JP3849828B2 - シャフトスクリュの高周波焼入れ方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本願の発明は、シャフトスクリュの高周波焼入れ方法に関し、特にシャフトスクリュのネジ面へのボールの接触角のバラツキを低減させて、ボールスクリュの作動騒音を低減させたシャフトスクリュの高周波焼入れ方法に関する。
【０００２】
【従来技術、発明が解決しようとする課題】
ボールスクリュの作動音の低減には、ボールスクリュを構成する一要素であるシャフトスクリュのネジ面へのボールの接触角のバラツキが大きく影響することは、従来、知られておらず、むしろ、接触角の左右差に関心が向けられていた。
【０００３】
シャフトを回転させつつ、その軸方向に移動させて、該シャフトの一部に形成されたシャフトスクリュに高周波焼入れを行なう、いわゆるシャフトスクリュの高周波移動焼入れにおいては、焼入れ水は、シャワー状に噴射しているため、ミクロ的に見れば、冷却のむらがある。このような冷却むらは、ネジ溝の寸法変化のバラツキとなり、ひいてはボールの接触角のバラツキとなる。しかしながら、シャフトスクリュの高周波移動焼入れにおいて、ボールの接触角の左右差およびバラツキの低減は、限界とされてきた。
【０００４】
本願の発明は、シャフトスクリュの高周波焼入れ方法において、シャフトスクリュのネジ面へのボールの接触角のバラツキを低減させて、ボールスクリュの作動騒音を低減させることができるシャフトスクリュの高周波焼入れ方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段および効果】
本願の発明は、前記のような課題を解決したシャフトスクリュの高周波焼入れ方法に係り、その請求項１に記載された発明は、シャフトを回転させつつ、その軸方向に移動させて、該シャフトの一部に形成されたシャフトスクリュに高周波焼入れを行なうシャフトスクリュの高周波焼入れ方法において、前記シャフトの回転方向は、前記シャフトの移動方向にネジが進む方向とされ、前記シャフトの回転数と、加熱部および冷却部を有する高周波焼入れ装置に対する前記シャフトの移動速度とが、下記の条件式を満たすように同期させられていることを特徴とするシャフトスクリュの高周波焼入れ方法である。
（シャフトの回転数）＝（シャフトの移動速度）／（ネジのピッチ）
【０００６】
請求項１に記載された発明は、前記のように構成されているので、シャフトは、シャフトスクリュのネジ溝があたかも静止しているかのように見えながら、回転しつつ、その軸方向に移動していく。このため、焼入れ水は、常にシャフトスクリュの一定の部位（ネジの山のみ、または、ネジの谷のみ）を冷却することになり、同一個所（山または谷）を見れば、バラツキの少ない冷却となるので、シャフトスクリュのネジ面へのボールの接触角の左右差は小さくならないが、バラツキは小さくなり、ボールスクリュの作動騒音を低減させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図１ないし図５に図示される本願の請求項１に記載された発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態におけるシャフトスクリュの高周波焼入れ方法が実施される高周波焼入れ設備の全体の概略構成図であって、一部を切断して示す図、図２は、図１の高周波焼入れ装置部分の概略拡大縦断面図、図３は、ボールスクリュの組立状態の縦断面図、図４は、シャフトスクリュのネジ面へのボールの接触状態を示す図、図５は、焼入れ水の噴射経路を模式的に示す図である。
【０００８】
図１において、本実施形態におけるシャフトスクリュの高周波焼入れ方法が実施される高周波焼入れ設備１は、縦コラム２にスライダ３が上下摺動自在に取り付けられ、該スライダ３には、上アーム４および下アーム５が一体に片持ち支持されており、該スライダ３は、制御装置６により制御されるモータ７によって、上下駆動されるようになっている。
【０００９】
上アーム４および下アーム５の各先端部間には、長尺ワークをなすシャフト８が、上アーム４の先端部に下向きに固着された上主軸９と、下アーム５の先端部に固定された下主軸台10に上向きに回転自在に支持された下主軸11とを介して、下主軸11と一体に回転自在に支持されており、該下主軸11は、制御装置６により制御されるモータ12によって、ベルト13を介して回転駆動される。
【００１０】
シャフト８には、その一端（図１において上端）から中途の所定長隔てられた部位にかけて、ネジ溝が形成されて、ネジ部８a とされており、該ネジ部８a により、シャフトスクリュが構成されている。そして、該シャフトスクリュ（ネジ部）８a に高周波焼入れを行なう装置14が、シャフト８を囲んで配置されている。したがって、シャフトスクリュ８a は、該高周波焼入れ装置14内を、回転しながら上下動することが可能である。
