CN101292096A - 滚珠丝杠装置 - Google Patents

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Abstract

滚珠丝杠装置，在能实现螺母构件(2)的小型化、滚珠(3)循环结构的简单化的目的的同时，能平稳地进行螺母构件(2)和丝杠轴(1)间的滚珠(3)的无限循环，能将丝杠轴(1)和螺母构件(2)相对旋转时的旋转扭矩的变化尽可能地抑制得小。在螺母构件(2)的内周面上形成相当于绕丝杠轴(1)一周的滚珠循环槽(21)，滚珠循环槽(21)由与丝杠轴(1)的滚珠滚动槽(10)相对的负荷滚动槽(22)和连接此负荷滚动槽(22)的一端和另一端的滚珠返回槽(23)构成，滚珠返回槽(23)与负荷滚动槽(22)无交界线地连续并直接形成在螺母构件(2)的内周面上，滚珠返回槽(23)与滚珠行进方向正交的截面形状为滚珠(3)两点接触的哥德式尖拱状。

Description

滚珠丝杠装置
技术领域
[0001]本发明涉及丝杠轴和螺母构件通过滚珠旋合，能在两者之间相互变换旋转运动和直线运动的滚珠丝杠装置，详细地说，是涉及在丝杠轴和螺母构件之间的滚珠的循环结构的改进。
背景技术
[0002]一般来说，滚珠丝杠装置由以下构件构成：在外周面上形成有螺旋状的滚珠滚动槽的丝杠轴；具有穿插此丝杠轴的空心部并被形成为圆筒状，同时，在内周面上形成有与丝杠轴的滚珠滚动槽相对的螺旋状的负荷滚动槽的螺母构件；在由上述丝杠轴的滚珠滚动槽和螺母构件的负荷滚动槽围成的负荷通道的内部一边承受载荷一边滚动的多个滚珠。这种滚珠丝杠装置能将丝杠轴的旋转运动变换为螺母构件的直线运动，或者将螺母构件的旋转运动变换为丝杠轴的直线运动。
[0003]为了能使上述螺母构件沿丝杠轴连续地移动，需要连接上述负荷通道的两端以构成滚珠的无限循环通道，在上述螺母构件上具有连接负荷通道的端部彼此的滚珠返回通道。作为这样的滚珠返回通道的结构，虽然众所周知的有折返管方式、端盖方式等各种结构，但作为有利于螺母构件的小型化、滚珠循环结构的简单化、生产成本的降低化的方式，众所周知的是导向器方式。
[0004]在此导向器方式的滚珠丝杠装置中，在上述螺母构件的内周面上埋入了具有槽状的滚珠返回通道(以下称为“滚珠返回槽”)的被称为导向器的板牙，由此导向器形成了滚珠的无限循环通道。上述导向器以其滚珠返回槽与丝杠轴的螺纹牙交叉的方式被安装在螺母构件上，其中的在螺母构件和丝杠轴之间形成的滚珠的负荷通道在绕该丝杠轴一周的跟前儿与上述滚珠返回槽连续。即，构成了绕丝杠轴一周的滚珠的无限循环通道；当滚珠在丝杠轴和螺母构件之间一边承受载荷一边在上述负荷通道中滚动之后，进入到上述导向器的滚珠返回槽而从载荷中被解放，在通过此滚珠返回槽越过丝杠轴的螺纹牙之后，再次进入到负荷通道内承受载荷。
[0005]为了在这样的导向器方式的滚珠丝杠装置中使滚珠平稳地循环，准确地连接负荷通道和导向器的滚珠返回槽是很重要的。但是，由于上述导向器是与在螺母构件上贯通形成的通孔，或在螺母构件内周面上形成的凹处嵌合的，所以，从导向器本身的加工精度或螺母构件的加工精度的影响看，准确地连接负荷通道和滚珠返回槽是很困难的。因此，在各滚珠从负荷通道进入到滚珠返回槽时，或者在从滚珠返回槽进入到负荷通道时，容易产生卡涩现象，这种现象作为在丝杠轴和螺母构件之间的旋转扭矩的变化是很明显的。
