JP2008281142A - ボールねじ機構のねじ軸及びねじ軸の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで不完全ねじ部を抑えたボールねじ機構のねじ軸及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ボールねじ機構のねじ軸１に、雄ねじ溝１ａに隣接して大径のフランジ部１ｂを形成する場合でも、その間に雄ねじ溝の溝底径より小径の小径部１ｃを形成することによって、転造ダイスの端部外周面にテーパ面を形成しなくても、フランジ部１ｂに干渉することがなく、切削加工等によらず、コスト面で安価であるインフィード転造加工で製造することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば一般産業用機械に組付けられたり、或いは自動車に使用されたりするボールねじ機構のねじ軸、及びそれの製造方法に関するものである。

近年、車両等の省力化が進み、例えば自動車のトランスミッションやパーキングブレーキなどを手動でなく、電動モータの力により行うシステムが開発されている。そのような用途に用いる電動アクチュエータには、電動モータから伝達される回転運動を高効率で軸線方向運動に変換するために、ボールねじ機構が用いられる場合がある。

ボールねじ装置のねじ軸外径が細い仕様（例えば、φ１０ｍｍ程度）では、軸端部に軸受を取付ける場合に、その軸受の内輪端面を受ける面積が小さくなる。特に、アキシャル荷重が大きくなる仕様では、軸受の圧入力や止め輪による支持のみでは足らないため、大きなアキシャル荷重に抗することができるよう、軸受をねじ軸に取付ける設計上の工夫が必要となる。

かかる設計の一例として、ねじ軸の一方の端部側に、ねじ軸外径より太くなる様なフランジ部を形成し、これに内輪を当接させることにより、その端面を受ける面積を大きくすることで、軸受を介して大きなアキシャル荷重を支持できるようにしている。

ところで、フランジ部を有するねじ軸を加工する方法としては、ねじ研削でボール溝部を加工する事が知られているが、加工設備が高価な事、加工時間が長いなど、製造コスト面で不利である。また、ねじ軸とは別に、軸受内輪端面を受けるフランジを加工形成して、ねじ軸に取付けて用いる方法もあるが、同様に製造コスト面で不利である。

これに対し、ねじ溝の形成方法として転造加工が知られている。ボールねじ機構のねじ軸を製造する転造加工として、通し転造方式とインフィード転造方式がある。通し転造方式は、ロールダイスを被転造物に押し当てて転造する際、ロールダイスのリード角と被転造物のリード角に少しの角度差を設けて転造する方式である。ロールダイス又は被転造物を相対的に回転させると、上記リード角の差によってロールダイスと被転造物が相対的に移動しながら転造する、いわゆる歩き現象を生じ、ロールダイスや被転造物を相対的に回転させるとき強制的に軸心方向に動かすことなく自動的に転造を行うことができる（特許文献１参照）。
特開平９−２２５５７３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された通し転造方法を用いた場合、ねじ軸に大径のフランジ部を形成すると、これとの干渉を回避するために、通し転造ダイスの形状及び転造中にねじ軸の軸方向移動（歩み現象）を考慮することにより、ねじ軸の端部の不完全ネジ部が長く形成されてしまい、全長の割に作動ストロークの短いボールねじ機構となるという問題がある。よって、特許文献１の通し転造方法は、ねじ軸両端の不完全ネジ部の長さを極力短くしたいボールねじ機構のねじ軸を製造するのに適していないといえる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、低コストで不完全ねじ部を抑えたボールねじ機構のねじ軸及びその製造方法を提供することを目的とする。

第１の本発明のボールねじ機構のねじ軸は、雌ねじ溝を有するナットと、前記ナットに挿通され、雄ねじ溝を有するねじ軸と、前記ナットの雌ねじ溝と前記ねじ軸の雄ねじ溝との間に形成された転走路を転走可能となっているボールとを有するボールねじ機構のねじ軸において、
前記雄ねじ溝の外径より大きな大径部と、前記雄ねじ溝と前記大径部との間に配置され前記雄ねじ溝の溝底径より小径の小径部とが形成されており、前記ねじ軸の雄ねじ溝は転造加工により形成されることを特徴とする。

