ねじ切り加工（製造）

ねじ切りは、ねじ成形や転造と比較して、ねじの深さ全体が必要な場合、数量が少ない場合、ブランクの精度があまり高くない場合、肩までのねじ切りが必要な場合、テーパーねじを切る場合、または材料が脆い場合に使用されます。^{[ 5 ]}

ねじ切り加工

ねじ山は、適切ならせん状の工具経路を設定できれば、回転フライスで切削加工できます。これは以前は機械的に設定されていましたが、大量生産には適していましたが、小規模な加工では一般的ではありませんでした。手頃な価格で高速かつ高精度なCNCが広く普及したことで、この方法ははるかに一般的になり、今日では、以前はタップ、ダイスヘッド、またはシングルポイントで切削されていた作業でも、内ねじと外ねじがフライス加工されることがよくあります。シングルポイント切削やタップとダイスと比較した場合のねじ山フライス加工の利点としては、サイクルタイムの短縮、工具破損の減少、同じ工具で左ねじまたは右ねじを作成できることなどが挙げられます。^{[ 10 ]}さらに、大きくて扱いにくいワークピース（消火栓の鋳造品など）の場合、ワークピースをテーブル上に固定したまま、回転工具で必要な機械加工操作をすべて行う方が、各ねじ山の軸を中心に回転するようにワークピースを固定するよりもずっと簡単です（つまり、消火栓の「アーム」と「口」の場合）。

ねじ切り加工にはさまざまな種類があり、成形加工のいくつかのバリエーションや、1つのカッターで穴あけとねじ切りを組み合わせた「ねじ切り加工」などがあります。

タッピングに対する主な利点の1つは、タッピングでは3番目のねじ山から完全なねじ山形状を作り始めるのに対し、ねじ切り加工では上から下まで完全なねじ山形状が作られることである。^{[ 11 ]}

成形フライス加工では、シングルフォームカッターまたはマルチフォームカッターのいずれかを使用します。成形フライス加工の一種では、シングルフォームカッターをねじのらせん角に傾けて、ブランクに半径方向に送り込みます。次に、カッターをブランクの軸に沿って正確に移動させながらブランクをゆっくりと回転させ、ブランクにねじを切削します。カッターをねじの深さまで送り込む場合は1回のパスで、最初のパスをねじの深さまで送らない場合は2回のパスで加工できます。このプロセスは主に1.5インチ（38 mm）より大きいねじに使用されます。これは、リードが大きいねじやリードが複数あるねじの切削によく使用されます。マルチフォームカッターを使用する同様の方法もあり、この方法ではブランクの周りを1回転するだけでねじが完成します。カッターは、目的のねじの長さよりも長くする必要があります。マルチフォームカッターを使用するとシングルフォームカッターよりも高速ですが、らせん角が3°未満のねじに限定されます。また、直径が十分に大きく、長さが2インチ（51mm ）以下のブランクに限定される。^{[ 12 ]}    

形状フライス加工の別のバリエーションでは、カッターの軸を直交させて保持し（ねじのらせん角に対して傾けない）、ねじを生成するツールパスでカッターを送ります。^{[ 13 ]}部品は通常、バルブ本体のボス（外ねじフライス加工の場合）やプレートまたはブロックの穴（内ねじフライス加工の場合）などの固定されたワークピースです。このタイプのねじフライス加工は、基本的にエンドミルまたはボールノーズミルによる輪郭加工と同じ概念を使用しますが、カッターとツールパスは、ねじの「輪郭」を定義するように特別に配置されます。ツールパスは、らせん補間（通常は XY 平面での円形補間と、第 3 軸（通常は Z 軸）に沿った線形補間の同時実行。CNC 制御モデルは、第 3 軸の使用をサポートするものでなければならない）^{[ 13 ]}または 3 軸線形補間の極めて小さな増分を使用したシミュレーション（手動でプログラムするのは実用的ではないが、CAD/CAM ソフトウェアで簡単にプログラムできる）^{[ 14 ]}のいずれかを使用して実現されます。カッターの形状はねじピッチを反映しますが、リードは反映しません。リード（ねじのらせん角）はツールパスによって決定されます。^{[ 15 ]}テーパーねじは、らせん補間を使用して1回転でねじを完成させるテーパー多形状カッター、^{[ 16 ]}または、ツールパスが1回転以上であるがらせん補間を使用できず、CAD/CAMソフトウェアを使用してらせん補間の輪郭のようなシミュレーションを生成する必要があるストレートまたはテーパーカッター（単一形状または多形状）で切削できます。^{[ 16 ]}

ねじ切り加工に使用される工具は、ソリッドタイプとインデックスタイプがあります。内ねじの場合、ソリッドカッターは一般的に6 mm (0.24インチ)より大きい穴に限定され、^{[ 15 ]}インデックスタイプの内ねじ切り工具は12 mm (0.47インチ)より大きい穴に限定されます。利点は、インサートが摩耗したときに、容易かつコスト効率よく交換できることです。欠点は、サイクルタイムが一般的にソリッド工具よりも長いことです。ソリッドタイプの多形ねじ切り工具はタップに似ていますが、切削工具にバックテーパーがなく、リードイン面取りがない点で異なります。このリードイン面取りがないことで、止まり穴の底から 1 ピッチ長以内でねじを形成できます。^{[ 17 ]}    

