JP2007127240A

JP2007127240A - ボールねじ，電動射出成形機，及び電動プレス装置

Info

Publication number: JP2007127240A
Application number: JP2005322302A
Authority: JP
Inventors: Daiki Takahashi; 大樹高橋
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2007-05-24

Abstract

【課題】高荷重が負荷される条件下で使用されても長寿命なボールねじを提供する。
【解決手段】ボールねじ１は、ねじ溝３ａを有するねじ軸３と、ねじ溝５ａを有するナット５と、両ねじ溝３ａ，５ａにより形成されるボール転動路に装填された複数のボール９と、を備えている。ねじ溝３ａ，５ａは、断面形状が曲率中心の異なる２つの円弧を組合せた略Ｖ字状をなすゴシックアーク形状溝であり、該ゴシックアーク形状溝の溝面を構成する２つの曲面の曲率半径は、ボール９の直径の５１％以上５２％以下である。また、ボール転動路内には、粒径０．５μｍ以上１０μｍ以下の固体潤滑剤の微粒子を含有するグリースが配されており、両ねじ溝３ａ，５ａの溝面とボール９の表面とが該グリースにより潤滑されている。
【選択図】図２

Description

本発明はボールねじに係り、特に、電動射出成形機や電動プレス装置等に使用されるボールねじのように、高荷重が負荷されるボールねじに関する。また、本発明は、型締装置の型締機構にボールねじが用いられた電動射出成形機及び電動プレス装置に関する。

電動射出成形機や電動プレス装置等で使用されるボールねじは、極めて大きな負荷が作用し、比較的短いストロークで往復運動するという厳しい条件下で使用される。そのため、繰り返し応力によりボールの軌道面（ねじ溝の溝面）に剥離が生じるという問題があった。その対策としては、一般的には、ボールの直径をできるだけ大きくするとともに、ねじ溝の溝面の曲率半径をボールの半径にできるだけ近づけて面圧を下げ、繰り返し応力を低くするという方法が考えられる。
特開２００５−３１０４号公報特開２００３−３２９１０１号公報

従来の一般的なボールねじにおいては、溝面の曲率半径はボールの直径の５２％以上（５４％以下）とされている。しかしながら、このような一般的なボールねじを、極めて大きな負荷が作用する電動射出成形機や電動プレス装置等に使用すると、溝面の面圧が大きくなって、繰り返し応力により溝面が疲労して剥離が早期に発生し、要求される寿命を満たさないという問題があった。

また、面圧や繰り返し応力を低くするために、溝面の曲率半径をボールの直径の５２％以下とすることも考えられるが、ボールねじの場合は玉軸受やリニアガイドとは異なり、螺旋状の軌道をボールが転動するという幾何学的な理由から滑り成分が大きいので、リード角が１５°以下の一般的なボールねじにおいては溝面とボールとの間の滑りが大きくなるおそれがあった。その結果、白色組織による剥離等が生じて、かえって短寿命となってしまうという問題があった（特許文献１，２を参照）。
そこで、本発明は、上記のような従来のボールねじが有する問題点を解決し、高荷重が負荷される条件下で使用されても長寿命なボールねじを提供することを課題とする。また、長寿命な電動射出成形機及び電動プレス装置を提供することを併せて課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１のボールねじは、螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝の間に転動自在に配された複数のボールと、前記両ねじ溝の溝面と前記ボールの表面とを潤滑するグリースと、を備えるボールねじにおいて、前記両ねじ溝のうち少なくとも一方は、断面形状が曲率中心の異なる２つの円弧を組合せた略Ｖ字状をなすゴシックアーク形状溝であり、該ゴシックアーク形状溝の溝面を構成する２つの曲面のうち少なくとも一方の曲率半径は、前記ボールの直径の５１％以上５２％以下であるとともに、前記グリースは固体潤滑剤の微粒子を含有することを特徴とする。

前記曲率半径を前記ボールの直径の５１％以上５２％以下としたため、面圧が低下し、負荷容量が大きい。５２％超過であると、面圧が大きくなるおそれがある。一方、５１％未満であると、接触楕円が大きくなって溝面の外にまで達し、溝面の端部に形成された面取りやねじ軸の外径面において応力集中が発生して、早期に損傷（いわゆる「ボールの乗り上げ」）が生じるおそれがある。

