JP2010090924A - ボールねじ - Google Patents

Abstract

【課題】必要な部分のみ高周波焼入れされたねじ軸及びナットの少なくとも一方を有するボールねじを提供する。
【解決手段】ねじ軸の外周面には、ボールが転走する螺旋状のボール転走溝１ａが形成される。ボール転走溝１ａの表面には、ボール転走溝１ａの底部１６を挟んでねじ軸の軸線方向の一方側の有効硬化層１０と他方側の有効硬化層１０とが高周波焼入れによって形成される。深さが零になる一方側の有効硬化層１０の端部１０ａと深さが零になる他方側の有効硬化層１０の端部１０ａとが、ねじ軸１の軸線方向に零より大きい距離γ１を持って離れる。
【選択図】図６

Description

本発明は、ねじ軸とナットとの間に転がり運動可能にボールを介在させたボールねじに関する。

ボールねじは、ねじ軸の外周面の螺旋状のボール転走溝とナットの内周面の螺旋状の負荷ボール転走溝を対向させ、これで生ずる負荷ボール転走路に転がり運動可能に複数のボールを介在させたものである。負荷ボール転走路を転がるボールを循環させるために、ナットにはリターンパイプが取り付けられる。ナットの負荷ボール転走溝の一端まで転がったボールは、リターンパイプによって掬い上げられ、数巻き手前のナットの負荷ボール転走溝の他端に戻される。

ねじ軸のボール転走溝やナットの負荷ボール転走溝の表面には、耐磨耗性・耐疲労性の向上のために焼入れによって硬化層が形成される。焼入れの手法には、高周波焼入れ、浸炭焼入れ、レーザービーム焼入れなどが知られている。ここで、ボール転走溝や負荷ボール転走溝の硬化層は、ボールからの面圧に耐え得る深さを持たなければならない。高周波焼入れには硬化層の深さを制御し易いという利点があることから、一般的に高周波焼入れが採用されている。

従来の高周波焼入れ方法として特許文献１には、ねじ軸の高周波焼入れ範囲を接触角線の方向と谷底方向の二方向の有効硬化層の深さで規定し、接触角線の方向の有効硬化層の深さを谷底方向の有効硬化層の深さよりも深くする焼入れ方法が開示されている。すなわち、ねじ軸のボール転走溝を高周波焼入れする範囲として、ボールの中心とボール転走溝の底とを結んだ谷底方向、及び谷底方向に対して４５度傾いた接触角線の方向の有効硬化層の深さが規定されていた。そして、実際に焼入れされた有効硬化層の深さが規定された有効硬化層の深さ以上になるように高周波焼入れがなされていた。
特開２００５−３３７４１４号公報

しかし、二方向の深さ規定を満足させるためには、ボール転走溝の谷底まで所定の深さを持って焼入れする必要がある。ボールねじの通常の使用状態ではボール転走溝の底にボールが接触することがないので、ボール転走溝の谷底方向で有効硬化層の深さを規定すると、必要以上の焼入れになる。また、ボール転走溝のねじ山から谷底に向かって加熱することになるので、軸径の大きなねじ軸を焼入れしようとすると、ボール転走溝の谷底まで熱を到達させるのに時間がかかったり、ねじ山が加熱過剰になったりするという課題が生ずる。

