JP4397624B2

JP4397624B2 - ボールねじ

Info

Publication number: JP4397624B2
Application number: JP2003149303A
Authority: JP
Inventors: 賢一磯
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: JP2004053012A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、螺旋状の雄ねじ溝が外周面に形成されたねじ軸と、雄ねじ溝と対向する螺旋状の雌ねじ溝が内周面に形成されたナットと、雄ねじ溝及び雌ねじ溝とで形成されるボール転動空間に転動自在に介装された複数のボールと、ボール転動空間の一端でボールを掬い上げるとともに他端にボールを移動させるボール循環路とを備え、電動射出成形機やプレス機械のような高荷重が負荷される装置に組み込まれる比較的大型のボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボールねじは、周知のように、ねじ軸の外周面とナットの内周面とに互いに対応する螺旋状のねじ溝を備え、このねじ溝に多数のボールが密に配置されている。そのため、転動中、隣接するボールは、それぞれ逆方向に転動した状態で接触し、所謂「ボールの競り合い」と呼ばれる現象が起こる。その結果、ボールの表面に損傷が生じ、ボールねじの寿命を縮める大きな要因となっている。
【０００３】
また、ねじ溝の転走面がゴシックアーチ形状に加工されたボールねじでは、ボールとねじ軸並びにボールとナットとの接触状態は負荷状態によって２点接触、３点接触または４点接触と変動し、更に転走面が螺旋状に連続していることから、理想的な転がり状態とはならず、スピン滑りが生じる。更には、２点接触や３点接触となった場合、非常に高い面圧となり、ボールとねじ軸との接点における接触楕円が大きくなるため、接触楕円における差動滑りも大きくなり、剥離を生じやすい。
【０００４】
また、隣接するボール間にリテーニングピースを配置したボールねじも知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなリテーニングピースを介挿したボールねじでは、ねじ軸が回転運動する際に、リテーニングピースの働きで隣接するボール同士の競り合いが防止され、その結果ボール表面の損傷が低減されてボールねじの寿命が延長される。
【０００５】
しかし、リテーニングピースを介挿したボールねじにおいても、ボールの破損が起こることがあり、寿命延長には未だ改善の余地がある。即ち、本発明者は、リテーニングピースを介挿したボールねじの破損モードを検証したところ、潤滑不良による表面を起点とする剥離から、この表面起点型剥離と、内部を起点とする内部起点型剥離とが混在した混合剥離へと変化することを見出した。この内部起点型剥離は、潤滑剤による潤滑性能を高めただけでは完全に回避することはできず、内部起点型剥離を防止しない限りリテーニングピースを備えるボールねじの寿命を最大限に高めることはできない。
【０００６】
一方でボールねじには、一般に、リチウム石けん−鉱油系グリースや、リチウム複合石けん−鉱油系グリースが封入されている。しかし、増ちょう剤の強度が不足していることから、耐熱性や油膜保持性に欠けており、電動射出成形機やプレス機械のような高荷重が付加される用途では寿命において満足な結果が得られていない
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような実情に鑑みて長寿命のボールねじを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は内部起点型剥離について研究を重ねたところ、この内部起点型剥離を起こす異常組織が、金属組織中のセメンタイトに含まれる炭素原子が拡散して形成されたものであり、一般に金属間の接触領域で静電気に起因して発生すると考えられている「白色組織」等と呼ばれるものと同類であることを見出した。そこで、封入するグリース組成物に導電性物質を混入し、発生する静電気を常に除電することが効果的であるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、上記目的を達成するために、本発明は以下に示すボールねじを提供する。
