JP6100964B1

JP6100964B1 - ナット部材の加工方法

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Publication number: JP6100964B1
Application number: JP2016224357A
Authority: JP
Inventors: 青山　進; 進青山; 剛青山; 昭広森山; 知男梅田
Original assignee: MH Center Ltd
Current assignee: MH Center Ltd
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: JP2018080782A

Abstract

【課題】従来構造のボールねじと比べて製造が容易であり、条数の多いねじにも容易に対応できる手段を提供する。【解決手段】ボール軌道の溝が外周面に形成されたボールねじ軸を挿通する穴を有するボールねじ用ナット部材であって、転動用のボールを受けるボール受け凹部が穴の内周に複数形成され、ボール受け凹部は、穴に挿通されるボールねじ軸のボール軌道に対応して穴の内周に離散的に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ボールねじ用のナット部材の加工方法に関する。

従来から、直線運動と回転運動とを変換するための機械要素の１つとしてボールねじが公知である。ボールねじの構成の一例として、螺旋状のボール軌道の溝が外周面に形成されたボールねじ軸の外側に、螺旋状のボール軌道の溝が内周面に形成されたナットがはめられ、ボールねじ軸およびナットのボール軌道により形成されたボール通路に複数のボールが配設されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記のボールねじでは、ボール通路内のボールが外にこぼれ落ちることを抑止するために、ナットのボール軌道の両端をネジ呼び径近傍まで塞いだ構成も知られている。かかる構成の場合、ボールねじの回転によりボール通路内でボールが一方向に偏在し、ボール同士の接触抵抗でボールねじの回転が阻害されるおそれがある。

また、近年では、ボール同士の接触抵抗を低減させるために、ナットのボール軌道の両端をバイパス通路で連結し、ボールを循環させるボールねじも知られている。

特開２０１１−１１２１２８号公報

ボールねじのナットの内周面に連続的なボール軌道の溝を（塑性的に）加工するときには、ボール軌道の溝を成形する際に排出される金属素材の体積に比例して工具に高い荷重がかかる。そのため、ナットのネジ呼び径、リード、ピッチや、ボール軌道の径等の条件によっては、ボールねじ用のナットの製造が非常に困難となる場合も生じうる。

また、ボールねじ用のナットにおいてボール軌道のバイパス通路を形成する場合には、バイパス通路の分だけさらに加工が煩雑となる。特に、複数条のボールねじにおいてバイパス通路を形成する場合、各条でそれぞれバイパス通路を設ける必要があるため加工がさらに困難となる。一般的に、バイパス通路を設けた複数条のボールねじで３条以上の多条ねじを実現することは極めて困難である。

本発明の目的は、従来構造のボールねじと比べて製造が容易であり、条数の多いねじにも容易に対応できる手段を提供することである。

本発明の一の態様は、ボール軌道の溝が外周面に形成されたボールねじ軸を挿通する穴を有するボールねじ用ナット部材であって、転動用のボールを受けるボール受け凹部が穴の内周に複数形成され、ボール受け凹部は、穴に挿通されるボールねじ軸のボール軌道に対応して穴の内周に離散的に配置されている。

一の態様において、ボール受け凹部は、押込み加工により形成され、ボール受け凹部の周囲には、穴の非加工部分よりも隆起した隆起部が形成されてもよい。

一の態様において、ボール受け凹部は、ボールを複数の点接触で支持し、ボール受け凹部の断面は、ボール受け凹部の表面とボールとの間に空隙を有する形状に形成されてもよい。

本発明の他の態様のボールねじは、一の態様のナット部材と、ボールねじ軸と、複数のボールを備える。ボールねじ軸は、ボール軌道の溝が外周面に形成され、ナット部材の穴に挿通される。複数のボールは、ナット部材のボール受け凹部にそれぞれ配置され、ボールねじ軸のボール軌道の溝と係合転動する。

本発明のさらに他の態様のナット部材の加工方法は、穴を有する被加工部材を固定し、被加工部材の穴の内部に、ボール受け凹部に対応する形状の凸部を外周面に配列した工具を配置し、被加工部材に対して工具の軸方向位置を維持しつつ、工具の軸を中心とした回転は行わずに穴の内周に沿って工具を移動させることで凸部を穴の内周に徐々に押し当て、穴の内周面にボール受け凹部の形状を転写する。

