JP5776185B2 - ボールねじの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボールねじの製造方法に関する。

ボールねじは、螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転走路内に転動自在に装填された複数のボールと、からなる。そして、ボールを介してねじ軸に螺合されているナットとねじ軸とを相対回転運動させると、ボールの転動を介してねじ軸とナットとが軸方向に相対移動するようになっている。

このようなボールねじには、ボール転走路の始点と終点とを連通させて無端状のボール通路を形成するボール循環路が備えられている。すなわち、ボールは、ボール転走路内を移動しつつねじ軸の回りを回ってボール転走路の終点に至ると、ボール循環路の一方の端部から掬い上げられてボール循環路内を通り、ボール循環路の他方の端部からボール転走路の始点に戻される。このように、ボール転走路内を転動するボールがボール循環路により無限に循環されるようになっているので、ねじ軸とナットとは継続的に相対移動することができる。

ボール循環路を用いたボール循環形式としては、チューブ式，コマ式等が一般的であるが、ナットの内周面の一部を凹化させて形成した凹溝をボール循環路として用いることもできる。ボール循環路を構成する凹溝の深さは、ボール循環路の長手方向全体にわたって一定ではなく、ボール転走路との接続部分である両端部は浅く、前記両端部の間の中間部は深く形成されている。

特開２００８−２６７５２３号公報

しかしながら、金型を用いた鍛造によりナットの内周面の一部を凹化させて凹溝を形成する場合には、深い溝を形成するためには除肉量が多くなるので、鍛造に大きなエネルギーが必要であった。よって、ボール循環路の形成に要するエネルギーが小さくなるよう、さらなる改良が望まれていた。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、鍛造に要するエネルギーが小さいボールねじの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明のボールねじの製造方法は、螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転走路に転動自在に装填された複数のボールと、前記ナットの内周面の一部を凹化させて形成した凹溝で構成され、前記ボールを前記ボール転走路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路と、を備え、前記ボール循環路が、前記ボール転走路との接続部分である両端部と、前記両端部の間に配され前記両端部よりも溝深さが深い中間部と、からなるボールねじを製造するに際して、前記ナットの内周面のうち前記中間部に対応する部分よりも広い範囲を凹化させて凹部を形成した後に、前記ナットの内周面のうち前記両端部に対応する部分を鍛造により凹化させるとともに、前記凹部のうち前記中間部に対応する部分を鍛造によりさらに深く凹化させて、前記両端部の溝深さよりも前記中間部の溝深さの方が深くなっている前記凹溝からなる前記ボール循環路を形成することを特徴とする。
このような本発明のボールねじの製造方法においては、前記凹部の深さを、前記中間部の溝深さと前記両端部の溝深さとの差と同一とすることが好ましい。

本発明のボールねじの製造方法は、ナットの内周面のうち中間部に対応する部分を凹化させて凹部を形成した後に、両端部に対応する部分及び凹部を鍛造により凹化させることにより、両端部の溝深さよりも中間部の溝深さの方が深くなっている凹溝からなるボール循環路を形成するので、鍛造に要するエネルギーが小さい。

本発明の一実施形態であるボールねじの断面図である。 ナットの要部断面図である。 ボール循環路の拡大断面図である。 ナットの凹溝を図２のＡ矢視方向から見た拡大図である。 本実施形態のボールねじの製造方法を説明する工程図である。 ブランクに凹溝を形成する方法を説明する、凹部が形成されたブランクの説明図である。 ボール循環路とボール転走路との境界部分を説明するナットの断面図である。 変形例の凹部の形状を説明する、ブランクの内周面を径方向中心側から見た図である。 別の変形例の凹部の形状を説明する、ブランクの内周面を径方向中心側から見た図である。 さらに別の変形例の凹部の形状を説明するブランクの断面図である。 複数の凹溝を同位相に有するナットの断面図である。 複数の凹溝を異なる位相に有するナットの端面図である。

