JP2015066651A

JP2015066651A - ボールねじ用ねじ軸の螺旋溝研削用砥石および螺旋溝形成方法

Info

Publication number: JP2015066651A
Application number: JP2013204876A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　靖巳; Yasumi Watanabe; 靖巳渡辺
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-13
Also published as: WO2015045983A1; CN105592980A; TW201529230A

Abstract

【課題】ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状が、ボール転動溝の外側に円弧状面取り部が滑らかに連続し、円弧状面取り部の外側に直線面取り部が滑らかに連続する形状である場合に加工の生産性を向上させる、ボールねじ用ねじ軸の螺旋溝研削用砥石および螺旋溝形成方法を提供する。
【解決手段】ボールねじを構成するねじ軸の外周面に螺旋溝を形成する砥石６を、ボール転動溝に対応する溝範囲研削部６１と、円弧状面取り部に対応する円弧状面取り範囲研削部６２と、直線面取り部に対応する直線面取り範囲研削部６３とを有する構成とする。溝範囲研削部６１の外側に円弧状面取り範囲研削部６２が滑らかに連続し、円弧状面取り範囲研削部６２の外側に直線面取り範囲研削部６３が滑らかに連続している。
【選択図】図２

Description

この発明は、ボールねじ用ねじ軸の螺旋溝研削用砥石とボールねじ用ねじ軸の螺旋溝形成方法に関する。

ボールねじは、例えば図３に示すように、ねじ軸１とナット２と複数のボール３を有する。ねじ軸１はナット２を貫通するように配置されている。ねじ軸１の螺旋溝１１とナット２の螺旋溝２１とでボール３の転動路が形成される。この例では、ナット２にリターンチューブ４を取り付けることで、ボール３を転動路の終点から始点に戻すボール戻し路４１が形成されている。

ボール３は、螺旋溝１１，２１で形成される転動路とボール戻し路４１とからなる循環経路内に配置されている。そして、ボールねじは、循環経路を循環し転動路内で転動（負荷状態で回転しながら移動）するボール３を介して、ねじ軸１とナット２とが相対移動する装置である。
ねじ軸１の螺旋溝１１の溝直角断面形状としては、図４および図５に示すものが例示できる。

図４の例では、ボール３が転動するボール転動溝１１１の外側に、直線面取り部１１２が比較的広範囲に形成され、その外側がねじ軸１の外周面１２となっている。図５の例では、ボール３が転動するボール転動溝１１１の外側に、直線面取り部１１２が図４の例よりも狭い範囲に形成され、その外側がねじ軸１の外周面１２となっている。以下、図４に示す溝直角断面形状を「深溝」、図５に示す溝直角断面形状を「浅溝」と称する。

ボールピッチ円直径とねじ軸の直径との差を、深溝の場合Ｙａ、浅溝の場合Ｙｂとすると、ボール３の直径が同じ図４と図５の例の場合、Ｙａ＜Ｙｂとなる。
大リードの（ねじ軸の直径に対するリードの比率が大きい）ボールねじでは、図５に示すように、浅溝の溝直角断面形状を採用し、ボール３がボール戻し路４１に出入りする際の動きをスムーズにすることにより、作動性の向上を図ることが行われている。

図４および５に示すような溝直角断面形状では、ボールねじの高速回転化に伴い、ボール３が螺旋溝１１のボール転動溝１１１と直線面取り部１１２との境界のエッジに衝突して、早期はくりが生じ易くなるという問題がある。
特許文献１には、この問題を解決するために、ねじ軸１の螺旋溝１１の溝直角断面形状を図６に示す形状とすることが記載されている。すなわち、特許文献１に記載された発明では、ねじ軸１の螺旋溝１１の溝直角断面形状を、ボール転動溝１１１の外側に円弧状面取り部（円弧部）１１３が滑らかに連続する形状としている。また、円弧状面取り部１１３の曲率半径をボール３の半径の１／２以上２倍以下としている。

特許文献２には、図６に示す溝直角断面形状を有する螺旋溝をねじ軸の外周面に形成する方法として、ボール転動溝と円弧状面取り部を同時に加工して、両者の間に位置ずれを生じさせないようにすることが記載されている。加工に際しては、図７に示す形状の総形研削砥石を用いることが記載されている。図７に示す砥石６０は、溝範囲研削部６０１の外側に円弧状面取り範囲研削部６０２が滑らかに連続し、円弧状面取り範囲研削部６０２の外側に直線面取り範囲研削部が存在しないものである。

