JP2006083988A

JP2006083988A - ボールねじ

Info

Publication number: JP2006083988A
Application number: JP2004271288A
Authority: JP
Inventors: Daiki Takahashi; 大樹高橋
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】高荷重下で使用され、「こじり」モーメントが加わった場合でも長寿命なボールねじを提供する。
【解決手段】ねじ軸１およびナット２を所定の鋼で形成する。ねじ軸１およびナット２のねじ溝１１，２１の表層部とボール３の表層部の残留オーステナイト量を、２０体積％以上４０体積％以下にする。ねじ軸およびナットの表層部の硬さ（Ｈ１）の、ボールの表層部の硬さ（Ｈ２）に対する比を、ビッカース硬さ（Ｈｖ）で０．９５以上０．９９以下とする。
【選択図】図２

Description

この発明はボールねじに関する。

例えば、電動射出成形機やメカニカルプレス装置用のボールねじは、比較的大型で高荷重を受ける。そのため、従来より、ねじ軸とナットは、ＳＣＭ４２０ＨやＳＣＭ４１５Ｈ等の浸炭鋼を所定形状に加工した後、８７０〜９００℃で浸炭を行い、次いで、焼入れと焼戻しを施して、ねじ軸の外周面およびナットの内周面の表層部の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で７００程度にしている。また、ボールとしては、高炭素クロム軸受鋼２種（ＳＵＪ２）製で表層部の表面硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）で７５０程度のものを用いている。しかしながら、使用条件が過酷になるにつれて、上記従来例のボールねじでは耐摩耗性が不十分となっている。

下記の特許文献１には、特に耐摩耗性が要求される用途に好適な転がり軸受およびボールねじ装置についての記載がある。ここでは、転がり軸受またはボールねじ装置の転動部材の少なくとも一つを、重量％（質量％）で、Ｃ；０．１〜０．７％、Ｓｉ；０．１〜１．５％、Ｍｎ；０．１〜１．５％、Ｃｒ；０．５〜３．０％、Ｖ；０．６〜２．０％、Ｍｏ；３．０％以下、Ｎｉ；２．０％以下で含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる合金鋼で形成し、これに９２０℃以上の温度で浸炭窒化を施して完成品表面の炭素濃度を０．７〜１．３重量％、窒素濃度を０．１５〜０．３重量％とすることにより、その表面に粒径０．１μｍ以下の炭化物、窒化物、および炭窒化物を少なくとも４００個／１００μｍ²析出させている。

下記の特許文献２には、電動射出成形機やメカニカルプレス装置用のボールねじのように、瞬間的な高荷重が加わり、短ストロークで使用されるボールねじでも、ボール表面の損傷を防止して、十分な耐久寿命を確保できるようにするための技術が記載されている。ここでは、少なくともボールを、重量比（質量比）にして、Ｃ：０．８〜１．５％、Ｓｉ：０．４〜１．２％、Ｍｎ：０．８〜１．５％およびＣｒ：０．８〜１．８％を含有する鋼を素材とし、この素材を浸炭窒化処理した後、焼入れ、焼戻し処理し、表層部の残留オーステナイト量を２０〜４０体積％としている。

従来のボールねじの一例を図６（斜視図）および７（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６の符号６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７ではこのチューブ押え６が省略されている。
ねじ軸１の外周面とナット２の内周面には、螺旋状の溝（ねじ溝）１１，２１が形成されており、これらのねじ溝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。

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。

図８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、外周面からねじ溝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よりねじ溝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のねじ溝２１から立ち上がる立ち上がり面に相当する。

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、ねじ軸のねじ溝１１の底面付近まで延び、ねじ溝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。

こ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のねじ溝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。すなわち、この境界部２５にボール３が衝突してボールに損傷が生じたり、無負荷圏であるチューブ４内から負荷圏である軌道内に連続的にボール３が入ることで境界部２５に応力が集中する恐れがある。この問題点を解決するために、下記の特許文献３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。

下記の特許文献４には、ボールねじの各ボール間に、ボールの半径より曲率半径の大きい凹球面に形成された円盤形状のセパレータを配置することが記載されている。
特開２０００−２１２７２１号公報特開２０００−３４６１６３号公報特開２００１−１４１０１９号公報特開平１１−３１５８３５号公報

