JP4893133B2 - リターンチューブ、及びボールねじ - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじ内に形成された螺旋状通路からボールをすくい上げるタング部を備えたリターンチューブ、及び前記リターンチューブを備えたボールねじに関する。

従来、ボールねじとしては、例えば、断面半円状のねじ溝を有して軸方向に伸びているねじ軸と、そのねじ軸のねじ溝に対向する断面半円状のねじ溝を有し、前記ねじ軸に嵌合されたボールナットと、それら両ねじ溝間に挿入された複数の鋼球と、を含んで構成され、複数の鋼球を介してボールナットがねじ軸の軸方向に相対移動可能としたものがある。

このようなボールねじにあっては、ボールナットの肉厚部に、前記ねじ溝による螺旋状通路に接線方向から連通するとともにねじ軸を跨いで一対をなしボールナット外部に開口する循環穴と、それら循環穴を連結するＵ字型のリターンチューブと、を含んで構成され、ボールナットの相対移動につれて、鋼球も螺旋状通路内及びリターンチューブ内を転動しつつ移動して無限循環し、ボールナットが継続して移動できるようになっている。

また、リターンチューブには、螺旋状通路を転動する鋼球をリターンチューブ内に滑らかに導くために、転動する鋼球をすくい上げるタング部が端部に形成されている。
ところで、このようなボールねじにあっては、鋼球がタング部に繰返衝突することで、タング部の根元部分に応力集中が発生してタング部が破損する恐れがあった。
そのため、通常、鋼球が衝突する際の衝撃力によってタング部が破損することを防ぐために、タング部の根元の隅はＲ形状に形成して強度を向上するようになっている。

また、例えば、さらなる強度の向上のために、タング部を燒結金属の成型品とし、且つ、タング部の下部裏側の肉厚を増したものもある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０―１９６６５４号公報

しかしながら、上記のように、タング部の根元をＲ形状に形成するだけでは、ボールナットの移動速度が増し、衝撃力が大きくなると、タング部が破損する恐れがあった。
また、上記特許文献１記載の従来の技術にあっては、ボールねじのロット数量が少ない場合には、リターンチューブの金型代がかさむため、コスト高となる恐れがあった。
本発明は、上記従来の技術の未解決の課題を解決することを目的とするものであって、タング部の強度を容易に向上可能なリターンチューブ、及び前記リターンチューブを備えたボールねじを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本願発明者は、図９に示すように、タング部根元の隅がＲ形状とされた従来のリターンチューブに対してＦＥＭ（finite-element method）応力解析を行った。そして、Ｒ形状部分の内径側縁部（リターンチューブの内径側の端部、ボールと接触する側の端部）の応力が高くなっており、タング部に衝撃力が作用すると、前記内径部が破損の起点となることを発見し、今回の発明にいたった。

即ち、本発明のリターンチューブは、ボールねじ内に形成された螺旋状通路からボールをすくい上げるタング部を備えたリターンチューブであって、前記タング部は、根元の隅がＲ形状に形成され、そのＲ形状とされた部分の内径側縁部が面取りされ、前記タング部は、前記Ｒ形状とされた部分の内径側縁部がチューブ肉厚の２０〜５０％で面取りされていることを特徴とする。
このような構成によれば、ボールナットの移動速度が速くなり、タング部へのボールの衝突速度が増した場合に、タング部の根元の隅における応力集中を抑制することができ、その結果、例えば、材質を変えたり肉厚を増したりすることで、タング部の強度を向上する方法に比べ、タング部の強度を容易に向上することができる。

また、本願発明者は、図９に示すように、Ｒ形状部分の内径側縁部において、ボールと接触する側（Ｂ）よりもタング部の側面側（Ｃ）のほうが応力集中している領域が広く、表面粗さの影響を大きく受けやすいことを発見し、今回の発明にいたった。
さらに、前記タング部は、前記Ｒ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを算術平均粗さで０．２μｍより大きく且つ１０μｍより小さいものとしてもよい。

また、本発明のリターンチューブは、ボールねじ内に形成された螺旋状通路からボールをすくい上げるタング部を備えたリターンチューブであって、前記タング部は、根元の隅がＲ形状に形成され、そのＲ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを示す算術平均粗さが０．２μｍより大きく且つ１０μｍより小さくなっていることを特徴とする。

このような構成によれば、表面粗さが小さいほど疲労強度を向上できるので、例えば、ボールナットの移動速度が速くなり、タング部へのボールの衝突速度が増したとしても、タング部の根元部分の側面部分、つまり、応力集中を広範に生じている部分の強度を増すことができる。その結果、例えば、材質を変えたり肉厚を増したりすることで、タング部の強度を向上する方法に比べ、タング部の強度を容易に向上することができる。