特許文献３には、図６の円弧状面取り部１１３に相当する「ねじ溝内面から滑らかに続く凸曲面の曲面部分」と外周面１２との間に、直線面取り部（チャンファー）を設け、曲面部分がチャンファーに滑らかに続くものとすることが記載されている。
また、特許文献３には、高負荷荷重時のねじ溝開口縁の応力集中を緩和して短寿命化を回避すると共に、ねじ溝開口縁のバリによる転走路内への異物混入の防止、および作業者の取り扱い時の安全を図ることが発明の目的であると記載されている。

また、特許文献３には、ボール転動溝（ねじ溝内面）と円弧状面取り部（曲面部分）を、総形砥石を使用して同時に加工することが記載されている。総形砥石として、ねじ溝の溝断面形状に対応する断面形状の砥石面と、曲面部分の断面形状に対応する砥石面とが連続した一体の砥石を使用することが記載されている。
さらに、特許文献３には、円弧状面取り部（曲面部分）を円弧状とする場合の曲率半径について、ボール径が１９ｍｍ程度の場合に曲率半径を１ｍｍ程度とすることが例示されている。

特許３３２５６７９号公報特開２００１−１９３８１５号公報特開２００３−２０７０１５号公報

上述のように、ボールねじには、ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状が深溝の場合と浅溝の場合があるため、ボール径が同じであっても、溝直角断面形状が変更になるたびに異なる形状の砥石を使用する必要がある。よって、ねじ軸の螺旋溝の加工には、生産性の点で改善の余地がある。
また、特許文献３には、ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状を、ボール転動溝の外側に円弧状面取り部が滑らかに連続し、円弧状面取り部の外側に直線面取り部が滑らかに連続する形状とし、ボール転動溝と円弧状面取り部を同時に研削することは記載されているが、ボール転動溝と円弧状面取り部と直線面取り部を同時に研削することは記載されていない。

螺旋溝の溝直角断面形状が、ボール転動溝の外側に円弧状面取り部が滑らかに連続し、円弧状面取り部の外側に直線面取り部が滑らかに連続する形状である場合、ボール転動溝と円弧状面取り部を同時に研削した後に直線面取り部を研削する方法では、円弧状面取り部と直線面取り部を滑らかに連続させることは難しい。よって、円弧状面取り部と直線面取り部を滑らかに連続させるために、サンドペーパーなどによる後加工が必要となり、生産性が低下する。

この発明の課題は、ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状が、ボール転動溝の外側に円弧状面取り部が滑らかに連続し、円弧状面取り部の外側に直線面取り部が滑らかに連続する形状である場合に、ねじ軸の螺旋溝の加工の生産性を向上させることである。

上記課題を解決するために、この発明の第一態様は、ボールねじを構成するねじ軸の外周面に螺旋溝を形成する砥石であって、前記螺旋溝の溝直角断面形状は、ボール転動溝の外側に円弧状面取り部が滑らかに連続し、前記円弧状面取り部の外側に直線面取り部が滑らかに連続する形状であり、下記の構成(1) を有することを特徴とする。
(1) 前記ボール転動溝に対応する溝範囲研削部と、前記円弧状面取り部に対応する円弧状面取り範囲研削部と、前記直線面取り部に対応する直線面取り範囲研削部とを有し、前記溝範囲研削部の外側に前記円弧状面取り範囲研削部が滑らかに連続し、前記円弧状面取り範囲研削部の外側に前記直線面取り範囲研削部が滑らかに連続している。

第一態様の砥石によれば、滑らかに連続するボール転動溝、円弧状面取り部、および直線面取りを同時に研削することができる。
また、ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状が、ボール転動溝の外側に円弧状面取り部が滑らかに連続し、円弧状面取り部の外側に直線面取り部が滑らかに連続する形状である場合、深溝と浅溝とでは、ボール径が同じであれば、ボール転動溝だけでなく円弧状面取り部の寸法も同じで、直線面取り部の長さのみが異なる形状になっている。そのため、第一態様の砥石によれば、溝直角断面形状が深溝の場合でも浅溝の場合でも、ボール径が同じであれば、同じ砥石を使用してねじ軸の螺旋溝を研削することができる。

