JP2008256050A - Resin nut, and sliding screw device - Google Patents

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JP2008256050A JP2007097708A JP2007097708A JP2008256050A JP 2008256050 A JP2008256050 A JP 2008256050A JP 2007097708 A JP2007097708 A JP 2007097708A JP 2007097708 A JP2007097708 A JP 2007097708A JP 2008256050 A JP2008256050 A JP 2008256050A
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Takuya Ishii
卓哉 石井
Takumi Hayashi
工 林
Tokuji Umehara
徳次 梅原
Hiroyuki Kamisaka
裕之 上坂
Daisuke Hirai
大輔 平井
Tomoharu Tamaoki
友晴 玉置
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resin nut reducing partial wear of a screw thread and extending the service life even under a high surface pressure condition, and also to provide a sliding screw device using the nut. <P>SOLUTION: The resin nut 3 is screwed with a screw shaft 1 and is axially moved relatively with the screw shaft 1. The Young's modulus of resin material forming the resin nut is a value approximately uniformize contact pressure distribution in an axial direction in contact faces of the nut and the screw shaft when the load is applied to the nut in an axial cross-section of the nut, and the contact pressure distribution is acquired by heat transmission-structure interaction analysis by a finite element method using two-dimensional axisymmetric model of the nut. The Young's modulus forming the resin nut is 2.48 GPa-5 GPa at 25°C. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、樹脂製ナットおよびこれを用いたすべりねじ装置に関し、特にナットを構成する樹脂材料のヤング率を、構造解析に基づいてねじ接触面での接触圧力の最大値を所定値以下にできる値とした樹脂製ナットおよびこれを用いたすべりねじ装置に関する。   The present invention relates to a resin nut and a sliding screw device using the same, and in particular, the Young's modulus of a resin material constituting the nut can be set to a maximum value of a contact pressure on a screw contact surface based on a structural analysis. The present invention relates to a resin nut and a sliding screw device using the same.

回転運動を直線運動に変換するすべりねじ装置は、ボールねじ装置に較べてコンパクトに設計できるという利点がある。ナットを用いたすべりねじ装置は、ねじ軸を回転駆動して、ナットのフランジに直線駆動力が伝達される移動テーブル等の被駆動体を取り付ける場合が多く、各種産業機械の送り装置や位置決め装置等に多用されている。そのなかで樹脂製ナットを用いたすべりねじ装置は、近年光学測定機器、半導体製造装置、医療機器など用途が拡大するとともに、それぞれの装置に応じた仕様や特性が要求されるようになってきている。   A slide screw device that converts rotational motion into linear motion has the advantage that it can be designed more compactly than a ball screw device. Sliding screw devices using nuts often attach driven bodies such as moving tables that rotate the screw shaft and transmit linear driving force to the flanges of the nuts. It is used a lot. Among them, sliding screw devices using resin nuts have recently been used for optical measuring equipment, semiconductor manufacturing equipment, medical equipment, etc., and specifications and characteristics according to each equipment have been required. Yes.

すべりねじ装置用の樹脂製ナットとしては、切削加工や射出成形によって全体が樹脂で形成され、このナットを形成する樹脂として、熱可塑性ポリイミド樹脂を用いたもの(特許文献1参照)、ポリフェニレンサルファイド樹脂を用いたもの(特許文献2参照)、ポリフェニレンサルファイド樹脂に四フッ化エチレン樹脂や高温で非溶融の有機樹脂粉末を配合したもの(特許文献3参照)等が開示されている。   As a resin nut for a sliding screw device, the whole is formed of a resin by cutting or injection molding, and a thermoplastic polyimide resin is used as a resin for forming this nut (see Patent Document 1), polyphenylene sulfide resin (Refer to Patent Document 2), and polyphenylene sulfide resin blended with tetrafluoroethylene resin or organic resin powder not melted at high temperature (refer to Patent Document 3).

しかしながら、樹脂製ナットは、ねじ山が偏摩耗しやすく位置決め精度が低下するため、高面圧条件下では長寿命化することができなかった。また、このような偏摩耗を材料面から防止しようとする場合、すべりねじ装置では、負荷荷重や摩擦発熱などの多くの条件を考慮しなければならず、その最適物性の選定を実験的に行なうことは困難であった。
特開平6−193701号公報 特開2001−116102号公報 特開2003−239932号公報
However, since the screw nut is likely to be unevenly worn and the positioning accuracy is lowered, the resin nut cannot be extended in life under high surface pressure conditions. Also, when trying to prevent such uneven wear from the material surface, in the sliding screw device, many conditions such as load load and frictional heat generation must be taken into account, and the optimum physical properties are selected experimentally. It was difficult.
JP-A-6-193701 JP 2001-116102 A JP 2003-239932 A

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、ねじ山の偏摩耗を低減させることができ、高面圧条件下でも長寿命である樹脂製ナット、および、該ナットを用いたすべりねじ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to cope with such problems, and can reduce uneven wear of a thread and has a long life even under high surface pressure conditions, and uses the nut. An object of the present invention is to provide a sliding screw device.