[0006]另一方面，作为解决导向器方式的滚珠丝杠装置中的这样问题的技术，已公开的滚珠丝杠装置是这样的：并不在与螺母构件分体的导向器上形成滚珠返回槽，而是通过切削加工或锻造加工对螺母构件的内周面直接形成了与负荷滚动槽连续的滚珠返回槽(日本特开2003-307263号公报)。
专利文献1：日本特开2003-307263号公报
发明内容
发明所要解决的课题
[0007]在这样对螺母构件的内周面直接加工滚珠排出槽的情况下，由于负荷通道和滚珠排出槽相互是无交界线地连续的，所以能防止这样交界线中的滚珠的卡涩现象。
[0008]但是，现有的滚珠排出槽，其与滚珠的行进方向正交的截面为单纯的圆弧状，另外，为了将滚珠从载荷中解放，将滚珠返回槽对宽度方向和深度方向这两个方向来说形成得比负荷滚动槽大。因此，存在的问题是，由于在滚珠返回槽的内部的滚珠的排列状态发生混乱，滚珠容易堵在滚珠返回槽内，所以，丝杠轴和螺母构件之间的旋转扭矩依然容易发生变化。
[0009]为了解决课题的手段
本发明是鉴于上述那样的问题作出的，其目的在于提供一种滚珠丝杠装置，使其在能够实现螺母构件的小型化、滚珠的循环结构的简单化的目的的同时，能够平稳地进行螺母构件和丝杠轴之间的滚珠的无限循环，能够将丝杠轴和螺母构件相对旋转时的旋转扭矩的变化尽可能地抑制得小。
[0010]实现上述目的的本发明的滚珠丝杠装置由以下构件构成：在外周面上形成有螺旋状的滚珠滚动槽的丝杠轴；至少在一个内周面上形成有相当于绕此丝杠轴一周的滚珠循环槽的螺母构件；被配置排列在上述丝杠轴的滚珠滚动槽和螺母构件的滚珠循环槽之间，以使该丝杠轴和螺母构件相互旋合的多个滚珠。上述滚珠循环槽是由与上述丝杠轴的滚珠滚动槽相对的负荷滚动槽和连接此负荷滚动槽的一端和另一端的滚珠返回槽构成的。而且，上述滚珠返回槽是与负荷滚动槽无交界线地连续并直接形成在上述螺母构件的内周面上的，这样的滚珠返回槽的与滚珠行进方向相正交的截面的形状为该滚珠进行两点接触的哥德式尖拱状。
[0011]根据这样构成的本发明，构成上述滚珠循环槽的负荷滚动槽和滚珠返回槽，由于是无交界线连续地对螺母构件的内周面直接形成的，所以当滚珠在上述滚珠循环槽中循环时，不会在负荷滚动槽和滚珠返回槽的交界线发生卡涩现象，能平稳地进行滚珠从负荷滚动槽到滚珠返回槽的进入以及滚珠从滚珠返回槽到负荷滚动槽的进入。
[0012]另外，由于滚珠返回槽的与滚珠行进方向相正交的截面形状被形成为该滚珠在两点接触的哥德式尖拱状，所以即使滚珠以无负荷状态在滚珠返回槽内滚动，在这样的滚珠返回槽内的滚珠的轨迹也被哥德式尖拱状的槽引导而成为确定的轨迹，能防止滚珠在滚珠返回槽内曲折地运动。特别是，由于离心力作用在绕丝杠轴滚动的滚珠上，所以，即使通过滚珠返回槽的滚珠是无负荷状态，也会被这样的离心力推靠在哥德式尖拱状的槽内，沿规定的轨迹滚动。因此，能够防止在滚珠返回槽内的滚珠堵塞现象的发生，使在这样的滚珠返回槽内的滚珠的滚动平稳化。
[0013]即，根据本发明，能够在由负荷滚动槽和滚珠返回槽构成的滚珠循环槽的全周上使滚珠的滚动平稳化，能够尽可能地防止螺母构件和丝杠轴相对旋转时的旋转扭矩的变化。
附图说明
图1是表示适用本发明的滚珠丝杠装置的实施方式的侧视图。
图2是表示图1所示的滚珠丝杠装置的螺母构件的立体图。
图3是画有在实施方式中所示的滚珠丝杠装置的负荷滚动槽的状况的螺母构件的立体图。
图4是画有在实施方式中所示的滚珠丝杠装置的滚珠返回槽的状况的螺母构件的立体图。
图5是表示在丝杠轴的滚珠滚动槽和螺母构件的负荷滚动槽之间滚动的滚珠的剖视图。
图6是表示在螺母构件的滚珠返回槽中滚动的滚珠的剖视图。