この発明の第二態様は、ボールねじを構成するねじ軸の外周面に螺旋溝を形成する方法であって、前記螺旋溝の溝直角断面形状は、ボール転動溝の外側に円弧状面取り部が滑らかに連続し、前記円弧状面取り部の外側に直線面取り部が滑らかに連続する形状であり、前記構成(1) を有する砥石を使用して、前記ボール転動溝、前記円弧状面取り部、前記直線面取りを同時に研削することを特徴とする。

この発明のボールねじ用ねじ軸の螺旋溝研削用砥石によれば、滑らかに連続するボール転動溝、円弧状面取り部、および直線面取りを同時に研削することができるとともに、溝直角断面形状が深溝の場合でも浅溝の場合でも、ボール径が同じであれば、同じ砥石を使用してねじ軸の螺旋溝を研削することができるため、特許文献３に記載された砥石と比較してねじ軸の螺旋溝の加工の生産性が向上する。

この発明のボールねじ用ねじ軸の螺旋溝形成方法によれば、滑らかに連続するボール転動溝、円弧状面取り部、および直線面取りを同時に研削することで、ボール転動溝と円弧状面取り部を同時に加工した後に直線面取りを加工する方法と比較して、ねじ軸の螺旋溝の加工の生産性が向上する。

ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状の実施形態を示す断面図である。実施形態の砥石を示す断面図である。ボールねじの一例を示す断面図である。ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状の従来例（深溝）を示す断面図である。ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状の従来例（浅溝）を示す断面図である。ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状の特許文献１に記載された例を示す断面図である。ボール転動溝と円弧状面取り部を同時に加工する砥石を示す断面図である。ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状が特許文献１に記載された例の場合の問題点を説明する断面図である。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されない。
この実施形態では、図１に示す溝直角断面形状を有する螺旋溝１１を、図２に示す砥石６を用いてねじ軸１の外周面１２に形成する。図１では、深溝の場合と浅溝の場合の両方の溝直角断面形状を示している。

図１の溝直角断面形状は、ボール転動溝１１１の外側に円弧状面取り部１１３が滑らかに連続し、円弧状面取り部１１３の外側に直線面取り部１１２ａ，１１２ｂが滑らかに連続する形状である。ボール３の直径が同じ場合、深溝と浅溝とでは、ボール転動溝１１１だけでなく円弧状面取り部１１２の寸法も同じで、直線面取り部１１２ａ，１１２ｂの長さのみが異なる。すなわち、深溝の直線面取り部１１２ａは浅溝の直線面取り部１１２ｂより長い。

深溝のボールピッチ円直径とねじ軸の直径との差Ｙａは、浅溝のボールピッチ円直径とねじ軸の直径との差Ｙｂよりも小さい。
また、ボール３の中心軸Ｃを基準としたボール転動溝１１１の範囲を示す角度θａと、円弧状面取り部１１３の範囲を示す角度θｂと、直線面取り部１１２ａ，１１２ｂの外周面１２に対する角度θｃが、θａ＝θｂ＋θｃを満たすように設定されている。これにより、ボール転動溝１１１と円弧状面取り部１１３、円弧状面取り部１１３と直線面取り部１１２ａ，１１２ｂが、それぞれ滑らかに連続している。

この例では、θａ＝６０°、θｂ＝２５°、θｃ＝３５°となっている。円弧状面取り部１１３の曲率半径ｒは、ボール３の直径の０．３倍程度に設定されている。
なお、図１の符号１１３Ｂは、曲率半径がボール３の直径の一倍を超える円弧状面取り部のライン（図８参照）を示す。また、符号１１５はボール転動溝１１１と円弧状面取り部１１３との境界点を示す。

図２の砥石６は、ボール転動溝１１１に対応する溝範囲研削部６１と、円弧状面取り部１１２に対応する円弧状面取り範囲研削部６２と、直線面取り部１１２ａ，１１２ｂに対応する直線面取り範囲研削部６３とを有する。そして、溝範囲研削部６１の外側に円弧状面取り範囲研削部６２が滑らかに連続し、円弧状面取り範囲研削部６２の外側に直線面取り範囲研削部６３が滑らかに連続している。