本発明の樹脂製ナットは、ねじ軸に螺合され、ねじ軸と軸方向に相対移動する樹脂製ナットであって、該樹脂製ナットを形成する樹脂材料のヤング率が、上記樹脂製ナットの軸方向断面において、該樹脂製ナットに荷重を加えたときの該樹脂製ナットと上記ねじ軸との接触面における軸方向の接触圧力分布を略均一とできる値であり、上記接触圧力は、上記樹脂製ナットの二次元軸対称モデルを用いて有限要素法による解析により求めたものであることを特徴とする。   The resin nut of the present invention is a resin nut that is screwed onto the screw shaft and moves relative to the screw shaft in the axial direction, and the Young's modulus of the resin material forming the resin nut is that of the resin nut. In the axial cross section, the contact pressure distribution in the axial direction on the contact surface between the resin nut and the screw shaft when a load is applied to the resin nut is a value that can be made substantially uniform. It is obtained by analysis by a finite element method using a two-dimensional axisymmetric model of a resin nut.

上記有限要素法による解析は、上記ねじ軸と上記樹脂製ナットとの摺動時における上記ねじ軸と樹脂製ナット内部の温度分布を求めた後、該温度分布と、所定の負荷荷重とを拘束条件として上記接触圧力分布の解析を行なう伝熱−構造連成解析であることを特徴とする。   In the analysis by the finite element method, the temperature distribution inside the screw shaft and the resin nut during the sliding between the screw shaft and the resin nut is obtained, and then the temperature distribution and a predetermined load are constrained. It is a heat transfer-structure coupled analysis that analyzes the contact pressure distribution as a condition.

上記接触圧力分布における接触圧力の最大値が 12 MPa 未満であることを特徴とする。   The maximum value of the contact pressure in the contact pressure distribution is less than 12 MPa.

上記樹脂製ナットを形成する樹脂材料のヤング率が、25℃において 2.48 GPa〜 5 GPaであることを特徴とする。   The resin material forming the resin nut has a Young's modulus of 2.48 GPa to 5 GPa at 25 ° C.

上記樹脂製ナットは、フランジが形成されていることを特徴とする。   The resin nut is characterized in that a flange is formed.

本発明のすべりねじ装置は、ねじ軸にナットを螺合して、ナットをねじ軸と軸方向に相対移動させるすべりねじ装置であって、このナットが上記本発明の樹脂製ナットであることを特徴とする。   The sliding screw device of the present invention is a sliding screw device in which a nut is screwed onto a screw shaft and the nut is moved relative to the screw shaft in the axial direction, and the nut is the resin nut of the present invention. Features.

本発明の樹脂製ナットは、ナット樹脂材料のヤング率を、所定のモデルを用いた有限要素法による伝熱−構造連成解析により、ナットのねじ山が受けるねじ軸との接触圧力分布を正確に解析し、該解析結果に基づいて上記接触圧力分布が概ね均一化できる値とするので、高面圧条件下でもねじ山の偏摩耗が少なくなり、ナットの長寿命化が図れる。
また、例えば樹脂製ナットを形成する樹脂材料のヤング率を 2.48 GPa〜 5 GPa とすることで、接触圧力分布における接触圧力の最大値を 12 MPa 未満とでき、すべりねじ装置の耐荷重の上限の引き上げ、および高面圧条件下での長寿命化を図れる。
The resin nut of the present invention accurately determines the Young's modulus of the nut resin material by the heat transfer-structure coupled analysis by the finite element method using a predetermined model, and accurately determines the contact pressure distribution with the screw shaft that the nut thread receives. Since the contact pressure distribution is set to a value that can be made substantially uniform based on the analysis result, uneven wear of the thread is reduced even under high surface pressure conditions, and the life of the nut can be extended.
For example, by setting the Young's modulus of the resin material forming the resin nut to 2.48 GPa to 5 GPa, the maximum value of the contact pressure in the contact pressure distribution can be less than 12 MPa, which is the upper limit of the load resistance of the sliding screw device. Pulling up and extending the life under high surface pressure conditions.

本発明のすべりねじ装置は、ねじ軸にナットを螺合して、ナットをねじ軸と軸方向に相対移動させるすべりねじ装置において、接触圧力分布における接触圧力の最大値が所定値以下であり、ねじ山の偏摩耗の少ない上記樹脂製ナットを用いるので、高面圧条件下において長寿命となる。   The sliding screw device of the present invention is a sliding screw device in which a nut is screwed onto a screw shaft and the nut is moved relative to the screw shaft in the axial direction, and the maximum value of the contact pressure in the contact pressure distribution is a predetermined value or less. Since the above resin nut with less uneven wear of the thread is used, the service life is long under high surface pressure conditions.

