JP2004098191A

JP2004098191A - ボールねじ及びそのねじ溝研削方法

Info

Publication number: JP2004098191A
Application number: JP2002260842A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nobutomo; 信朝　雅弘
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】研削条件の変更だけで特定周波数の振動発生を抑えることができ、機械へ組付けられた後の共振による異常信号、異音を防ぐことのできるボールねじを提供する。またそのねじ溝研削方法を提供する。
【解決手段】ねじ軸２またはナット３のねじ溝５，６が研削仕上げされたものである。その研削仕上げ面は、加工時の振動で生じるラジアル方向に出入りした加工うねりを持つ。このようなボールねじ１において、上記加工うねりが素材周方向に周期性を有しないものとする。この周期性を有しないものとするために、研削加工は、研削途中で素材と砥石の相対回転の速度を変化させるようにする。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、種々の機器に用いられるねじ溝研削仕上げのボールねじ、及びそのねじ溝の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールねじのねじ溝加工方法には、大きく分けて▲１▼研削、▲２▼転造の２種類がある。この中で、研削によるボールねじは、位置決め精度や高速送りが求められる工作機械の他、半導体製造装置、射出成形機、電動プレス機、および自動車用ボールねじなどに主として使用されている。
ねじ軸のねじ溝研削では、図２（Ａ）に示すように、ねじ軸２に対して、ねじ溝断面形状にドレスした砥石８を、リード角θ分傾けてセットする。次に、ねじ軸２と砥石８を相対的に回転させ、さらにねじ軸２の１回転に対して砥石８を１リードの割合で軸方向（ｄ）に送り、ねじ溝５を研削する。このとき、ねじ軸２の回転速度ｎと砥石８の回転速度Ｎは各々一定として研削している。
【０００３】
上記のように研削を行うが、機械剛性等による砥石８やねじ軸２の芯ぶれにより、ねじ溝５には周期的な変動成分であるラジアル方向に出入りした加工うねりｅ（図２（Ｃ））が発生してしまう。すなわち、ねじ軸２の回転速度ｎと砥石８の回転速度Ｎが一定であると、ねじ溝２１の内面にはＮ／ｎで示される角数を持った一定間隔の加工うねりｅが発生してしまう。ねじ溝５の内面に加工うねりｅがあると、この上をボールが通過した時に、ねじ軸回転速度に比例した特定周波数の振動や音が発生する。特に、機械の基台やカバー等がこの特定周波数と同一の固有振動数を持っていたとすると、お互いが共振して更に大きな異常振動や異音が発生する。
【０００４】
この周期的な振動の発生を抑えるために、例えばボール間に幅寸法の異なる間座を挿入し、ボール間隔を不均一にして、特定周波数の振動を発生させないようにすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、研削後に超仕上げを行うことも提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１４１０２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の間座を用いる提案では、ボール間に多種類の間座を挿入する必要があること、また多数の間座を不規則にボール間に挿入する必要があること、間座の幅もボールの循環を妨げる程度にまでしか広げられないこと、間座を挿入することにより組立工数が増えて価格が高くなること、間座を挿入するために負荷を受けられるボール個数が減少し定格荷重が減少してしまうこと、等の問題があった。また、研削後に超仕上げを行うのでは、加工工数が増えて価格が高くなる。
【０００７】
この発明の目的は、研削条件の変更だけで特定周波数の振動発生を抑えることができ、機械へ組付けられた後の共振による異常振動、異音を防ぐことのできるボールねじを提供することである。
