JP7348758B2

JP7348758B2 - 転動装置

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Publication number: JP7348758B2
Application number: JP2019120251A
Authority: JP
Inventors: 徹高橋; 純三新部; 秀忠鈴木
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2039-06-27
Also published as: JP2021004672A

Description

本発明は、転動装置に関するものである。

ボールねじ装置やボールスプライン装置として知られる転動装置は、外面に軌道面を有する内方部材と、内方部材の軌道面に対向する負荷軌道面を有して内方部材の外側に配置された外方部材と、を備える。内方部材と外方部材の間には複数の転動体が介在しており、内方部材に対する外方部材の相対的な移動が自在となる。このように、この種の転動装置では、内方部材と外方部材の間に複数の転動体を介在させることで軽快な動きが得られるので、当該転動装置は、ロボット、工作機械、医療機器、航空機材等、様々な分野で利用されている。

ところで、転動装置を様々な分野で利用するために、転動装置の軽量化が図られている。例えば、転動装置の軽量化の対策として従来から用いられている手法には、転動装置に切削加工を施すことにより転動装置の減肉・薄肉化や穴あけを行うこと等が採用されている。しかし、転動装置に切削加工を施しても、転動装置の大幅な軽量化は困難である。特に、内方部材として用いられるねじ軸やスプライン軸等の転動装置用軸部材は、所定の強度を確保しなければならないために、軽量化を図ることが困難であった。

ここで、転動装置用軸部材の軽量化を図るための従来技術としては、中空軸状をした管状素材に塑性加工を施すことで、所望の外郭形状を形成しつつも軽量化を図ることが行われていた。例えば、下記特許文献１には、パイプ状素材の両端部を口絞りする口絞り工程と、顎部を正規の形状寸法に成形するサイジング工程とを有する行程によって、中空シャフトを製造する方法が開示されている。また、下記特許文献２には、軽量化、加工負荷低減、コスト低減等が可能な中空シャフトを提供するために、スウェージング加工やアプセット加工によって中空シャフトを製造する技術が開示されている。

特開２００１－１２１２４１号公報特開２００７－７５８２４号公報

本発明者らは、転動装置の内方部材であるねじ軸やスプライン軸の軽量化を実現するための手法として、中空軸状をした管状素材の両軸端部にスウェージング加工を施すことでねじ軸やスプライン軸等の転動装置用軸部材に用いることのできる中空軸部材を製造することを着想した。ただし、内部が空洞の中空軸部材では、音の発生が問題となることが予想できる。そこで、発明者らは、静音性を高めるために、中空軸部材の内部に中空軸部材とは異種材料からなる内包部材を配置することで、静音性を高めながらも軽量化を実現した転動装置用軸部材を実現することを創案した。なお、従来技術には、中空軸部材の内部に内包部材を配置する技術は存在しておらず、当該技術の具体化は発明者らの鋭意研究努力の結果、成功したものである。

すなわち、本発明は、従来技術には存在しなかった中空軸部材の内部に内包部材を配置する技術手法を提案するものであって、本発明の目的は、かかる新たな技術手法を提案することで、従来技術では困難であった軽量化と静音性を兼ね備えた転動装置用軸部材を備える転動装置を提供することにある。

本発明に係る転動装置は、中空軸状をした管状素材の両軸端部にスウェージング加工を施すことで当該両軸端部それぞれに形成される一対の縮径部と、前記一対の縮径部の間に配置されるとともに当該一対の縮径部の外径よりも大きい外径を有する中間部と、を備える中空軸部材と、前記中間部の内部に配置される内包部材と、を含んで構成される転動装置用軸部材であって、前記中空軸部材と前記内包部材とが、異なる種類の材料で構成される前記転動装置用軸部材が備える前記中間部の外面に軌道面を形成して内方部材とし、前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有する外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置される複数の転動体と、を備え、前記内方部材の外側に前記複数の転動体を介して前記外方部材を組み付けることで形成されることを特徴とするものである。

本発明によれば、従来技術には存在しなかった軽量化と静音性を兼ね備えた転動装置用軸部材を備える転動装置を提供することができる。

本実施形態に係る転動装置用軸部材の形状を示す図であり、図中の分図（ａ）が外観視を示し、分図（ｂ）が断面視を示している。本実施形態に係る転動装置用軸部材の製造工程を説明するためのフローチャートである。図２で示す転動装置用軸部材の製造工程の具体的な処理内容の一例を示す図である。本実施形態に係る転動装置用軸部材をボールねじ装置のねじ軸として構成した場合を例示する図である。本実施形態に係る転動装置用軸部材をスプライン装置のスプライン軸として構成した場合を例示する図である。本発明の変形形態例に係る転動装置用軸部材の形状を示す図であり、図中の分図（ａ）が外観視を示し、分図（ｂ）が断面視を示している。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

