JP3543848B2

JP3543848B2 - Solid lubricated ball screw

Info

Publication number: JP3543848B2
Application number: JP26898094A
Authority: JP
Inventors: 克宏岸
Original assignee: 株式会社アイ・エイチ・アイ・エアロスペース
Priority date: 1994-11-01
Filing date: 1994-11-01
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: JPH08128512A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共にボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおけるボール循環機構部の改良に関し、さらに詳しくは、宇宙空間や真空中でボールねじを用いる場合においてとくにボール循環機構部の耐久性をより一層向上させた固体潤滑ボールねじに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共にボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじは、送りねじの効率を向上するために、前記したようにねじ軸とナットとの間に多数のボール（球）を挿入した特殊な送りねじとして、種々の分野に採用されてきている（「機械工学便覧」日本機械学会昭和６３年５月１５日初版２刷発行Ｂ２−１７３頁）。
【０００３】
特に、このような構造をもつボールねじには、下記のような優れた特徴があるため、自動車のステアリング用、工作機械および産業機械用として広く採用されている。
【０００４】
（１）一般に、効率が９２〜９７％と高く、従来の面当たりをする送りねじに比べて３〜４倍も高い。
【０００５】
（２）回転運動を直線運動に変換するだけでなく、直線運動を回転運動に容易に変換できる。
【０００６】
（３）ころがり摩擦が大半であり、面接触の送りねじや油圧駆動に比べてスティクスリップ現象が生じにくい。
【０００７】
（４）通常の送りねじに比べて寿命が長い。
【０００８】
ボールねじには以上のような優れた特徴があるため、近年では、宇宙空間や真空中での採用が拡大されてきた。そこで、宇宙空間や真空中でボールねじを用いる場合には、オイル潤滑ができないため、オイルの代わりにＰｂやＭｏＳ_２，ＷＳ_２などの固体潤滑剤を塗布して用いることが多い。
【０００９】
しかしながら、まだ、宇宙空間や真空中における採用実績も少なく、従来のオイル潤滑下で用いられるボールねじに固体潤滑剤を塗布したのみで用いることが殆どであり、固体潤滑剤を塗布して用いる場合の設計指針について、固体潤滑剤による膜厚増加に対応する加工目標値の決定手法を除き、細部における設計事項は特に存在していないのが実状である。
【００１０】
このため、固体潤滑剤を塗布するボールねじに関しては、摩擦粉対策手法に関する出願（実開平２−１５０４５２号公報、実開平４−２２６３８号公報など）が数件見られる程度であり、あまり研究されていないのが現状である。
【００１１】
従来のボールねじとしては、例えば、図１に示すリターンピース式のボールねじや、図２に示すボールチューブ式のボールねじなどがある。
【００１２】
このうち、図１に示すリターンピース式のボールねじ１１は、ねじ軸１２に形成したねじ軸溝１２ａとナット１３に形成したナット溝１３ａとの間にボール１４を介在させると共にボール循環機構部（リターンピース）１５をそなえた構造を有し、図２に示すボールチューブ式のボールネジ２１は、ねじ軸２２に形成したねじ軸溝２２ａとチューブ２３に形成したボール溝との間にボールを介在させる構造を有するものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のボールねじは、いずれも、オイル潤滑やグリース潤滑が念頭におかれているものであるため、ボール潤滑部の材質はナット部の材質と同一であり、また、ナット部とのつなぎ目の端部加工は、せいぜいＣ１面取りか、糸面取り程度のレベルであった。
【００１４】
このため、ボールねじに固体潤滑剤を塗布して使用すると、ねじ部、ナット部双方の溝面の潤滑膜がさほど摩耗していないのに、ボール表面の潤滑膜のみは早期に摩耗してしまうという問題があった。
【００１５】
この原因は、ナット部とボール循環機構部の端部に必然的に存在する若干の段差により、ボール表面の固体潤滑剤が削り取られるのと同時に、ボール循環機構部内ではボール（鋼球）は転がらず、後方のボールにて強制的に後から押されながら、強制滑りにてボール循環機構部を移動するためである。
【００１６】