图7是表示在螺母构件的滚珠循环槽内的滚珠的中心轨迹的坐标图。
图8是表示对螺母构件的滚珠循环槽进行的切削加工方法的一个例子的示意图。
图9是表示端铣刀的前端形状和负荷滚动槽以及滚珠返回槽的形状的关系的剖视图。
图10是表示现有的滚珠丝杠装置中的滚珠的中心轨迹的坐标图。
符号说明：1：螺纹轴；2：螺母构件；3：滚珠；10：滚珠滚动槽；11：螺纹牙；21：滚珠循环槽：22：负荷滚动槽；23：滚珠返回槽
具体实施方式
[0016]以下利用附图详细地对本发明的滚珠丝杠装置进行说明。
[0017]图1是表示适用本发明的滚珠丝杠装置的一个例子的图。此滚珠丝杠装置由在外周面上形成有螺旋状的滚珠滚动槽的丝杠轴1和通过多个滚珠3与上述丝杠轴1旋合的螺母构件2构成，上述螺母构件2能够绕丝杠轴1呈螺旋状地旋转。另外，图1是切掉上述螺母构件2的一部分画出的，另外，画出的滚珠3是存在于螺母构件2和丝杠轴1之间的滚珠3的一部分。
[0018]在上述丝杠轴1的外周面上以规定的导程形成有螺旋状的滚珠滚动槽10，上述滚珠3在此滚珠滚动槽10的内部滚动。在此，所谓导程，是指丝杠轴1旋转1周滚珠滚动槽10向丝杠轴1的轴向行进的距离。上述滚珠滚动槽10是两个曲面以大致90度相交形成的，与滚珠行进方向正交的截面形状为哥德式尖拱状。因此，上述滚珠3相对于此哥德式尖拱状的滚珠滚动槽10在两点进行接触，相对于在丝杠轴1的轴向上作用的载荷而言产生大约45度的接触角。另外，在丝杠轴1的外周面上，在相互邻接的滚珠滚动槽10和滚珠滚动槽10之间形成有螺纹牙11。
[0019]如图2所示，上述螺母构件2具有穿插上述丝杠轴1的贯通孔20，并被形成为大致圆筒状，在贯通孔20的内周面上形成有1条滚珠循环槽21。此滚珠循环槽21由与上述丝杠轴1的滚珠滚动槽10相对形成的负荷滚动槽22和连接此负荷滚动槽22的一端和另一端的滚珠返回槽23构成。而且，通过此负荷滚动槽22和上述滚珠返回槽23连续，形成了相当于绕丝杠一周份儿的滚珠循环槽21。
[0020]这些负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23，是通过对螺母构件2的内周面实施切削加工在螺母构件2上直接形成的，负荷滚动槽22和滚珠返回槽23是无交界线连续地设置的。
[0021]图3是表示相对于上述螺母构件2而言的负荷滚动槽22的形成状态的立体图，另外，图4是表示相对于上述螺母构件2而言的滚珠返回槽23的形成状态的立体图。上述负荷滚动槽22与丝杠轴1的滚珠滚动槽10相对地构成滚珠3的负荷通道的，被形成得比丝杠轴1的周围一周稍微短一点儿。另外，上述滚珠返回槽23是以与丝杠轴1的螺纹牙11相交叉的方式形成的。负荷滚动槽22若在上述丝杠轴1的周围、即螺母构件2的内周面绕一周，由于向螺母构件2的轴向仅行进了一个导程的长度，所以，上述负荷滚动槽22的一端和另一端处于向螺母构件2的轴向仅位移了比导程的长度稍微短一点儿的距离的状态。但是，通过被设置成与螺纹牙11相交叉的上述滚珠返回槽23将它们之间连接起来，形成了绕丝杠轴1一周份儿的滚珠循环槽21。
