溝（２２）のねじれ角αよりも小さいねじれ角で一次溝（２２）の先端部に形成された二次溝（２６）とを備えるスパイラルタップ（１０）であって、二次溝（２６）は０〜３?の正または負のねじれ角βを有し、二次溝（２６）のタップ回転方向Ｔに向かう側壁面（２３）とねじ部（１２）の外周面との間の稜線に形成された切れ刃（２４）は−１０〜０?のすくい角Ｓを有し、さらに二次溝（２６）は５〜１５?の溝底勾配Ｋを有する。このため、４５ＨＲＣのニッケル基耐熱合金のような難削材の雌ねじ加工に際してタップ寿命が大幅に向上し、耐久性の高いタップが得られる。

Description

本発明は下穴の内周面に切削により雌ねじを形成する回転切削工具であるスパイラルタップに係り、特に水溶性切削液を用いても難削材に雌ねじを加工可能な高耐久性を有するタップに関するものである。

特許文献１、特許文献２、特許文献３に示されるように、金属に形成された下穴の内周面に切削により雌ねじを形成するスパイラルタップが知られている。このようなスパイラルタップは、先端側のねじ部と基端側のシャンク部とから構成され、ねじ部には、形成すべき雌ねじに対応する雄ねじが設けられている。このねじ部は、雄ねじのねじ山が先端に向かって次第に低くなる食い付き部と、ねじ山が略均しい形状を有する完全山部とから構成される。そして、ねじ部には、ねじ山と交差するようにねじれ溝が形成され、このねじれ溝により分断されたねじ山の一方の端面に切れ刃が形成されている。

実開昭５２−１５３１９８号公報 実開平０５−０４４４１７号公報 特開平０１−１７１７２５号公報

上記特許文献１、特許文献２、特許文献３に示されるスパイラルタップは、ねじれ溝に加えて、切り屑を前方へ向かって排出させるためのねじれ角の小さいスパイラルポイント溝がそのねじれ溝内の先端部に形成され、スパイラル溝の一対の側壁面のうちタップ回転方向に向かう側壁面とねじ部の外周面との間の稜線に形成された切れ刃に対して、スパイラルポイント溝のタップ回転方向に対向する側壁面とねじ部の外周面との間の稜線に形成された切れ刃のねじれ角は逆方向に傾斜している。これにより、スパイラルポイント溝により形成された切れ刃により切削された切り屑が前方に排出され、止まり穴であっても捲き径が小さく且つ長さが短い螺旋状切り屑が排出される。

しかし、上記タップにより切削される被削材において、ニッケル基耐熱合金、析出硬化系ステンレス鋼などの耐熱合金は、切削加工の難しい難削材として知られている。特に、４０ＨＲＣ以上の硬度を有する時効処理後のニッケル基耐熱合金では、上記従来のタップを用いた雌ねじ加工中には高温高熱状態となって著しく刃先が磨耗する。このため、スパイラルタップの寿命が短く、タップの交換を頻繁に行なう必要があった。特に、水溶性切削液を用いたタップ加工では、そのような課題が顕著となっていた。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、ニッケル基耐熱合金、析出硬化系ステンレス鋼などの耐熱合金のような難削材の雌ねじ切削において耐久性が得られるスパイラルタップを提供することにある。

本発明者は以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、スパイラルタップにおいて、スパイラル溝に対応する一次溝の先端部に形成された二次溝のねじれ角、この二次溝により形成された切れ刃のすくい角、この二次溝の溝底勾配を変化させて切削加工試験を繰り返し行なううち、一次溝のねじれ方向に関係なく、二次溝のねじれ角を０〜３°、二次溝により形成された切れ刃のすくい角を−１０〜０°、二次溝の溝底勾配を５〜１５°の範囲内とすると、タップの寿命が１．５倍以上と大幅に向上するという事実を見いだした。本発明はこの知見に基づいて為されたものである。

