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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Erfindungsfeld
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelumlaufspindel, die durch
einen Grenzteil zwischen einem Gerinne und einem Rückführungspfad
gekennzeichnet ist.
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Ein
Beispiel einer herkömmlichen
Kugelumlaufspindel ist in 6 (perspektivische
Ansicht) und 7 (Schnittansicht)
gezeigt. Es handelt sich um eine Kugelumlaufspindel des Rohrtyps,
die ein Rohr als Rückführungspfad
für Kugeln
verwendet. Die vorliegende Kugelumlaufspindel umfasst eine Schraubenwelle 1,
Kugeln 3 und Rohre 4. In 6 gibt das Bezugszeichen 5 einen
Rohrhalter zum Fixieren der Rohre 4 an einer Mutter 2 an,
wobei dieser Rohrhalter 5 in 7 nicht
gezeigt ist.
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Auf
der äußeren peripheren
Oberfläche
der Schraubenwelle 1 und der inneren peripheren Oberfläche der
Mutter 2 sind jeweils spiralförmige Rillen 11, 21 ausgebildet,
wobei diese spiralförmigen
Rillen 11, 21 zusammenwirken, um ein Gerinne für die Kugeln 3 zu
bilden. Und wenn die Kugeln 3 während des Ladens auf dem Gerinne
rollen, wird die Mutter 2 linear in Bezug auf die Schraubenwelle 1 bewegt.
Das heißt,
die spiralförmigen
Rillen 11, 21 der Schraubenwelle 1 und
der Mutter 2 bilden gemeinsam eine Kugelumlaufrille.
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Das
Rohr 4 ist im wesentlichen torförmig, wobei die zwei Endteile
des Rohrs 4 jeweils in entsprechende Durchgangslöcher 22 eingesteckt
sind, die in einem zylindrischen Körper ausgebildet sind, der
als Mutter 2 verwendet wird, wobei sie einander über der Schraubenwelle 1 diagonal
gegenüberstehen,
sodass sie die Anfangs- und Endpunkte des Gerinnes miteinander verbinden.
Dieses Beispiel weist zwei Kugelumlaufkanäle (ein Gerinne + einen Rückführungspfad)
auf, sodass zwei Rohre 4 vorgesehen sind.
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8 ist eine Teilschnittansicht
der vorliegenden Kugelumlaufspindel und zeigt einen Grenzteil zwischen
dem Gerinne und dem Rückführungspfad.
In der Mutter 2 ist ein Durchgangsloch 22 ausgebildet,
das von der äußeren peripheren
Oberfläche zu
der Kugelumlaufrille 21 ausgerichtet ist, wobei der Endteil
des Rohrs 4 in diesem Durchgangsloch 22 angeordnet
ist.
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Dieses
Durchgangsloch 22 weist einen gestuften Teil 22a zum
Aufnehmen der Endfläche
des Rohrs 4 auf. Das heißt, wenn der Endteil des Rohrs 4 in
dem Durchgangsloch 22 montiert ist, kann wegen des gestuften
Teils 22a des Durchgangslochs 22 die rillenseitige
(d.h. der Rille zugewandte) Oberfläche 22b des Lochs 22 bündig mit
der Innenoberfläche 41 des
Rohrs 4 abschließen.
Die rillenseitige Oberfläche 22b entspricht
einer ansteigenden Oberfläche,
wenn der Endteil des Rückführungspfads
von der Kugelumlaufrille 21 der Mutter 2 vorsteht.
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Weiterhin
ist am Ende des Rohrs 4 eine Zunge 42 ausgebildet,
die, wenn das Rohr 4 montiert ist, gegenüber der
rillenseitigen Oberfläche 22b des Durchgangslochs
angeordnet ist. Diese Zunge 42 erstreckt sich in die Nachbarschaft
der unteren Oberfläche
der Kugelumlaufrille 11 der Schraubenwelle 1 und
sieht einen Stoppteil vor, der als Endteil eines Gerinnes 30 dient,
das durch die Kugelumlaufrillen 11, 21 gebildet
wird.