本発明に係るボールねじの製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるボールねじの断面図（軸方向に沿う平面で切断した断面図）である。
図１に示すように、ボールねじ１は、螺旋状のねじ溝３ａを外周面に有するねじ軸３と、ねじ軸３のねじ溝３ａに対向する螺旋状のねじ溝５ａを内周面に有するナット５と、両ねじ溝３ａ，５ａにより形成される螺旋状のボール転走路７内に転動自在に装填された複数のボール９と、ボール９をボール転走路７の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路１１と、を備えている。

すなわち、ボール９は、ボール転走路７内を移動しつつねじ軸３の回りを回ってボール転走路７の終点に至り、そこでボール循環路１１の一方の端部１１ａから掬い上げられてボール循環路１１内を通り、ボール循環路１１の他方の端部１１ａからボール転走路７の始点に戻されるようになっている。
なお、ねじ溝３ａ，５ａの断面形状（長手方向に直交する平面で切断した場合の断面の形状）は、円弧状（単一円弧状）でもよいしゴシックアーク状でもよい。また、ねじ軸３，ナット５，及びボール９の材質は特に限定されるものではなく、一般的な材料を使用可能である。例えば、金属（鋼等），焼結合金，セラミック，樹脂があげられる。

このようなボールねじ１は、ボール９を介してねじ軸３に螺合されているナット５とねじ軸３とを相対回転運動させると、ボール９の転動を介してねじ軸３とナット５とが軸方向に相対移動するようになっている。そして、ボール転走路７とボール循環路１１により無端状のボール通路が形成されており、ボール転走路７内を転動するボール９が無端状のボール通路内を無限に循環するようになっているため、ねじ軸３とナット５とは継続的に相対移動することができる。

ここで、ボール循環路１１について、図２〜４を参照しながら詳細に説明する。ボール循環路１１は、ナット５の内周面に一体的に形成されている。詳述すると、ナット５の円柱面状の内周面の一部を凹化させて形成した凹溝２２を、ボール循環路１１としている。よって、チューブ式，コマ式等のボール循環形式の場合とは異なり、ボール循環路を構成する別部材は取り付けられていない。そして、別部材が用いられていないので、別部材が用いられた場合に境界部分に生じる、エッジ部を有する段差が生じるおそれはない。

また、図４に示すように、ボール循環路１１（凹溝２２）は、ボール転走路７（ねじ溝５ａ）との接続部分である両端部１１ａ，１１ａが直線状となっており、両端部１１ａ，１１ａの間に位置する中間部１１ｂが曲線状となっている。この中間部１１ｂの両端と両端部１１ａ，１１ａとが滑らかに接続されていて、図２のＡ矢視方向から見たボール循環路１１（凹溝２２）の全体形状は略Ｓ字状をなしている。ただし、ボール循環路１１の全体形状は、図４に示すような略Ｓ字状に限定されるものではない。
さらに、図２に示すように、ボール循環路１１（凹溝２２）は、両端部１１ａ，１１ａの溝深さよりも中間部１１ｂの溝深さの方が深くなっている。

このようなボール循環路１１を備えていることから、図３に示すように、ボール転走路７の終点に転動してきたボール９は、ボール循環路１１の一方の端部１１ａから掬い上げられてナット５の内部（径方向外方側）に沈み込む。そして、ボール循環路１１の中間部１１ｂ内を通ってねじ軸３のランド部３ｂ（ねじ溝３ａのねじ山）を乗り越えて、ボール循環路１１の他方の端部１１ａからボール転走路７の始点に戻される。なお、ボール循環路１１の断面形状（長手方向に直交する平面で切断した場合の断面の形状）は、円弧状（単一円弧状）でもよいしゴシックアーク状でもよい。

直線状の端部１１ａによりボール９の導入部が形成されており、ボール転走路７からボール循環路１１に入ってきたボール９は、導入部を通って中間部１１ｂの湾曲部分に突き当たることにより案内されて、進行方向を変える。よって、この導入部は、ボール９が激しく衝突する部分である。なお、ボール循環路１１とボール転走路７とは、滑らかに接続されている。すなわち、ボール９と凹溝２２の内面との接点の軌跡と、ボール９とねじ溝５ａの内面との接点の軌跡とが、滑らかに連続するように接続されている。その結果、ボール９が滑らかに循環する。
このような本実施形態のボールねじ１の用途は特に限定されるものではないが、自動車部品，位置決め装置等に好適に使用可能である。

