JP2008101711A - ボールねじと転がり軸受との組合せ方法およびボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじ軸の回転に伴う慣性力の影響を低減してナットの送り精度向上を図る。
【解決手段】ボールねじのねじ軸７１を支持する転がり軸受の内輪１７１が嵌合する部分のねじ軸７１の軸径をねじ溝７３が形成されている部分のねじ軸７１の軸径より小さくした。
【選択図】図３

Description

本発明は、たとえば電動射出成形機の射出軸用ボールねじ、型締め用ボールねじ、突き出し用ボールねじ、可塑化移動用ボールねじとして用いられたり、旋盤のバイト送り用ボールねじとして用いられたりするボールねじと転がり軸受との組合せ方法およびボールねじ装置に関する。

電動射出成形機に使用されるボールねじは、その負荷容量を大きくするために、たとえば実装機分野で用いられるものに比べて、大径のボールを用いている場合が多い。このため、ボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受としては、ボールねじと同等の負荷容量を持ったものを用いる必要があり、ボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受が玉軸受の場合には、下記の（１）及び（２）のいずれかの方法で負荷容量を確保している。

（１）内径の小さな寸法系列を選定して、軸受の列数を多くする。
（２）内径の大きな寸法系列を選定して、軸受の列数を少なくする。
ところで、電動射出成形機や旋盤に使用されるボールねじのねじ軸は、図５に示すように、その両端部が玉軸受などの転がり軸受Ｂで支持されている。そして、転がり軸受Ｂの内輪と嵌合する部分のねじ軸７１の外径がねじ溝の形成されている部分のねじ軸７１の外径と同一径となっているため、転がり軸受Ｂの内輪位置を固定する目的でフランジＦがねじ軸７１の端部に設けられている。

しかしながら、ねじ軸の端部にフランジが設けられていると、ねじ軸の回転に伴う慣性力が大きくなる。このため、ねじ軸の回転に伴う慣性力によってナットの加減速時の送り精度が低下することがあり、これを防止するために、ねじ軸を回転駆動するモータとして容量の大きいモータを選定すると、コストアップを招くという問題があった。さらに、ねじ軸の外周面にねじ溝を旋削加工する際に旋削加工具の先端がフランジと干渉したりするため、ねじ溝の加工に多くの時間と費用を要するという問題もあった。

また、ボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受として大径のスラストアンギュラ玉軸受を使用すると、ねじ軸端部の外径が大径化することによってねじ軸の曲げ剛性が大きくなる（ねじ軸の曲げ剛性は径の４乗に比例するが、軸受の曲げ剛性はそれほどＵＰしない）が、図６に示すように、ねじ軸７１の端部に取り付けられたプーリＰを介して動力伝達ベルトの張力がねじ軸７１の端部に作用すると、ねじ軸７１の端部に曲がり変形が生じることがある。このとき、ボールねじのナットがねじ軸７１の端部付近に移動すると、ナットに大きなこじり力が発生し、その結果、ボールねじの寿命が短くなったり、ボールねじの動トルクが大きく変動したりするという難点があった。

また、ボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受として単列または複列のスラストアンギュラ玉軸受を複数使用すると、ねじ軸の軸長が長くなったり、複数個の軸受の予圧合せが大きくなったりするという難点がある。さらに、ボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受として接触角の大きいスラストアンギュラ玉軸受を使用すると、内輪固定用ナットの締付力によりスラストアンギュラ玉軸受の内輪が変形し、その結果、スラストアンギュラ玉軸受の寿命が短くなったり、スラストアンギュラ玉軸受の動トルクが大きく変動したりするという難点がある。

また、旋盤を製作するメーカでは、異常時の衝撃荷重を想定することがあり、より大きな静定格荷重が旋盤のバイト送り用ボールねじに要求されることがある。

上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法は、ボールねじと該ボールねじのねじ軸を支持する複列の転がり軸受との組合せ方法であって、前記転がり軸受が前記ねじ軸端部の外径の１．８倍以上の転動体ピッチ円径を有することを特徴とする。
請求項２記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法は、請求項１記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法において、前記転がり軸受が前記ねじ軸端部の外径の２倍以上の作用点距離を有することを特徴とする。

