JPWO2007013422A1 - 運動案内装置の製造方法、およびこの方法を用いて製造される運動案内装置 - Google Patents

運動案内装置の製造方法、およびこの方法を用いて製造される運動案内装置 Download PDF

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Abstract

転動体を用いる運動案内装置の転がり摩擦面および滑り摩擦面の少なくとも一部の摩擦面を、砥石を用いた研削加工によって成形する研削加工工程と、前記研削加工工程で発生した摩擦面上の不具合を無害化するために、前記研削加工工程によって成形された摩擦面に対してピーニング処理を施す表面処理工程と、を含む処理を実行する。かかる処理工程を経て運動案内装置を製造することによって、摩擦面に生じた疵などの不具合の無害化および疲労強度と摺動性、装置寿命を向上させることができ、走行距離試験においても、計算寿命を大幅に上回る走行距離を達成した。これにより、砥石を用いた研削加工によって摩擦面もしくは転走面上に疵が発生したとしても、処理対象部材の許容寸法精度に影響を及ぼすことなく疵を無害化することが可能となる。

Description

本発明は、運動案内装置の製造方法、およびこの方法を用いて製造される運動案内装置に係り、特に、加工の際に発生する摩擦面（転動体の転走面を含む語である）上の不具合を無害化する技術を採用した運動案内装置の製造方法、およびこの方法を用いて製造される運動案内装置に関するものである。
従来から、リニアガイドや直線案内装置、ボールスプライン装置、ボールねじ装置などのような転動体を用いる運動案内装置においては、かかる装置を構成する部材が転動体を介して繰り返し転動・摺動圧力を受けることから、転動体との摩擦面には、高い表面品質が求められていた。
そして、このような摩擦面は、砥石を用いた研削加工によって成形されるのが一般的であるが、砥石研削においては、研削中に砥石から脱落する砥粒の噛み込みによって、摩擦面の表面に疵を発生させてしまうことがあった。摩擦面上の疵は、運動案内装置の装置寿命に重大な影響を及ぼすため、そのまま残留させてはならない。一方、摩擦面は、転動体の転走路を形成するものであるから、研削加工によって成形された許容寸法精度を維持しなければならないという制約もある。したがって、従来は、一旦摩擦面上に疵が発生してしまうと、摩擦面の許容寸法精度を維持しながら疵を除去することが困難であるため、不具合が発生した部材については、廃棄せざるを得ないのが実態であった。
特開平０５−０７８８５９号公報
ところで、摩擦面の許容寸法精度をある程度維持しながら金属表面の改質を行う技術としては、ショットピーニングやハードショットピーニングと呼ばれる処理技術が知られている。これらの処理技術は、疲労強度向上に有効なことから、ギアやバネなどの機構部品の表面改質に用いられている（例えば、上記特許文献１参照）。
しかしながら、ショットピーニングやハードショットピーニングに代表される従来の表面改質技術は、金属表面の性質を変更（あるいは制御）することを目的に開発された手法であり、摩擦面上に発生した疵（例えば、砥粒の噛み込みによる数μｍ〜数十μｍ程度の疵）の除去を考慮したものではなかった。
本発明は、上述した課題の存在に鑑みて成されたものであって、砥石を用いた研削加工によって摩擦面もしくは転走面上に発生した疵を、摩擦面もしくは転走面の許容寸法精度を維持した状態で無害化することができる、新たなピーニング処理技術の提供を目的とするものである。また、本発明は、摩擦面もしくは転走面上の疵を無害化するのみでなく、疲労強度と摺動性を向上させ、さらには装置寿命をも向上させることができるという、従来技術では不可能であった効果を発揮することのできる新たなピーニング処理技術の提供をも目的とするものである。