そこで本発明は、必要な部分のみ高周波焼入れされたねじ軸及びナットの少なくとも一方を有するボールねじを提供することを目的とする。

以下、本発明について説明する。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、外周面にボールが転走する螺旋状のボール転走溝を有するねじ軸と、内周面に前記ボール転走溝に対向する螺旋状の負荷ボール転走溝を有するナットと、前記ねじ軸のボール転走溝と前記ナットの前記負荷ボール転走溝との間に介在される複数のボールと、を備えるボールねじにおいて、前記ねじ軸の前記ボール転走溝の表面に前記ボール転走溝の底部を挟んでねじ軸の軸線方向の一方側の有効硬化層と他方側の有効硬化層とが高周波焼入れによって形成され、深さが零になる前記一方側の有効硬化層の端部と深さが零になる前記他方側の有効硬化層の端部とが、前記ねじ軸の軸線方向に零より大きい距離を持って離れるボールねじである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のボールねじにおいて、あらかじめ底部に逃げ溝が形成されたボール転走溝を高周波焼入れすることによって、前記ボール転走溝の表面に前記逃げ溝を挟んで前記ねじ軸の軸線方向の前記一方側の有効硬化層と前記他方側の有効硬化層とが形成されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のボールねじにおいて、前記ボールと前記ボール転走溝との接触点と前記ボールの中心点とを結んだ接触角の方向における前記一方側及び前記他方側の有効硬化層の深さと、前記ボールに荷重がかかったときの前記ボールと前記ボール転走溝との接触面の最奥部と前記ボールの中心点とを結んだ最奥部方向における前記一方側及び前記他方側の有効硬化層の深さとの比は、１：０．２〜０．７に設定されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、外周面にボールが転走する螺旋状のボール転走溝を有するねじ軸と、内周面に前記ボール転走溝に対向する螺旋状の負荷ボール転走溝を有するナットと、前記ねじ軸のボール転走溝と前記ナットの前記負荷ボール転走溝との間に介在される複数のボールと、を備えるボールねじにおいて、前記ナットの前記負荷ボール転走溝の表面に前記負荷ボール転走溝の底部を挟んでナットの軸線方向の一方側の有効硬化層と他方側の有効硬化層とが高周波焼入れによって形成され、深さが零になる一方側の有効硬化層の端部と深さが零になる前記他方側の有効硬化層の端部とが、前記ナットの軸線方向に零より大きい距離を持って離れるボールねじである。

請求項５に記載の発明は、外周面にボールが転走する螺旋状のボール転走溝を有するねじ軸において、前記ボール転走溝の表面に前記ボール転走溝の底部を挟んでねじ軸の軸線方向の一方側の有効硬化層と他方側の有効硬化層とが高周波焼入れによって形成され、深さが零になる前記一方側の有効硬化層の端部と深さが零になる前記他方側の有効硬化層の端部とが、前記ねじ軸の軸線方向に零より大きい距離を持って離れるねじ軸である。

ボールが接触する範囲に高周波焼入れ範囲が限定されることになるので、必要な範囲に対してむらのない焼入れ組織と硬さが得られる。また、高周波焼入れ範囲が従来より狭まるので、焼入れにおける変形量が小さくなり、品質の向上が達せられる。

図１は、本発明の一実施形態のねじ軸及びナットを使用したボールねじの斜視図を示す。ボールねじは、外周面に螺旋状のボール転走溝１ａが形成されたねじ軸１と、内周面にボール転走溝１ａに対向する螺旋状の負荷ボール転走溝２ａが形成されるナット２と、ねじ軸１のボール転走溝１ａとナット２の負荷ボール転走溝２ａとの間に転がり運動可能に介在される複数のボール３と、を備える。

ねじ軸１の材質は炭素量０．４％以上の炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼等である。ねじ軸１の外周面には、所定のリードのボール転走溝１ａが研削加工や転造加工によって形成される。ボール転走溝１ａの断面形状については後述する。ボール転走溝１ａは、高周波焼入れされた後、研削加工される。

図２は、ねじ軸１を取り外した状態のナット２の斜視図を示す。ナット２の材質は炭素量０．４％以上の炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼等である。ナット２には、ねじ軸１が貫通する貫通孔２ｅが開けられる。ナット２の内周面には、所定のリードの螺旋状の負荷ボール転走溝２ａが研削加工や転造加工によって形成される。負荷ボール転走溝２ａの断面形状はボール転走溝１ａの断面形状と同一である。負荷ボール転走溝２ａは、高周波焼入れされた後に研削加工される。

ナット２の軸線方向の一端部には、ナット２を相手方の機械部品に取り付けるためのフランジ２ｂが形成される。ナット２の外周面には平坦な平取り部２ｃが形成され、平取り部２ｃにはボールを循環させるリターンパイプ４が取り付けられる。リターンパイプ４は門形状に折り曲げられていて、その両端部がナット２の平取り部２ｃに設けた貫通孔２ｄに挿入される。リターンパイプ４は、押え部材５によってナット２に固定される。

