螺母、内螺纹加工装置和内螺纹加工方法

摘要

本发明公开一种螺母、内螺纹加工装置和内螺纹加工方法。所述螺母设置有具有内螺纹的螺纹部分、具有基部的金属板部分和设置在螺纹部分和金属板部分之间的硬度梯度部分。螺纹部分、金属板部分和硬度梯度部分形成为一体件，金属板部分的金相组织不同于螺纹部分的金相组织，硬度梯度部分的硬度低于螺纹部分的硬度并从螺纹部分朝向金属板部分降低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种螺母，所述螺母具有用于通过螺栓将另一个部件紧固到金属板的内螺纹，还涉及用于形成内螺纹的内螺纹加工装置和内螺纹加工方法。

背景技术

日本专利待审出版物JP-A-8-200343公开一种紧固到螺母的螺栓，螺母和垫圈是一体的，以固定作为被紧固的部件的两个金属板。在这种情况下，螺母与金属板不是一体的，并且因此为了紧固螺母到金属板，需要在金属板上进行钻孔过程和将螺母临时固定到所述孔。

在JP-A-8-200343公开的螺母中，基座表面是凸起形状，从而，紧固部件的侧面朝向其中心更高。这样，工件在螺母的基座表面上难以被损伤。此外，这个螺母的形状朝向非紧固部件侧径向厚度变得更薄，然而，在JP-A-8-200343中没有具体地说明属于这个结构的操作和效果。

另一方面，在制造车辆时，当在诸如框架的门铰链的螺栓点上焊接螺母时，焊接过程中的精确定位困难，并且焊接过程麻烦。

日本专利待审出版物JP-A-1-306124提出一种装置，所述装置能够在工件上形成多种内螺纹。然而，这种装置不适于在诸如机动车框架的薄板上形成内螺纹。

日本专利待审出版物JP-A-2005-329528提出一种内螺纹加工装置，所述装置不需要螺母的焊接过程。在这种加工装置中，加工工具被插入金属板，同时旋转加工工具，并且孔通过加工工具的小直径部分而形成在金属板上。然后，当插入加工工具时，加工工具旋转并且进一步插入，并且内螺纹通过加工工具的攻丝部分形成在孔中。此外，通过将额外材料作为填料增加到孔上，这种加工装置也可以应用到诸如机动车框架的薄板上。结果，具有内螺纹的衬套可以通过单一过程而形成。

同时，螺母被焊接在金属板上，螺母基本具有足够强度并且具有用于螺栓的足够紧固强度。然而，通过增加额外材料在薄板上而形成在衬套上的内螺纹不总是具有足够强度。因而需要仔细的试验和检查。

此外，与金属板一体地形成的螺母被应用到机动车，振动将长期施加到螺母。因而具有对螺栓紧固松动的担心，并且紧固扭矩必须特别高，否则必须设置一些锁定装置。

另外，日本专利待审出版物JP-A-2006-118582公开一种凹形螺母，其中在部件紧固侧的基座表面朝向中心凹入，并且公开了施加扭矩直到凹入部变形以与工件平面接触。根据这个螺母，需要大的紧固扭矩以使凹入部变形，因而松动不可能发生。

“NEJI TEIKETU，‘SIN’JOUSIKI NO USO，NEJI NO OUGI WOZENKOUKAI”(由Nikkei Mechanical编辑，第一版，第二次印刷Nikkei BPCo.Ltd.1997年5月9日，第77页到79页)指出，紧固螺栓和螺母时，在部件紧固侧的第一牙顶和第一牙底集中地产生紧固力，然而，通过第二牙顶和第二牙底及其后来的部分所承受的紧固力相当地小。

在上述JP-A-2006-118582中描述的螺母具有非常厚的径向厚度，并且因而需要相当大的扭矩以使部件紧固侧的凹入部变形。此外，在这个螺母中，部件紧固侧的凹入部用作弹簧；这与插入弹簧垫圈没有不同。

顺便，如上非专利文献所指出，施加到螺栓/螺母的扭矩主要地被第一牙顶和第一牙底承受。因而，简单地增大扭矩，不能导致由第二和后面的牙顶和牙底承受的扭矩变大。即，即使增大紧固扭矩，第二牙顶和第二牙底以及后面的螺纹对紧固力没有足够贡献。因而，需要更有效的锁定结构。

发明内容

本发明考虑这种问题而完成。本发明目的在于提供一种螺母，所述螺母能够防止螺栓松动，还提供能够形成具有足够强度的内螺纹的内螺纹加工装置和内螺纹加工方法。

根据发明的一个方面，提供一种螺母，所述螺母包括：

具有内螺纹的螺纹部分；

具有基部的金属板部分；和

硬度梯度部分，所述硬度梯度部分设置在螺纹部分和金属板部分之间，

其中，螺纹部分、金属板部分和硬度梯度部分形成为一体件，

金属板部分的金相组织不同于螺纹部分的金相组织，并且

硬度梯度部分的硬度低于螺纹部分的硬度，并且从螺纹部分朝向金属板部分降低。

通过设置这种硬度梯度部分，螺纹部分具有足够强度以确保与螺栓的螺纹接合。另外，即使振动施加到基部或螺纹部分，硬度梯度部分都可以通过其弹性吸收振动，因而可防止螺栓的锁定。