すなわち、本発明は、（a）雄ねじが形成されたねじ部と、該雄ねじのねじ山と交差するように形成された螺旋状の一次溝と、該一次溝のねじれ角よりも小さいねじれ角で該一次溝の先端部に形成された二次溝とを備えるスパイラルタップであって、（b）前記二次溝は、０〜３°の正または負のねじれ角を有し、（c）前記二次溝の一対の側壁面のうちタップ回転方向に向かう側壁面と前記ねじ部の外周面との間の稜線に形成された切れ刃は、−１０〜０°のすくい角を有し、（d）前記二次溝は、５〜１５°の溝底勾配を有することを特徴とする。

本発明のタップによれば、一次溝の先端部に形成された二次溝は、０〜３°の正または負のねじれ角を有し、その二次溝のタップ回転方向に向かう側壁面と前記ねじ部の外周面との間の稜線に形成された切れ刃は、−１０〜０°のすくい角を有し、さらに、その二次溝は、５〜１５°の溝底勾配を有するので、難削材の雌ねじ加工に際してタップ寿命が大幅に向上し、耐久性の高いタップが得られる。二次溝が一次溝のねじれ方向と反対側にねじれている場合にその二次溝のねじれ角が３°を上まわると、切り屑が延びて止まり穴でも加工が困難となる。また、その二次溝のねじれ角が一次溝のねじれ方向と同じ側に傾斜している場合にその二次溝のねじれ角が３°を上まわると、切り屑の詰まりが発生する。また、二次溝の溝底勾配が５°を下まわると切り屑詰まりが発生する。二次溝の溝底勾配が１５°を上回ると先端強度が低下する。また、二次溝の一対の側壁面のうちの回転方向に向かう側壁面と前記ねじ部の外周面との間の稜線に形成された切れ刃のすくい角が−１０°よりも低下するとタップ寿命が低下し、そのすくい角が０°を上まわる場合も同様にタップ寿命が低下する。

ここで、好適には、前記一次溝の先端部に形成された前記二次溝は、その一対の側縁のうち一次溝のねじれ方向側の側縁がその一次溝のねじれ方向側の側縁よりもねじれ方向とは反対側に位置し、且つねじれ方向とは反対側の側縁は、その一次溝のねじれ方向とは反対側の側縁よりも反対側に位置して、その二次溝の回転方向に向かう側の側壁面がすくい面として機能している。このため、二次溝は、一次溝よりも曲率半径が小さい曲線で溝底が形成されているので、すくい面に沿って移動する切り屑が小さい径で捲かれるとともに、短縮される。

本発明の一実施例であるタップを示す正面図である。 図１の実施例においてタップの先端部分に形成されている一次溝および二次溝を拡大して示す断面図である。 図１の実施例において二次溝の溝底勾配を説明する図である。 図１の実施例と同様の一次溝が右ねじれのタップにおいて、二次溝のねじれ角および溝底勾配を変化させた切削試験１の場合の切削結果を示す図である。 図１の実施例と同様のタップにおいて、二次溝の回転方向に向かう側壁面で形成されるすくい面のすくい角を変化させた切削試験２の場合の切削結果を示す図である。 (a)は、二次溝が形成されていない以外は図１の実施例のタップと同様のタップを用いて切削したときに得られた切り屑を示す写真である。(b)は、図１の実施例のタップを用いて切削したときに得られた切り屑を示す写真である。 図１の実施例と同様のタップにおいて、水溶性切削油剤を用い且つ４種類の切削速度で切削した場合の切削結果を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例である二次溝付スパイラルタップ（以下、単にタップという）１０を、その軸心Ｃに対して直角な方向から見た正面図である。タップ１０は、高速度鋼製或いは超硬合金製であって、ニッケル基耐熱合金、析出硬化系ステンレス鋼などの耐熱合金、特に、４０ＨＲＣ以上の硬度を有する時効処理後のニッケル基耐熱合金のような難削材にねじ加工を実用的に行なうことができる耐久性の高いものである。

タップ１０は、右ねじ用のものであって、先端側のねじ部１２と基端側のシャンク部１４とから構成され、そのねじ部１２の外周面には、形成すべき雌ねじに対応する右ねじの雄ねじ１６が形成されている。また、ねじ部１２は、雄ねじ１６のねじ山が次第に低くなる円錐形状の食付き部１８と、ねじ山の高さが均等な円柱形状の完全山部２０とから構成されている。

