JP2010112399A - ボールねじ装置およびこれを用いたサーボプレス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス機などのように高荷重が加わる用途であっても優れた耐久性および信頼性を発揮できる新規なボールねじ装置およびこれを用いたサーボプレス装置の提供
【解決手段】ボールＢとねじ溝３０とのラジアル隙間Ｓを前記ボール径の１／３００〜１／１２００にすると共に、前記ラジアル隙間Ｓのない場合の前記ボールＢとねじ溝３０との初期接触角αを３５°〜４３°とし、かつ前記ねじ溝３０が２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率Ｃを前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％とする。これによって、プレス機として一般的に要求される寿命を充分に満足すると共に、最大荷重においてもボールの乗り上げが発生することがなく、優れた耐久性および信頼性を発揮できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、送り機構の１つであるボールねじ装置に係り、特にプレス機などのようにストロークが短く（例えば、２リード以下）、かつ高荷重負荷が繰り返しかかる機器に最適なボールねじ装置およびこれを用いたサーボプレス装置に関する。

油圧シリンダに代わりモータでボールねじを駆動して荷重を受ける用途が増加している。
射出成型機に代表される用途では、数〜数十ストローク（ボールねじが数〜数十回転する）駆動される間、大きな荷重がボールねじに付与される。
このため、ボールねじには射出成型機として設定されたショット数（型締めや射出の回数）まで剥離などが生ずることなく使用できる寿命が必要とされる。

従来、ねじ溝曲率をボール径にできるだけ近く設定して負荷容量を増加させて長寿命になる設計が行われていた。
最近になり、板金などの曲げ加工や打ち抜き加工などのプレス機用にもボールねじが使用されるようになってきた。
この用途は、１ｍｍ以下から数ｍｍ程度の板材を加工するため、ボールねじに力がかかるストローク長は、射出成型機よりも小さく、高負荷容量用ボールねじの通常リード（１６〜３２ｍｍ）より小さくなるため、１ショット当たりに移動する距離が短くなり、同じ荷重であれば、数倍から数十倍のショット数まで耐えられる。

このため、寿命までのショット数は射出成型機より大きくなり、同寸のボールねじを用いると要求寿命より遙かに長い寿命となる。このため、ボールねじをダウンサイズして要求寿命と計算寿命を合わせられれば機械のコンパクト化を図ることができる。
しかし、現状の設計でサイズダウンを行うと要求寿命は満足するものの、大きな荷重が負荷されるため、ボールがねじ溝肩部に乗り上げ、ねじ溝肩部を破損させる可能性が高まる。

このリスクを回避するため、今までは計算寿命が要求寿命より非常に長くなってもサイズの大きなボールねじを使用せざるを得なくなり、装置をコンパクトにできないといった問題があった。
そのため、例えば、以下の特許文献１〜３では、ボールとねじ溝との初期接触角に着目し、その初期設定角を調整することで、ボールのねじ溝肩部への乗り上げを防止するようにしている。
特開２００４−６８９９６号公報 特開２００６−１０５３０８号公報 特開２００２−２７６７６５号公報

しかしながら、前記特許文献１〜３のようにボールとねじ溝との初期接触角を調整しただけでは、高荷重用途に用いた場合に充分な耐久性と信頼性を発揮することが困難である。
すなわち、高荷重が加わった場合には、ボールとねじ溝との接触角は、ラジアル隙間との関係により上方に変化するため、単に初期接触角のみを調整してもボールのねじ溝肩部への乗り上げを防止することはできない。また、ボールとねじ溝との接触楕円の長径寸法がねじ溝肩部に乗り上げるか否かが重要であるため、ボールとねじ溝曲率との関係も重要となってくる。
そこで、本発明は前記のような従来技術が有する問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、プレス機などのように高荷重が加わる用途であっても優れた耐久性および信頼性を発揮できるボールねじ装置およびこれを用いたサーボプレス装置を提供するものである。

前記課題解決するために第１の発明は、
外周に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、内周に前記ねじ軸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を有し、前記両ねじ溝内に複数のボールを転動自在に配設したボールねじ装置であって、
前記ボールとねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の１／３００〜１／１２００にすると共に、前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールとねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°とし、かつ前記ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％としたことを特徴とするボールねじ装置である。

