JP2018167326A - 肉盛装置、ねじ軸の製造方法、ねじ軸、及びねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの変質を抑制しながら、複雑な形状の金属部品を製造できる肉盛装置を提供する。材料の歩留まりが良く、加工時間の短縮が可能で、安価なボールねじのねじ軸及びその製造方法を提供する。【解決手段】肉盛装置は、ワークの被加工部分及び固着材を加熱する加熱源を有し、溶融された固着材をワークに付着させる加熱ヘッドを備え、ワークの被加工部分に隣接する温度上昇抑制部分に冷却流体を接触させるようにした。ボールねじのねじ軸１０の製造方法は、ボールねじ部１２の外径寸法より大きい外径寸法部が、所定の外径寸法を有する素材Ｂａにレーザクラッディングにより肉盛りすることで形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、肉盛装置、ねじ軸の製造方法、ねじ軸、及びねじ装置に関する。

一般に、空気中で溶接作業を行う場合は、溶接部が周囲の空気により自然冷却されるため、溶接作業中にワークの特定部分が能動的に冷却されることは少ない。ところが、溶接対象によっては溶接による温度上昇がワークの材質に悪影響を与える場合もある。その場合には、溶接作業中に何らかの気体や液体を冷却剤としてワークの特定部分に噴射する冷却方法が採られることがある。例えば、特許文献１の摩擦攪拌接合装置では、ワークの温度上昇を避けたい部分に冷却剤を噴射する。また、特許文献２の中空カムシャフトの製造装置では、ワークの形状を利用した冷却方法が採用され、中空ワークの中空内部に冷却用液体を供給する。更に、特許文献３のエンジンバルブの製造方法は、レーザクラッディングで軸部材の一部に大径部分を形成しながら、軸部材を載置するワーク受台に水路を設けて冷却する。

ここで、上記ワークの一例としてボールねじを考える。ボールねじは、各種工作機械の送り運動、動力伝達或いは位置決めなどの用途に広く用いられている。図３に示すように、ボールねじのボールねじ軸１９は、両端部が基台２９に載置された支持ブラケット３１，３３に一対のサポート軸受３５，３７を介して支持される。ボールねじ軸１９の一端部は、カップリング３９を介してサーボモータ４１の駆動軸に同軸で連結される。ボールねじ軸１９のボールねじ部２３の周囲には、ナット４３が複数個のボールを介して軸方向に移動可能に配置される。ナット４３は、テーブル案内部４４により水平方向へ移動可能に案内されるワークテーブル４５に固定される。そして、サーボモータ４１によってボールねじ軸１９が回転することで、ナット４３と共にワークテーブル４５が水平移動し、ワークテーブル４５上のワークＷは、工具４９によって所望の加工がなされる。

図２に示すように、ボールねじ軸１９は、一般に、ボール（図示せず）が転動するボール転動溝２３ａが形成されるボールねじ部２３と、ボールねじ軸１９の端部においてサポート軸受１１３，１１４が外嵌される軸受支持部２６と、軸受支持部２６から更に軸方向に延出する延出部２８と、ボールねじ部２３と軸受支持部２６との間に設けられたフランジ部２５と、を備える。
そして、このようなボールねじ軸１９は、図４（Ａ）に示すように、従来、製品形状を削りだせる外径の素材Ｂから不要部分６９を切削加工及び研削加工する除去加工によって製造されていた。なお、図４（Ａ）のボールねじ部２３には、ボール転動溝が更に加工される。

また、軸部材の製造方法として、円錐クラッチの鉄製ベースリングの円錐面に、レーザクラッド法により、円周方向の肉盛り層を軸方向に並べて摩擦材を肉盛りしたもの（例えば、特許文献４参照）や、カム摺動面に耐摩耗材料をレーザ肉盛りしたカムシャフト（例えば、特許文献５参照）が知られている。

日本国特開２００４−１４８３５０号公報 日本国特開平１１−３３６５１２号公報 日本国特開平８−１２１１２５号公報 日本国特開２００２−３７２０７０号公報 日本国特開２０００−１９２８０５号公報

しかしながら、特許文献１〜３のワークの加工方法においては、以下の問題がある。まず、特許文献１の摩擦攪拌接合装置は、ワークを溶接しながら溶接部を冷却するが、溶接部と冷却部とを隔てる冷却ジャケットがない。このため、冷却剤が溶接部分に吹きかけられ、溶接作業中に溶接部位が冷却された場合、溶け込み不足や溶接欠陥が発生して溶接部分の強度が低下する可能性がある。
また、特許文献２の中空カムシャフトの製造装置は、レーザクラッディングで軸部材の一部に大径部分を形成するものであるが、ワークは中空部材であり、この中空内部に冷却用液体が供給される。このため、ワークが中実部材である場合はこの方法を利用できない。
特許文献３のエンジンバルブの製造方法は、レーザクラッディングで軸部材の一部に大径部分を形成するが、間接的な冷却を行うために、温度上昇抑制部分を十分に冷却できない。
このように、冷却剤が溶接部分に進入したり、温度上昇抑制部分の冷却が不十分であったりすると、熱によりワークが変質しやすくなり、複雑な形状の金属部品や、機械的性質を確保したい金属製品の製造が困難となる。