上記ねじ部１２には、雄ねじ１６と交差するようにたとえば３本の右ねじれのスパイラル溝すなわち一次溝２２が、軸心Ｃから溝底までの距離が均一にすなわち溝深さが均一に形成され、雄ねじ１６が複数に分断されている。この一次溝２２のねじれ角すなわちリード角αは、たとえば８〜１５°好適には１０〜１２°さらに好適には１０°である。これにより、一次溝２２内の一対の側壁面のうちのタップ回転方向Ｔに向かう側壁面（すくい面）２３（後述する）とねじ部１２の外周面との交線により切れ刃２４が形成され、そのタップ回転方向Ｔに向かう側壁面が切れ刃２４のすくい面として機能している。

上記タップ回転方向Ｔとは、雌ねじを切削加工する際にタップ１０が回転駆動される方向であり、図１の矢印で示すように一次溝２２のねじれ方向と同じ右回転である。

また、上記一次溝２２内の先端部には、その一次溝２２のねじれ角αよりも小さいねじれ角（リード角）βでその一次溝２２内の先端部に形成された二次溝２６が、その溝底径が先端部ほど小さくなるように傾斜して形成されている。この二次溝２６のねじれ角βは、右ねじれ方向に０〜３°の範囲内に設定されおり、この二次溝２６内のタップ回転方向Ｔへ向かう側壁面２３（後述する）により形成された切れ刃２４のすくい角Ｓは、−１０〜０°の範囲内に設定されている。また、二次溝２６の溝底勾配Ｋは、５〜１５°の範囲内となるように設定されている。ねじれ角βは、ねじれ角αと同様に、軸心Ｃに対する溝幅中心線の傾斜（交差）角度である。すくい角Ｓは、軸心Ｃに平行な切れ刃２４とを通る線に対する角度である。溝底勾配Ｋは、リードのない二次溝２６の溝底の軸心Ｃに対する角度である。

図２は、二次溝２６の形状を説明するために、タップ１０の先端面を、一次溝２２および二次溝２６の断面形状を示すＡ−Ａ断面線、Ｂ−Ｂ断面線、Ｃ−Ｃ断面線、Ｄ−Ｄ断面線と共に拡大して示している。Ａ−Ａ断面線、Ｂ−Ｂ断面線、Ｃ−Ｃ断面線において、タップ回転方向Ｔに対向する側壁面２３では、直線状の一次溝２２を示す線に続いて、円弧状の二次溝２６を示す曲線がつながり、タップ回転方向Ｔへ向かう側壁面２３では、二次溝２６を示す曲線だけで構成されている。一次溝２２を示す線と円弧状の二次溝２６を示す曲線との接続点は、黒点で示されている。二次溝２６は、タップ１０の先端部すなわち食付き部１８の軸心Ｃ方向長さより僅かに長く形成されていて図１のＤ−Ｄ断面に到達していないため、Ｄ−Ｄ断面線では、逆台形状の一次溝２２を示す線だけで構成されている。

タップ１０が、Ｍ１０×１．５すなわち１０ミリ径１．５ミリピッチの雌ねじを切削するものである場合は、タップ回転方向Ｔに対向する側壁面２３側における、図２のＡ−Ａ断面線と、Ｂ−Ｂ断面線、Ｃ−Ｃ断面線、Ｄ−Ｄ断面線との、周方向の相互間隔ａ、ｂ、ｃは、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．６ｍｍであって、一次溝２２のリード角αに応じて順次ずれている。また、タップ回転方向Ｔに向かう側壁面２３側における、図２のＡ−Ａ断面線と、Ｂ−Ｂ断面線、Ｃ−Ｃ断面線とは切削を行なう断面のすくい面を示しており、それらの周方向の相互間隔ｄ、ｅは、０．０７ｍｍ、０．１５ｍｍであって、二次溝２６のリード角βが小さいため略一致している。しかし、タップ回転方向Ｔに向かう側壁面２３側における、図２のＤ−Ｄ断面線は、切削を行なわない断面の曲線を示しており、それらＡ−Ａ断面線とＤ−Ｄ断面線との相互間隔ｆは０．４ｍｍである。図２のＨで示される完全山部２０のねじ山高さは、０．８ｍｍである。

