JP2004308856A

JP2004308856A - ボールねじ

Info

Publication number: JP2004308856A
Application number: JP2003105995A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Sekino; 和雄関野; Shigeru Okita; 滋沖田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】高速回転等の使用条件が厳しい場合でも寿命の長いボールねじを提供する。
【解決手段】戻し路とボール転動溝２１との境界部分に、ボール転動溝２１の底を示す螺旋の延長線２１ａより凹んだ滑らかな曲線に沿う立ち上がり面２７を、ボール転動溝２１に滑らかに連続するように形成する。この立ち上がり面２７と戻し路との境界部に、曲率半径Ｒがボール３の直径の０．０５倍以上である丸み部２８を形成する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌道と戻し路との境界部分に特徴を有するボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のボールねじの一例を図７（斜視図）および８（断面図）に示す。このボールねじは、ボールの戻し路としてチューブを用いるチューブ式ボールねじであり、ねじ軸１とナット２とボール３とチューブ４とで構成されている。図７の符号５はチューブ４をナット２に固定するチューブ押えであり、図８ではこのチューブ押え５が省略されている。
【０００３】
ねじ軸１の外周面とナット２の内周面には螺旋状の溝１１，２１が形成されており、これらの螺旋溝１１，２１でボール３の軌道が形成されている。そして、ボール３がこの軌道を負荷状態で転動することにより、ナット２はねじ軸１に対して相対的に直線移動する。すなわち、ねじ軸１およびナット２の螺旋溝１１，２１がボール転動溝となっている。
【０００４】
チューブ４は略門形に形成され、その両端部が、ナット２をなす円筒に設けた貫通穴２２内に挿入され、軌道の始点と終点を連結するように、ねじ軸１を挟んで斜向かいに配置されている。したがって、軌道の終点に達したボール３はこのチューブ４を通って軌道の始点に戻される。この例では、ボール循環経路（軌道＋戻し路）を２つ有するため、チューブ４を２本備えている。
【０００５】
図９は、このボールねじの部分断面図であって、軌道と戻し路との境界部分およびその周辺部を示す。この図に示すように、ナット２には、外周面からボール転動溝２１に向けて貫通穴２２が形成されており、この貫通穴２２内にチューブ４の端部が配置されている。
この貫通穴２２は、チューブ４の端面を受ける段差部２２ａを有する。これにより、チューブ４の端部を貫通穴２２に取り付けたときに、貫通穴２２の段差部２２ａよりボール転動溝２１側の面（溝側の面）２２ｂが、チューブ４の内面４１と一致するようにしてある。この溝側の面２２ｂが、戻し路の端部がナット２のボール転動溝２１から立ち上がる立ち上がり面に相当する。
【０００６】
また、チューブ４の端部には、取り付け状態で貫通穴２２の溝側の面２２ｂに対向配置されるタング４２が形成されている。このタング４２が、ねじ軸のボール軌道溝１１の底面付近まで延び、ボール転動溝１１，２１からなる軌道３０の端部をなす止め部となっている。
したがって、軌道３０の終点付近に至ったボール３はタング４２の先端に当たって掬い上げられ、貫通穴２２の溝側の面（立ち上がり面）２２ｂとタング４２との間を通ってチューブ４内に導かれる。また、チューブ４内を移動したボール３は、貫通穴２２の溝側の面２２ｂとタング４２との間を通って軌道３０内に導かれる。
【０００７】