リターンパイプ４には、ナット２の負荷ボール転走溝２ａの一端と他端とを接続する無負荷戻し路が形成される。図３に示されるように、ねじ軸１のボール転走溝１ａとナット２の負荷ボール転走溝２ａとの間の負荷ボール転走路の一端まで転がったボール３は、リターンパイプ４の無負荷戻し路内に掬い上げられる。ボール３はリターンパイプ４の無負荷戻し路を経由した後、リターンパイプ４の反対側から負荷ボール転走路の他端に戻される。

図４及び図５は、高周波焼入れ装置のコイルによって加熱されるねじ軸１を示す。図４はねじ軸１の外周の全体を加熱するコイル６を示す。コイル６はねじ軸１の外周の全体を囲み、ねじ軸１の外周の全体を加熱する。このコイル６はねじ軸１の軸線方向に単層又は複層に形成される。高周波電源を用いてコイル６に高周波電流を流すと、高周波の電磁場によってねじ軸１の表面に高周波の誘導電流が流れ、ねじ軸１の表面が発熱する。ねじ軸１をコイル６に対して軸線の回りを回転させながら軸線方向に移動させることによって、ねじ軸１の全長を加熱することができる。加熱されたねじ軸１にはオイル又は水が噴射される。加熱したねじ軸１を急冷することによって、ねじ軸１に焼入れ処理を施すことができる。

なお、ボール転走溝１ａの表面の有効硬化層の深さや範囲を変えるために、一つのコイル６の周波数と他のコイル６の周波数とを異ならせてもよい。また、ねじ軸１の外周の全体を囲む円形のコイル６を使用する替わりに半円形のコイルを使用してもよい。

図５は、ねじ軸１の一つのねじ山１ａ１のみを加熱するコイル８を示す。このコイル８はねじ山を挟んだＶ字形状に形成される。ねじ山１ａ１に沿ったコイル８の長さは、ねじ山１ａ１の一周未満の長さに設定され、例えばねじ山１ａ１の周囲を９０度程度囲む長さに設定される。コイル８に高周波電流を流すと、ねじ軸１のねじ山１ａ１が発熱する。コイル８をねじ山１ａ１に沿って相対的に移動させると（すなわち、ねじ軸１を回転させながらリードに合わせてねじ軸１を軸線方向に移動させると）、ねじ山１ａ１を一山ずつ加熱することが可能になる。ねじ軸１の径が大きくなると、ねじ山１ａ１を一山ずつ加熱する方がねじ軸１の外周の全体を加熱するよりも、有効硬化層の深さを得るまでの加熱時間を短くすることができる。加熱されたねじ軸１にはオイル又は水が噴射される。加熱したねじ軸１を急冷することによって、ねじ軸１に焼入れ処理を施すことができる。

図６は、ねじ軸１の高周波焼き入れ範囲を示す。ねじ軸１の高周波焼入れ範囲は、ボール３からの面圧に耐える有効硬化層１０の深さを持ち、かつボール３が接触する接触面１１の全体をカバーするものでなくてはならない。ねじ軸１のボール転走溝１ａの断面形状は、二つの円弧からなるゴシックアーチ溝形状に形成される。二つの円弧Ｒ１，Ｒ２の中心Ｃ１，Ｃ２はねじ軸１の軸長方向に距離α離れ、またボール３の中心Ｃ３から軸長方向に直交する方向に距離β離れる。ボール３はねじ軸１のボール転走溝１ａに二点で接触する。

ボール３とボール転走溝１ａとの接触点Ｐ１とボール３の中心点Ｃ３とを結んだ線Ｌ１と、ねじ軸１の軸長方向Ｌ３とのなす角度（接触角）は、４５度に設定される。ボール３に荷重がかかると、接触角の方向(1)のボール転走溝１ａの面圧が最大になる。また、ボール３に荷重がかかると、ボール３とボール転走溝１ａとの接触面積も増える。ボールねじに例えば静定格荷重かかかったとき、ボール３が接触する接触面１１の最奥部１４は、ねじ軸１の軸長方向Ｌ３に対して最奥部方向(2)に位置する。そこで、面圧が最大となるねじ軸１の軸長方向Ｌ３に対して４５度の方向(1)と、接触面１１の最奥部方向(2)の二方向で有効硬化層１０の深さを規定する。ボール３の中心点Ｃ３と最奥部１４とを結んだ線Ｌ２とねじ軸１の軸長方向Ｌ３とのなす角度θは、５５度〜７５度に設定される。そして、接触角の方向1)における有効硬化層１０の深さと最奥部方向(2)における有効硬化層１０の深さとの比を、１：０．２〜０．７に規定する。ここで、有効硬化層１０の深さは、５０％マルテンサイト（ハーフマルテンサイトと呼ばれる）までの深さに該当し、鋼のＣ％によってその限界硬さが決められる。例えば炭素量０．６％の鋼材の場合、ビッカース（ＨＶ）硬さ５００までの深さが有効硬化層１０の深さと定義される。有効硬化層１０の深さの絶対値は、例えば最大せん断応力深さをもって設定される。