本発明に係る運動案内装置の製造方法は、転動体を用いる運動案内装置の転がり摩擦面および滑り摩擦面の少なくとも一部の摩擦面を、砥石を用いた研削加工によって成形する研削加工工程と、前記研削加工工程で発生した摩擦面上の不具合を無害化するために、前記研削加工工程によって成形された摩擦面に対してピーニング処理を施す表面処理工程と、を含む処理を実行することを特徴とする。
また、本発明に係る別の運動案内装置の製造方法は、転動体転走面を備える軌道部材と、前記転動体転走面に対向する負荷転動体転走面を備える移動部材と、前記転動体転走面と前記負荷転動体転走面とによって構成される負荷転走路内に転動自在に設置される複数の転動体と、を有することにより、前記移動部材が前記軌道部材の軸線方向又は周方向に往復運動自在又は回転運動自在とされる運動案内装置の製造方法であって、砥石を用いた研削加工によって前記移動部材に前記負荷転動体転走面を成形する研削加工工程と、前記移動部材における少なくとも前記負荷転動体転走面を含む領域に対してピーニング処理を施すことによって、前記研削加工工程で発生した前記負荷転動体転走面上の不具合を無害化する表面処理工程と、を含む処理を実行することを特徴とする。
本発明に係る運動案内装置の製造方法では、前記表面処理工程において実施されるピーニング処理によって、前記負荷転動体転走面の表面粗さをＲａで０．４μｍ以下とすることができる。
また、本発明に係る運動案内装置の製造方法において、前記ピーニング処理は、微粒子ピーニング処理であることとすることができる。
さらに、本発明に係る運動案内装置の製造方法において、前記表面処理工程には、前記ピーニング処理の後に実行されるバレル処理が含まれることとすることができる。
上述した方法を用いて製造される本発明に係る運動案内装置は、転動体転走面を備える軌道部材と、前記転動体転走面に対向する負荷転動体転走面を備える移動部材と、前記転動体転走面と前記負荷転動体転走面とによって構成される負荷転走路内に転動自在に設置される複数の転動体と、を有することにより、前記移動部材が前記軌道部材の軸線方向又は周方向に往復運動自在又は回転運動自在とされる運動案内装置であって、前記転動体転走面および前記負荷転動体転走面の少なくとも一部の転走面が、ピーニング処理を受けており、且つ、表面粗さがＲａで０．４μｍ以下であることを特徴とする。
なお上記発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
本発明によれば、仮に、砥石を用いた研削加工によって摩擦面もしくは転走面上に疵が発生したとしても、処理対象部材の許容寸法精度に影響を及ぼすことなく疵を無害化することが可能な新たなピーニング処理技術を提供することができる。また、かかるピーニング処理技術によれば、摩擦面もしくは転走面上の疵を無害化するのみでなく、疲労強度と摺動性を向上させ、さらには装置寿命をも向上させることができる。
本発明に係る運動案内装置の製造方法によって製造されたリニアガイド装置の一形態を例示する外観斜視図である。 図１Ａで示したリニアガイド装置が備える無限循環路を説明するための断面図である。 表１で示した各実験条件で処理を受けたリニアガイド装置の走行距離試験の結果を示す図である。 表１で示した実験条件ごとの微粒子ピーニング処理前後における表面粗さＲａを示す図である。 本発明に係る運動案内装置の製造方法によって製造されたスプライン装置の一形態を例示する外観斜視図である。 本発明に係る運動案内装置を回転ベアリング装置として構成した場合の一形態を例示する部分縦断斜視図である。 図５Ａに示す回転ベアリング装置の縦断面を示す図である。
符号の説明
４０ リニアガイド装置、４１ 軌道レール、４１ａ 転動体転走面、４２，６２ ボール、４３ 移動ブロック、４３ａ 負荷転動体転走面、５２ 負荷転走路、５３ 無負荷転走路、５５ 方向転換路、６０ スプライン装置、６１ スプライン軸、６１ａ 転動体転走面、６３ 外筒、６４ 保持器、７０ 回転ベアリング装置、７１ 内輪、７２ 内側軌道面、７３ 外輪、７４ 外側軌道面、７５ 軌道路、７７ ローラ。
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。
