JP2007071279A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】
低コストで、耐摩耗性と長寿命化を図ったボールねじを提供する。
【解決手段】
外周に螺旋状のボール転走溝２ａが形成されたねじ軸２と、このねじ軸２に外挿され、内周に螺旋状のボール転走溝３ａが形成された円筒状のナット３と、両ボール転走溝間に転動自在に収容された多数のボール４と、ナット３の胴部に装着され、内周にボール転走溝３ａを連結する連結溝５ａが形成された駒部材５とを備えた自動車用のボールねじ１において、ナット３が、Ｓｉ量が０．１５ｗｔ％以下に規制されると共に、Ｍｏが０．３ｗｔ％以上とＮｉが添加された低炭素浸炭鋼で形成されると共に、ボール転走溝３ａが切削面で形成され、その後、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されている。これにより、浸炭焼入れによって発生する粒界酸化層を抑制することができ、低コストで、耐摩耗性と長寿命化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のアクチュエータに使用され、多数のボールが転動する螺旋状のボール転走溝が形成されたボールねじに関するものである。

ボールねじは、外周に螺旋状のボール転走溝が形成されたボールねじ軸と、円筒面内に螺旋状のボール転走溝が形成されたボールねじナットと、対向する両ボール転走溝で構成されたボール転動路内に転動自在に収容された多数のボールとからなり、ボールねじ軸あるいはボールねじナットの回転を軸方向の並進運動に変換する機械要素である。

従来、このボールねじナットは、切削加工と研削加工とによって内周にボール転走溝が形成されるのが一般的である。すなわち、ドリルを用いて素材に下孔を開け、バイトでこの下穴の周面に螺旋状のボール転走溝を切削加工する。次に、浸炭焼入れ等の熱処理を行った後、円筒研削盤等で外径部の研削加工を行い、最後に砥石を用いて切削したボール転走溝の表面を研削加工する。

しかしながら、産業機械用として使用される場合は、このようにボール転走溝を研削によって形成する加工方法は、ボール転走溝の面粗さや精度に関しては申し分ないが、加工工数が嵩みコストアップとなる。したがって、自動車用としてはコスト競争力がないものとなってしまい好ましくない。

そのため、タップや切削加工によってボール転走溝を加工し、その後、熱処理を施すことによってそのままボール転走溝とする非研削タイプのボールねじナットが検討されている。本出願人は、非研削タイプのボールねじナットからなるボールねじを既に提案している。このボールねじ５１は、図７に示すように、内周に螺旋状のボール転走溝５２ａが形成されたボールねじナット５２と、このボールねじナット５２に内挿され、外周に前記ボール転走溝５２ａに対応する螺旋状のボール転走溝５３ａが形成されたボールねじ軸５３と、両ボール転走溝５２ａ、５３ａにより構成されたボール転動路に収容された複数のボール５４と、ボールねじナット５２のボール転走溝５２ａを連結する連結溝５５ａが形成された駒部材５５とからなる。

このボールねじナット５２はＳＣＭ４３０等の肌焼き鋼からなり、図８に示すように、最初に、円柱状の素材の中心に所定の内径面がドリル等で形成される（Ｐ１）。その後、素材の外径面および内径面が切削バイトで仕上げ加工され（Ｐ２）、次に、ボールねじナット５２の内径面にタッピング工具（図示せず）を挿入し、それぞれの位相をＮＣ制御しながらボール転走溝５２ａが切削加工によって形成される（Ｐ３）。こうしたタッピング工具による切削加工後、ボールねじナット５２は、浸炭焼入れ・焼戻しにより表面に５４〜６４ＨＲＣの範囲で硬化層が形成される（Ｐ４）。そして、熱処理後、ボール転走溝５２ａにショットピーニング処理が施される（Ｐ５）。これにより、熱処理によるスケールを削除でき、表面粗さの改善と共に、表面硬さおよび表面の圧縮残留応力を高めることができ、低コストで耐久性の向上を図ったボールねじ５１を提供することができる。
特開２００５−９０５７０号公報

