JP6103007B2

JP6103007B2 - ボールねじ装置の製造方法

Info

Publication number: JP6103007B2
Application number: JP2015174958A
Authority: JP
Inventors: 齋藤　伸吾; 伸吾齋藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: JP2015232399A

Description

本発明は、ねじ軸とナットとの間に介在された複数のボールを循環するようにした、ボールねじ装置の製造方法に関する。

従来より、この種のボールねじ装置として、例えば、図７に示すものが知られている（特許文献１参照）。
図７に示すボールねじ装置１００は、ねじ軸１０１と、ナット１０２と、複数のボール１０３とを備えて構成されている。
ねじ軸１０１は、その外周面に、所定のリードを有する螺旋状のボール転動溝１０４が形成されている。ナット１０２は、略円筒状をなし、その内径はねじ軸１０１の外径よりも大きく形成され、ねじ軸１０１に所定の隙間をもって外装されている。ナット１０２の内周面には、ねじ軸１０１のリードと等しいリードを有する螺旋状のボール転動溝１０５が形成されている。このボール転動溝１０５と対向するねじ軸１０１のボール転動溝１０４とによって断面略円状の転走路１０６が形成されている。そして、この転走路１０６内に複数のボール１０３が転動可能に充填配置される。そして、ナット１０２の内周面には、ボール１０３が循環できるように、転走路１０６の一端と他端とを連結し、転走路１０６を転がるボール１０３を一端から他端に戻す複数の循環路１０７が形成されている。

これら循環路１０７により、循環路１０７に向かって転走路１０６を転がってくるボール１０３をねじ軸１０１の径方向にすくい上げ、ねじ軸１０１のねじ山を乗り越えさせ、一巻き手前（一リード手前）の転走路１０６に戻すことでボール１０３を循環可能になっている。そして、この循環路１０７及び転走路１０６によって形成される通路によってねじ軸１０１の外側に略円環状の無限循環路が形成される。これにより、ナット１０２に対するねじ軸１０１の相対的な回転に伴って、ボール１０３がボール転動溝１０４とボール転動溝１０５との間を転がり運動することによって、ナット１０２がねじ軸１０１に対してねじ軸１０１の軸方向に直線運動することを可能にしている。

ところで、図７に示すボールねじ装置１０１においては、循環路１０７と転走路１０６を構成するナット１０２の内周面に形成されたボール転動溝１０５との境界部の断面がエッジを有する形状となっている。このため、ボール１０３が循環路１０７を通過して転走路１０６に戻される際、または転走路１０６から循環路１０７に導入される際に、前記境界部に衝突することがあった。このため、ねじ軸１０１またはナット１０２を高速で回転させた場合には、前記境界部やボール１０３に過大な衝撃荷重が加わり、ボールねじ装置１０１の耐久寿命を低下させるおそれがあった。

このような問題を解決するために、例えば、図８及び図９に示すボールねじ装置（特許文献２参照）や図１０に示すボールねじ装置用のスピンドルナット（特許文献３参照）が提案されている。
図８に示すボールねじ装置２０１は、ナット２０２の内周面両端部に循環こま組込み用の凹陥部２０３を設け、ねじ軸（図示せず）とナット２０２のボール転動溝２０４との間を転動するボール（図９参照）２０７を凹陥部２０３に嵌め込まれた循環こま２０５によりナット２０２内に形成されたボール戻し路（図示せず）に導入して循環させるようにしている。そして、図９に示すように、ナット２０２の内周面に形成されたボール転動溝２０４と凹陥部２０３との境界部２０６をボール２０７の直径Ｄｗに対してＲ＝０．０５Ｄｗ以上の曲率半径で曲面状に形成している。

このように、ナット２０２の内周面に形成されたボール転動溝２０４と凹陥部２０３との境界部２０６を曲面状に形成することにより、ねじ軸又はナット２０２を高速で回転させてもボール戻し路を転動したボール２０７が境界部２０６に衝突した際に、境界部２０６やボール２０７に加わる衝撃荷重の面圧を軽減でき、ボールねじの耐久寿命を向上させることができる。
また、図１０に示すボールねじ装置３０１用のスピンドルナット３０２の内周面には、ボール３０７用の螺旋状のボール転動溝３０３が形成されている。また、ボールねじ装置３０１においては、ボール３０７を１つのボール転動溝３０３の終端部から１つのボール転動溝３０３の始端部に変向させるための変向通路３０６を有する変向装置３０５が設けられている。そして、スピンドルナット３０２の内周面には、一方でボール転動溝３０３に接続しかつ他方で変向通路３０６に接続するボール走入路３０４が形成されている。そして、ボール転動溝３０３とボール走入路３０４との両方が同じ横断面形状を有するようになっている。ボール転動溝３０３の横断面形状はゴシック形状を有し、ボール走入路３０４もまた同じゴシック形状を有する。これにより、ボール転動溝３０３からボール走入路３０４への、かつボール走入路３０４から変向装置３０５の変向通路３０６へのボール３０７の引っかかりのない移行が可能になる。