【発明の目的】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであって、ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共にボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおいて、従来のようにボール表面の潤滑膜のみが早期に摩耗してしまうという問題点を解消し、ボール表面の潤滑膜が早期に摩耗しがたいことによってボールねじの耐久性を大きく改善することが可能であるようにすることを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる固体潤滑ボールねじは、請求項１に記載しているように、ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共に、ボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおいて、ボール循環機構部がフッ素樹脂もしくはその複合材料からなり、固体潤滑剤を施したナットのナット溝とボール循環機構部のボール溝との合わせ面においてナットとボール循環機構部の双方の溝端部にボール径の２０％以上３５％以下の大きさのアール加工を施した構成としたことを特徴としている。
【００１８】
そして、本発明に係わる固体潤滑ボールねじの実施態様においては、請求項２に記載しているように、複合材料は、繊維強化フッ素樹脂であるものとすることができ、請求項３に記載しているように、フッ素樹脂もしくはその複合材料が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）もしくはその複合材料からなるものとすることができる。
【００１９】
【発明の作用】
本発明に係わる固体潤滑ボールねじは、請求項１に記載しているように、ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共に、ボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおいて、ボール循環機構部がフッ素樹脂もしくはその複合材料からなる構成としたものであり、ボール循環機構部をフッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡ，ＦＥＰ，ＰＣＴＦＥ，ＥＴＦＥ，ＥＣＴＦＥ等）またはその複合材料で作製することにより、固体潤滑剤であるＭｏＳ_２やＷＳ_２などのなじみ性がＳＵＳ材に比べて極めて良好なものとなる。さらに、摩擦係数が低いため、ボールに生じる面圧が低くなり、被膜の摩耗が少なくなることによって、ボール循環機構部の耐久性が向上し、したがってボールねじの耐久性が向上する。
【００２０】
そしてさらに、固体潤滑剤を施したナットのナット溝とボール循環機構部のボール溝との合わせ面において、ナットとボール循環機構部の双方の溝端部にボール径の２０％以上３５％以下の大きさのアール加工を施した構成としたものであるから、ボールは本来の移動方向に噛み込みを生じることなく動くようになる。この場合、アール加工がボール径の２０％未満ではボールねじの寿命が低下し、また、３５％超過の大きなアール加工ではボール循環機構部とナット溝端部でのボール同士の噛み込みが生じるようになる。
【００２１】
そして、請求項２に記載しているように、複合材料は、繊維強化フッ素樹脂とすることによって、ボール循環機構部の強度が向上したものとなり、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡ，ＦＥＰ，ＰＣＴＦＥ，ＥＴＦＥ，ＥＣＴＦＥ等）のうち請求項３に記載しているように、摩擦係数が最も低いものに属するＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を使用することによって、ボールに生じる面圧がさらに低くなり、ボール表面での潤滑膜の早期摩耗がさらに有効に回避されることとなる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００２３】
実施例１
図１に示した構造を有するリターンピース式のＳＵＳ６３０（析出硬化系ステンレス鋼）材からなる表１に示す仕様のボールねじ１１を準備し、固体潤滑剤として無機バインダー結合のＭｏＳ_２焼成膜を、ねじ軸溝１２ａ、ナット溝１３ａ、ボール循環機構部１５のボール溝１５ａ、ボール１４の表面にそれぞれ１０μｍの厚さで塗布した。
【００２４】
同時に、ボール循環機構部１５を構成するリターンピースのみＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）材のブロックから総削り出しで同一のものを作製し、リターンピースのみをＰＴＦＥ材品と取り替え、ボールねじをダブルナット方式で組み立てて、実施例１のボールねじとした。
【００２５】
尚、組み立て後の検査では、軸方向クリアランス、横方向クリアランスともに１２μｍであった。
【００２６】
次いで、表２に示す条件による真空摺動試験に供した。このとき、本実施例はＮ＝４（すなわち、図３に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．４）として実施した。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
実施例２
実施例１と同様に、図１に示した構造を有するリターンピース式のＳＵＳ６３０材からなる表１に示す仕様のボールねじ１１を準備し、固体潤滑剤として無機バインダー結合のＭｏＳ_２焼成膜を、ねじ軸溝１２ａ、ナット溝１３ａ、ボール循環機構部１５のボール溝１５ａ、ボール１４の表面にそれぞれ１０μｍの厚さで塗布した。
【００３０】
同時に、ボール循環機構部１５を構成するリターンピースのみ１０重量％ガラス短繊維含有のＰＴＦＥ材のブロックから総削り出しで同一のものを作製し、ボール溝端部に０．８Ｒのアール加工を施し、リターンピースのみをＰＴＦＥ材品と取り替えた。同時にナット溝端部にも０．８Ｒのアール加工を施したものと組み合わせて、ボールねじをダブルナット方式で組み立てて、実施例２のボールねじとした。