この種のＳＣＭ４３０等の肌焼き鋼からなるボールねじナット５２において、浸炭焼入れ時、表面に粒界酸化層からなる異常層が発生することが知られている。したがって、従来のボールねじナット５２の研削加工を廃止し、ショットピーニング処理によってこの粒界酸化層をある程度削除することはできるが、研削加工のように完全に削除することは難しい。粒界酸化層が表面に残存することによりボール転走溝５２ａの表面は脆くなり、表面硬さが不足することで摩耗を進展させる恐れがある。また、こうした早期の摩耗は内部すきまを拡大させて振動・騒音の原因になるばかりでなく、この部分を起点として剥離が生じ、短寿命となる恐れがあった。粒界酸化層は、通常の浸炭焼入れでは、炉中の酸素が影響して生じるものである。その対策として、真空浸炭が考えられるが、コストが嵩み自動車部品の熱処理方法として採用するのは難しい。

本発明は、こうした従来の問題を解決し、低コストで、耐摩耗性と長寿命化を図ったボールねじを提供することを目的とする。

係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、外周に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、内周に前記ボール転走溝に対応する螺旋状のボール転走溝が形成された円筒状のナットと、両ボール転走溝間に転動自在に収容された多数のボールと、ナットの胴部に装着され、前記ボール転走溝を連結する循環部材とを備えたボールねじにおいて、前記ねじ軸およびナットのうち少なくともナットが、Ｓｉ量が０．１５ｗｔ％以下に規制された低炭素浸炭鋼で形成されると共に、前記ボール転走溝が切削面で形成され、その後、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されている構成を採用した。

このように、自動車の電動アクチュエータ等に使用されるボールねじにおいて、ねじ軸およびナットのうち少なくともナットが、Ｓｉ量が０．１５ｗｔ％以下に規制された低炭素浸炭鋼で形成されると共に、ボール転走溝がタッピング工具やバイトによって切削加工され、その後、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されているので、浸炭焼入れによって表面に発生する粒界酸化層を抑制することができ、低コストで、耐摩耗性と長寿命化を図ったボールねじを提供することができる。

好ましくは、請求項２に記載の発明のように、前記浸炭鋼にＮｉが添加されていても良いし、請求項３に記載の発明のように、前記浸炭鋼にＭｏが０．３ｗｔ％以上添加されていても良い。これにより、焼入れ性が向上して浸炭時間を短縮することができると共に、粒界酸化層の発生を抑制することができる。

また、請求項４に記載の発明は、前記ナットのボール転走溝がタッピング工具によって切削されていれば、低コストで比較的精度の高いボール転走溝を簡便に形成することができると共に、ボール転走溝を一回の通し加工で効率良く切削加工でき、ボールねじの低コスト化を図ることができる。

また、請求項５に記載の発明は、前記循環部材が、前記ナットの両端部に装着された駒部材からなるので、ナットの外周部をコンパクト化することができ、自動車の電動アクチュエータに使用された場合、ナットに揺動リンクが係合するトラニオン軸等の形成することができ、また、このトラニオン軸と循環部材との干渉を容易に回避することができる。

本発明に係るボールねじは、外周に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、内周に前記ボール転走溝に対応する螺旋状のボール転走溝が形成された円筒状のナットと、両ボール転走溝間に転動自在に収容された多数のボールと、ナットの胴部に装着され、前記ボール転走溝を連結する循環部材とを備えたボールねじにおいて、前記ねじ軸およびナットのうち少なくともナットが、Ｓｉ量が０．１５ｗｔ％以下に規制された低炭素浸炭鋼で形成されると共に、前記ボール転走溝が切削面で形成され、その後、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されているので、浸炭焼入れによって表面に発生する粒界酸化層を抑制することができ、低コストで、耐摩耗性と長寿命化を図ったボールねじを提供することができる。

