JP2015212559A - Screw shaft and production method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転運動を直線運動に変換するまたは直線運動を回転運動に変換するねじ伝導装置に使用されるねじ軸およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a screw shaft used in a screw transmission device that converts rotational motion into linear motion or converts linear motion into rotational motion, and a manufacturing method thereof.
従来、ねじ伝導装置は、例えば各種工作機械や搬送装置等、様々な機械において使用されている。このねじ伝導装置は、主に螺旋状のねじ溝(ねじ山)が外周面に形成されたねじ軸と、螺旋状のねじ溝(ねじ山)が内周面に形成された略円筒状ナットと、から構成されており、ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝の間でボールが転動するボールねじを利用したボールねじ伝導装置と、ねじ軸とナットが直接螺合するすべりねじを利用したすべりねじ伝導装置と、の2種類に大別される。 Conventionally, screw conduction devices are used in various machines such as various machine tools and conveying devices. The screw transmission device mainly includes a screw shaft in which a spiral thread groove (thread) is formed on the outer peripheral surface, and a substantially cylindrical nut in which a spiral thread groove (thread) is formed on the inner peripheral surface. The ball screw transmission device using a ball screw in which the ball rolls between the screw groove of the screw shaft and the screw groove of the nut, and a slide screw in which the screw shaft and the nut are directly screwed are used. It is roughly divided into two types: a sliding screw transmission device.
このうち、ボールねじはさらにJIS B1192において、高精度な位置決め用ボールねじと比較的精度の低い搬送用ボールねじに分けられている。そして、JIS B1192では、位置決め用ボールねじの精度等級としてC0、C1、C3およびC5、ならびにCp0、Cp1、Cp3およびCp5を規定し、搬送用ボールねじの精度等級としてCt0、Ct1、Ct3、Ct5、Ct7およびCt10を規定している。
Of these, the ball screws are further divided into JIS B1192 into highly accurate positioning ball screws and relatively low accuracy conveying ball screws. Then, in JIS B1192, C0, C1, C3 and C5, and the C p 0, C p 1, C p 3 and C p 5 defined as accuracy class of the positioning ball screws, as accuracy class of the conveying
ねじ軸およびナットの製造においては、疲労強度および耐摩耗性を向上させるために、一般にねじ溝を形成した後に高周波焼入または浸炭焼入が行われる。但し、このような熱処理は素材を比較的高温に加熱した後に急冷することから素材にひずみが生じやすく、ひずみに伴う変形はボールねじの精度低下の要因となる。特に、ねじ軸の変形に伴うリード精度の低下は、位置決め精度の悪化に加え、振動や騒音の発生の原因となるため大きな問題となる。 In the manufacture of screw shafts and nuts, in order to improve fatigue strength and wear resistance, induction hardening or carburizing hardening is generally performed after forming a thread groove. However, since such a heat treatment rapidly cools the material after it is heated to a relatively high temperature, the material is likely to be distorted, and deformation accompanying the strain causes a decrease in the accuracy of the ball screw. In particular, a decrease in lead accuracy due to deformation of the screw shaft is a serious problem because it causes vibration and noise in addition to deterioration in positioning accuracy.
従って、高い精度の要求される位置決め用ボールねじのねじ軸の製造では、一般に切削によって素材にねじ溝を形成した後に高周波焼入等の熱処理を行い、その後曲り矯正や外径および軸端等の研削を行った後に、ねじ溝を研削で仕上げることによってリード精度を高めるようにしている。このため、位置決め用ボールねじのねじ軸は、高い精度を実現する代わりに生産性に劣り、高コストなものとなっている。 Therefore, in manufacturing a screw shaft of a positioning ball screw that requires high accuracy, generally, a screw groove is formed in a material by cutting, and then heat treatment such as induction hardening is performed, and then bending correction, outer diameter, shaft end, etc. are performed. After grinding, the lead groove is finished by grinding to improve the lead accuracy. For this reason, the screw shaft of the positioning ball screw is inferior in productivity and high in cost instead of realizing high accuracy.
一方、高い精度の要求されない搬送用のボールねじのねじ軸の製造では、熱処理前の転造によって素材にねじ溝を一度に形成することで、生産性を高め、コストを低減するのが一般的である。また、このような製造方法において、リード精度を向上させるための手法等も提案されている(例えば、特許文献1または2参照)。 On the other hand, in the manufacture of ball screws for conveyance that do not require high accuracy, it is common to increase the productivity and reduce the cost by forming thread grooves in the material at one time by rolling before heat treatment. It is. In such a manufacturing method, a method for improving the lead accuracy has been proposed (for example, see Patent Document 1 or 2).
しかしながら、上記特許文献1または2の手法では、いずれも大きなひずみを伴う従来の熱処理を前提としているため、熱処理ひずみに起因する精度低下を排除することは難しく、精度の向上とコストの低減を高いレベルで両立させるものとはなっていなかった。
However, since the methods of
本発明は、斯かる実情に鑑み、精度の向上とコストの低減を高いレベルで両立させることが可能なねじ軸およびその製造方法を提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention is intended to provide a screw shaft capable of achieving both high accuracy and low cost at a high level, and a manufacturing method thereof.
(1)本発明は、外周面に螺旋状のねじ溝を備えるねじ軸であって、表面近傍に窒素マルテンサイトを含む硬化層を有することを特徴とする、ねじ軸である。 (1) The present invention is a screw shaft provided with a helical thread groove on an outer peripheral surface, and having a hardened layer containing nitrogen martensite in the vicinity of the surface.
