JP5283454B2 - 雌ねじ加工装置及び雌ねじ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属板に対して他の部材をボルトによって締結するための雌ねじを形成する雌ねじ加工装置及び雌ねじ加工方法に関する。

車両を製造する際に、フレームのドアヒンジ部等のボルト締結部にナットを溶接することがある。このようなナットの溶接は正確な位置決めが困難であり、しかも溶接作業が煩雑である。

特許文献１では、ワークに対して種々の雌ねじを形成することのできる装置が提案されているが、自動車のフレーム等の薄板に対しては不適である。

本出願人は、特許文献２において、ナットの溶接を行う必要のない雌ねじ加工装置を提案している。この加工装置では、加工ツールを回転させながら金属板に押圧して、縮径部によって金属板に孔を形成するとともに、加工ツールを孔に挿入したまま、さらに回転挿入させ、タップ部によって孔に雌ねじを形成する。また、フィラーで肉盛りをすることにより、自動車のフレーム等の薄板に対しても適用可能であり、雌ねじを有するブッシュを１つの工程で形成することができて好適である。

特開平１−３０６１２４号公報 特開２００５−３２９５２８号公報

ところで、金属板にナットを溶接する場合には、該ナットは元来十分な強度を有しており、ボルトに対して十分な締結強度が得られるが、薄板に対して肉盛りをしたブッシュに形成された雌ねじは必ずしも十分な強度を有しているとは限らず、十分な実験や検査が必要である。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、十分な強度を有する雌ねじ部を形成することができる雌ねじ加工装置及び雌ねじ加工方法を提供することを目的とする。

本発明に係る雌ねじ加工装置は、金属板における雌ねじを形成する箇所を加熱する加熱部と、前記金属板に前記雌ねじを形成する加工ツールと、前記加工ツールを冷却する冷却部と、前記加工ツールを回転させる回転駆動部と、前記加工ツールを進退させる進退駆動部と、を有し、前記加熱された雌ねじを形成する箇所に前記加工ツールを挿入するときに、前記雌ねじを形成する箇所を急冷することにより組織が硬くなり、前記金属板に、ベイナイト組織を有するねじ部と、前記ねじ部の外側で且つ母材の内側に前記ねじ部よりも硬度が低く且つ前記母材よりも硬度が高い熱影響部とを形成することを特徴とする。

このような加熱部と冷却部とを設けることにより、加熱した加工箇所に加工ツールを挿入するときに、該加工箇所が急冷されて組織が硬くなり、高強度の雌ねじ部を形成することができる。

前記加工ツールは、チャックにより着脱自在であり、前記冷却部は、前記チャックを介して間接的に前記加工ツールを冷却してもよい。このようにチャックを介した間接的な冷却によれば、加工ツールは冷却手段が不要な簡便構造となるとともに、加工ツールの交換が容易となる。

前記冷却部は、前記チャック又はその周辺部に空気を噴き付けることによる空冷式であってもよい。このような空冷式によれば、冷却媒体の供給管路、回収管路等が不要で、簡便である。

前記冷却部は、流路に液体を流すことによる液冷式であってもよい。このような液冷式によれば、冷却効果が高い。

前記加工ツールは、前記金属板に孔を形成するために先端に設けられた縮径部と、前記孔に雌ねじを形成するために前記縮径部に対して連続して設けられたタップ部とを備えてもよい。このような加工ツールによれば、雌ねじを１つの工程で形成することができる。

本発明に係る雌ねじ加工方法は、加熱部により、金属板における雌ねじを形成する箇所を加熱する加熱工程と、冷却部により、前記金属板に前記雌ねじを形成する加工ツールを冷却する冷却工程と、前記加熱部による加熱を停止し、前記冷却部による冷却を継続し、自然冷却された前記雌ねじを形成する箇所に前記加工ツールを挿入し、前記雌ねじを形成する箇所を急冷し組織を硬くする急冷工程と、前記加工ツールを回転し、前記加工ツールで前記雌ねじを形成する箇所を冷却しながら雌ねじを成形する加工工程と、を有することを特徴とする。

このような加熱工程及び冷却工程を設けることにより、加熱した加工箇所に加工ツールを挿入するときに、該加工箇所が急冷されて組織が硬くなり、高強度の雌ねじ部を形成することができる。なお、加工工程以外における加熱工程及び冷却工程の相互タイミングは特に問われない。