つまり、溝範囲研削部６１の円弧状凸面は、ボール転動溝１１１と同じ範囲に同じ曲率半径で形成されている。円弧状面取り範囲研削部６２の円弧状凹部は、円弧状面取り部１１２と同じ範囲に円弧状面取り部１１２の曲率半径ｒと同じ曲率半径Ｒで形成されている。直線面取り範囲研削部６３は、直線面取り部１１２ａ，１１２ｂの外周面１２に対する角度θｃと同じ角度で形成されている。直線面取り範囲研削部６３の長さは、深溝の直線面取り部１１２ａの長さより少し長い。

この実施形態の砥石（ボールねじ用ねじ軸の螺旋溝研削用砥石）６によれば、滑らかに連続するボール転動溝１１１、円弧状面取り部１１３、および直線面取り１１２ａ，１１２ｂを同時に研削することができる。また、溝直角断面形状が直線面取り部１１２ａ，１１２ｂの長さのみが異なる深溝の場合でも浅溝の場合でも、同じ砥石６を使用してねじ軸の螺旋溝を研削することができる。

この実施形態の方法（ボールねじ用ねじ軸の螺旋溝形成方法）では、図２に示す砥石６を使用して、滑らかに連続するボール転動溝１１１、円弧状面取り部１１３、および直線面取り１１２ａ，１１２ｂを同時に研削している。これにより、図７に示す砥石６０を使用してボール転動溝１１１と円弧状面取り部１１３を同時に加工した後に、直線面取り１１２ａ，１１２ｂを加工する方法と比較して、生産性が向上する。

また、この実施形態では、円弧状面取り部１１３の曲率半径を、ボール３の直径の０．３倍程度に設定されているため、浅溝を形成する場合でも溝幅を広くとることができる。また、ボールねじを高速回転（軸径×回転数が７万〜１０万程度）で使用した場合でも、ボール衝突時の面圧を低く抑えることができ、ボール３や円弧状面取り部１１３に早期はくりが生じにくくすることができる。

なお、θａ〜θｃの組合せの別の例としては、θａ＝６０°とθｂ＝１５°とθｃ＝４５°、θａ＝６５°とθｂ＝２５°とθｃ＝４０°等が挙げられる。
また、ボールねじの回転速度が低速である場合は、円弧状面取り部１１３の曲率半径をボール３の直径の０．３倍より小さくしても良い。逆に、ボールねじの回転速度が高速である場合や高い長期耐久性を求められる用途では、円弧状面取り部１１３の曲率半径をボール３の直径の０．３倍より大きくすることが好ましい。

［円弧状面取り部の曲率半径について］
上述のように、特許文献３には、ボール径が１９ｍｍ程度の場合に円弧状面取り部の曲率半径を１ｍｍ程度とすることが例示されている。つまり、この例では、円弧状面取り部をなす円弧の曲率半径はボール直径の０．０５倍程度である。また、特許文献３で円弧状面取り部分を設ける目的は、接触面圧のエッジロードを低減することである。

高速回転するボールねじでは、円弧状面取り部の曲率半径ｒのボールの直径Ｄに対する比（ｒ／Ｄ）が小さ過ぎると、ボール衝突時の面圧が高くなるため、ボールあるいは円弧状面取り部に早期はくりが生じて、寿命が低下するおそれがある。

［円弧状面取り部の外側に直線面取り部がない場合の問題点について］
図８は、ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状が、ボール転動溝の外側に円弧状面取り部が滑らかに連続し、円弧状面取り部がそのままねじ軸の外周面に至る形状である場合について説明する断面図である。

円弧状面取り部１１３の曲率半径ｒの中心は、図８に示すように、ボール転動溝１１１の円弧の中心と、ボール転動溝１１１と円弧状面取り部１１３の境界点１１５と、を結ぶ線の延長線Ｌ上に存在する。円弧状面取り部１１３の円弧が図５に実線で示すライン１１３Ａであると、深溝の場合には、円弧状面取り部１１３Ａの外側に延長させたライン１２ｃがボールねじ軸の外周面１２ａより寸法Ｔだけ低くなるため、ねじ溝直角断面形状として成り立たない。浅溝の場合には、溝幅（ねじ軸の外周面１２ｂと円弧状面取り部１１３Ａとの交点１１７間の距離）Ｗｂが適切な幅となる。つまり、図８に実線で示す円弧状面取り部１１３Ａの曲率半径は、深溝の場合には小さすぎる。