【００３１】
次いで、このボールねじを実施例１と同様の摺動試験に供した。
【００３２】
実施例３
リターンピースを１０重量％ガラス短繊維含有のＰＴＦＥ複合材のブロックから削り出し、ボール溝端部に施すアール加工条件として溝端部に１．２Ｒのアール加工を施し、同時にナット溝端部に１．２Ｒのアール加工を施した他は、実施例２と全く同様にして、実施例３のボールねじとし、実施例１と同様の摺動試験に供した。
【００３３】
比較例１
実施例１において、リターンピースをＰＴＦＥ材と取り替えない他は、実施例１と全く同様にして、比較例１のボールねじとし、実施例１と同様の摺動試験に供した。尚、本比較例はＮ＝５（すなわち、図４のＮｏ．１〜Ｎｏ．５）として実施した。
【００３４】
比較例２
実施例２において、ボール溝端部に施すアール加工条件として、リターンピースのボール溝端部に０．４Ｒのアール加工を施し、同時にナット溝端部に０．４Ｒのアール加工を施した他は、実施例２と全く同様にして、比較例２のボールねじとし、実施例１と同様の摺動試験に供した。
【００３５】
比較例３
実施例２において、ボール溝端部に施すアール加工条件として、リターンピースのボール溝端部に１．５Ｒのアール加工を施し、同時にナット溝端部に１．５Ｒのアール加工を施した他は、実施例２と全く同様にして、比較例３のボールねじとし、実施例１と同様の摺動試験に供した。
【００３６】
比較例４
実施例２において、ボール溝端部に施すアール加工条件として、リターンピースのボール溝端部に２．０Ｒのアール加工を施し、同時にナット溝端部に２．０Ｒのアール加工を施した他は、実施例２と全く同様にして、比較例４のボールねじとし、実施例１と同様の摺動試験に供した。
【００３７】
参考例
参考例として、転がりベアリングに実施例１で用いた固体潤滑剤（ＭｏＳ_２）を１０μｍの厚さで処理し、実施例１と同様の摺動試験に供した。尚、本参考例はＮ＝２（すなわち、図４に示すＮｏ．１，Ｎｏ．２）として実施した。
【００３８】
摺動試験による評価
摺動試験において、固体潤滑剤である被膜が破断し、摩擦係数が０．３を超えるまでの累積摺動回数を測定した。各実施例および比較例のボールねじのボール循環機構部の累積摺動回数より、摺動寿命を評価した。
【００３９】
ボールねじの摺動寿命評価の結果について、図３〜図５に示す。
【００４０】
実施例１の結果を示す図３より明らかなように、実施例１のボールねじ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）では、ボール循環機構部（リターンピース）をＭｏＳ_２となじみ性が良く、かつ純滑りに強いＰＴＦＥ材に変えることにより、ボールねじの耐久寿命は大きく改善できた。しかしながら、摺動試験後の分解調査において、リターンピースを剛性の低い樹脂材に替えたため、ＳＵＳ材を用いた場合に比べて溝端部のへたりが大きくなることも認められた。
【００４１】
また、比較例１の結果を示す図４より明らかなように、比較例１のボールねじ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５）の被膜の寿命は、参考例として示す転がりベアリング（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２）の被膜の寿命に比べてかなり短いものとなっていた。この原因について、２×１０^３回で摺動試験を中断してボールねじの各部を分解して調べた結果、ボールの固体潤滑被膜は既に消失していたが、ねじ軸溝、ナット溝、ボール循環機構部のボール溝の固体潤滑被膜はまだ存在していることが認められた。
【００４２】
各部の詳細調査の結果として、ボール循環機構部の外観観察によれば、ボール循環機構部のボール溝表面には固体潤滑被膜が残存しているように見られるが、同部の溝断面観察では、基材金属の表面塑性流動が顕著に認められ、ボール循環機構部内では、明らかにボールは転がらず、強制的に滑ることにより移動していることがわかった。また、溝端部の断面観察によれば、端部ほど塑性流動が激しく、へたり（端部の形状が、加工時には糸面取りＣ０．１のレベルであったものが、Ｒ０．２のレベルまで変形）が発生し、ナット溝とボール循環機構部のボール溝とのつなぎ目でボールに生じる面圧が高く、この段階で被膜の摩耗が激しいことがわかった。
【００４３】
以上のことから、ボールのみの早期潤滑被膜の消失は、ナット部とボール循環機構部の端部に必然的に存在する若干の段差によりボール表面の固体潤滑剤が削り取られるのと同時に、ボール循環機構部内ではボールは転がらず、後方のボールにて強制的に後から押されながら、強制滑りにてボール循環機構部を移動するためであると考えられる。
【００４４】
さらに、ボール溝端部に施すアール加工条件を変えた試験結果を示す図５より明らかなように、比較例４のごとくリターンピース溝端部に２．０Ｒのアール加工を施し、同時にナット溝端部にも２．０Ｒのアール加工を施したものでは、ボール循環機構部とナット溝端部でのボール同士の噛み込みが認められ、アールを大きくし過ぎるとボールは本来の移動方向には動きにくく、２個のボールがボールの移動方向とは直角の方向で噛み合い易くなることがわかった。
【００４５】
