JP2008151303A - Ball screw device and its screw groove machining method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばステアリング装置や重量物移動用装置、加工用機械、精密位置決め装置などの機械要素として用いられるボールねじ装置およびそのねじ溝加工方法に関するものである。 The present invention relates to a ball screw device used as a machine element such as a steering device, a heavy-weight moving device, a processing machine, a precision positioning device, and a thread groove processing method thereof.
係るボールねじ装置は、内面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、同じく外面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸とを複数のボール(鋼球)を介して螺合し、そのねじ軸を回転させることによってそのナットをそのねじ軸に沿って往復移動するものであり、従来から車両やそのステアリング装置、位置決め装置、各種産業の製造・加工機械などの部品として不可欠な機械要素の一つとなっている。 In such a ball screw device, a nut having a spiral thread groove formed on the inner surface and a screw shaft having a spiral thread groove formed on the outer surface are screwed together via a plurality of balls (steel balls), By rotating the screw shaft, the nut is reciprocated along the screw shaft. Traditionally, it is an indispensable machine element for parts such as vehicles, steering devices, positioning devices, and various industrial manufacturing and processing machines. It has become one of the.
そして、このような構成をしたボールねじ装置を加工・製造するに際しては、ねじ軸の外面やナットの内面にそれぞれ予め刻設された断面円弧状のねじ溝の仕上げ研削加工(例えば、断面ゴシックアーチ形状に研削加工)が必要となってくるが、ナットの内面側のねじ溝の仕上げ研削加工は、ねじ軸側のねじ溝に比べて特に研削加工上の制約が多いため、様々な工夫が必要となってくる。 Then, when processing and manufacturing a ball screw device having such a configuration, finish grinding processing (for example, a cross-sectional gothic arch) of a thread groove having an arc-shaped cross section preliminarily formed on the outer surface of the screw shaft and the inner surface of the nut is performed. However, the finish grinding of the thread groove on the inner surface side of the nut has more restrictions on the grinding process than the thread groove on the screw shaft side. It becomes.
すなわち、ナット側のねじ溝仕上げ研削加工方法として従来から多く採用されているのは、一般にねじ溝のリード角が7度以下の場合は、ねじ研削盤の主軸(回転軸)に設けられたクイルの先端に円盤状の砥石を取り付け、これを高速で回転させながらその砥石をナット内に挿入すると共に、そのクイルをねじ溝のリード角と同じ角度傾けながらその砥石をナット内面のねじ溝表面に押し付けることによってそのねじ溝を断面ゴシックアーチ加工形状に研削加工するようにしている(以下、これを「通常研削」という)。 In other words, the most commonly used grinding method for thread groove finish grinding on the nut side is generally a quill provided on the main shaft (rotary shaft) of the thread grinder when the lead angle of the thread groove is 7 degrees or less. Attach a disc-shaped grindstone to the tip of the nut, insert the grindstone into the nut while rotating it at a high speed, and tilt the quill at the same angle as the lead angle of the thread groove and place the grindstone on the thread groove surface on the inner surface of the nut. By pressing, the thread groove is ground into a cross-sectional Gothic arch shape (hereinafter referred to as “normal grinding”).
一方、このナットの径が小さい場合やナット長さが長い場合、またはリード角が大きい場合、例えば一般的なねじ研削盤の主軸の傾け角度の限界である7度を超える場合には、例えば以下の特許文献1などに示すように、砥石の傾け角度をリード角よりも小さくしながらそのナット内面を研削加工するようにしている(以下、これを「干渉研削」という)。 On the other hand, when the diameter of the nut is small, the nut length is long, or the lead angle is large, for example, when exceeding the limit of the tilt angle of the main spindle of a general screw grinding machine, for example, As shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-318, etc., the inner surface of the nut is ground while the inclination angle of the grindstone is smaller than the lead angle (hereinafter referred to as “interference grinding”).
