JP4121393B2 - ねじ軸、ねじ軸の硬化方法およびボールねじ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ねじ軸、ねじ軸の硬化方法ならびにボールねじに関する。
【0002】
【従来の技術】
ボールねじに備えるねじ軸を硬化する方法として、浸炭焼入れや高周波焼入れなどがある。
【0003】
一般的に、上記ねじ軸は、その一端から他端までの全長にわたって連続する1条の螺旋形状のねじ溝を設けている。そこで、このようなねじ軸を高周波焼入れする場合には、螺旋形状の高周波加熱コイルを用い、この高周波加熱コイルをねじ軸のねじ溝内に入り込ませることにより、高周波加熱コイルとねじ溝や両肩部に対する隙間をほぼ一定にさせるような形態で行うことが考えられている(特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−326856号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では、ねじ軸のねじ溝内に高周波加熱コイルを所定の隙間を保った状態で入り込ませるようにしているが、ねじ溝と高周波加熱コイルとの相対位置を高精度に保つ必要があるために、均一な硬化層を得ることは困難であると言える。
【0006】
ところで、本願出願人は、例えばボールを循環させるリターンチューブなどの部品を省略してコスト低減を図るために、ねじ軸に例えば約1巻きのねじ溝を少なくとも1つ設け、このねじ溝の上流と下流とをボール循環溝で連結して閉ループとし、この閉ループ内でボール群を転動循環させる構造にしたものを鋭意研究している。この研究過程において、本願出願人は新たな課題を見出したので、この出願に至った。なお、このようにねじ溝を全長にわたって連続して設けていないねじ軸に対しては、上記従来例で示した高周波焼入れを適用することはできない。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るねじ軸は、ボールねじに用いられるねじ軸であって、その外周面に、約1巻きのねじ溝が少なくとも1つ設けられているとともに、この約1巻きのねじ溝の下流と上流とを連通連結して閉ループとするためのボール循環溝が設けられており、前記ねじ溝およびその両肩部に対して硬化処理が施されていて、前記ボール循環溝に対して硬化処理が施されていない。
【0008】
なお、上記「約1巻き」の「約」とは、後の実施形態の説明に引用する図面に示すように、1巻きに満たないということを表している。
【0009】
この場合、ねじ溝の耐摩耗性が向上する一方、ボール循環溝に対して硬化処理に伴う熱歪が発生せずに済んで、ボール循環溝の精度が旋削加工時の精度に維持される。なお、ボール循環溝を硬化しなくても、このボール循環溝を通過するボールが荷重を負担しない関係より耐摩耗性がさほど要求されないので、問題ない。
【0010】
本発明に係るねじ軸の硬化方法は、ボールねじに用いられ、かつ外周面に約1巻きのねじ溝が少なくとも1つ設けられているとともに、この約1巻きのねじ溝の下流と上流とを連通連結して閉ループとするためのボール循環溝が設けられたねじ軸に対する硬化方法であって、前記ねじ溝にそれを横切る姿勢で高周波加熱コイルを対向配置させて、この高周波加熱コイルに高周波電流を流すことにより前記ねじ軸の表面側に前記ねじ溝を横切る向きの誘導電流を発生させつつ、前記ねじ軸または高周波加熱コイルの一方を周方向に動かして、前記高周波コイルを、ねじ溝においてボール循環溝との一方の連結部分の位置から他方の連結部分の位置まで順次対向させることにより、前記ねじ溝の全域およびその両肩部を高周波焼入れするとともに、前記ボール循環溝に対して硬化処理を施さないようにする。
【0011】
この場合、ねじ溝の両肩部を過剰に加熱することがなく、また、ねじ溝の底まで十分に加熱することができて、ねじ溝およびその両肩部に、それらの表面からほぼ一定の深さの硬化層を形成できるようになる。
【0012】
本発明に係るボールねじは、ナット部材の内周面に設けられるねじ溝とねじ軸の外周面に設けられるねじ溝との間に複数のボールが介装されて、前記ナット部材とねじ軸との間でトルクを推力に、または推力をトルクに変換させるもので、前記ねじ軸の外周面に、約1巻きのねじ溝が少なくとも1つ設けられているとともに、この約1巻きのねじ溝の下流と上流とを連通連結して閉ループとするためのボール循環溝が設けられており、前記ねじ溝およびその両肩部に対して硬化処理が施されていて、前記ボール循環溝に対して硬化処理が施されていない。
【0013】