(2)本発明はまた、前記硬化層は、素材に前記ねじ溝を形成した後に浸窒焼入を行うことによって形成されることを特徴とする、上記(1)に記載のねじ軸である。 (2) The present invention is also the screw shaft according to (1), wherein the hardened layer is formed by performing nitrogen quenching after forming the thread groove in a material. .
(3)本発明はまた、前記浸窒焼入は、前記ねじ溝が形成された前記素材をアンモニアガスを含む雰囲気中において590℃以上850℃以下の範囲内の所定温度で所定時間保持した後に急冷することによって行われることを特徴とする、上記(2)に記載のねじ軸である。 (3) In the present invention, the nitriding quenching is performed after the material having the thread groove formed is held at a predetermined temperature within a range of 590 ° C. or higher and 850 ° C. or lower for a predetermined time in an atmosphere containing ammonia gas. The screw shaft according to (2) above, which is performed by quenching.
(4)本発明はまた、前記素材は、機械構造用炭素鋼鋼材または一般構造用圧延鋼材であることを特徴とする、上記(2)または(3)に記載のねじ軸である。 (4) The present invention is also the screw shaft according to the above (2) or (3), wherein the material is a carbon steel material for mechanical structure or a rolled steel material for general structure.
(5)本発明はまた、前記ねじ溝は、転造によって形成されることを特徴とする、上記(1)乃至(4)のいずれかに記載のねじ軸である。 (5) The present invention is also the screw shaft according to any one of (1) to (4), wherein the thread groove is formed by rolling.
(6)本発明はまた、前記硬化層は、表面から深さ0.1mmまでの範囲内における硬度がHv500以上であることを特徴とする、上記(1)乃至(5)のいずれかに記載のねじ軸である。 (6) The present invention is also any one of the above (1) to (5), wherein the hardened layer has a hardness of Hv500 or more in a range from the surface to a depth of 0.1 mm. The screw shaft.
(7)本発明はまた、素材にねじ溝を形成する第1の工程と、前記ねじ溝が形成された前記素材に浸窒焼入を行う第2の工程と、を有することを特徴とする、ねじ軸の製造方法である。 (7) The present invention also includes a first step of forming a screw groove in the material, and a second step of performing nitriding quenching on the material in which the screw groove is formed. A method for manufacturing a screw shaft.
(8)本発明はまた、前記第2の工程では、前記ねじ溝が形成された前記素材をアンモニアガスを含む雰囲気中において590℃以上850℃以下の範囲内の所定温度で所定時間保持した後に急冷することを特徴とする、上記(7)に記載のねじ軸の製造方法である。 (8) In the present invention, in the second step, after the material having the thread groove formed therein is held for a predetermined time at a predetermined temperature within a range of 590 ° C. or higher and 850 ° C. or lower in an atmosphere containing ammonia gas. The method of manufacturing a screw shaft according to (7) above, wherein the method is rapidly cooled.
(9)本発明はまた、前記第1の工程では、転造によって前記ねじ溝を形成することを特徴とする、上記(7)または(8)に記載のねじ軸の製造方法である。 (9) The present invention also provides the screw shaft manufacturing method according to (7) or (8) above, wherein in the first step, the thread groove is formed by rolling.
本発明に係るねじ軸およびその製造方法によれば、精度の向上とコストの低減を高いレベルで両立させることが可能という優れた効果を奏し得る。 According to the screw shaft and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to achieve an excellent effect that it is possible to achieve both improvement in accuracy and reduction in cost at a high level.
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1(a)は、本実施形態に係るねじ軸1を示した概略図であり、図1(b)は、図1(a)のA部を拡大した概略断面図である。本実施形態のねじ軸1はボールねじ伝導装置に使用されるものであり、図1(a)に示されるようにねじ軸1の外周面には、螺旋状のねじ溝10およびねじ山20が形成されている。ねじ軸1の材質は、例えばS45CやS55C等の機械構造用炭素鋼である。
Fig.1 (a) is the schematic which showed the screw shaft 1 which concerns on this embodiment, FIG.1 (b) is the schematic sectional drawing which expanded the A section of Fig.1 (a). The screw shaft 1 of the present embodiment is used for a ball screw transmission device. As shown in FIG. 1A, a
図1(b)に示されるように、ねじ軸1の表面近傍には、耐摩耗性および疲労強度を高めるために母材よりも硬度を高くした硬化層30が形成されている。この硬化層30は、浸窒焼入により形成されたものであり、窒素マルテンサイトを含んだ層となっている。すなわち、本実施形態では、Fe−N系状態図におけるオーステナイト領域で鋼中に窒素を侵入・固溶させ、その後急冷することにより浸窒層(鋼中に窒素が拡散した層)に窒素マルテンサイトを生成することで、硬化層30を形成している。