根据本发明的另一个方面，适于：

螺纹部分包含贝氏体作为主要成分，基部包含渗碳体和铁素体作为主要成分；

硬度梯度部分包含渗碳体和铁素体作为主要成分；和

在硬度梯度部分中铁素体的金相组织从螺纹部分到金属板部分变得更微小。

这里，主要成分意味着包含成分几乎95％或更多。

根据本发明的另一个方面，适合于硬度梯度部分的至少内径部分凸起而朝向螺纹部分突出。

因而，硬度梯度部分也可以起到弹簧的作用。

根据本发明的另一个方面，适合于硬度梯度部分平滑地连接到金属板，并且螺纹部分从硬度梯度部分突出。

根据本发明的另一个方面，提供一种螺母，所述螺母包括：

内螺纹，所述内螺纹设置在螺母的穿透孔上；

基端部分，所述基端部分设置在螺母的一个轴向端部处并具有基座表面，基座表面适于与将紧固的部件接触；

末端部分，所述末端部分设置在螺母的另一个轴向端部上；

直径减小侧部，所述直径减小侧部设置在基端部分和末端部分之间，并且直径减小侧部的直径从基端部分朝向末端部分减小；和

凹入部，所述凹入部设置在基端部分的基座表面上，以包括使穿透孔开口的区域。

由于凹入部设置在基端侧基座上，在紧固螺栓时，凹入部由于轴向力而变形和移动。该移动影响螺母的几乎整个区域；直径减小侧部(其壁朝向末端侧较薄)可能在更靠近末端的位置处变形，从而，其移动以向内地直径减小，因而咬入螺栓。这样，螺母可以通过其简单的结构而有效地防止螺栓松动。

根据本发明的另一个方面，适合于在包括在螺母的轴向上延伸的平面的横截面中，直径减小侧部的轴向长度是螺母的整个轴向长度的至少一半，并且直径减小侧部为曲线形状。

直径减小侧部的这种弯曲对应于紧固扭矩的共享分配。因而，螺母的直径可以合理地减小。

当然，根据设计条件和加工条件，整个长度可以不形成曲线形状。然而，虽然在那种情况下，如果侧面的整个长度的至少一半或更多形成曲线形状，可以获得上述效果。

根据本发明的另一个方面，适合于：

凹入部的面积等于或大于半径为内螺纹的半径的1.2倍的圆的面积；和

直径减小侧部的轴向长度是螺母的整个轴向长度的至少一半。

根据本发明的另一个方面，适合于在末端部分的径向厚度是基端部分的径向厚度的1/10倍或更小。

这样，如果在某段侧上的壁厚度足够薄，则螺母的直径容易弹性地减小，因而，改善咬入螺栓的效果。

根据本发明的另一个方面，适合于末端部分的至少一部分是环形形状。

这样，如果末端部分的一部分形成没有平坦区域的环线形状，则这部分尤其可能会咬入螺栓，因而有效地防止螺栓从螺母脱落。

根据本发明的另一个方面，适合于：

基端部分的整个外部圆周连接到金属板；和

在凹入部中，金属板形成朝向末端侧凸起的锥形形状。

这样，如果凹入部由具有锥形状的金属板制成，则该部分用作弹簧，以使螺母的直径可以进一步减小。

根据本发明进一步的另一个方面，提供一种内螺纹加工装置，包括：

加热单元，所述加热单元加热在金属板中将形成内螺纹的区域；

加工工具，所述加工工具在金属板中形成内螺纹；

冷却加工工具的冷却单元；

使加工工具旋转的旋转驱动单元；和

使加工工具前进或缩回的前进/撤退驱动单元。

通过提供这些加热单元和冷却单元，当加工工具插入被加热的加工点时，加工点突然地冷却以在金相组织中变硬，因而形成具有高强度的内螺纹。

根据本发明的另一个方面，适合于卡盘可拆卸地保持加工工具，加工工具设置在内螺纹加工装置上，并且冷却单元通过卡盘间接地冷却加工工具。

根据这种通过卡盘的间接冷却，加工工具可以设计成简单结构，不需要冷却单元，并且可以由另一个加工工具代替。

根据本发明的另一个方面，适合于冷却单元将空气喷射到卡盘上或者卡盘的周围以冷却加工工具。

这种冷却类型的冷却单元不需要用于冷却介质的供应管道或回收管道。因而，内螺纹加工装置可以被简化。

根据本发明的另一个方面，适合于冷却单元使液体通过流路以冷却加工工具。这种液体冷却类型的冷却单元可以得到高的冷却效果。

根据本发明的另一个方面，适合于加工工具包括：

小直径部分，所述小直径部分设置在加工工具的末端，并且适于在金属板中形成孔；和

攻丝部分，从小直径部分连续设置所述攻丝部分，并且所述攻丝部分适于在所述孔中形成内螺纹。

根据这种加工工具，内螺纹可以在单一步骤中形成。

根据本发明的另一个方面，提供一种内螺纹加工方法，包括以下步骤：

加热步骤，所述加热步骤通过加热单元加热金属板的、形成内螺纹的区域；

冷却步骤，所述冷却步骤通过冷却单元冷却加工工具，所述加工工具适于在金属板中形成内螺纹；和

加工步骤，所述加工步骤包括：

停止通过加热单元加热金属板，并且通过冷却单元持续冷却加工工具；

在使加工工具旋转的同时将加工工具插入金属板；和

通过加工工具形成内螺纹，同时通过加工工具冷却金属板。

通过提供这些加热单元和冷却单元，当加工工具插入被加热的加工点时，加工点突然地冷却，从而，金相组织变硬，因而形成具有高强度的内螺纹。除了加工步骤之外，执行加热步骤和冷却步骤的相互时序不是特别要紧。