この場合、上記したねじ軸を用いてボールねじを構成しているから、ねじ軸のねじ溝の耐摩耗性が向上するとともに、ねじ軸のボール循環溝を通過するボールの動きが円滑になるなど、ボールねじの信頼性が向上する。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1から図8に本発明の一実施形態を示している。図例のボールねじ1は、ナット部材2と、ねじ軸3と、複数のボール4とを備えており、ナット部材2とねじ軸3との対向面間でボール4群を循環させるようになっている。ナット部材2およびねじ軸3は、S45C,S55Cなどの炭素鋼製あるいはSAE4150鋼製とされ、また、ボール4は、軸受鋼(SUJ2)とされる。
【0015】
ナット部材2には、その一方軸端から他方軸端まで連続する1条のねじ溝21が形成されている。ねじ軸3には、軸心方向途中領域に互いに独立した2つのねじ溝31a,31bが軸方向隣り合わせに形成されている。このねじ溝31a,31bは、それぞれ1巻きに満たない長さ、つまり約1巻きの長さになっている。これらナット部材2のねじ溝21とねじ軸3のねじ溝31a,31bとは、互いに同じリード角に設定されている。なお、上記ねじ溝21,31a,31bの断面形状は、ゴシックアーク形状とされているが、半円形状とすることもできる。
【0016】
また、上記ねじ軸3の軸心方向で隣り合う2つのねじ溝31a,31bの間に存在するねじ山(ランド部)32には、2つのねじ溝31a,31bの上流側と下流側とを個別に連通連結して独立した閉ループとするボール循環溝33,34が設けられている。このボール循環溝33,34の断面形状も、上記ねじ溝21,31a,31bの断面形状と同様、ゴシックアーク形状とされているが、半円形状とすることもできる。
【0017】
このボール循環溝33,34で閉ループにされた2つのねじ溝31a,31b内で、それぞれ複数のボール4が転動循環されるようになっている。なお、ボール循環溝33,34に入ったボール4は、一旦内径側へ沈んでナット部材2のねじ山(ランド部)22を乗り越えてから外径側へ浮き上がって出る。そのために、図5に示すように、ボール循環溝33,34において、その中間領域は径方向内側に沈み込むように湾曲した形状(凹曲形状)になっており、また、ボール循環溝33,34の両端側領域が径方向外側に膨らむように湾曲した形状(凸曲形状)になっている。
【0018】
さらに、ねじ軸3の軸方向両端側の外周面には、それぞれ周溝が設けられており、この2つの周溝に対して止め輪7がそれぞれ係合されている。この止め輪7の外径寸法は、ナット部材2の内径寸法よりも大きく設定されており、この止め輪7でもってナット部材2の軸方向移動ストロークを制限するようになっている。
【0019】
ところで、ボール循環溝33,34を通過するボール4は、ラジアル荷重を受けないので、ボール循環溝33,34の円周方向の長さ、つまり図5に示す占有角度θを可及的に小さくすることにより、ボールねじ1の負荷容量を高めるのが好ましい。しかし、占有角度θを小さくするに従いボール循環溝33,34を転動するボール4の方向転換角度が大きくなってボール4が詰まりやすくなるので好ましくない。このような点を考慮して、占有角度θを可及的に小さくする方向で適度に設定する必要がある。
【0020】
この占有角度θに関連して、図4に示すように、ボール循環溝33,34を外径側から見たとき、ねじ軸3の中心線Oと、ボール循環溝33,34を転動するボール4の中心の移動軌跡Cとの傾き角αを、45〜60度に設定するのが好ましい。さらに、図4に示すように、ボール循環溝33,34とねじ溝31a,31bとの連接部分を転動するボール4の中心の移動軌跡は、ボール4の直径rに対して1.8倍以上の曲率半径Rを有する曲線とするのが好ましい。このようにすれば、ねじ溝31a,31bとボール循環溝33,34との間のボール4の出入りや、ボール循環溝33,34を通過するボール4の動きを円滑にすることができる。
【0021】
次に、上記ボールねじ1の動作を説明する。
【0022】
例えばナット部材2を回転自在に支持し、上記ねじ軸3を非回転かつ軸心方向不動に取り付けた状態において、上記ナット部材2を回転させると、このナット部材2が、図1の二点鎖線で示すように2つの止め輪7の間でねじ軸3上を軸方向に動くことになる。この他、ナット部材2またはねじ軸3の一方を回転させることで他方を軸心方向に移動させる使用形態、あるいはナット部材2またはねじ軸3の一方を軸心方向に移動させることで他方を回転させる使用形態にすることができる。
【0023】