前記加熱工程では、前記金属板をオーステナイト域以上に加熱してもよい。これにより、金属組織に対して種々の熱処理をすることができる。

前記加工工程又はその後の放熱工程では、ベイナイト域を通して前記金属板を冷却してもよい。これにより、金属板にベイナイトが析出して十分高強度な雌ねじが得られる。

本発明に係る雌ねじ加工装置及び雌ねじ加工方法によれば、このような加熱部又は加熱工程と冷却部又は冷却工程とを設けることにより、加熱した加工箇所に加工ツールを挿入するときに、該加工箇所が急冷されて組織が硬くなり、高強度の雌ねじ部を形成することができる。

以下、本発明に係る雌ねじ加工装置及び雌ねじ加工方法について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１７を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る雌ねじ加工装置１０は、本塗装前であるフレーム（金属板）１２における所定の箇所にブッシュ１４を形成するためのユニット型式の装置であり、ロボット１６の先端に着脱自在に設けられている。ブッシュ１４には雌ねじ１５（図１２参照）が形成される。ロボット１６は産業用の多関節型であって、雌ねじ加工装置１０はロボット１６の動作範囲内で任意の位置に任意の姿勢に設定可能である。これにより、雌ねじ加工装置１０は、例えば、フレーム１２におけるドアヒンジ部１２ａやバンパビーム部１２ｂに対向するように配置され、これらの箇所にブッシュ１４を形成することができる。

フレーム１２は搬送ライン１８上で搬入されてロボット１６の近傍において一時停止し、カメラ１９によって正確な位置の確認が行われる。フレーム１２は雌ねじ加工装置１０によってブッシュ１４を形成する加工が行われた後、搬送ラインに沿って次工程のステーションへと搬送され、この後、ロボット１６の近傍には未加工の次のフレーム１２が搬入される。

ロボット１６及び雌ねじ加工装置１０は、コントローラ２０によって制御される。コントローラ２０は、ロボット１６を所定の教示データに基づいて動作させるロボット駆動部２２と、雌ねじ加工装置１０内の昇降モータ（進退駆動部）３６及びスピンドルモータ（回転駆動部）５２を駆動するモータ制御部２４と、フィラー４８（図２参照）を送給するためのフィラー送給制御部２６と、ＴＩＧトーチ（アーク加熱機４６）からアークを放射するためのアーク電流制御部２８と、雌ねじ加工装置１０の所定の箇所を冷却するための冷却制御部２９とを有する。また、コントローラ２０はカメラ１９から得られる画像に基づいてフレーム１２及びブッシュ加工位置Ｐの位置確認を行うことができる。

図２に示すように、雌ねじ加工装置１０は、ベースユニット３０と、該ベースユニット３０に対して昇降する昇降ユニット３２とをベースとして構成されている。ロボット１６はベースユニット３０の側面に接続されている。

ベースユニット３０は、ベース体３４と、昇降モータ３６と、ボールねじ３８と、ボールナット４０と、ガイドレール４２と、フィラー送給機４４と、アーク加熱機（加熱部）４６（例えば、ＴＩＧトーチ）とを有する。ベース体３４は縦長の構造体であり、上端に昇降モータ３６が備えられている。ボールねじ３８は昇降モータ３６に接続されて下向きに延在しており、回転自在に保持されている。ガイドレール４２は、ベース体３４における端部で昇降ユニット３２に対面して上下方向に延在して設けられている。ガイドレール４２とボールネジ３８は平行である。

ボールナット４０はボールネジ３８に螺合するとともに昇降ユニット３２に接続されており、昇降モータ３６の回転作用下に昇降ユニット３２を昇降させることができる。昇降ユニット３２の昇降量は、図示しないセンサを用いてフィードバックする。

フィラー送給機４４は、ブッシュ加工位置Ｐを指向している。フィラー送給機４４は、フィラー送給制御部２６の作用下にフィラー４８をブッシュ加工位置Ｐに向けて送給する。アーク加熱機４６は、ブラケット４７によってベース体３４の下端部に固定されており、アーク電流制御部２８の作用下にブッシュ加工位置Ｐに対するアーク放電を行い、該ブッシュ加工位置Ｐを加熱する。ブラケット４７には、アーク加熱機４６を移動させるスライド機構４７ａが設けられている。

昇降ユニット３２は、昇降ベース体５０と、スピンドルモータ５２と、レール係合部５４と、回転ロッド５６と、チャック５８と、加工ツール６０と、冷却ユニット（冷却部）６２とを有する。冷却ユニット６２によって冷却される部分には、面積を広げて空冷効果を高めるようにフィンが設けられていてもよい。