根据本发明的另一个方面，适合于在所述加热步骤中，金属板被加热到奥氏体化温度或者更高。因而，金相组织可以受多种热处理作用。

根据本发明的另一个方面，适合于在所述加工步骤中，金属板被冷却，以使金属板的金相组织改变而通过贝氏体区域。

根据本发明的另一个方面，适合于进一步包括：在所述加工步骤之后执行的用于冷却加工工具的散热步骤，并且在散热步骤中，金属板被冷却，以使金属板的金相组织改变而通过贝氏体区域。

因而，贝氏体沉积在金属板上，因而提供具有足够大强度的内螺纹。

附图说明

图1是装备有内螺纹加工装置的自动装置的透视图和控制器的示意性功能框图；

图2是内螺纹加工装置的剖视侧视图；

图3是加工工具的分解透视图；

图4是显示内螺纹加工方法的程序的流程图；

图5是用于说明使用电弧放电的加热过程的视图；

图6是形成在衬套加工位置处的增厚部分和热感应部分的透视图；

图7是用于说明在衬套加工位置处形成孔的过程的视图；

图8是包含0.13％C和0.56％Mn的碳钢的持续冷却状态图表；

图9是说明通过攻丝部分形成内螺纹的过程的视图；

图10是液体冷却单元的示意性剖面视图；

图11是加工工具的改进的侧视图；

图12是显示衬套的剪切模型的视图；

图13是显示如果热感应部分非常地宽，当螺栓与螺纹部分螺纹接合时，热感应部分和基部的变形的视图；

图14是显示如果热感应部分适当地宽，当螺栓与螺纹部分螺纹接合时，热感应部分和基部的变形的视图；

图15是显示衬套上的维氏硬度测试结果的曲线图；

图16是改进的冷却单元的侧视图；

图17是具有接地线的加工台的示意性视图；

图18是从斜向下方向看的衬套透视图；

图19是显示紧固普通螺母和螺栓的压力分配的曲线图；

图20是显示与螺栓螺纹接合的衬套的剖面视图；

图21是显示试验结果的视图，显示了当螺栓紧固到根据这个实施例的衬套时，在螺纹牙顶和螺纹牙底之间产生的间隙；

图22是显示试验结果的视图，显示了当普通螺母焊接到框架时，在螺纹牙顶和螺纹牙底之间产生的间隙；

图23是根据第一改进方式的螺母、工件和螺栓的剖面视图；

图24是根据第二改进方式的螺母、工件和螺栓的剖面视图；和

图25是根据具有接合区域的第二改进方式的螺母的透视图。

具体实施方式

下文中，参照这里所附的图1至17，说明根据本发明的螺母的各实施例。衬套14用作根据本发明的螺母，衬套14通过内螺纹加工装置10和使用该内螺纹加工装置10的内螺纹制造方法来制造。首先，说明内螺纹加工装置10和所述内螺纹制造方法。

如图1所示，内螺纹加工装置10是组合装置，用于在涂装工序作用之前，在框架(金属板)12中的特定点处形成衬套14。内螺纹加工装置10可拆卸地设置在自动装置16的末端处。在衬套14中形成内螺纹15(参见图12)。自动装置16是工业铰接型，以使内螺纹加工装置10可以以任意姿势设置在自动装置16的操作区域内的任意位置处。这样，内螺纹加工装置10被布置成与框架12中的门铰链部分12a和保险杠部分12b相对，从而衬套14可以形成在这些部分上。

框架12在传送线18上运载，并且临时地停止在自动装置16附近，并且该框架的精确位置通过摄像机19确认。在框架12经过通过内螺纹加工装置10形成衬套14的加工后，框架12被沿着传送线传送到下一个步骤处的位置。其后，下一个没被加工的框架12被运载到自动装置16附近。

自动装置16和内螺纹加工装置10通过控制器20控制。控制器20包括：用于基于特定的教导数据操作自动装置16的自动装置驱动单元22；用于驱动内螺纹加工装置10中的上升/下降电动机(前进/撤退驱动单元)36和主轴电动机(旋转/驱动单元)52的电动机控制单元24；用于供给填料48(参见图2)的填料供给控制单元26；用于从TIG焊枪(电弧加热器46)电弧放电的电弧电流控制单元28；和用于冷却内螺纹加工装置10的特定点的冷却控制单元29。基于通过摄像机19获得的图像，控制器20可以认出框架12的位置和衬套的加工位置P。

如图2所示，内螺纹加工装置10主要地包括基本单元30和使基本单元30上升/下降的上升/下降单元32。自动装置16被连接到基本单元30的侧面。

基本单元30包括基本主体34、上升/下降电动机36、滚珠丝杠38、滚珠螺母40、导轨42、填料供给机构44和电弧加热器(加热单元)46(例如TIG焊枪)。基本主体34沿纵向伸长，并且在上端处具有上升/下降电动机36。滚珠丝杠38连接到上升/下降电动机36，向下延伸并可旋转地保持。在基本主体34的端部处，导轨42被设置成垂直地延伸并且与上升/下降单元32相对。导轨42和滚珠丝杠38彼此平行。

滚珠螺母40与滚珠丝杠38螺纹接合并且连接到上升/下降单元32，以使通过使上升/下降电动机36旋转可以引起上升/下降单元32上升/下降。上升/下降单元32的上升/下降量利用传感器(未显示)被反馈回来。

填料供给机构44被导向到衬套加工位置P。填料供给机构44在填料供给控制单元26的操作下朝向衬套加工位置P供给填料48。电弧加热机构46通过支架47固定到基本主体34的下端。电弧加热机构46在电弧电流控制单元28的操作下执行对衬套加工位置P的电弧放电，从而加热衬套加工位置P。支架47具有滑动机构47，用于移动电弧加热机构46。