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Deshalb
stößt eine
Kugel 3, die in der Nähe des
Endpunktes des Gerinnes 30 angekommen ist, gegen das vordere
Ende der Zunge 42, wird aufgegriffen, wird zwischen der
rillenseitigen Oberfläche 22b des
Durchgangsloches 22 und der Zunge 42 bewegt und
in das Rohr 4 geführt.
Weiterhin wird die Kugel 3, nachdem sie durch das Rohr 4 bewegt
wurde, weiterhin zwischen der rillenseitigen Oberfläche 22b des
Durchgangslochs 22 bewegt und in das Gerinne 30 geführt.
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Bei
der oben beschriebenen herkömmlichen Kugelumlaufspindel
des Rohrtyps besteht das Problem, dass der Grenzteil zwischen der
Anstiegsoberfläche
des Rückführungspfades
(der rillenseitigen Oberfläche
22b des
Durchgangsloches
22) und der Kugelumlaufrille
21 der
Mutter eine reibungslose Bewegung der Kugel
3 behindert.
Um dieses Problem zu lösen,
wird in JP-2001-141019 A eine Technik vorgeschlagen, in der ein
ringförmiger
Grenzteil
25 bearbeitet wird, um eine glatte Oberfläche vorzusehen (z.B.
eine Oberfläche,
wie sie durch das Bezugszeichen
27 in
8 angegeben wird). Eine solche Kugelumlaufspindel
ist auch in der
DE
100 42 610 A1 beschrieben.
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Die
in der oben genannten Patentveröffentlichung
angegebene Technik weist jedoch einen Verbesserungsbedarf hinsichtlich
der Lebensdauer der Kugelumlaufspindel auf, insbesondere wenn diese mit
hoher Geschwindigkeit gedreht wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Kugelumlaufspindel anzugeben, die eine ausgezeichnete Lebensdauer
aufweist, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird.
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Um
die oben genannte Aufgabe zu lösen,
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Kugelumlaufspindel angegeben welche umfasst: eine
Schraubenwelle mit einer spiralförmigen
Kugelumlaufrille in einer äußeren peripheren
Oberfläche,
eine Mutter mit einer spiralförmigen
Kugelumlaufrille in einer inneren peripheren Oberfläche, eine
Vielzahl von Kugeln, die in einem durch die zwei Umlaufrillen gebildeten
Gerinne angeordnet sind, und einen Rückführungspfad, um die Kugeln von
dem Endpunkt des Gerinnes zu dem Anfangspunkt des Gerinnes zu befördern, wobei die
zwei Endpunkte des Rückführungspfades
jeweils eine von der Kugelumlaufrille der Mutter ansteigende Anstiegsoberfläche und
einen gegenüber
der Anstiegsoberfläche
angeordneten Stoppteil als Endteil des Gerinnes umfassen, wobei
ein Grenzteil zwischen der Anstiegsoberfläche und der Kugelumlaufrille
der Mutter um einen runden Teil herum ausgebildet ist; wobei das
Grenzteil in Richtung auf die Schraubenwelle Konvex ausgebildet
ist und einen Krümmungsradius
aufweist, der dem 0,05-fachen Durchmesser der Kugel oder mehr entspricht.
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Übrigens
kann der runde Teil in Übereinstimmung
mit einem Schleiffluss-Bearbeitungsverfahren ausgebildet werden.
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Bei
dem oben beschriebenen Aufbau wird der Rückführungspfad vorzugsweise teilweise
durch ein Rohr gebildet, das den Stoppteil umfasst, wobei die Anstiegsoberfläche auf
der inneren peripheren Oberfläche
der Mutter ausgebildet ist, um den Rückführungspfad zu bilden.