昇降ベース体５０は、上下２つのレール係合部５４によってガイドレール４２に対して昇降自在に係合するとともに、所定箇所がボールナット４０に接続されている。昇降ベース体５０の上端にはスピンドルモータ５２が下向きで備えられている。モータ制御部２４の作用下にスピンドルモータ５２は回転数制御が可能な構成であり、昇降モータ３６と同期して回転可能である。

回転ロッド５６はスピンドルモータ５２に接続されて下向きに延在しており、回転自在に保持されている。回転ロッド５６の下端には該加工ツール６０を保持するチャック５８が設けられている。

冷却ユニット６２は、回転ロッド５６の中間部に設けられており、該回転ロッド５６を軸支するベアリングブロック６４を含んでいる。冷却ユニット６２は、空気供給口６６から圧縮空気が供給され、回転ロッド５６及びベアリングブロック６４に圧縮空気を噴き付けて冷却することができる。噴き付けられた圧縮空気は、そのまま外部に排出される。空気供給口６６は、例えば複数のノズルを有する。空気供給口６６に対しては、空気供給量を調整するとともに、流路の開閉が可能な調整弁６７が設けられている。調整弁６７には冷却された圧縮空気が供給されている。

このような空冷式の冷却ユニット６２によれば、冷却媒体の供給管路、回収管路等が不要で、簡便である。

図３に示すように、加工ツール６０は、先端に設けられた縮径部７０と、該縮径部７０の上方に連続して設けられた円柱部７２と、そのさらに上方に連続して設けられたタップ部７４とを有する。縮径部７０は、下方に向かって縮径する円錐形であり、縮径部７０の上端部における最も大径の部分は円柱部７２と同径である。縮径部７０はフレーム１２に孔１００（図７参照）を形成する部分であって、円柱部７２は孔１００の形状が安定化するように作用する、これらの縮径部７０及び円柱部７２は下孔形成部７６として一体となっている。タップ部７４は、孔１００に雌ねじを形成するための部分であり、円柱部７２よりも大径の螺旋突起７４ａが設けられている。設計条件及び加工条件によっては、円柱部７２を設けずにタップ部７４が縮径部７０の直上部又は縮径部７０の上端の一部まで達していても良い。

また、縮径部７０には、フレーム１２と間の摩擦効果を高めるためのダル加工や、強度を増加させるための超硬材コーティング等を形成してもよい。

タップ部７４と下孔形成部７６は着脱自在に構成されており、摩耗の程度によりいずれか一方を個別に交換可能である。もちろん、タップ部７４と下孔形成部７６は一体型であってもよい。加工ツール６０は、例えば、高速工具鋼等の金属で構成される。

雌ねじ加工装置１０は、ブッシュ加工位置Ｐを中心に配置された複数の負極板６９（図５参照）を有している。また、負極板６９の代わりにワークを固定する台車、治具、加工台等にアース線６９ａ（図１７参照）を設けてもよい。

次に、このように構成される雌ねじ加工装置１０を用いて、フレーム１２のブッシュ加工位置Ｐにブッシュ１４（図１２参照）を形成する雌ねじ加工方法について説明する。以下の説明では、表記したステップ番号順に処理が実行されるものとする。

図４におけるステップＳ１（冷却工程）において、冷却制御部２９の作用下に、冷却ユニット６２に冷却された圧縮空気を供給し、回転ロッド５６及びベアリングブロック６４を冷却する。この冷却工程は一連で複数回の雌ねじ加工時において、継続的に行われ、チャック５８を介して間接的に加工ツール６０を冷却する。このようにチャック５８を介した間接的な冷却によれば、加工ツール６０は冷却手段が不要な簡便構造となるとともに、加工ツール６０の交換が容易となる。

初回の雌ねじ加工時には加工ツール６０は常温となっていることから、冷却工程を省略し、２回目の加工時から冷却を開始してもよい。

このステップＳ１は、後述するステップＳ６で加熱された加工ツール６０を適度に冷却するための処理であり、加工ツール６０を６００℃以下、例えば５００℃程度にしておく。この冷却処理は、厳密な温度管理は必要なく、実験又は経験に基づいて適量で一定の空気を回転ロッド５６及びベアリングブロック６４に噴き続けておき、ステップＳ６の直前に加工ツール６０が６００℃以下となるようにしておけばよい。

