JP2013137086A - ボールねじ用ナット - Google Patents

Abstract

【課題】全ての大きさのナットに対してボール転動溝及びボール循環溝が軸方向、周方向、径方向にずれた状態で形成されるのを防止する。
【解決手段】円筒状のブランク１５の内径に、回転刃１９が挿入可能なヘリカルカッター１７を使用し、このヘリカルカッターの回転刃をブランクの一方の開口部から前記内周面に沿って配置する。そして、回転するヘリカルカッター及びブランクを相対的に傾斜させ、回転刃の切削加工により、ボール転動溝５ａ及びボール循環溝１１を連続して形成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、ボールねじを構成するナットに関する。

ボールねじは、内周面に螺旋溝（ボール転動溝）が形成されたナットと、外周面に螺旋溝（ボール転動溝）が形成されたねじ軸と、ナットの螺旋溝（ボール転動溝）とねじ軸の螺旋溝で形成される軌道の間に配置されたボールと、前記ボールを軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路とを備え、前記軌道内をボールが転動することで前記ナットがねじ軸に対して相対移動する装置である。
このようなボールねじは、一般的な産業用機械の位置決め装置等だけでなく、自動車、二輪車、船舶等の乗り物に搭載される電動アクチュエータにも使用されている。

ボールねじのボール戻し経路には循環チューブ方式やコマ方式などがあり、コマ方式の場合は、ボール戻し経路をなす凹部が形成されたコマをナットの貫通穴に嵌めている。これに対して、ボール戻し経路をなす凹部（ボール循環溝）がナットの内周面に直接形成されていれば、組み付けの手間やコストが低減できるとともに、ボール循環の信頼性向上も期待できる。

例えば特許文献１では、先端形状がゴシックアーク形状の単一の切削工具を使用し、この切削工具の回転軸がナットの内周面に対して径方向に延在するようにナット内径部に配置する。そして、切削工具に回転切削主運動を与えることで、ナットの内周面にボール転動溝及びボール循環溝を切削加工で連続的に加工している。
この特許文献１の技術によると、単一の切削工具でボール転動溝及びボール循環溝を連続的に加工するので、ボール転動溝及びボール循環溝が軸方向、周方向、径方向にずれた状態で形成されるのを防止することができる。

国際公開ＷＯ２００７／０４６３２１号公報

しかし、特許文献１の技術は、切削工具及び切削工具を回転自在に支持するスピンドルユニットをナット内径部の径方向に延在させて配置できる大きさのナットしか加工することができず、加工できるナットの大きさに制約がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、ナットの大きさに制約を設けず、全ての大きさのナットに対してボール転動溝及びボール循環溝が軸方向、周方向、径方向にずれた状態で形成されるのを防止することができるボールねじ用ナットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載のボールねじ用ナットは、ボールを転動させる軌道をねじ軸の螺旋溝とともに形成するボール転動溝と、前記軌道の終点から始点にボールを戻すボール循環溝とが、内周面に形成されているボールねじ用ナットにおいて、ナット素材である円筒状のブランクの内径に、回転刃が挿入可能なヘリカルカッターを使用し、当該ヘリカルカッターの前記回転刃を前記ブランクの一方の開口部から前記内周面に沿って配置し、回転する前記ヘリカルカッター及び前記ブランクを相対的に傾斜させ、前記回転刃の切削加工により、前記ボール転動溝及び前記ボール循環溝を連続して形成してなるボールねじ用ナットである。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のボールねじ用ナットにおいて、前記ヘリカルカッターの前記回転刃の先端部は、ゴシックアーチ状に形成されている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のボールねじ用ナットにおいて、前記回転刃は、前記先端部から基端側に向かって刃幅が徐々に増大している。
さらに、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のボールねじ用ナットにおいて、前記軌道の終点から始点に接続する前記ボール循環溝の両端部の溝幅ｔｂに対して、前記ボール循環溝の長さ方向の中央部の溝幅ｔａが小さく設定されるように、前記ボール循環溝を形成している。

本発明に係るボールねじ用ナットによると、円筒状のブランクの内径に回転刃が挿入可能なヘリカルカッターを使用し、このヘリカルカッターの回転刃をブランクの一方の開口部から内周面に沿って配置し、回転するヘリカルカッター及びブランクを相対的に傾斜させ、回転刃の切削加工によりボール転動溝及びボール循環溝を連続して形成しているので、全ての大きさのナットに対して、ボール転動溝及びボール循環溝が軸方向、周方向、径方向にずれた状態で形成されるのを防止することができる。