また、ボールねじに関しては、近年、大推力に耐えるボールねじが開発され、プレス機などが油圧駆動からボールねじとサーボモータとを組み合わせた電動に置き換えられつつある。ボールねじの負荷容量を増やすにはナットを長くしてボール数を増やすことで対応できるが、ボールねじを支持するサポート軸受はサイズを大きくすることで大きな推力に対応しなければならない。このため、図３に示すように、ボールねじ部２３の外径寸法がサポート軸受３５，３７の内径寸法より小さい場合が生じる。このような場合、軸受支持部２６が十分に加工可能な大きさの材料から、切削加工と研削加工によって除去加工を行っている。
また、サポート軸受が大きな推力を受けるため、ボールねじには大きなフランジが必要となる場合がある。図４（Ａ）では、軸受支持部２６よりも外径寸法が大きなフランジ部２５を加工可能な素材Ｂからの除去加工が行われている。

ところで、ねじ軸１９がボールねじ部２３の外径寸法より大きな外径寸法の軸受支持部２６を有する場合、軸受支持部２６を十分削りだせる素材Ｂから所定の形状に除去加工するため、材料の歩留まりが悪く、多くの加工時間が必要であった。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、ワークの変質を抑制しながら、複雑な形状の金属部品を製造できる肉盛装置を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、材料の歩留まりが良く、加工時間の短縮が可能で、安価なねじ軸及びその製造方法、並びにねじ装置を提供することにある。

本発明は下記構成からなる。
（１） ワークの被加工部分及び固着材を加熱する加熱源を有し、該加熱源により溶融された固着材を前記ワークの前記被加工部分に付着させて肉盛りする加熱ヘッドを備え、
前記ワークの前記被加工部分に隣接する温度上昇抑制部分に冷却流体を接触させるようにした肉盛装置。
この肉盛装置によれば、加熱ヘッドにより溶融された固着材が、加熱された被加工部分に付着することで、ワークが肉盛りされる。また、ワークの温度上昇抑制部分は、冷却流体によって冷却され、熱変質を生じる所定温度以上への昇温が抑制される。

（２） 前記ワークに向けて冷却流体を噴射する冷却ジャケットと、
前記ワークの前記被加工部分と前記温度上昇抑制部分との境界に、前記温度上昇抑制部分から前記被加工部分への前記冷却流体の進入を遮る遮蔽部材と、
を備えた（１）に記載の肉盛装置。
この肉盛装置によれば、被加工部分に隣接するワークの温度上昇抑制部分には、冷却流体が噴射供給されて冷却され、熱変質を生じる所定温度以上への昇温が抑制される。冷却流体は、被加工部分と温度上昇抑制部分との境界に設けられる遮蔽板により、被加工部分への進入が阻止される。つまり、遮蔽板は、加熱ヘッドによる被加工部分の加熱の入熱ロスを低減し、温度上昇抑制部分の被加工部分からの熱伝達による昇温を抑制できる。

（３） 前記ワークの前記温度上昇抑制部分を、前記冷却流体に浸されるようにした（１）に記載の肉盛装置。
この肉盛装置によれば、温度上昇抑制部分が冷却流体に浸されることで、熱変質を生じる所定温度以上への昇温が簡単に抑制される。

（４） 前記ワークと前記加熱ヘッドとを相対移動させる相対移動機構を備えた（２）に記載の肉盛装置。
この肉盛装置によれば、

（５） 前記相対移動機構は、前記ワークを回転させるワーク回転駆動機構を備える（４）に記載の肉盛装置。
この肉盛装置によれば、ワークを回転させながら肉盛りすることで、周方向に均一な肉盛りが行える。

（６） 前記相対移動機構は、前記ワークと前記加熱ヘッドを直線運動により相対移動させる（４）に記載の肉盛装置。
この肉盛装置によれば、ワークと加熱ヘッドとを相対的に直線運動させながら肉盛りすることで、ワークの任意位置の肉盛りを簡単に行える。

（７） 前記加熱源は、レーザ照射部である（１）〜（６）のいずれか一つに記載の肉盛装置。
この肉盛装置によれば、レーザ照射部を備えることで、レーザクラッディング加工が可能となる。レーザクラッディング加工は、他の溶接加工に比べ、ワークへの入熱が少ない。そして、ワークには、熱影響によるワークの伸縮が及ぼす精度低下や、硬度低下による寿命の低下等から、入熱が許されない部分を有するものがあるが、この肉盛装置によれば、任意の場所の温度上昇を防ぐことが容易になる。これにより、肉厚不足の部分の肉盛りと、ワークの機能確保との両立が可能になる。

（８） 前記遮蔽部材は、前記ワークに対して相対移動が可能であり、前記ワークが抜き差し自在な開放部を有する（２）に記載の肉盛装置。
この肉盛装置によれば、ワークの被加工部分を容易に変更でき、かつ、遮蔽部材の取り付け取り外しが容易に行える。

（９） 前記遮蔽部材は、前記ワークの外周に取り付けられ、前記ワークの半径方向外側に突出する環状鍔である（２）に記載の肉盛装置。
この肉盛装置によれば、噴射された冷却流体は、環状鍔である遮蔽部材によって被加工部分への進入が確実に阻止される。

（１０） 前記遮蔽部材は、前記ワークの前記被加工部分を包囲する壁であり、
前記相対移動機構は、前記加熱ヘッドと前記被加工部分とを前記ワークに沿って相対移動させるワーク移動機構を備える（４）に記載の肉盛装置。
この肉盛装置によれば、ワークの被加工部分を遮蔽部材により包囲することで、被加工部分以外の温度上昇を防ぐことができ、肉厚不足部分の肉盛りの形成と、ワークの機能確保との両立が可能になる。