なお、本明細書における「運動案内装置」は、例えば、工作機械などに用いられる転がり軸受全般や真空中で使用される無潤滑軸受、リニアガイドや直線案内装置、ボールスプライン装置、ボールねじ装置、ローラねじ装置、クロスローラリング等のような、あらゆる転動・摺動動作を伴う装置を含むものである。
本実施形態に係る運動案内装置の製造方法は、図１Ａ及び図１Ｂに示すようなリニアガイド装置として構成される運動案内装置に対して適用することが可能である。ここで、図１Ａは、本発明に係る運動案内装置の製造方法によって製造されたリニアガイド装置の一形態を例示する外観斜視図である。また、図１Ｂは、図１Ａで示したリニアガイド装置が備える無限循環路を説明するための断面図である。
まず、図１Ａ及び図１Ｂに例示するリニアガイド装置４０の構成について説明すると、本実施形態に係る運動案内装置としてのリニアガイド装置４０は、軌道部材としての軌道レール４１と、軌道レール４１に多数の転動体として設置されるボール４２…を介してスライド可能に取り付けられた移動部材としての移動ブロック４３とを備えている。軌道レール４１はその長手方向と直交する断面が概略矩形状に形成された長尺の部材であり、その表面（上面及び両側面）にはボールが転がる際の軌道になる転動体転走面４１ａ…が軌道レール４１の全長に渡って形成されている。
ここで軌道レール４１は、直線的に伸びるように形成されることもあるし、曲線的に伸びるように形成されることもある。また、転動体転走面４１ａ…の本数は左右で２条ずつ合計４条設けられているが、その条数はリニアガイド装置４０の用途等に応じて変更することができる。
一方、移動ブロック４３には、転動体転走面４１ａ…とそれぞれ対応する位置に負荷転動体転走面４３ａ…が設けられている。軌道レール４１の転動体転走面４１ａ…と移動ブロック４３の負荷転動体転走面４３ａ…とによって負荷転走路５２…が形成され、複数のボール４２…が挟まれている。さらに、移動ブロック４３には、各転動体転走面４１ａ…と平行に伸びる４条の無負荷転走路５３…と、各無負荷転走路５３…と各負荷転走路５２…とを結ぶ方向転換路５５…が設けられている。１つの負荷転走路５２及び無負荷転走路５３と、それらを結ぶ一対の方向転換路５５との組み合わせによって、１つの無限循環路が構成される（図１Ｂ参照）。
そして、複数のボール４２…が、負荷転走路５２と無負荷転走路５３と一対の方向転換路５５，５５とから構成される無限循環路に無限循環可能に設置されることにより、移動ブロック４３が軌道レール４１に対して相対的に往復運動可能となっている。
以上のような構成を備える本実施形態に係るリニアガイド装置４０においては、その特徴的な点として、転動体転走面４１ａ…および負荷転動体転走面４３ａ…のうちの少なくとも一部の転走面が、微粒子ピーニング処理を受けており、且つ、その微粒子ピーニング処理を受けた転走面の表面粗さがＲａで０．４μｍ以下であることが挙げられる。
この微粒子ピーニング処理を含む本実施形態に係るリニアガイド装置４０の製造方法について説明すると、まず、砥石を用いた研削加工によって、リニアガイド装置４０を構成する部材に対して転動体が接触する摩擦面が成形される（研削加工工程）。なお、この摩擦面は、図１Ａ及び図１Ｂに例示するリニアガイド装置４０であれば、軌道レール４１における転動体転走面４１ａ…や移動ブロック４３における負荷転動体転走面４３ａ…などの転走面に相当する。
次に、研削加工工程で成形された摩擦面に対して微粒子ピーニング処理が施される（表面処理工程）。この微粒子ピーニング処理を行う装置については、従来のショットピーニングやハードショットピーニング等で用いられているブラスター装置を用いれば良く、軌道レール４１や移動ブロック４３などの部材に対して、粒径が４０μｍ〜８０μｍ程度の非常に微細なショットを後述する本発明特有の処理条件で叩きつけることになる。なお、微粒子ピーニング処理が施される領域は、少なくとも摩擦面を含んでいれば良く、軌道レール４１や移動ブロック４３全体に対して微粒子ピーニング処理を行っても良い。この微粒子ピーニング処理の実行は、研削加工工程で発生する虞のある砥粒噛み込み疵などの不具合を無害化する役割を果たしている。
