JP6547284B2

JP6547284B2 - ボールねじ

Info

Publication number: JP6547284B2
Application number: JP2014245547A
Authority: JP
Inventors: 正仁森山; 水口　淳二; 淳二水口
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: JP2016109180A

Description

本発明は、工作機械や精密機械等の移動体の送り機構や位置決め機構等に用いられるボールねじに関する。

従来のボールねじは、そのねじ軸の軸転動溝の表面に浸炭焼入れや高周波焼入れ等の焼入れ処理により一様な硬化層を形成して転がり疲労寿命の向上を図っている（例えば、特許文献１参照。）。また、ナット及びねじ軸のねじ溝をゴシックアーチ形状とし、各円弧の曲率や接触角を最適な範囲とし、大きな軸方向荷重がボールねじに加わった場合に、ボールが軸転動溝の肩部に乗り上げるのを防止することで耐荷重性を向上させている（例えば、特許文献２参照）

特開２００５−３３７４１４号公報特開２０１０−１１２３９９号公報

近年、ボールねじの高荷重且つ高速にて使用される用途が拡大しており、ボールねじを高速で動作させるために、大リード角のボールねじが用いられている。リード角が大きくなるほどねじ軸に発生するねじり応力は増加し、転動溝の底部に発生するせん断応力も同様に増加する。ねじ軸に形成されているゴシックアーク形状の転動溝には、底部に微小幅の溝が設けられているため、大リードのボールねじにおいては、転動溝底部の微小幅溝に大きなせん断応力が発生し、ねじ軸の変形、破損を生じる虞がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、転動溝の底部に働くせん断応力を小さくし、耐久性を向上させたボールねじを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、外周面に螺旋状の軸転動溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸転動溝に対向するナット転動溝を形成したナットと、前記ナット転動溝を連結する連結路と、前記軸転動溝とナット転動溝と連結路とで構成される循環転動路を転動する複数の転動球とを備えたボールねじにおいて、前記軸転動溝および前記ナット転動溝を２つの円弧を該転動溝の底部で連続的な曲線で接続したゴシックアーク形状にするとともに、前記ねじ軸の外径面及び前記軸転動溝に略同じ深さの硬化層を形成し、前記軸転動溝の前記硬化層の硬さを前記軸外径面の硬化層の硬さよりも硬くしたことを特徴とする。

これにより、本発明は、過大な軸方向荷重が作用しても、ねじ軸の変形や破損を防止し優れた耐久性および信頼性を発揮することができる。

実施例のねじ軸の断面形状と焼入れ部位を示す断面図実施例のボールねじを示す斜視図

以下に、図面を参照して本発明によるボールねじの実施例について説明する。

図１は実施例のねじ軸の転動溝形状と焼入れ状態を示す断面図、図２は実施例のボールねじを示す斜視図である。
図２において、１はボールねじである。
２はボールねじ１のねじ軸であり、合金鋼や炭素鋼等の鋼材で製作され、その外周面２ａには後述する硬化層１１を形成した略半円弧形状の軸転動溝３が等ピッチで螺旋状に形成されている。

４はボールねじ１のナットであり、合金鋼や炭素鋼等の鋼材で製作され、その内周面４ａには軸転動溝３と対向する複数ピッチの後述する硬化層１１を形成した略半円弧形状のナット転動溝５が形成されている。
また、ナット４にはその軸方向と平行に切欠いた平面４ｂが設けられており、この平面４ｂに設けた穴４ｃの底部には後述するリターンチューブ７の端部の外径部が嵌合する嵌合穴４ｄが設けられている。

６は転動球であり、合金鋼等の鋼材またはセラミック材等で製作された球体であって、鋼材で製作される場合にはその表面に焼入れ処理により硬化層が形成されている。
７は連結路としてのリターンチューブであり、鋼材や樹脂材料等で製作され、転動球６が転動できる程度の内径を有する略Ｕ字形に曲折した管であって、ナット４の平面４ｂに設けられた穴４ｃの底部の嵌合穴４ｄにその端部が嵌合して、ナット転動溝５の両側の端部を連結する。

８はチューブ固定具であり、鋼材や樹脂材料等を曲折して製作された固定具であって、ナット４の平面４ｂに小ねじ９等の締結手段で締結してリターンチューブ７をナット４に固定する。
１０はフランジ部であり、ナット４の外周部に一体に設けられ、フランジ部１０に設けたボルト穴１０ａにより図示しない移動体にボルト等で固定される。

上記のねじ軸２の軸転動溝３とこれに対向するナット４のナット転動溝５およびこれを連結するリターンチューブ７の内径面により循環転動路が形成される。
また、循環転動路には複数の転動球６と共に所定の量の潤滑剤、例えばグリースが封入されて軸転動溝３とナット転動溝５とを転動球６を介して螺合させ、ねじ軸２またはナット４を回転させることによって転動球６が循環転動路を循環しながら転動し、ねじ軸２に螺合したナット４を軸方向に移動させる。