請求項３記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法は、請求項１または２記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法において、前記転がり軸受の内輪軌道面の最小内径を、前記転がり軸受の内輪が前記ねじ軸の肩部に当接する当接点と内輪固定用ナットが前記転がり軸受の内輪に当接する当接点とを結んだ直線により構成される円筒外径よりも大きくしたことを特徴とする。

請求項４記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法は、請求項１〜３のいずれか一項記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法において、前記転がり軸受の接触角を４０度以上６５度以下としたことを特徴とする。
請求項５記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法は、請求項１〜４のいずれか一項記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法において、前記ねじ軸端部の外周面と前記転がり軸受の内輪の内周面との間に間座を設けたことを特徴とする。

請求項６記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法は、請求項１〜５のいずれか一項記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法において、前記転がり軸受の内輪内径を前記ねじ軸端部の外径とほぼ同じ内径としたことを特徴とする。
請求項７記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法は、請求項１〜６のいずれか一項記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法において、前記ねじ軸の最大外径を前記ねじ軸の外周面に形成されたねじ溝のランド部外径と同じ径としたことを特徴とする。

請求項８記載の発明に係るボールねじ装置は、請求項１〜７のいずれか一項記載のボールねじと転がり軸受とを有することを特徴とする。
請求項９記載の発明に係るボールねじ装置は、請求項８記載のボールねじ装置において、前記ボールねじのねじ軸外周面に形成されたねじ溝のリード角を１８度以下としたことを特徴とする。

請求項１０記載の発明に係る電動射出成形機は、請求項８または９記載のボールねじ装置を備えたことを特徴とする。
請求項１１記載の発明に係る旋盤は、請求項８または９記載のボールねじ装置をバイト送り用ボールねじとして備えたことを特徴とする。

請求項１及び２記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法によれば、転がり軸受の内輪と嵌合する部分のねじ軸の軸径が小さくなってねじ軸端部の曲げ剛性が低下する。これにより、ねじ軸の端部がラジアル方向に変形し易くなり、ねじ軸端部に作用する動力伝達ベルトの張力によってねじ軸端部がラジアル方向に若干変形している状態でナットがねじ軸の端部付近に移動してもねじ軸端部の変形に起因するこじり力がナットに発生し難くなるので、ボールねじの寿命が短くなったり、ボールねじの動トルクが大きく変動したりすることを防止することができる。

請求項３記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法によれば、ボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受の内輪は内輪固定用ナットの締付力等により若干変形するが、軸力の作用点と軸力に対する反力を受ける点とを結ぶ領域内に内輪軌道面がないので、転がり軸受の寿命が短くなったり、転がり軸受の動トルクが大きく変動したりすることを防止することができる。

請求項４記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法によれば、転がり軸受の接触角を４０度以上６５度以下としたことにより、アキシャル方向の負荷容量を大きく確保できるので、軸受の列数を削減することができる。なお、接触角の上限を６５度とした理由は、接触角をあまり大きくすると、軌道面外へのボールの乗り上げが発生するという理由からである。

請求項５記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法によれば、入手性が良く、安価なＩＳＯ標準軸受を使用することができる。
請求項６記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法によれば、ボールねじのねじ軸端部と転がり軸受の内輪との間に間座を介在させる必要がないので、軸受剛性や精度を高めることができると共に部品点数の削減を図ることができる。

請求項７記載の発明に係るボールねじと転がり軸受との組合せ方法によれば、切削体積削減によるコストダウンを図ることができる。
請求項８及び９記載の発明に係るボールねじ装置によれば、寿命が短くなったり、駆動トルクが大きく変動したりすることを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明に係るボールねじの一実施形態を電動射出成形機の溶融樹脂射出装置に適用した一例を図１に示す。同図に示される溶融樹脂射出装置は前側固定プレート１と、この前側固定プレート１の後方に設けられた後側固定プレート２とを備えており、前側固定プレート１の中央部に穿設された貫通孔３には、溶融樹脂を加熱する加熱筒４の後端部が挿入されている。