この発明の他の目的は、研削条件の変更だけで特定周波数の振動発生を抑えたボールねじを得ることのできるねじ溝研削方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明のボールねじは、ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝との間にボールが介在し、上記ねじ軸およびナットのねじ溝のうち、少なくとも片方のねじ溝が、素材と砥石との相対回転で研削仕上げされたものであり、その研削仕上げ面が、加工時の振動で生じるラジアル方向に出入りした加工うねりを持つボールねじであって、次の特徴を有するものである。すなわち、この発明における第１の発明のボールねじは、上記加工うねりが素材周方向に周期性を有しないことを特徴とする。
ねじ溝を研削仕上げとすると、素材剛性や砥石軸等の機械剛性で生じる加工時の振動により、ラジアル方向に出入りした微小な加工うねりを生じることが避けられない。しかし、この加工うねりの素材周方向の周期性を無くすことは可能であり、この周期性を有しなければ、各ボールがねじ溝内面の加工うねりの頂部を通過する際に発生する振動周波数成分を打ち消し合う。このため、ボールねじが特定周波数の振動や騒音を発生することが防止される。したがって、ボールねじが機械へ組付けられた後の共振による異常振動や異音を防ぐことができる。
【０００９】
この発明における第２の発明のボールねじは、上記研削仕上げ面が、上記加工うねりの素材周方向の周期性を互いに相殺する複数の研削条件の研削加工が行われた面であることを特徴とする。この互いの相殺は、完全に相殺し合わなくても良く、相殺部分が生じれば良い。
上記研削仕上げ面は、ボールねじの性能面からは、加工うねりが素材周方向に周期性を有しないことが理想である。しかし多少の周期性があっても、素材周方向の周期性を互いに相殺する複数の研削条件の研削加工が行われた面であれば、ボールねじの駆動時に、各ボールがねじ溝内面の加工うねりの頂部を通過する際に発生する振動周波数成分を打ち消し合う作用が得られ、特定周波数の振動や騒音の発生が軽減される。また、研削加工後に超仕上げ等の別加工を行うものと異なり、研削仕上げとしてその研削加工を、加工うねりの素材周方向の周期性が互いに相殺されるように複数の研削条件で行うため、加工工程が増えず、コスト増が避けられる。
【００１０】
この発明のボールねじのねじ溝研削方法は、ボールねじのねじ軸またはナットのねじ溝を、これらねじ軸またはナットの素材と砥石との相対回転により研削仕上げするボールねじのねじ溝研削方法であって、研削途中で研削条件を変更することにより、上記加工うねりの素材周方向の周期性を相殺しながら研削することを特徴とする。
このように、加工うねりの素材周方向の周期性を相殺しながら研削することにより、ねじ溝内面を、加工うねりが素材周方向に周期性を有しない研削仕上げ面とすることができる。このような研削仕上げ面とすることにより、ボールねじの駆動時に、特定周波数の振動や騒音を発生することが軽減される。研削加工後に別加工を施す方法と異なり、研削加工の途中で研削条件を変更する方法であるため、加工工程が増えず、コスト増が避けられる。
【００１１】
加工うねりの素材周方向の周期性を相殺しながら研削する方法としては、例えば、研削途中で上記素材と砥石の相対回転の速度を変化させる方法が採用できる。この速度変化により、ねじ溝内面の加工うねりが、各速度の加工時の加工毎に角数の異なるものとなって、素材周方向の周期性が無くなり、あるいは低減する。このため、ボールねじ駆動時に特定の回転速度で発生する強制振動や騒音を無くしたり、低減することが可能である。速度変更だけで良いため、研削盤の制御が容易に行える。
【００１２】
研削途中で素材と砥石の相対回転の速度を変化させる処置は、素材の回転速度を変化させることで行っても良く、また砥石の回転速度を変化させることで行っても良い。素材の回転速度を変化させるときは、この変化する回転速度と同期して、砥石の軸方向の送り速度も変化させる制御が必要となる。
上記研削途中の相対回転速度の変化は、段階的に変化させるようにしても良く、また無段階に変化させるようにしても良い。段階壁な変化とすると、制御が容易である。無段階の変化とすると、加工うねりの素材周方向の周期性を無くす効果が、より効果的に得られる。