また、固体潤滑剤の微粒子を含有するグリースで潤滑されているため、面圧，繰り返し応力を下げるために前記曲率半径を前記ボールの直径の５２％以下としても、滑りによる剥離が生じにくい。よって、前記曲率半径を前記ボールの直径の５２％以下として面圧，繰り返し応力を低くしたことによる長寿命化効果を有効に活用できる。
なお、ねじ軸のねじ溝はねじ軸の外周面に形成されており、ナットのねじ溝はナットの内周面に形成されているという幾何学的な理由から、ボールとねじ溝の溝面との接触面積は、一般にナットの方が大きくなる傾向にあり、接触面圧はナットの方が低くなる傾向にある。そこで、接触面圧（繰り返し応力）を同程度とするために、前記曲率半径についてはねじ軸よりもナットの方を大きくしてもよい。

また、本発明に係る請求項２のボールねじは、請求項１に記載のボールねじにおいて、前記固体潤滑剤は有機モリブデン及び二硫化モリブデンの少なくとも一方であり、前記微粒子のうち少なくとも一部は、粒径が０．５μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
通常、ボールねじのねじ溝の溝面の表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．１〜０．３μｍ程度であり、最大断面高さＲｍａｘで０．５〜５μｍ程度である。粒径が０．５μｍ以上１０μｍ以下の固体潤滑剤の微粒子は、上記のような溝面に形成された凹凸の凹部に入り込み且つ微粒子の一部が凹部から突出するため、溝面とボールとの金属接触が生じにくくなり滑りが抑制される。

ただし、微粒子が大きすぎると（粒径が１０μｍ超過であると）、凹部に入れなくなるため上記効果が得られにくい。また、微粒子が小さすぎると（粒径が０．５μｍ未満であると）、凹部の中に微粒子が完全に入ってしまって、突出する部分がほとんどなくなるので、金属接触を防いで滑りを抑制する効果は得られにくくなる。
なお、微粒子全体のうち一部が前記粒径の条件を満たせば、本発明の効果は得られるが、グリースが含有する微粒子全部が前記粒径の条件を満たしている方が効果がより得られやすい。

さらに、本発明に係る請求項３のボールねじは、請求項１又は請求項２に記載のボールねじにおいて、前記各ボールの間に保持ピースを介装したことを特徴とする。
このように、ボールとボールとの間に保持ピースが介装されていればボール同士の競り合いが解消されるので、ボールの移動がより円滑に行われる。よって、ボールの循環性能やボールねじの送り精度が優れ、騒音や振動の発生もより一層抑制される。

さらに、本発明に係る請求項４の電動射出成形機は、電動モータでボールねじを駆動することにより型締装置の型締を行う電動射出成形機において、前記ボールねじを請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のボールねじとしたことを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項５の電動プレス装置は、電動モータでボールねじを駆動することにより型締装置の型締を行う電動プレス装置において、前記ボールねじを請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のボールねじとしたことを特徴とする。
このような構成から、電動射出成形機及び電動プレス装置は長寿命である。

本発明のボールねじは、高荷重が負荷される条件下で使用されても長寿命である。また、本発明の電動射出成形機及び電動プレス装置は長寿命である。

本発明に係るボールねじの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態であるボールねじの平面図であり、図２は図１のボールねじのＡ−Ａ断面図である。
図１，２に示すように、ボールねじ１は、螺旋状のねじ溝３ａを外周面に有するねじ軸３と、ねじ軸３のねじ溝３ａに対向するねじ溝５ａを内周面に有するナット５と、両ねじ溝３ａ，５ａにより形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填された複数のボール９と、を備えている。

ねじ軸３は、ナット５をねじ軸３の軸線方向に沿って案内するためのものであって、外周面の全長にわたって、ボール９の半径よりも僅かに大きい曲率半径を有する円弧同士を中間部で交差させた、所謂ゴシックアーチ形状のねじ溝３ａが形成されている。すなわち、ねじ溝３ａは、断面形状が曲率中心の異なる２つの円弧を組合せた略Ｖ字状をなすゴシックアーク形状溝であり、該ゴシックアーク形状溝の溝面を構成する２つの曲面の曲率半径は、ボール９の直径の５１％以上５２％以下である（図３を参照）。なお、以降の説明においては、ゴシックアーク形状溝の溝面の曲率半径とボールの直径との比（［溝面の曲率半径］／［ボールの直径］×１００（％））を「溝Ｒ比」と記す。また、ねじ溝３ａのピッチは、ボールねじ１が組み込まれる装置（図示せず）の仕様にしたがって任意に設定することができる。