（１１） 前記遮蔽部材は、板状の前記ワークの前記被加工部分を包囲する環状壁であり、
前記相対移動機構は、前記加熱ヘッドと前記被加工部分とを前記ワークの板面に沿って相対移動させるワーク移動機構を備える（４）に記載の肉盛装置。
この肉盛装置によれば、板状のワークの被加工部分を、環状壁からなる遮蔽部材により包囲できる。これにより、被加工部分以外の温度上昇を防ぐことができ、同一平面に配置される肉厚不足部分の肉盛りの形成と、熱影響を抑制することによるワークの機能確保との両立が可能になる。

（１２） ボールねじ部の外径寸法より大きい拡径部を有するねじ軸の製造方法であって、
前記拡径部は肉盛りすることで形成される、ねじ軸の製造方法。
このねじ軸の製造方法によれば、材料費の削減や加工時間の短縮により、切削加工や研削加工で行う場合と比較して、安価な製造が可能となる。

（１３） 前記拡径部は、レーザクラッディングにより形成される、（１２）に記載のねじ軸の製造方法。
このねじ軸の製造方法によれば、ワークへの入熱を他の溶接加工に比べて低減でき、熱影響による精度や硬度の低下を抑制できる。

（１４） 前記レーザクラッディングによる肉盛りは、少なくとも肉盛り部近傍のねじ部、又はねじ部になる部位を冷却した状態で行われる、（１３）に記載のねじ軸の製造方法。
このねじ軸の製造方法によれば、レーザクラッディングによる熱影響が低減され、ねじ部の精度や硬度を確保できる。

（１５） 前記拡径部は、少なくともフランジ部又は軸受支持部を含む、（１２）〜（１４）のいずれか一つに記載のねじ軸の製造方法。
このねじ軸の製造方法によれば、フランジ部、軸受支持部を肉盛りにより拡径できる。

（１６） ねじ部を有するねじ軸の製造方法であって、
前記ねじ部は、鉄系材料の周囲に、ニッケル系合金をレーザクラッディングによって肉盛りすることで形成される、ねじ軸の製造方法。
このねじ軸の製造方法によれば、ねじ部の耐食性を向上できる。

（１７） （１２）〜（１６）のいずれか一つに記載のねじ軸の製造方法を用いる機械の製造方法。
この機械の製造方法によれば、低コストかつ高品位に機械を製造できる。

（１８） （１２）〜（１６）のいずれか一つに記載のねじ軸の製造方法を用いる車両の製造方法。
この車両の製造方法によれば、低コストかつ高品位に車両を製造できる。

（１９） ねじ部の外径寸法より大きい拡径部を有するねじ軸であって、
前記拡径部の表面は、前記ねじ部の材料と異なる材料によって構成される、
ねじ軸。
このねじ軸によれば、例えば比強度の高い高価な材料であっても、必要な部分のみに形成した構成にすることができる。

（２０） ねじ部の外径寸法より大きい拡径部を有するねじ軸であって、
肉盛りされた前記拡径部の少なくとも表面は、前記ねじ部の材料と異なる材料によって構成される、
ねじ軸。
このねじ軸によれば、拡径部の少なくとも表面を、ねじ部の材料と異ならせているため、高硬度、耐食性、耐摩耗性などを効率よく向上させることができる。

（２１） 前記拡径部は、少なくともフランジ部又は軸受支持部を含む、（１９）又は（２０）に記載のねじ軸。
このねじ軸によれば、フランジ部又は軸受支持部を高硬度で、耐食性、耐摩耗性に優れた構成にできる。

（２２） （１９）〜（２０）のいずれか一つに記載のねじ軸を備えるねじ装置。
このねじ装置によれば、材料の歩留まりが良く、加工時間の短縮が可能で、安価なねじ軸を用いるため、低コストかつ高品位な構成にできる。

（２３） （１９）〜（２１）のいずれか一つに記載のねじ軸を備える機械。
この機械によれば、低コストかつ高品位な構成にできる。

（２４） （１９）〜（２１）のいずれか一つに記載のねじ軸を備える車両。
この車両によれば、低コストかつ高品位な構成にできる。

本発明の肉盛装置によれば、肉盛りに伴う温度上昇の影響を被加工部分のみに留めて、熱によるワークの変質を抑制できる。その結果、ワークの強度や他の機械的性質を保ちつつ、複雑な形状の金属部品の製造が可能になる。

本発明のねじ軸の製造方法によれば、ねじ軸はねじ部の外径寸法より大きい拡径部を有し、ねじ部の外径寸法を加工するのに必要な所定の外径寸法の素材に対し、拡径部において外径寸法が不足する分を、加工可能な取代を見込んで肉盛り加工する。これにより、材料費の削減や加工時間の短縮で安価なねじ軸を提供することができる。

また、本発明のねじ軸によれば、ねじ部の外径寸法より大きい拡径部の表面を、ねじ部の材料と異なる材料によって構成するので、高硬度、耐食性、耐摩耗性などを向上させた拡径部を有するねじ軸を提供することができる。

また、本発明のねじ装置によれば、材料の歩留まりが良く、加工時間の短縮が可能で、安価なねじ軸を用いるため、低コストかつ高品位な構成にできる。

第１実施形態の肉盛装置の全体構成図である。 ワークの一例としてのボールねじ軸の模式的な斜視図である。 図２に示すボールねじ軸が搭載された送り駆動機構の一例を示す構成図である。 （Ａ）は比較例に係るボールねじ軸を不要部分と共に表した側面図、（Ｂ）は本構成の肉盛装置により得られるボールねじ軸を肉盛部分と共に表した側面図である。 変形例の遮蔽板の正面図である。 図５に示す遮蔽板を用いた肉盛装置の要部構成図である。 第２実施形態の肉盛装置の模式的な構成図である。 第３実施形態の肉盛装置の模式的な構成図である。 第４実施形態におけるボールねじ軸の肉盛り部を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は第１実施形態の肉盛装置の全体構成図である。
本実施形態の肉盛装置１００は、ワークにレーザクラッディング加工を施す装置であって、加熱ヘッド１１と、固着材供給部１３と、後述する相対移動機構と、冷却ジャケット１５と、ワーク１７の外周に取り付ける遮蔽部材である遮蔽板６７と、を有する。この肉盛装置１００によるレーザクラッディング加工は、例えば、ボールねじ軸１９等の高精度な部材にも適用できる。