第２の本発明のねじ軸の製造方法は、雌ねじ溝を有するナットと、前記ナットに挿通され、雄ねじ溝を有するねじ軸と、前記ナットの雌ねじ溝と前記ねじ軸の雄ねじ溝との間に形成された転走路を転走可能となっているボールとを有するボールねじ機構のねじ軸の製造方法において、
ねじ軸の素材の両端に凹部を形成する工程と、
前記ねじ軸の素材の凹部にセンター軸を係合させる工程と、
前記センター軸を軸線方向に相対移動させながら、前記ねじ軸の素材の外周面を、回転する一対のダイスで挟持して転造加工する工程とを有することを特徴とする。

第１の本発明によれば、前記雄ねじ溝の外径より大きな大径部と、前記雄ねじ溝と前記大径部との間に配置され前記雄ねじ溝の溝底径より小径の小径部とが形成されているので、前記ねじ軸の雄ねじ溝を転造加工により形成する際に、転造ダイスの端部外周面にテーパ面を形成しなくても、前記大径部に干渉することが抑制され、広範囲に雄ねじ溝加工を行うことができ、それにより不完全ねじ部を極力減らすことができる。

前記小径部は、前記ねじ軸の軸線方向断面において、０．８（ｍｍ）以上の曲率半径ρを有すれば、転造時の前記ねじ軸の曲がりを抑制することができる。

前記ねじ軸の端部には、面取り部が形成されており、前記面取り部の軸線方向長さをａ、その径方向長さをｂ、ねじ軸のリードをＬ、雄ねじ溝の深さをｔとしたときに、ａ＝Ｌ／２＋０．１〜０．５（ｍｍ）、且つｂ＝ｔ＋０．１〜０．５（ｍｍ）であると、前記ねじ軸の端部における転造時の予肉のせり出しを極力抑えることができる。

前記ねじ軸は、転造装置のセンター軸が係合する凹部を端面に有すると、例えば移動可能なセンター軸で転造加工中の前記ねじ軸の素材を支持できる。

第２の本発明によれば、前記センター軸を軸線方向に相対移動させながら、前記ねじ軸の素材の外周面を、回転する一対のダイスで挟持して転造加工するので、転造加工中による塑性変形で、前記ねじ軸の素材の軸長が伸びたとしても、前記センター軸が相対移動することで、かかる伸びを吸収し、精度の良い加工を行うことができる。

前記転造加工中、前記センター軸は、エア圧又はばねによって前記ねじ軸の素材に向かって付勢されると、付勢力を容易に調整できる。

前記ダイスはＮＣ制御によって交互に往復回転動作して切り込み量が制御されると好ましい。

本明細書中、「インフィード転造加工」とは、回転する一対の転造ダイスを、円筒状ワークの両側から接近させて加工を行うものである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態にかかる製造方法により形成されたねじ軸を用いたボールねじ機構の一例を示す断面図である。

不図示のモータの回転軸に連結され且つ雄ねじ溝１ａを有するねじ軸１を包囲するようにして、円筒状のナット２が配置されている。ナット２は、不図示のハウジングに対して回転のみ可能に支持されており、内周面に雌ねじ溝２ａを形成している。複数のボール３が、対向する両ねじ溝１ａ、２ａ間に形成された螺旋状の転走路内を転動自在となるように配置されている。ナット２には、転走路の一端から他端へとボール３を戻すチューブ４が配置されている。ねじ軸１と、ナット２と、ボール３とでボールねじ機構を構成する。

図２（ａ）は、ねじ軸１の側面図であり、図２（ｂ）は、ねじ軸１を矢印IIB方向に見た図であり、図２（ｃ）は、ねじ軸１を矢印IIC方向に見た図であり、図２（ｄ）は、ねじ軸１の矢印IID部を拡大して示す図であり、図２（ｅ）は、ねじ軸１の矢印IIE部を拡大して示す図であり、図２（ｆ）は、ねじ軸１の矢印IIF部を拡大して示す図である。

ねじ軸１は、雄ねじ溝１ａの図２（ａ）で左方端に隣接して、雄ねじ溝１ａの外径より大きな径のフランジ部（大径部）１ｂを有している。雄ねじ溝１ａとフランジ部１ｂとの間には、雄ねじ溝１ａの溝底径より小径の小径部１ｃがフランジ部１ｂに接して形成されている。図２（ｆ）に示すように、小径部１ｃは、ねじ軸１の軸線方向断面において、所定の曲率半径を有する曲面部１ｈと、曲面部１ｈに接続し且つフランジ部１ｂから離れるにつれて拡径する直線部１ｊとからなる。ここで、小径部１ｃは、ねじ軸１の軸線方向断面において、０．８（ｍｍ）以上の曲率半径ρを有するので、転造時のねじ軸１の曲がりを抑制することができる。