また、さらにナット径が極端に小さい場合やねじ軸のリード角が例えば17度を超えるような極端に大きく、特許文献1などのような干渉研削を行ってもねじ溝の仕上げ研削加工ができない場合には、例えば同特許文献1(図8)や以下の特許文献2,3などに示すような周面に雄ねじを有するラップバーを用いたラップ加工という研削方法を用いて仕上げ研削加工を行っている。
ところで、前述したような干渉研削では、あくまでも最終的に研削加工させるべき正規のゴシックアーチ形状に近付けるだけの加工であり、通常研削のように正規のゴシックアーチ形状が得られるわけではない。特に、リード角が大きくなればなるほど正規の形状からの乖離は大きくなり、その結果、図7などからも分かるようにボールねじの転がり疲れ寿命の低下をもたらすことになる。
すなわち、図7はリード角と寿命比との関係との一例を示したのであり、リード角が7度までは、100%の寿命比を発揮することができるが、7度を超え干渉研削による加工になると寿命比が100%を下回り、そのリード角が大きくなるに従ってその寿命比が小さくなる。
By the way, in the interference grinding as described above, it is merely a process close to a regular Gothic arch shape to be finally ground, and a regular Gothic arch shape is not obtained as in normal grinding. In particular, as the lead angle increases, the deviation from the regular shape increases, and as a result, the rolling fatigue life of the ball screw decreases as can be seen from FIG.
That is, FIG. 7 shows an example of the relationship between the lead angle and the life ratio, and a life ratio of 100% can be exhibited up to a lead angle of up to 7 degrees. When processed, the life ratio falls below 100%, and the life ratio decreases as the lead angle increases.
一方、前述したラップ加工では加工時間が長いため生産性が低く、また、加工工具を含む治工具の費用が高くなるため生産コストが上昇してしまうといった問題がある。さらに、このラップ加工は、前述した通常研削や干渉研削と比較してねじ溝形状のばらつきが大きいといった問題がある。
そこで、本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、その主な目的は、長寿命で高品質なボールねじ装置およびそのボールねじ装置を低コストで生産できるねじ溝加工方法を提供するものである。
On the other hand, the above-described lapping has a problem that productivity is low because the processing time is long, and the production cost increases because the cost of the tool including the processing tool is high. Further, the lapping process has a problem that the variation in the thread groove shape is large compared to the above-described normal grinding and interference grinding.
Therefore, the present invention has been devised to solve the above-described problems, and its main purpose is to produce a long-life and high-quality ball screw device and the ball screw device at low cost. A thread groove processing method is provided.
前記課題を解決するために請求項1の発明は、
外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、当該ねじ軸を貫通すると共にその内周面に前記ねじ軸側のねじ溝と対向するように螺旋状のねじ溝を有するナットと、当該ナット側のねじ溝と前記ねじ軸側のねじ溝間を転動する複数のボールとを備えたボールねじ装置であって、前記ナット側のねじ溝形状が断面ゴシックアーチ状になっていると共に、そのねじ溝表面に、そのねじ溝に沿って延びる断面円弧状の微小凹部を複数有することを特徴とするボールねじ装置である。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of
A screw shaft having a spiral thread groove on the outer peripheral surface, a nut having a spiral thread groove passing through the screw shaft and facing the screw groove on the screw shaft side on the inner peripheral surface, and the nut A ball screw device including a plurality of balls that roll between the screw grooves on the screw shaft side and the screw shaft side, wherein the screw groove shape on the nut side has a cross-sectional Gothic arch shape, and A ball screw device characterized in that a plurality of micro concave portions having an arcuate cross section extending along the thread groove are provided on the surface of the thread groove.
