JP5853560B2 - 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、を備えている。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凹溝を形成し、この凹溝をボール循環路とするボール循環形式（以下「一体式」と記すこともある）も知られている。チューブ式，コマ式の場合は、ボール循環路を構成する別部材（リターンチューブ，コマ）がナットに取り付けられるが、一体式の場合は、ナットと一体的にボール循環路が形成されているので、別部材をナットに取り付ける必要はない。
ボール循環形式が一体式のボールねじのナットを製造する方法としては、金型等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前記凹溝を形成する方法がある（例えば特許文献１を参照）。

特開２００８−２８１０６３号公報

しかしながら、特許文献１のように、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と、鍛造によってナット全体に形状のゆがみなどの変形が生じて、ナットの真円精度が低下するおそれがあった。例えば、ナットの内周面（凹溝が形成されていない部分）にゆがみなどの変形が生じて真円精度が低下し、ナット全体の質量のバランスが崩れるため、ナットの回転精度が低下するおそれがあった。よって、このようにして製造されたボールねじは、高精度が要求される用途には不向きとなるおそれがあった。

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、ボール循環路をなす凹溝がナットの内周面に鍛造によって形成された場合でも、ナットの真円精度が高く回転精度が優れているボールねじを製造する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、本発明の態様は次のような構成からなる。すなわち、本発明の一態様に係る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、前記ナットの内周面の一部を鍛造により凹化させて形成した凹溝で構成されているボールねじを製造する方法であって、前記ナットと略同一形状のブランクの円柱面状の内周面の一部を鍛造により凹化させて、前記ボール循環路をなす凹溝を形成するボール循環路形成工程と、前記凹溝が形成された前記ブランクの円柱面状の内周面及び外周面のうち一方の周面を加工して、その周面の真円精度を高める第一仕上げ加工工程と、真円精度が高められた周面を加工基準として用いて他方の周面を加工して、この他方の周面の真円精度を高める第二仕上げ加工工程と、を備えることを特徴とする。

このようなボールねじの製造方法においては、前記第一仕上げ加工工程又は前記第二仕上げ加工工程において、前記円柱面状の内周面と前記凹溝の内面とが交差する稜部が断面略円弧状のダレ部となっている前記ブランクの内周面に対して、前記ダレ部が残るように前記加工を行うことが好ましい。また、真円精度が高められた周面を加工基準として用いて、前記ブランクの軸方向端面を仕上げ加工してもよい。

本発明のボールねじの製造方法は、内周面及び外周面に真円精度を高める加工を施すので、ボール循環路をなす凹溝をナットの内周面に鍛造によって形成する際に、ナットの真円精度が低下したとしても、ナットの真円精度が高く回転精度が優れているボールねじを製造することができる。

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。 ボールねじの製造方法を説明する工程図である。 ダレ部がある凹溝の拡大断面図である。 ダレ部のない凹溝の拡大断面図である。

本発明に係るボールねじの実施の形態を、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。

ここで、ボール循環路１１について、図１〜３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鍛造により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１１を構成する別部材は取り付けられていない。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両部材の境界部分に生じる、エッジ部を有する段差が生じるおそれはない。

また、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が直線状となっており、これら両端部の間に位置する中間部が曲線状となっている。この中間部の両端と前記両端部とが滑らかに接続されていて、ナット５の中心から内周面を見た場合のボール循環路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、略Ｓ字状に限定されるものではない。

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の終点に至ったボール９は、ボール循環路１１の一方の端部内に入り、この端部と中間部との境界部分近傍からボール循環路１１（中間部）に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の他方の端部に至り、そこからボール転走路７の始点に戻される。

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９が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。

なお、ボール循環路１１の断面形状（ボール循環路１１の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、ねじ溝３ａ，５ａの断面形状（ねじ溝３ａ，５ａの長手方向に直交する平面で切断した場合の断面の形状）も、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。さらに、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、ボール循環路１１とボール転走路７とが接続されている。その結果、前記ボール通路内をボール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４を参照しながら説明する。まず、図示しない円柱状の鋼製素材を冷間鍛造等の鍛造により加工し、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、鍛造により、ブランク２１の外周面にフランジ等を形成してもよい。
次に、ブランク２１の円柱面状の内周面の一部を鍛造により凹化させて、ボール転走路７の終点と始点を連通するボール循環路１１をなす略Ｓ字状の凹溝２２を形成した（ボール循環路形成工程）。

凹溝２２を形成する方法の具体例としては、以下のようなものがあげられる。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鍛造して、凹溝２２を形成することができる。
例えば、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て、凹溝２２を形成してもよい。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、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、鍛造によりブランク２１の内周面に凹溝２２が形成される。

なお、上記のように鍛造によって凹溝２２を形成する際に、鍛造加工条件を調整することにより、凹溝２２の輪郭部分、すなわちナット５の内周面（ねじ溝５ａが形成されていない円柱面状の部分）と凹溝２２の内面とが交差する稜部が、角部はとならず丸くなり、図５に示すように断面略円弧状のダレ部１５を残すようにした（凹溝２２の長手方向に直交する平面で切断した場合のダレ部１５の断面が略円弧状である）。