図２はワーク１７の一例としてのボールねじ軸１９の模式的な斜視図、図３は図２に示すボールねじ軸が搭載された送り駆動機構の一例を示す構成図である。
ボールねじ軸１９は、軸受部２１Ａ，２１Ｂとボールねじ部２３とを有し、軸受部２１Ａとボールねじ部２３との間に、大径のフランジ部２５が半径方向外側に張り出して形成される。このボールねじ軸１９は、例えば図３に示す送り駆動装置２７に用いられる。

図１に示す肉盛装置１００は、上記のような送り駆動機構に搭載されるボールねじ軸１９に、レーザクラッディングによって肉盛りを行える装置である。

以下、肉盛装置１００の構成の詳細を説明する。
加熱ヘッド１１は、加熱源としてのレーザ照射部を有する。レーザ照射部は、レーザ光源を内臓した構成であってもよく、加熱ヘッド１１とは別体に配置されたレーザ光源からファイババンドル等で光出射部に導光する構成であってもよい。レーザ照射部は、レーザ照射によりワーク１７を加熱すると共に、加熱ヘッド１１からワーク１７に向けて噴射供給される固着材５５も、レーザ照射により加熱する。レーザ光源としては、例えばＹＡＧレーザ、半導体レーザ等のレーザ発振器が使用できる。

固着材供給部１３は、加熱ヘッド１１に固着材５５を供給し、加熱ヘッド１１から肉盛りする被加工部分５１に向けて固着材５５を噴射させる。噴射された固着材５５は、ワーク１７の表面に達する直前位にレーザ光ＬＢの照射経路に入り、レーザ照射による加熱によって溶融状態にされる。溶融した固着材５５は、ワーク１７の被加工部分５１に付着する。

固着材５５としては、ワーク１７と同一の金属又は別の金属を含む金属粉末が使用可能であるが、この他にも、箔材や線材を用いることもできる。

相対移動機構は、ワーク１７と加熱ヘッド１１とを相対移動させる。本実施形態の相対移動機構は、ワーク１７をワーク軸線周りに回転させるワーク回転駆動機構５７と、加熱ヘッド１１をワーク１７の軸線に沿って移動させる送り機構５９と、を有する。ワーク１７は、不図示のチャック等により支持され、サーボモータ等の回転駆動部によってローラー６１を介して回転駆動される。この他にも、ワーク１７と同軸に配置された回転駆動部によってワーク１７を直接回転駆動する構成であってもよく、ワーク１７と加熱ヘッド１１を直線運動により相対移動させる構成であってもよい。

冷却ジャケット１５は、ジャケット下側に配置された不図示の冷却ノズルから冷却流体６３を噴射する。噴射された冷却流体６３は、ワーク１７の被加工部分５１に隣接する温度上昇抑制部分６５に吹き当てられ、温度上昇抑制部分６５を冷却する。この冷却流体６３には、潜熱の大きい水が好適に用いられる。また、冷却流体６３としては、水の他、空気であってもよい。本構成においては、被加工部分５１の軸方向両側に冷却ジャケット１５を配置しているが、軸端部までの距離が短い場合等、条件によっては片側のみ配置する構成であってもよい。また、製品の要求機能により、温度上昇による影響を無視できる場合は冷却は不要である。

遮蔽板６７は、ワーク１７の被加工部分５１と温度上昇抑制部分６５との境界に取り付けられる。本実施形態の遮蔽板６７は、ワーク１７の外周に、ワーク１７の半径方向外側に突出して取り付けられる環状鍔である。

遮蔽板６７は、冷却ジャケット１５から噴射された冷却流体６３の飛沫が被加工部分５１に流れないように半径方向幅が設計されている。遮蔽板６７は、耐熱性、断熱性が高い材料ほど好ましく、被加工部分５１から温度上昇抑制部分６５への熱漏れを防止する。

また、遮蔽板６７は、図示しない固定治具によりワーク１７に固定してもよく、締まり嵌めにより固定してもよい。遮蔽板６７は、被加工部分５１の軸方向の両脇側に一対装着されることで、温度上昇抑制部分６５から被加工部分５１への冷却流体６３の進入を阻止する。また、遮蔽板６７は、ワーク１７の外周面の全周にわたって配置されるため、冷却流体６３が被加工部分５１に進入することを確実に阻止する。

なお、冷却ジャケット１５が被加工部分５１の軸方向片側のみ配置される場合には、被加工部分５１の冷却ジャケット１５側の片側のみに遮蔽板６７を配置すればよい。

次に、本実施形態の肉盛装置１００による肉盛手順を説明する。
肉盛装置１００による肉盛りは、遮蔽板取付工程と、肉盛工程と、冷却工程と、仕上げ工程と、を含む。

遮蔽板取付工程では、ワーク１７のフランジ部２５（図２参照）を形成するための被加工部分５１において、被加工部分５１の軸方向両脇における温度上昇抑制部分との境界に、環状鍔である遮蔽板６７を取り付ける。

