JP4002092B2 - 転造ボールねじ軸 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電動パワーステアリング用ボールねじ等に適用する転造ボールねじ軸に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールねじは、ねじ軸の外周面に設けた螺旋状のねじ溝と、ねじ軸に外嵌したナットの内周面に設けた螺旋状のねじ溝との間に複数のボールを配し、ねじ軸（またはナット）の回転動力を、ボールを介してナット（またはねじ軸）の推力に変換するものである。こうしたボールねじのねじ軸において、ねじ溝を精度良く加工する方法としては、研削加工による方法と、転造による方法とがあり、生産性の面からは転造加工の方が優れている。例えば、自動車部品である電動パワーステアリング装置用のボールねじでは、軽量化と共に製造コストの低減を図ることが望まれている。
【０００３】
図６はボールねじ軸を転造加工する装置の模式図、図７は素材の軸端部の形状を示す正面図、図８は素材がロールダイスに食い付く状態を示す概略図である。ボールねじ軸のねじ溝を転造加工によって製造する場合、図６に示すように、レスト５０上に載置した円柱状素材６０を一対の丸形ロールダイス７０、８０間に挟持し、所望の加圧力で押付けながら軸方向に送って行く。一対のロールダイス７０、８０は、矢印Ｐ、Ｑの方向に同じ周速度で回転し、一方のロールダイス７０の軸は固定、他方のロールダイス８０の軸は固定側ダイス７０の軸に対して矢印Ｒの方向に移動して、素材６０を加圧してロールダイス７０、８０の外周に形成したねじ溝を転写する。
【０００４】
図７に示すように、素材６０の軸端部に、その外径Ａがねじ溝底径より大きく、かつ素材外径Ｄよりも小さい円柱部６１と、この円柱部６１に連続して素材外径Ｄ側にテーパ角度θ（１〜３°）で拡開するテーパ部６２を形成している。また、この円柱部６１の軸方向長さＷをロールダイス７０、８０の幅の２／３に設定している。さらに、軸端にＣ面取り部６３を形成し、素材６０のロールダイス７０、８０への食い付きを容易にしている。
【０００５】
素材６０の軸端部をこうした形状に形成することにより、図８に示すように、素材６０の軸端部はロールダイス７０、８０に緩やかに食い付いて、所望のリード精度等を有するねじ溝６５を転造成形することができる。また、軸端部には、ねじ山６４の幅が正規のものより広く、かつ、ねじ溝６５の深さが正規のものより浅い不完全ねじ部６６ができる（特開２０００−５１９８４公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうしたボールねじ軸の軸端部形状に形成することにより、素材の一端がロールダイスに食い付く時、急激な塑性変形による応力が緩和され、所望のリード精度等の良好な精度を有するねじ溝を形成することができる反面、不完全ねじ部が結果として存在することになる。この不完全ねじ部は、軽量化を図る上で障害となるため、転造完了後に切断除去する必要があるが、切断部分の材料費、切断工数の付加によって、製造コストのアップを招来していた。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、転造ボールねじ軸の素材先端の面取り形状を工夫することにより、転造開始時に発生する急激な塑性変形による応力を抑制し、かつ不完全ねじ部の生成を最小限に止めることにより、良好な精度のねじ溝が得られ、低コストな転造ボールねじ軸を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１記載の発明は、外周に螺旋状のボールねじ溝を転造により形成した転造ボールねじ軸において、前記ボールねじ軸の先端面取り部の幅を前記ボールねじ溝のリードの１／２〜１に設定すると共に、前記面取り部に不完全ねじ部が形成されている構成を採用した。