次に、本実施形態のボールねじ１の製造方法の一例を、図２，４〜７を参照しながら説明する。まず、円柱状の鋼製素材２０を冷間鍛造等の塑性加工により加工し、ナット５と略同一形状（略円筒形状）のブランク２１を得た（粗成形工程）。このとき、塑性加工により、ブランク２１の外周面にはフランジ１３も形成される。
次に、図６に示すように、ブランク２１の円柱面状の内周面のうち中間部１１ｂに対応する部分を凹化させて、凹部２４を形成した。なお、図６の右側の図は、ブランク２１の断面図（図２に相当する図）であり、左側の図は、ブランク２１の内周面を径方向中心側から見た図（図４に相当する図）である。凹部２４を形成する方法は特に限定されるものではないが、鍛造等の塑性加工、切削加工、研削加工があげられる。あるいは、鋳造によって、内周面に凹部２４を有するブランク２１を製造してもよい。

そして、凹部２４を形成した後に、ブランク２１の円柱面状の内周面のうち、両端部１１ａ，１１ａに対応する部分を鍛造により凹化させるとともに、凹部２４が形成されている部分を鍛造によりさらに深く凹化させて、両端部１１ａ，１１ａの溝深さよりも中間部１１ｂの溝深さの方が深くなっている凹溝２２を形成した（ボール循環路形成工程）。このようにして、図２に示すような凹溝２２を形成することができる。なお、図６においては、凹部２４を形成した後の鍛造により形成された凹溝２２が点線で示されている。

当初形成する凹部２４の深さＤは、中間部１１ｂの溝深さと端部１１ａの溝深さとの差と略同一とすることが好ましい。すなわち、凹部２４の底面から凹溝２２形成後の中間部１１ｂの底面までの溝深さ方向距離Ｘと、凹溝２２形成前のブランク２１の円柱面状の内周面から凹溝２２形成後の端部１１ａの底面までの溝深さ方向距離Ｙとが、略同一であることが好ましい。そうすれば、凹部２４形成後の鍛造によって凹化された深さが、ボール循環路１１の長手方向の全体にわたって一定となるので、鍛造がより容易となる。また、前記溝深さ方向距離Ｘは、凹溝２２の機能上、少なくともボール９の半径程度の大きさである必要がある。

凹溝２２を鍛造により形成する方法としては、金型を用いる方法が好ましい。すなわち、凹溝２２に対応する形状の凸部を有する金型（図示せず）をブランク２１内に挿入し、ブランク２１の内周面に金型の凸部を接触させ、ブランク２１の内周面に向かって金型を強く押圧することにより塑性加工して、凹溝２２を形成することができる。なお、両端部１１ａ，１１ａに対応する部分の鍛造と、凹部２４が形成されている部分の鍛造とを１つの金型で同時に行うことが好ましいが、別々の金型でそれぞれ行うことも可能である。

このように、凹部２４を形成することで予め除肉を行うことにより、その後の鍛造における除肉量（加工量）を低減したため、冷間鍛造が容易となり、また、鍛造に要するエネルギーが小さくなる。特に、凹溝２２の最深部である中間部１１ｂに対応する部分を予め除肉したので、その後の鍛造における除肉量（加工量）が大幅に低減されて、鍛造に要するエネルギーが大幅に小さくなる。よって、ボールねじ１の製造に際して必要なエネルギーが小さい。

さらに、鍛造に際して金型に負荷する荷重を、予め除肉を行わず鍛造のみで凹溝２２を形成する場合よりも小さくすることができるので、金型への負担が少なくなり、金型のメンテナンスを行う頻度を少なくすることができるとともに、金型の寿命が長くなる。
さらに、予め除肉を行わず鍛造のみで凹溝２２を形成する場合よりも、除肉量が少ないため、ワークフローが少なくなる。その結果、ナット５の真円度が崩れるなどの形状崩れ（変形）が生じにくい。