ナット５は、ねじ軸３の軸線方向に沿って直線移動する部材であって、その内周面にはねじ溝３ａと同一形状，同一ピッチのねじ溝５ａが形成されている。また、ナット５の一端には、前記装置のテーブル（図示せず）等に固定するためのフランジ１１が形成され、外周面の一部は切り欠かれて平面部１３が形成されている。そして、ねじ溝５ａの一端側と他端側とを連通させて循環経路を形成するチューブ１５が、チューブ押え１７によって平面部１３に固定されている。このようなチューブ１５内を通ってボール９が移送され、ねじ溝５ａの一端側から他端側へボール９が循環されるようになっている。

また、ナット５の両端には、プラスチック製のダストシール１９が配され、異物が外部からナット５内部に侵入することが防止されるようになっている。
ボール９は、転動することによって摩擦損失なく滑らかにナット５を直線移動させるためのものであって、ねじ溝３ａ，５ａで構成されたボール転動路内に転動自在に配されている。

なお、図２やボール転動路の周辺部分を拡大して示した図４に示すように、隣接するボール９の間にボール９同士の接触を防ぐ保持ピース２１を介在させてもよい。そうすれば、ボール９同士の競り合いが解消されるので、ボール９の移動がより円滑に行われる。よって、ボール９の循環性能やボールねじ１の送り精度が優れ、騒音や振動の発生もより一層抑制される。

この保持ピース２１は、ボール９の転動面に対面する２つの凹面２１ａ，２１ａを有し、ボール９同士の直接接触を防止するためのものであって、夫々のボール９間に介装されている。保持ピース２１の材質は特に限定されるものではないが、例えば、それ自体に潤滑作用を有するポリアミドやフッ素樹脂、あるいは潤滑油を含浸させたポリエチレン等である。また、保持ピース２１の形状は特に限定されるものではないが、例えば、両端にボール９の半径よりも大きい曲率半径の凹球面が形成された円盤状である。
凹球面の形状は、球面形状に限定されるものではなく、２個の円弧を中間部で交差させて形成される、所謂ゴシックアーチ形の凹面でもよいし、円錐形状の凹面であってもよい。また、凹面に貫通穴を設けたり、該貫通穴内に潤滑剤を保持させてボール９との接触抵抗を低減させるようにしてもよい。

次に、ボールねじ１の動作を説明する。モータ（図示せず）によってねじ軸３を回転させると、複数個のボール９を介して螺合したナット５は、ねじ軸３の軸線方向に直線移動する。このとき、ねじ溝３ａ，５ａは相対的に逆方向に回転するので、ボール９はねじ溝３ａ，５ａに対して転動してねじ溝５ａ内を前進し、ねじ溝５ａの一端側に達したボール９は、チューブ１５内を転動してねじ溝５ａの他端側に供給され、再び循環する。

ボール転動路内には図示しないグリースが配されており、両ねじ溝３ａ，５ａの溝面とボール９の表面とが該グリースにより潤滑されている。このグリースは固体潤滑剤の微粒子（例えば、有機モリブデンや二硫化モリブデンの微粒子）を含有しており、微粒子全体のうち少なくとも一部は、粒径が０．５μｍ以上１０μｍ以下である。よって、溝Ｒ比が５１％以上５２％以下であるため滑りが大きくなりやすいボールねじ１においても、早期に剥離が生じることがほとんどない。また、溝Ｒ比が５１％以上であるため、ボールの乗り上げも起こりにくい。

このようなボールねじ１は、高荷重が負荷される条件下で使用されても長寿命である。よって、ボールねじ１は、電動射出成形機や電動プレス装置に組み込まれた型締装置の型締機構に好適に使用することができる。すなわち、電動モータでボールねじを駆動することにより型締装置の型締を行う型締機構におけるボールねじとして好適である。ただし、本発明のボールねじの用途は、上記のものに限定されるものではない。

