JP5737736B2 - ボールねじのねじ軸 - Google Patents
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Description
本発明は、自動車や産業用機械の動力伝達装置、搬送装置に用いられるボールねじのねじ軸、特に転動溝を局部的に高周波焼入れしたボールねじのねじ軸に関する。
ボールねじは、ねじ軸の外周面に設けた螺旋状の転動溝と、ねじ軸に外嵌するナットの内周面に設けた転動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。ねじ軸の転動溝内面は、耐摩耗性、耐久性の向上等のために焼入処理される。この焼入を高周波焼入れで行うボールねじのねじ軸製造方法として、以下の各種の方法がある。
その一つは、例えば特許文献１に開示されるボールねじのねじ軸の製造方法であって、
中炭素鋼の素材から転造加工してねじ軸の転動溝を形成した後に、転動溝の内面を高周波焼入れによりＨＲＣ５５〜６２の範囲に硬化処理し、耐摩耗性を向上させる。次に、この高周波熱処理によって生じる酸化スケールを除去するために、バフ処理を施し、最後に、転造加工および高周波焼入れ工程で生じた変形を矯正するために、曲がり矯正が行われる。
中炭素鋼の素材から転造加工してねじ軸の転動溝を形成した後に、転動溝の内面を高周波焼入れによりＨＲＣ５５〜６２の範囲に硬化処理し、耐摩耗性を向上させる。次に、この高周波熱処理によって生じる酸化スケールを除去するために、バフ処理を施し、最後に、転造加工および高周波焼入れ工程で生じた変形を矯正するために、曲がり矯正が行われる。
他の一つは、例えば特許文献２に開示されるボールねじのナットスクリューの製造方法であって、ナットスクリューの転動溝の内面を高周波焼入れした後に、転動溝を電解研磨することで、転動溝に生じた酸化スケールの除去と仕上げを行うものである。
以上の特許文献１、２に記載の方法では、高周波焼入れ後の酸化スケールの除去が必須工程であった。その理由は、転動溝に酸化スケールがあると運転時の摩耗や異音の特性に悪影響を及ぼす場合があるからである。酸化スケールを除去する方法としては、特許文献３に、ボールねじに限定される製造方法ではないが、高周波焼入れ時の冷却水の圧力を高めることにより、酸化スケールを除去する方法が開示されている。
また、ボールねじのねじ軸は、振動を防止するために、熱処理後の曲がり変形を極力小さくすることが要求される。熱処理後の変形を小さくすると共に、酸化スケールを防止するために、従来から油中で高周波焼入れする方法が多数提案されている。油中での焼入れにより、油が冷却液となって製品が均一に冷却されることから、高周波焼入れに伴う製品の曲り変形を極めて小さくできる。
以上の特許文献１、２に記載の方法では、高周波焼入れ後の酸化スケールの除去が必須工程であった。その理由は、転動溝に酸化スケールがあると運転時の摩耗や異音の特性に悪影響を及ぼす場合があるからである。酸化スケールを除去する方法としては、特許文献３に、ボールねじに限定される製造方法ではないが、高周波焼入れ時の冷却水の圧力を高めることにより、酸化スケールを除去する方法が開示されている。
また、ボールねじのねじ軸は、振動を防止するために、熱処理後の曲がり変形を極力小さくすることが要求される。熱処理後の変形を小さくすると共に、酸化スケールを防止するために、従来から油中で高周波焼入れする方法が多数提案されている。油中での焼入れにより、油が冷却液となって製品が均一に冷却されることから、高周波焼入れに伴う製品の曲り変形を極めて小さくできる。
油中で高周波焼き入れする方法としては、たとえば、高周波焼入れ用コイルと製品を相対移動させない定置式高周波焼入れ方法がある。この定置式高周波焼き入れ方法には、特許文献４乃至６に代表されるように、液中で加熱しそのまま液中で冷却する方法、及び、気体中で加熱しその後冷却液で冷却する方法の２つの方法が用いられている。
特許文献４では、焼入れ油について、窒素やアルゴン等の不活性ガスでバブリングを行って、焼入れ油の溶存酸素を除去し、この焼入れ油中で金属部材の表面を高周波加熱している。その後、焼入れ油で直ちに冷却し、焼入れ処理が行われる。このように、溶存酸素をできるだけ除去した焼入れ油を使用し、冷却ジャケットから焼入れ油を噴射して冷却を行うことで、酸化スケールを生成させないようにしている。
特許文献５でも、特許文献４同様、焼入れ油中で金属部材の加熱及び冷却を行うものであるが、冷却ノズルを用い、焼入れ油を流し込みながら油槽内を攪拌しつつ加熱後の金属部材表面を冷却している。
特許文献６では、無酸化性ガス或いは還元性ガスが充満したケーシング内で金属部品を高周波加熱し、その後、冷却液に浸漬して急冷することで焼入れ処理を行っている。
特許文献６では、無酸化性ガス或いは還元性ガスが充満したケーシング内で金属部品を高周波加熱し、その後、冷却液に浸漬して急冷することで焼入れ処理を行っている。
また、特許文献７には、ボールねじのねじ軸を例として、黒色状酸化スケールの生成のない液中高周波焼入れの転動溝付き機械部品及びその製造方法が提案されている。
一方、高周波焼入れに関したものではなく、炉を用いた熱処理においても酸化を防止する考案が多数提案されている。その代表の一つとして、特許文献８には、真空ポンプを備えた減圧油槽中で減圧脱酸素された焼入れ油を、焼入れ油槽に移送可能とした油焼入れ装置が開示されている。