本発明の樹脂製ナットおよびこれを用いたすべりねじ装置を図1および図2に基づいて説明する。図1はすべりねじ装置の斜視図を、図2は樹脂製ナットの軸方向断面図をそれぞれ示す。
すべりねじ装置2は、ねじ軸1と、このねじ軸1のねじ溝に螺合し、このねじ軸上を摺動しながら移動する樹脂製ナット3とから構成され、ねじ軸1の回転運動が樹脂製ナット3の直線運動に変換される。その他に、樹脂製ナット3を同じ位置で回転させることによりねじ軸1に直線運動を付与する使い方もできる。樹脂製ナット3は、樹脂組成物を射出成形等することで成型される。
A resin nut and a sliding screw device using the same according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view of a sliding screw device, and FIG. 2 is an axial sectional view of a resin nut.
The sliding screw device 2 includes a screw shaft 1 and a resin nut 3 that is screwed into the screw groove of the screw shaft 1 and moves while sliding on the screw shaft 1. It is converted into a linear motion of the resin nut 3. In addition, it is also possible to apply a linear motion to the screw shaft 1 by rotating the resin nut 3 at the same position. The resin nut 3 is molded by injection molding of a resin composition.

図2に示すように、樹脂製ナット3の内径面には、ねじ軸1(図1参照)に螺合される雌ねじ3aが形成されている。樹脂製ナット3のフランジ4には、移動テーブル等の被駆動体が取り付けられる。
樹脂製ナット3の内径面の雌ねじ3aは射出成形時の金型によって形成される。また、雌ねじ3aは射出成形後に機械加工で形成することもでき、ねじ山の形状は特に限定されず、台形、ゴシックアーク、三角、矩形等いずれの形状であってもよい。
As shown in FIG. 2, a female screw 3 a that is screwed to the screw shaft 1 (see FIG. 1) is formed on the inner diameter surface of the resin nut 3. A driven body such as a moving table is attached to the flange 4 of the resin nut 3.
The internal thread 3a on the inner diameter surface of the resin nut 3 is formed by a mold during injection molding. The internal thread 3a can also be formed by machining after injection molding, and the shape of the thread is not particularly limited, and may be any shape such as a trapezoid, a gothic arc, a triangle, and a rectangle.

上述したように樹脂製ナットは、ねじ山が偏摩耗しやすく位置決め精度が低下するという問題があった。この偏摩耗の原因を探るべく、ナットの二次元軸対称モデルを用いて有限要素法による構造解析を行なったところ、ナットの軸方向断面において、ナットの雌ねじと、ねじ軸の雄ねじとの接触面における軸方向の接触圧力分布が摩耗量の偏りに合わせて偏っていることが分かった。これに対し、ナット材料の影響について種々検討・解析した結果、材料のヤング率(引張り弾性率)が大きすぎる場合や、小さすぎる場合では、ねじ接触面での上記接触圧力分布が偏り、接触圧力の最大値(最大接触圧力)が大きくなるが、所定の範囲内とすることで分布の偏りおよび最大接触圧力の低減が可能であることを見出した。本発明の樹脂製ナットは、構造解析に基づいて使用するナット材質のヤング率を決定するという製造工程において特徴を有するものである。   As described above, the resin nut has a problem in that the screw thread is likely to be unevenly worn and the positioning accuracy is lowered. In order to investigate the cause of this uneven wear, structural analysis was performed by the finite element method using a two-dimensional axisymmetric model of the nut. It was found that the axial contact pressure distribution was uneven in proportion to the wear amount. On the other hand, as a result of various examinations and analyzes on the influence of the nut material, when the Young's modulus (tensile modulus) of the material is too large or too small, the contact pressure distribution on the screw contact surface is biased, and the contact pressure The maximum value (maximum contact pressure) is increased, but it has been found that by making it within a predetermined range, it is possible to bias the distribution and reduce the maximum contact pressure. The resin nut of the present invention is characterized in the manufacturing process of determining the Young's modulus of the nut material to be used based on the structural analysis.