なお、固体潤滑剤の微粒子の種類は、有機モリブデンや二硫化モリブデンの微粒子に限定されるものではなく、金属酸化物，金属窒化物，金属炭化物，粘土鉱物，チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＴＺ），グラファイト，窒化ホウ素（ＢＮ），二硫化タングステン，亜鉛，銅，金，ホワイトメタル等の微粒子でもよい。金属酸化物としてはＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＴｉＯ₂，ＺｎＯ等が、金属窒化物としてはＳｉ₃Ｎ₄，ＺｒＮ，ＣｒＮ，ＴｉＡｌＮ等が、金属炭化物としてはＳｉＣ，ＴｉＣ，ＷＣ等が、それぞれあげられる。

〔実施例〕
以下に、さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。前述したボールねじ１とほぼ同様の構成を有する日本精工株式会社製のボールねじＢＳ６３１６−１０．５（呼び：６３×１６×３００−Ｃｔ７）を、日本精工株式会社製のボールねじ耐久試験機に装着して、耐久試験を行った。
このボールねじの仕様は、以下の通りである。
・ねじ軸の直径：６３ｍｍ
・リード：１６ｍｍ
・ボールセンターダイアメータ（ＢＣＤ）：６５ｍｍ
・ボールの直径：１２．７ｍｍ
・回路数：３．５巻×３列
・軸方向の荷重：３００ｋＮ
・試験ストローク：８０ｍｍ（５ｒｅｖ．）
・保持ピース：あり

耐久試験に供した実施例１〜６及び比較例１〜１６のボールねじは、溝Ｒ比とグリースの種類（固体潤滑剤の種類及び平均粒径）とが異なっている（表１を参照）。なお、これらのグリースは、リューベ株式会社製のＹＳ２グリース（性状は図５を参照）、又は、ＹＳ２グリースに種々の平均粒径を有する微粒子を２質量％添加したものである。また、ボールねじの潤滑は、グリースを自動給脂装置で自動供給することにより行った。

次に、ボールねじの耐久試験について説明する。ボールねじを、日本精工株式会社製のボールねじ耐久寿命試験機に装着して回転させ、一定時間毎に試験を中断し、ねじ軸のねじ溝，ナットのねじ溝，又はボールに剥離が生じていないか確認した。そして、剥離が発生するまでの走行距離をボールねじの寿命とした。試験結果を表１及び図６のグラフに示す。なお、表１及び図６のグラフにおける寿命の値は、比較例４のボールねじ（一般的な高負荷用途のボールねじにＹＳ２グリースを適用したもの）の寿命を１とした場合の相対値で示してある。

実施例１〜６のボールねじは、溝Ｒ比が従来のボールねじよりも小さいため、面圧や繰り返し応力が低い。また、ＹＳ２グリース中に好適な粒径を有する有機モリブデン又は二硫化モリブデンの微粒子が添加されているので、従来のボールねじと比べて滑りが大きくなりやすいにもかかわらず、いずれも比較例４のボールねじよりも優れた寿命を有していた。なお、実施例１，３，４に関しては、剥離の形態は転動疲労に起因する剥離であった。また、実施例２，５，６に関しては、現在において剥離は認められず、試験を継続中である。

比較例１のボールねじは、実施例よりも溝Ｒ比を小さくして面圧を下げたものであるが、ボールの乗り上げが原因と思われる剥離が生じた。
比較例２，３のボールねじは、溝Ｒ比は実施例と同程度であるが、ＹＳ２グリースに有機モリブデン又は二硫化モリブデンの微粒子が添加されていないものである。従来のボールねじと比べて滑りが大きくなりやすいので、滑りに起因する剥離がねじ軸に早期に生じた。

比較例５のボールねじは、実施例及び比較例４と比べて溝Ｒ比が大きい。よって、面圧が高いため、転動疲労に起因する剥離がねじ軸に早期に生じた。
比較例６のボールねじは、溝Ｒ比は実施例よりも小さく、ＹＳ２グリースに平均粒径０．３５μｍの二硫化モリブデンの微粒子を添加したものである。溝Ｒ比が小さいために面圧は低いが、ボールの乗り上げが原因と思われる剥離が生じた。