また、特許文献９には、冷却層内雰囲気中の酸素濃度と冷却水中の溶存酸素濃度を低減させることを特徴とした化成処理と脱気装置を設けた連続焼鈍設備が開示されている。
一方、高周波焼入れに関したものではなく、炉を用いた熱処理においても酸化を防止する考案が多数提案されている。その代表の一つとして、特許文献８には、真空ポンプを備えた減圧油槽中で減圧脱酸素された焼入れ油を、焼入れ油槽に移送可能とした油焼入れ装置が開示されている。
また、特許文献９には、冷却層内雰囲気中の酸素濃度と冷却水中の溶存酸素濃度を低減させることを特徴とした化成処理と脱気装置を設けた連続焼鈍設備が開示されている。
ボールねじのように球状の転動体が作動する場合、転動体が点状の接触状態（純転がりに近い状態）で作動する。そのため、焼入れ時に生じた酸化スケール等の異物が転動溝に噛み込んだり存在したりしていると、転動体の動きが急変し、異音が発生し易くなる。このため、酸化スケールの除去が必須の工程となる。
しかし、特許文献１に開示のようなバフ処理だけでは、酸化スケールを転動溝から除去しきれない場合があり、また、バフ処理により、加工時間が長く高コストなるという問題がある。
特許文献２に開示の製造方法のように、高周波焼入れ後の電解研磨により酸化スケール
を除去する場合は、完全に酸化スケールを除去することができる。しかし、加工時間が大幅に長くなる。また、転動溝の表面の面荒れや化学反応熱による表層の軟化などが発生するという問題がある。さらに、研磨液の廃液処理コストや大掛かりな設備を必要とし、作業環境の悪化等の問題もある。
を除去する場合は、完全に酸化スケールを除去することができる。しかし、加工時間が大幅に長くなる。また、転動溝の表面の面荒れや化学反応熱による表層の軟化などが発生するという問題がある。さらに、研磨液の廃液処理コストや大掛かりな設備を必要とし、作業環境の悪化等の問題もある。
特許文献３に開示の製造方法のように、高周波焼入れ時の冷却水の圧力を高めることで
酸化スケールを除去する場合は、スケールを均一に除去できず、斑点状に黒色のスケール
が微小に残る。そのため、バフ処理などによる別途のスケール除去加工を完全に省略でき
ないという問題がある。
酸化スケールを除去する場合は、スケールを均一に除去できず、斑点状に黒色のスケール
が微小に残る。そのため、バフ処理などによる別途のスケール除去加工を完全に省略でき
ないという問題がある。
また、変形したボールねじを搬送装置等に適用すると、高速回転時に振れ回りや振動の原因となる。そのため、熱処理後の酸化スケールの防止と同時に変形を低減する必要がある。そこで、上記した特許文献４乃至７に記載のような油中高周波焼入れが考えられる。
しかし、特許文献４、５では、不活性ガスにより溶存酸素を除去した焼入れ油を使用しており、高価な不活性ガスを使用しなければならず、焼入れコストが高いという課題を有する。
しかし、特許文献４、５では、不活性ガスにより溶存酸素を除去した焼入れ油を使用しており、高価な不活性ガスを使用しなければならず、焼入れコストが高いという課題を有する。
また、不活性ガスによる焼入れ油中の酸素成分含有量の管理が困難なことから、焼入れ油を無酸化状態にすることが難しく、酸化スケールのない一定品質のものを提供できないという問題がある。そして、酸化スケールを除去するためにショットブラスト等を行わなければならず、後処理が煩雑となってしまうとともに、ショットブラストによる打ち傷が生じ表面に凹凸ができた金属部品となってしまう。
特許文献６においても、無酸化性ガス或いは還元性ガスをケーシング内に充満させていることから、高価な不活性ガスを使用することとなるため、焼入れコストが高くなってしまう。また、ケーシング内をガス置換しなければならず、生産性が低いという課題を有する。
また、これら特許文献４乃至６は、加熱コイルと製品の相対位置が変化しない定置高周波焼入れに関する発明で、製品の形状にあったコイルを必要とするため高コストとなるという問題がある。
また、これら特許文献４乃至６は、加熱コイルと製品の相対位置が変化しない定置高周波焼入れに関する発明で、製品の形状にあったコイルを必要とするため高コストとなるという問題がある。
一方、ボールねじに関する油中高周波焼入れについて開示された特許文献７では、黒色状酸化スケールの生成のない液中高周波焼入れをした転動溝付き機械部品及びその製造方法が提案されている。
しかし、この特許文献７では、酸素の少ない油中で焼入れすることにより、無酸化の状態を達成するとあるが、上記した特許文献５、６、８にあるように、油中に存在する溶存酸素が酸化スケールを発生させることは自明である。特許文献７では、この溶存酸素の防止又は除去方法については何も言及されておらず、さらなる改良が要請されている。
しかし、この特許文献７では、酸素の少ない油中で焼入れすることにより、無酸化の状態を達成するとあるが、上記した特許文献５、６、８にあるように、油中に存在する溶存酸素が酸化スケールを発生させることは自明である。特許文献７では、この溶存酸素の防止又は除去方法については何も言及されておらず、さらなる改良が要請されている。
また、特許文献８、９には、炉加熱での酸化スケール防止の発明が開示されているが、炉加熱は処理時間が長くラインの同期化が困難で、高温に長時間保持されるため変形が大きくなるという問題を有する。