As shown in FIG. 1B, a hardened
硬化層30の硬度は特に限定されるものではないが、ねじ伝導装置のねじ軸として適切な耐摩耗性および疲労強度を得るためには、表面から深さ0.1mmまでの範囲内の硬度がHV500以上であることが好ましく、HV600以上であればより好ましく、HV700以上であることが最も好ましい。また、より耐摩耗性および疲労強度を向上させるためには、硬化層30の硬度は、表面から深さ0.1mmまでの範囲内の硬度がHV500以上、且つ表面から深さ0.3mmまでの範囲内の硬度がHV400以上であることが好ましく、表面から深さ0.1mmまでの範囲内の硬度がHV600以上、且つ表面から深さ0.3mmまでの範囲内の硬度がHV450以上であればより好ましく、表面から深さ0.1mmまでの範囲内の硬度がHV700以上、且つ表面から深さ0.3mmまでの範囲内の硬度がHV500以上であることが最も好ましい。
The hardness of the hardened
本実施形態ではこのように、浸窒焼入によってねじ軸1の表面近傍に窒素マルテンサイトを含む硬化層30を設けることで、ねじ軸1の製造工程の簡略化とねじ軸1の精度の向上を両立させることを可能としている。すなわち、浸窒焼入では、従来行われていた高周波焼入や浸炭焼入よりも比較的低い温度に素材を保持すればよく、また保持時間も短いため、熱処理ひずみを小さく抑えることが可能となっている。従って、熱処理後の曲りを矯正する工程を省略することができるため、製造工程を簡略化することが可能となっている。さらに、熱処理ひずみが小さいことによるリード精度の向上に加え、曲り矯正が省略可能となることで、曲り矯正によって新たに生じるリード誤差を無くすことができるため、熱処理後の研削によってねじ溝を形成するようにしなくとも、十分に高精度なねじ軸1を得ることが可能となっている。
In this embodiment, as described above, by providing the hardened
また、浸窒焼入によれば、高周波焼入のように局所的な加熱・急冷を行わないことから、熱処理ひずみは軸方向にわたって比較的均一なものとなり、さらに曲り矯正が省略可能となることで、曲り矯正に起因するひずみ量の変化も生じないようになっている。すなわち、本実施形態のねじ軸1では、熱処理に起因するリードの変動が生じにくくなっている。従って、熱処理ひずみを予め見込んでねじ溝10およびねじ山20を形成し、累積代表リード誤差を低減することでねじ軸1のリード精度をより一層向上させることが可能となっている。
Nitrogen quenching does not perform local heating / quenching unlike induction quenching, so heat treatment strain is relatively uniform in the axial direction, and bending correction can be omitted. Thus, there is no change in the amount of distortion caused by the bending correction. That is, in the screw shaft 1 of the present embodiment, the lead fluctuation due to the heat treatment is less likely to occur. Therefore, it is possible to further improve the lead accuracy of the screw shaft 1 by forming the
このように、本実施形態のねじ軸1では、製造工程を簡略化して生産性を高めながらも、従来以上にリード精度を高めることが可能となっている。すなわち、本実施形態のねじ軸1では、従来以上に低いコストで従来以上に精度を高めることが可能となっている。 Thus, in the screw shaft 1 of the present embodiment, it is possible to improve the lead accuracy more than before while simplifying the manufacturing process and improving the productivity. That is, in the screw shaft 1 of the present embodiment, it is possible to improve the accuracy more than before at a lower cost than before.
なお、本実施形態では、ねじ軸1の最表面に例えば黒染加工処理やリン酸塩皮膜処理等により、防錆のための表面処理層40を設けるようにしているが、ねじ軸1の用途等によってはこの表面処理層40を省略するようにしてもよい。すなわち、浸窒焼入によれば、硬化層30の最表部に存在する窒化物によりねじ軸1の耐食性が向上することとなるため、防錆処理を省略することも可能となっている。また、表面処理層40として、例えば二硫化モリブデン、フッ素またはグラファイト等の固体潤滑被膜を設けるようにしてもよい。
In the present embodiment, the
次に、ねじ軸1の製造方法の詳細について説明する。図2は、ねじ軸1の製造手順を示したフローチャートである。ねじ軸1の製造では、まず丸棒等の素材を所定の長さに切断する(切断工程S1)。素材は、強度および品質の点からは機械構造用炭素鋼鋼材が好ましいが、用途によっては一般構造用圧延鋼材であってもよい。すなわち、浸窒焼入では窒素マルテンサイトにより表面近傍の硬度を高めることから、焼入性向上のために機械構造用合金鋼鋼材等の合金鋼を使用する必要がなく、また、一般構造用圧延鋼材であっても容易且つ安定的に所望の耐摩耗性および疲労強度を得ることが可能となっている。 Next, the detail of the manufacturing method of the screw shaft 1 is demonstrated. FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing procedure of the screw shaft 1. In the manufacture of the screw shaft 1, a material such as a round bar is first cut into a predetermined length (cutting step S1). The material is preferably a carbon steel material for mechanical structure from the viewpoint of strength and quality, but may be a general structural rolled steel material depending on the application. In other words, nitrous quenching increases the hardness in the vicinity of the surface by nitrogen martensite, so there is no need to use alloy steels such as alloy steels for machine structures in order to improve hardenability. Even a steel material can obtain desired wear resistance and fatigue strength easily and stably.