本発明に係るボールねじを示す断面図である。 本発明に係るボールねじ用ナットを形成する際に使用する円筒状のブランクを示す図である。 本発明に係るボールねじ用ナット形成するヘリカルカッターを示す図である。 ヘリカルカッターの構成を示す図である。 本発明に係るボールねじ用ナットを製造するマシニングセンタを示す図である。 ブランクにボール転動溝及びボール循環溝を形成している状態を示す図である。 ナットに形成したボール循環溝のボールが進行する方向に対して直交する断面の形状を示す図である。 ナットに形成したボール循環溝を内径側から示した図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係るボールねじ１の断面図である。
このボールねじ１は、螺旋状のボール転動溝３ａを外周面に有するねじ軸３と、ねじ軸３のボール転動溝３ａに対向する螺旋状のボール転動溝５ａを内周面に有するナット５と、両ボール転動溝３ａ，５ａにより形成される螺旋状のボール転動路７内に転動自在に装填された複数のボール９と、ボール９をボール転動路７の終点から始点へ戻し循環させるボール循環溝１１とを備えている。

ボール循環溝１１はナット５の内周面にＳ字状に形成され、このボール循環溝１１の両端部に螺旋状のボール転動溝５ａが形成されている。
ボール９は、ボール転動路７内を移動しつつねじ軸３の回りを回ってボール転動路７の終点に至り、そこでボール循環溝１１の一方の端部から掬い上げられてボール循環溝１１内を通り、ボール循環溝１１の他方の端部からボール転動路７の始点に戻されるようになっている。

上記構成のボールねじ１は、ボール９を介してねじ軸３に螺合されているナット５とねじ軸３とを相対回転運動させると、ボール９の転動を介してねじ軸３とナット５とが軸方向に相対移動するようになっている。そして、ボール転動路７とボール循環溝１１により無端状のボール通路が形成されており、ボール転動路７内を転動するボール９が無端状のボール通路内を無限に循環するようになっているため、ねじ軸３とナット５とは継続的に相対移動することができる。

本実施形態のナット５は、図２に示すように、円筒部材の軸方向の一端にフランジ１３を設けた鉄鋼製のブランク１５から形成される。
すなわち、図３に示すように、ブランク１５（ナット５）の内径に挿入可能な大きさのヘリカルカッター１７を使用し、このヘリカルカッター１７でブランク１５の内周面１５ａを切削加工することにより、Ｓ字状のボール循環溝１１と、このボール循環溝１１の両端部に接続する螺旋状のボール転動溝５ａを形成する。

図４に示すように、ヘリカルカッター１７は軸Ｐ回りに回転し、周方向に所定間隔をあけて設けた複数の回転刃１９でブランク１５の切削加工を行うものである。ヘリカルカッター１７の複数の回転刃１９は、先端部１９ａがゴシックアーチ状に形成されているとともに、先端部１９ａから基端側１９ｂに向かって刃幅Ｈが徐々に増大した形状とされている。
図５は、本実施形態に係る２軸テーブル付きのマシニングセンタ２１を示すものである。
このマシニングセンタ２１は、ヘリカルカッター１７を軸回りに回転させる回転駆動機構（不図示）と、ヘリカルカッター１７をＸ軸方向（水平方向）、Ｙ方向（Ｘ軸方向に直交する水平方向）及びＺ軸方向（鉛直方向）に移動させるヘリカルカッター送り駆動機構（不図示）と、ブランク１５を保持するテーブル２３とを備えている。

テーブル２３には、ブランク１５を保持するチャック２５が設けられており、ブランク１５が軸回りに回転するようにチャック２５をθ方向に回転させるθ方向送り駆動機構（不図示）と、チャック２５をΦ方向に回転させるΦ方向送り駆動機構（不図示）とを備えている。ヘリカルカッター送り駆動機構、θ方向送り駆動機構及びΦ方向送り駆動機構は、モータ等を駆動源とした装置である。なお、Φ方向は、水平方向に延在するＸ軸回りの回転方向であり、θ方向は鉛直方向に延在するブランク１５の軸回りの回転方向（Φ中心軸と交わり、且つ、Φ中心軸と直交する軸回りの回転方向）である。

そして、上記構成のマシニングセンタ２１は、ヘリカルカッター１７の回転刃１９をブランク１５の一方の開口部から内周面１５ａに沿って配置し、コンピュータ（不図示）から入力されたＮＣデータに基づいてθ方向送り駆動機構及びΦ方向送り駆動機構を駆動することで、ブランク１５の移動を制御し、ヘリカルカッター送り駆動機構を駆動することで、軸回りに回転しているヘリカルカッター１７をＸ軸、Ｙ軸及びＺ方向に所定量を送る。

これにより、ブランク１５の内周面１５ａに、ボール循環溝１１及びボール転動溝５ａを連続的に形成することでナット５が製造される。つまり、図６（ａ）〜（ｃ）は、数回に渡ってヘリカルカッター１７の切り込み深さを徐々に大きくしながら、ボール循環溝１１及びボール転動溝５ａを連続的に形成している状態を示す。ここで、ボール循環溝１１及びボール転動溝５ａは、切り込み深さが異なった状態で形成される。

ここで、ヘリカルカッター１７の複数の回転刃１９は、先端部１９ａがゴシックアーチ状に形成されているとともに、先端部１９ａから基端側１９ｂに向かって刃幅Ｈが徐々に増大した形状とされているので、製造されたナット５のボール循環溝１１及びボール転動溝５ａのボール９が進行する方向に対して直交する断面の形状は、ボール９が２点接触するゴシックアーチ状をなすとともに、溝底からブランク１５（ナット５）の径方向内方に向かうに従いテーパ状に開口する形状となる。すなわち、図７はボール循環溝１１を示すものであるが、ゴシックアーチ状の溝底１１ａが形成されているとともに、テーパ状に開口する開口部１１ｂが形成される。