そのため、特許文献１に開示の製造方法のように、高周波焼入れ工程などで大きな曲がり変形が生じた場合、その後の曲がり矯正する工程で、必要な寸法に矯正しきれない場合がある。したがって、高周波焼入れ後の段階で曲がりの変形を極力小さくすることが重要となる。
そのため、特許文献１に開示の製造方法のように、高周波焼入れ工程などで大きな曲がり変形が生じた場合、その後の曲がり矯正する工程で、必要な寸法に矯正しきれない場合がある。したがって、高周波焼入れ後の段階で曲がりの変形を極力小さくすることが重要となる。
この発明の目的は、高周波焼入後の酸化スケールの発生を完全に防止することなく、密着力が高く、運転中にはがれても異音の問題が生じない程度に極めて薄いスケールとし、曲がりの発生を低減し、高周波焼入れされた転動溝の内面がそのまま転動面として使用可能で、生産性に優れ、コスト低下が図れるボールねじのねじ軸を提供することである。
係る目的を達成すべく、本発明は、ボールが転動する断面円弧状の転動溝を有し、少なくとも前記転動溝が高周波焼入れされ、高周波焼入れ後の酸化スケールが黒色状にならない程度に薄く形成され、高周波焼入れされた転動溝の内面をそのまま転動面として使用するボールねじのねじ軸において、ねじ軸の転動溝が転造加工され、高周波焼入れされたままの転動溝面の表面粗さＲａを１．０未満とし、焼入れ硬化層の有効硬化深さ比を０．１５以上で０．４５以下とすると共に、高周波焼入れ後の転動溝表面の旧オーステナイト粒度を８〜１１番とし、オージェ分光分析により前記転動溝面の成分分析を行い、表面元素成分のうち酸素と鉄成分のみを抽出し、母材中の酸素濃度より増加する深さを調べることによって求めた当該転動溝面の酸化スケールの厚さが５０〜１７０ｎｍに設定されていることを特徴とする。
高周波焼入れ後の酸化スケールを黒色状にならない程度に薄くすることにより表面粗さの低下を抑制しても、表面粗さＲａ（算術平均粗さ）が１．０を超えると異音が発生する。Ｒａ１．０未満を有する酸化スケールは、母材との密着力が増加し剥がれ難くなること及び剥がれてもきわめて薄いため異音の発生が防止されると推定される。
高周波焼入れ後の酸化スケールを黒色状にならない程度に薄くすることにより表面粗さの低下を抑制しても、表面粗さＲａ（算術平均粗さ）が１．０を超えると異音が発生する。Ｒａ１．０未満を有する酸化スケールは、母材との密着力が増加し剥がれ難くなること及び剥がれてもきわめて薄いため異音の発生が防止されると推定される。
通常、高周波焼入れは大気中で加熱され、その後に冷却される。加熱温度は、９００℃〜１１５０℃付近の温度とされるため、大気中の酸素または冷却水中の溶存酸素と反応して厚く脆い酸化スケールが生成される。したがって、高周波焼入れをボールねじのねじ軸における転動溝に施すと、転動溝に酸化スケールが厚く生成される。本発明者が検証したところによれば、厚い酸化スケールは密着力が低下し、回転時に異音を発生させる原因になる。しかし、完全に無酸化の状態を形成しようとすれば、前記特許文献４乃至６にあるような大掛りで、生産性の低下を招く。本発明は、高周波焼入れ後の表面粗さと異音の関係を鋭意究明し、上記の適正な表面粗さに制御すれば異音の発生を防止できることを解明した。その結果、特許文献４乃至６にあるような大掛りな設備を必要とすることがなく、生産性に優れ、低コストで製造することが可能となった。
また、表面粗さは高周波加熱温度と密接な関係がある。有効硬化深さ比（有効硬化層深さ／軸半径）が、０．１５未満の場合、高周波焼入れ時の表面の加熱温度を低温にすることができるため、酸化スケールの厚さが薄く表面粗さの低下を抑えるには有利に作用するが、転動寿命が著しく低下する。ボールから転動溝部に作用する荷重により、接触部に高い面圧が作用し、接触部の断面内に応力が分布し表面より内部に最大値が生じる。この最大値が生じる深さ以上に有効硬化層深さの下限値設定することが通常行われる。有効硬化深さ比が０．４５を超えると高周波加熱時の温度が上昇し、酸化スケールがポーラス状に発生して面粗さが低下し、冷却度が増加して曲がりが増加するため、０．４５を上限とした。好ましくは、０．２〜０．３８の有効硬化深さ比の範囲とする。
以上の有効硬化深さ比と生産性を考慮し、表面粗さの範囲は、Ｒａ０．１〜０．６が望ましい。
以上の有効硬化深さ比と生産性を考慮し、表面粗さの範囲は、Ｒａ０．１〜０．６が望ましい。
本発明は、表面粗さと異音の関係及び酸化スケールの厚さと有効硬化深さ比の関係を鋭意究明し、上記の適正な表面粗さと有効硬化深さ比に制御すれば、異音の発生を防止できることを解明した。その結果、特許文献４乃至６にあるような大掛りな設備を必要とすることがなく、生産性に優れ、低コストで製造することが可能となった。
前記転造加工時の変形抵抗を低減させるため、転造加工前の下径加工を行う前に（素材も含む）軟化熱処理を行う。転造加工の直前に軟化熱処理を行うと、熱処理後の変形が増加するためである。この原因は、軟化熱処理時高温雰囲気に保持されるため、素材の脱炭を防止するため炭素濃度を所定の雰囲気に調整するが、雰囲気の炭素濃度のばらつきにより製品の表層炭素濃度が不均一となり、高周波焼入れ後の寸法変化が増加するものと推定される。軟化熱処理には、完全焼なまし、球状化焼なまし等種々あるが、特に限定するものではない。好ましくは、処理時に脱炭、浸炭、浸窒との発生を抑制するため雰囲気の状態が管理された炉で処理されることが望ましい。