スリリング

スリリングなのは、CNCフライス盤で特殊な切削工具を使用して内ねじをねじ切り、穴あけ（逆の順序で実行）するプロセスです。切削工具の先端はドリルまたはセンターカットエンドミルのような形状で、本体はねじ形状で、シャンク付近に皿穴カッター形状があります。カッターは最初に穴を開けるためにプランジします。次に、上記のマルチフォームカッターと同様に、ねじが円弧状に補間されます。この工具は、穴あけ、面取り、ねじ切りをすべて1つのコンパクトなサイクルで行います。^{[ 18 ]}このプロセスの利点は、工具、工具ホルダ、工具交換が不要になることです。欠点は、このプロセスでは、穴の深さが工具の直径の3倍以下に制限されることです。^{[ 19 ]}

ねじ研削は、ねじの形状に合わせて特別にドレッシングされた研削砥石を使用して研削盤で行われます。このプロセスは通常、正確なねじまたは硬い材料のねじを作るために使用され、一般的な用途はボールねじ機構です。軸方向送り付きセンタータイプ研削、センターインフィードねじ研削、センタレスねじ研削の3 つのタイプがあります。軸方向送り付きセンタータイプ研削は、3 つの中で最も一般的です。これは、単刃切削工具を使用して旋盤でねじを切削するのと似ていますが、切削工具の代わりに研削砥石を使用します。通常は単一のリブ付き砥石が使用されますが、複数のリブ付き砥石も利用可能です。ねじを完成させるには、通常、複数回のパスが必要です。センターインフィードねじ研削では、目的のねじの長さよりも長い複数のリブ付き研削砥石を使用します。まず、研削砥石をねじの深さまでブランクに送り込みます。次に、ブランクを約 1.5 回転しながら、1 回転あたり 1ピッチずつ軸方向に送り込みます。最後に、センタレスねじ研削加工は、センタレス研削と同様の方法でヘッドレス止めねじを作るために使用されます。ブランクはホッパーから研削ホイールに供給され、そこでねじが完全に形成されます。一般的なセンタレスねじ研削の生産速度は、長さ0.5インチ（13 mm）の止めねじで毎分60～70個です。 ^{[ 19 ]}  

極めて高い精度と表面仕上げを実現するために、ねじ切り加工または研削加工（通常は後者）の後にねじラッピングを行う場合があります。これは、最高精度が要求される工具室での加工方法であり、ハイエンド工作機械のリードスクリューやボールスクリュー以外ではほとんど用いられません。

内ねじは、放電加工機（EDM）を用いて硬質材料に加工することができる。

ねじ成形とねじ転造は、ねじを切削するのではなく成形するプロセスであり、前者は内ねじの作成を指し、後者は外ねじの作成を指します。これらのプロセスでは、一般的に「ねじ転造ダイ」と呼ばれる成形されたツールをブランクに押し付けることで、ローレット加工に似たプロセスでねじがブランクに形成されます。これらのプロセスは、通常の生産速度が1秒あたり1個程度であるため、大量生産に使用されます。成形と転造では切りくずは発生せず、ブランクのサイズがねじを切削するのに必要なブランクよりも小さいため、必要な材料が少なくなります。通常、重量でブランクの材料が15～20%節約されます。^{[ 19 ]}転造されたねじは、未停止のブランクから形成されたファスナーでは、ねじの直径が製造元のブランクロッドよりも大きいため、容易に識別できます。ただし、ネックやアンダーカットは、転造されていないねじ山のあるブランクに切削または転造することができ、一部のファスナーは、転造される領域のシャンクが縮小されたブランクから作られ、ねじ山からねじ山のないシャンクまで一定の外径を維持します。面取りをしない限り、転造ファスナーの端のねじ山はカップ状になります。これは、テーパー状に細くなる最終ねじ山の余剰材料がブランクの端に均一に崩れ落ちるためです。^{[ 3 ]}

ねじ山は冷間成形されるため、材料は延性材料に限定されます。しかし、これにより、ねじ山の形状と木目が一致するため、ねじ山の降伏強度、表面仕上げ、硬度、耐摩耗性^{[ 19 ]}、および疲労強度が向上します。また、圧延には良好な変形特性を持つ材料が必要です。これらの材料には、より柔らかい（より延性のある）金属が含まれ、鋳鉄などの脆性材料は除外されます。公差は通常±0.001インチ（±0.025 mm）ですが、±0.0006インチ（±0.015 mm）という厳しい公差も達成可能です。表面仕上げは6～32マイクロインチの範囲です。^{[ 21 ]}    