ここで、微粒子ピーニング処理が摩擦面上に発生した砥粒噛み込み疵などの不具合を無害化するメカニズムについては、４０μｍ〜８０μｍ程度の非常に微細なショットの激突によって、(1)疵の有害部（凸部）がはじき飛ばされる、(2)ショットの激突によって瞬間的に熱が発生して疵周辺の金属を瞬間的に溶かし、その後の急冷によって疵が消失してしまう、(3)ショットの激突による熱によって疵が完全に消失しないまでも、転動体の転動・摺動運動に影響がないまでに極小化し、無害化する、などが考えられる。
また、本実施形態に係る微粒子ピーニング処理は、４０μｍ〜８０μｍ程度の非常に微細なショットを用いて摩擦面上を叩きならしているだけなので、その寸法変化は数μｍオーダーであり、転動体転走面４１ａ…や負荷転動体転走面４３ａ…などの転走面が必要とする許容寸法精度を十分満足することが可能である。
なお、本実施形態に係る運動案内装置の製造方法において、上述した表面処理工程には、微粒子ピーニング処理の後に実行されるバレル処理が含まれることとすることも可能である。すなわち、微粒子ピーニング処理は、転動体転走面４１ａ…や負荷転動体転走面４３ａ…などの転走面が必要とする許容寸法精度を十分満足した状態で疵を無害化することができるのであるが、ピーニング処理後の転走面は、研削面よりも表面粗さが若干低下してしまうことは避けられない。そこで、微粒子ピーニング処理が行われた転走面に対してバレル処理を行うことによって、表面粗さの改善を行うことが好適である。
バレル処理の具体的な内容としては、例えば、アルミ粉やマイカ（雲母片）、インパクトメディア（金属球、砥石小片、砥粒、天然および人造の石塊、石英、砂、皮、おがくずなど）、工作液などが入ったバレル容器に処理対象となる軌道レール４１や移動ブロック４３を入れて振動させ、撹拌すれば良い。かかる処理によって微粒子ピーニング処理を受けた転走面表面の凹凸が一部除去され、滑らかな転走面を得ることができる。また、バレル容器には、上述した物のほか、防錆作用、研磨作用の促進のためにコンパウンドを加えることも好適である。
ちなみに、本実施形態に係る運動案内装置の製造方法において、バレル処理の実施は必ずしも必須のものではなく、製造対象となる運動案内装置の使用環境や製品仕様などに応じて適宜採用・非採用を決定すれば良い。
次に、本実施形態に係る微粒子ピーニング処理の具体的な実施条件を説明する。すなわち、本発明者らは、従来から知られているショットピーニングやハードショットピーニング等の従来のピーニング処理を改良し、従来では不可能であった、許容寸法精度を維持しながら摩擦面上に発生した疵などの不具合を無害化する新たなピーニング処理の処理条件を見出したのである。
表１は、発明者らが行った微粒子ピーニング処理の実験条件を示す表である。従来のショットピーニングやハードショットピーニングが採用するショット粒径約８００μｍに対して４０μｍ〜８０μｍ程度の非常に微細なショットを採用しており、疵を適切に無害化するための処理が行われている。
Figure 2007013422
表２は、表１で示した実験条件ごとの結果を示している。また、図２は、表１で示した各実験条件で処理を受けたリニアガイド装置４０の走行距離試験の結果を示す図である。表２からも明らかな通り、粒度＃４００のビーズを１５秒間叩きつけた（比較１）以外は、研削疵を無害化することができた。また、特に図２で示すように、本実施形態に係る微粒子ピーニング処理を施されたリニアガイド装置４０は、いずれも計算寿命である４００ｋｍを大幅に超える走行距離を達成した。特に、（発明１）の条件で行った微粒子ピーニング処理では、計算寿命４００ｋｍの２倍以上の８８２ｋｍという走行距離を実現することができた。このことは、本実施形態に係る微粒子ピーニング処理が、疵などの不具合を無害化するだけではなく、疲労強度と摺動性を向上させ、さらには装置寿命をも改善することが可能であるという、従来技術では実現不可能であった効果を発揮することを示している。なお、微粒子ピーニング処理が未処理であり疵が残存した状態のリニアガイド装置と、本実施形態に係る微粒子ピーニング処理を受けたリニアガイド装置との走行距離の差は、歴然としていることは言うまでもない。