高周波焼入れ処理後、軸の曲がりの比振れ量（振れ量／全長）が中央部で１．０５×１０−３（ＴＩＲ／ｍｍ）以下で、矯正後０．６×１０−３（ＴＩＲ／ｍｍ）以下とすることが望ましい。矯正後の軸の比振れ量が、０．６×１０−３（ＴＩＲ／ｍｍ）を超えると運転中の振動が増加し、早期破損や異音の原因となる。また、曲がり矯正加工前の高周波焼入れ処理後の比振れ量が１．０５×１０−３（ＴＩＲ／ｍｍ）を超えると曲がり矯正加工にて規定量以内に矯正しきれなくなる。
また転造溝部外径が最外径となっており、且つ径がφ１０以上でφ２８以下とすることが好ましい。転動溝部の外径を最大径とすることにより、移動高周波焼入れ時の加熱部の効率的な加熱と生産性を向上させることができる。また、φ１０未満となると、剛性が低下し、機械加工や転造時に変形が大きく、製造が困難となる。また、径がφ２８を超えると、油中での加熱効率が低くなるため、加熱温度が高くなり、厚い酸化スケールが発生すると共に曲がりも著しく増加する。薄いスケールを形成させようとすると、加熱温度を低くする必要があり、必要な焼入れ硬化深さが得られなくなる。
また、素材の炭素量を０．４７〜０．６ｍａｓｓ％とした炭素鋼を用いて、高周波焼入れ後の転造溝の表面硬さを４６〜６４ＨＲＣとすることが好ましい。素材の炭素量を０．４７ｍａｓｓ％未満の場合、必要な硬化深さと硬さを得ようとすると、加熱温度を高温とする必要があり、酸化スケールが増加し、必要な表面粗さを確保できなくなる。また、炭素量が０．６ｍａｓｓ％を超えると、機械加工性が著しく低下し、焼割れ感受性が著しく増加する。好ましくは、０．４９〜０．５６ｍａｓｓ％である。
また、素材については、Ｓｉ：０．０２〜０．１ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０２〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００３〜０．００６ｍａｓｓ％で残部Ｆｅ及び不可避的不純物組成から構成されることが好適である。
また、素材については、Ｓｉ：０．０２〜０．１ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０２〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００３〜０．００６ｍａｓｓ％で残部Ｆｅ及び不可避的不純物組成から構成されることが好適である。
炭素鋼中の合金元素で酸化物を形成しやすいＳｉとＣｒを適正化すると、高周波焼入れ後の酸化スケールの発生がより抑制され表面粗さが改善される。Ｓｉ：０．０２〜０．１ｍａｓｓ％で０．０２％未満となると、製鋼時の脱酸剤として添加され、０．０２％未満となると、十分な脱酸効果が得られなくなる。また、０．１ｍａｓｓ％を超えるとスケール膜が厚く面粗さの増加を招き、転造加工性も低下する。Ｃｒは少ない方が好ましいが、製鋼段階で不可避的に混入するため、上限をＣｒ：０．０５ｍａｓｓ％未満とした。また、Ｓｉと同様、Ｃｒの減少は、機械加工性を改善する。Ｓｉ、Ｃｒは高周波焼入れ性を向上させる、元素として、Ｂ：０．０００３〜０．００６ｍａｓｓ％を添加し、Ｓｉ、Ｃｒの減少を補完する。０．０００３ｍａｓｓ％以下では焼入性向上に効果がなく、Ｂが０．００６％を超えると結晶粒の粗大化を招き焼割れ感受性を助長させる。好ましくは０．０００４〜０．００５ｍａｓｓ％が好ましい。
支持軸受として両端にボールベアリングを組み込み支持することにより、低摩擦な機械装置とすることが可能となる。
また、両端にニードルベアリングを組み込み支持することにより、負荷容量が大幅に増加するためコンパクトな機械装置とすることが可能となる。
少なくとも転動溝の内面が、より酸素雰囲気の少ない油中にて移動高周波焼入れされた構成とすることにより、表面粗さの低下を防止することができる。
少なくとも転動溝の内面が、より酸素雰囲気の少ない油中にて移動高周波焼入れされた構成とすることにより、表面粗さの低下を防止することができる。
本発明に係るボールねじのねじ軸は、ボールが転動する断面円弧状の転動溝を有し、少なくとも前記転動溝が高周波焼入れされ、高周波焼入れ後の酸化スケールが黒色状にならない程度に薄く形成され、高周波焼入れされた転動溝の内面をそのまま転動面として使用するボールねじのねじ軸において、前記ねじ軸の転動溝が転造加工され、高周波焼入れされたままの転動溝面の表面粗さＲａを１．０未満とし、焼入れ硬化層の有効硬化深さ比を０．１５以上で０．４５以下とすると共に、高周波焼入れ後の転動溝表面の旧オーステナイト粒度を８〜１１番とし、オージェ分光分析により前記転動溝面の成分分析を行い、表面元素成分のうち酸素と鉄成分のみを抽出し、母材中の酸素濃度より増加する深さを調べることによって求めた当該転動溝面の酸化スケールの厚さが５０〜１７０ｎｍに設定されていることにより、異音の発生を防止することができ、大掛りな設備を必要とすることがなく、生産性に優れ、低コストで製造することが可能となった。
ボールが転動する断面円弧状の転動溝を有し、少なくとも前記転動溝が高周波焼入れされ、高周波焼入れ後の酸化スケールが黒色状にならない程度に薄く形成され、高周波焼入れされた転動溝の内面をそのまま転動面として使用するボールねじのねじ軸において、前記ねじ軸の転動溝が転造加工され、高周波焼入れされたままの転動溝面の表面粗さＲａを１．０未満とし、焼入れ硬化層の有効硬化深さ比を０．１５以上で０．４５以下とすると共に、高周波焼入れ後の転動溝表面の旧オーステナイト粒度を８〜１１番とし、オージェ分光分析により前記転動溝面の成分分析を行い、表面元素成分のうち酸素と鉄成分のみを抽出し、母材中の酸素濃度より増加する深さを調べることによって求めた当該転動溝面の酸化スケールの厚さが５０〜１７０ｎｍに設定されていることを特徴とする。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