円弧状面取り部１１３の円弧が図８に破線で示すライン１１３Ｂである（円弧状面取り部の曲率半径が、例えばボール３の直径の一倍を超える）と、浅溝の場合に溝幅Ｗｂが狭くなり、ボール３がボール戻し路に出入りする際の動きが阻害されて、作動不良となるおそれがある。特に、ボール戻し路形成部材としてリターンチューブを用いたチューブ式大リードボールねじでは、円弧状面取り部１１３Ｂとねじ溝の外周面１２ｂとの境界にボール３が衝突し易くなり、ボールねじを高速回転で使用した場合には、その境界に損傷が生じるおそれがある。つまり、図８に破線で示す円弧状面取り部１１３Ｂの曲率半径は、浅溝の場合には大きすぎる。

これに対して、ねじ軸の螺旋溝の溝直角断面形状を、図１に示すように、ボール転動溝１１１の外側に円弧状面取り部１１３が滑らかに連続し、円弧状面取り部１１３の外側に直線面取り部１１２ａ，１１２ｂが滑らかに連続する形状とすれば、円弧状面取り部１１３の曲率半径を、浅溝の溝幅（ねじ軸の外周面１２ｂと円弧状面取り部１１３との交点１１６間の距離）Ｗｂが適切な幅となる程度に小さく（例えば図８のライン１１３Ａと同じに）しても、深溝の場合にねじ溝直角断面形状が成立する。すなわち、円弧状面取り部１１３の曲率半径を小さくしても、直線面取り部１１２ａをねじ軸の外周面１２ａまで延長することで、深溝の場合でもねじ溝直角断面形状が成立する。

１ねじ軸
１１ねじ軸の螺旋溝
１１１ボール転動溝
１１２直線面取り部
１１２ａ深溝の直線面取り部
１１２ｂ浅溝の直線面取り部
１１３円弧状面取り部
１２ねじ軸の外周面
１２ａ深溝のねじ軸の外周面
１２ｂ浅溝のねじ軸の外周面
２ナット
２１ナットの螺旋溝
３ボール
４リターンチューブ
４１ボール戻し路
６砥石
６１溝範囲研削部
６２円弧状面取り範囲研削部
６３直線面取り範囲研削部

Claims

ボールねじを構成するねじ軸の外周面に螺旋溝を形成する砥石であって、
前記螺旋溝の溝直角断面形状は、ボール転動溝の外側に円弧状面取り部が滑らかに連続し、前記円弧状面取り部の外側に直線面取り部が滑らかに連続する形状であり、
前記ボール転動溝に対応する溝範囲研削部と、前記円弧状面取り部に対応する円弧状面取り範囲研削部と、前記直線面取り部に対応する直線面取り範囲研削部とを有し、前記溝範囲研削部の外側に前記円弧状面取り範囲研削部が滑らかに連続し、前記円弧状面取り範囲研削部の外側に前記直線面取り範囲研削部が滑らかに連続していることを特徴とするボールねじ用ねじ軸の螺旋溝研削用砥石。
ボールねじを構成するねじ軸の外周面に螺旋溝を形成する方法であって、
前記螺旋溝の溝直角断面形状は、ボール転動溝の外側に円弧状面取り部が滑らかに連続し、前記円弧状面取り部の外側に直線面取り部が滑らかに連続する形状であり、
前記ボール転動溝に対応する溝範囲研削部と、前記円弧状面取り部に対応する円弧状面取り範囲研削部と、前記直線面取り部に対応する直線面取り範囲研削部とを有し、前記溝範囲研削部の外側に前記円弧状面取り範囲研削部が滑らかに連続し、前記円弧状面取り範囲研削部の外側に前記直線面取り範囲研削部が滑らかに連続している砥石を使用して、
前記ボール転動溝、前記円弧状面取り部、前記直線面取りを同時に研削することを特徴とするボールねじ用ねじ軸の螺旋溝形成方法。