研削途中の相対回転速度の変化は、低速から高速へ、または高速から低速へ一方向に行うようにしても良いが、加工途中で相対回転速度が低速になったり、高速になったりする変化が繰り返して行われるようにしても良い。この繰り返しは周期的に行われるようにしても良い。繰り返し変化させることで、加工うねりの周期性を無くし効果が得易くなる。また周期的に変化させるようにすると、制御が容易である。
【００１３】
研削途中の相対回転速度の変化を周期的に行わせ、また素材を回転させる場合に、相対回転の速度を異ならせる周期を、素材の１回転の周期と同じか、または１回転の周期よりも短くしても良い。また相対回転の速度を異ならせる周期を、素材の１回転の周期の整数分の１としても良い。
この場合、素材の１回転毎、または１回転に達する前に相対回転の速度を異ならせる周期を完了させることになるため、速度を変えたことによる加工うねりの素材周方向の周期性無くし効果が顕著となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。このボールねじ１は、ねじ軸２の外周にナット３が遊嵌し、これらねじ軸２の外径面とナット３の内径面に対向して形成されたねじ溝５，６の間に複数のボール４を介在させたものである。ナット３には、ねじ溝５，６間のボール４を循環させる循環部７が形成してある。循環部７は、図示の例ではエンドキャップ形式としてあるが、循環部７は、この他にガイドプレート形式、リターンチューブ形式、こま式等、任意の形式のものが使用できる。
【００１５】
ねじ軸２およびナット３は、いずれも鋼製であり、そのねじ溝５，６は研削仕上げされたものとしてある。これらねじ溝５，６は、ねじ軸２またはナット３となる軸状または円筒状の素材に旋削等により溝形状を形成した後、図２にねじ軸２の例を示すように、砥石８を用いて研削仕上げされる。砥石８は、いわゆる総形の砥石であり、ねじ溝５の断面形状に応じた断面形状に整形されている。砥石８には回転砥石が用いられる。
ねじ溝５の内面の研削仕上げは、ねじ軸２の素材Ｗと砥石８との相対回転で行われたものである。この研削仕上げ面は、加工時の振動で生じるラジアル方向に出入りした加工うねりｅを持つが、この加工うねりｅは、素材周方向に周期性を有しないものとされている。なお、加工うねりｅは、素材周方向に周期性があっても良いが、少なくとも、素材周方向の周期性を互いに相殺する複数の研削条件の研削加工が行われた面とされている。
図２はねじ軸２につき示したが、ナット３のねじ溝６についても、ねじ軸２と同様な研削仕上げが行われる。
【００１６】
図２と共に、ねじ軸２のねじ溝５の研削方法を説明する。ねじ溝５が旋削等により加工されたねじ軸素材Ｗに対して、ねじ溝断面形状に形成された砥石８を、ねじ溝５のリード角θ分だけ傾けて位置させる。次に、ねじ軸素材Ｗと砥石８とを相対的に回転させる。両者の回転方向は互いに逆とする。このとき、砥石８は、ねじ溝５の１リード／１回転分の割合でねじ軸素材Ｗに対して軸方向に送りながら研削を行う。ねじ軸素材Ｗと砥石８の相対回転は、例えば、ねじ軸素材Ｗと砥石８の両方を共に回転させることで行う。両者の回転方向は互いに逆方向とする。
【００１７】
この研削加工では、研削途中で研削条件を変更することにより、加工うねりｅの素材周方向の周期性を相殺しながら研削する。具体的には、研削途中で素材Ｗと砥石８の相対回転の速度を変化させる。この場合に、研削途中で素材Ｗと砥石８の相対回転の速度を変化させる処置は、砥石８の回転速度を一定に保ち、素材Ｗの回転速度を変化させることで行っても良く、また素材Ｗの回転速度を一定に保ち、砥石８の回転速度を変化させることで行っても良い。素材Ｗの回転速度を変化させるときは、この変化する回転速度と同期して、砥石８の軸方向の送り速度も変化させる制御が必要となる。
この研削途中の相対回転速度の変化は、段階的に変化させるようにしても良く、また無段階に変化させるようにしても良い。段階壁な変化とすると制御が容易である。無段階の変化とすると、加工うねりｅの素材周方向の周期性を無くす効果が、より効果的に得られる。
【００１８】