この実施形態のボールねじのねじ軸において、図１はボールねじの縦断面図、図２は図１のねじ軸の斜視図、図３は図１のねじ軸の製造工程を示す工程図、図４は図１のねじ軸における高周波焼入れ範囲の説明図、図５は油中高周波焼入れの説明図である。
この実施形態のボールねじのねじ軸において、図１はボールねじの縦断面図、図２は図１のねじ軸の斜視図、図３は図１のねじ軸の製造工程を示す工程図、図４は図１のねじ軸における高周波焼入れ範囲の説明図、図５は油中高周波焼入れの説明図である。
図１に断面図で示すように、ボールねじ１は、ねじ軸２と、ナット３と、転動体である複数のボール４とを備える。転動溝付き軸部品であるねじ軸２は、図２に斜視図で示すように、外周面にボール４が転動する螺旋状で断面円弧状の転動溝５を形成した軸である。ここで言う断面円弧状は、円弧中心が互いに異なる２つ円弧を組み合わせた形状であるゴシックアーチ形状を含む。
ナット３は、ねじ軸２に遊嵌状態に外嵌し、内周面にボール４が転動する螺旋状で断面円弧状の転動溝６を形成したものである。ボール４は、ねじ軸２とナット３の対向する転動溝５、６の間に配置される。ナット３には、ねじ軸２とナット３の対向する転動溝５、６間で形成される軌道を無端軌道としてボール４を無限循環させるための循環部品（図示せず）、例えばこま部材またはリターンチューブ等が取付けられる。
本実施例では、少なくとも転動溝６が高周波焼入れされ、高周波焼き入れ後に黒色状の酸化スケールの生成がなく、高周波焼き入れされた転動溝６の内面をそのまま転動面として使用する。そして、高周波焼入れされたままの転動溝６の表面粗さＲａを１．０未満、好ましくはＲａ０．１〜０．６とし、焼入れ硬化層の有効硬化深さ比を０．１５以上で０．４５以下、好ましくは０．２〜０．３８としたものである。
上記ねじ軸２は、図３に概略の工程図で示す工程により製造される。
すなわち、ねじ軸２の素材は、コイル材又は丸棒材とされる。次に、所定の形状にするための旋削加工と所望の外径寸法に仕上げ表面傷を除去するセンタレス研削等が行われる。このように仕上げられた丸棒材に転動溝５が形成される。転動溝５の形成は、冷間鍛造の一種である転造加工により行われる。
この転造加工は、転造ロール（図示せず）を丸棒材の外周面に転接させることにより、螺旋状の転動溝５を形成する加工である。
すなわち、ねじ軸２の素材は、コイル材又は丸棒材とされる。次に、所定の形状にするための旋削加工と所望の外径寸法に仕上げ表面傷を除去するセンタレス研削等が行われる。このように仕上げられた丸棒材に転動溝５が形成される。転動溝５の形成は、冷間鍛造の一種である転造加工により行われる。
この転造加工は、転造ロール（図示せず）を丸棒材の外周面に転接させることにより、螺旋状の転動溝５を形成する加工である。
転造加工時の変形抵抗を低減させるため、転造加工前の下径加工を行う前に（素材も含む）適宜軟化熱処理を行う。軟化熱処理には、完全焼なまし、球状化焼なまし等種々あるが、特に限定するものではない。好ましくは、処理時に脱炭、浸炭、浸窒との発生を抑制するため雰囲気の状態が管理された炉で処理される。
その後、油中で移動高周波加熱を用いて高周波焼き入れされ、曲り矯正を施し、最終の仕上げ加工として外周の研削加工が行われる。場合によっては、曲り矯正と最終の研削加工は省略してもよい。
その後、油中で移動高周波加熱を用いて高周波焼き入れされ、曲り矯正を施し、最終の仕上げ加工として外周の研削加工が行われる。場合によっては、曲り矯正と最終の研削加工は省略してもよい。
図４に示すように、転動溝５が形成される転造溝部２ａの外径が最外径となっており、高周波焼入れを行う範囲は転動溝部２ａのみとする。小径の両軸端部２ｂ、２ｃには、不図示のボールベアリングやニードルベアリング等の軸受が組み込み支持される。転動溝部２ａの外径を最大径とすることにより、移動高周波焼入れ時の転動溝部２ａの効率的な加熱と生産性を向上させることができる。
図５は、油中移動式高周波焼入れ方法を模式的に示した。
焼き入れは、周波数１００ｋＨｚで出力１００ｋｗの高周波誘導加熱装置を用いて実施した。油中移動式高周波焼入れ方法は、油槽１１に入れた焼入れ油１０中でねじ軸２を部分的に高周波加熱コイル７で加熱する工程と、ねじ軸２の加熱箇所を焼入れ油の噴射や対流（図５の破線の矢印で模式的に示した。）にて冷却する工程により焼入れを行うものである。高周波加熱コイル７に電流を流し、ねじ軸２表面に誘導電流を生じさせ、この誘導電流でねじ軸２表面を発熱させて急速に加熱を行う。
焼き入れは、周波数１００ｋＨｚで出力１００ｋｗの高周波誘導加熱装置を用いて実施した。油中移動式高周波焼入れ方法は、油槽１１に入れた焼入れ油１０中でねじ軸２を部分的に高周波加熱コイル７で加熱する工程と、ねじ軸２の加熱箇所を焼入れ油の噴射や対流（図５の破線の矢印で模式的に示した。）にて冷却する工程により焼入れを行うものである。高周波加熱コイル７に電流を流し、ねじ軸２表面に誘導電流を生じさせ、この誘導電流でねじ軸２表面を発熱させて急速に加熱を行う。