フランジ部１ｂを挟んで、小径部１ｃと反対側には丸軸部１ｄが形成されている。図１に示すように、ねじ軸１を回転自在に支持する軸受５の内輪が、その端面をフランジ部１ｂ突き当てるようにして嵌合されている。図２（ｅ）に示すように、ねじ軸１の右方端には雄ねじ溝１ａに隣接して面取り部１ｅが形成されている。面取り部の軸線方向長さをａ、その径方向長さをｂ、ねじ軸のリードをＬ、雄ねじ溝の深さをｔとしたときに、ａ＝Ｌ／２＋０．１〜０．５（ｍｍ）、且つｂ＝ｔ＋０．１〜０．５（ｍｍ）であると、ねじ軸１の端部における転造時の予肉のせり出しを極力抑えることができる。又、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、ねじ軸１の両端面には、円形孔（凹部）１ｆ、１ｇが形成されている。尚、本実施の形態においては、ねじ軸１の雄ねじ溝１ａが形成された外周面において、不完全ねじ部（雄ねじ溝１ａの断面を有しない部位）の長さΔは、雄ねじ溝１ａのリードＬの１〜１．５倍の範囲内に収まっている。

ボールねじ機構の動作を説明すると、不図示のモータによりねじ軸１が回転駆動されたとき、転走路を転動し且つチューブ４を介して転走路の一端から他端へと循環するボール３により、かかる回転運動がナット２の軸線方向運動に効率よく変換されるようになっている。

次に、ねじ軸の製造方法について説明する。図３は、インフィード転造装置の上面図であり、図４は、インフィード転造装置の側面図であるが、片方のインフィード転造ダイスを取り外した状態で示している。

図３，４において、不図示の定盤に固定された一対のガイドレール１０上には、スライダ１２を介して第１のセンター支持台１３が配置され、更にそれと対向するようにして、ガイドレール１０上にスライダ１４を介して第２のセンター支持台１５が取り付けられている。第１のセンター支持台１３は、貫通する第１のセンター軸１６を回転自在に且つ軸線方向に移動可能に支持している。第２のセンター支持台１５は、第１のセンター軸１６と同軸となるようにして、第２のセンター軸１７を回転自在に且つ軸線方向に移動不能に支持している。第１のセンター軸１６の先端は、ねじ軸１の端面の円形孔１ｆ（図２（ｂ））に嵌合する形状を有し、第２のセンター軸１７の先端は、ねじ軸１の端面の円形孔１ｇ（図２（ｃ））に嵌合する形状を有している。かかる孔１ｆ、１ｇは円形状でなく、例えば六角形状など多角形状であって良い。

第１のセンター支持台１３と第２のセンター支持台１５とは、板部材１８を介して連結されている。更に、第１のセンター軸１６の端部は、付勢装置１９に内蔵されたエアシリンダによって、図３，４で右方に付勢されている。特にエアシリンダの使用は、付勢力をエア圧力で簡単に調整できると共に、比較的安価で、形状、サイズ、シリンダ断面積も豊富で選定しやすいという利点がある。但し、エアシリンダの代わりにばねを用いても良い。付勢装置１９は、ガイドレール１０上にスライダ２０を介して取り付けられている。

図３に示すように、ガイドレール２０を挟んで両側には、一対のインフィード転造ダイス３０が配置されている。各インフィード転造ダイス３０は、ねじ軸１の雄ねじ溝１ａと同じリードであり且つ対応する断面形状の加工ねじ部３０ａを外周に有しており、不図示の回転装置により回転駆動可能に支持されている。尚、本実施の形態のインフィード転造ダイス３０は、両端外周部が、その軸線とほぼ平行となっている。

次に、ねじ軸１の製造工程を説明する。尚、以降の説明図では、加工ねじ部を省略している。まず、円筒軸であるねじ軸の素材Ｍに、雄ねじ溝以外の形状を形成する。かかるねじ溝の素材Ｍの両端を、図５に示すように、第１のセンター軸１６の先端を円形孔１ｆに嵌合させ、第２のセンター軸１７の先端を円形孔１ｇに嵌合させることで支持する。このとき、第２のセンター軸１７に向かって、第１のセンター軸１６は付勢装置１９によって付勢されるので、かかる付勢力によりねじ軸の素材Ｍは保持され、加工中に落下する恐れはない。