【００１１】
シャフト８のシャフトスクリュ８a と反対側の端部（図１において下端）寄りには、図示されてはいないが、ラックが形成されており、本実施形態におけるシャフト８は、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置におけるステアリングシャフトとして使用されている。そして、シャフトスクリュ８a には、図３に図示されるように、ボール18が組み込まれたナットスクリュ17が螺合されて、ボールスクリュ19が組み立てられ、該ボールスクリュ19を介して操舵補助力が図示されない電動機よりシャフト８に伝達されるようになっている。
【００１２】
図４には、シャフトスクリュ８a のネジ溝にボール18が接触した状態が図示されている。同図において、左右の円弧面へのボール18の接触点とボール18の中心とを結ぶ線と、ネジ溝の中心線Ｏ−Ｏとのなす角が接触角であり、この接触角は、左右の円弧面について、通常４５°に設定されるが、この角度は、左右の円弧面間において製造誤差や熱処理の不均一等に起因する誤差（以下、接触角の左右差という。）があり、また、ネジ溝に沿い、熱処理の不均一に起因してバラツキが生ずる。このバラツキは、本実施形態において、後述する高周波焼入れ方法が適用されることにより低減されている。
【００１３】
高周波焼入れ装置14は、次のように構成されている。
図２により良く図示されているように、高周波焼入れ装置14の上方部位には、加熱部が配置されている。該加熱部は、高周波コイル15からなり、該高周波コイル15は、中空状のコイルが二手に分かれて、３段にシャフトスクリュ８a を取り巻いて構成されている。そして、該高周波コイル15に高周波電流が通電されて、シャフトスクリュ８a が誘電加熱される。
【００１４】
高周波コイル15の直下には、冷却部が配置されている。該冷却部は、シャフトスクリュ８a を囲む環状の冷却水ジャケット16を備えており、該冷却水ジャケット16の内周壁16a は、下方に拡径するテーパ状に形成されていて、冷却水を斜め下方のシャフトスクリュ８a に向けて噴射する多数の噴射孔16b を有している。
【００１５】
したがって、加熱部において加熱されたシャフトスクリュ８a は、該冷却部に回転しながら移動し、ここにおいて、噴射孔16b より噴射される冷却水（焼入れ水）により急速に冷却されて、焼入れが行なわれる。
【００１６】
ここで、シャフトスクリュ８a の高周波焼入れ装置14による焼入れは、シャフト８の中途のネジ部端側から開始される。
これを図１を参照しつつ説明すると、先ず、シャフトスクリュ８a の下端（シャフト８の中途のネジ部端）が高周波焼入れ装置14の高周波コイル15より上方に位置するように、モータ７によりスライダ３を駆動して、シャフト８をセットする。
【００１７】
次いで、再びモータ７によりスライダ３を下方のＡ方向に駆動して、シャフト８を下方方向に所定の速度で移動させると同時に、モータ12により下主軸11を回転駆動して、シャフト８を所定の速度で回転させる。
【００１８】
このシャフト８の下方方向への移動速度、回転速度および回転方向は、次のように設定されている。先ず、シャフト８の回転方向は、該シャフト８の移動方向にシャフトスクリュ８a のネジが進む方向とされている。次に、シャフト８の回転数Ｎ（回／秒）と、シャフト８の移動速度Ｖ（ｍ／秒）とは、下記の条件式を満たすように同期させられている。
（シャフト８の回転数Ｎ）＝（シャフト８の移動速度Ｖ）／（ネジのピッチｐ）
【００１９】
そうすると、シャフトスクリュ８a は、その下端から高周波コイル15による加熱を受け始め、加熱部は徐々に上端方向に移動する。この間、シャフトスクリュ８a は回転しているので、高周波コイル15による加熱は、シャフトスクリュ８a の周方向に均一に行なわれる。
【００２０】
高周波コイル15による加熱が終了したシャフトスクリュ８a の下端部および該下端部に続く上端方向の各加熱部は、次いで、高周波コイル15の直下に配置された環状の冷却水ジャケット16の内部を進行し、該冷却水ジャケット16の内周壁16a に形成された多数の噴射孔16b より噴射される冷却水により急速に冷却されて、焼入れが行なわれる。
【００２１】
以上のようなシャフトスクリュ８a の高周波焼入れ装置14による焼入れ方法においては、シャフトスクリュ８a の下端に先ず最初に焼入れが行なわれる。したがって、この焼入れ開始部において、比較的大きな拡径変化が生じる。
【００２２】