本発明者の実験した結果によれば、ある程度の室温の変化があった場合でも、冷却ユニット６２による回転ロッド５６及びベアリングブロック６４に対する冷却として、フィードバック制御を用いることなく、しかも室温に応じた特別な調整をすることがなくても、適量で一定の空気を回転ロッド５６及びベアリングブロック６４に噴き続けておけば好適な雌ねじ１５を有するブッシュ１４が得られることが確認されている。

ステップＳ２において、ロボット駆動部２２の作用下にロボット１６を動作させ、雌ねじ加工装置１０をフレーム１２に接近させて、負極板６９を接触させる。ワークを固定する台車、治具、加工台等にアースを設けている場合には負極板６９は不要である。このとき、予め設定されたブッシュ加工位置Ｐが加工ツール６０の進退する軸上に配置されるようにする。

ステップＳ３（加熱工程）において、図５に示すように、フィラー送給制御部２６の作用下にフィラー送給機４４からフィラー４８を送給して肉盛りをするとともに、アーク電流制御部２８の作用下にアーク加熱機４６に高電圧を印加してアークＡを発生させる。アーク加熱機４６は、ブッシュ加工位置Ｐの近傍までスライド移動させておき、該ブッシュ加工位置Ｐに対してアークを発生させて予備加熱して軟化させる。ブッシュ加工位置ＰはアークＡによって迅速に加熱される。所定時間が経過した後、高電圧の印加を停止してアークＡを消滅させる。ブッシュ加工位置Ｐにおけるフレーム１２及び肉盛りされたフィラー４８の加熱は、例えば１２００℃に達するまで行う。

フィラー４８は所定量送給された後、残余分はやや引き戻されてフィラー送給機４４内に退避する。ブッシュ加工位置Ｐにおける板厚が厚いときにはフィラー４８の供給による肉盛りを省略してもよい。

このときのブッシュ加工位置Ｐには、図６に示すように、適度な肉盛部１１０と、該肉盛部１１０を含みその周辺の熱影響部１１２が形成される。熱影響部１１２は、加熱により温度が上昇して、表面色が変化した箇所である。

熱影響部１１２の径Ｒ１は、後述するねじ部上部径Ｒ２（図１２参照）の１．６〜１．７倍程度が好適である。

ステップＳ４において、ブッシュ加工位置Ｐが適温に自然冷却されるまで待機する。この時点でブッシュ加工位置Ｐの適温とは、オーステナイト域以上の温度であり、例えば９００℃程度である。この前段階のステップＳ３において１２００℃まで加熱することなく、９００℃の加熱で停止させてもよいが、一旦それよりも高い１２００℃程度まで加熱してから冷却させると、より短時間で９００℃に設定でき、また、熱影響部１１２を適度に広く確保することができる。

ステップＳ５において、図７に示すように、加工ツール６０を無回転で進行させて、孔１００を形成する。当初、孔１００は縮径部７０の先端部によって形成された後、縮径部７０の錐面によって拡径され、さらに円柱部７２が挿通することにより形状が安定化する。

このとき、ブッシュ加工位置Ｐが９００℃程度であるのに対して、加工ツール６０は６００℃以下、例えば５００℃であることから、ブッシュ加工位置Ｐは急冷され、いわゆる焼入と同じ状態になる。冷却時間を０．５ｓｅｃ程度とすると、図８に示すように、ＣＣＴ曲線（continuous cooling transformation diagram）８６はベイナイト域８８の直上部まで導かれることが理解されよう。図８は、Ｃ０．１３％、Ｍｎ０．５６％の炭素鋼における連続冷却状態図であるが、これ以外の組成の金属を用いる場合には、その組成の連続冷却状態図に基づいて冷却条件を設定すればよい。

加工ツール６０によるフレーム１２の急冷処理は、該フレーム１２の温度の低下にともなって加工ツール６０の温度が上昇し、両者が接触している間で、フレーム１２が６００℃〜７００℃程度になるまで継続的に行われることになり、実際にはステップＳ５だけではなく次のステップＳ６においても継続的に行われる。６００℃〜７００℃程度の箇所はフェライト域であり、この後の空冷時にベイナイト域を通ることになる。６００℃〜７００℃程度までの急冷では、冷却設備が簡便で済む。