また、請求項2の発明は、
請求項1に記載のボールねじ装置において、前記隣接する微小凹部間の山高さは、0.4μm以上1.0μm以下であって、前記微小凹部の曲率Rと前記ボールの直径Dwとの比(R/Dw)が、0.3以下であることを特徴とするボールねじ装置である。
The invention of
2. The ball screw device according to
また、請求項3の発明は、
請求項1に記載のボールねじ装置の製造方法において、内周面に螺旋状のねじ溝が形成された前記ナットよりも小径なロッド体に切削刃を取り付けておき、当該ロッド体または前記ナットを前記ナットのねじ溝に沿って螺旋状に回転させながら当該ナット内に前記ロッド体を挿入して当該ロッド体の切削刃によって当該ナットのねじ溝表面に第1の微小凹部を切削加工した後、当該第1の微小凹部に隣接させて第2の微小凹部を切削加工し、さらにその後、当該第2の微小凹部に隣接させて第3以降の微小凹部を順次切削加工して前記ナットのねじ溝表面を前記複数の微小凹部を有する断面ゴシックアーチ状に切削加工することを特徴とするボールねじ装置のねじ溝加工方法である。
The invention of
The ball screw device manufacturing method according to
請求項1の発明よれば、ナット側のねじ溝形状が断面ゴシックアーチ状になっていると共に、そのねじ溝表面に、そのねじ溝に沿って延びる断面円弧状の微小凹部を複数有する構造となっているため、この微小凹部が潤滑油の油溜まりの役目を果たしてボールとの接触面の潤滑性を良好に保つことができる。これによって、潤滑性が向上して長寿命化を達成することができる。 According to the first aspect of the present invention, the screw groove shape on the nut side has a cross-sectional Gothic arch shape, and the surface of the screw groove has a plurality of minute concave portions having a circular arc shape extending along the screw groove. Therefore, the minute recesses serve as a reservoir for the lubricating oil, and the lubricity of the contact surface with the ball can be kept good. As a result, the lubricity is improved and a long life can be achieved.
そして、具体的には請求項2に規定するように、前記隣接する微小凹部間の山高さは、0.4μm以上1.0μm以下であって、前記微小凹部の曲率Rと前記ボールの直径Dwとの比(R/Dw)が、0.3以下とすれば、後に実証するように優れた生産性と長寿命化をバランス良く達成することができる。
また、請求項3によれば、従来では不可能であったリード角の大きいねじ溝であっても正規の断面ゴシックアーチ状に切削加工することができる。しかも、従来のラップ加工のようなねじ溝形状のばらつきが小さい上に、従来のラップ加工に比べて優れた生産性を発揮できると共にその生産コストも低く抑えることが可能となる。
Specifically, as defined in
According to the third aspect of the present invention, even a thread groove having a large lead angle, which has been impossible in the past, can be cut into a regular Gothic arch shape. In addition, the variation in the thread groove shape as in the conventional lapping process is small, and it is possible to exhibit excellent productivity as compared with the conventional lapping process and to reduce the production cost.