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Das
Schleiffluss-Bearbeitungsverfahren ist ein die Oberfläche entfernendes
(abrasives) Verfahren, das ein mit Schleifpartikeln wie etwa Siliziumkarbid
oder Diamanten gemischtes viskoelastisches Fluid verwendet, wobei
das viskoelastische Fluid über die
zu bearbeitenden Bereiche eines Werkstücks geführt wird, um die Schleifpartikeln
in dem viskoelastischen Fluid in eine Druckkontakt mit den zu bearbeitenden
Bereichen zu bringen, sodass die Oberflächen der zu bearbeitenden Bereiche
des Werkstücks entfernt
werden.
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Weil
gemäß der Kugelumlaufspindel
der vorliegenden Erfindung in dem Grenzteil ein runder Teil ausgebildet
ist, dessen Krümmungsradius
dem 0,05-fachen Durchmesser der Kugel oder mehr entspricht, können in
der Mutter erzeugte Spannungen, wenn die Kugel auf den Grenzteil
trifft, im Vergleich zu einer Kugelumlaufspindel mit einem Krümmungsradius
des runden Teils, der dem 0,05-fachen Durchmesser der Kugel oder
weniger entspricht, reduziert werden. Außerdem kann die Erzeugung von
Metallpulver, das ansonsten bei der Kollision der Kugel mit dem
Grenzteil erzeugt wird, aufgrund der reduzierten Kollisionslast
für die
Mutter verhindert werden. Weiterhin kann aufgrund der reduzierten
Kollisionslast für
die Mutter die Erzeugung von Metallpulver bei der Kollision verhindert
werden. Dadurch kann die Lebensdauer der Kugelumlaufspindel erhöht werden, wenn
diese mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird.
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Wenn
bei einer Kugelumlaufspindel gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Halteteil vorgesehen wird, indem zwei konkave Oberflächen zum
Aufnehmen von Kugeln jeweils in den zwei unteren Oberflächen eines
im wesentlichen zylindrischen Körpers ausgebildet
werden oder ein kugelförmiger
Körper mit
kleinerer Größe als die
Kugel zwischen benachbarten Kugeln angeordnet wird, kann eine Kollision bzw.
ein wechselseitiges Reiben zwischen den Kugeln reduziert werden,
wodurch die Lebensdauer der Kugeln und die Lebensdauern der Kugelumlaufrillen weiter
verlängert
werden können.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittansicht eines Grenzteils zwischen einem Gerinne und
einem Rückführungspfad,
die in einer Kugelumlaufspindel gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Teils A von 1.
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3 ist
ein Kurvendiagramm der Beziehung zwischen berechneten Lebensdauern,
die aus Testergebnissen erhalten werden, und [R/Dw].
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4 ist
ein Kurvendiagramm der Beziehung zwischen berechneten Lebensdauern,
die aus Testergebnissen erhalten werden, und [Dm × n],
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5A bis 5C sind
Ansichten eines Verfahrens zum Messen des Krümmungsradius eines Grenzteils
zwischen einer Anstiegsoberfläche
und einer Kugelumlaufrille.
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6 ist
eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Kugelumlaufspindel
des Rohrtyps.
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7 ist
eine Schnittansicht eines Beispiels einer Kugelumlaufspindel des
Rohrtyps, wobei nur die Mutter im Schnitt gezeigt ist.
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8 ist
eine Schnittansicht eines Grenzteils zwischen einem Gerinne und
einem Rückführungspfad,
die in einer herkömmlichen
Kugelumlaufspindel ausgebildet sind.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden wird eine Ausführungsform
einer Kugelumlaufspindel gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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1 ist
eine Teilschnittansicht einer Kugelumlaufspindel gemäß der vorliegenden
Erfindung und zeigt einen Grenzteil zwischen einem Gerinne und einem
Rückführungspfad. 2 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Teils A von 1. Die anderen Teile der Kugelumlaufspindel
gemäß der vorliegenden Ausführungsform
sind mit denjenigen der herkömmlichen
Kugelumlaufspindel von 6 und 7 identisch.