まず、図１を用いて、本発明によって製造された転動装置用軸部材の一形態例を説明する。ここで、図１は、本実施形態に係る転動装置用軸部材の形状を示す図であり、図中の分図（ａ）が外観視を示し、分図（ｂ）が断面視を示している。

図１に示すように、本実施形態に係る転動装置用軸部材５は、中空軸部材１０の内部に内包部材２１を配置した構成を有している。本実施形態では、外周側に配置された中空軸部材１０はＳＵＪ２等の軸受鋼や高炭素鋼などの金属材料で構成されており、内部に配置された内包部材２１はチタン合金などの軽量かつ中空軸部材１０と同程度又はそれ以下の硬度の金属材料で構成されている。また、本実施形態の内包部材２１は、中実の軸状部材として構成されるチタン合金製の丸棒であることを想定しているが、本発明の内包部材については、本実施形態で例示するような丸棒の形状のほか、中空軸状をした管状部材として構成されるチタン合金製のパイプ体を採用することもできる。

中空軸部材１０は、中空軸状をした管状素材の両軸端部にスウェージング加工を施すことで形成される部材である。すなわち、中空軸部材１０の両軸端部には、それぞれに縮径部１１が形成されている。また、両軸端部に形成された一対の縮径部１１の間には、中間部１２が形成されている。中間部１２は、一対の縮径部１１の外径よりも大きい外径を有しており、例えば、ねじ軸やスプライン軸といった転動装置の内方部材としての機能を発揮し得る部位である。

また、中間部１２と一対の縮径部１１との接続境界には、軸方向に対して略直角に段落ちする直角段落ち形状部１３が形成されている。この直角段落ち形状部１３は、軸体である中空軸部材１０（転動装置用軸部材５）を支承するためのベアリングを設置するために形成された形状であり、直角段落ち形状部１３の形成箇所にベアリングが配置されることで、例えば、ねじ軸やスプライン軸といった転動装置の内方部材として用いられる転動装置用軸部材５を、設置箇所に対して確実に取り付けることが可能となる。

内包部材２１は、中空軸部材１０に形成された中間部１２の内部に配置されており、本実施形態では、中間部１２の内部空間の略全長に渡って配置されている。また、中間部１２と内包部材２１とは、中間部１２の外周に対して施されるスウェージング加工によってカシメ結合されているので、中間部１２の内部に配置された内包部材２１と中空軸部材１０とは、一体結合された状態で転動装置用軸部材５を構成している。

上述したように、本実施形態に係る中空軸部材１０に形成された一対の縮径部１１や直角段落ち形状部１３の形状、ならびに中間部１２の内部に配置された内包部材２１と中空軸部材１０との結合状態は、本発明者らが創案したスウェージング加工を用いた製造工程によって形成されている。そこで、次に、図２および図３を参照図面に加えて、本実施形態に係る転動装置用軸部材５の製造工程を説明する。

図２は、本実施形態に係る転動装置用軸部材の製造工程を説明するためのフローチャートである。また、図３は、図２で示す転動装置用軸部材の製造工程の具体的な処理内容の一例を示す図である。

図２および図３を対比参照すれば明らかな通り、本実施形態に係る転動装置用軸部材５の製造工程では、まず、中空軸状をした管状素材を準備する（図２中のステップＳ１０：図３中の（ａ）参照）。この素材の材質は、転動装置の内方部材として用いることが可能な金属強度や硬度の高いものであり、例えば、ＳＵＪ２等の軸受鋼や高炭素鋼などが用いられる。そして、準備した管状素材に対して焼鈍処理を実施することで、この後にスウェージング加工を施す管状素材の硬度を低下させる処理を実行する（図２中のステップＳ１１：図３中の（ａ）参照）。