しかしながら、上記各特許文献に記載された技術を単に組み合わせただけでは、高荷重で使用されるボールねじの寿命を十分に向上させることができない。
すなわち、高荷重で使用されるボールねじでは、機台にボールねじを取り付ける際に、取り付け誤差が大きかったり機台の変形が生じたりすると、こじり（ねじ軸とナットとの間に生じる相対的な傾き）が発生する恐れがある。そして、ボールねじに「こじり」モーメントが加わると、ナット内に常に、ボールとの接触面圧の高い箇所が存在することになるため、寿命の低下を招く。
本発明の課題は、高荷重下で使用され、「こじり」モーメントが加わった場合でも長寿命なボールねじを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、外周面に螺旋状の溝（ねじ溝）が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝（ねじ溝）が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を備えたボールねじにおいて、下記の構成(1) 〜(4) を満たすことを特徴とするボールねじを提供する。

(1) ねじ軸およびナットは、「ＪＩＳＧ４０５２」で規定する鋼材ＳＣＭ４１５ＨまたはＳＣＭ４２０Ｈを所定形状に形成した後、浸炭を行い、次いで、焼入れと焼戻しを施して、ねじ軸の外周面およびナットの内周面の各表層部（表面から１．０ｍｍ〜２．５ｍｍの深さまでの部分であり、軸径によって異なる。）の炭素含有率を０．９５質量％以上１．３質量％以下とすることにより得られ、前記各表層部に粒径０．１μｍ以下の炭化物を面積率で「４００個／１００μｍ²」以上含有する。
(2) ねじ軸の外周面およびナットの内周面の各表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下である。
(3) ボールの表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下である。
(4) ねじ軸およびナットの表層部の硬さ（Ｈ１）の、ボールの表層部の硬さ（Ｈ２）に対する比（Ｈ１／Ｈ２）が、ビッカース硬さ（Ｈｖ）で０．９５以上０．９９以下である。

ここで、ねじ軸の外周面およびナットの内周面の表層部と、ボールの表層部の残留オーステナイト量が２０体積％未満であると、ねじ軸およびナットのねじ溝面およびボール表面の靱性が不足する。また、前記各表層部の残留オーステナイト量が４０体積％を超えると、ねじ溝面およびボール表面の硬さが不足する。

本発明のボールねじによれば、ねじ軸およびナットが前記構成(1) を満たすことによりねじ溝の耐摩耗性が良好になり、ねじ軸およびナットが前記構成(2) を満たすことによりねじ溝面に適度な靱性が付与される。また、ボールが前記構成(3) を満たすことによりボール表面に適度な靱性が付与される。また、前記構成(4) により、ねじ軸およびナットとボールとの表層部の硬さの関係が良好になる。よって、高荷重下で使用され、「こじり」モーメントが加わった場合の寿命が長くなる。
本発明のボールねじは、隣接するボール間に、ボールを受ける凹面を有するセパレータが配置されていることが好ましい。これにより、ボール同士の競り合いが生じなくなるため、これに起因する作動性および耐久性の低下が回避できる。

本発明のボールねじにおいて、前記戻し路の両端部は、ナットの螺旋状の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、を有し、前記立ち上がり面を、前記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形成し、前記溝に滑らかに連続させ、この立ち上がり面と前記戻し路との境界部に丸み部を設けることが好ましい。
これにより、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。また、ボールが戻し路から軌道に入る際の衝突に伴って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。

本発明のボールねじによれば、高荷重下で使用され、「こじり」モーメントが加わった場合の寿命を長くすることができる。

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斜視図であり、図２はそ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３は図２のＡ部分の拡大図である。この実施形態のボールねじにおいて、チューブおよびチューブ押えの数と前記境界部分の構造以外は、図６および７に示す従来のボールねじと同じである。
このボールねじは高荷重用であり、図１に示すように、チューブ４を４本取り付けてボール循環路を４つ設けている。４本のチューブ４は、ナット２の周面の位相が１８０°ずれた位置に２本ずつ、ナット２の長さ方向両端部と中央部に設置されている。これにより、ボールねじに掛かる荷重のバランスをとっている。