【０００９】
このように、ボールねじ軸の先端に形成した面取り部において、面取り部の幅を、そのボールねじ溝のリードの１／２〜１に設定することにより、一対のロールダイスのうち、一方のロールダイスでねじ溝を成形開始し、その後二つのロールダイスにて成形することになるため、塑性加工開始時に発生する急激な加工応力を緩和することができ、転造加工精度を向上させると共に、面取り部に形成される不完全ねじ部を最小限に抑制することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明のように、ボールねじ軸の先端面取り部の小径をそのボールねじ溝の溝底径以下に設定すれば、さらに転造初期の加工応力を抑制することができる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明のように、ボールねじ溝間のランド部を転造面により形成すれば、溝肩部に発生するエッジを防止できるだけでなく、ねじ溝成形と同時に、肩部を所望の形状に成形することができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明のように、ボールねじ溝の溝底部に、前加工の切削溝部を残し、前記ボールねじ溝を転造面とすれば、転造による塑性加工応力を抑制でき、転造加工精度を向上させることができると共に、ねじ軸の曲がり等の変形を抑制することができる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、転造ボールねじ軸の軸心部に貫通孔を有する中空とすることにより、空冷効果によって運転中における昇温を抑制することができと共に、ボールねじ装置の軽量化を達成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１乃至図５と共に説明する。図１は、本発明に係る転造ボールねじ軸の転造加工装置を示す平面図である。ボールねじ軸の円柱状素材１は、一対のロールダイス２、３の両側に配設したブッシュ４、５内を軸方向に移動する。このブッシュ４、５は、転造加工する素材１の長さに応じて適宜複数個配設し、素材１の軸心を規制し、素材１が一対のロールダイス２、３間にスムーズに食い込み、振れることなく軸方向に移動できるように素材１を案内している。
【００１５】
また、ロールダイス２、３のうち、一方のロールダイス２は、軸心を固定した固定側とし、他方のロールダイス３は、ねじ軸１の径方向に進退可能な可動側としている。これらのロールダイス２、３の外周面には所望の形状の螺旋状ねじ山２ａ、３ａを形成し、互いに同方向に回転しながら素材１の外周にねじ溝１ａとランド部１ｂを塑性加工によって形成していく。ここで、一対のロールダイス２、３によってねじ溝１ａとランド部１ｂを同時に転造加工するようにすれば、ねじ溝１ａの肩部を滑らかな円弧状に形成することができる。
【００１６】
通常ボール（図示せず）が転動する際に発生する接触楕円が肩部に乗り上げると過大な面圧により早期剥離や異常摩耗等を誘発して好ましくないため、転造加工後に旋削等で肩部のエッジを削除し円弧状に形成している。さらに転造でねじ溝を成形した後、外径側に塑性流動した凸部を削除し、転造加工で生じたねじ軸の曲がり等を修正するため研削等で外径を切削している。本実施例では、ねじ溝１ａとランド部１ｂを同時加工するようにしたので所望の肩部形状に成形することができ、また転造の塑性加工応力を緩和してねじ軸の変形を抑制することができるので、こうした加工工程は不要か最小限に止めることができる。したがって、低コストで高精度な転造ねじ軸を得ることができる。
【００１７】