続いて、焼鈍処理を実施した管状素材の一方側の軸端部である左軸端末部に対してスウェージング加工を実施して、左側の縮径部１１や直角段落ち形状部１３を形成する（図２中のステップＳ１２：図３中の（ｂ）参照）。なお、スウェージング加工とは、回転冷間鍛造加工とも呼ばれる加工方法であり、ダイス３１と呼ばれる分割された工具を回転させ、母材を叩きながら伸ばしていく加工方法のことである。また、上述した本実施形態のスウェージング加工が問題なく実行可能となっているのは、スウェージング加工の前に、図２中のステップＳ１１で示す焼鈍処理を管状素材の両軸端部に対して実行することで、素材の硬度を低下させる処理が有効に効果を発揮しているからであり、発明者らの試験研究によって、図２中のステップＳ１１で示す焼鈍処理を行わずにスウェージング加工を実施した場合には、製品に割れ等の不具合が発生することが確認されている。

次に、中間部１２の内部に内包部材２１を挿入する（図２中のステップＳ１３：図３中の（ｃ）参照）。内包部材２１の材質はチタン合金であり、中空軸部材１０よりも硬度の高い金属材料が採用されている。また、本実施形態の内包部材２１は、中実の軸状部材として構成されるチタン合金製の丸棒が採用されている。さらに、内包部材２１の長さは、後の工程で実施される右軸端末部に対するスウェージング加工による管状素材の形状変形に応じて決定されており、最終的に転動装置用軸部材５の製造工程が終了したときに、内包部材２１が中間部１２の内部空間の略全長に渡って配置されるように予め長さが設定されている。

中間部１２の内部に内包部材２１が挿入された後、中間部１２の外周に対してスウェージング加工が施されることで、中間部１２の外形寸法を僅かに縮径する加工が実施され、その結果、中間部１２と内包部材２１がカシメ結合される（図２中のステップＳ１４：図３中の（ｄ）参照）。なお、中間部１２の外周に実施されるスウェージング加工は、中間部１２の左側から右側に向けて連続的にダイス３１を移動させることで実施される。この中間部１２に対するスウェージング加工によるカシメ結合によって、中間部１２の内部空間で内包部材２１が安定して固定配置されることとなる。

図２中のステップＳ１４で示すカシメ加工が終了すると、焼鈍処理を実施した管状素材の他方側の軸端部である右軸端末部に対してスウェージング加工を実施して、右側の縮径部１１や直角段落ち形状部１３を形成する（図２中のステップＳ１５～ステップＳ１７：図３中の（ｅ）～（ｇ）参照）。この右軸端末部については、左軸端末部に比べて複雑な外形形状を有しているので、右軸端末部の縮径部１１や直角段落ち形状部１３を形成するにあたっては、例えば、図３に示すように、「（ｅ）荒加工 →（ｆ）中間加工 →（ｇ）仕上加工」といったように、複数の加工工程に分けてスウェージング加工を実施することで、徐々に最終形状を形成していく手法を採用することが好適である（図２中のステップＳ１５～ステップＳ１７：図３中の（ｅ）～（ｇ）参照）。ただし、本発明の製造工程は、図２および図３に例示した製造工程には限られず、例えば、１回の加工工程で一気に最終形状を形成していく手法を採用してもよい。

なお、図２中のステップＳ１７で示す右軸端末部の仕上加工が終了することで、中間部１２の内部に配置された内包部材２１の右側についても管状素材が縮径することになるので、内包部材２１が中空軸部材１０の内部空間に完全に包まれた状態となる。

図２中のステップＳ１７で示す右軸端末部の仕上加工の終了によって、本実施形態に係る中空軸部材１０の基本的な外郭形状は形成済みとなり、本実施形態に係る転動装置用軸部材５が完成する。

なお、本実施形態に係る転動装置用軸部材５を転動装置の内方部材として使用する場合には、中間部１２に対して軌道面を形成したり、焼入処理を行って表面硬度を上げたりといった処理を行う必要がある。その場合には、例えば、図２のステップＳ１０で示した素材準備の工程で、中間部１２となる部位に予め軌道面を形成する加工処理を行ったり、図２のステップＳ１７で示す仕上加工の工程の後に、焼入処理を実行したりすることとしてもよい。また、図２のステップＳ１１で示す焼鈍処理を行うことで硬度が低下した一対の縮径部１１については、図２のステップＳ１２やステップＳ１４～ステップＳ１７で示すスウェージング加工の実施によって加工硬化が起こり、若干の硬度の上昇が見込めるが、転動装置の内方部材としての機能を確保するために、図２のステップＳ１７で示す仕上加工の工程の後に、一対の縮径部１１に対する焼入処理を実行することもできる。