上升/下降单元32包括上升/下降基本主体50、主轴电动机52、轨道接合部分54、旋转杆56、卡盘58、加工工具60和冷却单元(冷却部分)62。通过冷却单元62冷却的部分可以设置有散热片以扩大面积来增强冷却效果。

上升/下降基本主体50通过上下两个轨道接合部分54与导轨42上升/下降地接合，并且在预定点处连接到滚珠螺母40。在上端处，上升/下降基本主体50设置有向下导向的主轴电动机52。主轴电动机52被设计成能够在电动机控制单元24操作下控制转数，并且与上升/下降电动机36同步旋转。

旋转杆56连接到主轴电动机52，向下延伸并且可旋转地保持。在下端处，旋转杆56设置有卡盘58，用于保持加工工具60。

冷却单元62设置在旋转杆56的中点处，并且包括使所述旋转杆56枢转的轴承座(bearing block)64。冷却单元62被供应有来自空气供应端口66的压缩空气，并且可以喷射压缩空气到旋转杆56和轴承座64以冷却所述旋转杆和所述轴承座。这样喷射的压缩空气实际上被向外排出。空气供应端口66具有例如多个喷嘴，并且具有调节阀67，所述调节阀能够调节供应的空气量并打开/关闭流动路径。调节阀67被供应有冷却的压缩空气。

这种空气冷却类型的冷却单元62不需要用于冷却介质的供应管通道或回收管状路径，可以简化结构。

如图3所示，加工工具60包括在末端处的小直径部分70、从小直径部分70向上连续设置的圆柱体部分72以及继续进一步向上设置的攻丝部分74。小直径部分70形成圆锥形状，该圆锥形状的直径向下逐渐地减小。小直径部分70在上端处具有最大直径，所述最大直径等于圆柱体部分72的直径。小直径部分70用于在框架12中形成孔100(参见图7)，并且圆柱体部分72用于稳定孔100的形状。小直径部分70和圆柱体部分72在下部孔形成部分76中形成一体。攻丝部分74用于在孔100中形成内螺纹。攻丝部分74具有螺旋状突出部74a，所述螺旋状突出部具有比圆柱体部分72大的直径。根据设计条件和加工条件，在没有设置圆柱体部分72的情况下，攻丝部分74可以被设置成直接到达小直径部分70的上方或小直径部分70上端的一定点处。

此外，小直径部分70可以经过钝化处理以提高对于框架12的摩擦效果，并且用超硬材料涂覆用于提高强度。

攻丝部分74和下部孔形成部分76可拆卸地构造成使得可只单独地更换其中的任意一个。不必说，攻丝部分74和下部孔形成部分76可以是一体的。加工工具60由诸如高速钢的金属形成。

内螺纹加工装置10具有布置在衬套加工位置P周围的多个负电极板69(参见图5)。否则，代替负电极板69，接地线69a(参见图17)可以设置在转向架(truck)、夹具、加工台等上。

接下来，说明内螺纹制造方法，所述内螺纹制造方法用于在框架12的衬套加工位置P处使用如上述构造的内螺纹加工装置10形成衬套14(参见图12)。在如下说明中，假设按指示的步骤顺序执行该加工。

参照图4，在步骤S1(冷却步骤)中，在冷却控制单元29的操作下，冷却的压缩空气供应到冷却单元62，因而冷却旋转杆56和轴承座64。这个冷却步骤在连续多次的内螺纹加工中持续执行，使得加工工具60通过卡盘58被间接地冷却。通过这种经过卡盘58的间接冷却，加工工具60不需要冷却装置而可以形成简单的结构。另外，可以便于更换加工工具60。

在第一次内螺纹加工时，由于加工工具60在常温下没有执行冷却步骤，冷却可以从第二次加工开始。

这个步骤S1是用于适当地冷却在稍后说明的步骤S6中被加热的加工工具60的技工；加工工具60被冷却到不高于600℃的温度，例如大约500℃。这个冷却加工不需要严格的温度管理。即，在基于试验或经验的适当的恒定空气量持续地喷射到旋转杆56和轴承座64的情况下，加工工具60可以在步骤S6之前被立即冷却到不高于600℃的温度。

根据本发明发明人执行的试验结果，发现如下事实。即，即使室温改变到一定程度，当通过冷却单元62冷却旋转杆56和轴承座64时，只要适当的恒定空气量已经持续地喷射到旋转杆56和轴承座64，在没有根据室温执行反馈控制和特定调整的情况下也可以获得具有满意的内螺纹15的衬套14。

在步骤S2中，在自动装置驱动单元22的操作下，自动装置16操作以使内螺纹加工装置10接近框架12以与负电极板69接触。在接地线设置在转向架、夹具、加工台等上的情况下，负电极板69不是必需的。在这种情况下，规定的衬套加工位置P被定位在轴线上，加工工具60沿着所述轴线前进/撤退。

在步骤S3(加热步骤)中，如图5所示，在填料供给控制单元26的操作下，填料48由填料供给机构44供给并且形成附加材料以加厚衬套加工位置P处的厚度。另外，在电弧电流控制单元28的操作下，高电压被施加到电弧加热器46以产生电弧A。在电弧加热器46预先地移动到衬套加工位置P附近的情况下，在衬套加工位置P释放电弧以其上初步加热和软化。衬套加工位置P通过电弧A被快速地加热。在预定时间流逝后，高电压的施加停止以使电弧A消失。在衬套加工位置P处，加热框架12和增厚填料48达到例如1200℃。