さらに、凹溝２２の形成を鍛造によって行うので、切削加工や研削加工で凹溝２２を形成する場合と比べて、加工に要する時間が短いことに加えて、凹溝２２の内面の粗度も良好となる。そのため、凹溝２２の形成後に、その内面の粗度を整える必要はない。
金型を用いて凹溝２２を形成する方法の具体例としては、カムドライバ（図示せず）と、凹溝２２に対応する形状の凸部を有するカムスライダ（図示せず）と、を有するカム機構の金型を用いる方法があげられる。

詳述すると、ブランク２１内にカムドライバとカムスライダを挿入し、そのときカムスライダは、ブランク２１とカムドライバとの間に配置するとともに、その凸部をブランク２１の内周面に向けて配置する。ブランク２１内に配されたカムスライダとカムドライバは、ブランク２１の略軸方向（ブランク２１の軸方向から若干傾斜した方向）に延びる傾斜面で相互に接触しており、両傾斜面が金型のカム機構を構成している。

ここで、カムドライバをブランク２１の軸方向に沿って移動させると、両傾斜面で構成されるカム機構（くさびの作用）によりカムスライダがブランク２１の径方向外方に移動する。すなわち、カムドライバの傾斜面からカムスライダの傾斜面に力が伝達され、カムドライバの軸方向の力がカムスライダを径方向外方へ動かす力に変換される。その結果、カムスライダの凸部がブランク２１の内周面を強く押圧することとなるので、塑性加工によりブランク２１の内周面に凹溝２２が形成される。

次に、凹溝２２が形成されたブランク２１の内周面に、慣用の切削加工により、ボール循環路１１（凹溝２２）の最端部と接続するようにねじ溝５ａを形成した（ねじ溝形成工程）。このとき、凹溝２２（ボール循環路１１）の最端部は球面状をなしているので、ねじ溝５ａとの境界部分の段差にコマ式ボールねじの場合のようなエッジ部は発生せず、滑らかな段差となる。その結果、境界部分をボール９が通過しても、異音や作動トルク変動が生じにくく、また寿命低下も生じにくい。

最後に、所望の条件で浸炭，浸炭窒化，焼入れ，焼戻し，高周波焼入れ等の熱処理をブランク２１に施して、ナット５が得られた。熱処理が浸炭又は浸炭窒化である場合は、ナット５の材質は、炭素の含有量が０．１０〜０．２５質量％のクロム鋼又はクロムモリブデン鋼（例えばＳＣＭ４２０）であることが好ましく、熱処理が高周波焼入れである場合は、炭素の含有量が０．４〜０．６質量％の炭素鋼（例えばＳ５３Ｃ，ＳＡＥ４１５０）であることが好ましい。
このようにして製造されたナット５と、慣用の方法により製造されたねじ軸３及びボール９とを組み合わせて、ボールねじ１を製造した。

なお、前述の粗成形工程及びボール循環路形成工程を鍛造のような塑性加工で行ったので、このボールねじ１の製造方法は、材料歩留まりが高いことに加えて、高精度のボールねじを安価に製造することができる。また、塑性加工により製造するため、鋼製素材２０が有するメタルフロー（鍛流線）がほとんど切断されないので、高強度のナット５が得られる。

鍛造の種類は特に限定されるものではないが、冷間鍛造が好ましい。熱間鍛造を採用することも可能であるが、冷間鍛造は熱間鍛造に比べて高精度な仕上げが可能であるので、後加工を施さなくても十分に高精度なナット５を得ることができる。よって、ボールねじ１を安価に製造することができる。粗成形工程及びボール循環路形成工程における加工方法を冷間鍛造とすることが好ましいが、いずれか１つの工程における加工方法を冷間鍛造としてもよい。