高周波加熱を行うと、ねじ軸２の発熱によって周辺の焼入れ油が熱分解をおこす。これにより焼入れ油１０から熱分解ガス９（図５には模式的に示されたものである）が発生し、この熱分解ガス９の蒸気圧と焼入れ油１０の油圧とが均衡し、ねじ軸２表面に膜状になって留まるので、加熱箇所が全て覆われた状態となり、焼入れ油１０とねじ軸２の接触が遮断される。
この熱分解ガス９は、焼入れ油１０が凡そ７００℃以上になると発生するものであり、ガス成分は焼入れ油１０にもよるが、概ね一酸化炭素、水素、窒素、メタン、エタン、エチレン、プロパン等である。この熱分解ガス９には酸素をほぼ含まないことから良好な無酸化雰囲気となり、また、ねじ軸２の加熱箇所全てを覆って焼入れ油との接触を遮断することから、ねじ軸２の酸化反応がほとんど起こらない。
焼入れ油１０としては、市販されている鉱油系熱処理油等を使用すればよく、例えばコールドクエンチ用焼入れ油、ホットクエンチ用焼入れ油を使用できる。焼入れ油は炭化水素を主成分としているので、分解すると上記のような成分のガスが発生する。
熱分解ガス９はねじ軸２が高温の状態にある限り際限なく発生するので、一部が脱離してもすぐに発生する熱分解ガス９により補われ、冷却時までねじ軸の加熱箇所全てを覆っている。
焼入れ油１０としては、市販されている鉱油系熱処理油等を使用すればよく、例えばコールドクエンチ用焼入れ油、ホットクエンチ用焼入れ油を使用できる。焼入れ油は炭化水素を主成分としているので、分解すると上記のような成分のガスが発生する。
熱分解ガス９はねじ軸２が高温の状態にある限り際限なく発生するので、一部が脱離してもすぐに発生する熱分解ガス９により補われ、冷却時までねじ軸の加熱箇所全てを覆っている。
次に、冷却工程について説明する。加熱したねじ軸２を油中にて焼入れ油１０を噴射し冷却している。ここで、焼入れ油１０は高周波加熱コイル７と反対方向に噴射する。加熱側に焼入れ油１０を噴射しないことにより、上述の加熱工程でねじ軸２表面を覆った熱分解ガス９が脱離することを防止している。
このように、加熱工程で発生する熱分解ガス９でねじ軸２表面を加熱時から冷却時まで覆い、焼入れ油１０とねじ軸２の加熱部表面との接触を阻止している。また、冷却時に焼入れ油１０の噴射で熱分解ガス９は脱離することになるが、すぐさま冷却されてねじ軸２の温度が急激に低下するため、ねじ軸２表面が溶存酸素と接触しても酸化反応が進行するだけの時間が無い。このため、焼入れ油１０中の溶存酸素とねじ軸２との反応を防止でき、ねじ軸２の加熱部表面に黒い酸化スケールが生成しない。
このように、加熱工程で発生する熱分解ガス９でねじ軸２表面を加熱時から冷却時まで覆い、焼入れ油１０とねじ軸２の加熱部表面との接触を阻止している。また、冷却時に焼入れ油１０の噴射で熱分解ガス９は脱離することになるが、すぐさま冷却されてねじ軸２の温度が急激に低下するため、ねじ軸２表面が溶存酸素と接触しても酸化反応が進行するだけの時間が無い。このため、焼入れ油１０中の溶存酸素とねじ軸２との反応を防止でき、ねじ軸２の加熱部表面に黒い酸化スケールが生成しない。
焼入れ油１０の噴射には冷却ジャケット８（噴射穴８１から噴射）を用いると良い。そして、冷却ジャケット８は高周波加熱コイル７の上方に配置し、ねじ軸２を高周波加熱コイル７、冷却ジャケット８の順に通過させるように上昇させて加熱、冷却を行うことが好ましい。更には、均一な加熱と冷却を行うため、ねじ軸２を回転させながら上昇させるのが好ましい。熱分解ガス９は浮力により上昇してねじ軸２表面から脱離しようとするが、ねじ軸２を上昇させながら焼入れすれば、ねじ軸２の進行方向と熱分解ガス９に働く浮力の方向とは同一方向になる。このため、熱分解ガス９はねじ軸２の上昇に伴って追随するように上昇するので、脱離しにくくなる。このように、熱分解ガス９を効果的に利用して、不活性ガスを使用せずとも、光輝処理が可能となっている。光輝処理とは、黒い酸化スケールが生成されないことを意味している。焼入れ油１０には微量の酸素が存在しており、ごく薄い酸化スケールが生成される。
このようなごく薄い酸化スケールは、母材との密着力が強く剥がれ難くなるが、表面粗さがＲａ１．０を超えると異音が発生する。Ｒａ１．０未満を有する酸化スケールは、母材との密着力が増加し剥がれ難くなること及び剥がれてもきわめて薄いため異音の発生が防止される。また、表面粗さは高周波加熱温度と密接な関係がある。有効硬化深さ比が、０．１５未満の有効硬化深さの場合、高周波焼入れ時の表面の加熱温度を低温にすることができるため、酸化スケールの厚さが薄く表面粗さの低下を抑えるには有利に作用するが、転動寿命が著しく低下する。ボールから転動溝に作用する荷重により、接触部に高い面圧作用し、接触部の断面内に応力が分布し表面より内部に最大値が生じる。この最大値が生じる深さ以上に有効硬化深さの下限値設定することが通常行われる。有効硬化深さ比が０．４５を超えると高周波加熱時の温度が上昇し、酸化スケールがボーラス状に発生して面粗さが低下し、冷却度が増加して曲がりが増加するため、０．４５を上限とした。好ましくは、０．２〜０．３８の有効硬化深さ比の範囲とする。以上の有効硬化深さ比と生産性を考慮し、表面粗さの範囲は、Ｒａ０．１〜０．６とすることが望ましい。
図６は、ねじ軸の高周波焼入れ後の有効硬化深さ比の説明図である。図示するように、有効硬化深さ比は、有効硬化層深さＨ／ねじ軸半径ｄ、で表される。高周波焼き入れ範囲は、図４のようにねじ部全域となってもよいが、図６のように必要な箇所（ハッチング部分）に限定しても良い。