図３は、二次溝２６の溝底勾配Ｋを説明する図である。図３に示すように、二次溝２６の長手方向すなわちタップ１０の軸心Ｃ方向に設定されたたとえば１．５ｍｍの所定区間Ｅを設定し（図３（a））、その所定区間Ｅの両端の断面Ｅ１−Ｅ１における溝底径Ｂｍｍφおよび断面Ｅ２−Ｅ２における溝底径Ａｍｍφ（図３（b））を測定し、二次溝２６の溝底勾配Ｋは次の式（１）から算出した値である。二次溝２６は直線的に形成されるので、上記所定区間Ｅは、二次溝２６の長手方向寸法より短い値であれば、どのような値であっても差し支えないが、短すぎると精度が得られないので、上記の値が用いられる。
Ｋ＝ｔａｎ^−１（Ａ−Ｂ）／（２×Ｅ） ・・・（１）

以下に、本発明者等が行なった切削試験１を説明する。この切削試験１では、図１に示すタップ１０と同様に一次溝２２の右ねじれ角α＝１１°のスパイラルタップでにおいて、すくい角Ｓが−５°の一定であるが、二次溝２６のねじれ角（リード角）βおよび溝底勾配Ｋの異なる８種類のタップを作成し、以下の切削条件で、雌ねじを切削した。
（ 切削試験１）
・タップ：３／８−１６ＵＮＣ用スパイラルタップ
・切削速度：２ｍ／ｍｉｎ
・被削材：４５ＨＲＣのニッケル基耐熱合金
・下穴径：８．１ｍｍφ
・ねじ立て長さ：１４ｍｍ
・切削液：不水溶性切削油剤
・給油方法：外部給油

図４は上記の切削試験１の結果を示す、二次溝２６のねじれ角βを右ねじれおよび左ねじれ方向で表わす横軸と、二次溝２６の溝底勾配Ｋを表わす縦軸とから成る二次元座標である。図４において、○印は、２０穴程度以上の数のタップ穴加工が可能であった耐久性の高いタップを示している。これに対して、数左ねじれ角β＝５且つ溝底勾配Ｋ＝６°のタップを示す×印は、切り屑の長さが長くなって止まり穴での加工が困難であったものを示している。また、右ねじれ角β＝５且つ溝底勾配Ｋ＝６°のタップ、およびねじれ角β＝０且つ溝底勾配Ｋ＝２°のタップをそれぞれ示す×印は、切り屑の詰まりが発生して１穴以下の加工穴数となり、耐久性が十分に得られなかったものを示している。従って、二次溝２６のねじれ角βは右ねじれ方向および左ねじれ方向において０〜３°の範囲内、且つ、二次溝２６の溝底勾配Ｋは５〜１５°の範囲内において、耐久性が得られた。なお、溝底勾配Ｋが１６°以上となった場合の切削試験は行なっていないが、強度が低下して折損の可能性が考えられる。

次に、本発明者が行なった切削試験２を説明する。この切削試験２では、図１に示すタップ１０と同様に一次溝２２の右ねじれ角α＝１１°のスパイラルタップでにおいて、二次溝２６のねじれ角（リード角）β＝０°且つ溝底勾配Ｋ＝８°の一定であるが、すくい角Ｓが異なる５種類のタップと、二次溝２６が形成されずすくい角が０°の従来仕様のタップとを作成し、以下の切削条件で、雌ねじを切削した。
（ 切削試験２）
・タップ：１／４−２８ＵＮＣ用スパイラルタップ
・切削速度：２ｍ／ｍｉｎ
・被削材：４５ＨＲＣのニッケル基耐熱合金
・下穴径：５．５２ｍｍφ
・ねじ立て長さ：１２．７ｍｍ
・切削液：不水溶性切削油剤
・給油方法：外部給油