また、上記のように鍛造によって凹溝２２を形成したため、ナット５（ブランク２１）全体に形状のゆがみなどの変形が生じて、ナット５の真円精度が低下しているおそれがある。例えば、ナット５の内周面や外周面が変形し、その真円精度が低下しているおそれがある。
そこで、ナット５の内周面は機能上は加工は不要であるが、凹溝２２が形成されたブランク２１の円柱面状の内周面に、真円精度を高める加工を施す（第一仕上げ加工工程）。例えば、ブランク２１を外周チャック３１に装着して回転させながら、ブランク２１の内周面に切削工具３３（バイト）で旋削加工を施して、内周面の真円精度を高める。

このとき、図６に示すように、ブランク２１の円柱面状の内周面と凹溝２２の内面とが交差する稜部が角部となっていると、内周面に旋削加工を施した際に凹溝２２内にバリが発生しやすいので、旋削加工を施した後にバリ取りを行う必要が生じる。
これに対して、本実施形態では、図５に示すように、ブランク２１の円柱面状の内周面と凹溝２２の内面とが交差する稜部がダレ部１５となっているため、内周面に旋削加工を施した際にバリが発生しにくいので、旋削加工を施した後にバリ取りを行う必要がない。そのため、本実施形態では、内周面に旋削加工を施した後も、ブランク２１の円柱面状の内周面と凹溝２２の内面とが交差する稜部にダレ部１５を残すように旋削加工の取り代を制限して、完成品のナット５においてもダレ部１５が残るようにした。

続いて、ブランク２１の円柱面状の外周面に、真円精度を高める加工を施す（第二仕上げ加工工程）。例えば、ブランク２１を内周チャック３５に装着して回転させながら、ブランク２１の外周面に切削工具３３（バイト）で旋削加工を施して、外周面の真円精度を高める。このとき、第一仕上げ加工工程において真円精度が高められた内周面を加工基準として用いて、外周面の旋削加工を行う。真円精度が高められた内周面を加工基準として用いて外周面を加工するので、外周面の真円精度をより高めることが可能である。

なお、内周面と外周面の仕上げ加工の順序は、上記の逆でもよい。すなわち、第一仕上げ加工工程において、ブランク２１の外周面に真円精度を高める加工を施し、第二仕上げ加工工程において、ブランク２１の内周面に真円精度を高める加工を施してもよい。
また、真円精度を高める加工は旋削加工に限定されるものではなく、研削加工等の他の加工方法を採用しても差し支えない。
さらに、真円精度が高められた周面（内周面又は外周面）を加工基準として用いて、旋削加工、研削加工等により、ブランク２１の軸方向端面の仕上げ加工をさらに施してもよい。

次に、凹溝２２が形成されたブランク２１の内周面に、切削工具３７を用いた慣用の切削加工（研削加工でもよい）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との境目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、ねじ溝５ａとの境目部分をボール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，ＳＣＭ４１５）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。なお、上記熱処理は、第一仕上げ加工工程の前に行ってもよい。

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。
このようにして製造されたボールねじ１は、鍛造によって凹溝２２を形成する際にブランク２１全体に形状のゆがみなどの変形が生じたとしても、ブランク２１の内周面及び外周面の真円精度を高める上記加工により、前記変形が修正されるので、完成品のナット５の真円精度が高い。よって、ナット５全体の質量のバランスが崩れることはなく、ナット５の回転精度が優れているので、該ボールねじ１は高精度が要求される用途にも好適である。

また、ブランク２１の真円精度が低いと、ボール循環路形成工程よりも後の各工程における加工（ねじ溝５ａの形成等）に際して、ブランク２１のチャッキング治具やローディング設備に位相決めが必要となるため、周辺設備が複雑で高価となるという問題が生じる。しかしながら、例えばブランク２１の内周面の真円精度が高ければ、ブランク２１の外周面や軸方向端面の旋削加工や、ねじ溝５ａの形成等に際して、上記のような複雑で高価な周辺設備を必要としない。

さらに、第一仕上げ加工工程及び第二仕上げ加工工程における真円精度を高める加工によって、鍛造によって凹溝２２を形成する際にブランク２１の内部に発生した残留応力も少なからず除去されるので、その後の熱処理によるブランク２１の変形が軽減される。
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、鍛造により製造するため、鋼製素材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１においては、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
１５ ダレ部
２１ ブランク
２２ 凹溝

Claims (2)

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、前記ナットの内周面の一部を鍛造により凹化させて形成した凹溝で構成されているボールねじを製造する方法であって、
   前記ナットと略同一形状のブランクの円柱面状の内周面の一部を鍛造により凹化させて、前記ボール循環路をなす凹溝を形成するボール循環路形成工程と、
   前記凹溝が形成された前記ブランクの円柱面状の内周面及び外周面のうち一方の周面を加工して、その周面の真円精度を高める第一仕上げ加工工程と、
   真円精度が高められた周面を加工基準として用いて他方の周面を加工して、この他方の周面の真円精度を高める第二仕上げ加工工程と、
   を備え、
   前記第一仕上げ加工工程又は前記第二仕上げ加工工程において、前記円柱面状の内周面と前記凹溝の内面とが交差する稜部が断面略円弧状のダレ部となっている前記ブランクの内周面に対して、前記ダレ部が残るように前記加工を行うことを特徴とするボールねじの製造方法。
2. 真円精度が高められた周面を加工基準として用いて、前記ブランクの軸方向端面を仕上げ加工する工程をさらに備え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。

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