図６は、ねじ軸の高周波焼入れ後の有効硬化深さ比の説明図である。図示するように、有効硬化深さ比は、有効硬化層深さＨ／ねじ軸半径ｄ、で表される。高周波焼き入れ範囲は、図４のようにねじ部全域となってもよいが、図６のように必要な箇所（ハッチング部分）に限定しても良い。
また、焼入れ油１０中で焼き入れすることにより、焼き入れ油１０が冷却水となってねじ軸２の全体が均一に冷却され、そのため、高周波焼き入れに伴うねじ軸２の曲がり変形を非常に小さくすることが可能となる。
高周波焼入れ処理後、軸の曲がりの比振れ量（振れ量／全長）が中央部で１．０５×１０−３（ＴＩＲ／ｍｍ）以下で、矯正後０．６×１０−３（ＴＩＲ／ｍｍ）以下とすることが望ましい。矯正後の軸の比振れ量が、０．６×１０−３（ＴＩＲ／ｍｍ）を超えると運転中の振動が増加し、早期破損や異音の原因となる。また、曲がり矯正加工前の高周波焼入れ処理後の比振れ量が１．０５×１０−３（ＴＩＲ／ｍｍ）を超えると曲がり矯正加工にて規定量以内に矯正しきれなくなる。
図７に、この曲がり比振れ量の測定方法を示している。図に示すように、ねじ軸２の両端を支持ピン１０１、１０１によって回転自在に支持し、ねじ軸２の中央の振れ量をダイヤルゲージ１００によって測定し、全長Ｌに対する振れ量の比を求める。
図７に、この曲がり比振れ量の測定方法を示している。図に示すように、ねじ軸２の両端を支持ピン１０１、１０１によって回転自在に支持し、ねじ軸２の中央の振れ量をダイヤルゲージ１００によって測定し、全長Ｌに対する振れ量の比を求める。
また、素材の炭素量を０．４７〜０．６ｍａｓｓ％とした炭素鋼を用い、高周波焼入れ後の転動溝５の表面硬さを４６〜６４ＨＲＣとすることが好ましい。素材の炭素量が０．４７ｍａｓｓ％未満の場合、必要な硬化深さと硬さを得ようとすると、加熱温度を高温とする必要があり、酸化スケールが増加し、必要な表面粗さを確保できなくなる。また、炭素量が０．６ｍａｓｓ％を超えると、機械加工性が著しく低下し、焼割れ感受性が著しく増加する。好ましくは、０．４９〜０．５６ｍａｓｓ％である。
また、素材については、Ｓｉ：０．０２〜０．１ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０２〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００３〜０．００６ｍａｓｓ％で残部Ｆｅ及び不可避的不純物組成から構成されることが好適である。
炭素鋼中の合金元素で酸化物を形成しやすいＳｉとＣｒを適正化すると、高周波焼入れ後の酸化スケールの発生がより抑制され表面粗さが改善される。Ｓｉ：０．０２〜０．１ｍａｓｓ％で０．０２％未満となると、製鋼時の脱酸剤として添加され、０．０２％未満となると、十分な脱酸効果が得られなくなる。また、０．１ｍａｓｓ％を超えるとスケール膜が厚く面粗さの増加を招き、転造加工性も低下する。Ｃｒは少ない方が好ましいが、製鋼段階で不可避的に混入するため、上限をＣｒ：０．０５ｍａｓｓ％未満とした。また、Ｓｉと同様、Ｃｒの減少は、機械加工性を改善する。Ｓｉ、Ｃｒは高周波焼入れ性を向上させる、元素として、Ｂ：０．０００３〜０．００６ｍａｓｓ％を添加し、Ｓｉ、Ｃｒの減少を補完する。０．０００３ｍａｓｓ％以下では焼入性向上に効果がなく、Ｂが０．００６％を超えると結晶粒の粗大化を招き焼割れ感受性を助長させる。好ましくは０．０００４〜０．００５ｍａｓｓ％が好ましい。
炭素鋼中の合金元素で酸化物を形成しやすいＳｉとＣｒを適正化すると、高周波焼入れ後の酸化スケールの発生がより抑制され表面粗さが改善される。Ｓｉ：０．０２〜０．１ｍａｓｓ％で０．０２％未満となると、製鋼時の脱酸剤として添加され、０．０２％未満となると、十分な脱酸効果が得られなくなる。また、０．１ｍａｓｓ％を超えるとスケール膜が厚く面粗さの増加を招き、転造加工性も低下する。Ｃｒは少ない方が好ましいが、製鋼段階で不可避的に混入するため、上限をＣｒ：０．０５ｍａｓｓ％未満とした。また、Ｓｉと同様、Ｃｒの減少は、機械加工性を改善する。Ｓｉ、Ｃｒは高周波焼入れ性を向上させる、元素として、Ｂ：０．０００３〜０．００６ｍａｓｓ％を添加し、Ｓｉ、Ｃｒの減少を補完する。０．０００３ｍａｓｓ％以下では焼入性向上に効果がなく、Ｂが０．００６％を超えると結晶粒の粗大化を招き焼割れ感受性を助長させる。好ましくは０．０００４〜０．００５ｍａｓｓ％が好ましい。
また、高周波焼入れ後の転動溝５表面の旧オーステナイト粒度を８〜１１番とすることが好適である。高周波焼入れ後の転動溝５表面の旧オーステナイト粒度を８番以下となると、著しく酸化スケールが増加し、表面粗さが顕著に悪化し、軸の曲がりが増加する。１１番を超えると有効硬化深さが減少する。
表１に従来のねじ軸の加工方法（Ａ）と、本発明のねじ軸の加工方法（Ｎ）を示し、表２に具体的な本発明の実施品１乃至４の特性を従来品と比較して示している。
従来品は、従来の加工方法（Ａ）により、Ｓ５３Ｃの圧延ままの材料を用い、コイルの曲り矯正後センタレス加工により寸法精度と表面性状を高め、転造加工を行い、大気中にて高周波焼入れを行った。転動溝部の外径は、φ１５である。
従来品は、従来の加工方法（Ａ）により、Ｓ５３Ｃの圧延ままの材料を用い、コイルの曲り矯正後センタレス加工により寸法精度と表面性状を高め、転造加工を行い、大気中にて高周波焼入れを行った。転動溝部の外径は、φ１５である。