外周に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、内周に前記ボール転走溝に対応する螺旋状のボール転走溝が形成された円筒状のナットと、両ボール転走溝間に転動自在に収容された多数のボールと、ナットの胴部に装着され、内周に前記ボール転走溝を連結する連結溝が形成された駒部材とを備えた自動車用のボールねじにおいて、前記ナットが、Ｓｉ量が０．１５ｗｔ％以下に規制されると共に、Ｍｏが０．３ｗｔ％以上とＮｉが添加された低炭素浸炭鋼で形成されると共に、前記ボール転走溝が切削面で形成され、その後、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るボールねじの一実施形態を示す縦断面図、図２は、図１のボールねじを使用した電動アクチュエータを示す縦断面図である。

このボールねじ１は、外周に螺旋状のボール転走溝２ａが形成されたねじ軸２と、このねじ軸２に外挿され、内周にボール転走溝２ａに対応する螺旋状のボール転走溝３ａが形成されたナット３と、両ボール転走溝２ａ、３ａ間に転動自在に収容された多数のボール４と、ナット３の胴部の両端部に装着され、ボール転走溝３ａを連結する連結溝５ａが形成された駒部材５とを備えている。そして、ボール転走溝２ａ、３ａによりボール転動路が構成され、この転動路内の内外のボール転走溝２ａ、３ａ間に介在された多数のボール４は、ボール転走溝２ａ、３ａに沿って転動し、駒部材５の連結溝５ａに案内されてねじ軸２のランド部２ｂを乗り越え、隣接するボール転走溝３ａに戻り、再びボール転走溝２ａ、３ａに沿って転動して無限循環することができる。

ボール転走溝２ａ、３ａは、ボール４の半径よりも僅かに大きい曲率半径からなる一対の円弧を組み合わせたゴシックアーチ溝に形成されている。無論、ボール転走溝２ａ、３ａは、このゴシックアーチ形状以外にも、例えば、ボール４とサーキュラコンタクトする単一円弧からなる溝形状であっても良い。

ナット３のボール転走溝３ａは、ドリル等で内径面が切削加工された後、タッピング工具による切削加工によって形成されている。これにより、ボール転走溝３ａを一回の通し加工で効率良く切削加工でき、低コストで比較的精度の高い溝加工ができる。

このボールねじ１が使用された電動アクチュエータを図２に示す。この電動アクチュエータは、電動モータ７と、この電動モータ７のモータ軸７ａにカップリング８を介してねじ軸３が連結されたボールねじ１と、このボールねじ１のねじ軸３の両端部に装着され、ハウジング９に対してねじ軸３を回転自在に、かつ軸方向移動不可に支持する一対の転がり軸受１０、１１とを備えている。電動モータ７の回転トルクは、カップリング８を介してねじ軸３に伝達され、ボールねじ１によって回転運動が直線運動に変換される。ここでは、ナット３の外周面に、軸線に対し直交する一対の円柱状のトラニオン軸６が円周方向に対向する方向に突設され、揺動リンク１２がこのトラニオン軸６に係合している。そして、ナット３の直線運動により揺動リンク１２が揺動し、駆動シャフト１３が回転方向に所定の角度回動制御される。

こうした電動アクチュエータに使用されるボールねじにおいて、従来、後加工（研削加工）が廃止されていれば、前述したように、浸炭鋼の浸炭熱処理時に発生する粒界酸化層によりナット３のボール転走溝３ａが摩耗し、内部すきまが増大して振動・騒音の原因となるばかりでなく、早期剥離による短寿命等の問題があった。