続いて、図６に示すように、同方向に回転するインフィード転造ダイス３０を、ねじ軸の素材Ｍの両側から接近させ、加工ねじ部３０ａによる切り込みを開始する。このときインフィード転造ダイス３０から回転力が伝達されるが、センター軸１６，１７は回転自在に支持されているため、ねじ軸の素材Ｍが連れ回り、インフィード転造ダイス３０を回転駆動する装置の負荷を減らし、円形孔１ｆ、１ｇの摩耗等を生じさせないようになっている。

更に、加工ねじ部３０ａによる切り込みを行うにつれて、ねじ軸の素材Ｍは軸線方向に移動する方向に力を受ける。これを「歩み」という。本実施の形態においては、センター支持台１３，１５及び付勢装置１９は、ガイドレール１０に沿って、ねじ軸の素材Ｍの軸線方向に移動可能に支持されているため、「歩み」に基づく、ねじ軸の素材Ｍの移動を許容する。これによりコジリ等が発生する恐れがなく、円滑な加工を実現できる。

更に、一対のインフィード転造ダイス３０は、ＮＣ制御によって、同期しながら近接する方向に接近し、それぞれ所定の回転角度だけ回転した後、逆方向に同じ回転角度だけ回転し、この往復動作を複数回繰り返すようになっている。従って、ねじ軸の素材Ｍの「歩み」も往復動作するので、センター支持台１３，１５及び付勢装置１９の移動範囲は限られ、ガイドレール１０の全長を短く抑えることができる。

特に、図２（ｆ）を参照して、ねじ溝の素材Ｍには、フランジ部１ｂの手前に小径部１ｃが形成されているので、点線で示す加工ねじ部３０ａの角部の干渉を回避でき、ＮＣ制御によりフランジ部１ｂに接近する直前まで転造加工を行うことができ、これにより不完全ねじ部を極力減少させることができる。尚、ねじ溝の素材Ｍの反対側の端部には、面取り部１ｅが形成されているため、転造加工中に、加工ねじ部３０ａはねじ軸の素材Ｍをはみ出すことができ、これにより不完全ねじ部の形成を極力抑えることができる。

尚、転造加工中に、塑性変形によるねじ軸の素材Ｍの伸びが生じても、第２のセンター支持台１５に対して，第１のセンター支持台１３及び付勢装置１９は相対移動可能となっているため、かかる伸びを吸収することができる。

所定の深さまで雄ねじ溝の切り込みが完了した後は、図７に示すように、一対のインフィード転造ダイス３０は、ねじ軸の素材Ｍから離れる。以上により、ねじ軸１が製造される。

図８（ａ）は、本実施の形態にかかるインフィード転造ダイス３０を用いて転造加工を行ったねじ軸１を示す図であり、図８（ｂ）は、比較例にかかるインフィード転造ダイス３０’を用いて転造加工を行ったねじ軸１’を示す図である。比較例のインフィード転造ダイス３０’は、その両端にテーパ部３０ｂが形成されている。従って、比較例のインフィード転造ダイス３０’を用いて転造加工を行う場合、フランジ部１ｂとの干渉を回避するために、必然的に不完全ねじ部の範囲が大きくなる。これに対し、本実施の形態のインフィード転造ダイス３０は、両端外周が軸線に平行であって、端部まで加工ねじ部３０ａとなっているため、フランジ部１ｂに接する直前まで加工を行え、不完全ねじ部を減少させることができ、また図示するようにダイス長が素材の被加工部より長くても問題ない。

本実施の形態によれば、ボールねじ機構のねじ軸１に、雄ねじ溝１ａに隣接して大径のフランジ部１ｂを形成する場合でも、その間に雄ねじ溝の溝底径より小径の小径部１ｃを形成することによって、転造ダイスの端部外周面にテーパ面を形成しなくても、フランジ部１ｂに干渉することがなく、切削加工等によらず、コスト面で安価であるインフィード転造加工で製造することができる。又、本実施の形態によるインフィード転造加工により形成されたねじ軸１は、不完全ネジ部を極力少なくできるので、資源を節約でき、ボールねじ機構を使用する装置をコンパクト化できる。