また、図８に示すように、ボール循環溝１１は、ボール転動溝５ａに接続する両端部が直線状となっており、該両端部の間に位置する中央部が略Ｓ字状に湾曲した曲線状となっている。そして、ボール循環溝１１の中央部の溝幅ｔａ及び両端部の溝幅ｔｂが、ｔａ＜ｔｂを満足するように形成されている。なお、端部と中央部との間には、端部から中央部に向かって溝幅が漸減する漸減部が形成されている。

したがって、上記構成のナット５は、ブランク１５の内径に挿入可能な大きさのヘリカルカッター１７を使用し、ヘリカルカッター１７の回転刃１９をブランク１５の一方の開口部から内周面１５ａに沿って配置し、ブランク１５をθ方向及びΦ方向に移動制御し、軸回りに回転したヘリカルカッター１７をＸ軸、Ｙ軸及びＺ方向に所定量を送ってブランク１５の内周面１５ａを切削加工することにより、Ｓ字状のボール循環溝１１と、このボール循環溝１１の両端部に接続する螺旋状のボール転動溝５ａを連続して形成しているので、全ての大きさのナットに対して、ボール転動溝５ａ及びボール循環溝１１が軸方向、周方向、径方向にずれた状態で形成されるのを防止することができる。

また、このナット５を備えたボールねじ１は、ナット５のボール循環溝１１及びボール転動溝５ａのボール９が進行する方向に対して直交する断面の形状が、ボール９が２点接触するゴシックアーチ状をなしているので、ボール循環溝１１及びボール転動溝５ａを通過するボール９の蛇行を防止することができる。
しかも、ナット５のボール循環溝１１及びボール転動溝５ａの溝底からナット５の径方向内方に向かうに従いテーパ状に開口する形状としたことから、ボール循環溝１１及びボール転動溝５ａとボール９との隙間を小さく設定し、異音や振動を抑制することができる。

さらに、ナット５のボール循環溝１１の中央部の溝幅ｔａが両端部の溝幅ｔｂよりも小さく設定されているため、ボール循環溝１１内を通る際のボール９の蛇行が抑制され、作動性が向上する。その結果、ボール９がボール循環溝１１内の内壁に衝突することにより生じる作動音が低減するとともに、ボール循環溝１１及びボール９の摩耗が低減する。また、ボール９が摩耗しにくいため、ボールねじ１にトルク変動が生じにくいことに加えて、ボールねじ１が長寿命となる。
なお、上記の実施形態では、工具としてヘリカルカッター１７を使用した切削加工による加工を示したが、上記ヘリカルカッター１７と同様の断面形状を有した研削砥石を用いて転動溝及び循環溝を研削加工により仕上げ加工する場合にも、本発明を適用できる。

１…ボールねじ、３…ねじ軸、３ａ…ボール転動溝、５…ナット、５ａ…ボール転動溝、７…ボール転動路、９…ボール、１１…ボール循環溝、１１ａ…ゴシックアーチ形状の溝底、１１ｂ…テーパ状に開口する開口部、１３…フランジ、１５…ブランク、１５ａ…ブランクの内周面、１７…ヘリカルカッター、１９…ヘリカルカッターの回転刃、１９ａ…先端部、１９ｂ…基端側、２１…マシニングセンタ、２３…テーブル、２５…チャック、Ｈ…刃幅、Ｐ…軸、ｔａ…ボール循環溝の中央部の溝幅、ｔｂ…ボール循環溝の両端部の溝幅

Claims (4)

1. ボールを転動させる軌道をねじ軸の螺旋溝とともに形成するボール転動溝と、前記軌道の終点から始点にボールを戻すボール循環溝とが、内周面に形成されているボールねじ用ナットにおいて、
   ナット素材である円筒状のブランクの内径に、回転刃が挿入可能なヘリカルカッターを使用し、当該ヘリカルカッターの前記回転刃を前記ブランクの一方の開口部から前記内周面に沿って配置し、
   回転する前記ヘリカルカッター及び前記ブランクを相対的に傾斜させ、前記回転刃の切削加工により、前記ボール転動溝及び前記ボール循環溝を連続して形成してなることを特徴とするボールねじ用ナット。
2. 前記ヘリカルカッターの前記回転刃の先端部は、ゴシックアーチ状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のボールねじ用ナット。
3. 前記回転刃は、前記先端部から基端側に向かって刃幅が徐々に増大していることを特徴とする請求項１又は２記載のボールねじ用ナット。
4. 前記軌道の終点から始点に接続する前記ボール循環溝の両端部の溝幅ｔｂに対して、前記ボール循環溝の長さ方向の中央部の溝幅ｔａが小さく設定されるように、前記ボール循環溝を形成してなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のボールねじ用ナット。
   

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