図２に示すように、ナット２には、外周面からねじ溝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よりねじ溝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。
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、ねじ軸のねじ溝１１の底面付近まで延び、ねじ溝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３に示すように、チューブ（戻し路）４とねじ溝２１との境界部分に、ねじ溝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、ねじ溝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。
なお、ここでは、図３に示すように、ナット２の貫通穴２２のねじ溝２１側の面２２ｂは、戻し路の端部がナット２のねじ溝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にねじ溝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、ねじ溝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のねじ溝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。
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。

このようなボールねじのねじ軸、ナット、およびボールを、熱処理条件を変化させて作製することにより、表層部の残留オーステナイト量（γ_R）が表１に示す値となっているものを得た。ナット２のチューブ（戻し路）４とねじ溝２１との境界部分（図８の符号２５）を図３に示すように加工せず、図８の状態になっているものも作製した。そして、その他の部材は全て同じとし、下記の表１に示す組み合わせで同じ型番のボールねじを組み立てた。なお、前記加工は表１に「角部加工」と表示した。

組み立てたボールねじの型番はＮＳＫ「ＢＳ３６１０」であり、その諸元は、有効巻き数：２．５巻き、ねじ軸外径：３６ｍｍ、リード：１０ｍｍ、ボール径：６．３５ｍｍである。
ねじ軸およびナット用の素材としては、ＳＣＭ４２０Ｈからなる素材とＳＣＭ４１５Ｈからなる素材を用意した。
各素材をねじ軸およびナットの形状に加工した後、熱処理Ａでは、８７０〜９２０℃での浸炭（高濃度浸炭）後に焼戻しを施し、熱処理Ｂでは、８７０〜９００℃での浸炭処理（通常浸炭）後に焼戻しを施した。

熱処理後のねじ軸およびナットの表層部（表面から深さ０．２ｍｍまでの位置）の炭素含有率（質量％）：〔Ｃ〕、この表層部に存在する粒径０．１μｍ以下の炭化物の個数、この表層部のビッカース硬さ（Ｈ１）および残留オーステナイト量（γ_R）を測定した。また、ボールについても表層部（表面から深さ０．２ｍｍまでの位置）のビッカース硬さ（Ｈ２）と残留オーステナイト量（γ_R）を測定した。そして、粒径０．１μｍ以下の炭化物の面積率（個／μｍ²）と、硬さの比（Ｈ１／Ｈ２）を算出した。これらの結果も下記の表１に併せて示す。

セパレータとしては図４に示すものを使用した。図４（ａ）はその正面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。このセパレータ７は略円柱状であって、円柱の２つの底面にボール３を受ける凹面７１が形成されている。また、このセパレータ７には、円柱の中心軸に沿った貫通穴７２が設けてある。この貫通穴７２は油溜まりとして機能する。このセパレータ７はプラスチック製である。

得られたボールねじを日本精工（株）製のボールねじ耐久寿命試験機にかけて、試験荷重：８８２０Ｎ、ストローク：６０ｍｍ、回転速度：１５００ｒｐｍ、温度：１３０℃、潤滑剤：グリース「ルベールＹＳ−２」、モーメント荷重：０および１００Ｎ・ｍの条件で、ボールねじを往復運動させる耐久寿命試験を行った。なお、この条件でモーメント荷重が０および１００Ｎ・ｍの時の、面圧とナット内でのボール位置との関係を図４にグラフで示す。

この試験は、ねじ軸またはナットのねじ溝、あるいはボールのいずれかに剥離が生じるまでの総運動距離を測定した。次に、各サンプルで得られた測定値を、モーメント荷重０で行った試験でのNo. ８の測定値で除算して、寿命の相対値を算出した。No. ８のボールねじは、一般的な従来のボールねじである。
これらの結果も下記の表１に併せて示す。表中、本発明の範囲から外れている部分に下線を施した。