さらに、前記タング部は、前記Ｒ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを示す最大高さが１μｍより大きく且つ２０μｍより小さいものとしてもよい。
また、ボールねじ内に形成された螺旋状通路からボールをすくい上げるタング部を備えたリターンチューブであって、前記タング部は、根元の隅がＲ形状に形成され、そのＲ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを示す最大高さが１μｍより大きく且つ２０μｍより小さいものとしてもよい。

このような構成によれば、応力集中の原因となる切り欠き効果を生じさせるクラック状の加工跡を防止でき、例えば、ボールナットの移動速度が速くなり、タング部へのボールの衝突速度が増したとしても、タング部の根元部分の側面部分、つまり、応力集中を広範に生じている部分で切り欠き効果を防止することができる。その結果、例えば、材質を変えたり肉厚を増したりすることで、タング部の強度を向上する方法に比べ、タング部の強度を容易に向上することができる。

以下、本発明のリターンチューブを適用したボールねじを図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
＜ボールねじの構成＞
図１は、本実施形態のボールねじの概略構成を破断して示す側面図である。この図１に示すように、ボールねじ１は、断面半円状のねじ溝２ａを有して軸方向に伸びているねじ軸２と、そのねじ軸２のねじ溝２ａに対向する断面半円状のねじ溝３ａを有し、ねじ軸２に嵌合されたボールナット３と、それら両ねじ溝間に挿入された複数の鋼球４と、を含んで構成される。そして、ボールねじ１は、複数の鋼球４を介してボールナット３がねじ軸２の軸方向に相対移動可能となっている。

また、ボールねじ１は、ボールナット３の肉厚部に、ねじ溝２ａ、３ａによる螺旋状通路５に接線方向から連通するとともにねじ軸２を跨いで一対をなしボールナット３外部に開口する循環穴６と、それら循環穴６を連結するＵ字型のリターンチューブ７と、を含んで構成される。そして、ボールねじ１は、ボールナット３の相対移動につれて、鋼球４も螺旋状通路５内及びリターンチューブ７内を転動しつつ移動して無限循環し、ボールナット３が継続して移動できるようになっている。

また、リターンチューブ７には、螺旋状通路５を転動する鋼球４をリターンチューブ７内に導くために、転動する鋼球４をすくい上げるタング部８が端部に形成されている。また、タング部８は、図２に示すように、根元の隅がＲ形状に形成され、そのＲ形状とされた部分から先端まで内径側縁部（リターンチューブ７の内径側の端部、鋼球４と接触する側の端部）８ａがＲ面取りされている。

なお、本実施形態では、Ｒ形状とされた部分（隅Ｒ）からタング部８先端まで内径側縁部８ａ全域を面取りする例を示したが、これに限られるものではない。例えば、応力が集中する根元部のみを面取りするようにしてもよい。ちなみに、全域に面取りする方法にあっては、根元部のみを面取りする方法に比べ、加工が容易となる。
また、内径側縁部８ａをＲ面取りする例を示したが、これに限られるものではない。例えば、図３に示すように、Ｃ面取りするようにしてもよい。

このように、本実施形態のボールねじ１にあっては、タング部８の根元の隅をＲ形状に形成し、そのＲ形状とされた部分から先端までタング部８の内径側縁部８ａを面取りした。そのため、ボールナット３の移動速度が速くなり、タング部８への鋼球４の衝突速度が増したとしても、タング部８の根元部分における応力集中を抑制することができる。その結果、例えば、材質を変えたり肉厚を増したりすることで、タング部８の強度を向上する方法に比べ、タング部８の強度を容易に向上することができる。
また、本実施形態のボールねじ１を搬送や精密位置決め等に用いることで、早送り速度向上及び加工サイクルタイムの低減を図ることができる。

＜実施例＞
次に、面取りを行っていない従来のタング部８と、面取りを行った上記実施形態のタング部８とにＦＥＭ応力解析を行った解析結果を、図面に基づいて説明する。
図４は、リターンチューブ７のタング部８に一定の加重を加えたときに生じた応力分布の解析結果であって、（ａ）は面取りを行っていない従来のタング部８の応力分布図であり、（ｂ）は面取りを行った上記実施形態のタング部８の応力分布図である。
この応力分布図によれば、面取を行っていない従来のタング部８は内径側縁部８ａに応力が集中しているのに比べ、面取を行った本実施形態のタング部８にあっては内径側縁部８ａの周囲に応力が分散しており、応力集中が抑制されていることがわかる。