肉盛工程では、ワーク１７をワーク回転駆動機構５７によって回転駆動しつつ、送り機構５９によってワーク１７と加熱ヘッド１１とを軸線方向に相対移動させながら、加熱ヘッド１１からのレーザ光ＬＢをワーク１７の被加工部分５１に照射する。これにより、ワーク１７の被加工部分５１と、加熱ヘッド１１から噴射供給されレーザ照射領域に入った固着材５５とが加熱される。溶融状態となった固着材５５は、ワーク１７の被加工部分５１に付着し、被加工部分５１へのレーザクラッディングによる肉盛りが行われる。

このレーザクラッディングによる肉盛りによって、溶融した固着材５５が被加工部分５１に付着して、最終的に、フランジ部２５に相当する段部が遮蔽板６７，６７の間に形成される。

また、肉盛装置１００は、図示しないが、加熱ヘッド１１を、被加工部分５１に付着する固着材５５の厚み増加に伴って、ワーク１７の半径方向外側に移動させる径方向駆動部を設けてもよい。その場合、径方向駆動部の駆動によって、加熱ヘッド１１と被加工部分５１の外周面との距離を一定にでき、より均質なレーザクラッディングが可能となる。

冷却工程では、肉盛工程と同時に冷却流体６３を冷却ジャケット１５からワーク１７の温度上昇抑制部分６５に向けて噴射して、温度上昇抑制部分６５を冷却する。ワーク１７の被加工部分５１と温度上昇抑制部分６５との境界に取り付けた遮蔽板６７は、被加工部分５１への冷却流体６３の進入を阻止する。これにより、被加工部分５１は、冷却による入熱の低下と、温度上昇抑制部分６５の変質が未然に防止される。

なお、冷却水は、加工完了後も被加工部分５１の温度が十分冷えるまで、冷却ジャケット１５から噴射し続けてもよい。つまり、レーザクラッディング加工後に、冷却ジャケット１５の少なくとも一部の冷却ノズルから冷却流体６３を噴射し、被加工部分５１の冷却速度を速めることも可能である。

仕上げ工程では、肉盛工程及び冷却工程を施した後のワーク１７に対し、旋削加工や研削加工を施し、ワーク１７を規定の設計形状に仕上げる。ワーク１７がボールねじ軸である場合には、形成された被加工部分５１をフランジ部２５となる形状に仕上げる。

次に、上記した肉盛装置１００の作用を説明する。
本構成の肉盛装置１００では、ワーク１７への入熱時、固着材供給部１３から加熱ヘッド１１に固着材５５が供給される。加熱ヘッド１１は、供給された固着材５５を被加工部分５１に向けて噴射する。また、加熱ヘッド１１は、被加工部分５１に向けてレーザ光ＬＢを照射する。加熱ヘッド１１から噴射された固着材５５は、照射されたレーザ光ＬＢの照射経路に入ると、レーザ光ＬＢにより加熱されて溶融状態となる。そして、溶融状態となった固着材５５は、ワーク１７の被加工部分５１に付着して固化する。このようにして、被加工部分５１に固着材５５が堆積し、肉盛り厚が増加してゆく。

また、上記の肉盛りと同時に、被加工部分５１に隣接するワーク１７の温度上昇抑制部分６５には、冷却ジャケット１５の冷却ノズルから冷却流体６３が噴射される。温度上昇抑制部分６５は、冷却流体６３が噴射されることにより冷却され、材料の変質を生じる温度以上への昇温が抑制される。この冷却の際、冷却流体６３は、被加工部分５１と温度上昇抑制部分６５との境界に設けられる遮蔽板６７によって被加工部分５１への進入が阻止される。つまり、遮蔽板６７は、被加工部分５１における温度上昇抑制部分６５の冷却の影響を及びにくくし、これにより、被加工部分５１の入熱のロスを低減できる。そして、ワーク１７に遮蔽板６７を取り付けることで、熱容量の増加によって被加工部分５１の熱が温度上昇抑制部分６５に伝達されることも少なくできる。

本構成の加熱ヘッド１１は、加熱源としてレーザ光源を備えることで、レーザクラッディング加工が可能となる。レーザクラッディング加工は、他の溶接加工に比べ、ワーク１７への入熱が少なくて済む。このため、ワークの熱変質を抑えつつ、局所的な肉盛りが容易となり、加工自由度が向上する。また、レーザ光を用いるため、被加工部分５１への局所的な入熱が可能となり、任意のパターンの被加工部分５１に対して高精度で肉盛りできる。

ワーク１７には、熱影響によるワーク１７の伸縮が及ぼす精度低下や、硬度低下による寿命の低下等から、大きな入熱が許されない部分を有したものがある。例えば、ボールねじ軸１９においては、熱影響による伸縮が及ぼすリード精度や、ボール転走面の硬度低下による寿命の低下等から、大きな入熱が許されない部分がある。このようなワーク１７に対しても、本構成の肉盛装置１００によれば、被加工部分５１から遮蔽板６７を介して冷却ジャケット１５を設けることにより、被加工部分５１以外の温度上昇を防き、肉厚不足部分の肉盛りの形成と、ボールねじ軸１９の機能確保との両立が可能になる。

ここで、本構成の肉盛装置１００による肉盛りと、他の加工方法とを比較する。
図４（Ａ）は比較例に係るボールねじ軸を不要部分と共に表した側面図、（Ｂ）は本構成の肉盛装置１００により得られるボールねじ軸１９を肉盛部分と共に表した側面図である。