素材１は図中矢印にて示すように左から右に移動するが、その転造開始部におけるロールダイス２、３のねじ山２ｂ、３ｂは、他のねじ山２ａ、３ａより小径に形成し、ねじ山２ｂ、３ｂの頂上の外接線は滑らかな円弧、あるいはテーパ状になっている。したがって、素材１の先端部６は、強い衝撃を受けることなくロールダイス２、３に食い付くことになる。
【００１８】
一方、素材１の先端部６には、図２に示すように面取り部６ａを形成している。図では角面取り、所謂Ｃ面取りに形成しているが、これに限らず滑らかな円弧状であっても良い。この面取り部６ａは、その面取り角度φを小さく設定する方が、素材１のスムーズな食い付きという点で好ましいが、小さくし過ぎると面取り部６ａの幅が大きくなり、その分不完全ねじ部１ｃが増えることになって軽量化を阻害することになる。また、この不完全ねじ部１ｃを転造後に切断除去する場合は、切断部分の材料費、切断工数の付加によって製造コストのアップになり好ましくない。
【００１９】
一方、面取り角度φが大き過ぎると不完全ねじ部１ｃは抑制できるものの、転造開始時に急激な加工応力が発生し、転造加工精度が劣化して好ましくないため、面取り角度φは３０〜４５°の範囲が好ましい。図２（ａ）は、面取り角度φを３０°に設定した場合、また、図２（ｂ）は面取り角度φを４５°に設定した場合を示している。
【００２０】
面取り部６ａの小径ｄ１は、ねじ溝１ａの溝底径ｄ以下に形成している。これは、ロールダイス２、３の転造開始点で、素材１の端面がロールダイス２、３のねじ山２ｂ、または３ｂに衝突し、大きな衝撃や塑性変形による過大応力が発生しないよう緩和する働きをする。
【００２１】
面取り部６ａの幅Ｔは、ねじ溝１ａのリードＬの１／２〜１に設定している。この理由を次に説明する。ねじ軸を転造する場合、素材１の転造加工が始まる初期は、二つのロールダイス２、３のねじ山は、それぞれ軸方向にリードＬの１／２だけずれて配置されているため、一対のロールダイス２、３のうち一方のロールダイス２（３）にのみ素材１が接触して塑性変形が始まる。こうした転造初期のロールダイス２（３）による塑性変形は、ねじ軸のリードＬの１／２だけ素材１の加工が進行するまで継続し、それ以降は二つのロールダイス２、３と接触して素材１の転造加工が進む。したがって、素材１の面取り部の幅ＴがＴ＜１／２Ｌの場合、不完全ねじ部１ｃだけでなく、正規のねじ溝１ａまでも一方のロールダイス２（３）で加工することになり好ましくない。ここでいう不完全ねじ部１ｃとは、ねじ溝１ａやねじ軸外径寸法・形状が正規のものと異なる部分をいう。
【００２２】
また、素材１の面取り部６ａの幅ＴがＴ＞Ｌの場合、二つのロールダイス２、３で素材１の１リードの転造が完了した状態、すなわち、不完全ねじ部１ｃを二つのロールダイス２、３で加工完了し、両ロールダイス２、３が充分接触している状態で正規のねじ溝１ａを加工することになり、素材１の先端部６に形成した面取り部６ａによる塑性加工応力を緩和する効果は半減する。
【００２３】
本実施例では、円柱状素材１の外径に螺旋状のねじ溝１ａを転造加工で成形した転造ねじ軸を例示したが、例えば、自動車部品である電動パワーステアリング装置用のボールねじでは軽量化を図るため、ねじ軸の軸心に貫通孔を有する所謂中空ねじ軸であっても良い。中空ねじ軸においては、パイプ素材に前述した一対のロールダイスでねじ溝を形成する場合と、中実の素材にねじ溝を形成した後に、中ぐり用工具で貫通孔を形成する場合がある。特に、パイプ素材にねじ溝を転造加工する場合は、転造代を残して予め旋削等で螺旋状ねじ溝を前加工として切削加工し、その後、転造加工でねじ溝のボール接触部を成形すると良い。
【００２４】