図５は上記の切削試験２の結果を示す、すくい角Ｓを表わす横軸と、タップ寿命（加工穴数）を表わす縦軸とから成る二次元座標である。図５において、すくい角Ｓが０°〜−１０°の範囲で８０穴程度以上の数のタップ穴加工が可能な耐久性の高いタップであったことを示している。これに対して、０°すくい角Ｓが０°を上まわると、従来品よりも低く、５０穴以下となって上記のような高い耐久性が得られない。したがって、すくい角Ｓは、０°〜−１０°の範囲において高い耐久性が得られた。

因みに、引用文献１、２、３に示すような、二次溝２６に対応するスパイラルポイント溝のねじれ角（リード角）βが５°を上まわる従来のタップで４３ＨＲＣのニッケル基耐熱合金を切削した場合の切り屑を、図６（a）に示す。このような従来のスパイラルポイントタップでは、二次溝２６のないスパイラルタップよりも長寿命で性能的に安定するが、切り屑が長いため、止まり穴に使用すると詰まりによって耐久性が得られなかった。これに対して、二次溝２６のねじれ角βが右ねじれ方向または左ねじ方向に０〜３°の範囲内に設定され、切れ刃２４のすくい角Ｓが−１０〜０°の範囲内に設定され、二次溝２６の溝底勾配Ｋが５〜１５°の範囲内となるように設定されている本実施例のタップ１０によれば、図６（b）に示すように切り屑が短くなるので、下穴が止まり穴であっても、通り穴と同様の高い耐久性が得られた。

次に、本発明者が行なった切削試験３を説明する。この切削試験３では、図１に示すタップ１０と同様の一次溝２２の右ねじれ角α＝１１°のスパイラルタップでにおいて、二次溝２６のねじれ角(リード角)β＝０°且つ溝底勾配Ｋ＝８°の一定であるが、すくい角Ｓ＝−５°のタップと水溶性切削油剤とを用いて、４種類の切削速度で、以下の切削条件で、雌ねじを切削した。
( 切削試験３)
・タップ：Ｍ５×０．８用スパイラルタップ
・被削材：４５ＨＲＣのニッケル基耐熱合金
・下穴径：４．３ｍｍφ
・下穴長さ：１８ｍｍ(止まり)
・ねじ長さ：１０．０ｍｍ（止まり）
・切削速度：０．２５ｍ／ｍｉｎ、０．５ｍ／ｍｉｎ、０．７５ｍ／ｍｉｎ、１．０ｍ／ｍｉｎ
・切削液：水溶性切削油剤１０倍希釈
・給油方法：外部給油
・加工機：立形Ｍ／Ｃ ＢＴ３０

図７は上記の切削試験３の結果を示す図表である。二次溝２６が設けられていない他は図１に示すものと同様の従来のタップでは、比較的低い切削速度である０．５ｍ／ｍｉｎであっても１穴を切削すると折損したのに対して、本切削試験に用いた前記タップによれば、１ｍ／ｍｉｎの切削速度では２５穴までは公差内の雌ねじ加工が可能であるが、それ以上は精度不良(ＧＰＯＵＴ)となり、０．７５ｍ／ｍｉｎの切削速度では４５穴までは公差内の雌ねじ加工が可能であるが、それ以上は精度不良(ＧＰＯＵＴ)となり、０．５ｍ／ｍｉｎの切削速度では７２穴までは公差内の雌ねじ加工が可能であるが、それ以上は精度不良(ＧＰＯＵＴ)となり、０．２５ｍ／ｍｉｎの切削速度では８５穴以上の雌ねじ加工が可能であった。したがって、水溶性切削油剤が選定された切削においても、最適な切削速度を選定することで、高い耐久性が得られた。