（１）電動射出装置またはプレス機械に使用され、螺旋状の雄ねじ溝が外周面に形成されたねじ軸と、雄ねじ溝と対向する螺旋状の雌ねじ溝が内周面に形成されたナットと、雄ねじ溝及び雌ねじ溝とで形成されるボール転動空間に転動自在に介装された複数のボールと、ボール転動空間の一端でボールを掬い上げるとともに他端にボールを移動させるボール循環路とを備え、０．５〜５質量％の割合で平均粒径が１０〜３００ｎｍのカーボンブラックを含有するグリース組成物を封入したことを特徴とするボールねじ。
（２）電動射出装置またはプレス機械に使用され、螺旋状の雄ねじ溝が外周面に形成されたねじ軸と、雄ねじ溝と対向する螺旋状の雌ねじ溝が内周面に形成されたナットと、雄ねじ溝及び雌ねじ溝とで形成されるボール転動空間に転動自在に介装された複数のボールと、隣接するボール間に配置されてボールと接する１対の凹面を有するリテーニングピースと、ボール転動空間の一端でボールを掬い上げるとともに他端にボールを移動させるボール循環路とを備え、０．５〜５質量％の割合で平均粒径が１０〜３００ｎｍのカーボンブラックを含有するグリース組成物を封入したことを特徴とするボールねじ。
（３）前記グリース組成物の基油粘度が１０〜４５０ｍｍ ^２／ｓ（４０℃）であることを特徴とする上記（１）または（２）記載のボールねじ。
（４）前記グリース組成物の増ちょう剤がウレア化合物であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載のボールねじ。
（５）前記ウレア化合物がジウレア化合物であることを特徴とする上記（４）記載のボールねじ。
【００１０】
上述のように、ボールねじではスピン滑りや差動滑りが大きくなることに起因して、ボールとねじ軸、ボールとナットとの間に強い摩擦が生じ、これらの接触領域で静電気が発生し易くなり、結果として静電気による白色組織（異常組織）が発生し易い状況になる。そこで、本発明では、封入するグリース組成物に導電性物質を混入して静電気を常に除電することにより、異常組織の発生を抑制して内部起点型剥離を防止する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
【００１２】
本発明においてボールねじの構造には制限がなく、例えば図１（平面図）及び図２（図１のＡＡ断面図）に示されるようなボールねじ１を例示することができる。図示されるボールねじ１は、螺旋状の雄ねじ溝３ａが外周面に形成されたねじ軸３と、ねじ軸３に外嵌され、螺旋状の雌ねじ溝５が内周面に形成された円筒形状のナット７とを備える。また、雄ねじ溝３ａと雌ねじ溝５とは互いに対向しており、両溝で形成されるボール転動空間に複数のボール９が転動自在に収容される。尚、雄ねじ溝３ａ及び雌ねじ溝５の断面形状は、例えばゴシックアーチ状とされている。
【００１３】
ナット７の一端には、組み込まれる装置（例えばプレス装置；図示せず）にボールねじ１を固定するためのフランジ１１が形成されている。また、ナット７の外周面には内周面方向に向かって削り込まれた平坦面１３が形成されており、この平坦面上に鋼管にて略Ｕ字状に形成された一対の循環チューブ１５がチューブ押え１７により固着される。各循環チューブ１５の両端はそれぞれ、雄ねじ溝３ａと雌ねじ溝５との間に形成される空間に臨んでいる。また、ナット７の両端はプラスチック製のシール１９で密封されており、後述されるグリース組成物の封止と、外部からの異物の侵入を防止している。
【００１４】
尚、ボールねじ１を構成する各部材の材料にも制限はなく、何れも公知の材料を使用できる。例えば、ねじ軸３及びナット７は、ＳＣＭ４２０を浸炭し焼き入れを施したもの、ボール９にはＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受け用鋼や浸炭窒化等の硬化処理を施した高炭素クロム軸受け用鋼等が使用される。
【００１５】
また、図３にも拡大して示すように、隣接するボール９間には、リテーニングピース２１が介挿される。リテーニングピース２１はポリアミドや繊維強化ポリアミド等からなる成形体であり、ボール９と対面する両面に形成された凹面２２によりボール９を転動自在に保持する。この凹面２２は、例えば円弧状やゴシックアーチ状の断面形状を有する。また、リテーニングピース２１の外径は、ボール９の直径の０．５〜０．９倍に設定するのが好ましく、これにより循環中にボール間から離脱することなくなり、ボール９を確実に保持する。