樹脂製ナット3を形成するための樹脂材料のヤング率は、樹脂製ナット3の軸方向断面(図2参照)において、該樹脂製ナットに荷重を加えたときの樹脂製ナットとねじ軸との接触面における軸方向の接触圧力分布を略均一とできる値であればよい。
本発明において接触圧力分布とは、樹脂製ナット3の任意の軸方向断面において、ピッチ数と同数だけある摩擦接触面の接触圧力(ピーク値)を軸方向に見た分布であり、該接触圧力分布が略均一であるとは、この各接触面における接触圧力(ピーク値)の分布の偏りが小さく略均一であることをいう。
また、本発明における上記略均一とは、接触圧力分布において、各接触面における接触圧力(ピーク値)の最小値(非接触を除く)と最大値との比が 10 以下であることをいう。
The Young's modulus of the resin material for forming the resin nut 3 is the difference between the resin nut and the screw shaft when a load is applied to the resin nut in the axial cross section of the resin nut 3 (see FIG. 2). Any value can be used as long as the contact pressure distribution in the axial direction on the contact surface can be made substantially uniform.
In the present invention, the contact pressure distribution is a distribution in which the contact pressure (peak value) of the friction contact surface that is the same as the number of pitches in an arbitrary axial section of the resin nut 3 is viewed in the axial direction. The distribution being substantially uniform means that the distribution of the contact pressure (peak value) on each contact surface is small and substantially uniform.
In the present invention, the term “substantially uniform” means that, in the contact pressure distribution, the ratio between the minimum value (excluding non-contact) and the maximum value of the contact pressure (peak value) at each contact surface is 10 or less.

また、樹脂製ナット3を形成するための樹脂材料のヤング率は、上記接触圧力分布において、接触圧力の最大値が 12 MPa 未満となる値であることが好ましい。このようなヤング率の範囲としては、25℃において 2.48 GPa〜 5 GPa である。ヤング率が 2.48 GPa 未満および 5 GPa をこえると、それぞれ接触圧力分布が偏り、接触圧力の最大値が 12 MPa 以上となる。
本発明において樹脂材料のヤング率は、樹脂単独または必要に応じて添加材を配合した樹脂組成物からなる試験片を用いて、引張試験により求めた値である。ヤング率は、ナットの使用温度範囲内で数点測定し、解析においては温度依存性を考慮する。ナット製造時には、樹脂の選定および添加材を配合することで、ヤング率の調整を行なう。
Further, the Young's modulus of the resin material for forming the resin nut 3 is preferably a value at which the maximum value of the contact pressure is less than 12 MPa in the contact pressure distribution. The range of such Young's modulus is 2.48 GPa to 5 GPa at 25 ° C. If the Young's modulus is less than 2.48 GPa and exceeds 5 GPa, the contact pressure distribution is biased and the maximum value of the contact pressure is 12 MPa or more.
In the present invention, the Young's modulus of the resin material is a value obtained by a tensile test using a test piece made of a resin composition alone or a resin composition containing an additive as required. The Young's modulus is measured at several points within the operating temperature range of the nut, and the temperature dependence is taken into consideration in the analysis. At the time of nut production, Young's modulus is adjusted by selecting a resin and blending an additive.

樹脂製ナット3を形成するための樹脂組成物としては、例えば、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フェノール樹脂、およびこれらをブレンドしたもの等を主成分として、四フッ化エチレン(PTFE)樹脂を 10〜40 体積%程度配合した樹脂組成物が挙げられる。なお、PPS樹脂としては、分子の架橋状態により架橋型、半架橋型、直鎖型、分岐型等のものがあるが、いずれも使用でき、これらをブレンドしたものであってもよい。   Examples of the resin composition for forming the resin nut 3 include thermoplastic polyimide resins, polyether ether ketone resins, polyphenylene sulfide (PPS) resins, polyamideimide resins, phenol resins, and blends thereof. As a main component, a resin composition containing about 10 to 40 vol% of tetrafluoroethylene (PTFE) resin can be mentioned. The PPS resin includes a cross-linked type, a semi-cross-linked type, a linear type, a branched type, and the like depending on the cross-linked state of the molecule, and any of them can be used, or a blend of these may be used.

上記主成分となる樹脂としては、PPS樹脂が好ましい。主成分をPPS樹脂とすることにより、十分実用的で使用温度範囲(摺動部温度が−5℃〜150℃)が広く、かつ安価に樹脂製ナットが得られる。また、PPS樹脂は耐薬品性に優れているため、水中、薬液中などの環境下でも使用可能となる。また、PPS樹脂に、PTFE樹脂を配合することにより、安定した低摩擦特性が得られ、騒音がなく、起動摩擦係数も低くなり、耐摩耗性も向上する。   As the resin as the main component, a PPS resin is preferable. By using a PPS resin as the main component, a resin nut can be obtained at a low cost and sufficiently practical, with a wide operating temperature range (sliding portion temperature of −5 ° C. to 150 ° C.). Moreover, since the PPS resin is excellent in chemical resistance, it can be used even in an environment such as water or chemicals. Further, by blending PTFE resin with PPS resin, stable low friction characteristics can be obtained, there is no noise, the starting friction coefficient is lowered, and the wear resistance is improved.