素材を切断した後は、外径研削を行う(外径研削工程S2)。ここでは、センタレス研削により、素材を所定の外形寸法に加工すると共に、素材の外形寸法が所定の公差内に収まるようにする。素材を所定の外形寸法に仕上げたならば、次に素材の外周面にねじ溝10およびねじ山20を形成するねじ転造を行う(ねじ転造工程S3)。ここでは、一対のロールダイスを回転させながら素材に押し付け、ロールダイスのねじ形状を素材の外周面に転写することで、ねじ溝10およびねじ山20を形成する。
After cutting the material, outer diameter grinding is performed (outer diameter grinding step S2). Here, the material is processed into a predetermined outer dimension by centerless grinding, and the outer dimension of the material is set within a predetermined tolerance. Once the material has been finished to a predetermined outer dimension, screw rolling is performed to form the
本実施形態では、浸窒焼入を採用することで熱処理ひずみを小さく抑えることができるため、生産性の高い熱処理前のねじ転造を採用しながらも、高精度なねじ軸1を製造することが可能となっている。さらに、上述のように素材として比較的低級な加工性の高い鋼材を使用しても熱処理後に十分な耐摩耗性および疲労強度を得ることができるため、ねじ転造も高精度且つ高品質に行うことが可能となっている。 In this embodiment, since the heat treatment strain can be suppressed small by adopting nitriding quenching, the highly accurate screw shaft 1 is manufactured while adopting the thread rolling before heat treatment with high productivity. Is possible. Furthermore, sufficient rolling resistance and fatigue strength can be obtained after heat treatment even when a relatively low-workability steel material is used as a raw material as described above, so that thread rolling is also performed with high accuracy and high quality. It is possible.
ねじ溝10およびねじ山20を形成したならば、次に浸窒焼入による熱処理を行う(浸窒焼入工程S4)。図3は、浸窒焼入のタイムチャートの一例を示した図である。浸窒焼入では、密閉された熱処理炉内に素材を収容し、炉内に窒素(N2)ガスを所定流量で導入しながら炉内を加熱して所定の浸窒温度Tまで炉内を昇温する。
After the
炉内が浸窒温度Tとなったならば、浸窒温度Tを維持するように炉内温度を制御する。そして、浸窒温度Tを維持した状態で所定の均熱時間t1の経過後、炉内へのアンモニア(NH3)ガスの導入を開始する。アンモニアガスは、窒素ガスと共に、所定流量で炉内に導入され、これにより炉内雰囲気がアンモニアガスを含んだ窒素ガス雰囲気となることで、素材への窒素の侵入・拡散、すなわち浸窒が行われることとなる。アンモニアガスの導入開始後、所定の浸窒時間t2が経過したならば、素材を炉内から取り出して油槽内に浸漬し、急冷する。これにより硬化層30が形成され、浸窒焼入が完了する。
When the inside of the furnace reaches the nitriding temperature T, the furnace temperature is controlled so as to maintain the nitriding temperature T. Then, introduction of ammonia (NH 3) gas into the furnace is started after a predetermined soaking time t 1 while maintaining the nitriding temperature T. Ammonia gas is introduced into the furnace together with the nitrogen gas at a predetermined flow rate, so that the atmosphere in the furnace becomes a nitrogen gas atmosphere containing ammonia gas. Will be. After the beginning of the introduction of ammonia gas, if窒時between t 2 predetermined immersion has elapsed, then immersed in an oil bath removed material from the furnace, quenched. Thereby, the
鋼中に窒素が拡散した浸窒層は、Fe−N系の状態図に略従うようになり、A1変態点は約590℃程度まで下がることとなる。従って、浸窒温度Tを590℃以上に設定することで、素材を浸窒後そのまま急冷して焼入することが可能となる。すなわち、浸窒層では、窒素の侵入・拡散に伴って窒素オーステナイトが生成されることとなるため、これを急冷して窒素マルテンサイトを生成することにより、必要な硬度の硬化層30を形成することができる。
The nitrous layer in which nitrogen diffuses in the steel substantially follows the Fe—N phase diagram, and the A1 transformation point is lowered to about 590 ° C. Therefore, by setting the nitriding temperature T to 590 ° C. or higher, it is possible to quench and quench the raw material as it is after nitriding. That is, in the nitrous layer, nitrogen austenite is generated as nitrogen enters and diffuses, so that the
なお、素材への窒素の侵入・拡散は、浸窒温度Tが高いほど促進されることとなるが、浸窒温度Tが850℃を超えると炉内においてアンモニアガスが過剰に分解され、素材表面に到達するアンモニアガスの量が減少して浸窒速度が低下することとなる。また、熱処理ひずみは浸窒温度Tが高いほど大きくなる。従って、浸窒速度と精度のバランスの点から、浸窒温度Tは、590℃以上850℃以下の範囲内の温度に設定することが好ましく、700℃以上800℃以下の範囲内の温度に設定することがより好ましい。 Nitrogen penetration / diffusion into the material is promoted as the nitriding temperature T increases. However, when the nitriding temperature T exceeds 850 ° C., ammonia gas is excessively decomposed in the furnace, and the surface of the material As a result, the amount of ammonia gas reaching the temperature decreases, and the nitriding rate decreases. Further, the heat treatment strain increases as the nitriding temperature T increases. Therefore, from the point of balance between nitriding speed and accuracy, the nitriding temperature T is preferably set to a temperature in the range of 590 ° C. to 850 ° C., and set to a temperature in the range of 700 ° C. to 800 ° C. More preferably.