この実施形態では、ねじ軸3においてねじ溝31a,31bおよびその両肩部に硬化処理を施して表面硬さをHRC(ロックウェル硬度)58〜62とし、ボール循環溝33,34に対して硬化処理を施さないようにしている。この硬化処理としては、高周波焼入れや浸炭焼入れなどが挙げられるが、硬化を行う周知の方法であればすべて含まれる。
【0024】
ここでは、硬化処理を高周波焼入れとする場合について説明する。
【0025】
ここでのねじ軸3は、例えば炭素鋼S55C材をベースとして、ねじ溝31a,31bおよびボール循環溝33,34を旋削加工により形成している。
【0026】
まず、図6および図7に示すように、ねじ軸3に対して高周波加熱コイル10を対向配置させる。詳しくは、高周波加熱コイル10においてU字形に屈曲された部分11をねじ軸3に対して対向配置させるのであるが、このU字形部分11の二つの直線部分11a,11bをねじ軸3の中心軸線に対して平行にし、このうち一方の直線部分11aを、ねじ溝31a,31bにおいてボール循環溝33,34との一方の連結部分に対して配置させる。
【0027】
このような状態で、ねじ軸3を図7の矢印方向に回転させることで、高周波加熱コイル10を、ねじ溝31a,31bにおいてボール循環溝33,34との一方の連結部分の位置から他方の連結部分の位置まで順次対向させる。これにより、ねじ溝31a,31bの全域、つまりねじ溝31a,31bにおいてボール循環溝33,34に対する一方の連結部分から他方の連結部分までの領域が加熱される。なお、ねじ溝31a,31bにおいてボール循環溝33,34に対する一方の連結部分および他方の連結部分とは、図5においてボール循環溝33,34の両端の変曲点を指すが、この変曲点よりもボール循環溝33,34寄りに入り込んだ部分も含むよう広義に考えている。そのため、前記変曲点よりもボール循環溝33,34寄りに入り込んだ部分まで硬化処理したものも本発明に含む。
【0028】
このような方法であれば、高周波加熱コイル10に高周波電流を流すと、ねじ軸3の表面側には前記高周波電流と逆向きであるが、平行に誘導電流が流れる。詳しくは、図8の矢印で示すように、ねじ溝31a,31bおよびその両肩部の表面形状に沿ってねじ溝31a,31bを横切る向きに誘導電流が流れる。これにより、ねじ溝31a,31bおよびその両肩部が、ほぼ一定の深さまで加熱されるので、図8のクロスハッチングで示すように、深さがほぼ一定の硬化層35(表面硬度HRC58〜62)が形成される。
【0029】
ところで、本発明者らは、螺旋形状の高周波加熱コイルを用いて、本実施形態に係るねじ軸3に対して高周波焼入れを行うことを試みた。但し、この形態は、ボール循環溝33,34も加熱されてしまうので、本発明の実施形態としては採用できないが、本発明の比較例として説明する。つまり、図9および図10に示すように、螺旋形状の高周波加熱コイル20の内部空間にねじ軸3を挿入し、高周波加熱コイル20をねじ溝31a,31bに対して沿わせるように対向配置させる。この場合、高周波加熱コイル20によりねじ軸3に発生する誘導電流は、図11の矢印で示すように、ねじ溝31a,31bの長手方向に沿う向きに流れるが、ねじ溝31a,31bの両肩部の角に誘導電流が集中して流れる。そのため、ねじ溝31a,31bの両肩部の角が過剰に加熱される一方で、ねじ溝31a,31bの溝底側が加熱されにくくなるので、図11のクロスハッチングで示すように、深さがばらついた硬化層35が形成されてしまう。
【0030】
つまり、本実施形態に係る高周波焼入れ方法では、ボール循環溝33,34に硬化処理を施さないようにすることが容易となり、また、ねじ溝31a,31bの両肩部の角が過剰に加熱されずに済むとともにねじ溝31a,31bの底側を不足なく加熱できるなど、上記比較例に係る高周波焼入れ方法よりも優れていると言える。
【0031】
このような硬化処理を施すと、ねじ溝31a,31bに僅かながらも熱歪が発生するので、硬化処理の後でねじ溝31a,31bに対して研磨処理を施すことにより、前記熱歪を除去するのが好ましい。但し、ボール循環溝33,34には硬化処理を施していないので、このボール循環溝33,34には研磨処理をする必要がなく、無駄を省ける。
【0032】
次に、ボール循環溝33,34に硬化処理を施さない理由を説明する。
【0033】