配合する添加材としては、炭素粉末、酸化鉄、酸化チタン等の着色剤、黒鉛、金属粉末、金属酸化物粉末、炭素粉末等の熱伝導性向上剤、およびガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ウィスカ等の耐摩耗性向上材などが挙げられる。   Additives to be blended include colorants such as carbon powder, iron oxide, and titanium oxide, thermal conductivity improvers such as graphite, metal powder, metal oxide powder, and carbon powder, and glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, Abrasion resistance improving materials such as whiskers can be mentioned.

上記接触圧力分布を有限要素法により求める手順を以下に説明する。有限要素法による解析手段としては、既存の解析ソフト等を使用できる。以下実施例に示す解析結果等は、米国アンシス社製の解析ソフト「ANSYS」バージョン 8.0 を使用した結果である。
図3に示すような二次元軸対称(図中y軸で対称)のモデルを用いて解析を行なった。該簡略化モデルとしたのは、ナット構造がほぼ軸対称であることと、計算時間を短縮できるためである。簡略化しているため若干実際とは異なる構造部分があるが、全体の構造の中で大きな影響を及ぼす要素であるとは考え難い。また、実際は回転することで接触面に摩擦発熱が生じるのであるが、モデルが二次元のため、回転が考慮できない。そこで、摩擦面については、回転の摩擦によって起こる摩擦熱を算出し、接触面に熱流束という形で熱の供給を設定することで解析を行なった。
The procedure for obtaining the contact pressure distribution by the finite element method will be described below. As analysis means by the finite element method, existing analysis software or the like can be used. The analysis results and the like shown in the following examples are the results of using analysis software “ANSYS” version 8.0 manufactured by Ansys, USA.
Analysis was performed using a two-dimensional axially symmetric model (symmetrical with respect to the y-axis in the figure) as shown in FIG. The simplified model is because the nut structure is substantially axisymmetric and the calculation time can be shortened. Although it is simplified, there are structural parts that are slightly different from the actual ones, but it is difficult to consider that they are elements that have a great influence on the overall structure. Moreover, in fact, frictional heat is generated on the contact surface by rotating, but the rotation cannot be considered because the model is two-dimensional. Therefore, the frictional surface was analyzed by calculating the frictional heat generated by rotational friction and setting the heat supply to the contact surface in the form of heat flux.

樹脂製ナットを用いたすべりねじ装置において、ナットの破断が起きたときの負荷荷重は材料強度のみから想定される荷重より低い値であることが多い。これは、摩擦発熱に起因する温度分布によって、樹脂に熱膨張が生じ、ねじ軸とナットとの接触に特徴が生まれ、その接触形態が、摩擦面の温度や接触圧力の偏りを生むために、小さな荷重でも破断が起きてしまう原因になっていると考えられる。
よって、本発明では有限要素法による解析において、まず、伝熱解析によりねじ軸とナットとの摺動時におけるナット内部等の温度分布を求めた後、構造解析により該温度に起因する温度荷重と、所定の負荷荷重とから接触圧力分布を求める、熱の影響を考慮した伝熱−構造連成解析を行なっている。
In a sliding screw device using a resin nut, the load applied when the nut breaks is often lower than the load assumed from the material strength alone. This is because thermal expansion occurs in the resin due to the temperature distribution due to frictional heat generation, and the characteristics of the contact between the screw shaft and the nut are born, and the contact form creates a bias in the temperature and contact pressure of the friction surface. It is considered that the breakage occurs even under load.
Therefore, in the present invention, in the analysis by the finite element method, first, the temperature distribution inside the nut or the like when sliding between the screw shaft and the nut is obtained by heat transfer analysis, and then the temperature load caused by the temperature is determined by structural analysis. The contact pressure distribution is obtained from a predetermined load, and a heat transfer-structure coupled analysis is performed in consideration of the influence of heat.

[伝熱解析]
以上の解析では、実際にナットがねじ軸を摺動することを想定した解析ができない静的状態での解析となっている。このため、摩擦面に摩擦発熱を与えるのであるが、そのまま解析を行なうと、ねじ軸の固定された位置でナットが摺動しているような条件の解析になる。よって、モデル中、ナットとねじ軸の動かない接触部のみが温度上昇し続け、摩擦面からの熱流入と、熱伝達面からの熱流出が平衡状態となったときに結果として得られる温度分布は、一部のみが実際の温度よりも随分と高い値となってしまう。一方、実機等によれば、ある一定距離以上すべりねじ装置のナットを摺動移動させると、熱流入と熱流出が平衡と考えられる状態となり、ナット、ねじ軸ともに温度が収束する。また、構造解析においてもこの温度平衡状態でのナットとねじ軸の温度分布を利用する。
よって、伝熱解析手順としては、まずねじ軸の温度を導き、その後ねじ軸の温度も用いてナットの温度分布を求める。
[Heat transfer analysis]
The above analysis is an analysis in a static state in which an analysis assuming that the nut actually slides on the screw shaft cannot be performed. For this reason, frictional heat is applied to the friction surface. However, if the analysis is performed as it is, the analysis is performed under such a condition that the nut slides at the position where the screw shaft is fixed. Therefore, in the model, only the contact part where the nut and screw shaft do not move continues to rise in temperature, and the resulting temperature distribution when the heat inflow from the friction surface and the heat outflow from the heat transfer surface are in equilibrium. Only a part of the temperature is much higher than the actual temperature. On the other hand, according to an actual machine or the like, when the nut of the slide screw device is slid and moved over a certain distance, the heat inflow and heat outflow are considered to be in equilibrium, and the temperature of both the nut and screw shaft converges. In the structural analysis, the temperature distribution of the nut and screw shaft in this temperature equilibrium state is also used.
Therefore, as a heat transfer analysis procedure, first, the temperature of the screw shaft is derived, and then the temperature distribution of the nut is also determined using the temperature of the screw shaft.

