DE10312619B4 - Kugelumlaufspindel - Google Patents

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Abstract

Kugelumlaufspindel mit:
einer Schraubenwelle (1) mit einer spiralförmigen Kugelumlaufrille (11) in einer äußeren peripheren Oberfläche,
einer Mutter (2) mit einer spiralförmigen Kugelumlaufrille (21) in einer inneren peripheren Oberfläche,
einer Vielzahl von Kugeln (3), die in einem durch die zwei Umlaufrillen (11, 21) gebildeten Gerinne (30) angeordnet sind, und
einem Rückführungspfad, um die Kugeln (3) von dem Endpunkt des Gerinnes (30) zu dem Anfangspunkt des Gerinnes zu befördern, wobei die zwei Endpunkte des Rückführungspfades jeweils eine von der Kugelumlaufrille (21) der Mutter (2) ansteigende Anstiegsoberfläche (22b) und einen gegenüber der Anstiegsoberfläche (22b) angeordneten Stoppteil (42) als Endteil des Gerinnes umfassen,
wobei ein Grenzteil (25) zwischen der Anstiegsoberfläche (22b) und der Kugelumlaufrille (21) der Mutter (2) um einen runden Teil herum ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzteil (25) in Richtung auf die Schraubenwelle (1) konvex ausgebildet ist und einen Krümmungsradius aufweist, der dem 0,05-fachen Durchmesser der...

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Erfindungsfeld
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelumlaufspindel, die durch einen Grenzteil zwischen einem Gerinne und einem Rückführungspfad gekennzeichnet ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kugelumlaufspindel anzugeben, die eine ausgezeichnete Lebensdauer aufweist, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird.
  • 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.
  • Übrigens kann der runde Teil in Übereinstimmung mit einem Schleiffluss-Bearbeitungsverfahren ausgebildet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schnittansicht eines Grenzteils zwischen einem Gerinne und einem Rückführungspfad, die in einer Kugelumlaufspindel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.
  • 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Teils A von 1.
  • 3 ist ein Kurvendiagramm der Beziehung zwischen berechneten Lebensdauern, die aus Testergebnissen erhalten werden, und [R/Dw].
  • 4 ist ein Kurvendiagramm der Beziehung zwischen berechneten Lebensdauern, die aus Testergebnissen erhalten werden, und [Dm × n],
  • 5A bis 5C sind Ansichten eines Verfahrens zum Messen des Krümmungsradius eines Grenzteils zwischen einer Anstiegsoberfläche und einer Kugelumlaufrille.
  • 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Kugelumlaufspindel des Rohrtyps.
  • 7 ist eine Schnittansicht eines Beispiels einer Kugelumlaufspindel des Rohrtyps, wobei nur die Mutter im Schnitt gezeigt ist.
  • 8 ist eine Schnittansicht eines Grenzteils zwischen einem Gerinne und einem Rückführungspfad, die in einer herkömmlichen Kugelumlaufspindel ausgebildet sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform einer Kugelumlaufspindel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Kugelumlaufspindel mit: einer Schraubenwelle (1) mit einer spiralförmigen Kugelumlaufrille (11) in einer äußeren peripheren Oberfläche, einer Mutter (2) mit einer spiralförmigen Kugelumlaufrille (21) in einer inneren peripheren Oberfläche, einer Vielzahl von Kugeln (3), die in einem durch die zwei Umlaufrillen (11, 21) gebildeten Gerinne (30) angeordnet sind, und einem Rückführungspfad, um die Kugeln (3) von dem Endpunkt des Gerinnes (30) zu dem Anfangspunkt des Gerinnes zu befördern, wobei die zwei Endpunkte des Rückführungspfades jeweils eine von der Kugelumlaufrille (21) der Mutter (2) ansteigende Anstiegsoberfläche (22b) und einen gegenüber der Anstiegsoberfläche (22b) angeordneten Stoppteil (42) als Endteil des Gerinnes umfassen, wobei ein Grenzteil (25) zwischen der Anstiegsoberfläche (22b) und der Kugelumlaufrille (21) der Mutter (2) um einen runden Teil herum ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzteil (25) in Richtung auf die Schraubenwelle (1) konvex ausgebildet ist und einen Krümmungsradius aufweist, der dem 0,05-fachen Durchmesser der Kugel (3) oder mehr entspricht.
  2. Kugelumlaufspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der runde Teil in Übereinstimmung mit einem Schleiffluss-Bearbeitungsverfahren ausgebildet wird.
  3. Kugelumlaufspindel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführungspfad teilweise durch ein Rohr (4) gebildet wird, das den Stoppteil (42) um fasst, wobei die Anstiegsoberfläche (22b) auf der inneren peripheren Oberfläche der Mutter (2) ausgebildet ist, um den Rückführungspfad zu bilden.
  4. Kugelumlaufspindel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halteteil zwischen benachbarten Kugeln (3) angeordnet ist, wobei das Halteteil konkav geformte Oberflächen zum Aufnehmen der Kugeln (3) in den zwei unteren Oberflächen eines im wesentlichen zylindrischen Körpers umfasst.
  5. Kugelumlaufspindel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein kugelförmiger Körper, der kleiner als die Kugel (3) ist, zwischen benachbarten Kugeln (3) angeordnet ist.
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