ここで、ボールとねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の１／３００〜１／１２００としたのは、１／３００を超えると、ボールとねじ溝との接触角が上昇し、高荷重が加わった際にボールがねじ溝肩部に乗り上げてしまうおそれがあるからであり、その一方、１／１２００未満では、その隙間が小さすぎて管理が困難となるからである。より望ましくは、ボールとねじ溝とのラジアル隙間は、１／５００〜１／１０００の範囲である。

また、ラジアル隙間のない場合のボールとねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°としたのは、後に実証するように、３５°未満では、プレス機に適用した場合に必要な寿命を発揮するのが難しくなり、反対に４３°を超えると、最大荷重負荷時にボールがねじ溝肩部に乗り上げてしまうおそれがあるからである。より望ましくは、この初期接触角は約４０°である

また、ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率をボール径に対して５１．５％〜５４．０％と規定したのは、同じく後に実証するように５１．５％未満では、最大荷重負荷時にボールがねじ溝肩部に乗り上げてしまうおそれがあるからであり、反対に５４．０％を超えると、プレス機に適用した場合に必要な寿命を発揮するのが難しくなるからである。より望ましくは、この曲率は５２．０％〜５３．０％の範囲である。
また、第２の発明は、
発明１のボールねじ装置を用いたことを特徴とするサーボプレス装置である。

本発明によれば、プレス機として一般的に要求される寿命を充分に満足すると共に、最大荷重においてもボールの乗り上げが発生することがなく、優れた耐久性および信頼性を発揮することができる。

次に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。
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。
図示するようにこのボールねじ装置１００は、 外周に螺旋状のねじ溝３０を有するねじ軸１０と、内周に前記ねじ軸１０のねじ溝３０と対向するように螺旋状のねじ溝４０を有するナット２０とを有し、前記両ねじ溝３０，４０内に転動体となるボールＢを複数、転動自在に配設した構造となっている。

また、このナット２０の側面には、これを貫通するようにリターンチューブ５０，５０が設けられており、両ねじ溝３０，４０内を転動してきたボールＢを貫通孔２２を介してナット２０外に抜き出してから再び両ねじ溝３０，４０内に戻すように循環するようになっている。
そして、このような構成をした本発明のボールねじ装置１００にあっては、図２に示すように、先ず、ボールＢとねじ溝３０（４０）とのラジアル隙間Ｓがこのボール径ｄの１／３００〜１／１２００の大きさに設定されている。
具体的には、このボールＢの径が３／８インチ（９．５２５ｍｍ）であるとすると、このラジアル隙間Ｓは、約３０μｍ〜８μｍとなる。但し、このボールＢの径が１インチであるとすると、このラジアル隙間Ｓは、約８５μｍ以下でその下限は、管理が容易な最小値である２０μｍ以上となる。

次に、図示するように、このような前記ラジアル隙間Ｓのない場合の前記ボールＢとねじ溝４０（３０）との初期接触角αがねじ軸１０の半径方向に対して３５°〜４３°の範囲となっている。
また、図示するように、このねじ溝３０および４０の断面形状は、それぞれ２つの円弧３０ａ、３０ａ（４０ａ、４０ａ）で形成されるゴシックアーク形状となっていると共に、各円弧３０ａ、３０ａ（４０ａ、４０ａ）の曲率Ｃが前記ボール径ｄに対して５１．５％〜５４．０％の範囲となっている。

以下の表１は、ボールねじをプレス機に適用した場合に必要な寿命を満足する、ねじ溝曲率ＣおよびボールＢとねじ溝３０（４０）との接触角αの関係を、また、以下の表２は、最大荷重負荷時にボールＢがねじ溝肩部に乗り上げることがない、ねじ溝曲率ＣおよびボールＢとねじ溝３０（４０）との接触角αの関係をそれぞれ示したものである。
ここで、各表中、塗り潰し領域が各条件を満足する範囲であり、また、表２は、ボールＢが循環する部分の配列や、ねじ軸１０とナット２０との軸方向弾性変形量を考慮した。
また、この評価に用いたボールねじ装置としては、軸径φ６３ｍｍ、リード１６ｍｍ、循環巻き数２．５巻３列、ボール径１／２インチ仕様のボールねじを用い、最大荷重１５０ｋＮ、要求寿命１０００万サイクルとして実験を行った。