この表の結果から以下のことが分かる。
No. １〜７のボールねじは、ねじ軸、ナット、およびボールのいずれもが本発明の範囲内であるため、本発明の実施例に相当する。これに対して、No. ８〜１６のボールねじは、これらのいずれかの条件を満たさないため、本発明の比較例に相当する。
そして、No. １〜７のボールねじはNo. ８〜１６のボールねじよりも、寿命試験の結果が良好であった。また、セパレータを使用しているNo. １〜３，６〜１６の各ボールねじでの比較では、本発明の実施例に相当するNo. No. １〜３，６，７が比較例に相当するNo. ８〜１６よりも、モーメント荷重１００Ｎ・ｍでの寿命が長くなった。

No. ２とNo. ３の違いは、ナットの立ち上がり面の加工が図２のようになされているかいないかの違いであるが、この加工がなされているNo. ２はなされていないNo. ３よりもモーメント荷重０ｋＮ・ｍでの寿命が長くなった。
No. ４とNo. ５の違いは、ナットの立ち上がり面の加工が図２のようになされているかいないかの違いであるが、この加工がなされているNo. ４はなされていないNo. ５よりも寿命が長くなった。
No. ２とNo. ４の違いはセパレータの有無であり、モーメント荷重が０の場合の寿命試験結果は同じであったが、セパレータを用いているNo. ２はセパレータを用いていないNo. ４よりも、モーメント荷重１００Ｎ・ｍでの寿命が長くなった。

No. １とNo. ７の違いは素材鋼の違いだけであり、両者でほぼ同じ結果が得られた。
No. ８〜１３のボールねじは、ねじ軸およびナットとボールの硬さの比が本発明の範囲から外れるため、寿命が短くなった。特に、No. ８と９のボールねじは、ねじ軸およびナットの熱処理法が本発明の範囲外であり、ねじ軸およびナットの表層部の残留オーステナイト量、炭素含有率、および炭化物の面積率も本発明の範囲から外れるため、ねじ溝面の耐摩耗性および靱性が不足することで寿命が短くなった。
No. １４〜１６のボールねじは、ねじ軸およびナットの熱処理法が本発明の範囲内であるが、ねじ軸およびナットの表層部の残留オーステナイト量、炭素含有率、および炭化物の面積率が本発明の範囲から外れるため、ねじ溝面の耐摩耗性および靱性が不足することで寿命が短くなった。

本発明の実施形態に相当するボールねじを示す斜視図である。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のＡ部分の拡大図である。実施形態で使用したセパレータを示す正面図（ａ）と、そのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。実施形態で行った耐久寿命試験でモーメント荷重が０および１００Ｎ・ｍの時の、面圧とナット内でのボール位置との関係を示すグラフである。従来のチューブ式ボールねじの一例を示す斜視図である。従来の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である。従来のチューブ式ボールねじの、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ねじ軸のねじ溝（螺旋状の溝）
２ナット
２１ナットのねじ溝（螺旋状の溝）
２１ａねじ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貫通穴のねじ溝側の面
２５立ち上がり面とねじ溝との境界部
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
４チューブ（戻し路）
４１チューブの内面
４２タング（軌道端をなす止め部）
６チューブ押え
７セパレータ
７１凹面
７２貫通穴

Claims

外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を備えたボールねじにおいて、
ねじ軸およびナットは、「ＪＩＳＧ４０５２」で規定する鋼材ＳＣＭ４１５ＨまたはＳＣＭ４２０Ｈを所定形状に形成した後、浸炭を行い、次いで、焼入れと焼戻しを施して、ねじ軸の外周面およびナットの内周面の各表層部の炭素含有率を０．９５質量％以上１．３質量％以下とすることにより得られ、前記各表層部に粒径０．１μｍ以下の炭化物を面積率で「４００個／１００μｍ²」以上含有し、前記各表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であり、
ボールの表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上４０体積％以下であり、
ねじ軸およびナットの表層部の硬さ（Ｈ１）の、ボールの表層部の硬さ（Ｈ２）に対する比（Ｈ１／Ｈ２）が、ビッカース硬さ（Ｈｖ）で０．９５以上０．９９以下であることを特徴とするボールねじ。
隣接するボール間に、ボールを受ける凹面を有するセパレータが配置されている請求項１記載のボールねじ。
前記戻し路の両端部は、ナットの螺旋状の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、を有し、
前記立ち上がり面を、前記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形成し、前記溝に滑らかに連続させ、
この立ち上がり面と前記戻し路との境界部に丸み部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載のボールねじ。