本発明の各態様によれば、従来構造のボールねじと比べて製造が容易であり、条数の多いねじにも容易に対応できるボールねじを提供できる。

本実施形態にかかるボールねじの側面図本実施形態にかかるボールねじの正面図ナット部材の断面斜視図ボール受け凹部の断面の例を示す断面拡大図ボール受け凹部の形状例を示す図ボール受け凹部の隆起部を示す図本実施形態にかかるナット部材の加工方法の工具を示す図本実施形態にかかるナット部材の加工例を示す図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態にかかるボールねじの側面図であり、図２は、本実施形態にかかるボールねじの正面図である。図１、図２に示すボールねじ１０は、棒状のボールねじ軸２０と、ナット部材３０と、転動用の複数のボール（鋼球）４０とを有する。ボールねじ軸２０およびナット部材３０は、例えばベアリング鋼、ステンレス鋼などの鋼材で構成される。

ボールねじ軸２０の外周面には、螺旋状のボール軌道の溝２２が形成されている。ボールねじ軸２０におけるボール軌道の溝幅はボール４０の直径とほぼ同一であり、ボールねじ軸２０の軸方向における溝２２の断面形状はボール４０とほぼ同じサイズの半円形状である。そのため、ボールねじ１０の組み立て状態ではボール軌道の溝２２の内部でボール４０が転動可能となっている。また、本実施形態では、ボールねじ軸２０にボール軌道の溝２２が２つ形成された２条のボールねじ１０の例を示す。しかし、本発明におけるボールねじ１０の条数は、図面の例に限定されずに２条以外であってもよい。

ナット部材３０は、ボールねじ１０の組み立て状態においてボールねじ軸２０に挿通され、ボールねじ軸２０の回転によりボールねじ軸２０の軸方向に直進運動する移動体である。ナット部材３０は、ボールねじ軸２０を挿通する穴３２を有し、穴３２の内周には、ボール４０を受けるためのボール受け凹部３４が複数形成されている。ボールねじ１０の組み立て状態において、各々のボール受け凹部３４にはボール４０が１つずつ回動可能に配置される。

図３は、ナット部材３０の断面斜視図である。ナット部材３０の穴３２に形成されるボール受け凹部３４はいずれも同じ形状である。各々のボール受け凹部３４は、ボールねじ軸２０のボール軌道に対応するように、ボール軌道に沿って一定間隔をおいて穴３２の内周に離散的に配置されている。図３では、ボールねじ軸２０側の２条のボール軌道のうち、一方のボール軌道に対応する仮想的な経路中心線αを一点鎖線で示し、他方のボール軌道に対応する仮想的な経路中心線βを二点鎖線で示している。

また、本実施形態では、ナット部材３０にボール受け凹部３４が９０°間隔で配置されている。なお、本実施形態の例では、異なる２条のボール軌道の間で、ボール受け凹部３４の周方向の位相を４５°ずらして配置している。

これにより、ボールねじ１０の組み立て状態において、ボール受け凹部３４に配置されたボール４０はいずれもボールねじ軸２０の溝２２と係合する。そして、ボールねじ軸２０が回転するときには、ボール受け凹部３４のボール４０が回動してボールねじ軸２０の溝２２と転動することで、ボールねじ軸２０に対してナット部材３０が軸方向に案内される。

ここで、ボールねじ１０の組み立て状態では、ナット部材３０側においてボール軌道上にボール４０を精度よく拘束することが求められる。そのため、ボール４０とボール受け凹部３４との係合を重視し、経路中心線に対して直交するボール受け凹部３４の幅方向長さ（ｗ）はボール４０の直径とほぼ同一の幅に設定される。また、経路中心線に対して直交するボール受け凹部３４の幅方向断面は、ボール４０とほぼ同じサイズの半円形を包含する形状に設定される。例えば、ボール受け凹部３４の幅方向の断面形状は、図４（ａ）に示すようにボール４０とほぼ同じサイズの半円形そのものであってもよい。または、ボール受け凹部３４の幅方向の断面形状は、図４（ｂ）に示すように上記の半円形状の空間に加えて潤滑剤のポケットまたは転動抵抗を削減する空間となる凸部３５をさらに設けた形状であってもよい。