Figure 2007013422
なお、図３は、表１で示した実験条件ごとの微粒子ピーニング処理前後における表面粗さＲａを示す図であるが、疵を除去できなかった（比較１）の実験条件以外は、表面粗さが若干悪化していることがわかる。このことは、疵などの不具合を無害化するためには、若干の表面粗さを犠牲にしなければならないが、転動・摺動動作を伴う運動案内装置において一般に必要とされている表面粗さがＲａで０．４μｍ以下の値を達成する条件（バレル処理の実施を含む）を採用すれば、本発明に係る微粒子ピーニング処理がより大きな不具合の無害化をも可能であることを示している。
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。すなわち、本発明に係る運動案内装置の製造方法の表面処理工程において実施される処理条件は、表１に示される発明条件のみに限定されるものではなく、疵などの不具合を無害化することができ、且つ、表面粗さがＲａで０．４μｍ以下の値を達成することができる条件であれば、処理対象となる金属材料や運動案内装置に求められる性能などに応じて、適宜好適な条件を採用することができる。
また、本実施形態では、本発明に係る運動案内装置がリニアガイド装置４０として構成される場合を例示して説明したが、例えば、図４に示されるようなスプライン装置６０に対しても本発明に係る運動案内装置の製造方法を適用することが可能である。
ここで、図４に示されるスプライン装置６０の構成を簡単に説明すると、スプライン装置６０は、軌道部材としてのスプライン軸６１と、そのスプライン軸６１に多数の転動体としてのボール６２…を介して移動自在に取り付けられた移動部材としての円筒状の外筒６３とを有している。スプライン軸６１の表面には、ボール６２の軌道となり、スプライン軸２１の軸線方向に延びる転動体転走面６１ａ…が形成されている。スプライン軸６１に取り付けられる外筒６３には、転動体転走面６１ａに対応する負荷転動体転走面が形成される。これらの負荷転動体転走面には、転動体転走面６１ａ…が伸びる方向に伸びる複数条の突起が形成されている。外筒６３に形成した負荷転動体転走面とスプライン軸６１に形成した転動体転走面６１ａ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６２…が移動する無負荷戻し通路が形成されている。外筒６３には、複数のボール６２…をサーキット状に整列・保持する保持器６４が組み込まれている。そして、複数のボール６２…が、外筒６３の負荷転動体転走面とスプライン軸６１の転動体転走面６１ａ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６３がスプライン軸６１に対して相対的に往復運動可能となっている。
このようなスプライン装置６０を構成する部材のうち、転動体転走面６１ａ…と負荷転動体転走面の少なくとも一方に対して、本発明に係るピーニング処理を施すことが可能である。スプライン装置６０を本発明に係る運動案内装置の製造方法によって製造することによって、疵の無い転動体転走面６１ａ…および負荷転動体転走面が実現し、さらには、疲労強度と摺動性、装置寿命が向上したスプライン装置６０を得ることができる。
さらに、本発明に係る運動案内装置の製造方法によって製造される運動案内装置は、図５Ａ及び図５Ｂに示すような回転ベアリング装置として構成することが可能である。ここで、図５Ａは、本発明に係る運動案内装置を回転ベアリング装置として構成した場合の一形態を例示する部分縦断斜視図である。また、図５Ｂは、図５Ａに示す回転ベアリング装置の縦断面を示す図である。