[0022]此滚珠循环槽21由多个滚珠3填满着，若螺母构件2相对于丝杠轴1旋转，或者丝杠轴1相对于螺母构件2旋转，则随着这样的旋转，滚珠3在滚珠循环槽21内循环。滚珠3在螺母构件2的负荷滚动槽22和丝杠轴1的滚珠滚动槽10之间一边承受载荷一边滚动。如图5所示，上述负荷滚动槽22的与滚珠行进方向正交的截面形状，与丝杠轴1一侧的滚珠滚动槽10同样，为哥德式尖拱状，滚珠3相对于负荷滚动槽23在两点接触，相对于在丝杠轴1的轴向上(图5的纸面的左右方向)作用的载荷而言产生大约45度的接触角。即，滚珠3相对于滚珠滚动槽10以及负荷滚动槽22而言是处于与这些槽的宽度方向有关地被约束着的状态，即使是在螺母构件2和丝杠轴1之间作用有轴向的载荷的情况下，也在这些槽内滚动，而不会在各槽的宽度方向上摇晃。另外，图5中的单点划线表示滚珠3与螺母构件2的负荷滚动槽22、滚珠3与丝杠轴1的滚珠滚动槽10的接触方向。
[0023]另一方面，图6是表示在上述滚珠返回槽23内的滚珠3的滚动的情况的剖视图。上述滚珠返回槽23是与现有的导向器对应的部分，从与上述负荷滚动槽22相互连接的部位渐渐变深，在与丝杠轴1的螺纹牙11相对的位置被形成得最深。由此，一边承受载荷一边在负荷滚动槽22中滚动过来的滚珠3，一进入滚珠返回槽23就从该载荷中被解放而成为无负荷状态，在被滚珠返回槽23引导的同时，争着从被形成为哥德式尖拱状的丝杠轴1的滚珠滚动槽10a上来。而且，当在滚珠返回槽23的最深部骑在丝杠轴1的螺纹牙11之后，就在骑着的状态下被滚珠返回槽23引导着返回到邻接的滚珠滚动槽10b，即丝杠轴1的旋转一周份儿前的滚珠滚动槽10b。已返回到滚珠滚动槽10b的滚珠3，在螺母构件2的负荷滚动槽22和上述滚珠滚动槽10b之间再次一边承受载荷一边滚动。另外，图6中的箭线表示在滚珠返回槽23的内部的滚珠3的运动。
[0024]另外，上述滚珠返回槽23的与滚珠行进方向相正交的截面形状，与负荷滚动槽22同样，为哥德式尖拱状，仅是相对于螺母构件2的内周面而言的深度与负荷滚动槽22不同。因此，滚珠3相对于滚珠返回槽23将在两点接触。由于滚珠3在无负荷状态下在滚珠返回槽23中滚动，因此，对存在于滚珠返回槽23和丝杠轴1之间的滚珠3稍微给予了一点儿间隙。但是，由于在丝杠轴1的周围循环的滚珠3上作用有离心力，所以，由这样的离心力，滚珠3被推靠在被形成为哥德式尖拱状的滚珠返回槽23的底部上，结果，相对于滚珠返回槽23在两点接触。因此，在滚珠返回槽23内的滚珠3的移动轨迹将与该滚珠返回槽23的宽度方向的中心线相一致，防止了滚珠3在这样的滚珠返回槽23内的曲折运动。
[0025]图7是将螺母构件2的内周面20展开成平面，表示在上述负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23中滚动的滚珠3的中心轨迹的坐标图，横轴表示螺母构件2的旋转角，纵轴表示滚珠3沿丝杠轴1的轴向的移动量。由于滚珠3在负荷滚动槽22上滚动的向轴向的移动量与螺母构件2的旋转角成比例，所以，在此坐标图内，在负荷滚动槽22内滚动的滚珠3的中心轨迹为直线。另外，在滚珠返回槽23内滚动的滚珠3的中心轨迹为连续地连接平行的一对直线的曲线。因此，由上述滚珠返回槽连接负荷滚动槽22的一端和另一端，构成了绕丝杠一周份儿的滚珠循环槽。
[0026]以下就对上述螺母构件2进行的滚珠循环槽21的加工方法进行说明。