本試験に用いたボール径は、表１に示すように、３．９６８８ｍｍであり、実施例２でナット溝端部でのアールおよびリターンピース溝端部でのアールはともに０．８Ｒでボール径の２０．１６％であり、また、実施例３のそれはともに１．２Ｒでボール径の３０．２３％であり、これらの累積摺動回数は約１０^７回と良好な結果が得られた。
【００４６】
しかし、比較例２および比較例３のアールは０．４Ｒおよび１．５Ｒで、ボール径のそれぞれ１０．０９％および３７．７９％であり、累積摺動回数は１０^６回以下であって上記２つの実施例に比べて劣るものとなっていた。
【００４７】
尚、本実施例では、ナット溝端部のアール加工とリターンピース溝端部のアール加工を同一Ｒのアール加工の組み合わせとして行った場合を示したが、双方の溝端部にボール径の２０％〜３５％の大きさのＲのアール加工を施したものの組み合わせであれば、同様に高い摺動寿命が得られることが認められた。
【００４８】
図３および図５に示した結果からも明らかなように、ボールねじのボール循環機構部をフッ素樹脂、とくに好ましくはＰＴＦＥ材もしくはその複合材としたものは、摩擦係数が０．３を超えるまでの累積摺動回数がいずれも１０^６回以上と高い摺動寿命が得られた。また、同時に、ボールねじのナット溝とボール循環機構部のボール溝との合わせ面において、双方の溝端部にボール径の２０％以上３５％以下の大きさのアール加工を施したものは、累積摺動回数が約１０^７回程度とより一層良好な耐久性が得られた。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係わる固体潤滑ボールねじよれば、請求項１に記載しているように、ねじ軸に形成したねじ軸溝とナットに形成したナット溝との間にボールを介在させると共に、ボール循環機構部をそなえ、少なくともねじ軸溝およびナット溝に固体潤滑剤を施して用いるボールねじにおいて、ボール循環機構部がフッ素樹脂もしくはその複合材料からなり、固体潤滑剤を施したナットのナット溝とボール循環機構部のボール溝との合わせ面において、ナットとボール循環機構部の双方の溝端部にボール径の２０％以上３５％以下の大きさのアール加工を施した構成としたので、固体潤滑剤であるＭｏＳ_２やＷＳ_２などとのなじみ性がＳＵＳ材に比べて著しく良好なものとなり、さらに、摩擦係数が低いため、ボールに生じる面圧が低くなって、被膜の摩耗が少なくなることから、ボールねじの耐久性が大きく改善され、面圧基準の評価では、転がりベアリングと同等の摺動寿命を有する長寿命の固体潤滑ボールねじが得られるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００５１】
そして、請求項２に記載しているように、複合材料は繊維強化フッ素樹脂とすることによって、ボール循環機構部の強度が向上したものとなり、金属に代えて樹脂を用いたいときの強度不足を補うものとすることも可能である。
【００５２】
さらに、請求項３に記載しているように、フッ素樹脂のうち摩擦係数が最も低いものに属するＰＴＦＥを使用することによって、ボールに生じる面圧をさらに低いものにすることが可能であり、ボールねじの耐久寿命を延長させることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リターンピース式のボールねじの構造を示す側面破砕説明図（図１の（Ａ））および正面説明図（図１の（Ｂ））である。
【図２】ボールチューブ式のボールねじの構造を示す説明図である。
【図３】リターンピースのみをＰＴＦＥ材に取り替えた本発明の実施例１のボールねじ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）の摺動寿命の評価結果を示す説明図である。
【図４】比較例１のボールねじ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５）と参考例の転がりベアリング（Ｎｏ．１，Ｎｏ．２）の摺動寿命の評価結果を示す説明図である。
【図５】リターンピースのみをＰＴＦＥ複合材に取り替えた本発明実施例２，３および比較例２，３，４のボールねじの摺動寿命の評価結果を示す説明図である。
【符号の説明】
１１リターンピース式のボールねじ
１２ねじ軸
１２ａねじ軸溝
１３ナット
１３ａナット溝
１４ボール
１５ボール循環機構部（リターンピース）
１５ａボール溝（リターンピース溝）[0001]
[Industrial applications]
The present invention includes a ball interposed between a screw shaft groove formed in a screw shaft and a nut groove formed in a nut, and has a ball circulation mechanism, and is used by applying a solid lubricant to at least the screw shaft groove and the nut groove. More specifically, the present invention relates to a solid lubricated ball screw that further improves the durability of the ball circulation mechanism when the ball screw is used in space or vacuum.