浸炭焼入れを行った場合の粒界酸化層の発生メカニズムは以下の通りである。すなわち、浸炭焼入れの多くは、所謂ガス浸炭炉で行われ、浸炭時間が長く、炉中の高温な酸素原子と長時間浸されるため、鋼材の組織表層が酸化することに起因している。表層面の酸化の際には、鋼材に添加されている合金元素が選択酸化されるが、酸化されやすい元素としては、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒが代表的である。特に、Ｓｉは結晶粒界に沿って内部に深く成長していく傾向があるため、粒界に沿って脆い金属組織が形成されて極表層は極小のクラックが残存している。また、選択酸化された合金元素は元々焼入れ性を向上させるために添加されているものであるが、酸化物として形態を変えてしまうため、その周辺は合金元素が減少し、焼入れ性が不足する傾向にある。したがって、表面硬さが浸炭部の内部より低下して不完全焼入れ組織となって存在する。これらのことが要因となって、摩耗の起点や転動疲労寿命の剥離起点となる。

本出願人は、粒界酸化層を低減させる材質に着目し、従来のＳＣＭ４１５やＳＣＭ４２０等の低炭素浸炭鋼に変えて特定の成分を調整することにより、通常の浸炭焼入れを行いながら、表層の粒界酸化層の発生を抑制することができた。表１に従来の材質（ＳＣＭ４１５）と本実施形態に係る材質の成分を比較したものであるが、粒界に沿って酸化が進行するＳｉを低く、好ましくは０．１５ｗｔ％以下に抑えると共に、ＮｉおよびＭｏの添加量が調整されているのが特徴である。Ｎｉ量は１．０ｗｔ％、Ｍｏ量は０．３ｗｔ％以上が好ましい。ここで、ＮｉおよびＭｏの元素は酸化され難く、焼入れ性を向上させる合金元素として作用する。

本出願人は、まず、この二つの材質（比較例と実施例）からなる鋼材を浸炭焼入れし、粒界酸化層の発生状況を調査した。図４は、浸炭焼入れ後、鋼材断面を研削加工し、顕微鏡にて観測測定した結果を示すグラフである。なお、ここで、図３に示すように、Ａは、粒界酸化層の鋼材表面からの平均深さ、Ｂは、最大深さを示している。

この測定結果から判るように、従来（比較例）の鋼材では、Ａ、Ｂ共に表面から均一な深さで粒界酸化層が形成されているのに対し、本実施形態では、層の深さはゼロではないものの殆ど見られず、断続的に表層に発生している状況になっている。換言すると、面で捉えると殆ど粒界酸化層がない部位が多くあり、一部に散発的に発生している状況と言える。

本出願人は、さらに、この二つの材質からなる鋼材を使用してナットを製作し、転動寿命試験を実施した。図５は、その寿命比較試験の結果を示すワイブルチャートである。なお、ここで、寿命試験機は８連の高速寿命試験機を使用し、供試品としては、軸径１６ｍｍ、リード３ｍｍ、ボール径は２．３８１ｍｍ、循環方式は駒部材を使用した駒式で、循環列は２列のボールねじを使用した。また、荷重はコイルばねによる定圧荷重とし、負荷荷重は７００Ｎに設定されている。

寿命試験は、ねじ軸上に２個のナットを配置し、その両側からコイルばねで両者を一定荷重で挟持した状態で行った。この試験はばねによる荷重負荷で、外部荷重によるボールねじの剛性よりばねの方が高いため、微小な摩耗が試験中に進行してもこのばねの変位量に吸収されて、ほぼ一定の荷重をボールねじに負荷することができる。

この試験結果から、従来品（比較例）は、Ｌ１０寿命で５．０×１０^６Ｒｅｖに対し、本実施形態におけるボールねじでは、１０．４×１０^６Ｒｅｖと、２倍以上の寿命となり、耐久性向上の効果が確認された。