[0027]首先，对被形成为圆筒状的螺母构件2实施淬火或回火热处理。在此状态下，螺母构件2的内周面还是圆筒面，并未形成由负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23构成的滚珠循环槽21。接着，在实施了热处理的螺母构件2的内周面上实施切削加工，形成上述滚珠循环槽21。在此切削加工过程中，是使用单一的切削工具，在一个切削工序中连续地加工负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23。因此，能确保负荷滚动槽22和滚珠返回槽23的连续性，能高精度地加工由这些槽构成的滚珠循环槽21。另外，由于这样的切削工序是在热处理工序之后进行的，所以，热处理变形的影响不会涉及到滚珠循环槽21。再有，通过对热处理后的螺母构件2实施切削加工，还可以看到负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23的表面粗糙度的提高。另外，对于负荷滚动槽22来说，在进行上述切削加工后实施磨削加工，还可力图表面的平滑性的进一步提高。
[0028]图8是表示进行上述滚珠循环槽21的切削加工的切削装置的一个例子的图。此切削装置是使设置在套管轴4的前端的心轴5保持作为切削工具的端铣刀6，并使这样的端铣刀6作旋转切削主运动以进行切削加工的装置，心轴5的旋转主轴是与套管轴4的长度方向正交的。螺母构件2以其轴向为Z轴，被夹持在卡盘7上，上述套管轴4从Z轴方向被插入在螺母构件2的贯通孔20中。当切削加工滚珠循环槽21时，螺母构件2在被卡盘7夹持的状态下被给予绕Z轴的旋转运动，另一方面，对保持着上述端铣刀6的套管轴4给予Z轴方向的进给。而且，通过使套管轴4向作为心轴5的主轴方向的Y轴方向进给，来调整端铣刀6对螺母构件2的内周面的切入深度。
[0029]上述心轴5由动压轴承支承着安装上述端铣刀6的心轴主轴，同时，具有被安装在上述心轴主轴上的涡轮50，通过向上述涡轮50喷射经过上述套管轴4输送来的加压流体，能使心轴主轴以1万rpm以上的转速高速旋转。而且，通过在用该心轴5使端铣刀6高速旋转的同时，与上述负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23的形状相应地使螺母构件2的绕Z轴的旋转、端铣刀6的Z轴方向以及Y轴方向的进给同步，能够对螺母构件2的内周面连续地切削加工滚珠循环槽21。另外，通过调整端铣刀6的Z轴方向以及Y轴方向的进给，能够自由地变更负荷滚动槽22的深度以及导程、滚珠返回槽23的深度以及形状。
[0030]在上述端铣刀6的前端，与负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23同样，具有哥德式尖拱状的轮廓，如图9所示，若在对此端铣刀6给予旋转切削主运动的同时，使该端铣刀6切入螺母构件2的内周面，则能够获得哥德式尖拱状的负荷滚动槽22。另外，通过调整端铣刀的Y轴方向的进给，即对螺母构件2的内周面的切入深度，同样也能形成哥德式尖拱状的滚珠返回槽23。即，通过改变端铣刀6的Y轴方向的进给量，能够在使用单一的切削工具的同时，在同一切削工序中连续地加工负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23，很容易地形成绕丝杠轴1一周份儿的封闭的滚珠循环槽21。
[0031]而且，在像上述那样构成的滚珠丝杠装置中，由于对螺母构件2的内周面通过切削加工直接形成了上述负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23，负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23是无交界线地连续的，所以，当滚珠3在由这些槽构成的滚珠循环槽21中循环时，在负荷滚动槽22和滚珠返回槽23相互的连接部分，滚珠3不会产生卡涩现象，能使滚珠3平稳地循环。