また、図５は、面取りを行っていない従来のタング部８のモデルと、Ｒ面取りを行った４種類のタング部８のモデル（半径0.07ｔ、0.21ｔ、0.36ｔ、0.50ｔ（ｔ＝チューブ肉厚）の面取りを施したモデル）それぞれとの最大発生応力の応力比（面取りを行っていない従来のタング部８の最大発生応力を「１」としたときの比）を示すグラフである。
このグラフによれば、面取り量が大きくなるにつれて応力比は減少し、０．２ｔ以上で期待する効果が得られているが、ある程度以上になると応力低下率が減少し、応力低下がサチレートしていることから、０．２ｔ〜０．５ｔが好ましいことがわかる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明のリターンチューブの第２実施形態を図面に基づいて説明する。
この第２実施形態は、タング部８の根元の隅の内径縁部に面取りを行うことに代え、当該部分及びタング部８の側面部の表面粗さを示す算術平均粗さを小さくすることで、タング８の強度を向上するようにした点が前記第１実施形態と異なる。
具体的には、第２実施形態では、タング部８は、根元の隅がＲ形状に形成され、そのＲ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを示す算術平均粗さが０．２μｍより大きく且つ１０μｍより小さく形成されている。

なお、タング部８の表面粗さを小さくする方法としては、タング部８の形成に用いるボールエンドミルの回転速度を上げる方法、切り込み量を減らす方法、砥石等を先端に付けたハンドグラインダーで最終仕上げを行う方法等を挙げることができる。なお、ハンドグラインダーで最終仕上げを行う場合には、ゴム製砥石を用いると簡単に加工できる。

このように、本実施形態のボールねじ１にあっては、タング部８の根元の隅をＲ形状に形成し、そのＲ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを算術平均粗さで０．２μｍより大きく且つ１０μｍより小さく形成した。そのため、表面粗さが小さいほど疲労強度を向上できるので、例えば、ボールナット３の移動速度が速くなり、タング部８への鋼球４の衝突速度が増したとしても、タング部８の根元部分の側面部分、つまり、応力集中を広範に生じている部分の強度を増すことができる。その結果、例えば、材質を変えたり肉厚を増したりすることで、タング部８の強度を向上する方法に比べ、タング部８の強度を容易に向上することができる。
また、例えば、タング部８全体の表面粗さを小さくすることで、タング部８の強度を向上する方法や表面粗さを算術平均粗さで０．２以下とすることで、タング部８の強度を向上する方法に比べ、タング部８の強度をより容易に向上することができる。

＜実施例＞
次に、Ｒ形状とされた根元の隅及び側面部分の表面粗さを示す算術平均粗さを小さくした上記実施形態のタング部８に繰返荷重をかけた試験結果、図面に基づいて説明する。
図６は、タング部８のＲ形状とされた根元の隅及び側面部分の算術平均粗さが異なる９種類のタング部８（算術平均表面粗さＲａが２０、１０、５、２、１、０．５、０．２、０．１、０．００５μｍのタング部８、評価数ｎ＝５）に繰返荷重をかける試験を行い、タング部８が１０⁷回以内に疲労破壊したときの荷重の平均を示すグラフである。
なお、図６では、前記疲労破壊したときの荷重の平均（耐荷重）を、最大粗さＲａ＝２０における耐荷重で除してなる耐荷重比で表す。

このグラフによれば、算術平均表面粗さＲａが小さくなるにつれて耐荷重比は大きくなり、１０μｍよりも小さい範囲で大きな効果が得られているが、ある程度以下（０．２μｍ以下）となると耐荷重比の増加率が減少し、耐荷重比の増加がサチレートしていることから、０．２μｍ〜１０μｍが好ましいことがわかる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明のリターンチューブの第３実施形態を図面に基づいて説明する。
この第３実施形態は、タング部８の根元の隅の内径縁部に面取りを行うことに代え、当該部分及びタング部８の側面部の表面粗さを示す最大高さを小さくすることで、タング８の強度を向上するようにした点が前記第１実施形態と異なる。
具体的には、第３実施形態では、タング部８は、前記Ｒ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを示す最大高さが１μｍより大きく且つ２０μｍより小さく形成されている。