次に、本発明に係るボールねじ装置100の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図1および図2は、本発明に係るボールねじ装置100の実施の一形態を示したものである。なお、図1は本発明に係るボールねじ装置100の縦断面図、図2は図1中A部を示す部分拡大図である。
Next, an embodiment of a
1 and 2 show an embodiment of a
図示するようにこのボールねじ装置100は、ロッド状のねじ軸10と、このねじ軸10を貫通する筒状のナット20と、このナット20とねじ軸10との間を転動する複数のボール(鋼球)30、30…とから主に構成されている。
そして、このねじ軸10の外周面およびナット20の内周面には、それぞれ螺旋状のねじ溝11、21が対向するように形成されており、これらねじ溝11、21で形成される螺旋状の転動路40内を前記複数のボール30、30…が転動するようになっている。
As illustrated, the
Further,
また、この螺旋状の転動路40の上下流間には、2つのリターンチューブ50、50が設けられており、転動路40の一部と共に前記ナット20の軸方向に沿って2つ(2条)の循環回路60、60を形成するようになっている。
また、図2に示すように、この転動路40を構成するねじ溝11、21は、中央部分がやや尖った断面ゴシックアーチ形状に形成されており、ボール30に対してそれぞれ2点で接触することで軸方向隙間を極めて小さく調整しても軽く回すことができるようになっている。また、このような断面ゴシックアーチ形状を採用することにより、予圧調整を行って軸方向隙間をなくすと共に使用条件に合った適切な剛性を持たせることも可能となっている。
Further, two
As shown in FIG. 2, the
また、さらに同図に示すように、この断面ゴシックアーチ形状をしたねじ溝11、21のうち、特にナット20側のねじ溝21の表面には、そのねじ溝21に沿って延びる断面円弧状の微小凹部70が複数その幅方向に連続するように切削加工されている。
図3および図4は、このようなナット20側のねじ溝21の切削加工方法の一例を示したものである。
Further, as shown in the figure, among the
FIG. 3 and FIG. 4 show an example of the cutting method of the
すなわち、先ず図3に示すように、このナット20よりも小径なロッド体80に、先端が鋭利な切削刃90を取り付けておき、このロッド体80またはナット20側をそのナット20のねじ溝21に沿って螺旋状に回転させながらそのナット20内にロッド体80を挿入してそのロッド体80の切削刃90によって前記筒状体のねじ溝表面に第1の微小凹部70aを切削加工する(図4(1)→(2))。
That is, first, as shown in FIG. 3, a
次に、再びこのロッド体80をナット20から抜き出して、このロッド体80のナット20の軸心に対する位相、または(および)軸心に対する法線方向の位置を変化させてからこの第1の微小凹部70aに隣接させて第2の微小凹部70bを切削加工(図4(2)→(3))し、さらにその後、同様にしてその切削刃90をこの第2の微小凹部70bに隣接させて第3以降の微小凹部70c、70d…を順次切削加工(図4(3)→(6))してそのナット20のねじ溝21表面に微小凹部70を複数形成する。
Next, the
これによって、図2に示すようにナット20側のねじ溝21の表面に対してそのねじ溝21に沿って延びる断面円弧状の微小凹部70を複数その幅方向に連続するように切削加工することができる。
そして、このようにしてねじ溝21表面に切削加工される各微小凹部70、70…の大きさ(サイズ)としては、特に限定されるものではないが、例えば、図5および図6に示すように隣接する微小凹部70,70間の山高さ(深さ)を「0.4μm」〜「1.0μm」とすると共に、その微小凹部70の曲率Rとボール30の直径Dwとの比(R/Dw)を「0.3」以下とすれば、優れた生産性と長寿命化をバランス良く達成することができる。
As a result, as shown in FIG. 2, a plurality of micro
The size (size) of each of the
すなわち、先ず図5はこの微小凹部70の曲率Rと山高さとを順次変化させたボールねじ装置の寿命比と時間当たりの生産性との関係を示したものである。
なお、この試験に用いたボールねじ装置は、ダブルナットタイプのボールねじであって、軸径φ40mm、リード40mm、リード角17度、ボール径6.35mm、予圧量620N、曲率R0.8mm、R/Dw=0.126である。
That is, first, FIG. 5 shows the relationship between the life ratio and the productivity per hour of the ball screw device in which the curvature R and the peak height of the
The ball screw device used in this test is a double nut type ball screw, shaft diameter φ 40 mm, lead 40 mm, lead angle 17 degrees, ball diameter 6.35 mm, preload amount 620 N, curvature R 0.8 mm, R /Dw=0.126.