[0032]另外，滚珠返回槽23的截面与负荷滚动槽22的截面相同，被形成为哥德式尖拱状，由于滚珠3在滚珠返回槽23内相对于该槽在两点接触，与此同时进行滚动，所以在滚珠返回槽23内的滚珠3的滚动轨迹不会出现摇晃，而是稳定为一条。因此，能防止滚珠3堵在滚珠返回槽23内的现象，在这一方面也可力图滚珠3的循环的平稳化。
[0033]如以上所述，在丝杠轴1的滚珠滚动槽10和螺母构件2的负荷滚动槽22之间承受着载荷的滚珠，由被形成为哥德式尖拱状的截面的这些槽限制了向该槽的宽度方向的摇晃。因此，在负荷滚动槽22以及滚珠返回槽23的双方中，滚珠3的中心轨迹将稳定为一条，如图7所示，滚珠3的中心轨迹为直线和曲线平滑地连续的轨迹。
[0034]若像现有的导向器那样，将上述滚珠返回槽23对宽度方向和深度方向这两个方向来说形成得比负荷滚动槽大，则滚珠3将在滚珠返回槽23内摇晃，如图10所示，在滚珠返回槽23内的滚珠3的中心轨迹成为无规则性的不稳定的轨迹。因此，即使无交界线连续地形成负荷滚动槽22和滚珠返回槽23，对在滚珠循环槽21内的滚珠3的循环也作用有阻力，在使螺母构件2相对于丝杠轴1旋转时所需要的旋转扭矩发生了变化。
[0035]在本发明的滚珠丝杠装置中，如以上所述，由于滚珠3的中心轨迹在滚珠循环槽21的整个区域上不会出现摇晃，而是稳定为一条，且光滑连续，所以能使螺母构件2的旋转扭矩的变化尽可能地小，能平稳地进行直线运动和旋转运动的相互变换。
[0036]另外，在使用附图进行了说明的滚珠丝杠装置的例子中，虽然在螺母构件2的内周面上仅形成了1条滚珠循环槽21，但是也可以与对螺母构件2所要求的负载大小相应地适当增加滚珠循环槽21的条数。

Claims (4)

1.一种滚珠丝杠装置，其特征是：上述滚珠丝杠装置由丝杠轴(1)、螺母构件(2)和多个滚珠(3)构成，上述丝杠轴(1)在外周面上形成有螺旋状的滚珠滚动槽(10)；上述螺母构件(2)至少在一个内周面上形成有相当于绕上述丝杠轴(1)一周的滚珠循环槽(21)，这样的滚珠循环槽(21)是由与上述滚珠滚动槽(10)相对的负荷滚动槽(22)和连接此负荷滚动槽(22)的一端和另一端的滚珠返回槽(23)构成的；上述多个滚珠(3)被配置排列在上述丝杠轴(1)的滚珠滚动槽(10)和螺母构件(2)的滚珠循环槽(21)之间，以使该丝杠轴(1)和螺母构件(2)相互旋合，
上述滚珠返回槽(23)是与负荷滚动槽(22)无交界线地连续并直接形成在上述螺母构件(2)的内周面上的，同时，这样的滚珠返回槽(23)的与滚珠行进方向相正交的截面的形状为该滚珠(3)进行两点接触的哥德式尖拱状。
2.根据权利要求1所记载的滚珠丝杠装置，其特征是：上述负荷滚动槽(22)和滚珠返回槽(23)的分别与滚珠行进方向相正交的截面的形状都为哥德式尖拱状，这些负荷滚动槽(22)以及滚珠返回槽(23)被形成为相同的槽宽，另一方面，它们的槽深不同。
3.一种上述权利要求1所记载的滚珠丝杠装置的制造方法，其特征是：在对上述螺母构件(2)进行了热处理后，使用单一的切削工具(6)在螺母构件(2)的内周面上连续地切削加工上述滚珠循环槽(21)。
4.根据权利要求3所记载的滚珠丝杠装置的制造方法，其特征是：上述切削工具(6)的前端形状为哥德式尖拱状，在使这样的切削工具(6)作旋转切削主运动的同时，进行上述滚珠循环槽(21)的切削加工。
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