比較例７のボールねじは、溝Ｒ比が実施例と同程度であり、ＹＳ２グリースに平均粒径０．４５μｍの二硫化モリブデンの微粒子を添加したものである。微粒子の粒径が小さすぎるので、固体潤滑剤としての作用が乏しく、滑りに起因する剥離がねじ軸に早期に生じた。
比較例８のボールねじは、溝Ｒ比が比較例４よりも大きく、ＹＳ２グリースに平均粒径０．４５μｍの二硫化モリブデンの微粒子を添加したものである。面圧が高く、転動疲労に起因する剥離がねじ軸に早期に生じた。

比較例９のボールねじは、溝Ｒ比が実施例と同程度であり、ＹＳ２グリースに平均粒径０．４５μｍの有機モリブデンの微粒子を添加したものである。比較例４と比べてやや早期に、滑りに起因する剥離がねじ軸に生じた。
比較例１０のボールねじは、溝Ｒ比が実施例よりも小さく、ＹＳ２グリースに平均粒径１．３μｍの二硫化モリブデンの微粒子を添加したものである。比較例１と同様に、ボールの乗り上げが原因と思われる剥離が生じた。

比較例１１のボールねじは、溝Ｒ比が実施例及び比較例４よりも大きく、ＹＳ２グリースに平均粒径１．５μｍの有機モリブデンの微粒子を添加したものである。比較例５，８と同様に面圧が高く、転動疲労に起因する剥離がねじ軸に早期に生じた。
比較例１２のボールねじは、溝Ｒ比が実施例及び比較例４よりも大きく、ＹＳ２グリースに平均粒径９．９μｍの二硫化モリブデンの微粒子を添加したものである。比較例４と比べてやや早期に、転動疲労に起因する剥離がねじ軸に生じた。

比較例１３のボールねじは、溝Ｒ比が実施例よりも小さく、ＹＳ２グリースに平均粒径９．７μｍの有機モリブデンの微粒子を添加したものである。比較例１と同様に、ボールの乗り上げが原因と思われる剥離が生じた。
比較例１４のボールねじは、溝Ｒ比が実施例４よりも小さく、ＹＳ２グリースに平均粒径１３．５μｍの二硫化モリブデンの微粒子を添加したものである。比較例１と同様に、ボールの乗り上げが原因と思われる剥離が生じた。

比較例１５のボールねじは、溝Ｒ比が実施例と同一であり、ＹＳ２グリースに平均粒径１１．１μｍの二硫化モリブデンの微粒子を添加したものである。寿命は従来のボールねじと同程度であり、転動疲労に起因する剥離がねじ軸に生じた。
比較例１６のボールねじは、溝Ｒ比が実施例及び比較例４よりも大きく、ＹＳ２グリースに平均粒径１３．２μｍの二硫化モリブデンの微粒子を添加したものである。比較例５，８と同様に面圧が高く、転動疲労に起因する剥離がねじ軸に早期に生じた。

本発明に係るボールねじの一実施形態の平面図である。図１のボールねじのＡ−Ａ断面図である。ねじ溝の溝面及びボールの周辺部分を拡大して示した断面図である。ボール転動路の周辺部分を拡大して示した断面図である。グリースの性状を示す表である。溝Ｒ比とボールねじの寿命との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ボールねじ
３ねじ軸
３ａねじ溝
５ナット
５ａねじ溝
９ボール
２１保持ピース

Claims

螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝の間に転動自在に配された複数のボールと、前記両ねじ溝の溝面と前記ボールの表面とを潤滑するグリースと、を備えるボールねじにおいて、
前記両ねじ溝のうち少なくとも一方は、断面形状が曲率中心の異なる２つの円弧を組合せた略Ｖ字状をなすゴシックアーク形状溝であり、該ゴシックアーク形状溝の溝面を構成する２つの曲面のうち少なくとも一方の曲率半径は、前記ボールの直径の５１％以上５２％以下であるとともに、
前記グリースは固体潤滑剤の微粒子を含有することを特徴とするボールねじ。
前記固体潤滑剤は有機モリブデン及び二硫化モリブデンの少なくとも一方であり、前記微粒子のうち少なくとも一部は、粒径が０．５μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
前記各ボールの間に保持ピースを介装したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のボールねじ。
電動モータでボールねじを駆動することにより型締装置の型締を行う電動射出成形機において、前記ボールねじを請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のボールねじとしたことを特徴とする電動射出成形機。
電動モータでボールねじを駆動することにより型締装置の型締を行う電動プレス装置において、前記ボールねじを請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のボールねじとしたことを特徴とする電動プレス装置。