特開２００８−２８１０６３号公報特開２００３−３３６７１５号公報特表２００８−５００５００号公報

しかしながら、図８及び図９に示すボールねじ装置２０１及び図１０に示すボールねじ装置３０１用のスピンドルナット３０２にあっては、以下の問題点があった。
即ち、図８及び図９に示すボールねじ装置２０１の場合、いわゆるコマ式ボールねじ装置であり、循環こま２０５と凹陥部２０３の加工による寸法差によっては、ボール転動溝２０４と凹陥部２０３との境界部２０６を曲面状に形成したとしても、ボール戻し路とボール転動溝２０４とが滑らかに接続されない可能性がある。このため、更なる加工が必要となる可能性がある。ボール戻し路とボール転動溝２０４とが滑らかに接続されないと、ボール１０３がボール戻し路を通過してボール転動溝２０４に戻される際、またはボール転動溝２０４からボール戻し路に導入される際に、ボール戻し路とボール転動溝２０４との境界部に衝突することがあり、前記境界部やボール２０７に過大な衝撃荷重が加わり、ボールねじ装置２０１の耐久寿命を低下させるおそれがあった。

また、図１０に示すボールねじ装置３０１用のスピンドルナット３０２の場合もいわゆるコマ式ボールねじ装置であり、図８に示すボールねじ装置２０１と同様の問題があった。
従って、本発明はこれら問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ナットの内周面に形成されている転走路を構成するボール転動溝と循環路との境界部やボールに加わる衝撃荷重を軽減して耐久寿命の向上を図ることができるボールねじ装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るボールねじ装置の製造方法は、外周面に螺旋状の第１ボール転動溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に外嵌して内周面に前記第１ボール転動溝に対向する第２ボール転動溝を有するナットと、前記第１ボール転動溝と前記第２ボール転動溝とによって形成される転走路内に転動可能に充填された複数のボールと、前記ナットの内周面に形成され、前記ボールを手前の転走路に戻すための循環路とを備えたボールねじ装置の製造方法において、前記転走路を構成する第２ボール転動溝と前記循環路との境界部にクラウニングを施し、前記クラウニングが、凹状円弧又は複数の円弧を連ねたものであり、前記クラウニングは、プラネットタップ加工によってなされるものであり、前記プラネットタップ加工では、回転軸の外周にその切削面が前記第２ボール転動溝の形状に一致した刃物を形成した切削工具の前記回転軸を、前記循環路に軸線方向位置及び位相を合わせた状態で半径方向外方にシフトさせて前記クラウニングを施すことを特徴としている。

本発明に係るボールねじ装置の製造方法によれば、ナットの内周面に形成されている転走路を構成する第２ボール転動溝と循環路との境界部にクラウニングを施し、前記クラウニングが、凹状円弧又は複数の円弧を連ねたものであるので、循環路と第２ボール転動溝とが滑らかに接続され、ボールが循環路を通過して転走路に戻される際、または転走路から循環路に導入される際に、転走路を構成する第２ボール転動溝と循環路との境界部を滑らかに通過し、前記境界部やボールに加わる衝撃荷重が軽減される。このため、ボールねじ装置の耐久寿命を向上させることができる。
また、前記クラウニングは、プラネットタップ加工によってなされるので、転走路を構成する第２ボール転動溝と循環路との境界部に精度よくクラウニングを施すことができる。

本発明に係る製造方法により製造されたボールねじ装置の断面図である。図１に示すボールねじ装置において、転送路を構成する第２ボール転動溝と循環路との境界部近傍を示す模式図である。図２における３−３線に沿う断面図である。図１に示すボールねじ装置において、転送路を構成する第２ボール転動溝と循環路との境界部におけるボールと第２ボール転動溝及び循環路との接触状態を示す模式図である。種々のクラウニング形状と各クラウニング形状における加工容易性及びクラウニングによる効果との関係を示す図である。プラネットタップ加工の様子を示す図であり、（Ａ）は被加工物のプラネットタップ加工の状態を示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）における矢印ＶＢ方向に見た図である。従来例のボールねじ装置の断面図である。従来の他の例のボールねじ装置の一部を示す斜視図である。図８に示すボールねじ装置におけるナットのボール転動溝と凹陥部とを切断した状態の断面図である。従来の更に他の例のボールねじ装置用のスピンドルナットの一部断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る製造方法により製造されたボールねじ装置の断面図である。図２は、図１に示すボールねじ装置において、転送路を構成する第２ボール転動溝と循環路との境界部近傍を示す模式図である。図３は、図２における３−３線に沿う断面図である。図４は、図１に示すボールねじ装置において、転送路を構成する第２ボール転動溝と循環路との境界部におけるボールと第２ボール転動溝及び循環路との接触状態を示す模式図である。