そもそも、ボール循環溝33,34を通過するボール4は荷重を受けないので、ボール循環溝33,34は摩耗、損傷しにくいと言える。また、硬化処理を施すと、熱歪が発生するので、ボール循環溝33,34でボール4の動きが悪くなるおそれがある。これに対しては、ボール循環溝33,34を研磨すればよいのであるが、下記するような理由により研磨処理が行えない。この研磨処理では、回転砥石をねじ軸3のねじ溝31a,31bに接触させた状態でねじ軸3を回転させるようにするので、回転砥石が、ねじ軸3のねじ溝31a,31bに接するものの、ボール循環溝33,34に接触しない状態になるから、ボール循環溝33,34を研磨できなくなるのである。
【0034】
要するに、ボール循環溝33,34については、耐摩耗性よりも形状精度を確保することを重要視する必要があるから、硬化処理を施さないようにしているのである。これにより、ボール循環溝33,34に熱歪が発生することがないから、ボール循環溝33,34の精度を旋削時の精度に維持することができる。そのため、ボール循環溝33,34をボール4が通過するときに、ボール4の動きが円滑になり、ボール循環溝33,34でのボール4詰まりを確実に防止できるようになる。
【0035】
なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されない。例えば、ねじ軸3に対する硬化処理を浸炭焼入れとする場合には、硬化処理しない部分に対して防炭処理を施しておく必要がある。また、ナット部材2のねじ溝21に対して硬化処理を施しているものも本発明に含まれる。
【0036】
【発明の効果】
本発明のねじ軸は、ボールねじに組み込むことで、耐摩耗性ならびに動作円滑性に優れたものとなり、信頼性向上に貢献できる。
【0037】
本発明のねじ軸の硬化方法は、ねじ溝およびその両肩部に、それらの表面からほぼ一定の深さの硬化層を形成できるようになり、安定した硬化処理が可能となる。
【0038】
本発明のボールねじは、上記したねじ軸を用いた構成であるから、ねじ軸のねじ溝の耐摩耗性が向上するとともに、ねじ軸のボール循環溝を通過するボールの動きが円滑になるなど、ボールねじの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るボールねじの断面図
【図2】図1のボールねじの分解斜視図
【図3】図1のボール循環経路を模式的に示す側面図
【図4】図1のボール循環溝を展開して示す平面図
【図5】図4のボール循環溝の断面図
【図6】図1のねじ軸に対する高周波焼入れの様子を示す斜視図
【図7】図6の平面図
【図8】図6においてねじ軸に発生する誘導電流を示す断面図
【図9】本発明の比較例に係り、図6に対応する図
【図10】図9の平面図
【図11】図9においてねじ軸に発生する誘導電流を示す断面図
【符号の説明】
1 ボールねじ
2 ナット部材
21 ナット部材のねじ溝
3 ねじ軸
31a,31b ねじ軸のねじ溝
33,34 ねじ軸のボール循環溝
35 硬化層
4 ボール
Claims (3)
- ボールねじに用いられるねじ軸であって、その外周面に、約1巻きのねじ溝が少なくとも1つ設けられているとともに、この約1巻きのねじ溝の下流と上流とを連通連結して閉ループとするためのボール循環溝が設けられており、前記ねじ溝およびその両肩部に対して硬化処理が施されていて、前記ボール循環溝に対して硬化処理が施されていない、ねじ軸。
- ボールねじに用いられ、かつ外周面に約1巻きのねじ溝が少なくとも1つ設けられているとともに、この約1巻きのねじ溝の下流と上流とを連通連結して閉ループとするためのボール循環溝が設けられたねじ軸に対する硬化方法であって、
前記ねじ溝にそれを横切る姿勢で高周波加熱コイルを対向配置させて、この高周波加熱コイルに高周波電流を流すことにより前記ねじ軸の表面側に前記ねじ溝を横切る向きの誘導電流を発生させつつ、前記ねじ軸または高周波加熱コイルの一方を周方向に動かして、前記高周波コイルを、ねじ溝においてボール循環溝との一方の連結部分の位置から他方の連結部分の位置まで順次対向させることにより、前記ねじ溝の全域およびその両肩部を高周波焼入れするとともに、前記ボール循環溝に対して硬化処理を施さないようにする、ねじ軸の硬化方法。 - ナット部材の内周面に設けられるねじ溝とねじ軸の外周面に設けられるねじ溝との間に複数のボールが介装されて、前記ナット部材とねじ軸との間でトルクを推力に、または推力をトルクに変換させるボールねじであって、
前記ねじ軸の外周面に、約1巻きのねじ溝が少なくとも1つ設けられているとともに、この約1巻きのねじ溝の下流と上流とを連通連結して閉ループとするためのボール循環溝が設けられており、
前記ねじ溝およびその両肩部に対して硬化処理が施されていて、前記ボール循環溝に対して硬化処理が施されていない、ボールねじ。
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