[構造解析]
次に構造解析では、以上の伝熱解析の結果の温度分布と、その他負荷等の諸条件を拘束条件として入力して解析を行なう。条件設定を図4に示す
(1)まず伝熱解析より得られたねじ軸とナットの温度分布を、構造解析の条件設定として読み込み、温度拘束条件としてモデルに負荷する。
(2)摩擦によって生じる熱のほかに、移動テーブル等の被駆動体により負荷荷重が加わるため、(1)の温度荷重に加えて、図4に示すようにナットのフランジ部に面圧荷重として負荷する。
(3)以上の二つの荷重を入力し、剛体運動が起こらないように、ねじ軸下部に拘束条件を加えて解析を実行する。結果としては、温度分布による材質の熱膨張による影響と、面圧荷重による影響が組み合わされた構造上の変化を観察できる。
[Structural analysis]
Next, in the structural analysis, the temperature distribution as a result of the above heat transfer analysis and other conditions such as loads are input as constraint conditions for the analysis. FIG. 4 shows the condition setting. (1) First, the temperature distribution of the screw shaft and nut obtained from the heat transfer analysis is read as the condition setting for the structural analysis, and is loaded on the model as the temperature constraint condition.
(2) In addition to the heat generated by friction, a load is applied by a driven body such as a moving table. Therefore, in addition to the temperature load of (1), as shown in FIG. To load.
(3) Input the above two loads, and execute the analysis by adding a constraint condition to the lower part of the screw shaft so that rigid body motion does not occur. As a result, it is possible to observe a structural change in which the influence of the thermal expansion of the material due to the temperature distribution and the influence of the surface pressure load are combined.

二次元軸対称のモデルを用いて上記伝熱解析および構造解析からなる伝熱−構造連成解析により、以下の諸条件におけるナットとねじ軸間に生じている接触圧力分布を求めた。
ねじ軸は、オーステナイト系ステンレス鋼SUS303を材質とするステンレス 30 度台形ねじであり、山径が 12.0mm 、谷径が 9.5mm、 ピッチが 2.0mmのものを用いた。
樹脂製ナットはPPS樹脂を材質とし、谷径が12.5mm、山径が 10.0mm、ピッチが 2mmのものを用いた。ナットの移動ストロークは300mmである。外形寸法は、図5に示す形状で解析を行なった。ねじ軸との接触部の形態は、ねじ軸と同じで、成形に容易な30度台形ねじである。SUS303、PPS樹脂の物性値を下記表1に示す。なお、該解析ではヤング率の温度依存性、熱膨張係数の方向性を考慮した。
The contact pressure distribution generated between the nut and the screw shaft under the following conditions was determined by a heat transfer-structure coupled analysis consisting of the above heat transfer analysis and structural analysis using a two-dimensional axisymmetric model.
The screw shaft was a stainless steel 30 degree trapezoidal screw made of austenitic stainless steel SUS303, with a crest diameter of 12.0 mm, a trough diameter of 9.5 mm, and a pitch of 2.0 mm.
The resin nut was made of PPS resin and had a valley diameter of 12.5 mm, a crest diameter of 10.0 mm, and a pitch of 2 mm. The moving stroke of the nut is 300mm. The external dimensions were analyzed using the shape shown in FIG. The shape of the contact portion with the screw shaft is the same as that of the screw shaft, and is a 30 degree trapezoidal screw that is easy to form. The physical properties of SUS303 and PPS resin are shown in Table 1 below. In the analysis, the temperature dependence of the Young's modulus and the directionality of the thermal expansion coefficient were considered.