また、冷却設備は大型化するが、強制冷却時にベイナイト域まで直接的に冷却させることにより作業効率を向上させることができる。

この間、加工ツール６０はフレーム１２の熱を受けて多少の温度上昇が発生するが、該加工ツール６０は、冷却ユニット６２によってチャック５８を介して継続的に冷却されていることから過度に温度上昇することはなく、熱膨張が抑制され、高い加工精度を維持することができる。

ステップＳ６において、円柱部７２が無回転で孔１００に挿入された後、スピンドルモータ５２によって、ボールねじ３８及び加工ツール６０を回転させる。また、昇降モータ３６の回転数を制御し、加工ツール６０が１回転する間に該加工ツール６０がタップ部７４の螺旋突起７４ａのピッチｔ（図７参照）だけ進行するように同期させる。これにより、図９に示すように、螺旋突起７４ａが孔１００に螺合するようにタップ加工され、雌ねじ１５を有するブッシュ１４が形成される。

ステップＳ６及びＳ７で強制冷却が行われる時間（つまり、加工ツール６０がワークに接触している時間であって、孔を形成してタップ加工を行って、加工ツール６０を抜くまでの時間）は、例えば１．５ｓｅｃ程度である。

なお、ステップＳ５の後、加工ツール６０は孔１００に挿入されたまま次のステップＳ６へ移ることから、これらのステップＳ５とステップＳ６は実質的に１つの工程とみなすことができる。このステップＳ５とステップＳ６との間において、加工ツール６０を交換する必要がないことは当然である。

ステップＳ７において、スピンドルモータ５２及び昇降モータ３６を逆回転させ、加工ツール６０をブッシュ１４から抜き取る。このとき、スピンドルモータ５２と昇降モータ３６とを同期させて、加工ツール６０が１回転する間に該加工ツール６０がピッチｔだけ後退するように同期させる。タップ部７４がブッシュ１４から抜き取られた後には加工ツール６０を高速で後退させてもよい。

加工ツール６０をブッシュ１４から抜き取ることにより、該加工ツール６０による強制冷却が終了する。加工ツール６０は、この後も冷却ユニット６２によって継続的に冷却される。

ステップＳ８（放熱工程）においては、ブッシュ１４を自然空冷する。これにより、図８のＣＣＴ曲線８６における屈曲点９０以下の部分のように、緩やかに冷却が進み、ベイナイト域８８を通してフレーム１２を冷却することになる。これにより、フレーム１２にベイナイトが析出して十分高強度な雌ねじが得られる。ベイナイトは、フェライト中に微細セメンタイトが分散した組織であり、高い硬度及び靭性を有する。ＣＣＴ曲線８６がパーライト域９６を通るか否かは特に問われない。

また、金属板は一度、オーステナイト域まで加熱していることから、柔軟な対応が可能であり、設計条件によっては金属組織に対して種々の熱処理をすることができる。なお、図８において、符号９２、９４、９６及び９８は、順にオーステナイト域、フェライト域、パーライト域及びマルテンサイト域である。

ステップＳ８においては、加工ツール６０以外の吸熱手段により、ブッシュ１４の放熱を促進させてもよい（放熱工程）。

この後、ロボット１６を動作させることにより雌ねじ加工装置１０をフレームから離間させる。

ステップＳ９（ステップＳ８と並行してもよい。）においては、未加工のブッシュが残っているか確認し、未加工のものがある場合には、次のブッシュ加工位置Ｐへ雌ねじ加工装置１０を移動させて、ステップＳ２へ戻り、同様の手順により加工を続行する。

全てのブッシュ１４の加工が終了している場合には、冷却ユニット６２を停止させ（ステップＳ１０）、図４に示す処理を終了する。

このように本実施形態に係る雌ねじ加工装置１０及び雌ねじ加工方法では、アーク加熱機４６と冷却ユニット６２とを設けることにより、加熱したブッシュ加工位置Ｐに加工ツール６０を挿入するときに、該ブッシュ加工位置Ｐが急冷されて組織が硬くなり、高強度の雌ねじ１５を形成することができる。

また、加工ツール６０を無回転でブッシュ加工位置Ｐに押圧して、縮径部７０によってブッシュ加工位置Ｐに孔１００を形成し、この後、加工ツール６０を回転させ、加工ツール６０を孔１００から抜くことなくさらに挿入させ、タップ部７４によって孔１００に雌ねじ１５を形成している。これによって、ブッシュ１４を実質的に１つの工程で形成することができ、作業効率の向上を図ることができる。