また、図１に示される溶融樹脂射出装置は前側固定プレート１と後側固定プレート２との間に互いに平行に架設された二本のガイドロッド５，５と、これらのガイドロッド５にスライド可能に支持された可動プレート６と、この可動プレート６をガイドロッド５の軸方向にスライド駆動する二つのボールねじ７，７と、これらボールねじ７のねじ軸端部に取り付けられたタイミングプーリ８，９と、これらのタイミングプーリ８，９及びタイミングベルト１０を介してボールねじ７のねじ軸を回転駆動するボールねじ駆動用モータ１１とを備えており、可動プレート６の中央部に穿設された貫通孔１２には、スクリュー軸１４の後端部を回転自在に支持する転がり軸受１３が設けられている。

スクリュー軸１４はその先端部が加熱筒４内に挿入されており、図示しないスクリュー軸駆動用モータによりスクリュー軸１４がタイミングベルト１５及びタイミングプーリ１６を介して回転駆動されると、加熱筒４の先端から溶融樹脂が押し出されて射出成形型のキャビティ内に射出されるようになっている。
ボールねじ７は、図２に示すように、ねじ軸７１及びナット７２を備えており、ねじ軸７１の両端部を除いたねじ軸７１の外周面には、ねじ溝７３（図３参照）が１８度以下（好ましくは７．５度以下、より好ましくは６度以下）のリード角で形成されている。このねじ溝７３はナット７２の内周面に形成されたねじ溝と対向しており、これら二つのねじ溝の間に多数のボールが組み込まれている。

ボールねじ７のねじ軸７１はその両端部をそれぞれ複数の単列スラストアンギュラ玉軸受１７（図２参照）により支持されており、これらスラストアンギュラ玉軸受１７の内輪１７１が嵌合する部分のねじ軸７１の軸径ｄ_１は、図３に示すように、ねじ溝７３が形成されている部分のねじ軸７１の軸径（ランド部外径）ｄ_２より小径となっている（ｄ_１＜ｄ_２）。

また、ボールねじ７のねじ軸７１はその両端部に雄ねじ部７１ａ（図３参照）を有しており、ねじ軸７１を支持するスラストアンギュラ玉軸受１７の内輪１７１は、ねじ軸７１の雄ねじ部７１ａに螺合する内輪固定用ナット１８により締め付けられている。
スラストアンギュラ玉軸受１７は内輪１７１及び外輪１７２を有しており、内輪１７１と外輪１７２との間には、複数個の玉１７３が組み込まれている。これらの玉１７３は内輪軌道面１７４及び外輪軌道面１７５に対して４０度以上の接触角で内輪１７１と外輪１７２との間に組み込まれており、その転動体ピッチ円径ＰＣＤは、内輪１７１が嵌合するボールねじのねじ軸端部の外径ｄ_１に対して１．８倍以上のピッチ円径となっている。

また、スラストアンギュラ玉軸受１７の作用点距離Ｌ（図３参照）は、スラストアンギュラ玉軸受１７の内輪１７１が嵌合するボールねじのねじ軸端部の外径ｄ_１に対して２倍以上（好ましくは、３倍以上）の作用点距離となっている。
このような構成において、ねじ軸７１を支持するスラストアンギュラ玉軸受１７の内輪１７１にねじ軸７１の端部を挿入すると、ねじ軸７１のねじ溝７３が形成されている部分の端面部７１ｂ（図３参照）に内輪１７１が当接する。これにより、スラストアンギュラ玉軸受の内輪位置を固定する目的でねじ軸７１の端部にフランジを設ける必要がないので、ねじ軸７１の回転に伴う慣性力の影響を低減することができる。また、ねじ軸７１の回転に伴う慣性力の影響を低減するために、ねじ軸７１を回転駆動するモータとして容量の大きいモータを選定する必要がないので、コストの上昇を抑えることができる。

さらに、ボールねじ７のねじ軸７１を支持するスラストアンギュラ玉軸受１７の転動体ピッチ円径ＰＣＤを内輪１７１が嵌合するボールねじのねじ軸端部の外径ｄ_１に対して１．８倍以上のピッチ円径としたことにより、内輪１７１と嵌合する部分のねじ軸７１の軸径が小さくなって支持するスラストアンギュラ玉軸受１７のモーメント剛性に対するねじ軸端部の曲げ剛性が低下する。これにより、ねじ軸７１の端部がラジアル方向に変形し易くなり、ねじ軸端部に作用する動力伝達ベルトの張力によってねじ軸端部がラジアル方向に若干変形している状態でナット７２がねじ軸７１の端部付近に移動してもねじ軸端部の変形に起因するこじり力がナット７２に発生し難くなるので、ボールねじの寿命が短くなったり、ボールねじの動トルクが大きく変動したりすることを防止することができる。