そして、このボールねじ装置はリード角が17度であるため、図7からも分かるように従来の干渉研削のボールねじに比べて理論上、1.67倍の寿命延長効果が期待できるが、この図5に示す試験結果によれば、この隣接する微小凹部70,70間の山高さを1μm以下とした場合には、干渉研削のボールねじ装置に比べて約2〜3倍の寿命延長効果が得られることが分かる。 And since this ball screw device has a lead angle of 17 degrees, as can be seen from FIG. 7, it can theoretically be expected to have a life extension effect of 1.67 times that of a conventional interference grinding ball screw. According to the test results shown in FIG. 5, when the height of the crest between the adjacent minute recesses 70 is set to 1 μm or less, the life extension effect is about 2-3 times that of the ball screw device for interference grinding. You can see that
これは、前述したようにそのねじ溝21に形成された複数の微小凹部70が潤滑油の油溜まりとして作用し、ボール30との接触面の潤滑性を良好に維持して油膜切れなどを未然に防止するためと考えられる。
また、同図からも分かるようにこの山高さが1μmを超えたあたりから、寿命比が極端に低くなってしまうことが分かるが、これはボール30がそのねじ溝21表面に接触したときにその微小凹部70の山の頂点の接触面圧が急激に上昇して早期に破損に至るからであると考えられる。
This is because, as described above, the plurality of minute recesses 70 formed in the
Also, as can be seen from the figure, it can be seen that the life ratio becomes extremely low when the peak height exceeds 1 μm, but this is the case when the
従って、この山高さは低い方が望ましいが、低く抑えるために微小凹部70の数を多くすると、その分微小凹部70の切削加工数が増えて時間当たりの生産性が下がってしまうため、通常研削のボールねじ装置と同等の生産性を維持するためには、前述したようにその山高さは少なくとも0.4μm以上とすることが望ましい。
一方、図6は、この微小凹部70,70間の山高さを0.4μmとしたときの微小凹部70の曲率Rと通常研削のボールねじ装置に対する寿命比ならびに時間当たりの生産性との関係を示したものである。なお、この微小凹部70の曲率Rの大きさは一般に被加工物の仕上げ半径に対する比で表されるため、図6では横軸をR(曲率)/Dw(ボール径)とした。
Therefore, it is desirable that the height of the peak is low. However, if the number of the minute recesses 70 is increased in order to keep it low, the number of cutting processes of the minute recesses 70 is increased, and the productivity per hour is lowered. In order to maintain productivity equivalent to that of the ball screw device, it is desirable that the peak height be at least 0.4 μm as described above.
On the other hand, FIG. 6 shows the relationship between the curvature R of the micro-recess 70 when the height between the micro-recesses 70, is 0.4 μm, the life ratio with respect to the ball screw device for normal grinding, and the productivity per hour. It is shown. In addition, since the magnitude | size of the curvature R of this micro recessed
同図からも分かるように、この微小凹部70の曲率Rがボール30の直径の30%(0.3)を超えたあたりから寿命比が極端に低下することが確認された。
これは、微小凹部70の曲率Rがボール30の直径(Dw)に対して大きくなるとポイントカットというよりは総型バイトによる加工に近くなり、切削抵抗の増大によって溝直角断面方向の溝形状と螺旋方向の真円度が悪くなるためである。
As can be seen from the figure, it has been confirmed that the life ratio is drastically reduced when the curvature R of the
This is because when the curvature R of the
また、この微小凹部70の曲率Rの大きさも前記山高さの場合と同様に小さくするほど切削加工数が増えて生産性が低くなるため、少なくとも通常研削のボールねじ装置と同等の生産性を維持するためには、R(曲率)/Dw(ボール径)を「0.126」とする必要があることがわかる。
従って、これらの試験結果からも分かるように、隣接する微小凹部70,70間の山高さ(深さ)を前述したように「0.4μm」〜「1.0μm」の範囲にすると共に、R(曲率)/Dw(ボール径)を「0.3」以下とすれば、図7に示すようにリード角の大きさに拘わらず寿命比をほぼ100%に維持することが可能となり、優れた生産性と長寿命化をバランス良く達成することができる。
Further, as the size of the curvature R of the minute
Accordingly, as can be seen from these test results, the peak height (depth) between the adjacent minute recesses 70 and 70 is set to the range of “0.4 μm” to “1.0 μm” as described above, and R When (curvature) / Dw (ball diameter) is set to “0.3” or less, the life ratio can be maintained at almost 100% regardless of the lead angle as shown in FIG. Productivity and long service life can be achieved in a well-balanced manner.