また、均熱時間t1は、炉の容積や素材の寸法等に応じて適宜に設定すればよく、浸窒時間t2は、必要な硬化層30の厚みや硬度等に応じて適宜に設定すればよい。また、炉内に導入する窒素ガスの流量およびアンモニアガスの流量は、炉の容積や素材の寸法、浸窒温度T等に応じて適宜に設定すればよい。また、窒素ガスに代えて例えばアルゴンガス等の不活性ガスを使用するようにしてもよい。
The soaking time t 1 may be appropriately set according to the volume of the furnace, the dimensions of the material, etc., and the nitriding time t 2 is appropriately set according to the required thickness, hardness, etc. of the
図2に戻って、浸窒焼入の次は、必要に応じて焼戻しを行う(焼戻し工程S5)。上述のように、本実施形態では合金鋼を使用することなく十分な硬度の硬化層30を得ることができるため、焼戻し軟化抵抗性が高く、焼戻しを効果的に行うことが可能となっている。焼戻しの後は、素材を洗浄して(洗浄工程S6)、黒染等の表面処理を行う(表面処理工程S7)。浸窒焼入では、素材表面の酸化やスケールの付着が生じにくいため、ポリッシング等の表面仕上げを省略することが可能となっている。最後に所定の完成検査を行い(完成検査工程S8)、これに合格することでねじ軸1が完成する。
Returning to FIG. 2, tempering is performed as necessary after the nitriding quenching (tempering step S <b> 5). As described above, in the present embodiment, the
以上説明したように、本実施形態に係るねじ軸1は、外周面に螺旋状のねじ溝10を備えるねじ軸であって、表面近傍に窒素マルテンサイトを含む硬化層30を有している。このような構成とすることで、精度の向上とコストの低減を高いレベルで両立させることができる。すなわち、Fe−N系の状態図に従って従来の高周波焼入や浸炭焼入よりも低い温度からの急冷で硬化層30を形成することが可能であり、熱処理ひずみを小さくすることができるため、熱処理後の曲り矯正やねじ溝の研削を省略してコストを低減しながらも、高精度なねじ軸1を得ることができる。
As described above, the screw shaft 1 according to the present embodiment is a screw shaft including the
また、焼入性を高めるための合金成分を必要としないことから、比較的低級、低価格な鋼材を使用可能であるだけでなく、さらに焼戻し軟化抵抗性の向上によって焼戻しを効果的に行うことが可能であるため、従来以上に低いコストでより高精度なねじ軸1を製造することができる。また、表面に存在する窒化物によって耐食性を高めることが可能となるため、防錆処理を簡略化することができる。 In addition, because it does not require alloy components to enhance hardenability, it is possible not only to use relatively low-priced and low-priced steel, but also to effectively temper by improving temper softening resistance. Therefore, the screw shaft 1 with higher accuracy can be manufactured at a lower cost than before. Moreover, since it becomes possible to improve corrosion resistance with the nitride which exists in the surface, a rust prevention process can be simplified.
また、硬化層30は、素材にねじ溝10を形成した後に浸窒焼入を行うことによって形成される。このようにすることで、高周波焼入や浸炭焼入よりも低い温度からの急冷で焼入することが可能となるため、熱処理ひずみを小さくすることができる。また、素材表面の酸化やスケールの付着が生じにくいため、良好な仕上肌を得ることができると共に、熱処理後の表面仕上を省略することができる。また、ガス軟窒化と比較しても、より短時間且つ少ないガス使用量で効率的に熱処理を行うことができる。また、素材表面の酸化やスケールの付着等が生じにくいため、従来の熱処理と比較して良好な仕上肌が得られると共に、熱処理後の表面仕上を省略することができる。
Further, the
また、浸窒焼入は、ねじ溝10が形成された素材をアンモニアガスを含む雰囲気中において590℃以上850℃以下の範囲内の所定温度で所定時間保持した後に急冷することによって行われる。このようにすることで、短時間で効率的に所望の硬度の硬化層30を得ることができる。
Nitrogen quenching is performed by holding the material in which the
また、素材は、機械構造用炭素鋼鋼材または一般構造用圧延鋼材である。このようにすることで、材料費を低減すると共に、転造を高精度且つ容易に行うことができるため、ねじ軸1を低コストで製造することができる。また、焼戻し軟化抵抗性を向上させて、ねじ軸1の品質を高めることができる。 The material is a carbon steel material for mechanical structure or a rolled steel material for general structure. By doing in this way, while reducing material cost and rolling can be performed with high precision and easily, the screw shaft 1 can be manufactured at low cost. Moreover, the quality of the screw shaft 1 can be improved by improving the temper softening resistance.
また、ねじ溝10は転造によって形成される。このようにすることで、製造工程を簡略化し、ねじ軸1を低コストで製造することができる。
The
また、硬化層30は、表面から深さ0.1mmまでの範囲内における硬度がHv500以上となっている。このようにすることで、ねじ伝導装置用のねじ軸として要求される耐摩耗性および疲労強度を得ることができる。
Further, the
また、本実施形態に係るねじ軸1の製造方法は、素材にねじ溝10を形成する第1の工程(ねじ転造工程S3)と、ねじ溝10が形成された素材に浸窒焼入を行う第2の工程(浸窒焼入工程S4)と、を有している。このような構成とすることで、Fe−N系の状態図に従って従来の高周波焼入や浸炭焼入よりも低い温度からの急冷で窒素マルテンサイトを含む硬化層30を形成することが可能であり、熱処理ひずみを小さくすることができるため、熱処理後の曲り矯正やねじ溝の研削を省略してコストを低減しながらも、高精度なねじ軸1を得ることができる。
Moreover, the manufacturing method of the screw shaft 1 according to the present embodiment includes a first step (screw rolling step S3) for forming the
また、第2の工程(浸窒焼入工程S4)では、ねじ溝10が形成された素材をアンモニアガスを含む雰囲気中において590℃以上850℃以下の範囲内の所定温度で所定時間保持した後に急冷する。このようにすることで、短時間で効率的に所望の硬度の硬化層30を得ることができる。
In the second step (nitrogen quenching step S4), after the material in which the
また、第1の工程(ねじ転造工程S3)では、転造によってねじ溝10を形成する。このようにすることで、製造工程を簡略化し、ねじ軸1を低コストで製造することができる。
In the first step (screw rolling step S3), the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明のねじ軸およびその製造方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、ねじ軸1がボールねじ用の場合の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ねじ軸1はすべりねじ用のものであってもよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, the screw shaft of this invention and its manufacturing method are not limited to above-described embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, various changes are carried out. Of course, it can be added. For example, in the said embodiment, although the example in case the screw shaft 1 was for ball screws was shown, this invention is not limited to this, The screw shaft 1 may be for slide screws.