【００１６】
ボールねじは、図４に示すような、リテーニングピースを備えない構成のものでもよい。尚、図４は図２に対応する断面図である。図示されるボールねじ１は、雄ねじ溝１２が形成されたねじ軸１０と、雌ねじ溝２４が形成されたナット２０と、ボール転動空間に転動自在に介装された多数のボール３０と、循環チューブ４０とを備えている。また、雄ねじ溝１２及び雌ねじ溝２４の断面形状は、例えばゴシックアーチ状とされている。循環チューブ４０は外形略コ字状で、その両端部４２をそれぞれナット２０を両ねじ溝１２，２４の接線方向に貫通するチューブ取付け孔２９からナット２０内のボール転動空間に差し込み、止め金４６でナット２０の外面に固定されている。ボール３０は、両ねじ溝１２，２４を複数回回って移動してから、循環チューブ４０の一方の端部４２で掬い上げられて循環チューブ４０の中を通り、他方の端部（図示せず）からナット２０内のボール転動空間に戻る循環を繰り返すようになっている。ナット２０の両端の開口部には円形の凹部２６が形成されており、これに嵌着したシール部材２８の内周面がねじ軸１０の外周面及び雄ねじ溝１２の面に摺接して外部からナット２０内部に異物が入り込みボール３０のスムーズな循環を阻害したり、ボール３０または雄ねじ溝１２が異常摩耗するのを防止したり、ボール転動空間に封入されたグリースが外部に流出しないようにシールする。
【００１７】
上記各ボールねじ１には、両ねじ溝の間にグリース組成物が封入される。グリース封入量は特に制限されるものではなく、通常この種のボールねじに封入される量で構わない。以下、グリース組成物について詳細に説明する。
【００１８】
（基油）
グリース組成物に使用される基油は、特に限定されず、潤滑剤向け基油はすべて使用することができる。低温環境下で起動したときの異常音の発生や、高温で油膜が十分に形成されないときに生じる焼付きを避けることを考慮すると、４０℃における動粘度が５０〜６００ｍｍ^２／ｓの基油が望ましく、より好ましくは７０〜５００ｍｍ^２／ｓ（４０℃）、特に好ましくは１００〜４５０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）の基油である。
【００１９】
基油の種類は、鉱油、合成潤滑油、天然潤滑油の何れも可能である。鉱油としては、例えば減圧蒸留、油剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、硫酸洗浄、白土精製、水素化精製等を適宜に組み合わせた精製工程を経た鉱油が好ましい。合成潤滑油も制限されるものでないが、例えば、以下にそれぞれの具体例が例示されている炭化水素系油、芳香族系油、エステル系油、エーテル系油等を使用することができる。
【００２０】
炭化水素系油としては、ノルマルパラフィン、イソパラフィン、ポリブテン、ポリイソブチレン、１−デセンオリゴマー、１−デセンとエチレンコオリゴマー等とのポリ−α−オレフィン、またはこれらの水素化物等が挙げられる。
【００２１】
芳香族系油としては、モノアルキルベンゼン、ジアルキルベンゼン等のアルキルベンゼン類、モノアルキルナフタレン、ジアルキルナフタレン、ポリアルキルナフタレン等のアルキルナフタレン類等が挙げられる。
【００２２】
エステル系油としては、ジブチルセバケート、ジ−２−エチルヘキシルセバケート、ジオクチルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート、ジトリデシルグルタレート、メチル・アセチルシノレート等のジエステル類、トリオクチルトリメリテート、トリデシルトリメリテート、テトラオクチルピロメリテート等の芳香族エステル類、トリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンペラルゴネート、ペンタエリスリトール−２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールベラルゴネート等のポリオールエステル類、多価アルコールと二塩基酸・一塩基酸の混合脂肪酸とのオリゴエステルであるコンプレックスエステル類等が挙げられる。