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態のボールねじにおいては、ブランク２１の円柱面状の内周面のうち中間部１１ｂに対応する部分を凹化させて凹部２４を形成したが、凹部２４の大きさや形状はこれに限定されるものではなく、例えば図８に示すように、中間部１１ｂに対応する部分よりも広い範囲を凹化させて凹部２４を形成してもよい。

この場合は、凹部２４を略Ｓ字状に形成する必要がない。よって、加工に特別な工具を必要とせず、高精度の加工も不要なので、加工が容易である。また、この場合の凹部２４の形状は、図８に示すように略長円形としてもよいし、図９に示すように略矩形としてもよい。さらに、略矩形の凹部２４は、図１０に示すように、ナット５の軸方向両端にまで直線状に延びていてもよい。

このようなナット５の軸方向両端まで直線状に延びる溝状の凹部２４は、複数の凹溝２２を同位相に有するナット５を製造する場合に好適である。すなわち、各凹溝２２の形成に用いる凹部２４が、１つの溝状の凹部２４であるため（図１１を参照）、一度の加工で全ての凹溝２２のための凹部２４を形成することができる。ただし、溝状の凹部２４の底部と凹溝２２の最深部との位相が略一致するようにすることが好ましい。溝状の凹部２４を形成する方法は特に限定されるものではなく、鍛造等の塑性加工、切削加工、研削加工があげられる。あるいは、内周面に溝状の凹部２４を有するブランク２１を鋳造によって製造して用いてもよい。

複数の凹溝２２を異なる位相に有するナット５を製造する場合には、各凹溝２２の形成に用いる前記溝状の凹部２４を、各凹溝２２の位相に合わせてそれぞれ形成する。このような場合には、前記溝状の凹部２４とねじ溝５ａとが重なり合う部分が生じるが、ねじ溝５ａの底部の深さと前記溝状の凹部２４の底部の深さとの差Ｚ（ナット５の中心Ｏからの距離で表すと、中心Ｏからねじ溝５ａの底部までの距離Ｒ１と、中心Ｏから前記溝状の凹部２４の底部までの距離Ｒ２との差Ｚ）が、ボール９の半径の５０％以上１００％以下であれば、ねじ溝５ａの機能が損なわれることはない（図１２を参照）。
さらに、ボール９をボール転走路７の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路１１をナット５に形成したナット循環方式のボールねじを例示したが、本発明は、ボール循環路１１に相当するものをねじ軸に形成したねじ軸循環方式のボールねじにも適用可能である。

１ ボールねじ
３ ねじ軸
３ａ ねじ溝
５ ナット
５ａ ねじ溝
７ ボール転走路
９ ボール
１１ ボール循環路
１１ａ 端部
１１ｂ 中間部
２２ 凹溝
２４ 凹部

Claims (5)

1. 螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転走路に転動自在に装填された複数のボールと、前記ナットの内周面の一部を凹化させて形成した凹溝で構成され、前記ボールを前記ボール転走路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路と、を備え、前記ボール循環路が、前記ボール転走路との接続部分である両端部と、前記両端部の間に配され前記両端部よりも溝深さが深い中間部と、からなるボールねじを製造するに際して、
   前記ナットの内周面のうち前記中間部に対応する部分よりも広い範囲を凹化させて凹部を形成した後に、前記ナットの内周面のうち前記両端部に対応する部分を鍛造により凹化させるとともに、前記凹部のうち前記中間部に対応する部分を鍛造によりさらに深く凹化させて、前記両端部の溝深さよりも前記中間部の溝深さの方が深くなっている前記凹溝からなる前記ボール循環路を形成することを特徴とするボールねじの製造方法。
2. 前記凹部の形状を略長円形とすることを特徴とする請求項１に記載のボールねじの製造方法。
3. 前記凹部の形状を略矩形とすることを特徴とする請求項１に記載のボールねじの製造方法。
4. 前記凹部の形状を、前記ナットの軸方向両端にまで直線状に延びる略矩形とすることを特徴とする請求項１に記載のボールねじの製造方法。
5. 前記凹部の深さを、前記中間部の溝深さと前記両端部の溝深さとの差と同一とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のボールねじの製造方法。

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