[0002]
[Prior art]
A ball screw is provided between the screw shaft groove formed in the screw shaft and the nut groove formed in the nut, and a ball circulation mechanism is provided, and at least the screw shaft groove and the nut groove are provided with a solid lubricant, and a ball screw is used. In order to improve the efficiency of the feed screw, it has been adopted in various fields as a special feed screw in which a large number of balls (balls) are inserted between the screw shaft and the nut as described above (see “Mechanical Engineering”). Handbook "The Japan Society of Mechanical Engineers, May 15, 1988, first edition, 2nd printing, page B2-173).
[0003]
In particular, the ball screw having such a structure has the following excellent characteristics, and is therefore widely used for steering of automobiles, machine tools, and industrial machines.
[0004]
(1) Generally, the efficiency is as high as 92 to 97%, which is 3 to 4 times higher than that of a conventional feed screw having a surface contact.
[0005]
(2) In addition to converting a rotary motion into a linear motion, a linear motion can be easily converted into a rotary motion.
[0006]
(3) Rolling friction is predominant, and a stick-slip phenomenon is less likely to occur as compared with a surface contact feed screw or hydraulic drive.
[0007]
(4) The service life is longer than that of a normal feed screw.
[0008]
Due to the above-mentioned excellent characteristics of the ball screw, in recent years, its use in space or vacuum has been expanded. Therefore, when a ball screw is used in outer space or vacuum, oil lubrication cannot be performed. Therefore, instead of oil, a solid lubricant such as Pb, MoS ₂ , or WS ₂ is applied and used in many cases.
[0009]
However, it is still rarely used in outer space or in vacuum, and most of the ball screws used under conventional oil lubrication are used only by applying a solid lubricant. With respect to the design guideline, there is no particular design matter in detail except for a method of determining a processing target value corresponding to an increase in film thickness by a solid lubricant.
[0010]
For this reason, with respect to ball screws to which a solid lubricant is applied, only a few applications (Japanese Utility Model Application Laid-Open No. 2-150452, Japanese Utility Model Application Laid-Open No. 4-22638, etc.) can be seen, and much research has been conducted. Not yet.
[0011]
Conventional ball screws include, for example, a return piece type ball screw shown in FIG. 1 and a ball tube type ball screw shown in FIG.
[0012]
The return piece type ball screw 11 shown in FIG. 1 has a ball 14 interposed between a screw shaft groove 12a formed in a screw shaft 12 and a nut groove 13a formed in a nut 13, and a ball circulation mechanism ( The ball tube type ball screw 21 shown in FIG. 2 has a ball between a screw shaft groove 22 a formed in a screw shaft 22 and a ball groove formed in a tube 23. It has a structure.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such conventional ball screws, oil lubrication and grease lubrication are considered in mind, so that the material of the ball lubricating portion is the same as the material of the nut portion. At the end, the end processing of the joint was at most a level of C1 chamfering or yarn chamfering.
[0014]
For this reason, when a solid lubricant is applied to the ball screw and used, the lubricant film on the groove surface of both the screw portion and the nut portion does not wear much, but only the lubricant film on the ball surface wears early. There was a problem.
[0015]
This is because the solid lubricant on the ball surface is scraped off by the slight difference between the nut and the end of the ball circulation mechanism, and at the same time the ball (steel ball) rolls in the ball circulation mechanism. This is because the ball circulation mechanism is moved by forcible sliding while being forcibly pushed by the rear ball.
[0016]
[Object of the invention]
The present invention has been made in view of such a conventional problem, and has a ball circulating mechanism unit in which a ball is interposed between a screw shaft groove formed in a screw shaft and a nut groove formed in a nut. With a ball screw that uses a solid lubricant applied to at least the screw shaft groove and nut groove, the problem that only the lubricating film on the ball surface is worn out early as in the past is solved, and the lubrication of the ball surface is eliminated. It is an object of the present invention to make it possible to greatly improve the durability of a ball screw by preventing the film from being worn out early.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In the solid lubricating ball screw according to the present invention, a ball is interposed between a screw shaft groove formed in a screw shaft and a nut groove formed in a nut, and a ball circulation mechanism is provided. In a ball screw using a solid lubricant at least in the screw shaft groove and the nut groove, the ball circulation mechanism portion is made of a fluororesin or a composite material thereof, and the nut groove and the ball circulation mechanism of the nut provided with the solid lubricant are provided. The configuration is characterized in that the groove ends of both the nut and the ball circulating mechanism portion are rounded to a size of 20% or more and 35% or less of the ball diameter on the mating surface with the ball groove of the portion.