本構成の肉盛装置１００を用いれば、図４（Ａ）に示すように、軸受部２１Ａを加工するのに十分な径を有する材料から除去加工を行う必要はない。つまり、図４（Ｂ）に示すように、ボールねじ軸１９の機能上の主たる部位であるボールねじ部２３を加工可能な最低限の径の材料を用い、フランジ部２５に相当する段部を、肉盛加工により形成すればよい。このため、肉盛装置１００を用いる場合は、材料コストが抑えられ、加工タクトも短縮できる。

次に、肉盛装置の変形例を説明する。
図５は本変形例の遮蔽板６８の正面図である。
前述の遮蔽板６７は、ワーク１７の外周に取り付けられる環状鍔からなるが、図５に示す遮蔽板６８は、ワーク１７の外周に沿った円弧部６８ａと、円弧部６８ａから延設されワーク１７が抜き差し自在な開放部６８ｂを有し、正面視でＵ字形の板材にされている。

図６は図５に示す遮蔽板６８を用いた肉盛装置１００Ａの要部構成図である。本構成の遮蔽板６８は、加熱ヘッド１１を挟んで一対が、ワーク１７に固定することなく配置される。これら遮蔽板６８は、ワーク１７の上方から被せることで、容易にワーク１７に取り付けでき、且つ、取り外しも容易にできるようになっている。

一対の遮蔽板６８は、図示しない支持部材によって肉盛装置１００Ａにそれぞれ着脱自在に支持される。遮蔽板の円弧部６８ａの内径部はワーク１７の上部外周面に接触し、冷却流体６３が被加工部分５１へ進入することを阻止する。

また、開放された開放部６８ｂから冷却流体６３が被加工部分５１側に進入しないように、冷却ジャケット１５からの噴射強度が調整される。

本構成の肉盛装置１００Ａによれば、遮蔽板６８の着脱が容易となり、作業効率を向上できる。

次に、肉盛装置の第２実施形態を説明する。本実施形態の肉盛装置は板状のワークに肉盛りを実施する。
図７は第２実施形態の肉盛装置を示す模式的な構成図である。

本実施形態の肉盛装置２００は、遮蔽板７１が、板状に形成されるワーク１７の被加工部分５１を包囲する環状壁として設けられる。この遮蔽板７１も前述同様に、着脱自在に設けられ、耐熱性、断熱性の高い材料であることが好ましい。また、肉盛装置２００は、加熱ヘッド１１とワーク１７との相対移動機構として、ワーク１７と加熱ヘッド１１とをワーク１７の板面に沿って相対移動させるワーク移動機構７３を備える。

この肉盛装置２００によれば、板状のワーク１７の一部分に被加工部分５１が存在する場合においても、被加工部分５１を遮蔽板７１によって包囲できる。これにより、冷却ジャケット１５による冷却が、遮蔽板７１によって被加工部分５１に及びにくくなる。よって、被加工部分５１の入熱が損なわれることなく、温度上昇抑制部分６５の温度上昇を防ぐことができる。その結果、同一平面に配置される肉厚不足の部分の肉盛りと、ワーク１７の機能確保との両立が可能になる。

なお、冷却ジャケット１５は、加熱ヘッド１１と一体となってワーク１７に対して相対移動する構成であってもよく、ワーク１７と一体となって加熱ヘッドに対して相対移動する構成であってもよい。更に、冷却ジャケット１５は、加熱ヘッド１１とワーク１７とは別体に相対移動する構成であってもよい。それぞれが独立して駆動されることで、冷却範囲が広がり、より確実な冷却が可能となる。

次に、肉盛装置の第３実施形態を説明する。本実施形態の肉盛装置はワークの一部を冷却流体に浸して加工する。
図８は第３実施形態の肉盛装置を示す模式的な構成図である。

本実施形態の肉盛装置３００は、第２構成例と同様のワーク移動機構７３に冷却流体６３の貯留槽８１が固定され、貯留槽８１の上方に加熱ヘッド１１が昇降移動可能に配置される。貯留槽８１の槽内には、ワーク１７が不図示のワーク支持部により固定され、ワーク１７の一部が冷却流体６３に浸される。

この肉盛装置３００では、ワーク１７の熱影響を避けたい部分１７ａを貯留槽８１の冷却流体６３に浸し、ワーク１７の所望の加工点８３を冷却流体６３から表出させる。そして、加熱ヘッド１１から固着材の噴射とレーザ光の照射を行ってワーク１７を肉盛りする。

この肉盛装置３００によれば、冷却流体６３を噴射するノズルや、周囲への飛散を防止する遮蔽板などの各機構が不要となる。しかも、ワーク１７を冷却流体６３に浸すだけで、ワーク形状によらず簡単に冷却媒体との接触面積を大きくできる。よって、ワーク１７の入熱が許されない部分の温度上昇を、簡単かつ確実に抑制できる。

以上説明した肉盛装置１００，１００Ａ，２００，３００によれば、被加工部分への肉盛りに伴う温度上昇が、被加工部分のみの範囲に留められ、ワーク１７全体に熱が及ぶことを抑制できる。よって、温度上昇を嫌う部位を有するワーク１７であっても、接合品質を満足しつつ、熱影響の許されない部分への入熱を防いだ肉盛り加工が可能となる。その結果、ワーク１７の強度や他の機械的性質を保ち、複雑な形状の金属部品を製造できる。

例えば上記の各実施形態では、加熱ヘッドがレーザ光源を有するレーザクラッディング加工の場合を説明したが、本発明をレーザクラッディング加工以外の加工にも適用することができる。例えば、冷却ジャケットを耐熱性の高い材質とすることで、加熱ヘッドでアーク溶接やガス溶接を行う場合にも適用できる。また、上記実施形態の肉盛装置は、肉盛り以外に、熱処理用としても適用可能である。すなわち、肉盛装置は、ワーク１７の一部のみに熱処理を施す熱処理装置としても使用できる。