在供给特定量的填料48以后，剩余物被轻轻地拉回以退入填料供给机构44。如果在衬套加工位置P处的板是厚的，则通过提供填料48而增厚都可以省略。

这时，在衬套加工位置P处，如图6所示，形成包含增厚部分和位于该增厚部分的周边的适当的增厚部分110和热感应部分112。热感应部分112指具有由于通过加热温度增加而改变颜色的表面的区域。

热感应部分112的直径R1优选地是稍后说明的螺纹部分的上部直径R2的约1.6至1.7倍(参见图12)。

在步骤S4中，内螺纹加工停止直到衬套加工位置P被自然地冷却到适当的温度。这时，衬套加工位置P的适当温度指不低于奥氏体化温度的温度，例如大约900℃。在先前的步骤S3中，在达到1200℃之前，加热可以停止在900℃处。然而，一旦加热被执行到高于900℃的1200℃并且然后冷却，加工位置P可以被设置在900℃处较短的时间，并且热感应部分112可以确保在适当宽的区域中。

在步骤S5中，如图7所示，加工工具60在不旋转的情况下前进以制造孔100。孔100首先通过小直径部分70的末端形成，并且通过该小直径部分的圆锥面被扩大。进一步地，圆柱体部分72通过孔100以稳定该孔的形状。

这时，衬套加工位置P在大约900℃，而加工工具60在600℃或更低，例如500℃。因此，衬套加工位置P被突然地冷却，并且这个操作用作“淬火”。假设冷却时间约0.5秒，如图8所示，CCT曲线(持续冷却转变图)86通过直接在贝氏体区域88之上的范围。图8显示具有组分0.13％C和0.56％Mn的碳钢的持续冷却相图。在采用具有除了上述组分的组分的金属的情况下，可以基于相关组分的持续冷却相图来设置冷却条件。

加工工具60对框架12的突然冷却加工持续地执行，直到加工工具60的温度由于框架12的温度降低而增加，并且框架12的温度降低到大约600℃至700℃，而框架12和加工工具60保持彼此接触为止。实际上，在步骤S5中和后来的步骤S6中执行所述冷却。大约600℃至700℃的范围是铁素体范围。通过后来的空气冷却，衬套加工位置P的金相组织改变以通过贝氏体区域。突然的冷却到大约600℃至700°可以通过简单的冷却装置实现。

此外，虽然冷却装置被放大尺寸(upsized)，然而该冷却装置适合于通过强制冷却快速地冷却框架12，以直接地达到贝氏体区域，并且可以提高工作效率。

同时，加工工具60由于来自框架12的热量而产生微小的温度升高。然而，由于加工工具60通过冷却单元62经由卡盘58而被持续冷却，加工工具60不会引起过分的温度升高，使得热膨胀受限，因而保持高加工精度。

在步骤S6中在没有旋转的情况下，圆柱体部分72被插入孔100以后，滚珠丝杠38和加工工具60通过主轴电动机52而旋转。此外，上升/下降电动机36的转数被同步地控制，使得当加工工具60旋转一圈时，加工工具60前进攻丝部分74的螺旋状突出部74a的螺距t(参见图7)。因此，如图9所示，工件被攻丝加工以使螺旋状突出部74a与孔100螺纹接合，因而形成具有内螺纹15的衬套14。

在步骤S6和S7中执行强制冷却的时间(加工工具60保持与工件接触的时间，即，孔形成并被攻丝加工时到加工工具60被拉出时的时间)例如是约1.5秒。

在步骤S5以后，在加工工具60插入孔100的情况下，所述加工过程前进到后来的步骤S6。因而，这些步骤S5和S6可以被认为基本上是一个步骤。自然，在步骤S5和步骤S6中不需要更换加工工具60。

在步骤S7中，主轴电动机52和上升/下降电动机36相反地旋转，以使加工工具60被从衬套14中拉出。同时，主轴电动机52和上升/下降电动机36彼此同步，使得当加工工具60旋转一圈时，该加工工具撤退螺距t。在攻丝部分74已经被从衬套14中拉出以后，加工工具60可以以高速撤退。

通过从衬套14中拉出加工工具60，加工工具60的强制冷却结束。其后，加工工具60通过冷却单元62被持续地冷却。

在步骤S8(散热步骤)中，衬套14被自然地用空气冷却。这样，像低于图8中CCT曲线86中的叠合点(folding pint)90的范围一样，冷却适度地进行，以使框架12冷却经过贝氏体区域88。因此，贝氏体沉积在框架12上，因而提供具有足够强度的内螺纹。贝氏体是细微渗碳体分散在铁素体中的金相组织，并且具有高的硬度和韧度。特别是CCT曲线86是否通过珠光体范围96不会成为问题。

此外，由于金属板曾经被加热到奥氏体化温度，因此可以根据设计条件将多种热处理应用到金属板。在图8中，附图标记92、94、96和98以此顺序表示奥氏体范围(austenite range)、铁素体范围、珠光体范围和马氏体范围。

在步骤S8中，除了加工工具60之外使用吸热装置，可以促进衬套14的散热(散热步骤)。

其后，自动装置16操作以引起内螺纹加工装置10释放框架。

在步骤S9中(可以与步骤S8同时进行)，确认是否剩下没被加工的衬套。如果有任何没被加工的衬套，则内螺纹加工装置10被移动到随后的衬套加工位置P。所述过程返回到步骤S2，并且以如上所述相同的程序继续加工。