[0018]
And in the embodiment of the solid lubricating ball screw according to the present invention, as described in claim 2, the composite material can be a fiber-reinforced fluororesin, and as described in claim 3, As described above, the fluororesin or its composite material may be made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or its composite material.
[0019]
Effect of the Invention
In the solid lubricating ball screw according to the present invention, a ball is interposed between a screw shaft groove formed in a screw shaft and a nut groove formed in a nut, and a ball circulation mechanism is provided. In a ball screw used by applying a solid lubricant to at least the screw shaft groove and the nut groove, the ball circulation mechanism is made of a fluorine resin or a composite material thereof, and the ball circulation mechanism is made of a fluorine resin ( By using PTFE, PFA, FEP, PCTFE, ETFE, ECTFE, etc.) or a composite material thereof, the conformability of a solid lubricant such as MoS ₂ or WS ₂ becomes extremely better than that of a SUS material. Further, since the coefficient of friction is low, the surface pressure generated on the ball is low, and the wear of the coating is reduced, so that the durability of the ball circulation mechanism is improved, and thus the durability of the ball screw is improved.
[0020]
Further, at the mating surface between the nut groove of the nut to which the solid lubricant has been applied and the ball groove of the ball circulation mechanism, the groove end of both the nut and the ball circulation mechanism has a size of 20% or more and 35% or less of the ball diameter. Since the ball has a rounded configuration, the ball moves without being bitten in the original moving direction. In this case, if the radius processing is less than 20% of the ball diameter, the life of the ball screw is reduced, and if the radius processing is greater than 35%, the balls are caught at the ball circulation mechanism and the end of the nut groove. Become.
[0021]
And, as described in claim 2, the strength of the ball circulation mechanism is improved by using a fiber-reinforced fluororesin as the composite material, and the fluororesin (PTFE, PFA, FEP, PCTFE, ETFE) is obtained. , ECTFE, etc.), by using PTFE (polytetrafluoroethylene) belonging to the one having the lowest friction coefficient, the surface pressure generated on the ball is further reduced, and the surface of the ball is reduced. In this way, early wear of the lubricating film at the time is more effectively avoided.
[0022]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
[0023]
Example 1
A ball screw 11 of a specification shown in Table 1 made of a return piece type SUS630 (precipitation hardened stainless steel) material having a structure shown in FIG. 1 is prepared, and a MoS ₂ fired film with an inorganic binder is used as a solid lubricant. The screw shaft groove 12a, the nut groove 13a, the ball groove 15a of the ball circulation mechanism 15 and the surface of the ball 14 were each coated with a thickness of 10 μm.
[0024]
At the same time, only the return piece that constitutes the ball circulation mechanism unit 15 is manufactured by cutting the entirety from a block of PTFE (polytetrafluoroethylene) material, and the same return piece is replaced with a PTFE material product. The ball screw of Example 1 was assembled by the method.
[0025]
In the inspection after assembly, both the axial clearance and the lateral clearance were 12 μm.
[0026]
Next, it was subjected to a vacuum sliding test under the conditions shown in Table 2. At this time, the present embodiment was performed with N = 4 (that is, No. 1 to No. 4 shown in FIG. 3).
[0027]
[Table 1]

[0028]
[Table 2]

[0029]
Example 2
In the same manner as in Example 1, a ball screw 11 having a specification shown in Table 1 made of a return piece type SUS630 material having a structure shown in FIG. 1 was prepared, and a MoS ₂ fired film with an inorganic binder was used as a solid lubricant. The screw shaft groove 12a, the nut groove 13a, the ball groove 15a of the ball circulation mechanism 15 and the surface of the ball 14 were each coated with a thickness of 10 μm.
[0030]
At the same time, only the return piece constituting the ball circulating mechanism 15 is manufactured by cutting the entire block from a block of PTFE material containing 10% by weight of glass short fiber, and the same is produced. Only the return piece was replaced with a PTFE material. At the same time, the ball screw was assembled by a double nut method in combination with a 0.8 R rounded end portion of the nut groove end to obtain a ball screw of Example 2.
[0031]
Next, this ball screw was subjected to the same sliding test as in Example 1.
[0032]
Example 3
The return piece is cut from a block of PTFE composite material containing 10% by weight of short glass fiber, and as a condition of the radius processing to be applied to the end of the ball groove, a radius of 1.2R is applied to the groove end, and at the same time, a radius of 1.2R is applied to the nut groove end. A ball screw of Example 3 was provided in the same manner as in Example 1 except that the round processing was performed, and the ball screw of Example 3 was subjected to the same sliding test.