更に、本実施の形態によるインフィード転造装置は、付勢装置１９によって付勢しながら、センター支持台１３，１５によって軸線方向に移動可能にねじ軸の素材Ｍをセンター支持するため、転造中の素材Ｍの伸びを吸収し、ねじ軸１の円形孔１ｆ、１ｇとセンター軸１６，１７との摩擦を回避できるため、特に後工程で円形孔１ｆ、１ｇを加工基準などとして用いる場合には、円形孔１ｆ、１ｇの円形状を精度良く維持できるので好ましい。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

本実施の形態にかかる製造方法により形成されたねじ軸を用いたボールねじ機構の一例を示す断面図である。 ねじ軸１の各部を示す図である。 インフィード転造装置の上面図である。 インフィード転造装置の側面図である。 インフィード転造加工の工程を示す図である。 インフィード転造加工の工程を示す図である。 インフィード転造加工の工程を示す図である。 図８（ａ）は、本実施の形態にかかるインフィード転造ダイス３０を用いて転造加工を行ったねじ軸１を示す図であり、図８（ｂ）は、比較例にかかるインフィード転造ダイス３０’を用いて転造加工を行ったねじ軸１’を示す図である。

符号の説明

１ ねじ軸
１ａ 雄ねじ溝
１ｂ フランジ部
１ｃ 小径部
１ｄ 丸軸部
１ｅ 面取り部
１ｆ 円形孔
１ｇ 円形孔
１ｈ 曲面部
１ｊ 直線部
２ ナット
２ａ 雌ねじ溝
３ ボール
４ チューブ
５ 軸受
１０ ガイドレール
１２ スライダ
１３ センター支持台
１４ スライダ
１５ センター支持台
１６ センター軸
１７ センター軸
１８ 板部材
１９ 付勢装置
２０ スライダ
３０ インフィード転造ダイス
３０ａ 加工ねじ部
３０ｂ テーパ部
Ｍ ねじ軸の素材

Claims (7)

1. 雌ねじ溝を有するナットと、前記ナットに挿通され、雄ねじ溝を有するねじ軸と、前記ナットの雌ねじ溝と前記ねじ軸の雄ねじ溝との間に形成された転走路を転走可能となっているボールとを有するボールねじ機構のねじ軸において、
   前記雄ねじ溝の外径より大きな大径部と、前記雄ねじ溝と前記大径部との間に配置され前記雄ねじ溝の溝底径より小径の小径部とが形成されており、前記ねじ軸の雄ねじ溝は転造加工により形成されることを特徴とするボールねじ機構のねじ軸。
2. 前記小径部は、前記ねじ軸の軸線方向断面において、０．８（ｍｍ）以上の曲率半径ρを有することを特徴とする請求項１に記載のボールねじ機構のねじ軸。
3. 前記ねじ軸の端部には、面取り部が形成されており、前記面取り部の軸線方向長さをａ、その径方向長さをｂ、ねじ軸のリードをＬ、雄ねじ溝の深さをｔとしたときに、ａ＝Ｌ／２＋０．１〜０．５（ｍｍ）、且つｂ＝ｔ＋０．１〜０．５（ｍｍ）であることを特徴とする請求項１又は２に記載のボールねじ機構のねじ軸。
4. 前記ねじ軸は、転造装置のセンター軸が係合する凹部を端面に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のボールねじ機構のねじ軸。
5. 雌ねじ溝を有するナットと、前記ナットに挿通され、雄ねじ溝を有するねじ軸と、前記ナットの雌ねじ溝と前記ねじ軸の雄ねじ溝との間に形成された転走路を転走可能となっているボールとを有するボールねじ機構のねじ軸の製造方法において、
   ねじ軸の素材の両端に凹部を形成する工程と、
   前記ねじ軸の素材の凹部にセンター軸を係合させる工程と、
   前記センター軸を軸線方向に相対移動させながら、前記ねじ軸の素材の外周面を、回転する一対のダイスで挟持して転造加工する工程とを有することを特徴とするねじ軸の製造方法。
6. 前記転造加工中、前記センター軸は、エア圧又はばねによって前記ねじ軸の素材に向かって付勢されることを特徴とする請求項５に記載のねじ軸の製造方法。
7. 前記ダイスはＮＣ制御によって交互に往復回転動作して切り込み量が制御されることを特徴とする請求項５又は６に記載のねじ軸の製造方法。