解析条件は、ナットへ軸方向下方向に図4に示す位置に負荷荷重として 1200 N を与え、ねじ軸の回転数を 100 rpmとした。雰囲気温度は30℃である。
また伝熱解析では、上記各材質の物性値等の他に技術的係数として、それぞれの材質と雰囲気流体との間の熱の受け渡しの大きさを表す値として熱伝達率を入力する必要がある。この値に関しては、明確なものが得られておらず、暫定的な値を入力した。固体表面と自然対流の空気の間の熱伝達率がおよそ 100〜101強 W/m2/K であるので、SUSと空気間は 15 W/m2/K で与えた。PPSと空気間の値については、SUSと空気間のそれよりは小さい値であろうと考え、PPSと空気間は 5 W/m2/K で与えた。
伝熱解析で使用した設定値を下記表2に示す。
As analysis conditions, 1200 N was applied as a load at the position shown in FIG. 4 in the axially downward direction to the nut, and the rotational speed of the screw shaft was set to 100 rpm. The ambient temperature is 30 ° C.
Further, in the heat transfer analysis, it is necessary to input the heat transfer coefficient as a value representing the magnitude of heat transfer between each material and the atmospheric fluid as a technical coefficient in addition to the physical property values of each material. . Regarding this value, a clear one was not obtained, and a provisional value was entered. Since the heat transfer coefficient between the solid surface and the natural convection air is about 10 0 to 10 1 strong W / m 2 / K, the distance between SUS and air was 15 W / m 2 / K. The value between PPS and air was considered to be smaller than that between SUS and air, and the value between PPS and air was given by 5 W / m 2 / K.
The set values used in the heat transfer analysis are shown in Table 2 below.

以上の解析により得られたナットとねじ軸間に生じている接触圧力分布結果を図6に示す。
図6では接触圧力分布をナット上部から溝に沿って座標軸(x軸)をとり、その座標に沿った圧力を示したもの(y軸)を示す。図6においてx軸は、溝に沿った距離を1ピッチ分の距離で割ってあるため、1ピッチで1増加する表記になっている。また、解析条件のナットは、図6に示すように12ピッチ存在するため、接触圧力のピークも12箇所存在することになる。
図6に示すように、表1に示すヤング率の場合では、接触圧力の最小値(非接触除く)と最大値との比が 10 以下で略均一化できており、最大接触圧力も 12MPa 未満とできることが分かる。
FIG. 6 shows a result of contact pressure distribution generated between the nut and the screw shaft obtained by the above analysis.
FIG. 6 shows the contact pressure distribution with the coordinate axis (x-axis) taken along the groove from the top of the nut and the pressure along the coordinate (y-axis). In FIG. 6, since the distance along the groove is divided by the distance corresponding to one pitch, the x axis is increased by one at one pitch. Further, as shown in FIG. 6, there are 12 pitches of the analysis condition nuts, so that there are 12 contact pressure peaks.
As shown in Fig. 6, in the case of the Young's modulus shown in Table 1, the ratio between the minimum value (excluding non-contact) and the maximum value of the contact pressure is almost equal to 10 or less, and the maximum contact pressure is also less than 12 MPa. You can see that.

次に、表1において樹脂材料のヤング率を変えて他の条件は同様に解析を行ない、最大接触圧力のヤング率依存性を検討した。結果を表3および図7に示す。なお、温度に対するヤング率の変化比率は表1の場合と同じにした。
Next, in Table 1, the Young's modulus of the resin material was changed and other conditions were similarly analyzed, and the Young's modulus dependence of the maximum contact pressure was examined. The results are shown in Table 3 and FIG. The change ratio of Young's modulus with respect to temperature was the same as in Table 1.

表3および図7に示すように、樹脂材料のヤング率が 5 GPaをこえると、徐々に最大接触圧力が増加し 12 MPa 以上となる。樹脂材料のヤング率が 2.48GPa 未満となると、急激に最大接触圧力が増加し 12 MPa 以上となる。   As shown in Table 3 and FIG. 7, when the Young's modulus of the resin material exceeds 5 GPa, the maximum contact pressure gradually increases to 12 MPa or more. When the Young's modulus of the resin material is less than 2.48 GPa, the maximum contact pressure suddenly increases and exceeds 12 MPa.

接触圧力が大きくなると、その接触面付近で外力を大きな割合で受けることになり、破断につながる応力集中が起きる可能性が高くなると考えられる。また、ねじ山の偏摩耗が発生する。よって、所定の荷重をかけた場合において、生じる接触圧力分布を可能な限り均一にできるすべりねじ構造・材質とすることで、接触圧力の増大に伴う応力集中とその値の増大を和らげることができると考えられる。
本発明の樹脂製ナットでは、上記解析に基づきナット材質のヤング率を、2.48 GPa〜 5 GPa とすることで接触圧力分布を略均一化させるとともに最大接触圧力を低減させ、すべりねじ装置の耐荷重の上限の引き上げ、および高面圧条件下での長寿命化を図っている。
When the contact pressure increases, external force is received in a large proportion in the vicinity of the contact surface, and it is considered that the possibility of stress concentration leading to fracture increases. In addition, uneven wear of threads occurs. Therefore, when a predetermined load is applied, by using a sliding screw structure / material that can make the resulting contact pressure distribution as uniform as possible, the stress concentration and the increase in the value associated with the increase in contact pressure can be reduced. it is conceivable that.
In the resin nut of the present invention, the Young's modulus of the nut material is made from 2.48 GPa to 5 GPa based on the above analysis, so that the contact pressure distribution is substantially uniform and the maximum contact pressure is reduced, and the load resistance of the sliding screw device is reduced. The upper limit is increased and the life is extended under high surface pressure conditions.