実施品１乃至３は、Ｓ５３Ｃで圧延ままの材料を用い、コイルの曲り矯正後、センタレス加工により寸法精度と表面性状を高め、転動溝を転造加工し、油中で移動高周波焼入れを行った。実施品４は、素材に球状化焼鈍処理を実施したものである。実施品１乃至４は、転動溝部の外径を、φ８、φ２９、φ１５、φ１５とした。
この結果、表２に示すように、従来品１は、酸化スケールの厚さが０．００３ｍｍに対し、本発明の実施品１乃至４では、酸化スケールの厚さは、５０、１７０、７０、６０ｎｍと極めて薄く、見た目では鋼の色と全く同じである。
この酸化スケールの厚さは、オージェ分光分析装置により容易に測定できる。オージェ分光分析により転動溝表面の成分分析を行い、表面元素成分のうち酸素と鉄成分のみを抽出し、母材中の酸素濃度より増加する深さを調べ酸化スケールの厚さとした。
この酸化スケールの厚さは、オージェ分光分析装置により容易に測定できる。オージェ分光分析により転動溝表面の成分分析を行い、表面元素成分のうち酸素と鉄成分のみを抽出し、母材中の酸素濃度より増加する深さを調べ酸化スケールの厚さとした。
一方、実施品１については、軸径がφ８と小さいために、酸化スケールの厚さはごく薄いものの、比振れ量が大きくなる。また、実施品２については、軸径がφ２９と大きいために、油中での加熱効率が低くなり、酸化スケールの厚さが大きくなる。
また、実施品３、４では、酸化スケールの厚さは小さく、かつ比振れ量も小さい。特に、転造時の球状化焼鈍処理を実施した実施品４では、油中高周波焼入れ後の曲りが実施品３より低減している。
以上説明したように、本発明によれば、高周波焼入後光輝処理されスケールの除去処理が不要で、曲げの発生を抑制でき、転動溝表面を焼入れのままで使用可能とし生産性に優れ、コスト低下が図れるボールねじのねじ軸を提供することできる。
以上説明したように、本発明によれば、高周波焼入後光輝処理されスケールの除去処理が不要で、曲げの発生を抑制でき、転動溝表面を焼入れのままで使用可能とし生産性に優れ、コスト低下が図れるボールねじのねじ軸を提供することできる。
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。
本発明に係るボールねじのねじ軸は、転動溝が高周波焼入れされ、この転動溝の内面をそのまま転動面として使用するボールねじのねじ軸に適用することができる。
１ ボールねじ
２ ねじ軸（転動溝付き機械部品）
２ａ 転動溝部
２ｂ、２ｃ 軸端部
３ ナット
４ ボール（転動体）
５ ねじ軸の転動溝
６ ナットの転動溝
７ 高周波加熱コイル
８ 冷却ジャケット
８１ 噴射穴
９ 熱分解ガス
１０ 焼入れ油
１１ 油槽
１２ 排出管
２ ねじ軸（転動溝付き機械部品）
２ａ 転動溝部
２ｂ、２ｃ 軸端部
３ ナット
４ ボール（転動体）
５ ねじ軸の転動溝
６ ナットの転動溝
７ 高周波加熱コイル
８ 冷却ジャケット
８１ 噴射穴
９ 熱分解ガス
１０ 焼入れ油
１１ 油槽
１２ 排出管
Claims (9)
- ボールが転動する断面円弧状の転動溝を有し、少なくとも前記転動溝が高周波焼入れされ、高周波焼入れ後の酸化スケールが黒色状にならない程度に薄く形成され、高周波焼入れされた転動溝の内面をそのまま転動面として使用するボールねじのねじ軸において、
前記ねじ軸の転動溝が転造加工され、高周波焼入れされたままの転動溝面の表面粗さＲａを１．０未満とし、焼入れ硬化層の有効硬化深さ比を０．１５以上で０．４５以下とすると共に、高周波焼入れ後の転動溝表面の旧オーステナイト粒度を８〜１１番とし、オージェ分光分析により前記転動溝面の成分分析を行い、表面元素成分のうち酸素と鉄成分のみを抽出し、母材中の酸素濃度より増加する深さを調べることによって求めた当該転動溝面の酸化スケールの厚さが５０〜１７０ｎｍに設定されていることを特徴とするボールねじのねじ軸。 - 転造加工前に軟化熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のボールねじのねじ軸。
- 高周波焼入れ後軸の曲り比振れ量（振れ量／全長）が１．０５×１０−３（ＴＩＲ／ｍｍ）以下で曲り矯正後０．６×１０−３（ＴＩＲ／ｍｍ）以下としたことを特徴とする請求項２に記載のボールねじのねじ軸。
- 転動溝部の外径が最外径となっており且つ径がφ１０以上でφ２８以下としたことを特徴とする請求項３に記載のボールねじのねじ軸。
- 素材の炭素量を０．４７〜０．６ｍａｓｓ％とした炭素鋼を用いて、高周波焼入れ後の転造溝の表面硬さをＨＲｃ４６〜６４とした請求項１乃至４のいずれかの項に記載のボールねじのねじ軸。
- 前記炭素鋼が、Ｓｉ：０．０２〜０．１ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０２〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００３〜０．００６ｍａｓｓ％で残部Ｆｅ及び不可避的不純物組成からなる請求項５に記載のボールねじのねじ軸。
- 両端にボールベアリングが組み込み支持される請求項１乃至６のいずれかの項に記載のボールねじのねじ軸。
- 両端にニードルベアリングを組み込み支持される請求項１乃至６のいずれかの項に記載のボールねじのねじ軸。
- 前記転動溝の内面が油中にて移動高周波焼入れされた請求項１に記載のボールねじのねじ軸。
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