この結果、先ず表１に示すように、プレス機に用いた場合に必要な寿命を満足するボールＢとねじ溝４０（３０）との初期接触角αをみてみると、ねじ軸１０の半径方向に対して少なくとも３０°以上必要であることがわかる。
また、ねじ溝３０（４０）を構成する各円弧３０ａ、３０ａ（４０ａ、４０ａ）の曲率Ｃは、前記ボール径ｄに対して少なくとも曲率比（×１００）で０．５５０（５５．０％）以下が必要なことがわかる。
従って、プレス機用に用いた場合に必要な寿命を満足するねじ溝曲率と、ボールとねじ溝との接触角との関係を調べてみると、同表の塗り潰し範囲に示したように初期接触角αが３０°以上、かつねじ溝曲率が５５．０％以下であることがわかる。

一方、表２に示すように、最大荷重負荷時にボールＢがねじ溝肩部に乗り上げることがないボールＢとねじ溝３０および４０との接触角αと、ねじ溝曲率Ｃとの関係をみてみると接触角αが小さく、かつねじ溝曲率Ｃが大きい領域ほど良好な結果が得られることがわかる。
従って、ボールねじをプレス機に用いた場合にこれら両方の特性を満足する範囲としては、表１および表２の塗り潰し領域のうち、それぞれ太い実線で囲んだ重なり合った領域の範囲にすることが望ましい。

すなわち、上述したようにラジアル隙間Ｓのない場合の前記ボールＢとねじ溝４０（３０）との初期接触角αがねじ軸１０の半径方向に対して３５°〜４３°の範囲で、かつねじ溝４０（３０）の円弧３０ａ、３０ａ（４０ａ、４０ａ）の曲率Ｃが前記ボール径ｄに対して５１．５％〜５４．０％の範囲とすることが望ましい。
より好ましくは、表１および表２の太い実線で囲んだ領域の略中央の領域である、初期接触角αが約４０°±１°、かつねじ溝４０（３０）の溝曲率Ｃが５２．０％〜５３．０％とすることが望ましい。

そして、このような構成をした本発明のボールねじ装置１００にあっては、プレス機として一般的に要求される寿命を充分に満足すると共に、最大荷重が加わった場合でもボールがねじ溝肩部に乗り上げるようなことがなく、ねじ溝肩部の破損などを回避できる。従って、プレス機のような高荷重が繰り返し加わり、かつストロークが短い機器に用いた場合に特に優れた耐久性および信頼性を発揮することができる。

なお、表１および表２からもわかるように、溝曲率Ｃ：０．５１０、接触角α：２５°〜３０°の範囲もオーバーラップ範囲であって両特性を満足するが、この範囲はボール径ｄに対して溝曲率Ｃが非常に小さく、精度の良い加工が困難であるといった不都合があるため、この範囲での設計は現実的でない。
図３は、このような構成をした本発明のボールねじ装置１００を用いたサーボプレス装置２００の一例を示したものである。

図示するように、ボールねじ装置１００のねじ軸１０は、軸受９２によって垂直方向に軸支されており、その頂部にはプーリー８０が設けられると共に、ナット２０には、プレス板９０が取り付けられている。
そして、このプーリー８０をサーボモータ６０とタイミングベルト７０によって回転させてナット２０を上下動させることによってプレス板９０とベース９１とを近接離間させてプレス加工（板金の曲げ、打ち抜きプレス（プレスブレーキ、パンチングプレス、ベンダーなど）など）を行うことになる。

本発明に係るボールねじ装置１００の実施の一形態を示す断面図である。 本発明に係るボールねじ装置１００のボールＢとねじ溝３０（４０）との関係を示す拡大図である。 本発明に係るボールねじ装置１００を用いたサーボプレス装置２００の一例を示す構成図である。

符号の説明

１００…ボールねじ装置
２００…サーボプレス装置
１０…ねじ軸
２０…ナット
３０、４０…ねじ溝
３０ａ、４０ａ…円弧
５０…リターンチューブ
６０…サーボモータ
７０…タイミングベルト
８０…プーリー
９０…プレス板
９１…ベース
Ｂ…ボール
Ｃ…ねじ溝曲率
Ｓ…ラジアル隙間
α…初期接触角

Claims (2)

1. 外周に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、内周に前記ねじ軸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を有し、前記両ねじ溝内に複数のボールを転動自在に配設したボールねじ装置であって、
   前記ボールとねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の１／３００〜１／１２００にすると共に、前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールとねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°とし、かつ前記ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％としたことを特徴とするボールねじ装置。
2. 請求項１に記載のボールねじ装置を用いたことを特徴とするサーボプレス装置。

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