本発明の樹脂製ナットおよびすべりねじ装置は、ねじ山の偏摩耗を低減させることができ、高面圧条件下でも長寿命であるので、光学測定器、半導体製造装置、医療機器等の各種装置等に好適に利用できる。   Since the resin nut and the sliding screw device of the present invention can reduce uneven wear of the screw thread and have a long life even under high surface pressure conditions, various devices such as an optical measuring instrument, a semiconductor manufacturing device, a medical device, etc. Etc. can be suitably used.

本発明の樹脂製ナットを用いたすべりねじ装置の斜視図を示す。The perspective view of the slide screw apparatus using the resin-made nuts of this invention is shown. 本発明の樹脂製ナットの軸方向断面図である。It is an axial sectional view of the resin nut of the present invention. 解析で使用する二次元軸対称のモデルを示す図である。It is a figure which shows the two-dimensional axisymmetric model used by analysis. 条件設定例を示す図である。It is a figure which shows the example of a condition setting. 解析条件(寸法等)の設定を示す図である。It is a figure which shows the setting of analysis conditions (dimension etc.). 接触圧力分布の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of contact pressure distribution. 最大接触圧力のヤング率依存性を示す図である。It is a figure which shows the Young's modulus dependence of the maximum contact pressure.

符号の説明Explanation of symbols

1 ねじ軸
2 すべりねじ装置
3 樹脂製ナット
4 フランジ
1 Screw shaft 2 Sliding screw device 3 Plastic nut 4 Flange

Claims (6)

ねじ軸に螺合され、ねじ軸と軸方向に相対移動する樹脂製ナットであって、
該樹脂製ナットを形成する樹脂材料のヤング率が、前記樹脂製ナットの軸方向断面において、該樹脂製ナットに荷重を加えたときの該樹脂製ナットと前記ねじ軸との接触面における軸方向の接触圧力分布を略均一とできる値であり、
前記接触圧力は、前記樹脂製ナットの二次元軸対称モデルを用いて有限要素法による解析により求めたものであることを特徴とする樹脂製ナット。
A resin nut that is screwed onto the screw shaft and moves relative to the screw shaft in the axial direction,
The Young's modulus of the resin material forming the resin nut is an axial direction at the contact surface between the resin nut and the screw shaft when a load is applied to the resin nut in the axial section of the resin nut. The contact pressure distribution of
The resin-made nut, wherein the contact pressure is obtained by analysis by a finite element method using a two-dimensional axisymmetric model of the resin-made nut.
前記有限要素法による解析は、前記ねじ軸と前記樹脂製ナットとの摺動時における前記ねじ軸と樹脂製ナット内部の温度分布を求めた後、該温度分布と、所定の負荷荷重とを拘束条件として前記接触圧力の解析を行なう伝熱−構造連成解析であることを特徴とする請求項1記載の樹脂製ナット。   In the analysis by the finite element method, the temperature distribution inside the screw shaft and the resin nut during sliding between the screw shaft and the resin nut is obtained, and then the temperature distribution and a predetermined load are constrained. The resin nut according to claim 1, wherein the resin nut is a heat transfer-structure coupled analysis for analyzing the contact pressure as a condition. 前記接触圧力分布における接触圧力の最大値が 12 MPa 未満であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の樹脂製ナット。   The resin nut according to claim 1 or 2, wherein a maximum value of the contact pressure in the contact pressure distribution is less than 12 MPa. 前記樹脂製ナットを形成する樹脂材料のヤング率が、25℃において 2.48 GPa〜 5 GPaであることを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載の樹脂製ナット。   4. The resin nut according to claim 1, wherein a Young's modulus of a resin material forming the resin nut is 2.48 GPa to 5 GPa at 25 ° C. 5. 前記樹脂製ナットは、フランジが形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項記載の樹脂製ナット。   The resin nut according to any one of claims 1 to 4, wherein a flange is formed on the resin nut. ねじ軸にナットを螺合して、ナットをねじ軸と軸方向に相対移動させるすべりねじ装置であって、前記ナットが請求項1ないし請求項5のいずれか一項記載の樹脂製ナットであることを特徴とするすべりねじ装置。   A sliding screw device for screwing a nut onto a screw shaft and moving the nut relative to the screw shaft in the axial direction, wherein the nut is a resin nut according to any one of claims 1 to 5. A sliding screw device characterized by that.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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