また、上記実施形態では、ねじ溝10およびねじ山20を転造により形成する場合の例を示したが、ねじ溝10およびねじ山20は、切削および研削等の機械加工によって形成されるものであってもよい。この場合、従来の位置決め用ボールねじの製造と同様に、浸窒焼入の前に切削によって形成したねじ溝10およびねじ山20を浸窒焼入の後に研削することによって所望の精度に仕上げるようにしてもよいし、浸窒焼入の前に切削または切削および研削によって一度にねじ溝10およびねじ山20を形成するようにしてもよい。また、浸窒焼入の前に転造によって形成したねじ溝10およびねじ山20を浸窒焼入の後に研削して仕上げるようにしてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the example in the case of forming the
また、上記実施形態において示した作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したものに過ぎず、本発明による作用および効果は、これらに限定されるものではない。 In addition, the functions and effects shown in the above embodiment are merely a list of the most preferable functions and effects resulting from the present invention, and the functions and effects of the present invention are not limited to these.
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below. Note that the present invention is not limited to these examples.
<実施例1>
本実施例では、2つのテストピースについて、図3に示したタイムチャートに沿って浸窒焼入を行い、浸窒焼入前後の半径方向の振れの変化および浸窒焼入後の軸方向の伸びを測定した。また、これらの測定後にテストピースを切断し、表面近傍の硬さを測定した。2つのテストピースは、いずれもS45Cの素材に転造によってねじ溝を形成した外径16mmのすべりねじ用のねじ軸を熱処理前に長さ300mmで切り出したものであり、リード6mmのねじ溝が形成されたものをテストピースTP1とし、リード7mmのねじ溝が形成されたものをテストピースTP2とした。
<Example 1>
In this example, nitriding and quenching were performed on the two test pieces according to the time chart shown in FIG. 3, and the change in radial run-out before and after nitriding and quenching and the axial direction after nitriding and quenching were performed. Elongation was measured. Moreover, the test piece was cut | disconnected after these measurements, and the hardness of the surface vicinity was measured. Each of the two test pieces was obtained by cutting a screw shaft for a slide screw having an outer diameter of 16 mm formed by rolling a material of S45C into a length of 300 mm before heat treatment. The test piece TP1 was formed, and the test piece TP2 was formed with a thread groove of 7 mm lead.
浸窒焼入は、浸窒温度Tを750℃に設定し、均熱時間t1を30分、浸窒時間t2を60分に設定して行った。また、炉内に導入するガスの供給量は、炉内雰囲気のアンモニア濃度が0.5vol%となることを狙って、窒素ガスの供給流量を1.0Nm3/Hrに設定し、アンモニアガスの供給流量を0.8Nm3/Hrに設定した。また、油槽の温度は65℃に設定した。半径方向の振れの測定は、図4(a)に示すように、テストピースTP1およびTP2を2つのVブロックで支持した状態で回転させ、中央部における振れの量を測定した。硬さの測定は、マイクロビッカース硬度計を使用して行い、表面から深さ0.5mmまでの硬さを測定した。 Nitrogen quenching was performed by setting the nitriding temperature T to 750 ° C., the soaking time t 1 to 30 minutes, and the nitriding time t 2 to 60 minutes. Further, the supply amount of gas introduced into the furnace was set to a nitrogen gas supply flow rate of 1.0 Nm 3 / Hr with the aim that the ammonia concentration in the furnace atmosphere would be 0.5 vol%. The supply flow rate was set to 0.8 Nm 3 / Hr. The temperature of the oil tank was set to 65 ° C. As shown in FIG. 4A, the radial deflection was measured by rotating the test pieces TP1 and TP2 supported by two V blocks and measuring the amount of deflection at the center. The hardness was measured using a micro Vickers hardness meter, and the hardness from the surface to a depth of 0.5 mm was measured.
図4(b)は、半径方向の振れの変化の測定結果および軸方向の伸びの測定結果を示した表である。浸窒焼入前の0.01mmの振れに対し、浸窒焼入後の振れはテストピースTP1では0.09mm、テストピースTP2では0.07mmとなった。また、浸窒焼入後の軸方向の伸びは、テストピースTP1では0.012mm、テストピースTP2では0.020mmとなった。 FIG. 4B is a table showing the measurement result of the change in radial deflection and the measurement result of the elongation in the axial direction. The runout after the nitriding and quenching was 0.09 mm for the test piece TP1 and 0.07 mm for the test piece TP2 as opposed to 0.01 mm before the nitriding and quenching. Further, the elongation in the axial direction after the nitriding and quenching was 0.012 mm for the test piece TP1 and 0.020 mm for the test piece TP2.