上記の冷却ユニット６２は空冷式に限らず、図１０に示す冷却ユニット６２ａのように液冷式にしてもよい。冷却ユニット６２ａは、図示しない回転継手を介して、回転ロッド５６内に設けた流路１８０に液体（水、油等）を流すことによって該回転ロッド５６の熱を吸収し、図示しないラジエータで放熱して、循環させている。このような液冷式の冷却ユニット６２ａによれば、高い冷却効果が得られる。

加工ツール６０としては、例えば図１１に示す加工ツール６０ａを用いてもよい。加工ツール６０ａにおける円柱部７２及びタップ部７４は前記加工ツール６０と同様であり、前記縮径部７０に相当する部分に先端部８０が設けられている点で両者は異なる。先端部８０は、縮径部７０に対して螺旋突起８０ａを付加したものである。

また、螺旋突起８０ａの螺旋の方向と、タップ部７４における螺旋突起７４ａの螺旋の方向とは同一の方向であるが、設計条件によっては逆向きにしてもよい。

次に、上記の雌ねじ加工装置１０及び雌ねじ加工方法によって形成された雌ねじ１５を有するブッシュ１４について説明する。

図１２は、ブッシュ１４の断面カットモデルである。該図１２に示すように、ブッシュ１４はねじ部１５０と、熱影響部１１２とを有する。熱影響部１１２の外側は母材部１１４である。ねじ部１５０、熱影響部１１２及び母材部１１４は互いに組織が異なっており、断面色の違いにより識別が可能である。ねじ部１５０の内面に雌ねじ１５が形成されている。

ねじ部１５０は、主に肉盛りされたフィラー４８に基づく組織であって、熱影響が相当に大きい部分であると考えられ、ベイナイトが多く含まれている（ベイナイトが主成分として９５％以上含まれている）。ねじ部１５０は下方に向けて突出した形状であり、熱影響部１１２との境界は、上接続部１５０ａ及び下接続部１５０ｂで略屈曲した形状となっている。

熱影響部１１２は、母材としてのフレーム１２に対して多少のフィラー４８が混在し、さらにある程度の熱影響を受けている部分であると考えられ、細かいフェライトに球状セメンタイトが混在している（セメンタイトと母材部に近づくほどに組織が微細化するフェライトとを主成分として９５％以上含まれている。）。熱影響部１１２では、内側のねじ部１５０に近づくほどフェライトの金属組織が微細化している。熱影響部１１２は、内側のねじ部１５０へ向けてやや下向きに傾斜した形状であり、母材部１１４とは滑らか且つ略水平に接続されている。

つまり、熱影響部１１２の少なくとも内径側部分は、ねじ部１５０の突出する方向（図１２で下向き）に向かって凸形状になっており、熱影響部１１２のスプリングの作用としての作用が一層発揮される。これは、例えば直線部材よりも蛇腹形状部材の方が屈曲しやすいことからも容易に理解されよう。

母材部１１４は、元のフレーム１２からほとんど組織の変化がない部分であり、粗いフェライトに球状セメンタイトが混在している（セメンタイトとフェライトとを主成分として９５％以上含まれている。）。

ねじ部上部径Ｒ２とねじ部１５０のねじ長Ｌは逆比例的な関係になり、一方が長くなると他方が短くなる。ねじ部１５０の強度は、ねじ部上部径Ｒ２を厚くするよりもねじ長Ｌを長くすることが好適である。したがって、ねじ部上部径Ｒ２は過度に厚い必要はなく、加工ツール６０の径Ｒ３（図３参照）の１．３〜１．５倍程度が好適であり、フィラー４８の供給量や加熱温度等によって調整するとよい。

また、熱影響部１１２は、母材部１１４とねじ部１５０とを接続する部分であり、適度な靭性、弾性を有することが望ましく、前記の通り熱影響部１１２の径Ｒ１は、ねじ部上部径Ｒ２の１．６〜１．７倍程度が好適である。

後述するように、熱影響部１１２は粘り強い特性を有しており、ねじ部１５０に対してボルト１６８を締結するときにスプリングの作用を奏する。また、熱影響部１１２は母材部１１４よりも硬く、母材部１１４は熱影響部１１２が弾性変形するのに倣うように変形することになる。

ここで、図１３に示すように、熱影響部１１２が過度に広い場合には、母材部１１４が下方向に押されてしまい、上板１７０とフレーム１２との接触面積を十分に確保できなくなる。