図４に示すように、ボール受け凹部３４のサイズは、内側にボール４０を収納するためにボール４０よりもわずかに大きく設定されるため、ボール受け凹部３４の曲面形状とボール４０の曲面形状の間にはギャップが生じる。そのため、ボール受け凹部３４にボール４０を配置したときには、ボール受け凹部３４の幅方向断面において、ボール４０はボール受け凹部３４の二点以上で点接触あるいは線接触により支持される。なお、図４では点接触でボール４０が支持されるポイントをそれぞれ矢印で示している。そして、図４（ａ）に示すように、ボール受け凹部３４の幅方向断面において、ボール受け凹部３４の底面部分とボール４０との間には、潤滑剤が回り込む微小な空隙が形成される。

一方、ボールねじ１０の組み立て状態では、ボール軌道に沿った方向でさえあればボール受け凹部３４でのボール４０の移動は許容しうる。そのため、ボール受け凹部３４の経路中心線方向の長さは、ボール４０を１つ分収容できるサイズよりも長くしてもよい。

図５は、ボール受け凹部３４の形状例を示す図である。図５（ａ）は、経路中心線方向の長さを幅方向長さと等しくした円形状のボール受け凹部３４（ディンプル）の例を示す。図５（ｂ）は、経路中心線方向の長さが幅方向長さよりも長い矩形状のボール受け凹部３４ａの例を示す。図５（ｃ）は、経路中心線方向の長さが幅方向長さよりも長い菱形状のボール受け凹部３４ｂの例を示す。図５（ｄ）は、図５（ｃ）の変形例であって、経路中心線方向の断面が矩形に形成されている例を示している。なお、ボール受け凹部３４の形状は上記に限定されるものではなく、例えば、ボール受け凹部３４を経路中心線方向に沿って延長する小判形状としてもよい。

また、ボール受け凹部３４は、ナット部材３０の穴３２の内周面を工具で押圧して所望の形状に加工する押込み加工で形成される（加工方法の詳細については後述する）。そのため、図６に示すように、加工前にボール受け凹部３４の位置にあった材料３７は加工時に周囲に押しのけられることで、ボール受け凹部３４の周囲には、穴３２の非加工部分より隆起した隆起部３６が形成される。

ここで、金属加工の成形時において工具にかかる荷重は、加工により元の位置から排除される金属素材の体積に比例して大きくなる。特に、従来構造のボールねじのナットのように、所定方向に延長する溝を連続的に加工する場合、溝の幅方向の形状は成形完了ともに拘束され、元の位置から排除される金属素材は工具の進行方向に逃げていくこととなる。そのため、所定方向に延長する溝を連続的に加工する場合には、工具の進行方向に排除された金属材料を逐次押し出し続ける必要があり、工具にかかる荷重はより大きなものとなる。

これに対し、本実施形態では、ナット部材３０のボール受け凹部３４は穴３２の内周に離散的に形成されている。そのため、従来構造のボールねじのナットのように、連続的に溝を加工し続ける場合と比べて、加工時に工具が排除する金属材料の体積は少なくなるので、全体として工具への荷重は小さくなる。また、個々のボール受け凹部３４の加工では、ボール受け凹部３４の周囲に金属材料を押し出した段階で成形が完了し、排除された金属材料を逐次押し出し続ける必要はない。この点からも、本実施形態によれば、従来構造のボールねじのナットの加工に比べて工具への荷重は小さくなり、製造が容易となることが分かる。

次に、本実施形態のナット部材３０の加工方法について説明する。

本実施形態のナット部材３０の加工方法では、固定された被加工部材６０の穴６２の内側で、工具５０を自転させずに同一水平面上で公転させることで、工具５０の形状を被加工部材６０に転写して、ナット部材３０を製造する。なお、本実施形態の加工方法で使用する加工装置には、特許第５６６６０４１号に開示されているＲ−θテーブル装置を適用できる。

最初に、ナット部材３０を加工する工具を説明する。図７に示すように、本実施形態の加工方法で使用される工具５０は、ボール受け凹部３４に対応する形状の凸部５２が外周面に配列されている。工具５０における複数の凸部５２の配置は、それぞれボール受け凹部３４の配置に対応している。また、被加工部材６０の穴６２に挿入できるように、凸部５２も含めた工具５０の外径は被加工部材６０の穴６２の内径よりも小さく設定されている。