前述のような従来のチューブ式ボールねじには、戻し路の立ち上がり面２２ｂとナット２のボール転動溝２１との境界部２５が、ボール３のスムーズな移動を妨げるという問題点がある。この問題点を解決するために、下記の特許文献１には、角張っている境界部２５を削り取って滑らかな形状（例えば符号２７で示す面形状）に加工することが提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１４１０１９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、例えば、図９に符号２７で示すような、滑らかな立ち上がり面を設けると、この立ち上がり面２７とチューブ４の内面４１との境界部４５が角張った状態となり、この部分にボールが衝突してボールに過大な残留圧縮応力が発生する可能性がある。すなわち、特許文献１に記載の方法には、ボールねじの寿命向上に関してさらなる改良の余地がある。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、戻し路の両端部が、ナットのボール転動溝から立ち上がる立ち上がり面と、この立ち上がり面に対向配置されて軌道端をなす止め部とを有するボールねじにおいて、ナットのボール転動溝と戻し路との境界部分の形状を工夫することによって、高速回転等の使用条件が厳しい場合でも寿命の長いボールねじを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、これらのボール転動溝で形成される軌道内に配置された複数のボールと、軌道の終点から始点へボールを移動させる戻し路とを備え、戻し路の両端部は、ナットのボール転動溝から立ち上がる立ち上がり面と、この立ち上がり面に対向配置されて軌道端をなす止め部とを有するボールねじにおいて、前記立ち上がり面を、ボール転動溝の底を示す螺旋の延長線より凹んだ滑らかな曲線に沿って、且つ前記ボール転動溝に滑らかに連続するように形成し、この立ち上がり面と前記戻し路との境界部に、曲率半径がボールの直径の０．０５倍以上である丸み部を設けたことを特徴とするボールねじを提供する。
【００１２】
このボールねじによれば、前記立ち上がり面を、ボール転動溝の底を示す螺旋の延長線より凹んだ滑らかな曲線に沿って、且つ前記ボール転動溝に滑らかに連続するように形成することにより、無負荷圏である戻し路から負荷圏である軌道へのボールの進入がスムーズに行われる。
【００１３】
また、前記立ち上がり面と前記戻し路との境界部に、曲率半径がボールの直径の０．０５倍以上である丸み部を設けたことで、丸み部の曲率半径がボールの直径の０．０５倍未満である場合よりも、ボールが戻し路から軌道に入る際の衝突に伴いボールおよびナットに生じる応力を小さくすることができる。また、ナットが受ける衝突荷重の低下によって衝突に伴う金属粉の発生を抑えることができる。
これらのことから、本発明のボールねじは、高速回転等の使用条件が厳しい場合でも寿命が長くなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、この実施形態のボールねじの部分断面図であって、軌道と戻し路との境界部分およびその周辺部を示す。図２は、図１のＡ部分の拡大図である。この実施形態のボールねじの前記境界部分以外の構成は、図７および８に示す従来のボールねじと同じである。
【００１５】
図１に示すように、ナット２には、外周面からボール転動溝２１に向けて貫通穴２２が形成されており、この貫通穴２２内にチューブ４の端部が配置されている。この貫通穴２２は、チューブ４の端面を受ける段差部２２ａを有する。これにより、チューブ４の端部を貫通穴２２に取り付けたときに、貫通穴２２の段差部２２ａよりボール転動溝２１側の面２２ｂが、チューブ４の内面４１と一致するようにしてある。
【００１６】
また、チューブ４の端部には、取り付け状態で、後述の立ち上がり面２７に対向配置されるタング４２が形成されている。このタング４２が、ねじ軸のボール軌道溝１１の底面付近まで延び、ボール転動溝１１，２１からなる軌道３０の端部をなす止め部となっている。
そして、図２に示すように、戻し路とボール転動溝２１との境界部分に、ボール転動溝２１の底を示す螺旋の延長線２１ａより凹んだ滑らかな曲線に沿う立ち上がり面２７が、ボール転動溝２１に滑らかに連続するように形成されている。また、この立ち上がり面２７と戻し路との境界部に、曲率半径Ｒがボール３の直径の０．０５倍以上である丸み部２８が形成されている。
【００１７】
なお、ここでは、図２に示すように、ナット２の貫通穴２２のボール転動溝２１側の面２２ｂは、戻し路の端部がナット２のボール転動溝２１から立ち上がる「立ち上がり面」ではなく、チューブ４とともに戻し路を構成している。
この立ち上がり面２７は、ナット２にボール転動溝２１を研削加工で形成する際に、この部分での切り込み深さを、ボール転動溝２１の底を示す螺旋より深い所定の曲線に沿うように調整することで形成される。この立ち上がり面２７の形成によって、貫通穴２２のボール転動溝２１側の面２２ｂと立ち上がり面２７との境界が角部となるが、この角部を砥粒流動加工法により除去することで丸み部２８が形成される。