【００２３】
エーテル系油としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールモノエーテル、ポリプロピレングリコールモノエーテル等のポリグリコール類、モノアルキルトリフェニルエーテル、アルキルジフェニルエーテル、ジアルキルジフェニルエーテル、ペンタフェニルエーテル、テトラフェニルエーテル、モノアルキルテトラフェニルエーテル、ジアルキルテトラフェニルエーテル等のフェニルエーテル類等が挙げられる。
【００２４】
また、合成潤滑油としては、その他にもトリクレジルフォスフェート、シリコーン油、パーフルオロアルキルエーテル等が挙げられる。
【００２５】
天然潤滑油としては、牛脂、豚脂、大豆油、菜種油、米ぬか油、やし油、パーム油、パーム核油等の油脂系油、あるいはこれらの水素化物等が挙げられる。
【００２６】
これらの基油は、単独でまたは混合して使用することができ、上記の好ましい基油粘度に適宜調整される。
【００２７】
（増ちょう剤）
グリース組成物に使用される増ちょう剤は、ゲル構造を形成し、このゲル構造中に前述した基油を保持する機能を有すれば特に制限はない。具体的には、ＬｉやＮａ等を含む金属石けん、Ｌｉ、Ｎａ、Ｂａ、Ｃａから選択される複合金属石けん等の金属石けん類、並びにベントン、シリカゲル、ウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ウレタン化合物等の非石けん類が挙げられる。グリース組成物の耐熱性を考慮すると、ウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ウレタン化合物及びこれらの混合物が望ましい。ウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ウレタン化合物の具体例としては、ジウレア化合物、トリウレア化合物、テトラウレア化合物、ポリウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ジウレタン化合物及びこれらの混合物が挙げられる。特にジウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物、ジウレタン化合物及びこれらの混合物が好ましく、特にジウレア化合物を配合することが好ましい。
【００２８】
グリース組成物中の増ちょう剤の濃度は、上記基油とともにグリースを形成できる量であれば制限がなく、グリース全量の３〜３５質量％とすることが適当である。
【００２９】
（導電性物質）
グリース組成物に使用される導電性物質は、安価で、入手が容易であり、導電性の付与や分散性等に優れること等から、平均粒径１０〜３００ｎｍのカーボンブラックを用いる。
【００３０】
カーボンブラックの添加量は、グリース組成物全量に対して０．５〜５質量％である。この添加量が０．５質量％未満では、グリース組成物に十分な導電性を付与することができない場合がある。一方、５質量％を超えると、グリース組成物が硬化し、ボールねじの焼付き寿命が低下する場合がある。
【００３１】
（その他の添加剤）
上記のグリース組成物には、必要に応じて、例えばアミン系やフェノール系、イオウ系、チオリン亜鉛系等の酸化防止剤；塩素系やイオウ系、リン系、ジチオリン系亜鉛系、有機モリブデン系等の極圧剤；脂肪酸や動植物油等の油性剤；ソルビタンエステル等の防錆剤；ベンゾトリアゾール等の金属不活性剤；ポリメタクリレートやポリイソブチレン、ポリスチレン等の粘度指数向上剤等、通常グリース組成物に添加される各種の添加剤を添加してもよい。
【００３２】
また、上記のグリース組成物のちょう度は、ＮＬＧＩＮｏ．１〜３であることが望ましい。
【００３３】
【実施例】
以下に、実施例及び比較例を示し、さらに具体的に本発明を説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００３４】
（試験−１：リテーニングピースを備えるボールねじ）