次に、被加工部材６０であるリングを固定する。そして、上記の工具５０をリング６０の穴６２に挿通し、工具５０を不図示の加工装置（Ｒ−θテーブル装置）に取り付ける。その後、加工装置を駆動させて、リング６０の穴６２にボール受け凹部３４を加工する。

加工装置は、固定されたリング６０に対して工具５０の軸方向位置（ｚ軸方向の位置）を維持しつつ、工具５０の軸を中心とした回転は行わずに、穴６２の内周に沿って同一平面（ｘｙ平面）上で工具５０を移動させる。また、加工装置は、ｘｙ平面上でらせん状のスクロール軌跡を描いて広がっていくように工具５０を移動させる。つまり、図８に示すように、工具５０の軌道が１回転するごとに徐々に工具５０の軌道が外側に移動するため、工具５０の凸部５２が穴６２の内周に徐々に押し当てられて、穴６２の内周面にボール受け凹部３４の形状が転写される。このとき、ボール受け凹部３４の加工が進むにつれて工具への荷重が大きくなることを考慮し、工具５０の軌跡は、ｘｙ平面上でらせんの間隔が徐々に狭まるような軌跡としてもよい。以上の工程により被加工部材６０に対して、一度の加工で複数のボール受け凹部３４を所定の位置に形成することができる。

なお、本実施形態のナット部材３０の加工方法は上記の例に限定されるものではない。例えば、ボール受け凹部３４に対応した凸部形状の工具を、リング６０内のボール受け凹部３４の位置に個別に押し当てて、１つずつボール受け凹部３４を加工してもよい。

以下、本実施形態のナット部材３０およびボールねじ１０の作用効果を述べる。

本実施形態のナット部材３０を用いたボールねじ１０では、ボールねじ軸２０のボール軌道に対応するようにボール受け凹部３４が穴３２の内周に離散的に配置される。そして、各々のボール受け凹部３４に１つずつボール４０を回動可能に配置し、ボールねじ軸２０のボール軌道の溝２２とボール４０を係合させることでボールねじ１０を構成する。よって、本実施形態の構成により、ボール４０の転動による準コロガリベースの低い抵抗のねじを実現できる。

特に、本実施形態では、ボール受け凹部３４の位置を適宜調整するだけで、従来構造では実現が困難な複数条のボールねじにも容易に対応できる。

また、本実施形態では、ボール受け凹部３４は穴３２の内周に離散的に形成されるので、従来構造のボールねじのナットのように連続的な溝を加工する構成と比べると、加工時の工具への荷重は小さくなるので製造が容易である。

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。

１０…ボールねじ
２０…ボールねじ軸
２２…溝
３０…ナット部材
３２…穴
３４、３４ａ、３４ｂ…ボール受け凹部
３５…凸部
３６…隆起部
３７…排除される材料
４０…ボール
５０…工具
５２…凸部
６０…リング
６２…穴

Claims

ボール軌道の溝が外周面に形成されたボールねじ軸を挿通する穴を有し、転動用のボールを受けるボール受け凹部が前記穴の内周に複数形成され、前記ボール受け凹部は、前記穴に挿通される前記ボールねじ軸のボール軌道に対応して前記穴の内周に離散的に配置されているナット部材の加工方法であって、
前記穴を有する被加工部材を固定し、
被加工部材の前記穴の内部に、前記ボール受け凹部に対応する形状の凸部を外周面に配列した工具を配置し、
前記被加工部材に対して前記工具の軸方向位置を維持しつつ、前記工具の軸を中心とした回転は行わずに前記穴の内周に沿って前記工具を移動させることで前記凸部を前記穴の内周に徐々に押し当て、前記穴の内周面に前記ボール受け凹部の形状を転写する
ことを特徴とするナット部材の加工方法。
請求項１に記載のナット部材の加工方法において、
前記ボール受け凹部の周囲には、前記穴の非加工部分よりも隆起した隆起部が形成されることを特徴とするナット部材の加工方法。
請求項１または請求項２に記載のナット部材の加工方法において、
前記ボール受け凹部は、前記ボールを複数の点接触で支持し、
前記ボール受け凹部の断面は、前記ボール受け凹部の表面と前記ボールとの間に空隙を有する形状に形成されることを特徴とするナット部材の加工方法。