一般にねじ溝１ａの断面形状は、ボール半径よりも僅かに大きい曲率半径の単一円からなる溝と、二つのオフセットした曲率中心を有するゴシックアーク溝とが適宜採用され、ボールと所定の角度で接触している。ここで、ゴシックアーク溝の場合、その溝底部の形状は、二つの円弧が交叉する角部を有するため、転造加工時の面圧が高くなり、ロールダイスの摩耗寿命の面から、前加工でねじ溝を切削加工で形成するのが好ましい。
【００２５】
また、特に中空のねじ軸の場合は、転造加工による軸の変形が中実軸に比べ大きいため、このように前加工で肩部を含め螺旋状のねじ溝を形成し、転造加工でボールとの接触部のみを成形するようにすれば、転造加工に要する加圧力を最小限にすることができ、ねじ軸の変形を抑制することができる。さらに前述した肩部やランド部への材料の塑性流動を最小限に抑制することもでき、高精度なねじ溝を成形することができる。
【００２６】
通常ボールねじ軸は、転動疲労寿命を向上させるため、ねじ溝の表面に５８〜６３ＨＲＣの範囲で硬化層を形成する。この硬化層は、比較的低コストで所望の硬化層深さを短時間で形成できる高周波誘導加熱による方法が一般に採用されているが、特に転造ねじ軸においては、加工応力が内部に残留し、こうした焼入れ処理によって残留応力が開放されて軸の曲がり等の変形が大きい。したがって、変形の少ない焼入れ処理が種々検討されているが、前述したように予め前加工でねじ溝を形成し、その後ボール接触部のみを転造加工によって形成するようにすれば、煩雑な焼入れ処理や焼入れ後にねじ軸を矯正する必要がなくなる。
【００２７】
次に、図３乃至図５を用いて、素材１が一対のロールダイス２、３に食い付く状態を、各種先端部の形状の違いに別けて説明する。
【００２８】
図３は面取り角度φを３０°、面取り部小径ｄ１を溝底径ｄよりも大きくｄ１＞ｄに設定した場合である。面取り部６ａの幅Ｔは、ねじ溝１ａのリードＬの１／２〜１に設定している。この実施例の場合、素材１の面取り部６ａは最初に一方のロールダイス２のねじ山２ｂに接触し、ねじ軸のリードＬの１／２だけ素材１の塑性加工が進行し、丁度他方のロールダイス３と接触した瞬間を示している。ロールダイス２、３のねじ山２ｂ、３ｂによって面取り部６ａに不完全ねじ部１ｃを半周から全周に亙って形成した後、素材１の外径にも不完全ねじ部を形成して行き、素材１は図中右方向に移動する。その後ロールダイス２、３のねじ山２ａ、３ａが面取り部６ａの不完全ねじ部１ｃに順次係合し、さらに素材１の外径の不完全ねじ部を正規のねじ溝１ａに成形して行く。
【００２９】
図４は面取り角度φを３０°、面取り部小径ｄ１を溝底径ｄよりも小さくｄ１＜ｄに設定した場合である。また、面取り部６ａの幅Ｔは、ねじ溝１ａのリードＬの１／２〜１に設定している。この実施例の場合、素材１の面取り部６ａは最初に一方のロールダイス３のねじ山３ｂに接触した瞬間を示している。この後、前述した図３の同様、ロールダイス２、３の他のねじ山２ｂ、３ｂで面取り部６ａに不完全ねじ部１ｃを形成し、素材１の外径にも不完全ねじ部を形成して行く。その後ロールダイス２、３のねじ山２ａ、３ａが面取り部６ａの不完全ねじ部１ｃに順次係合し、さらに素材１の外径の不完全ねじ部を正規のねじ溝１ａに成形して行く。面取り部小径ｄ１を溝底径ｄよりも小さくｄ１＜ｄに設定すれば、転造開始点において、面取り部６ａの角部がロールダイス２、３のねじ山２ｂ、３ｂの斜面に当接することはなく、面取り部６ａの面部で当接するため、さらに転造初期の加工応力を低減することができる。
【００３０】