このように有効硬化層の深さを規定することにより、ボール転走溝１ａの表面に底部１６を挟んでねじ軸１の軸線方向の一方側の有効硬化層１０（図中左側）と他方側の有効硬化層１０（図中右側）とを分離して形成することができる。接触角の方向(1)における有効硬化層１０の深さと最奥部方向(2)における有効硬化層１０の深さとの比が０．７を超えると、一方側の有効硬化層１０と他方側の有効硬化層１０とを分離しにくくなる。０．２未満だと接触面１１の全体に有効硬化層１０を形成しにくくなる。一方側及び他方側の有効硬化層１０の深さは、ボール転走溝１ａの底部１６に向かって徐々に浅くなり、底部１６にたどりつく前に零になる。深さが零になる一方側の有効硬化層１０の端部１０ａ（図中左側）と深さが零になる他方側の有効硬化層１０の端部１０ａ（図中右側）とは、ねじ軸１の軸長方向Ｌ３に零より大きい距離γ１を持って離れる。

ボール転走溝１ａの底部１６には、研削時の逃げのための逃げ溝１８が加工されることがある。この場合、一方側の有効硬化層１０と他方側の有効硬化層１０とは逃げ溝１８を挟んで分離して形成されることになる。一方側及び他方側の有効硬化層１０の端部１０ａは逃げ溝１８の横幅γ２の内側に入ってもいいが、これらの端部１０ａは繋がらない。一方側の有効硬化層１０の端部１０ａと他方側の有効硬化層１０の端部１０ａとの間の距離γ１は、逃げ溝１８の横幅γ２と同じかそれ以上が望ましい。

本実施形態によれば、ボール３が接触する範囲に高周波焼入れ範囲が限定されることになるので、必要な範囲に対してむらのない焼入れ組織と硬さが得られる。また、焼入れにおけるねじ軸１の変形量を低減することができ、ねじ軸１のリードが伸びたり、縮んだりするのを防止することができるので、研削加工や矯正工程での負荷が低減し、品質を向上させることができる。

さらに、ボール転走溝１ａの底部に逃げ溝１８を形成した場合、逃げ溝１８は熱を逃がす役割も持つ。コイル６，８はボール転走溝１ａの左右方向の一方側を加熱した後、ボール転走溝１ａの他方側を加熱する。コイル６，８がボール転走溝１ａの他方側を加熱するとき、ボール転走溝１ａの一方側は冷え始めている。このため、ボール転走溝１ａの他方側の熱はボール転走溝１ａの一方側に移動しようとする。しかし、一旦冷やされたボール転走溝１ａの一方側が再度加熱されると、ボール転走溝１ａの一方側が焼なましされ、ボール転走溝１ａの一方側の硬度が低下してしまう。これに対して、ボール転走溝１ａの底部に形成される逃げ溝１８は、ボール転走溝１ａの他方側から一方側に伝わる熱を大気に逃がし、他方側から一方側に熱が伝わるのを遮断することもできる。

ナット２を高周波焼入れするとき、ナット２の内側に円柱形状のコイルを挿入し、ナット２の負荷ボール転走溝２ａとねじ山とを、ねじ軸１と同様にして高周波焼入れする。このときも、ねじ軸１と同様に有効硬化層の深さが規定される。

図７は高周波焼入れしたねじ軸の断面図を示す。ボール転走溝に形成される一方側の有効硬化層と他方側の有効硬化層とをねじ軸の軸線方向に分離させることができた。

図８はねじ軸のボール転走溝の有効硬化層の深さを測定した結果を示す。ビッカース（ＨＶ）硬さ５００までの深さを測定したところ、図７のａ方向（ねじ軸の軸長に対して４５度の方向）、ｂ方向（ねじ軸の軸長に対して最奥部方向）、ｃ方向（ねじ軸の軸長に対して４５度の方向）、ｄ方向（ねじ軸の軸長に対して最奥部方向）のいずれも規定された有効硬化層の深さを超えることができた