以上説明したように、本実施形態に係る転動装置用軸部材５を形成する一対の縮径部１１や直角段落ち形状部１３については、焼鈍処理（図２のステップＳ１１）とスウェージング加工（図２のステップＳ１２、ステップＳ１４～ステップＳ１７）の組み合わせによって好適に形成することが可能となっている。したがって、一対の縮径部１１と直角段落ち形状部１３の断面の金属組織を顕微鏡観察したときには、スウェージング加工によるメタルフローが形成されていることを確認することができる。つまり、最終製品である転動装置用軸部材５をミクロ観察すれば、図２および図３で示した本実施形態の製造方法を利用したか否かを検証することが可能となっている。

また、本実施形態に係る転動装置用軸部材５は、外周側に配置された中空軸部材１０がＳＵＪ２等の軸受鋼や高炭素鋼などの金属材料で構成されており、内部に配置された内包部材２１がチタン合金などの軽量かつ中空軸部材１０と同程度又はそれ以下の硬度の金属材料で構成されている。このような構成を有する転動装置用軸部材５をボールねじ装置やボールスプライン装置といった転動装置の内包部材であるボールねじ軸やスプライン軸として用いることで、従来技術では困難であった軽量化と静音性を兼ね備えた転動装置を実現することが可能となる。

以上、本実施形態に係る転動装置用軸部材５の具体的な構成と、その製造工程を説明した。本実施形態の転動装置用軸部材５については、特に、転動装置を構成する内方部材として用いることが好適である。そこで、図４および図５を用いて、本実施形態の転動装置用軸部材５を転動体ねじ装置とスプライン装置に適用した場合の例を説明する。

（転動体ねじ装置への適用例）
本実施形態に係る転動装置用軸部材５は、例えば、図４において示されるようなボールねじ装置４０のねじ軸４１として構成することが可能である。図４は、本実施形態に係る転動装置用軸部材をボールねじ装置のねじ軸として構成した場合を例示する図である。かかるボールねじ装置４０は、内方部材としてのねじ軸４１と、このねじ軸４１に複数のボール４３を介して相対回転可能に取り付けられる外方部材としてのナット部材４２とを備えた装置である。

ねじ軸４１は、外周面に螺旋状の軌道面としての転動体転走溝４１ａが形成される内方部材であり、一方、ナット部材４２は、内周面に転動体転走溝４１ａに対応する螺旋状の軌道面としての負荷転走溝が形成される外方部材である。ねじ軸４１のナット部材４２に対する相対的な回転運動に伴って、ナット部材４２がねじ軸４１に対して相対的に往復運動可能となっている。

そして、ボールねじ装置４０を構成するねじ軸４１を、上述した焼鈍処理（図２のステップＳ１１）とスウェージング加工（図２のステップＳ１２、ステップＳ１４～ステップＳ１７）の組み合わせによって形成された一対の縮径部１１や直角段落ち形状部１３、内包部材２１を有する本実施形態に係る転動装置用軸部材５によって形成することができる。このとき、本実施形態に係る転動装置用軸部材５の中間部１２の外周面に螺旋状の軌道面としての転動体転走溝４１ａを形成することで、本実施形態に係る転動装置用軸部材５がねじ軸４１として機能することができる。かかる構成の採用によって、従来技術では困難であった軽量化と静音化の両特性を実現したボールねじ装置４０用の転動装置用軸部材５を提供することができる。

（スプライン装置への適用例）
さらに、本実施形態に係る転動装置用軸部材５は、例えば、図５において示されるようなスプライン装置５０のスプライン軸５１として構成することが可能である。図５は、本実施形態に係る転動装置用軸部材をスプライン装置のスプライン軸として構成した場合を例示する図である。

ここで、図５に示されるスプライン装置５０の構成を簡単に説明すると、スプライン装置５０は、内方部材としてのスプライン軸５１と、そのスプライン軸５１に複数の転動体としてのボール５３を介して移動自在に取り付けられた外方部材としての円筒状の外筒５２とを有している。スプライン軸５１の表面には、ボール５３の軌道となり、スプライン軸５１の軸線方向に延びる軌道面としての転動体転走面５１ａが形成されている。スプライン軸５１に取り付けられる外筒５２には、転動体転走面５１ａに対応する軌道面としての負荷転動体転走面が形成される。外筒５２に形成した負荷転動体転走面とスプライン軸５１に形成した転動体転走面５１ａとの間で負荷転走路が形成される。負荷転走路の隣には、荷重から解放されたボール５３が移動する無負荷戻し通路が形成されている。外筒５２には、複数のボール５３をサーキット状に整列・保持する保持器５４が組み込まれている。そして、複数のボール５３が、外筒５２の負荷転動体転走面とスプライン軸５１の転動体転走面５１ａとの間に転動自在に設置され、無負荷戻し通路を通って無限循環するように設置されることによって、外筒５２がスプライン軸５１に対して相対的に往復運動可能となっている。