次に、上記の肉盛り加工による、ねじ軸及びその製造方法の第４実施形態を説明する。
図９は第４実施形態のボールねじ軸１９Ａを一部断面で示す構成図である。なお、本実施形態のボールねじ軸１９Ａは、図２に示すボールねじ軸１９と外形形状を同じものとしており、図２に示すものと同一又は同等部分については、同一符号を付して、説明を省略或いは簡略化している。

本実施形態のボールねじ軸１９Ａは、図４に示すボールねじ軸１９と同様に、ボールねじ部２３の外径寸法Ｌ１より大きい外径寸法Ｌ２、Ｌ３を有する拡径部である軸受支持部２６及びフランジ部２５を有する。

本実施形態では、ボールねじ部２３の外径寸法Ｌ１を加工可能な取代を有する所定の外径寸法を有する素材Ｂａに、軸受支持部２６及びフランジ部２５を形成する際の外径寸法が不足となる部分を、加工可能な取代を見込んで、レーザクラッディングにより肉盛り加工する。図９中、網掛け部分が、肉盛り部分を示しており、図９の外径寸法は、加工可能な取代を省略して示している。素材Ｂａの所定の外径寸法は、軸受支持部２６及びフランジ部２５の外径寸法Ｌ２、Ｌ３よりも小さい。

肉盛り加工する際には、前述した図１に示す肉盛装置１００を用いて、前述同様にレーザクラッディング加工によって行う。

ボールねじ部２３においては、熱影響による素材Ｂａの伸縮がリード精度やボール転走面の硬度の低下を及ぼし、寿命の低下などが生じる可能性がある。このため、ボールねじ部１２は加工による入熱が通常許されない。本実施形態では、入熱の少ないレーザクラッディングよる加工と冷却によって、ボールねじ部２３における少なくとも肉盛り部近傍のねじ部、又はねじ部になる部位の温度上昇を、許容温度以下に抑えることができる。そのため、軸受支持部２６及びフランジ部２５の肉盛りの形成と、ボールねじ軸１９Ａの機能との両立が可能になる。

なお、ボールねじ部２３の冷却は、前述同様に、製品の要求機能により温度上昇による影響を無視できる場合は不要である。
また、ボールねじ部２３のボール転動溝２３ａ（図２参照）は、軸受支持部２６及びフランジ部２５を肉盛りした後に、加工される。
更に、軸受支持部２６よりも軸端側で、ボールねじ部２３よりも小径の延出部２８は、不要部分６９を除去加工することで形成される。

また、肉盛りをレーザクラッディングにより行うことで、ボールねじ軸１９Ａの素材Ｂａとは異なる異種材料との接合が可能となる。これにより、少なくとも軸受支持部２６やフランジ部２５の表面は、ボールねじ部１２の材料と異なる材料によって構成できる。例えば、肉盛りされる材料は、ＳＣＭ（クローム・モリブデン）鋼で製作した素材Ｂａに対して、以下の異種材料を用いることができる。

《チタン系の合金》
６４チタン等のチタン合金はＳＵＪよりも比強度が高いのでフランジ部２５を小さくすることができ、ボールねじ軸１９Ａを軽量化できる。チタン合金は、高価な材料なので、必要な部分のみに提供することで、高機能で安価なボールねじを提供できる。

《ニッケル系の合金》
インコネル、ハステロイ等のニッケル合金を肉盛り加工することで、フランジ部２５の耐腐食性を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態のボールねじ軸１９Ａの製造方法によれば、ボールねじ部２３の外径寸法より大きい外径寸法部である軸受支持部２６及びフランジ部２５は、所定の外径寸法を有する素材Ｂａにレーザクラッディングにより肉盛りすることで形成されるので、材料の歩留まりが良く、加工時間の短縮が可能で、安価なボールねじ軸１９Ａを提供することができる。

また、レーザクラッディングによる肉盛りは、ボールねじ部２３の少なくとも肉盛り部近傍のねじ部、又はねじ部になる部位を冷却した状態で行われるので、ボールねじ部２３のリード精度やボール転走面の硬度を確保しつつ、肉盛りによって軸受支持部２６及びフランジ部２５を形成することができる。

また、本実施形態のボールねじ軸１９Ａによれば、ボールねじ部２３の外径寸法より大きい外径寸法部である軸受支持部２６及びフランジ部２５は、ボールねじ部２３の材料と異なる材料によって構成されるので、高硬度、耐食性、耐摩耗性などを向上させた軸受支持部２６及びフランジ部２５を有するボールねじ軸１９Ａを提供することができる。

なお、ボールねじ部２３の外径寸法より大きい拡径部は、本実施形態の軸受支持部２６及びフランジ部２５の少なくとも一方であればよく、また、ボールねじ軸１９Ａのボールねじ部２３以外の他のであってもよい。

また、上記実施形態では、軸受支持部２６やフランジ部２５を異種材料とするようにレーザクラッディング加工が行われているが、例えば安価な材料（Ｓ４５Ｃなどの鉄系材料）でねじ軸を製作し、ボールねじ部２３を含め、ボールねじ軸１９Ａを構成する鉄系材料の周囲全面に、耐食性の高いニッケル系合金をレーザクラッディングすることで、低コストかつ耐食性の高いボールねじ軸１９Ａを製作することもできる。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
上記各実施形態では、ボールねじ装置に備わるボールねじ軸を例に説明したが、これに限らず、ボールねじ以外のねじ軸であってもよい。その場合、ねじ軸を備えたねじ装置は、低コストかつ高品位な構成にできる。
また、上記ねじ軸は、例えば射出成形機等の各種の機械に適用できる。機械は、器械（動力が手動のもの）を含む。また、上記ねじ軸は、車両の部品、特に電動パワーステアリング装置にも適用できる。電動パワーステアリング装置としては、特にラックアシスト式の装置が挙げられる。上記ねじ軸が適用された機械、車両によれば、低コストかつ高品位な構成にできる。