浸窒焼入後の半径方向の振れの上昇は、テストピースTP1およびTP2のいずれも0.1mm未満の小さな値となり、ねじ転造後の熱処理に浸窒焼入を適用することで、熱処理後の曲り矯正を省略可能であることが確認された。また、JIS B1192における位置決め用ボールねじの精度等級C5では、ねじ部有効長さ315mm以下の場合の累積代表リード誤差(代表移動量誤差)の許容値が0.023mmであるところ、浸窒焼入後の軸方向の伸びはテストピースTP1およびTP2のいずれもこれを下回っており、ねじ溝を転造により形成する場合においてもその後の熱処理に浸窒焼入を適用することで、リード精度を飛躍的に向上可能であることが確認された。 The increase in radial runout after nitriding and quenching is a small value of less than 0.1 mm for both test pieces TP1 and TP2, and by applying nitriding and quenching to heat treatment after thread rolling, It was confirmed that the straightening of the bend can be omitted. In addition, in the accuracy grade C5 of the positioning ball screw in JIS B1192, when the allowable value of the accumulated representative lead error (representative movement amount error) when the effective length of the screw portion is 315 mm or less is 0.023 mm, the nitriding quenching The subsequent elongation in the axial direction is lower than both of the test pieces TP1 and TP2, and even when the thread groove is formed by rolling, nitriding quenching is applied to the subsequent heat treatment to dramatically improve the lead accuracy. It was confirmed that the improvement was possible.
図4(c)は、テストピースTP1の硬さの測定結果を示したグラフであり、図4(d)は、テストピースTP2の硬さの測定結果を示したグラフである。テストピースTP1では、表面からの距離(深さ)0.1mmにおける硬度がHV600以上、表面からの距離0.3mmにおける硬度がHV400以上となった。また、テストピースTP2では、表面からの距離0.1mmにおける硬度がHV800以上、表面からの距離0.3mmにおける硬度がHV500以上となった。なお、深部硬度(母材の硬度)は、テストピースTP1がHV350、テストピースTP2がHV299であった。この結果、ねじ転造後の熱処理に浸窒焼入を適用した場合においても、ねじ軸に要求される硬度の硬化層を形成可能であることが確認された。 FIG. 4 (c) is a graph showing the measurement result of the hardness of the test piece TP1, and FIG. 4 (d) is a graph showing the measurement result of the hardness of the test piece TP2. In the test piece TP1, the hardness at a distance (depth) 0.1 mm from the surface was HV600 or more, and the hardness at a distance 0.3 mm from the surface was HV400 or more. Further, in the test piece TP2, the hardness at a distance of 0.1 mm from the surface was HV800 or more, and the hardness at a distance of 0.3 mm from the surface was HV500 or more. The deep part hardness (hardness of the base material) was HV350 for the test piece TP1 and HV299 for the test piece TP2. As a result, it was confirmed that a hardened layer having a hardness required for the screw shaft can be formed even when nitrogen quenching is applied to the heat treatment after the thread rolling.
<実施例2>
本実施例では、3つテストピースについて、図3に示したタイムチャートに沿って浸窒焼入を行い、浸窒焼入後の表面近傍の硬さをマイクロビッカース硬度計により測定した。また、浸窒焼入後の表面近傍の金属組織を光学顕微鏡により観察した。3つのテストピースは、いずれもS45Cの素材に転造によってねじ溝を形成したボールねじ用のねじ軸の熱処理前のものであり、ねじ溝が深いものをテストピースTP3とし、ねじ山が大きいものをテストピースTP4とし、ねじ山が小さいものをテストピースTP5とした。
<Example 2>
In this example, the three test pieces were subjected to nitriding and quenching according to the time chart shown in FIG. 3, and the hardness in the vicinity of the surface after the nitriding and quenching was measured with a micro Vickers hardness meter. In addition, the metal structure near the surface after nitriding and quenching was observed with an optical microscope. All three test pieces are pre-heat-treated ball screw screw shafts with thread grooves formed on a S45C material by rolling. The test piece TP3 has a deep thread groove and has a large thread. Was a test piece TP4, and a test piece TP5 was one having a small thread.
浸窒焼入は、浸窒温度Tを750℃、均熱時間t1を30分に設定し、浸窒時間t2をテストピースTP3については180分、テストピースTP4およびTP5については60分に設定して行った。また、炉内に導入するガスの供給量は、炉内雰囲気のアンモニア濃度が0.6〜1.0vol%となることを狙って、窒素ガスの供給流量を1.0Nm3/Hr、アンモニアガスの供給流量を1.5Nm3/Hrに設定した。また、油槽の温度は65℃に設定した。硬さの測定は、テストピースTP3については表面から深さ0.6mmまでの硬さを測定し、テストピースTP4およびTP5については表面から深さ0.4mmまでの硬さを測定した。 Nitrogen quenching involves setting the nitriding temperature T to 750 ° C., the soaking time t 1 to 30 minutes, and the nitriding time t 2 to 180 minutes for the test piece TP3 and 60 minutes for the test pieces TP4 and TP5. Set and went. Moreover, the supply amount of the gas introduced into the furnace is set such that the supply flow rate of nitrogen gas is 1.0 Nm 3 / Hr, and the ammonia gas is set so that the ammonia concentration in the furnace atmosphere becomes 0.6 to 1.0 vol%. Was set to 1.5 Nm 3 / Hr. The temperature of the oil tank was set to 65 ° C. The hardness was measured from the surface to a depth of 0.6 mm for the test piece TP3, and the hardness from the surface to a depth of 0.4 mm was measured for the test pieces TP4 and TP5.