これに対して、熱影響部１１２の径Ｒ１がねじ部上部径Ｒ２の１．６〜１．７倍程度であると、図１４に示すように、母材部１１４が下方向に押されることが抑制され、上板１７０とフレーム１２との接触面積を十分に確保することができる。

本発明者は、ブッシュ１４の硬度について、試験経路１５４に沿って０．５ｍｍずつのピッチでビッカース硬さ試験を行った。試験経路１５４は、ブッシュ１４におけるねじ部１５０の最も内側部１５４ａから母材部１１４における熱影響部１１２から十分に離れた部分１５ｂに至る径方向直線経路である。ねじ部１５０、熱影響部１１２及び母材部１１４の各境界を境界１５４ｃ、境界１５４ｄとする。この試験結果を図１５に示す。

図１５から了解されるように、ねじ部１５０に相当する内側部１５４ａ〜境界１５４ｃの区間では非常に硬度が高くなっている。これは、ねじ部１５０がベイナイトを主成分として構成されていることによる。境界１５４ｃの近傍では急傾斜線１５６を示し、硬度が６０％程度まで急激に低下している。

熱影響部１１２に相当する境界１５４ｃ〜境界１５４ｄまでの区間では、緩傾斜線１５８を示し、硬度は、ねじ部１５０から母材部１１４へ向かって境界１５４ｃを基準としてさらに６０％程度まで、途中で増加することなく、連続的に且つ緩やかに低下している。

母材部１１４に相当する境界１５４ｄ以降の区間では、硬度はやや低下する傾向はあるが、概ね一定値となっている。

このように、ねじ部１５０は硬度が高いのに対して母材部１１４は硬度が低いが、その間の適度な幅の熱影響部１１２の硬度は距離に応じて緩やかな変化を示している。これは、熱影響部１１２で、内側ほどフェライトの金属組織が微細化していることに基づくと考えられる。

このような組成によれば、ねじ部１５０は十分な強度でありボルトの螺合が確実に行われるとともに、母材部１１４又はねじ部１５０に振動が加わっても、熱影響部１１２の弾性で振動を吸収することができ、ボルトと雌ねじ１５との緩み止めの効果が得られる。特に、熱影響部１１２はねじ部１５０より硬度が低く、且つ、ねじ部１５０から母材部１１４へ向かって硬度が低下していることから、複数の弾性係数のばねが複合された特性を有し、様々な周波数の振動を吸収することができる。また、熱影響部１１２はねじ部１５０と母材部１１４との硬度を緩やかに接続していることから局所的な応力集中がない。

上述したように、ナットとしてのブッシュ１４よれば、硬度傾斜部としての熱影響部１１２を設けることにより、ねじ部１５０は十分な強度しておりボルト１６８の螺合が確実に行われるとともに、母材部１１４又はねじ部１５０に振動が加わっても、熱影響部１１２の弾性で振動を吸収することができ、ボルト１６８の緩み止めを防止することができる。

上記の冷却ユニット６２に代えて、図１６に示す冷却ユニット３００を適用してもよい。ベアリングブロック６４の周囲をボックス３０２で覆い、該ボックス３０２に対してインレットパイプ２０４から冷却した圧縮空気を供給してベアリングブロック６４及び回転ロッド５６を冷却し、加工ツール６０を間接的に冷却することができる。ベアリングブロック６４をボックス３０２で覆うことにより、冷却された圧縮空気が無駄に拡散することなく、しかも高密度のまま冷却対象に接することから効率的な冷却が行われる。ボックス３０２内でベアリングブロック６４等を冷却した空気はインレットパイプ３０４の反対側に設けられたアウトレットパイプ３０６から排出される。これにより、圧縮空気が気中に排出されることがなく音が静かである。ボックス３０２内では、効率的な冷却がなされるように、圧縮空気の通過する経路を適正に設定する案内壁が設けられていてもよい。

図１７に示すように、負極板６９の代わりにフレーム１２又はブッシュ加工位置Ｐを含むその一部を固定する加工台３１０や治具、台車等にアース線６９ａを設けおいてもよい。これにより、フレーム１２は電気的に負極に接続されることになり、加工機側に負極板６９が不要になり設備及び作業が簡便になる。