これに対して、焼入れが終了するシャフトスクリュ８a の上端の焼入れ部には、大きな拡径変化が生じない。したがって、この上端側からシャフトスクリュ８a をナットスクリュ17に螺合させて組み付けることができ、これにより、容易にボールスクリュ19を組み立てることができる。
【００２３】
また、シャフト８の移動速度、回転速度および回転方向が前記のように設定されているので、シャフト８は、シャフトスクリュ８a のネジ溝があたかも静止しているかのように見えながら、回転しつつ、その軸方向下方に移動していく。このため、冷却水ジャケット16の内周壁16a に形成された多数の噴射孔16b より噴射される焼入れ水は、図５に図示されるように、常にシャフトスクリュ８a の一定の部位（ネジの山のみ、または、ネジの谷のみ）をそれぞれ冷却することになる。
【００２４】
この結果、同一個所（山または谷）を見れば、バラツキの少ない冷却となり、シャフトスクリュ８a のネジ面へのボール18の接触角の左右差は小さくならないが、バラツキが小さくなり、ボールスクリュ19の作動騒音を低減させることができる。
【００２５】
これに対して、上記の等式が成り立たず、シャフト８の移動速度Ｖに対し、シャフト８の回転数Ｎが大きいか、もしくは小さい場合には、焼入れ水のネジ面への噴射経路は、図６に図示されるように、ネジ山をシャフト８の移動方向に過るか、もしくはシャフト８の移動方向と反対方向に過ることになり、いずれの場合も、ネジ筋に一致した冷却とならないので、接触角のバラツキが大きくなる。
【００２６】
また、シャフト８の回転方向を、シャフト８の移動方向と反対方向にネジが進む方向とすると、焼入れ水は、図７に図示されるように、ネジの山、谷をランダムに冷却するので、接触角のバラツキがさらに大きくなる。但し、接触角の左右差は小さくなる。
【００２７】
シャフト８の回転方向がシャフト８の移動方向と反対方向にネジが進む方向とされた図７の場合の接触角のバラツキ分布が図９に図示されている。これを、シャフト８の回転方向がシャフト８の移動方向にネジが進む方向とされ、シャフト８の移動速度と回転速度とが前記の式を充たすように設定された本実施形態における高周波焼入れ方法が適用された図５の場合の接触角のバラツキ分布（図８参照）と比較すると、接触角の大きなバラツキの頻度が顕著に低減していることが認められる。
【００２８】
本願の発明は、シャフトスクリュの高周波焼入れ方法とされたが、これに限定されず、作動騒音が特に問題とされるネジ伝動部のネジの高周波焼入れ方法として、広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の請求項１に記載された発明の一実施形態におけるシャフトスクリュの高周波焼入れ方法が実施される高周波焼入れ設備の全体の概略構成図であって、一部を切断して示す図である。
【図２】図１の高周波焼入れ装置部分の概略拡大縦断面図である。
【図３】図１の実施形態において、ボールスクリュの組立状態の縦断面図である。
【図４】図１の実施形態において、シャフトスクリュのネジ面へのボールの接触状態を示す図である。
【図５】図１の実施形態において、焼入れ水の噴射経路を模式的に示す図である。
【図６】焼入れ水の噴射経路の比較例を示す図である。
【図７】焼入れ水の噴射経路の他の比較例を示す図である。
【図８】図１の実施形態において、接触角のバラツキ分布を示すグラフである。
【図９】図７の比較例において、接触角のバラツキ分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１…高周波焼入れ設備、２…縦コラム、３…スライダ、４…上アーム、５…下アーム、６…制御装置、７…モータ、８…シャフト、８a …シャフトスクリュ（ネジ部）、９…上主軸、10…下主軸台、11…下主軸、12…モータ、13…ベルト、14…高周波焼入れ装置、15…高周波コイル、16…冷却水ジャケット、16a …内周壁、16b …噴射孔、17…ナットスクリュ、18…ボール、19…ボールスクリュ。

Claims (1)

1. シャフトを回転させつつ、その軸方向に移動させて、該シャフトの一部に形成されたシャフトスクリュに高周波焼入れを行なうシャフトスクリュの高周波焼入れ方法において、
   前記シャフトの回転方向は、前記シャフトの移動方向にネジが進む方向とされ、
   前記シャフトの回転数と、加熱部および冷却部を有する高周波焼入れ装置に対する前記シャフトの移動速度とが、下記の条件式を満たすように同期させられていることを特徴とするシャフトスクリュの高周波焼入れ方法。
   （シャフトの回転数）＝（シャフトの移動速度）／（ネジのピッチ）

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