【００１８】
ここで、砥粒流動加工法とは、例えば炭化ケイ素、ダイヤモンド等の砥粒が混練された粘弾性流体を用いた表面除去（研磨）方法であり、加工物の加工箇所でこの粘弾性流体を流動させて、この流体中の砥粒を加工箇所で圧接移動させることにより、加工箇所の表面が除去される。
【００１９】
【実施例】
軌道と戻し路との境界部分の形状のみが異なるボールねじを作製して、各ボールねじの寿命を調べる試験を行った。
そのため、ＮＳＫ製のボールねじ「ＢＳ２５２０」（ボールの直径Ｄｗ：４．７６２５ｍｍ、ボールピッチ円の直径Ｄｍ：２５．５ｍｍ）を用い、そのナット２として、軌道と戻し路との境界部分が図２に示す形状のものと、図３に示す形状のものとを用意した。
【００２０】
図２の形状では、上述のように、戻し路とボール転動溝２１との境界部分（チューブ４の内面４１に連続するナット２の貫通穴２２の面２２ｂと、ボール転動溝２１との間の部分）Ｂに、ボール転動溝２１の底を示す螺旋の延長線２１ａより凹んだ滑らかな曲線に沿う立ち上がり面２７が、ボール転動溝２１に滑らかに連続するように形成されている。また、この立ち上がり面２７と前記戻し路（ナット２の貫通穴２２の面２２ｂ）との境界部に丸み部２８が形成されている。
【００２１】
この立ち上がり面２７の曲線は、ボール転動溝２１の底を示す螺旋の延長線２１ａからの凹み量が、ボール転動溝２１側から前記面２２ｂに向けて０から所定量（２０〜５０μｍ）まで順次変化する滑らかな曲線とした。また、図２の形状のナット２としては、立ち上がり面２７の曲線が同じで、丸み部２８の曲率半径Ｒが異なる６種類を用意した（表１のＮｏ．１〜６）。
【００２２】
図３の形状では、チューブ４の内面４１に連続するナット２の貫通穴２２の面２２ｂが、戻し路の端部がナット２のボール転動溝２１から立ち上がる立ち上がり面になっており、この立ち上がり面２２ｂとボール転動溝２１との境界部２５を丸み部にしてある。この図３は、この形状の場合の図１のＡ部分の拡大図に相当する。この図３の形状のナット２としては、丸み部２８の曲率半径Ｒが異なる５種類を用意した（表１のＮｏ．７〜１１）。
【００２３】
試験機としては、ＮＳＫ製のボールねじ耐久寿命試験機を用いた。試験条件は、予圧荷重：５００Ｎ、試験荷重：１０００Ｎ（アキシャル荷重）、回転速度（ｍｉｎ^−１）：５００，１０００，１５００，２０００，２５００，３０００、ストローク：５００ｍｍ、潤滑グリース：昭和シェル石油製「アルバニアＮｏ．２」とした。
【００２４】
各ボールねじを試験機にかけ、ねじ軸またはナットのボール転動溝およびボールのいずれかに剥離が生じるまでの走行距離を測定し、この測定値の計算寿命に対する比（計算寿命比）を算出した。なお、Ｎｏ．４、６、１０については上記６種類の回転速度で試験を行い、これ以外については回転速度３０００ｍｉｎ^−１でのみ試験を行った。
得られた各計算寿命比について、Ｎｏ．６で回転速度を１０００ｍｉｎ^−１として試験を行った場合の値を「１」とした相対値を、寿命比として算出した。その結果を下記の表１に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
また、この結果から得られた、丸み部２８，２５の「Ｒ／Ｄｗ」と寿命比の関係を図４に、試験時の回転速度と寿命比との関係を図５に、それぞれグラフで示す。
図４のグラフは、Ｎｏ．１〜１１の回転速度３０００ｍｉｎ^−１での試験結果を示す。図４において、「●」は、図１のＡ部分が図２の形状であるＮｏ．１〜６の各プロットを示し、「○」は、図１のＡ部分が図３の形状であるＮｏ．７〜１１の各プロットを示す。
【００２７】
図５のグラフの「●」は、図１のＡ部分が図２の構造であり、その丸み部２８の「Ｒ／Ｄｗ」が０．１０であるＮｏ．４を用いた場合の、試験時の回転速度が異なる各プロットを示す。図５のグラフの「×」は、図１のＡ部分が図２の構造であり、その丸み部２８の「Ｒ／Ｄｗ」が０．０３であるＮｏ．６を用いた場合の、試験時の回転速度が異なる各プロットを示す。図５のグラフの「○」は、図１のＡ部分が図３の構造であり、その丸み部２５の「Ｒ／Ｄｗ」が０．１０であるＮｏ．１０を用いた場合の、試験時の回転速度が異なる各プロットを示す。
【００２８】