このように、本実施形態のボールねじ１にあっては、タング部８の根元の隅をＲ形状に形成し、そのＲ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを最大高さで１μｍより大きく且つ２０μｍより小さく形成した。そのため、応力集中の原因となる切り欠き効果を生じさせるクラック状の加工跡を防止でき、例えば、ボールナット３の移動速度が速くなり、タング部８への鋼球４の衝突速度が増したとしても、タング部８の根元部分の側面部分、つまり、応力集中を広範に生じている部分で切り欠き効果を防止することができる。その結果、例えば、材質を変えたり肉厚を増したりすることで、タング部８の強度を向上する方法に比べ、タング部８の強度を容易に向上することができる。
また、例えば、タング部８全体の表面粗さを小さくすることで、タング部８の強度を向上する方法や最大高さで１μｍ以下とすることで、タング部８の強度を向上する方法に比べ、タング部８の強度をより容易に向上することができる。

＜実施例＞
次に、Ｒ形状とされた根元の隅及び側面部分の表面粗さを示す最大高さを小さくした上記実施形態のタング部８に繰返荷重をかけた試験結果、図面に基づいて説明する。
図７は、タング部８のＲ形状とされた根元の隅及び側面部分の最大高さが異なる９種類のタング部８（最大高さＲｚが１００、５０、２０、１０、５、２、１、０．５、０．２μｍのタング部８、評価数ｎ＝５）に繰返荷重をかける試験を行い、タング部８が１０⁷回以内に疲労破壊したときの荷重の平均を示すグラフである。

なお、図７では、前記疲労破壊したときの荷重の平均（耐荷重）を、最大粗さＲｚ＝１００における耐荷重で除してなる耐荷重比で表す。
このグラフによれば、最大高さＲｚが小さくなるにつれて耐荷重比は大きくなり、２０μｍよりも小さい範囲で大きな効果が得られているが、ある程度以下（１．０μｍ以下）となると耐荷重比の増加率が減少し、耐荷重比の増加がサチレートしていることから、１．０μｍ〜２０μｍが好ましいことがわかる。
なお、本発明のリターンチューブは、上記実施の形態の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

上記実施形態では、根元の隅をＲ形状に形成し、そのＲ形状とされた部分の内径側縁部を面取りする方法（第１の方法）、前記Ｒ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを算術平均粗さで０．２μｍより大きく且つ１０μｍより小さくする方法（第２の方法）、前記Ｒ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを示す最大高さが１μｍより大きく且つ２０μｍより小さくする方法（第３の方法）をそれぞれ個別に行う例を示した。ここで、第１の方法は必須で必ず行う必要があるが、第２の方法と第３の方法は任意である。例えば、第１の方法と第２の方法を同時に行ってもよいし、第１の方法と第３の方法とを同時に行ってもよいし、第１の方法のみでもよい。また、第１の方法と第２の方法と第３の方法とを同時に行ってもよい。

本発明のリターンチューブを適用したボールねじの一実施形態を示す構成図である。 図１のタング部を拡大して示す要部拡大図である。 図２のタング部の変形例を説明する説明図である。 従来のタング部及び図１のタング部に作用する応力を示す応力分布図である。 タング部の面取比とタング部に作用する応力比との関係を示すグラフである。 タング部の算術平均粗さとタング部が疲労破壊したときの耐荷重比との関係を示すテーブル及びグラフである。 タング部の最大高さとタング部が疲労破壊したときの耐荷重比との関係を示すテーブル及びグラフである。 従来のリターンチューブのＦＥＭ応力解析の解析結果を示す応力分布図である。 従来のリターンチューブのＦＥＭ応力解析の解析結果を示す応力分布図である。

符号の説明

１はボールねじ、２はネジ軸、２ａはねじ溝、３はボールナット、３ａはねじ溝、４は鋼球、５は螺旋状通路、６は循環穴、７はリターンチューブ、８はタング部、８ａは内径側縁部

Claims (4)

1. ボールねじ内に形成された螺旋状通路からボールをすくい上げるタング部を備えたリターンチューブであって、
   前記タング部は、根元の隅がＲ形状に形成され、そのＲ形状とされた部分の内径側縁部が面取りされ、
   前記タング部は、前記Ｒ形状とされた部分の内径側縁部がチューブ肉厚の２０〜５０％で面取りされていることを特徴とするリターンチューブ。
2. 前記タング部は、前記Ｒ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを示す算術平均粗さが０．２μｍより大きく且つ１０μｍより小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載のリターンチューブ。
3. 前記タング部は、前記Ｒ形状とされた部分及び側面部分の表面粗さを示す最大高さが１μｍより大きく且つ２０μｍより小さくなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のリターンチューブ。
4. 前記請求項１から３のいずれか１項に記載のリターンチューブを備えたボールねじ。