本出願は２０１６年１０月１７日出願の日本国特許出願（特願２０１６−２０３２９２）、２０１６年１０月１７日出願の日本国特許出願（特願２０１６−２０３２９３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１１ 加熱ヘッド
１３ 固着材供給部
１５ 冷却ジャケット
１７ ワーク
１９，１９Ａ ボールねじ軸（ねじ軸）
２３ ボールねじ部（ねじ部）
２５ フランジ部（拡径部）
２６ 軸受支持部（拡径部）
５１ 被加工部分
５５ 固着材
５７ ワーク回転駆動機構（相対移動機構）
６３ 冷却流体
６５ 温度上昇抑制部分
６７，６８，７１ 遮蔽板
７３ ワーク移動機構（相対移動機構）
１００，１００Ａ，２００，３００ 肉盛装置

Claims (24)

1. ワークの被加工部分及び固着材を加熱する加熱源を有し、該加熱源により溶融された固着材を前記ワークの前記被加工部分に付着させて肉盛りする加熱ヘッドを備え、
   前記ワークの前記被加工部分に隣接する温度上昇抑制部分に冷却流体を接触させるようにした肉盛装置。
2. 前記ワークに向けて冷却流体を噴射する冷却ジャケットと、
   前記ワークの前記被加工部分と前記温度上昇抑制部分との境界に、前記温度上昇抑制部分から前記被加工部分への前記冷却流体の進入を遮る遮蔽部材と、
   を備えた請求項１に記載の肉盛装置。
3. 前記ワークの前記温度上昇抑制部分を、前記冷却流体に浸されるようにした請求項１に記載の肉盛装置。
4. 前記ワークと前記加熱ヘッドとを相対移動させる相対移動機構を備えた請求項２に記載の肉盛装置。
5. 前記相対移動機構は、前記ワークを回転させるワーク回転駆動機構を備える請求項４に記載の肉盛装置。
6. 前記相対移動機構は、前記ワークと前記加熱ヘッドを直線運動により相対移動させる請求項４に記載の肉盛装置。
7. 前記加熱源は、レーザ照射部である請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の肉盛装置。
8. 前記遮蔽部材は、前記ワークに対して相対移動が可能であり、前記ワークが抜き差し自在な開放部を有する請求項２に記載の肉盛装置。
9. 前記遮蔽部材は、前記ワークの外周に取り付けられ、前記ワークの半径方向外側に突出する環状鍔である請求項２に記載の肉盛装置。
10. 前記遮蔽部材は、前記ワークの前記被加工部分を包囲する壁であり、
    前記相対移動機構は、前記加熱ヘッドと前記被加工部分とを前記ワークに沿って相対移動させるワーク移動機構を備える請求項４に記載の肉盛装置。
11. 前記遮蔽部材は、板状の前記ワークの前記被加工部分を包囲する環状壁であり、
    前記相対移動機構は、前記加熱ヘッドと前記被加工部分とを前記ワークの板面に沿って相対移動させるワーク移動機構を備える請求項４に記載の肉盛装置。
12. ボールねじ部の外径寸法より大きい拡径部を有するねじ軸の製造方法であって、
    前記拡径部は肉盛りすることで形成される、ねじ軸の製造方法。
13. 前記拡径部は、レーザクラッディングにより形成される、請求項１２に記載のねじ軸の製造方法。
14. 前記レーザクラッディングによる肉盛りは、少なくとも肉盛り部近傍のねじ部、又はねじ部になる部位を冷却した状態で行われる、請求項１３に記載のねじ軸の製造方法。
15. 前記拡径部は、少なくともフランジ部又は軸受支持部を含む、請求項１２〜請求項１４のいずれか一項に記載のねじ軸の製造方法。
16. ねじ部を有するねじ軸の製造方法であって、
    前記ねじ部は、鉄系材料の周囲に、ニッケル系合金をレーザクラッディングによって肉盛りすることで形成される、ねじ軸の製造方法。
17. 請求項１２〜請求項１６のいずれか一項に記載のねじ軸の製造方法を用いる機械の製造方法。
18. 請求項１２〜請求項１６のいずれか一項に記載のねじ軸の製造方法を用いる車両の製造方法。
19. ねじ部の外径寸法より大きい拡径部を有するねじ軸であって、
    前記拡径部の表面は、前記ねじ部の材料と異なる材料によって構成される、
    ねじ軸。
20. ねじ部の外径寸法より大きい拡径部を有するねじ軸であって、
    肉盛りされた前記拡径部の少なくとも表面は、前記ねじ部の材料と異なる材料によって構成される、
    ねじ軸。
21. 前記拡径部は、少なくともフランジ部又は軸受支持部を含む、請求項１９又は請求項２０に記載のねじ軸。
22. 請求項１９〜請求項２１のいずれか一項に記載のねじ軸を備えるねじ装置。
23. 請求項１９〜請求項２１のいずれか一項に記載のねじ軸を備える機械。
24. 請求項１９〜請求項２１のいずれか一項に記載のねじ軸を備える車両。
    
    

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