そして、図５において示すスプライン装置５０の場合においても、スプライン装置５０を構成するスプライン軸５１を、上述した焼鈍処理（図２のステップＳ１１）とスウェージング加工（図２のステップＳ１２、ステップＳ１４～ステップＳ１７）の組み合わせによって形成された一対の縮径部１１や直角段落ち形状部１３、内包部材２１を有する本実施形態に係る転動装置用軸部材５によって形成することができる。このとき、本実施形態に係る転動装置用軸部材５の中間部１２の外周面に軌道面としての転動体転走面５１ａを形成することで、本実施形態に係る転動装置用軸部材５がスプライン軸５１として機能することができる。かかる構成の採用によって、従来技術では困難であった軽量化と静音化の両特性を実現したスプライン装置５０用の転動装置用軸部材５を提供することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、上述した実施形態では、内包部材２１が中間部１２の内部の略全長に渡って配置される場合の構成例を示したが、例えば、内包部材２１が中間部１２の内部の一部のみに配置されることとしてもよい。また、内包部材２１の個数は１個でも複数個でもよく、例えば、図６で示すように、２個の内包部材２３を用意し、それぞれを中間部１２の内部空間の左右両端に配置するように構成してもよい。なお、図６は、本発明の変形形態例に係る転動装置用軸部材の形状を示す図であり、図中の分図（ａ）が外観視を示し、分図（ｂ）が断面視を示している。

なお、図６で例示する変形形態例に係る転動装置用軸部材５は、中空軸部材１０の軸方向に開口する内部空間に対して蓋をして、内部空間を導通しないようにしたい場合などに有効な構成である。

また、図６で例示するような２個の内包部材２３を中間部１２の内部空間に配置する場合のカシメ加工については、中間部１２の左側から右側に向けて連続的にダイス３１を移動させるスウェージング加工を実施してもよいし、２個の内包部材２３が配置された場所のみに対してスウェージング加工を実施するようにしてもよい。このような中間部１２に対する様々な方式のスウェージング加工によるカシメ結合によって、中間部１２の内部空間の一部のみで複数の内包部材２３を安定して固定配置することが可能となる。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

５転動装置用軸部材（発明品、内方部材）、１０中空軸部材、１１縮径部、１２中間部、１３直角段落ち形状部、２１，２３内包部材、３１ダイス、４０ボールねじ装置（転動装置、転動体ねじ装置）、４１ねじ軸（内方部材）、４１ａ転動体転走溝（軌道面）、４２ナット部材（外方部材）、４３ボール（転動体）、５０スプライン装置（転動装置）、５１スプライン軸（内方部材）、５１ａ転動体転走面（軌道面）、５２外筒（外方部材）、５３ボール（転動体）、５４保持器。

Claims

中空軸状をした管状素材の両軸端部にスウェージング加工を施すことで当該両軸端部それぞれに形成される一対の縮径部と、前記一対の縮径部の間に配置されるとともに当該一対の縮径部の外径よりも大きい外径を有する中間部と、を備える中空軸部材と、前記中間部の内部に配置される内包部材と、を含んで構成される転動装置用軸部材であって、前記中空軸部材と前記内包部材とが、異なる種類の材料で構成される前記転動装置用軸部材が備える前記中間部の外面に軌道面を形成して内方部材とし、
前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有する外方部材と、
前記両軌道面間に転動自在に配置される複数の転動体と、
を備え、
前記内方部材の外側に前記複数の転動体を介して前記外方部材を組み付けることで形成されることを特徴とする転動装置。
請求項１に記載の転動装置において、
前記中間部と前記内包部材とは、前記中間部の外周に対して施されるスウェージング加工によってカシメ結合されていることを特徴とする転動装置。
請求項１又は２に記載の転動装置において、
前記内包部材が、中実の軸状部材であることを特徴とする転動装置。
請求項１又は２に記載の転動装置において、
前記内包部材が、中空軸状をした管状部材であることを特徴とする転動装置。