[0033]
Comparative Example 1
In Example 1, a ball screw of Comparative Example 1 was provided in the same manner as in Example 1 except that the return piece was not replaced with a PTFE material, and subjected to the same sliding test as in Example 1. In addition, this comparative example was implemented as N = 5 (that is, No. 1 to No. 5 in FIG. 4).
[0034]
Comparative Example 2
In the second embodiment, the radius of the ball groove end of the return piece is 0.4R, and the edge of the nut groove is simultaneously 0.4R. In the same manner as in Example 2, the ball screw of Comparative Example 2 was subjected to the same sliding test as in Example 1.
[0035]
Comparative Example 3
In the second embodiment, the conditions for the round processing performed on the end of the ball groove are as follows, except that a 1.5 R round processing is performed on the end of the ball groove of the return piece and a 1.5 R round processing is simultaneously performed on the end of the nut groove. In the same manner as in Example 2, the ball screw of Comparative Example 3 was subjected to the same sliding test as in Example 1.
[0036]
Comparative Example 4
In the second embodiment, the round processing conditions for the end of the ball groove are the same as those of the second embodiment except that the end of the ball groove of the return piece is subjected to the 2.0 R round processing and the end of the nut groove is simultaneously processed to the 2.0 R round. In the same manner as in Example 2, the ball screw of Comparative Example 4 was subjected to the same sliding test as in Example 1.
[0037]
As a reference example <br/> reference example, solid lubricants used in the rolling bearing Example 1 (MoS ₂₎ was treated in a thickness of 10 [mu] m, were subjected to the sliding test as in Example 1. In addition, this reference example was implemented as N = 2 (that is, No. 1 and No. 2 shown in FIG. 4).
[0038]
Evaluation by sliding test In the sliding test, the cumulative number of sliding operations until the film as a solid lubricant was broken and the friction coefficient exceeded 0.3 was measured. The sliding life was evaluated from the cumulative number of times of sliding of the ball circulation mechanism of the ball screw of each of the examples and comparative examples.
[0039]
The results of the evaluation of the sliding life of the ball screw are shown in FIGS.
[0040]
As is clear from FIG. 3 showing the results of Example 1, in the ball screw (No. 1 to No. 4) of Example 1, the ball circulation mechanism (return piece) has good adaptability to MoS ₂ and By changing to a PTFE material resistant to pure sliding, the durability life of the ball screw could be greatly improved. However, in the disassembly inspection after the sliding test, it was also recognized that the return piece was changed to a resin material having low rigidity, so that the set end of the groove end became larger than that in the case of using the SUS material.
[0041]
As is clear from FIG. 4 showing the results of Comparative Example 1, the life of the coating of the ball screw (No. 1 to No. 5) of Comparative Example 1 was determined by the rolling bearings (No. 1 and No. 1) shown as Reference Examples. .2) was considerably shorter than the life of the coating. The sliding test was interrupted 2 × 10 ³ times to disassemble each part of the ball screw. As a result, the solid lubricating film on the ball had already disappeared. It was confirmed that the solid lubricating film in the ball groove of the circulation mechanism was still present.
[0042]
As a result of detailed investigation of each part, according to the appearance observation of the ball circulation mechanism part, it seems that a solid lubricating film remains on the ball groove surface of the ball circulation mechanism part, but in the groove cross-section observation of the same part On the other hand, surface plastic flow of the base metal was remarkably observed, and it was found that the ball did not roll in the ball circulation mechanism, but was moved by forcibly sliding. In addition, according to the cross-sectional observation of the groove end, the plastic flow was more intense at the end, and the set was set. ) Occurred, the surface pressure generated on the ball at the joint between the nut groove and the ball groove of the ball circulation mechanism was high, and it was found that the coating was severely abraded at this stage.
[0043]
From the above, the disappearance of the early lubricating film of only the ball is caused by the fact that the solid lubricant on the ball surface is scraped off by the slight step that is necessarily present at the nut and the end of the ball circulation mechanism, This is considered to be because the ball does not roll in the mechanism, but moves the ball circulation mechanism by forced sliding while being forcibly pushed by the rear ball.
[0044]
Further, as is apparent from FIG. 5 showing test results obtained by changing the rounding conditions applied to the end of the ball groove, the end of the return piece groove was subjected to 2.0R rounding as in Comparative Example 4, and the end of the nut groove was simultaneously formed on the end of the nut groove. In the case of the 2.0R round processing, the balls are entrapped at the ball circulation mechanism and the end of the nut groove. If the radius is too large, the balls hardly move in the original moving direction. It is found that the ball easily engages in a direction perpendicular to the direction of movement of the ball.