研削途中の相対回転速度の変化は、低速から高速へ、または高速から低速へ一方向に行うようにしても良いが、加工途中で相対回転速度が低速になったり、高速になったりする変化が繰り返し行われるようにしても良い。この繰り返しは、例えば図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、周期的に行われるようにしても良い。繰り返し変化させると、加工うねりｅの周期性無くし効果が得易い。周期的に変化させるようにすると、制御が容易である。
研削途中の相対回転速度の変化を周期的に行わせる場合に、相対回転の速度を異ならせる周期Ｔ（図３）を、素材Ｗの１回転の周期と同じか、または素材Ｗの１回転の周期の整数分の１としても良い。また、周期Ｔは、１回転の周期よりも短くしても良い。これにより、加工うねりｅの周期性無くし効果が顕著に得られる。
【００１９】
次に、試験例を説明する。砥石８とねじ軸素材Ｗの回転速度を図３（Ａ）のように一定とした従来の研削条件下での騒音測定データを図４に示す。砥石回転速度をＮ、素材回転速度をｎとすると、Ｎ／ｎ＝４１とした。理論上、ねじ軸２には４１角のラジアル方向の加工うねりｅが発生する。
図４は、上記条件で研削したねじ軸２を用いたボールねじ１において、ねじ軸２の回転速度を８００〜２０００ｒ／ｍｉｎまで１００ｒ／ｍｉｎ間隔で１３段階変化させ、各々の回転速度の時の音を周波数を分析し、３次元表示したものである。縦軸は騒音値をｄＢで示し、横軸は右に大となる周波数を示している。図４の曲線部分▲１▼に示されるように、回転速度が速くなるのに比例して周波数が高くなる騒音が認められた。解析の結果、この周波数成分は４１角に対応する周波数であることが判明した。
【００２０】
次の段階として、図３（Ｂ）に示すように、ねじ軸研削時に、ねじ軸２の回転速度を４段階に繰り返して周期的に変化させた。同図は１周期Ｔの部分の変化を示す。各条件下での理論うねり角数は、段階▲１▼は６６角、段階▲２▼は５５角、段階▲３▼は４７角、段階▲４▼は４１角である。周期Ｔをねじ軸２の１２回転分として研削を行い、このねじ軸２を用いたボールねじ１の騒音を測定した結果が図５である。同図から、４段階の角数に伴う４種類の騒音の周波数が認められた。同図における符号▲１▼〜▲４▼は、図３（Ｂ）の段階▲１▼〜▲４▼に対応する騒音高まり部分を示す。同じく周期Ｔをねじ軸２の６回転分（素材Ｗの１回転毎に素材回転数を別段階に変更）で研削した結果を図６に示すが、図５と同様に４種類の周波数成分が認められ、当初の予測効果は認められなかった。
【００２１】
次に、周期Ｔをねじ軸２の１回転分（ねじ軸２が６０°回転する毎にねじ軸２の回転速度を変更）として研削したボールねじ１を用い、騒音測定を行った結果を図７に示す。同図では、回転速度に比例した騒音の周波数成分は認められなかった。４段階の角数▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼から発生する各々の周波数成分は、お互いが打ち消し合い、騒音として現れていないことが解る。
【００２２】
上記と同様に図３（Ｃ）に示すように、周期Ｔをねじ軸２の１回転分として、無段階にねじ軸２の回転速度を変化させて騒音を測定したが、特定の周波数成分を持った騒音は認められなかった。
【００２３】
これらの試験結果を含め、ねじ溝研削加工時のねじ軸回転速度の段階数、および変化させる周期Ｔ（１周期におけるねじ軸回転数で示す）と、特定周波数成分の騒音（強制振動音）の発生状況の関係を表１にまとめて示す。なお、表１の研削時は、ねじ軸回転速度に同期させて砥石の軸方向送りも制御している。
【００２４】
【表１】

【００２５】
この表１から、ねじ軸素材Ｗの回転速度変化の段階数と周期Ｔの関係の設定により、強制振動の発生を抑えることができることが理解される。すなわち、段階数が４段階および５段階の場合は、いずれも周期Ｔが１の場合に強制振動の発生がない。５段階の場合は、周期Ｔを０．５とした場合（１／２の場合）についても測定したが、強制振動はなかった。これより、周期Ｔが１以下の場合（ねじ軸素材Ｗの１回転の周期よりも短いか、または同じである場合）に、強制振動の発生がないと考えられる。無段階の場合は、周期Ｔの設定に関係なく強制振動の発生を抑えることができ、より効果的であることも理解される。
【００２６】