さらに、本出願人は、この寿命試験に加えて摩耗試験を実施した。図６はその結果を示すグラフである。ここで、摩耗試験機は保持型の摩耗試験機を使用し、荷重はアキシアル荷重が８７０Ｎ、ラジアル荷重が５６０Ｎ、荷重周波数は２０Ｈｚとした。この試験結果から明らかなように、従来品では、略２０μｍのすきま増加に対し、本実施形態では、殆ど内部すきまの増加、すなわち、摩耗がなく、耐摩耗性向上の効果が確認できた。なお、ここでは、ねじ軸が転造加工により形成され、高周波焼入れで表面が硬化処理されたものを使用し、ボールねじのナットに関して検証を行ったが、浸炭焼入れを適用するのであれば、ねじ軸にこの鋼材を適用しても同様の効果が得られる。

本実施形態では、少なくともナットが切削加工で形成され、浸炭焼入れ後の後加工が廃止されたボールねじにおいて、ナットが、Ｓｉ量が０．１５ｗｔ％以下に規制されると共に、Ｍｏ量が０．３ｗｔ％以上とＮｉが添加された浸炭鋼で形成されているので、熱処理による粒界酸化層の発生を抑制し、低コストで、耐摩耗性と長寿命化を図ったボールねじを提供することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係るボールねじは、特に自動車等の車両に用いられる電動アクチュエータ等に使用され、少なくともナットが、ボール転走溝が熱処理前に仕上げられ、その後浸炭焼入れによって表面が硬化処理されたボールねじに適用することができる。

本発明に係るボールねじの一実施形態を示す縦断面図である。 図１のボールねじが使用された電動アクチュエータを示す縦断面図である。 浸炭焼入れによる発生する粒界酸化層の断面を示す模式図である。 粒界酸化層の深さを調査した結果を示すグラフである。 転動寿命試験結果を示すワイブルチャートである。 摩耗試験結果を示すグラフである。 従来のボールねじを示す縦断面図である。 従来のボールねじナットの製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・ボールねじ
２・・・・・・・・・・・ねじ軸
２ａ、３ａ・・・・・・・ボール転走溝
２ｂ・・・・・・・・・・ランド部
３・・・・・・・・・・・ナット
４・・・・・・・・・・・ボール
５ａ・・・・・・・・・・連結溝
５・・・・・・・・・・・駒部材
６・・・・・・・・・・・トラニオン軸
７・・・・・・・・・・・電動モータ
７ａ・・・・・・・・・・モータ軸
８・・・・・・・・・・・カップリング
９・・・・・・・・・・・ハウジング
１０、１１・・・・・・・転がり軸受
１２・・・・・・・・・・揺動リンク
１３・・・・・・・・・・駆動シャフト
５１・・・・・・・・・・ボールねじ
５２・・・・・・・・・・ボールねじナット
５２ａ、５３ａ・・・・・ボール転走溝
５３・・・・・・・・・・ボールねじ軸
５４・・・・・・・・・・ボール
５５・・・・・・・・・・駒部材
５５ａ・・・・・・・・・連結溝

Claims (5)

1. 外周に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、
   このねじ軸に外挿され、内周に前記ボール転走溝に対応する螺旋状のボール転走溝が形成された円筒状のナットと、
   両ボール転走溝間に転動自在に収容された多数のボールと、
   ナットの胴部に装着され、前記ボール転走溝を連結する循環部材とを備えたボールねじにおいて、
   前記ねじ軸およびナットのうち少なくともナットが、Ｓｉ量が０．１５ｗｔ％以下に規制された低炭素浸炭鋼で形成されると共に、前記ボール転走溝が切削面で形成され、その後、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されていることを特徴とするボールねじ。
2. 前記浸炭鋼にＮｉが添加されている請求項１に記載のボールねじ。
3. 前記浸炭鋼にＭｏが０．３ｗｔ％以上添加されている請求項１または２に記載のボールねじ。
4. 前記ナットのボール転走溝がタッピング工具によって切削されている請求項１乃至３いずれかに記載のボールねじ。
5. 前記循環部材が、前記ナットの両端部に装着された駒部材からなる請求項１乃至４いずれかに記載のボールねじ。

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