[0045]
As shown in Table 1, the ball diameter used in this test was 3.9688 mm. In Example 2, the radius at the end of the nut groove and the radius at the end of the return piece groove were both 0.8R and 20 times the ball diameter. It was .16%, also a 30.23% of the ball diameter it both 1.2R example 3, these cumulative sliding number about ¹⁰⁷ times, a good result was obtained.
[0046]
However, Earl of Comparative Examples 2 and 3 in 0.4R and 1.5R, are 10.09%, respectively, and 37.79% of the ball diameter, the cumulative number of slides is not more than 10 ⁶ times the It was inferior to the two examples.
[0047]
In the present embodiment, the case where the rounding of the end of the nut groove and the rounding of the end of the return piece groove are performed as a combination of rounding with the same radius is shown. %, It was recognized that a combination of those subjected to R processing with a size of R could provide a similarly high sliding life.
[0048]
As is clear from the results shown in FIGS. 3 and 5, when the ball circulation mechanism of the ball screw is made of a fluororesin, particularly preferably a PTFE material or a composite material thereof, the ball screw has a friction coefficient exceeding 0.3. , A high sliding life was obtained, with the cumulative number of sliding times being 10 ⁶ times or more. In addition, at the same time, in the mating surface of the nut groove of the ball screw and the ball groove of the ball circulating mechanism, both ends of the groove are rounded to a size of 20% or more and 35% or less of the ball diameter. number of slides is more favorable durability was obtained with about 10 ⁷ times.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the solid lubricating ball screw according to the present invention, as described in claim 1, the ball is provided between the screw shaft groove formed on the screw shaft and the nut groove formed on the nut. The ball screw provided with a ball circulation mechanism portion and having a solid lubricant applied to at least the screw shaft groove and the nut groove, wherein the ball circulation mechanism portion is made of a fluororesin or a composite material thereof, and is provided with a solid lubricant. A configuration in which a radius of 20% to 35% of the ball diameter is applied to both groove ends of the nut and the ball circulation mechanism at the mating surface of the nut groove of the nut and the ball groove of the ball circulation mechanism. since the, conformability and the like MoS ₂ and WS ₂ which is a solid lubricant remarkably good ones than the SUS material, further, has a low coefficient of friction, the ball The durability of the ball screw is greatly improved by lowering the contact pressure and reducing the abrasion of the coating, and the long-life solid lubrication that has the same sliding life as the rolling bearing in the evaluation of the contact pressure standard is evaluated. A remarkably excellent effect of obtaining a ball screw is obtained.
[0051]
Further, as described in claim 2, the strength of the ball circulation mechanism is improved by using a fiber-reinforced fluororesin as the composite material, and the strength is insufficient when a resin is used instead of metal. It is also possible to make up for it.
[0052]
Further, as described in claim 3, by using PTFE belonging to the fluorocarbon resin having the lowest coefficient of friction, the surface pressure generated on the ball can be further reduced. A remarkable effect is obtained that the durability life of the screw can be extended.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory side view (FIG. 1A) and an explanatory front view (FIG. 1B) showing the structure of a return piece type ball screw.
FIG. 2 is an explanatory view showing the structure of a ball tube type ball screw.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an evaluation result of a sliding life of a ball screw (No. 1 to No. 4) of Example 1 of the present invention in which only a return piece is replaced with a PTFE material.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the results of evaluating the sliding life of the ball screws (No. 1 to No. 5) of Comparative Example 1 and the rolling bearings (No. 1 and No. 2) of Reference Example.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the results of evaluating the sliding life of the ball screws of Examples 2 and 3 of the present invention and Comparative Examples 2, 3 and 4 in which only the return piece was replaced with a PTFE composite material.
[Explanation of symbols]
11 return piece ball screw 12 screw shaft 12a screw shaft groove 13 nut 13a nut groove 14 ball 15 ball circulation mechanism (return piece)
15a Ball groove (return piece groove)

Claims

A ball is interposed between a screw shaft groove formed in a screw shaft and a nut groove formed in a nut, a ball circulation mechanism is provided, and at least a ball lubricant used by applying a solid lubricant to at least the screw shaft groove and the nut groove. The ball circulation mechanism is made of a fluororesin or a composite material of the resin, and at the mating surface of the nut groove of the nut and the ball groove of the ball circulation mechanism that has been subjected to the solid lubricant, at the groove ends of both the nut and the ball circulation mechanism A solid lubricated ball screw, which has been rounded to a size of 20% to 35% of the ball diameter.

The solid lubricated ball screw according to claim 1, wherein the composite material is a fiber-reinforced fluororesin.

3. The solid lubricated ball screw according to claim 1, wherein the fluororesin or the composite material thereof is made of polytetrafluoroethylene or a composite material thereof.