全部衬套14的加工已经完成时，冷却单元62停止(步骤S10)。这样，图4所示的加工结束。

根据上述的内螺纹加工装置10和内螺纹加工方法，通过设置电弧加热器46和冷却单元62，当加工工具60插入到被加热的衬套加工位置P时，衬套加工位置P被突然地冷却，因而，金相组织将变硬，并且形成具有高强度的内螺纹15。

此外，加工工具60在没有旋转的情况下被推压到衬套加工位置P，以使用小直径部分70在衬套加工位置P处形成孔100；其后，加工工具60旋转，并且在没有被从孔100中拉出的情况下进一步插入衬套加工位置P，因而使用攻丝部分74在孔100中形成内螺纹15。这样，衬套14可以基本上在一个步骤中形成，因而提高了工作效率。

冷却单元62不限于空气冷却类型，而可以是诸如图10所示的冷却单元62a的液体冷却类型。在冷却单元62a中，旋转杆56通过旋转接头(未显示)设置在流动通道180中，并且当旋转杆56旋转时，液体在流路180中循环。吸收来自旋转杆56的热量的液体通过散热器(未显示)被辐射，并且然后在流路180中循环。根据这个结构实现高的冷却效率。

加工工具60可以由如图11所示的加工工具60a代替。在加工工具60a中的圆柱体部分72和攻丝部分74与上述的加工工具60的圆柱体部分和攻丝部分相同。加工工具60a与加工工具60的不同之处在于，加工工具60a在对应于小直径部分70的区域处设置有末端80。末端80具有附加到小直径部分70的螺旋状突出部80a。

此外，螺旋状突出部80a中的螺旋方向与攻丝部分74中的螺旋状突出部74a的螺旋方向相同，但是根据设计条件，它们可以彼此相反。

接下来，说明在其内孔中具有内螺纹15的衬套14。该衬套14通过上述的内螺纹加工装置10和内螺纹加工方法形成。

图12显示衬套14的剪切模型。如图12所示，衬套14包括螺纹部分150和热感应部分112。基部114定位在热感应部分112的外侧。螺纹部分150、热感应部分112和基部114彼此金相组织不同，并且可以通过在切割面上的颜色差异来区分。内螺纹15形成在螺纹部分150的内壁上。

螺纹部分150主要地通过填料48由增厚部分形成，因此所述螺纹部分的金相结构看起来具有大的热感应性并且富含贝氏体(包含95％或更多的贝氏体作为主要成分)。螺纹部分150向下突出，并且所述螺纹部分与热感应部分112的分界基本上在上连接点150a和下连接点150b处弯曲。

热感应部分112被认为是包括少量混合到为基部的框架12的填料48并被热感应到特定程度的区域。在这个区域中，球形渗碳体和细小的铁素体彼此混合。在热感应部分112的金相组织中，包含95％或更多的渗碳体和铁素体作为主要成分，铁素体的结构在基部附近的位置处更微小。在热感应部分112中，铁素体的金相组织在内侧螺纹部分150附近的位置处更微小。

热感应部分112具有略微地向下朝向内侧螺纹部分150倾斜的形状，并且平滑且几乎水平地与基部114连接。

即，至少热感应部分112的内径是凸起形状，朝向螺纹部分150突出的方向(图12中向下)突出，以增强热感应部分112的弹性功能。从例如摺状部件比线性部件更易于弯曲这个事实中，这可以容易地理解。

基部114是金相组织几乎不会从原始的框架12发生改变的区域。在这个区域中，球形渗碳体混合进粗糙铁素体。换言之，包含95％或更多的渗碳体和铁素体作为主要成分。

螺纹部分150的上部直径R2和其螺纹长度L彼此成反比例；当一个变长，则另一个变短。为了增强螺纹部分150的强度，更优选地是增加螺纹部分150的螺纹长度L而不是增加螺纹部分150的上部的直径R2。因此，不需要过分地增加螺纹部分的上部的直径R2，并且直径R2优选地是加工工具60的直径R3的大约1.3至1.5倍(参见图3)。直径R可通过填料48的供应量或加热温度调节。

此外，热感应部分112是连接基部114和螺纹部分150的区域，理想的是具有适当的韧性和弹性。如在先说明，热感应部分112的直径R1优选地是螺纹部分的上部的直径R2的大约1.6至1.7倍。

如稍后说明，热感应部分112具有韧性并且当螺栓168紧固到螺纹部分150时用作弹簧。此外，热感应部分112比基部114更硬，以使基部114跟随热感应部分112的弹性变形而变形。

现在，如图13所示，如果热感应部分112过宽，则基部114将被向下推动，因而，不能充分地确保上板170和框架12之间的接触面积。

另一方面，如图14所示，如果热感应部分112的直径R1是螺纹部分的上部的直径R2的大约1.6至1.7倍，则基部114被限制被向下推动，因而，可以充分地确保上板170和框架12之间的接触面积。

关于衬套14的硬度，本发明的发明人已经在衬套14上沿着测试路径154以间距0.5mm执行维氏硬度测试。测试路径154是线性路径，在径向方向从衬套14中的螺纹部分150的最内侧点154a到足够地远离基部114中的热感应部分112的点154b。螺纹部分150、热感应部分112和基部114之间的分界涉及分界154c和分界154d。测试结果显示在图15中。

从图15中理解，内侧点154a和分界154c之间的部分对应于螺纹部分150，该部分中硬度非常高。这归功于螺纹部分150主要地由贝氏体组成的事实。接近分界154c，显示陡斜线156，使得硬度突然地降低约60％。