図１に示すボールねじ装置１は、ねじ軸２と、ナット３と、複数のボール４とを備えて構成されている。
ねじ軸２は、中心軸ＣＬを中心とした円筒形状で、その外周面に、所定のリードを有する螺旋状の第１ボール転動溝５が形成されている。
ナット３は、略円筒状をなし、その内径はねじ軸２の外径よりも大きく形成されており、ねじ軸２に所定の隙間をもって外嵌している。ナット３の内周面には、ねじ軸２の第１ボール転動溝５と等しいリードを有し、第１ボール転動溝５と対向する第２ボール転動溝６が形成されている。そして、ねじ軸２の第１ボール転動溝５とナット３の第２ボール転動溝６とによって断面略円形状の転走路７が形成されている。この転走路７内に複数のボール４が転動可能に充填配置されている。

また、ナット３の内周面には、ボール４を手前の転走路７に戻すための複数の循環路８が形成されている。この循環路８により、各循環路８に向かって転走路７を転がってくるボール４をねじ軸２の径方向にすくい上げ、さらに、ねじ軸２のねじ山を乗り越えさせ、一巻き手前（一リード手前）の転走路７に戻すことでボール４を循環可能になっている。そして、この循環路８及び転走路７によってねじ軸２の外側に略円環状の無限循環路が形成される。これにより、ナット３に対するねじ軸２の相対的な回転に伴って、複数のボール４が無限循環路内を無限循環することによって、ナット３がねじ軸２に対してねじ軸２の軸方向に直線運動することが可能となる。
ここで、ナット３の内周面に形成された、転走路７を構成する第２ボール転動溝６と循環路８の導入部８ａとの境界部９には、図２及び図３に示すように、クラウニング１０（図２においては斜線で示す）が施される。

当該境界部９にクラウニング１０を施すことにより、ボール４と転走路７を構成する第２ボール転動溝６（ゴシック形状、図４参照）との接点の軌跡であるボール軌跡と、ボール４と循環路８（半円、図４参照）との接点の軌跡であるボール底部軌跡とが滑らかに接続される。これにより、ボール４が循環路８を通過して転走路７に戻される際、または転走路７から循環路８に導入される際に、転走路７を構成する第２ボール転動溝６と循環路８との境界部９を滑らかに通過し、前記境界部９やボール４に加わる衝撃荷重が軽減される。このため、ボールねじ装置１の耐久寿命を向上させることができる。

また、循環路８がコマ式ではなくナット３の内周面に形成されているので、直接循環路８と転走路７を構成する第２ボール転動溝６との境界部９を直接加工できるので、コマ式のように、ボール戻し路とボール転動溝とが滑らかに接続されない可能性は低く、確実に転走路７を構成する第２ボール転動溝６と循環路８との境界部９を滑らかにすることができる。また、境界部９を直接加工できるので、加工効率もよい。
また、転走路７を構成する第２ボール転動溝６と循環路８の導入部８ａとの境界部９においては、図４に示すように、ボール４と第２ボール転動溝６とが２点Ａ，Ｂで接触し、ボール４と循環路８とが１点Ｃで接触している。

ここで、クラウニング１０は、図３に示すように、第２ボール転動溝６の溝底６ａに対して上側が凸となる、凸状円弧で形成されている。この凸状円弧の曲率半径Ｒ１は、ボール４の直径に対して０．５〜１８倍であることが好ましい。そ理由は、曲率半径Ｒ１がボール４の直径に対して０．５倍より小さいと、曲率の効果が得られずボール４が滑らかに通過できず、曲率半径Ｒ１がボール４の直径に対して１８倍より大きいとボールねじの定格荷重が低下するからである。クラウニング１０を凸状円弧とすることにより、ボール４が転走路７を構成する第２ボール転動溝６と循環路８との境界部９を通過する際の滑らか性効果がかなり大きく、前記境界部９やボール４に加わる衝撃荷重がかなり効果的に軽減される。また、クラウニング１０を凸状円弧とする加工も比較的しやすい。

ここで、種々のクラウニング形状と各クラウニング形状における加工容易性及びクラウニングによる効果との関係を図５に示す。
図５には、クラウニング形状として、従来のクラウニングを施していないもの、凹状円弧のもの、斜面としたもの、凸状円弧としたもの、複数の円弧を連ならせたものが例示されている。
図５を参照すると、従来のクラウニングを施していないものは、加工は最もし易いが、クラウニングの効果が全くない。以降、凹状円弧のもの、斜面としたもの、凸状円弧としたもの、複数の円弧を連ならせたものの順に加工がし難くなるが、クラウニングの効果が徐々に大きくなる。