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Wie
in 1 gezeigt, ist in einer Mutter 2 ein Durchgangsloch 22 ausgebildet,
das sich von der äußeren peripheren
Oberfläche
der Mutter 2 zu einer Kugelumlaufrille 21 erstreckt,
wobei der Endteil eines Rohrs 4 in dem Durchgangsloch 22 angeordnet
ist. Das Durchgangsloch 22 weist einen gestuften Teil 22a auf,
der verwendet wird, um die Endfläche
des Rohrs 4 aufzunehmen. Wenn bei diesem Aufbau der Endteil
des Rohrs 4 in das Durchgangsloch 22 eingesteckt
wird, gestattet der gestufte Teil 22a des Durchgangslochs 22,
dass die (rillenseitige) Oberfläche 22b des
Lochs 22 bündig
mit der Innenoberfläche 41 des
Rohrs 4 abschließt.
Die rillenseitige Oberfläche 22a entspricht
einer Anstiegsoberfläche,
wenn der Endteil des Rückführungspfades
von der Kugelumlaufrille 21 der Mutter 2 vorsteht.
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Weiterhin
ist in dem Endteil des Rohrs 4 eine Zunge 42 ausgebildet,
die wenn das Rohr 4 montiert ist, gegenüber der rillenseitigen Oberfläche 22b des Durchgangslochs 22 angeordnet
ist. Diese Zunge 42 erstreckt sich in die Nachbarschaft
der unteren Oberfläche
der Kugelumlaufrille 11 in der Schraubenwelle 1 und
dient als Stoppteil, um den Endteil eines Gerinnes 30 zu
stoppen, das durch die Kugelumlaufrillen 11, 21 gebildet
wird.
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Und
wie in 2 gezeigt, ist in dem Grenzteil 25 zwischen
der Anstiegsoberfläche 22b (der
rillenseitigen Oberfläche
des Durchgangslochs 22) des Rückführungspfades und der Kugelumlaufrille 21 der Mutter 2 ein
runder Teil ausgebildet, dessen Krümmungsradius dem 0,05-fachen
Durchmesser der Kugel 3 oder mehr entspricht.
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Wenn
das Durchgangsloch 22 in der Mutter 2 durch Schneiden
ausgebildet wird, weist der Grenzteil 25 zwischen der rillenseitigen
Oberfläche 22b (Anstiegsoberfläche) des
Durchgangslochs 22 und der Kugelumlaufrille 21 eine
Winkelform auf; indem jedoch der winkelige Teil 25 durch
ein Schleiffluss-Bearbeitungsverfahren entfernt wird, kann der oben
genannte runde Teil ausgebildet werden.
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Die
Erfinder haben Kugelumlaufspindeln hergestellt, die sich nur durch
den Krümmungsradius R
des runden Teils unterscheiden, wobei dann ein Test durchgeführt wurde,
um die verschiedenen Kugelumlaufspindeln auf ihre Lebensdauer zu
prüfen. Das
heißt,
nach der Ausbildung des Durchgangslochs 22 in der Mutter 2 durch
Schneiden, wurde der winkelige Teil unter Verwendung eines Schleiffluss-Bearbeitungsverfahrens
bearbeitet; dabei wurden unter jeweiliger Änderung der Zeitdauer der Schleifflussbearbeitung,
der Korngrößen der
zu verwendeten Schleifpartikel und der ausgeübten Drücke Grenzteile 25 der
Muttern 2 erzeugt, die sich jeweils in dem Krümmungsradius
R voneinander unterschieden.