図５は面取り角度φを４５°、面取り部小径ｄ１を溝底径ｄよりも小さくｄ１＜ｄに設定した場合である。また、面取り部６ａの幅Ｔは、ねじ溝１ａのリードＬの１／２〜１に設定している。この実施例の場合、素材１の面取り部６ａは最初にロールダイス３のねじ山３ｂに接触した瞬間を示している。その後の成形は前述した実施例と同様であるが、面取り角度φを４５°に設定し、かつ面取り部小径ｄ１を溝底径ｄよりも小さくｄ１＜ｄに設定しているため、面取り部６ａの幅寸法を３０°の場合よりも小さくすることが可能となり、図４の実施例と同様、転造開始点において、面取り部６ａの角部がロールダイス２、３のねじ山２ｂ、３ｂの斜面に当接することはなく、面取り部６ａの面部で当接するため、転造初期の加工応力を低減することができる。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る転造ボールねじ軸は、ボールねじ軸の先端に形成した面取り部において、面取り部の幅を、そのボールねじ溝のリードの１／２〜１に設定することにより、一対のロールダイスのうち、一方のロールダイスでねじ溝を成形開始し、その後二つのロールダイスにて成形することになるため、塑性加工開始時に発生する急激な加工応力を緩和することができ、転造加工精度を向上させると共に、面取り部に形成される不完全ねじ部を最小限に抑制することができる。さらに、面取り部小径をそのボールねじ溝の溝底径以下に設定すれば、一層転造初期の加工応力を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る転造ボールねじ軸を転造加工している状態を示す平面図である。
【図２】（ａ）本発明に係る転造ボールねじ軸の実施形態を示す部分拡大図である。
（ｂ）本発明に係る転造ボールねじ軸の他の実施形態を示す部分拡大図である。
【図３】本発明に係る転造ボールねじ軸素材の転造開始時を示す概略図である。
【図４】本発明に係る転造ボールねじ軸素材の転造開始時を示す概略図である。
【図５】本発明に係る転造ボールねじ軸素材の転造開始時を示す概略図である。
【図６】従来の転造ボールねじ軸を転造加工する装置を示す模式図である。
【図７】従来の転造ボールねじ軸素材の軸端部の形状を示す正面図である。
【図８】従来の転造ボールねじ軸素材の転造開始時を示す概略図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・素材
１ａ・・・・・・・ねじ溝
１ｂ・・・・・・・ランド部
１ｃ・・・・・・・不完全ねじ部
２、３・・・・・・ロールダイス
２ａ、２ｂ・・・・ねじ山
３ａ、３ｂ・・・・ねじ山
４、５・・・・・・ブッシュ
６・・・・・・・・先端部
６ａ・・・・・・・面取り部
ｄ・・・・・・・・ねじ溝底径
ｄ１・・・・・・・面取り部小径
Ｌ・・・・・・・・ねじ溝リード
Ｔ・・・・・・・・面取り部の幅
φ・・・・・・・・面取り角度
５０・・・・・・・レスト
６０・・・・・・・素材
６１・・・・・・・円柱部
６２・・・・・・・テーパ部
６３・・・・・・・面取り部
６４・・・・・・・ねじ山
６５・・・・・・・ねじ溝
６６・・・・・・・不完全ねじ部
７０、８０・・・・ロールダイス
Ａ・・・・・・・・円柱部外径
Ｄ・・・・・・・・素材外径
Ｗ・・・・・・・・円柱部長さ

Claims (5)

1. 外周に螺旋状のボールねじ溝を転造により形成した転造ボールねじ軸において、前記ボールねじ軸の先端面取り部の幅を前記ボールねじ溝のリードの１／２〜１に設定すると共に、前記面取り部に不完全ねじ部が形成されていることを特徴とする転造ボールねじ軸。
2. 前記ボールねじ軸の先端面取り部の小径を前記ボールねじ溝の溝底径以下に設定した請求項１に記載の転造ボールねじ軸。
3. 前記ボールねじ溝間のランド部を転造面により形成した請求項１または２に記載の転造ボールねじ軸。
4. 前記ボールねじ溝の溝底部に、前加工の切削溝部を残し、前記ボールねじ溝を転造面とした請求項１乃至３いずれかに記載の転造ボールねじ軸。
5. 前記転造ボールねじ軸の軸心部に貫通孔を有する中空とした請求項１乃至４いずれかに記載の転造ボールねじ軸。

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