加工容易性及びクラウニングによる効果の双方を考慮すると、図３に示したようなクラウニング１０を凸状円弧としたものと斜面としたものが好ましい。クラウニング１０を斜面とした場合には、ボール４が転走路７を構成する第２ボール転動溝６と循環路８との境界部９を通過する際の滑らかさ効果が大きく、前記境界部９やボール４に加わる衝撃荷重が効果的に軽減される。また、クラウニング１０を斜面とする加工は容易である。また、クラウニング１０を斜面とする場合には、傾斜は境界部９の接線方向に対して７°〜１９°とすることが好ましい。その理由は、傾斜が境界部９の接線方向に対して７°より小さいと、傾斜の効果が得られずボール４が滑らかに通過できず、傾斜が境界部９の接線方向に対して１９°より大きいとボールねじの定格荷重が低下するからである。

次に、ナット３の製造方法について説明する。
先ず、ナット３の素材であるフランジ付きの中空円筒部材Ｎ（図６参照）の内周面に、循環路８を形成する。ナット３の材料は、第２ボール転動溝６及び循環路８を形成した後の熱処理が浸炭処理の場合には炭素含有量が０．１０〜０．２５質量％のクロム鋼またはモリブデン鋼（例えばＳＣＭ４２０）、当該熱処理が高周波焼入れの場合には炭素含有量が０．４〜０．６質量％の炭素鋼（例えばＳ５３Ｃ、ＳＡＥ４１５０）が好ましい。循環路８は、所定形状の金型を用いた鍛造加工により形成する。

次に、循環路８を形成した中空円筒部材Ｎの内周面に、第２ボール転動溝６を形成する。第２ボール転動溝６は、図６に示すようなプラネットタップ加工により形成される。プラネットタップ加工においては、図６（Ａ）に示すような切削工具Ｔを用いて切削加工を行う。切削工具Ｔは、回転軸Ｔａの外周に刃物Ｔｂを形成している。刃物Ｔｂの切削面（周方向に対向する面）は、第２ボール転動溝６の形状に一致する。回転軸Ｔａは、その軸線の回りに回転（図６（Ａ）における矢印Ａ方向）するが、それとは独立して偏心軸の回りに公転（図６（Ｂ）における矢印Ｂ方向）する。

更に、図６（Ａ）に示すように、切削工具Ｔの回転軸Ｔａを所定の軸線方向位置で半径方向外方にシフトさせ、第２ボール転動溝６のピッチで軸線方向に送り出しながら公転させつつ、より速い速度で自転させることで、３６０度未満の螺旋状の第２ボール転動溝６を、中空円筒部材Ｎの内周面に切削形成することができる。このとき、循環路８に軸線方向位置及び位相を合わせることで、各循環路８が第２ボール転動溝６の両端に接続するように形成できる。
そして、循環路８及び第２ボール転動溝６を形成した中空円筒部材Ｎにおいて、循環路８と第２ボール転動溝６との境界部９にクラウニング１０を施す。クラウニング１０は、図６に示すプラネットタップ加工によってなされる。クラウニング１０をプラネットタップ加工によって行うことで、転走路を構成する第２ボール転動溝６と循環路８との境界部９に精度よくクラウニング１０を施すことができる。

最後に、中空円筒部材Ｎの内周面に焼入れ処理を行う。これにより、ナット３は製造される。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、クラウニング１０の形状は、図３に示した凸状円弧や斜面でなくてもよく、図５に示した凹状円弧や複数の円弧を連ねたものであってもよい。
また、第２ボール転動溝６及びクラウニング１０の加工は、プラネットタップ加工に限られない。

１ボールねじ装置
２ねじ軸
３ナット
４ボール
５第１ボール転動溝
６第２ボール転動溝
６ａ溝底
７転走路
８循環路
８ａ導入部
９境界部
１０クラウニング

Claims

外周面に螺旋状の第１ボール転動溝を有するねじ軸と、該ねじ軸に外嵌して内周面に前記第１ボール転動溝に対向する第２ボール転動溝を有するナットと、前記第１ボール転動溝と前記第２ボール転動溝とによって形成される転走路内に転動可能に充填された複数のボールと、前記ナットの内周面に形成され、前記ボールを手前の転走路に戻すための循環路とを備えたボールねじ装置の製造方法において、
前記転走路を構成する第２ボール転動溝と前記循環路との境界部にクラウニングを施し、
前記クラウニングが、凹状円弧又は複数の円弧を連ねたものであり、
前記クラウニングは、プラネットタップ加工によってなされるものであり、
前記プラネットタップ加工では、回転軸の外周にその切削面が前記第２ボール転動溝の形状に一致した刃物を形成した切削工具の前記回転軸を、前記循環路に軸線方向位置及び位相を合わせた状態で半径方向外方にシフトさせて前記クラウニングを施すことを特徴とするボールねじ装置の製造方法。