在对应于热感应部分112的、从分界154c到分界154d的部分中，显示缓和斜线158，因而，在途中没有增加的情况下，硬度进一步持续地且逐渐地降低到从螺纹部分150朝向基本段114的分界154c的约60％。

在分界154d以后的、对应于基部114的剩余部分中，硬度具有略微地降低倾势，但几乎恒定。

如上述，虽然螺纹部分150的硬度高，并且基部114的硬度低，然而螺纹部分150与基部114之间的热感应部分112的硬度显示出对应于距离螺纹部分150的距离而温和改变。这被认为归功于在热感应部分112中铁素体的金相组织朝向其内侧更微小的事实。

根据这种组成，螺纹部分150具有足够强度，因而，螺栓的螺纹接合可以被确保；另外，即使振动施加到基部114或螺纹部分150，热感应部分112也可以通过其弹性吸收振动。这提供螺栓和内螺纹15之间的锁定效果。具体地，热感应部分112的硬度比螺纹部分的硬度更低，并且硬度从螺纹部分150到基部114降低，因而，给出具有复杂的多个弹性系数的弹簧特性，从而吸收具有多种频率的振动。此外，由于热感应部分112以使螺纹部分150和基部114的硬度缓慢地改变的方式连接螺纹部分150与基部114，因此局部压力不会集中在其上。

如上所述，根据衬套14用作根据这个实施例的螺母，设置热感应部分112作为硬度梯度部分，给出如下优点。即，螺纹部分150具有足够强度，从而，螺栓168的螺纹接合可以被确保；另外，即使振动被施加到基部114或螺纹部分150，热感应部分112也可以通过其弹性吸收振动，因而，防止螺栓168松动。

可以采用如图16所示的冷却单元300代替上述的冷却单元62。

在冷却单元300中，轴承座64的外围覆盖有盒件302，冷却的压缩空气从进入管304供应到盒件302。这样，轴承座64和旋转杆56被冷却，使得加工工具60可以被间接地冷却。

通过用盒件302覆盖轴承座64，冷却的压缩空气与将要冷却的目标接触而不会扩散浪费并保持高密度，因而执行有效的冷却。已经冷却盒件302中的轴承座64和其它部件的空气从排出管306排出，排出管306设置在进入管304的相对侧。这样，压缩空气不会被排放到大气中，使得声音很静。

在盒件302中，为了有效地冷却可以设置导向壁，用于适当地设置压缩空气经过的路径。此外，如图17所示，代替负电极板69，接地线69a可以设置在用于固定框架12或其包括衬套加工位置P的部分的加工台310、夹具、转向架等上。这样，框架12电连接到负电极，从而在加工装置的侧面不需要电极板69，因而简化安装和操作。

下面，说明根据实施例的一个方面改进的衬套1014。

衬套1014设置有形成在基端侧的基座表面上的凹入部1200。螺纹部1150具有直径减小侧部1202，所述直径减小侧部的壁厚度朝向末端侧变薄以在侧剖面视图中形成凸起弯曲形状。

凹入部1200与螺纹部1150同心，并且设置在内螺纹1015的公称直径d的1.3至1.6倍的范围内。凹入部1200可以包括基端侧的基座的中心、以及内螺纹1015的公称直径d的至少1.2倍的范围。这样，如稍后说明，当螺栓1203被紧固时，产生轴向力，并且直径减小侧部1202的直径减小。为了实际使用衬套1014，凹入部1200的最大值可以是公称直径d的约2.0倍。凹入部1200的最大深度Xd可以是例如内螺纹1015的大约0.5螺距。

直径减小侧部1202的径向方向上的壁厚度在基端侧相对较厚，并且首先缓慢地变薄并逐渐地陡峭地朝向末端侧变薄。在末端处，除了螺纹牙顶外，径向厚度基本上为零。因此，如图18所示，末端1204除了一点处的螺纹牙底1206外形成环状并具有基本上为零的小宽度。末端1204的壁径向厚度可以不必为零；如果所述壁径向厚度是基端侧端部的壁厚度的1/10或更少，则足够薄并且直径减小侧部1202可以容易地发生弹性变形，因而改善与螺栓的咬入效果。此外，壁薄结构导致减少成本和减轻重量的效果。

由于螺纹牙底1206的存在并且根据加工条件，难以形成在整个外围上具有小宽度的环状末端1204。然而，如果末端1204的至少一部分形成具有小宽度的环状，就可以获得上述效果。

此外，如果末端1204形成具有没有平坦区域的小宽度的环状，则这个部分特别地容易咬入螺栓1203，因而得到更好的防止脱落的效果。

在直径减小侧部1202上的凸起弯曲形状根据紧固扭矩的分配形成，使得螺栓直径可以根据螺栓的轴向力而减小。具体地，根据非专利参考文献的说明，如图19所示，通常，基于螺母和螺栓的紧固扭矩的压力分配T形成曲线，所述曲线在基点X₀最大，并且朝向末端侧逐渐地减小。由于螺纹部1150的侧部形状对应于该压力分配T，压力可以合理地共享。另外，由于直径减小部202的直径朝向末端侧变得更薄，直径减小侧部1202可以根据螺栓和螺母之间的紧固力弹性地变形。

此外，直径减小侧部1202凸起弯曲，使得末端1204进一步地易于咬入螺栓1203。

同时，末端1204的壁厚度非常薄，并且难以以理想弧形在区段中形成末端1204。另一方面，由于基部端部连接到热感应部分1112，基部端部也难以在区段中形成弧形。这样，根据设计条件和加工条件，存在螺纹部1150侧部的整个长度不能形成凸起弯曲形状的情况。然而，如果直径减小侧部1202的轴向长度是螺母的整个轴向长度的至少一半，则在直径减小侧部1202中凸起地弯曲可以获得上述效果。