なお、この断面円弧状の微小凹部70は、ねじ溝21の幅方向に段部(山)が存在するが、ボール30の転がり方向は滑らかに連続しているため、ボールねじ装置100のころがり性能などに悪影響を及ぼすことはない。
また、本実施の形態では、チューブボール式ボールねじの例で説明したが、本発明は循環部の形式に依存せず、例えば、こま式、エンドキャップ式あるいは循環路を持たないものでも適用できる。
In addition, although this cross-sectional arc-shaped micro recessed
In the present embodiment, an example of a tube ball type ball screw has been described. However, the present invention does not depend on the type of the circulating portion, and can be applied to, for example, a top type, an end cap type, or a type having no circulation path. .
100…ボールねじ
10…ねじ軸
11…ねじ溝(ねじ軸側)
20…ナット
21…ねじ溝(ナット側)
30…ボール
40…転動路
50…リターンチューブ
60…循環回路
70…微小凹部
80…ロッド体
90…切削刃
DESCRIPTION OF
20 ...
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ナット側のねじ溝形状が断面ゴシックアーチ状になっていると共に、そのねじ溝表面に、そのねじ溝に沿って延びる断面円弧状の微小凹部を複数有することを特徴とするボールねじ装置。 A screw shaft having a spiral thread groove on the outer peripheral surface, a nut having a spiral thread groove passing through the screw shaft and facing the screw groove on the screw shaft side on the inner peripheral surface, and the nut A ball screw device comprising a plurality of balls that roll between a screw groove on the side and a screw groove on the screw shaft side,
A ball screw device characterized in that a screw groove shape on the nut side has a Gothic arch shape in cross section, and a plurality of minute concave portions having an arc cross section extending along the screw groove on a surface of the screw groove.
前記隣接する微小凹部間の山高さは、0.4μm以上1.0μm以下であって、前記微小凹部の曲率Rと前記ボールの直径Dwとの比(R/Dw)が、0.3以下であることを特徴とするボールねじ装置。 The ball screw device according to claim 1,
The peak height between the adjacent minute recesses is 0.4 μm or more and 1.0 μm or less, and the ratio (R / Dw) between the curvature R of the minute recess and the diameter Dw of the ball is 0.3 or less. There is a ball screw device.
内周面に螺旋状のねじ溝が形成された前記ナットよりも小径なロッド体に切削刃を取り付けておき、
当該ロッド体または前記ナットを前記ナットのねじ溝に沿って螺旋状に回転させながら当該ナット内に前記ロッド体を挿入して当該ロッド体の切削刃によって当該ナットのねじ溝表面に第1の微小凹部を切削加工した後、
当該第1の微小凹部に隣接させて第2の微小凹部を切削加工し、
さらにその後、当該第2の微小凹部に隣接させて第3以降の微小凹部を順次切削加工して前記ナットのねじ溝表面を前記微小凹部を複数有する断面ゴシックアーチ状に切削加工することを特徴とするボールねじ装置のねじ溝加工方法。 It is a processing method of the thread groove of the ball screw device according to claim 1,
A cutting blade is attached to a rod body having a smaller diameter than the nut in which a spiral thread groove is formed on the inner peripheral surface,
The rod body or the nut is spirally rotated along the thread groove of the nut, the rod body is inserted into the nut, and a first microscopic surface is formed on the surface of the thread groove of the nut by the cutting blade of the rod body. After cutting the recess,
Cutting the second minute recess adjacent to the first minute recess,
Further thereafter, the third and subsequent minute recesses are sequentially cut adjacent to the second minute recesses, and the thread groove surface of the nut is cut into a cross-sectional Gothic arch shape having a plurality of the minute recesses. A thread groove machining method for a ball screw device.
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