なお、本発明は上記実施形態に限られず、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態にも適用できる。例えば本発明は、リターンパイプ方式のボールねじに限られず、エンドキャップ方式やデフレクタ方式のボールねじに適用することができる。また、一般的な接触角は４５度に設定されることが多いが、負荷容量に応じて接触角が４５度以外に設定されることもある。もちろん、接触角が４５度でなくても同様の効果が得られる。

本発明の一実施形態のねじ軸及びナットを使用したボールねじの斜視図 ナットの斜視図 ねじ軸及びリターンパイプを示す側面図 コイルによって加熱されるねじ軸を示す側面図（ねじ軸の外周の全体を加熱する場合） コイルによって加熱されるねじ軸を示す側面図（ねじ軸の一つのねじ山を加熱する場合） ねじ軸の高周波焼き入れ範囲を示す断面図 高周波焼入れしたねじ軸の断面図 有効硬化層の深さを測定したグラフ

符号の説明

１…ねじ軸，１ａ…ボール転走溝，１ａ１…ねじ山，２…ナット，２ａ…負荷ボール転走溝，３…ボール，６，８…コイル，１０…有効硬化層，１０ａ…端部，１６…底部，１８…逃げ溝

Claims (5)

1. 外周面にボールが転走する螺旋状のボール転走溝を有するねじ軸と、内周面に前記ボール転走溝に対向する螺旋状の負荷ボール転走溝を有するナットと、前記ねじ軸のボール転走溝と前記ナットの前記負荷ボール転走溝との間に介在される複数のボールと、を備えるボールねじにおいて、
   前記ねじ軸の前記ボール転走溝の表面に前記ボール転走溝の底部を挟んでねじ軸の軸線方向の一方側の有効硬化層と他方側の有効硬化層とが高周波焼入れによって形成され、
   深さが零になる前記一方側の有効硬化層の端部と深さが零になる前記他方側の有効硬化層の端部とが、前記ねじ軸の軸線方向に零より大きい距離を持って離れるボールねじ。
2. あらかじめ底部に逃げ溝が形成されたボール転走溝を高周波焼入れすることによって、前記ボール転走溝の表面に前記逃げ溝を挟んで前記ねじ軸の軸線方向の前記一方側の有効硬化層と前記他方側の有効硬化層とが形成されることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
3. 前記ボールと前記ボール転走溝との接触点と前記ボールの中心点とを結んだ接触角の方向における前記一方側及び前記他方側の有効硬化層の深さと、前記ボールに荷重がかかったときの前記ボールと前記ボール転走溝との接触面の最奥部と前記ボールの中心点とを結んだ最奥部方向における前記一方側及び前記他方側の有効硬化層の深さとの比は、１：０．２〜０．７に設定され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。
4. 外周面にボールが転走する螺旋状のボール転走溝を有するねじ軸と、内周面に前記ボール転走溝に対向する螺旋状の負荷ボール転走溝を有するナットと、前記ねじ軸のボール転走溝と前記ナットの前記負荷ボール転走溝との間に介在される複数のボールと、を備えるボールねじにおいて、
   前記ナットの前記負荷ボール転走溝の表面に前記負荷ボール転走溝の底部を挟んでナットの軸線方向の一方側の有効硬化層と他方側の有効硬化層とが高周波焼入れによって形成され、
   深さが零になる一方側の有効硬化層の端部と深さが零になる前記他方側の有効硬化層の端部とが、前記ナットの軸線方向に零より大きい距離を持って離れるボールねじ。
5. 外周面にボールが転走する螺旋状のボール転走溝を有するねじ軸において、
   前記ボール転走溝の表面に前記ボール転走溝の底部を挟んでねじ軸の軸線方向の一方側の有効硬化層と他方側の有効硬化層とが高周波焼入れによって形成され、
   深さが零になる前記一方側の有効硬化層の端部と深さが零になる前記他方側の有効硬化層の端部とが、前記ねじ軸の軸線方向に零より大きい距離を持って離れるねじ軸。

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