日本精工（株）製ボールねじ「呼び番号２５×１０×５００−Ｃ５」を用い、ナイロン製で図３に示したように凹面が形成されたリテーニングピースをボール間に介挿し、これに表１に示す配合で調製したグリース封入して試験用ボールねじを準備した。尚、導電性物質にはカーボンブラック（ライオン（株）製「ケッチェンブラック」；平均粒径３０ｎｍ）を使用した。また、ねじ軸及びナットには、ＳＣＭ４２０を浸炭して焼き入れしたものを使用し、ボールには、ボール径４．７６ｍｍのＳＵＪ２製鋼球を使用した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
各試験用ボールねじについて、日本精工（株）製ボールねじ耐久寿命試験機を用いて耐久寿命試験を実施した。試験条件は以下の通りであり、判定は一定時間ごとに試験を停止してねじ軸の剥離の有無を確認し、剥離が生じるまでの時間を寿命時間とした。
・アキシアル荷重：５８００Ｎ（Ｐ／Ｃ＝０．５）
・最高回転数：５００ｍｉｎ^−１
・ストローク：４０ｍｍ
【００３７】
試験結果を図５に示すが、剥離寿命比は、比較例１で使用した試験用ボールねじの寿命時間を１．０とした比で表してある。尚、比較例３の剥離寿命比は、ねじ軸の剥離を確認した寿命時間ではなく、焼付きを生じて試験を終了した時間に基づいて求めた。結果を図５に示すが、本発明に従い０．５〜５質量％のカーボンブラックを含むグリースを封入することにより、耐久寿命が大幅に改善することがわかる。
【００３８】
（試験−２：リテーニングピースを備えないボールねじ）
試験ボールねじがリテーニングピースを備えないこと以外は試験−１と同様にして、耐久寿命試験を行った。結果を図６に示すが、本発明に従い０．５〜５質量％のカーボンブラックを含むグリースを封入することにより、同様に耐久寿命が大幅に改善することがわかる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来よりも長寿命のボールねじを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボールねじの一実施形態（リテーニングピース有り）を概略的に示す上面図である。
【図２】図１のＡＡ断面図である。
【図３】リテーニングピースの配置の様子を示す部分拡大断面図である。
【図４】本発明のボールねじの他の実施形態（リテーニングピース無し）を概略的に示す断面図である。
【図５】実施例において、リテーニングピースを備えるボールねじ（図１〜３参照）を用いて耐久寿命試験を行った結果を示すグラフである。
【図６】実施例において、リテーニングピースを備えないボールねじ（図４参照）を用いて耐久寿命試験を行った結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ボールねじ
３、１０ねじ軸
３ａ、１２雄ねじ溝
５、２４雌ねじ溝
７、２０ナット
９、３０ボール
１５、４０循環チューブ
２１リテーニングピース
２２凹面

Claims

電動射出装置またはプレス機械に使用され、螺旋状の雄ねじ溝が外周面に形成されたねじ軸と、雄ねじ溝と対向する螺旋状の雌ねじ溝が内周面に形成されたナットと、雄ねじ溝及び雌ねじ溝とで形成されるボール転動空間に転動自在に介装された複数のボールと、ボール転動空間の一端でボールを掬い上げるとともに他端にボールを移動させるボール循環路とを備え、０．５〜５質量％の割合で平均粒径が１０〜３００ｎｍのカーボンブラックを含有するグリース組成物を封入したことを特徴とするボールねじ。
電動射出装置またはプレス機械に使用され、螺旋状の雄ねじ溝が外周面に形成されたねじ軸と、雄ねじ溝と対向する螺旋状の雌ねじ溝が内周面に形成されたナットと、雄ねじ溝及び雌ねじ溝とで形成されるボール転動空間に転動自在に介装された複数のボールと、隣接するボール間に配置されてボールと接する１対の凹面を有するリテーニングピースと、ボール転動空間の一端でボールを掬い上げるとともに他端にボールを移動させるボール循環路とを備え、０．５〜５質量％の割合で平均粒径が１０〜３００ｎｍのカーボンブラックを含有するグリース組成物を封入したことを特徴とするボールねじ。
前記グリース組成物の基油粘度が１０〜４５０ｍｍ ^２／ｓ（４０℃）であることを特徴とする請求項１または２記載のボールねじ。
前記グリース組成物の増ちょう剤がウレア化合物であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のボールねじ。
前記ウレア化合物がジウレア化合物であることを特徴とする請求項４記載のボールねじ。