上述のように、本実施例のタップ１０は、雄ねじ１６が形成されたねじ部１２と、雄ねじ１６のねじ山と交差するように形成された螺旋状の一次溝２２と、一次溝２２のねじれ角αよりも小さいねじれ角で一次溝２２内の先端部に形成された二次溝２６とを備えるスパイラルタップであって、二次溝２６は０〜３°の正または負のねじれ角βを有し、二次溝２６のタップ回転方向Ｔに向かう側壁面２３とねじ部１２の外周面との間の稜線に形成された切れ刃２４は−１０〜０°のすくい角Ｓを有し、さらに二次溝２６は５〜１５°の溝底勾配Ｋを有する。このため、４５ＨＲＣのニッケル基耐熱合金のような難削材の雌ねじ加工に際してタップ寿命が大幅に向上し、耐久性の高いタップが得られる。二次溝２６が一次溝２２のねじれ方向と反対側にねじれている場合にその二次溝２６のねじれ角βが３°を上まわると、切り屑が延びて止まり穴でも加工が困難となる。また、その二次溝２６のねじれ角βが一次溝２２のねじれ方向と同じ側に傾斜している場合にその二次溝２６のねじれ角βが３°を上まわると、切り屑の詰まりが発生する。また、二次溝２６の溝底勾配Ｋが５°を下まわると切り屑詰まりが発生する。二次溝２６の溝底勾配Ｓが１５°を上回ると先端強度が低下すると推定される。二次溝２６の一対の側壁面のうちのタップ回転方向Ｔに向かう側壁面２３とねじ部１２の外周面との間の稜線に形成された切れ刃２４のすくい角Ｓが−１０°よりも低下する（負の値が大きくなる）とタップ寿命が低下し、そのすくい角Ｓが０°を上まわる場合も同様にタップ寿命が低下する。

また、本実施例のタップ１０は、一次溝２２内の先端部に形成された二次溝２６は、その一対の側縁のうち一次溝２２のねじれ方向側の側縁がその一次溝２２のねじれ方向側の側縁よりもねじれ方向（タップ回転方向Ｔ）とは反対側に位置し、且つねじれ方向とは反対側の側縁は、その一次溝２２のねじれ方向とは反対側の側縁よりも反対側に位置して、その二次溝２６のタップ回転方向Ｔに向かう側の側壁面２３がすくい面２３として機能している。このため、二次溝２６は、一次溝２２よりも曲率半径が小さい曲線で溝底が形成されているので、側壁面（すくい面）２３に沿って移動する切り屑が小さい径で捲かれるとともに、短縮される。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例のタップ１０において、その二次溝２６のねじれ角βは、右ねじれ方向に０〜３°の範囲内に設定されていたが、−３〜０°に設定されていてもよい。要するに、図４に示されるように、一次溝２２のねじれ方向に拘わらず、−３〜３°の範囲内に設定されていて差し支えない。

また、前述の実施例のタップ１０において、材質、径、一次溝２２のねじれ角α等は、適宜、変更され得るものである。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施形態であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。

１０：タップ
１２：ねじ部
１６：雄ねじ
２２：一次溝
２３：側壁面（すくい面）
２４：切れ刃
２６：二次溝
Ｃ：軸心（回転中心）
β：二次溝のねじれ角
Ｋ：二次溝の溝底勾配
Ｓ：切れ刃のすくい角

Claims (2)

1. 雄ねじが形成されたねじ部と、該雄ねじのねじ山と交差するように形成された螺旋状の一次溝と、該一次溝のねじれ角よりも小さいねじれ角で該一次溝の先端部に形成された二次溝とを備えるスパイラルタップであって、
   前記二次溝は、０〜３°の正または負のねじれ角を有し、
   前記二次溝の一対の側壁面のうちタップ回転方向に向かう側壁面と前記ねじ部の外周面との間の稜線に形成された切れ刃は、−１０〜０°のすくい角を有し、
   前記二次溝は、５〜１５°の溝底勾配を有することを特徴とするスパイラルタップ。
2. 前記一次溝の先端部に形成された前記二次溝は、その一対の側縁のうち一次溝のねじれ方向側の側縁がその一次溝のねじれ方向側の側縁よりもねじれ方向とは反対側に位置し、且つねじれ方向とは反対側の側縁は、その一次溝のねじれ方向とは反対側の側縁よりも反対側に位置して、その二次溝の回転方向に向かう側の側壁面がすくい面として機能していることを特徴とする請求項１のスパイラルタップ。

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