図４のグラフから分かるように、図１のＡ部分を図２の構造とすることによって、図１のＡ部分を図３の構造とした場合よりも、回転速度３０００ｍｉｎ^−１での寿命を４倍以上に長くすることができる。また、図１のＡ部分を図２の構造とした場合においては、丸み部２８の「Ｒ／Ｄｗ」を０．０５以上とすることにより、回転速度３０００ｍｉｎ^−１で、丸み部２８の「Ｒ／Ｄｗ」を０．０３とした場合の４倍以上の寿命が得られる。
【００２９】
図５のグラフでは、「●」と「○」との比較から分かるように、丸み部２８の「Ｒ／Ｄｗ」が同じ「０．１０」でも、図１のＡ部分を図２の形状とした「●」は、図３の形状とした「○」よりも、回転速度５００〜３０００ｍｉｎ^−１の範囲で長い寿命が得られる。また、試験時の回転速度が上昇するにつれて「●」と「○」との寿命比の差が大きくなり、図１のＡ部分を図２の形状にすることによって、回転速度２０００ｍｉｎ^−１以上の高速回転時の寿命を長くできることが分かる。これに対して図１のＡ部分を図３の形状にした場合には、高速回転時に寿命が短くなっている。
【００３０】
以上のことから、本発明の実施例に相当する、図１のＡ部分を図２の形状として、その丸み部２８の「Ｒ／Ｄｗ」を０．０５以上としたボールねじは、低速回転時だけでなく、回転速度２０００ｍｉｎ^−１以上の高速回転時であっても寿命が長いことが分かる。
なお、丸み部２８，２５の曲率半径Ｒは、以下に示す方法で測定することができる。先ず、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、ボール３の接触角α分だけ水平面から傾くようにナット２を固定する。次に、チューブ４の端部を挿入するためにナット２に設けてある貫通穴２２に、輪郭形状測定機６のプローブ６１を入れ、図６（ｃ）に示すように、ナット２のボール転動溝２１から貫通穴２２のボール転動溝２１側の面２２ｂに向けてプローブ６１を移動させる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高速回転等の使用条件が厳しい場合でも寿命の長いボールねじが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に相当するボールねじの、軌道と戻し路との境界部分およびその周辺部を示す断面図である。
【図２】図１のＡ部分の拡大図である。
【図３】軌道と戻し路との境界部分が、貫通穴のボール転動溝側の面が立ち上がり面になっていて、この立ち上がり面とボール転動溝との境界部に丸みを設けている形状である場合の、図１のＡ部分の拡大図に相当する図である。
【図４】試験結果から得られた寿命比と「Ｒ／Ｄｗ」との関係をグラフである。
【図５】試験結果から得られた寿命比と試験時の回転速度との関係を示すグラフである。
【図６】丸み部の曲率半径を測定する方法を説明する図である。
【図７】チューブ式ボールねじの一例を示す斜視図である。
【図８】チューブ式ボールねじの一例を示す断面図であって、ナットのみが断面になっている。
【図９】従来のボールねじの、軌道と戻し路との境界部分およびその周辺部を示す断面図である。
【符号の説明】
１ねじ軸
１１ねじ軸のボール転動溝（螺旋状の溝）
２ナット
２１ナットのボール転動溝（螺旋状の溝）
２１ａボール転動溝の底を示す螺旋の延長線
２２ナットの貫通穴
２２ａ貫通穴の段差部
２２ｂ貫通穴のボール転動溝側の面
２５丸み部（立ち上がり面とボール転動溝との境界部）
２７立ち上がり面
２８丸み部（立ち上がり面と戻し路との境界部）
３ボール
３０軌道
４チューブ
４１チューブの内面
４２タング（軌道端をなす止め部）
５チューブ押え
６輪郭形状測定機
６１プローブ

Claims

外周面に螺旋状のボール転動溝を有するねじ軸と、内周面に螺旋状のボール転動溝を有するナットと、これらのボール転動溝で形成される軌道内に配置された複数のボールと、軌道の終点から始点へボールを移動させる戻し路とを備え、戻し路の両端部は、ナットのボール転動溝から立ち上がる立ち上がり面と、この立ち上がり面に対向配置されて軌道端をなす止め部と、を有するボールねじにおいて、
前記立ち上がり面を、ボール転動溝の底を示す螺旋の延長線より凹んだ滑らかな曲線に沿って、且つ前記ボール転動溝に滑らかに連続するように形成し、
この立ち上がり面と前記戻し路との境界部に、曲率半径がボールの直径の０．０５倍以上である丸み部を設けたことを特徴とするボールねじ。