ねじ転造には、ダイスの構成によって名付けられた 4 つの主要なタイプがあります。フラット ダイス、2 ダイス円筒形、3 ダイス円筒形、および遊星ダイスです。フラット ダイス システムには 2 つのフラット ダイスがあります。下側のダイスは固定されており、もう 1 つはスライドします。ブランクは固定ダイスの一方の端に置かれ、次に可動ダイスがブランクの上をスライドし、ブランクが 2 つのダイスの間を転がり、ねじが形成されます。可動ダイスがストロークの終わりに達する前に、ブランクは完成した形状で固定ダイスから転がり落ちます。2 ダイス円筒形プロセスは、直径6インチ (150 mm) 、長さ20インチ (510 mm)までのねじを製造するために使用されます。3 ダイス プロセスには 2 つのタイプがあります。1 つは、3 つのダイスが中心から放射状に外側に移動し、ブランクがダイスに入り、その後閉じて回転してねじを転造します。このタイプのプロセスは、タレット旋盤やスクリューマシンで一般的に使用されています。 2番目のタイプは、自己開口ダイヘッドの形をとります。このタイプは前者よりも一般的ですが、最後の1.5～2山を肩部に対して形成できないという制限があります。遊星ダイは、直径1インチ（25mm ）までのねじを大量生産するために使用されます。 ^{[ 5 ] [ 19 ]}      

ねじ山の成形は、フルートレスタップ、またはロールタップ[ ^{22 ]は}、溝のない切削タップによく似ています。突起、タップを適切なサイズの穴に挿入すると、実際にねじ山が形成されます。タップは切りくずを生成しないため、切削タップのように切りくずが詰まってタップが破損するのを防ぐために、定期的にタップを引き抜く必要はありません。したがって、ねじ山形成は、穴の中に切りくずが溜まるため切削タップではねじ切りが難しい止まり穴のねじ切りに特に適しています。タップのドリルサイズは切削タップで使用されるものとは異なり、穴のサイズがわずかに小さいとタップが破損する可能性があるため、正確な穴のサイズが必要であることに注意してください。摩擦力切削油の代わりに潤滑油。 ^{[ 2 ] [ 5 ]}

ブランク径の公差を考慮すると、ブランク径の変化は外径に約3対1の比率で影響します。生産速度は通常、ねじ切り加工の3～5倍速くなります。

鋳造や成形では、ねじ山は金型またはダイ内の金型キャビティの形状によって直接形成されます。材料が金型内で凝固すると、金型を取り外した後もその形状が維持されます。材料は加熱されて液体になるか、乾燥または硬化する液体（石膏やセメントなど）と混合されます。あるいは、グラファイトのように、材料を粉末状で金型に押し込み、圧縮して固体にすることもできます。

ほとんどの機械工がねじ切りについて最初に思い浮かべるのは、ねじ切り加工（タッピング、シングルポイント、ヘリカルフライス加工など）ですが、 Smid氏は、食品、飲料、パーソナルケア製品、その他の消費財用のプラスチックボトルを考えると、今日の製造業におけるねじ生成の主な方法（量的に）は実際にはプラスチック成形であると指摘しています。^{[ 23 ]}もちろん、この事実は、金型メーカーが金型を完璧に仕上げることの重要性を強調しています（通常は高速で何百万ものサイクルに備えて）。

金属部品の鋳造ねじは、機械加工で仕上げることも、鋳造状態のままにしておくこともできます。（鋳造歯車の歯についても同様です。）機械加工という追加費用をかけるかどうかは、用途によって異なります。高い精度や表面仕上げが厳密には必要ない部品の場合、コスト削減のために機械加工は省略されます。砂型鋳造部品の場合、これはかなり粗い仕上がりを意味しますが、成形プラスチックやダイカスト金属の場合、ねじは金型やダイから取り出した直後から非常にきれいに仕上がります。成形プラスチックのねじの一般的な例としては、ソーダ（炭酸飲料）のボトルが挙げられます。ダイカストのねじの一般的な例としては、ケーブルグランド（コネクタ／継手）が挙げられます。

ねじ山の冷間圧延に関する最初の特許は、1836 年にニューヨーク州モンローのウィリアム・キーンに発行されました^{[ 24 ] [ 25 ]。} しかし、ねじブランクにねじ山を圧延するためのダイスは脆い鋳鉄で作られていたため、この機械は成功しませんでした。このプロセスは 1867 年にニューヨーク州ユーティカのハーベイ J. ハーウッドが木ねじの冷間圧延の特許を申請するまで停滞していました^{[ 26 ]} 。 ねじにねじ山を冷間圧延するためのさらなる試みが続きましたが^{[ 27 ]}、ニュージャージー州オレンジのヘイワード・オーガスタス・ハーベイ (1824–1893) が 1880 年と 1881 年に特許を申請するまで、どれも大きな成功を収めたようには見えませんでした^{[ 28 ]。}ロードアイランド州プロビデンス のアメリカン・スクリュー社のチャールズ D. ロジャースは、ねじにねじ山を圧延するプロセスをさらに改良しました^{[ 29 ] 。}

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• Stephenson, David A.; Agapiou, John S. (1997), Metal cutting theory and practice , Marcel Dekker, ISBN 978-0-8247-9579-5。
• Stephenson, David A.; Agapiou, John S. (2006), Metal cutting theory and practice (2nd  ed.), CRC Press, ISBN 978-0-8247-5888-2。
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