また、転がり軸受の内輪が嵌合する部分のねじ軸の外径をねじ溝が形成されている部分のねじ軸の外径より小さくしたことで、ねじ軸の慣性力を低減できるほか、ねじ溝の加工代を削減できる。
また、図３に示すように、ボールねじ７のねじ軸７１を支持するスラストアンギュラ玉軸受１７の内輪１７１が内輪固定用ナット１８の締付力等により若干変形するが、軸力の作用点Ａと軸力に対する反力を受ける点Ｂとを結ぶ領域内に内輪軌道面がないので、スラストアンギュラ玉軸受の寿命が短くなったり、スラストアンギュラ玉軸受の動トルクが大きく変動したりすることを防止することができる。

上述した第１の実施形態ではボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受として内輪内径がねじ軸端部の外径と同じものを例示したが、これに限られるものではない。たとえば、図４に示す第２の実施形態のように、ボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受として内輪内径がねじ軸端部の外径より大きいものを用い、ねじ軸端部の外周面と内輪内周面との間に円筒状の間座１９を介在させても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第１の実施形態ではボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受としてスラストアンギュラ玉軸受を例示したが、これに限られるものではなく、玉軸受の代わりに円錐ころ軸受やスラスト自動調心ころ軸受などのころ軸受を用いてもよい。

溶融樹脂射出装置の一例を示す図である。 射出軸用ボールねじとボールねじのねじ軸を支持する転がり軸受を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るボールねじの一部を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るボールねじの一部を示す図である。 従来のボールねじを示す図である。 従来のボールねじの一部を示す図である。

符号の説明

１ 前側固定プレート
２ 後側固定プレート
４ 加熱筒
５ ガイドロッド
６ 可動プレート
７ ボールねじ
７１ ねじ軸
７２ ナット
７３ ねじ溝
８，９ タイミングプーリ
１０ タイミングベルト
１１ ボールねじ駆動用モータ
１４ スクリュー軸
１７ スラストアンギュラ玉軸受
１８ 内輪固定用ナット

Claims (11)

1. ボールねじと該ボールねじのねじ軸を支持する複列の転がり軸受との組合せ方法であって、前記転がり軸受が前記ねじ軸端部の外径の１．８倍以上の転動体ピッチ円径を有することを特徴とするボールねじと転がり軸受との組合せ方法。
2. 前記転がり軸受が前記ねじ軸端部の外径の２倍以上の作用点距離を有することを特徴とする請求項１記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法。
3. 前記転がり軸受の内輪軌道面の最小内径を、前記転がり軸受の内輪が前記ねじ軸の肩部に当接する当接点と内輪固定用ナットが前記転がり軸受の内輪に当接する当接点とを結んだ直線により構成される円筒外径よりも大きくしたことを特徴とする請求項１または２記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法。
4. 前記転がり軸受の接触角を４０度以上６５度以下としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法。
5. 前記ねじ軸端部の外周面と前記転がり軸受の内輪の内周面との間に間座を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法。
6. 前記転がり軸受の内輪内径を前記ねじ軸端部の外径とほぼ同じ内径としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法。
7. 前記ねじ軸の最大外径を前記ねじ軸の外周面に形成されたねじ溝のランド部外径と同じ径としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のボールねじと転がり軸受との組合せ方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項記載のボールねじと転がり軸受とを有することを特徴とするボールねじ装置。
9. 前記ボールねじのねじ軸外周面に形成されたねじ溝のリード角を１８度以下としたことを特徴とする請求項８記載のボールねじ装置。
10. 請求項８または９記載のボールねじ装置を備えたことを特徴とする電動射出成形機。
11. 請求項８または９記載のボールねじ装置をバイト送り用ボールねじとして備えたことを特徴とする旋盤。

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