図１において、軸転動溝３は、円弧形状部３ａ,３ａを曲線形状の底部３ｂで連続的に接続したゴシックアーク形状である。１１は硬化層であり、高周波焼入れによってねじ軸２に形成された所定の硬さの硬化層である。
１２は転動部であり、予圧等によって接触角αで接触する軸転動溝３の円弧形状部３ａと転動球６との接触点とその周囲を含む螺旋状の軸転動溝３に沿った帯状の領域である。
硬化層１１は、ねじ軸２の外周面２ａと軸転動溝３とに形成されており、その軸転動溝３はＨｖ５００程度の硬さとなるように、外周面２ａはＨｖ４００程度の硬さとなるように形成されており、転動部３及び外周面２ａの硬化層１１の深さは同じ厚さであることが好ましく、ねじ軸２の転動溝の底部直径の５％以上であることがより好ましい。

上記の構成の作用について説明する。
ねじ軸２を製作する場合は、合金鋼や炭素鋼等の鋼材からなる丸棒に研削または転造等の加工手段によって軸転動溝３を形成して軸素材を成形する。

この軸素材を円筒状の高周波コイルに挿入して高周波コイルに高周波電源を用いて所定の時間通電し、ねじ軸２の外周面２ａおよび軸転動溝３を誘導加熱により加熱して赤熱させた後にオイルまたは水により急冷して焼入れ処理を施す。
これにより、図１に示すように軸転動溝３およびねじ軸外周面２ａには均一な硬化層深さの硬化層１１が形成される。

このようにして、ねじ軸２が製作される。
ナット４の場合も同様である。この場合には円柱状の高周波コイルをナット４の内周面４ａ側に挿入して内周面４ａとナット転動面５を前記と同様に誘導加熱して焼入れ処理を施し、硬化層１１を形成するようにする。

このようにして製作されたねじ軸２および／もしくはナット４は、硬化層を設けることにより、ねじ軸２とナット４とを転動球６を介して螺合させた場合に、予圧またはナット４の移動時のスラスト力によって接触角αで転動球６と軸転動溝３およびナット転動溝５とが接触したときに転動球６の転動に耐える充分な硬さと深さを有しており、ねじ軸２またはナット４の回転に伴って転動部１２に加わる荷重に耐えてボールねじ１の転がり疲労寿命を維持することができる。
また、軸転動溝３は、円弧形状部３ａ,３ａを曲線形状の底部３ｂで連続的に接続したゴシックアーク形状のため、底部３ｂに従来のような微小幅の溝を有さないので、ねじ軸２に大きなねじり応力が生じても底部３ｂに応力集中が発生しにくくなり、ねじ軸の変形や破損を防止し、耐荷重性能を向上させることができる。

なお、本実施例においては、高周波焼入れによって外周面２ａと軸転動溝３とに硬化層１１を形成するとして説明したが、例えばレーザ加熱により主に転動部１２を加熱して焼入れ処理を行うようにしてもよい。ナット４の場合も同様である。

また、本実施例の転動溝のゴシックアーク形状は、少なくともねじ軸に形成されていればよいが、軸転動溝３、ナット転動溝４ａともに本実施例のゴシックアーク形状としてもよい。また、本実施例の硬化層１１の形成は、ねじ軸２およびナット４の一方のみに形成してもよく、両方に形成するようにしてもよい。
以上説明したように、本実施例では、軸転動溝３を、円弧形状部３ａ,３ａを曲線形状の底部３ｂで連続的に接続したゴシックアーク形状とすることで、ねじ軸２に大きなねじり応力が生じても底部３ｂに応力集中が発生しにくくなり、ねじ軸の変形や破損を防止し、耐荷重性能を向上させることができる。
また、本実施例では、主にねじ軸の軸転動溝および外周面部に焼入れ処理による硬化層を形成するようにしたことによって、熱影響を受ける範囲を狭くすることができ、熱影響によるねじ軸の寸法の変化や曲がりの発生を防止することができると共に、曲がり確認や曲がり矯正等の作業工程を少なくすることができてねじ軸の製造時間の短縮を図ることができる。

上記の効果は、ナットにおいても同様である。
なお、本実施例においては、リターンチューブを連結路として転動球を循環させるチューブ式の循環方式を用いたボールねじに本発明を適用した場合を例に説明したが、連結路は上記に限らず連結路をこま式やエンドキャップ式等とした循環方式のボールねじに本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。

また、ボールねじに本発明を適用した場合を例に説明したが、転動球を介して移動台をレール上で移動させる直動案内軸受装置の転動球の転動溝に本発明を適用しても同様の効果を奏することができる。

１ボールねじ
２ねじ軸
２ａ外周面
３軸転動溝
３ａ円弧形状部
３ｂ底部
４ナット
４ａ内周面
４ｂ平面
４ｃ穴
４ｄ嵌合穴
５ナット転動溝
６転動球
７リターンチューブ
８チューブ固定具
９小ねじ
１０フランジ部
１０ａボルト穴
１１硬化層
１２転動部
１３溝底部

Claims

外周面に螺旋状の軸転動溝を形成したねじ軸と、内周面に前記軸転動溝に対向するナット転動溝を形成したナットと、前記ナット転動溝を連結する連結路と、前記軸転動溝とナット転動溝と連結路とで構成される循環転動路を転動する複数の転動球とを備えたボールねじにおいて、前記軸転動溝および前記ナット転動溝を２つの円弧を該転動溝の底部で連続的な曲線で接続したゴシックアーク形状にするとともに、前記ねじ軸の外径面及び前記軸転動溝に略同じ深さの硬化層を形成し、前記軸転動溝の前記硬化層の硬さを前記軸外径面の硬化層の硬さよりも硬くしたことを特徴とするボールねじ。