図5(a)は、テストピースTP3の硬さの測定結果を示したグラフである。テストピースTP3では、表面からの距離(深さ)0.1mmにおける硬度がHV700以上、表面からの距離0.3mmにおける硬度がHV400以上となり、ねじ溝が深い場合においてもねじ軸に要求される硬度の硬化層を形成可能であることが確認された。なお、テストピースTP3の深部硬度(母材の硬度)は、HV301であった。 FIG. 5A is a graph showing the measurement results of the hardness of the test piece TP3. In the test piece TP3, the hardness at a distance (depth) of 0.1 mm from the surface is HV700 or more, the hardness at a distance of 0.3 mm from the surface is HV400 or more, and the hardness required for the screw shaft even when the thread groove is deep. It was confirmed that a cured layer of can be formed. The deep hardness (base material hardness) of the test piece TP3 was HV301.
図5(b)は、テストピースTP4の硬さの測定結果を示したグラフであり、図5(c)は、テストピースTP5の硬さの測定結果を示したグラフである。浸窒時間t2を60分に短縮したにも関わらず、表面からの距離0.1mmにおける硬度がテストピースTP4ではHV600に近い値、テストピースTP5ではHV600を超える値となった。この結果、元来浸窒焼入は従来の熱処理と比較して処理時間が短いものとなっていたが、要求されるねじ軸の仕様によってはさらに処理時間を短縮可能であることが確認された。なお、テストピースTP4の深部硬度はHV264、テストピースTP5の深部硬度はHV265であった。 FIG. 5B is a graph showing the measurement result of the hardness of the test piece TP4, and FIG. 5C is a graph showing the measurement result of the hardness of the test piece TP5. Despite a shortened immersion窒時between t 2 to 60 minutes, close to HV600 in hardness test piece TP4 at a distance 0.1mm from the surface was a value exceeding HV600 the test piece TP5. As a result, nitriding and quenching originally had a shorter processing time than conventional heat treatment, but it was confirmed that the processing time could be further reduced depending on the required screw shaft specifications. . The depth hardness of the test piece TP4 was HV264, and the depth hardness of the test piece TP5 was HV265.
また、図示は省略するが光学顕微鏡による観察では、テストピースTP3、TP4およびTP5のいずれにおいても、表面近傍に良好な窒素マルテンサイト組織が形成されていることが確認された。 Although not shown, observation with an optical microscope confirmed that a good nitrogen martensite structure was formed in the vicinity of the surface in any of the test pieces TP3, TP4, and TP5.
以上の結果より、上記実施形態のねじ軸およびその製造方法によれば、精度の向上とコストの低減を高いレベルで両立させることが可能であることが確認された。 From the above results, it was confirmed that according to the screw shaft of the above embodiment and the manufacturing method thereof, it is possible to achieve both improvement in accuracy and reduction in cost at a high level.
本発明に係るねじ軸およびその製造方法は、ねじ伝導装置の分野だけでなく、各種ねじの分野において利用することができる。 The screw shaft and the manufacturing method thereof according to the present invention can be used not only in the field of screw transmission devices but also in the field of various screws.
1 ねじ軸
10 ねじ溝
30 硬化層
S3 ねじ転造工程
S4 浸窒焼入工程
1
Claims (9)
表面近傍に窒素マルテンサイトを含む硬化層を有することを特徴とする、
ねじ軸。 A screw shaft provided with a helical thread groove on the outer peripheral surface,
It has a hardened layer containing nitrogen martensite in the vicinity of the surface,
Screw shaft.
請求項1に記載のねじ軸。 The hardened layer is formed by performing nitriding quenching after forming the thread groove in a material,
The screw shaft according to claim 1.
請求項2に記載のねじ軸。 The nitriding quenching is performed by rapidly cooling the raw material in which the thread groove is formed at a predetermined temperature within a range of 590 ° C. or higher and 850 ° C. or lower in an atmosphere containing ammonia gas and then rapidly cooling the raw material. Features
The screw shaft according to claim 2.
請求項2または3に記載のねじ軸。 The material is a carbon steel material for mechanical structure or a rolled steel material for general structure,
The screw shaft according to claim 2 or 3.
請求項1乃至4のいずれかに記載のねじ軸。 The thread groove is formed by rolling,
The screw shaft according to any one of claims 1 to 4.
請求項1乃至5のいずれかに記載のねじ軸。 The hardened layer has a hardness in a range from the surface to a depth of 0.1 mm of Hv500 or more,
The screw shaft according to any one of claims 1 to 5.
前記ねじ溝が形成された前記素材に浸窒焼入を行う第2の工程と、を有することを特徴とする、
ねじ軸の製造方法。 A first step of forming thread grooves in the material;
A second step of performing nitriding quenching on the material in which the thread groove is formed,
Manufacturing method of screw shaft.
請求項7に記載のねじ軸の製造方法。 In the second step, the material in which the thread groove is formed is rapidly cooled after being held for a predetermined time at a predetermined temperature within a range of 590 ° C. or higher and 850 ° C. or lower in an atmosphere containing ammonia gas,
The manufacturing method of the screw shaft of Claim 7.
請求項7または8に記載のねじ軸の製造方法。 In the first step, the thread groove is formed by rolling,
The manufacturing method of the screw shaft of Claim 7 or 8.
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