衬套1014的基端侧的整个外围通过热感应部分1112连接到框架1012。热感应部分1112的表面的中心部分相对于热感应部分1112的表面的外围部分凹进以形成凹入部1200。这里，所述表面的中心部分以倾斜方式平滑地连接到表面的外围部分。换言之，热感应部分1112形成朝向内侧螺纹部1150略微向下倾斜的形状，并且平滑地且几乎水平地连接到主段1114。

即，热感应部分1112的至少内侧部分在螺纹部1150的突出(朝向末端侧，即，图12中向下)方向凸起，并且基端侧构成凹入部1200的一部分。这样，热感应部分1112有效地用作弹簧。例如，从摺状部件比线性部件更易于弯曲这个事实，上述方案可以被容易地理解。

这样，通过形成具有锥形形状的金属板的凹入部1200，所述部分用作弹簧，并且直径减小侧部1202的直径可以进一步减少。

下面，说明当螺栓1203紧固到如以上所述构造的衬套1014时的操作。

如图20所示，为了连接工件板1208到框架1012，螺栓1203螺纹接合衬套1014的基端侧并从衬套1014的基端侧进行紧固。在螺栓1203的头部1203a与工件板1208接触以后，当适当地施加扭矩时，螺栓1203的螺纹部与衬套1014的螺纹部1150之间产生轴向力F。这时，由于具有适当尺寸的凹入部1200被设置在基座上，衬套1014接收轴向力F并且被朝向基端侧推动。然而，由于基端侧的基座表面附近的外围部分1210接触工件板1208，螺纹部1150不能够被移动。接着，在螺纹部1150中，产生使螺纹部1150旋转的、围绕外围部分1210的力矩M，并且螺纹部1150向内变形。在图20中，螺纹部1150的位移使用概念上的线示意性夸大地显示。

此外，螺纹部1150在其几乎整个长度中用作直径减小侧部1202，因而，有可能在更靠近末端的位置处弹性移动。另外，末端侧的末端1204是具有小宽度的环状(参见图18)，并且容易咬入螺栓1203。此外，由于热感应部分1112起到弹簧的作用，螺纹部1150可能会变形。

即，在传统的螺栓和螺母的内螺纹中，紧固扭矩主要由基端侧的第一牙顶和第一牙底共享，而仅有少部分的紧固力由第二牙顶和第二牙底以及其后的部分共享。

另一方面，在根据这个实施例的衬套1014中，由于凹入部1200设置在基端侧基座上，当紧固螺栓1203到内螺纹时，凹入部1200由于轴向力F而变形。这个变形影响几乎整个衬套1014，并且由于直径减小侧部120的壁直径朝向末端侧变薄，直径减小侧部120的末端侧部分而不是其基端端部分可能变形，并且第二牙顶和第二牙底及其后来的部分移动以径向向内，因而咬入螺栓1203。这样，衬套1014通过这个简单结构可以有效地防止螺栓1203松动。

根据这个衬套1014，即使在振动施加到其上的诸如车辆的工件处使用这个衬套1014，紧固状态的松动也难以发生。此外，衬套1014的直径可以做得小，并且不需要在衬套1014上施加过大的扭矩以确保紧固衬套1014。

衬套1014可以通过除了内螺纹加工装置10外的、诸如切割和锻造的其它方法而形成。衬套1014的材料不限于贝氏体、铁素体、球形渗碳体等等。

对于螺栓1203被紧固到根据该实施例的衬套1014的情况，以及作为现有技术的传统螺母1212被焊接到框架1012的情况，本发明的发明人进行关于在螺纹牙顶和螺纹牙底之间产生的空隙的对比试验。

对于试验结果，在螺栓1203被紧固到衬套1014的情况下，已经确认如图21所示，在整个长度上，螺纹牙顶和螺纹牙底之间存在微小间隙，特别是在末端侧难以有任何间隙。

另一方面，在传统螺母1212焊接到框架1012的情况下，已经确认如图22所示，在整个长度上，在螺纹牙顶和螺纹牙底之间存在间隙，特别是在末端侧，存在大间隙1219。同样从试验的结果，可以理解通过根据这个实施例的套筒1014产生的锁定效果。

下面，将说明改进的螺母1220和1222。在这些螺母1220和1222中，指示衬套1014的相同部分的相同附图标记将不详细地说明。

如图23所示，根据第二修改方式的螺母1220是单个单元，其中衬套1014被从框架1012进行切割。包括平框架1012的一部分和热感应部分1112的螺母1220与工件板1208保持稳定接触。

如图24所示，根据第三修改方式的螺母1222是单个单元，其中框架1012和热感应部分1112被从衬套1014去除。螺母1222的基端侧基座的、除了外围端部的几乎整个表面构成凹入部1200，并且直径减小侧部1202的径向直径相当小。这个螺母1222可以设置有垫圈1224。

如图25所示，在螺母1222(或1220)的单个单元的侧面上可以形成与诸如扳手的工具1226接合的接合区域1228。

不必说，根据本发明的螺母可以在没有背离本发明的精神的情况下以多种结构实现。

虽然本发明与示例性实施例结合进行说明，然而对本领域技术人员而言，在没有背离本发明的情况下，显然可以有多种改变和改进，并且因而，其目的在于在所附权利要求中覆盖全部这种改变和改进以落入本发明的实际精神和范围内。