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、回転ベアリング装置７０として構成される運動案内装置は、外周面に断面Ｖ字形状の内側軌道面７２を有する（軌道部材又は移動部材としての）内輪７１と、内周面に断面Ｖ字形状の外側軌道面７４を有する（移動部材又は軌道部材としての）外輪７３と、内側軌道面７２と外側軌道面７４とによって形成される断面略矩形状の軌道路７５の間に転動可能にクロス配列される複数の転動体としてのローラ７７…と、を有することにより、内輪７１及び外輪７３が周方向に相対的な回転運動を行うものである。
このような回転ベアリング装置７０を構成する部材のうち、少なくとも内側軌道面７２および外側軌道面７４のいずれか一方に対して、本発明に係るピーニング処理を施すことが可能である。回転ベアリング装置７０を本発明に係る運動案内装置の製造方法によって製造することにより、疵の無い内側軌道面７２および外側軌道面７４が実現し、さらには、疲労強度と摺動性、装置寿命が向上した回転ベアリング装置７０を得ることができる。
なお、本発明は、上述したリニアガイド装置、スプライン装置、回転ベアリング装置だけでなく、直線案内装置や転がり軸受などのあらゆる運動案内装置に適用することが可能である。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。

Claims (6)

  1. 転動体を用いる運動案内装置の転がり摩擦面および滑り摩擦面の少なくとも一部の摩擦面を、砥石を用いた研削加工によって成形する研削加工工程と、
    前記研削加工工程で発生した摩擦面上の不具合を無害化するために、前記研削加工工程によって成形された摩擦面に対してピーニング処理を施す表面処理工程と、
    を含む処理を実行することを特徴とする運動案内装置の製造方法。
  2. 転動体転走面を備える軌道部材と、
    前記転動体転走面に対向する負荷転動体転走面を備える移動部材と、
    前記転動体転走面と前記負荷転動体転走面とによって構成される負荷転走路内に転動自在に設置される複数の転動体と、
    を有することにより、前記移動部材が前記軌道部材の軸線方向又は周方向に往復運動自在又は回転運動自在とされる運動案内装置の製造方法であって、
    砥石を用いた研削加工によって前記移動部材に前記負荷転動体転走面を成形する研削加工工程と、
    前記移動部材における少なくとも前記負荷転動体転走面を含む領域に対してピーニング処理を施すことによって、前記研削加工工程で発生した前記負荷転動体転走面上の不具合を無害化する表面処理工程と、
    を含む処理を実行することを特徴とする運動案内装置の製造方法。
  3. 請求項１又は２に記載の運動案内装置の製造方法において、
    前記表面処理工程において実施されるピーニング処理によって、前記負荷転動体転走面の表面粗さがＲａで０．４μｍ以下とされることを特徴とする運動案内装置の製造方法。
  4. 請求項１〜３に記載の運動案内装置の製造方法において、
    前記ピーニング処理は、微粒子ピーニング処理であることを特徴とする運動案内装置の製造方法。
  5. 請求項１〜４に記載の運動案内装置の製造方法において、
    前記表面処理工程には、前記ピーニング処理の後に実行されるバレル処理が含まれることを特徴とする運動案内装置の製造方法。
  6. 転動体転走面を備える軌道部材と、
    前記転動体転走面に対向する負荷転動体転走面を備える移動部材と、
    前記転動体転走面と前記負荷転動体転走面とによって構成される負荷転走路内に転動自在に設置される複数の転動体と、
    を有することにより、前記移動部材が前記軌道部材の軸線方向又は周方向に往復運動自在又は回転運動自在とされる運動案内装置であって、
    前記転動体転走面および前記負荷転動体転走面の少なくとも一部の転走面が、ピーニング処理を受けており、且つ、表面粗さがＲａで０．４μｍ以下であることを特徴とする運動案内装置。
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