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Als
Kugelumlaufspindel wurde eine NSK-Kugelumlaufspindel [BS2520] verwendet
(Durchmesser Dw der Kugel: 4,7625 mm, Durchmesser Dm des Kugelwälzkreises:
25,5 mm). Als Testeinrichtung wurde eine Lebensdauer-Testeinrichtung
für eine
Kugelumlaufspindel von NSK verwendet. Die Testbedingungen waren
wie folgt. Vorlast: 500 N, Testlast: 1000 N (Axiallast), Drehgeschwindigkeit
(n): 500–400
U/min, Hub: 500 mm, Schmierstoff: [Albania No. 2] von Showa Shell
Sekiyu K.K.
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Die
verschiedenen Kugelumlaufspindeln wurden in die Testeinrichtung
gelegt, wobei die Bewegungsstrecke jeder Kugelumlaufspindel bis
zum Auftreten eines Bruchs in einer Kugel und der Kugelumlaufrille
der Schraubenwelle oder der Mutter gemessen wurde und wobei die
Verhältnisse
der gemessenen Werte zu den berechneten Lebensdauern (das berechnete
Lebensdauerverhältnis)
berechnet wurde. 3 ist ein Kurvendiagramm, das
die Beziehung zwischen den berechneten Lebensdauerverhältnissen,
die in diesem Test erhalten wurden, und [R/Dw] zeigt, und 4 ist
ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen den berechneten Lebensdauerverhältnissen
und den [Dm × n]-Werten
zeigt.
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Insbesondere
zeigt 3 die erhaltenen Ergebnisse, wenn [Dm × n] 12750
U/min × mm
bzw. 76500 U/min × mm
ist. In beiden Fällen
steigen die berechneten Lebensdauerverhältnisse deutlich, wenn [R/Dw]
0,05 oder mehr beträgt.
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4 zeigt
die Ergebnisse, die erhalten werden, wenn [R/Dw] bei 0,01 bzw. 0,2
liegt. Aus 4 wird deutlich, dass bei einem
[R/Dw] von 0,01, wenn [Dm × n]
76500 U/min × mm
oder mehr beträgt,
die berechneten Lebensdauerverhältnisse
stark abnehmen; bei einem [R/Dw] von 0,2 dagegen nehmen die berechneten
Lebensdauerverhältnisse
nicht so stark ab, auch wenn [Dm × n] 76500 U/min × mm oder mehr
beträgt.
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Aus
den vorstehend genannten Ergebnissen wird deutlich, dass indem ein
runder Teil mit einem Krümmungsradius
R, der dem 0,05-fachen Durchmesser der Kugel 3 oder mehr
entspricht, in dem Grenzteil 25 zwischen der Anstiegsoberfläche 22b (der
rillenseitigen Oberfläche
des Durchgangslochs 22) des Rückführungspfades und der Kugelumlaufrille 21 der
Mutter 2 vorgesehen wird, eine Kugelumlaufspindel mit einer
hervorragenden Lebensdauer erhalten werden kann, wenn die Kugelumlaufspindel mit
einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird, wenn [Dm × n] bei
76500 U/min × mm
oder mehr liegt.
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Der
Krümmungsradius
R des Grenzteils 25 kann übrigens mittels des folgenden
Verfahrens gemessen werden. Zuerst wird wie in 5A und 5B gezeigt
die Mutter 2 derart befestigt, dass sie von der horizontalen
Oberfläche
mit dem Kontaktwinkel α der
Kugel 3 geneigt ist. Dann wird eine Sonde 61 einer
Konturform-Messmaschine 6 in das Durchgangsloch 22 der
Mutter 2 eingeführt,
in das der Endteil des Rohrs 4 eingesteckt ist. Die Probe 61 wird
wie in 5C gezeigt von der Kugelumlaufrille 21 der Mutter 2 zu
der rillenseitigen Oberfläche 22b des Durchgangslochs 22 bewegt.
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Wie
weiter oben genannt, kann gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Kugelumlaufspindel erhalten werden, die eine hervorragende
Lebensdauer aufweist, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit gedreht
wird.