本発明に係る雌ねじ加工装置及び雌ねじ加工方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

雌ねじ加工装置を備えるロボットと、コントローラの略式機能ブロック図である。 本実施の形態に係る雌ねじ加工装置の断面側面図である。 加工ツールの分解斜視図である。 本実施の形態に係る雌ねじ加工方法の手順を示すフローチャートである。 アークにより加熱を行う様子を示す説明図である。 ブッシュ加工位置に設けられた肉盛部及び熱影響部の斜視図である。 ブッシュ加工位置に孔を形成する様子を示す説明図である。 Ｃ０．１３％、Ｍｎ０．５６％の炭素鋼における連続冷却状態図である。 タップ部により雌ねじを形成する様子を示す説明図である。 液冷式の冷却ユニットの模式断面図である。 変形例に係る加工ツールの側面図である。 ブッシュの断面カットモデルである。 熱影響部が過度に広い場合に、ねじ部にボルトを螺合させたときの熱影響部及び母材部の変形を示す図である。 熱影響部が適度に広い場合に、ねじ部にボルトを螺合させたときの熱影響部及び母材部の変形を示す図である。 ブッシュについて行ったビッカース硬さ試験の試験結果を示すグラフである。 変形例に係る冷却ユニットの側面図である。 アース線が設けられた加工台の模式図である。

符号の説明

１０…雌ねじ加工装置 １２…フレーム
１４…ブッシュ １５…雌ねじ
３０…ベースユニット ３２…昇降ユニット
３４…ベース体 ３６…昇降モータ
３８…ボールネジ ４０…ボールナット
４４…フィラー送給機 ４６…アーク加熱機
５２…スピンドルモータ ５４…レール係合部
５６…回転ロッド ５８…チャック
６０、６０ａ…加工ツール ６２、６２ａ…冷却ユニット
７０…縮径部 ７２…円柱部
７４…タップ部 ８８…ベイナイト域

Claims (8)

1. 金属板における雌ねじを形成する箇所を加熱する加熱部と、
   前記金属板に前記雌ねじを形成する加工ツールと、
   前記加工ツールを冷却する冷却部と、
   前記加工ツールを回転させる回転駆動部と、
   前記加工ツールを進退させる進退駆動部と、
   を有し、
   前記加熱された雌ねじを形成する箇所に前記加工ツールを挿入するときに、前記雌ねじを形成する箇所を急冷することにより組織が硬くなり、
   前記金属板に、ベイナイト組織を有するねじ部と、前記ねじ部の外側で且つ母材の内側に前記ねじ部よりも硬度が低く且つ前記母材よりも硬度が高い熱影響部とを形成することを特徴とする雌ねじ加工装置。
2. 請求項１記載の雌ねじ加工装置において、
   前記加工ツールは、チャックにより着脱自在であり、
   前記冷却部は、前記チャックを介して間接的に前記加工ツールを冷却することを特徴とする雌ねじ加工装置。
3. 請求項２記載の雌ねじ加工装置において、
   前記冷却部は、前記チャック又はその周辺部に空気を噴き付けることによる空冷式であることを特徴とする雌ねじ加工装置。
4. 請求項２記載の雌ねじ加工装置において、
   前記冷却部は、流路に液体を流すことによる液冷式であることを特徴とする雌ねじ加工装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の雌ねじ加工装置において、
   前記加工ツールは、前記金属板に孔を形成するために先端に設けられた縮径部と、
   前記孔に雌ねじを形成するために前記縮径部に対して連続して設けられたタップ部とを備えることを特徴とする雌ねじ加工装置。
6. 加熱部により、金属板における雌ねじを形成する箇所を加熱する加熱工程と、
   冷却部により、前記金属板に前記雌ねじを形成する加工ツールを冷却する冷却工程と、
   前記加熱部による加熱を停止し、前記冷却部による冷却を継続し、自然冷却された前記雌ねじを形成する箇所に前記加工ツールを挿入し、前記雌ねじを形成する箇所を急冷し組織を硬くする急冷工程と、
   前記加工ツールを回転し、前記加工ツールで前記雌ねじを形成する箇所を冷却しながら雌ねじを成形する加工工程と、
   を有することを特徴とする雌ねじ加工方法。
7. 請求項６記載の雌ねじ加工方法において、
   前記加熱工程では、前記金属板をオーステナイト域以上に加熱することを特徴とする雌ねじ加工方法。
8. 請求項７記載の雌ねじ加工方法において、
   前記加工工程又はその後の放熱工程では、ベイナイト域を通して前記金属板を冷却することを特徴とする雌ねじ加工方法。

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