なお、上記実施例では、ねじ溝２のねじ溝５について説明したが、ナット３のねじ溝６の研削加工においても、加工途中に素材と砥石の相対回転速度を変化させることで、ねじ軸２の場合と同様に、加工うねりｅの周期性を無くし、または低減させることができる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明のボールねじは、ねじ溝内面が研削仕上げされ、その研削仕上げ面が加工うねりを持つものにおいて、上記加工うねりが素材周方向に周期性を有しないものとしたため、研削条件の変更だけで特定周波数の振動発生を抑えることができて、安価に振動抑制が行え、機械へ組付けられた後の共振による異常振動、異音を防ぐことができる。
この発明のボールねじのねじ溝研削方法は、研削途中で素材と砥石の相対回転の速度を変化させるなど、研削途中で研削条件を変更することにより、加工うねりの素材周方向の周期性を相殺しながら研削する方法であるため、研削条件の変更だけで特定周波数の振動発生を抑えたボールねじを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかるボールねじの断面図である。
【図２】（Ａ）は同ボールねじのねじ溝加工方法を示す正面図、（Ｂ）は同側面図、（Ｃ）はその加工うねりの説明図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ砥石と素材間の相対回転速度の各種変化パターン例を示すグラフである。
【図４】比較例の研削条件下で研削したボールねじの騒音測定結果のグラフである。
【図５】実施例のボールねじの騒音測定結果のグラフである。
【図６】他の実施例のボールねじの騒音測定結果のグラフである。
【図７】さらに他の実施例のボールねじの騒音測定結果のグラフである。
【符号の説明】
１…ボールねじ
２…ねじ軸
３…ナット
４…ボール
５，６…ねじ溝
８…砥石
ｅ…加工うねり
Ｗ…素材

Claims

ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝との間にボールが介在し、上記ねじ軸およびナットのねじ溝のうち、少なくとも片方のねじ溝が素材と砥石との相対回転で研削仕上げされたものであり、その研削仕上げ面が、加工時の振動で生じるラジアル方向に出入りした加工うねりを持つボールねじであって、上記加工うねりが素材周方向に周期性を有しないことを特徴とするボールねじ。
ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝との間にボールが介在し、上記ねじ軸およびナットのねじ溝のうち、少なくとも片方のねじ溝が、素材と砥石との相対回転で研削仕上げされたものであり、その研削仕上げ面が、加工時の振動で生じるラジアル方向に出入りした加工うねりを持つボールねじであって、上記研削仕上げ面が、上記加工うねりの素材周方向の周期性を互いに相殺する複数の研削条件の研削加工が行われた面であることを特徴とするボールねじ。
ボールねじのねじ軸またはナットのねじ溝を、これらねじ軸またはナットの素材と砥石との相対回転により研削仕上げするボールねじのねじ溝研削方法であって、研削途中で研削条件を変更することにより、上記加工うねりの素材周方向の周期性を相殺しながら研削することを特徴とするボールねじのねじ溝研削方法。
ボールねじのねじ軸またはナットのねじ溝を、これらねじ軸またはナットの素材と砥石との相対回転により研削仕上げするボールねじのねじ溝研削方法であって、研削途中で上記素材と砥石の相対回転の速度を変化させることを特徴とするボールねじのねじ溝研削方法。
請求項４において、素材の回転速度を変化させることで、素材と砥石の相対回転の速度を変化させるボールねじのねじ溝研削方法。
請求項４において、砥石の回転速度を変化させることで、素材と砥石の相対回転の速度を変化させるボールねじのねじ溝研削方法。
請求項４ないし請求項６のいずれかにおいて、回転速度を段階的に変化させるボールねじのねじ溝研削方法。
請求項４ないし請求項７のいずれかにおいて、回転速度を無段階に変化させるボールねじのねじ溝研削方法。
請求項４ないし請求項８のいずれかにおいて、研削途中で素材と砥石の相対回転の速度を周期的に変化させるボールねじのねじ溝研削方法。
請求項９において、素材を回転させ、かつ相対回転の速度を異ならせる周期を、素材の１回転の周期と同じか、またはこの１回転の周期よりも短くしたボールねじのねじ溝研削方法。