JPWO2013183298A1 - ボールねじ装置 - Google Patents
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Abstract
ナットが冷却されても、冷却能力が低下しにくいボールねじ装置を提供する。そのために、ねじ軸(10)と、複数の転動体(30)を介してねじ軸(10)に螺合するナット(20)と、該ナット(20)の内部に設置された冷却手段(50)とを備え、転動体(30)の径をDW、ナット(20)の全長をL、軸方向すきまをδとしたとき、0.05?10−3L≦δ≦0.005DWを満たす。
Description
本発明は、ボールねじ装置に関し、特に、射出成形機やプレス機など精密機械部品を加工する設備用機械に用いられるボールねじ装置に関する。
従来より、ねじ軸と、該ねじ軸に螺合して相対的に回転可能とされたナットとを有するボールねじ装置では、回転時に点接触又は面接触が生じるため、熱源(例えば、上記ナット)に冷却手段が設けられることがあった。
このようなボールねじ装置としては、上記冷却手段(熱交換器)として、冷媒が循環する冷却パイプを上記ナット内に配設したボールねじ装置が開示されている(例えば、特許文献1)。
このようなボールねじ装置としては、上記冷却手段(熱交換器)として、冷媒が循環する冷却パイプを上記ナット内に配設したボールねじ装置が開示されている(例えば、特許文献1)。
この特許文献1に開示されたボールねじ装置によれば、冷却手段として、上記ナットの内部に冷却液用貫通穴を配設し、この冷却液用貫通穴に冷却液を循環させている。このように、全長の長いねじ軸を冷却するよりも、全長の短いナットを冷却する方が、冷却装置がコンパクトになるため、ナットの内部に冷却液用貫通穴を配設していた。
かかる構成とすることにより、上記ナットはもちろん、他の熱源であるボールの近傍に対しても常に冷却することができ、結果として、冷却によってナットが収縮したときにも、動摩擦トルクが上昇しにくいボールねじ装置を提供することができる。また、冷却効果をできるだけ高くし、過度な加工効率の低下や圧力損失の増加を招くことのないボールねじ装置を提供することができる。
しかしながら、従来の射出成形機などで使用されるボールねじ装置においては、ナットが冷やされた際に、ねじ軸とナットの温度差が発生すると、ねじ軸とナットの膨張する長さが異なり、ねじ軸の溝とナットの溝との距離が短くなるため、転動体を配置した際の軸方向すきまが小さくなる。そして、この温度差が大きい場合には、すきまがなくなり、ボールねじ装置に内部荷重が発生する可能性があった。このように、内部荷重が発生すると発熱量が増えるため、ボールねじ装置の冷却効率が相対的に低下してしまい、検討の余地があった。特に、ボールねじ装置が用いられる射出成形機は、プラスチックなどを加熱し、金型で成型するため、外部からの熱影響による温度変化は、成型性の低下に繋がることがある。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、ナットが冷却されても、冷却能力が低下しにくいボールねじ装置を提供することにある。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、ナットが冷却されても、冷却能力が低下しにくいボールねじ装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明のある実施形態のボールねじ装置は、外周面に転動溝が形成されたねじ軸と、
上記転動溝に対応する転動溝が内周面に形成され、該転動溝と上記ねじ軸の転動溝とによって形成される転動体転動路に配設された複数の転動体を介して上記ねじ軸に螺合するナットと、
上記ナットの内部に設置された冷却手段とを有し、
上記転動体の径をDW、上記ナットの全長をL、軸方向すきまをδ、としたとき、下記式(1)を満たす。
0.05×10−3L≦δ≦0.005DW・・・・・・・・・式(1)
上記転動溝に対応する転動溝が内周面に形成され、該転動溝と上記ねじ軸の転動溝とによって形成される転動体転動路に配設された複数の転動体を介して上記ねじ軸に螺合するナットと、
上記ナットの内部に設置された冷却手段とを有し、
上記転動体の径をDW、上記ナットの全長をL、軸方向すきまをδ、としたとき、下記式(1)を満たす。
0.05×10−3L≦δ≦0.005DW・・・・・・・・・式(1)
ここで、上記ボールねじ装置は、上記ねじ軸と上記ナットとの温度差が30℃以下であることが好ましい。
また、上記ボールねじ装置は、上記ねじ軸の一方の端部のみが固定されていることが好ましい。
また、上記ボールねじ装置は、射出成形機に用いられることが好ましい。
また、上記ボールねじ装置は、上記ねじ軸の一方の端部のみが固定されていることが好ましい。
また、上記ボールねじ装置は、射出成形機に用いられることが好ましい。
本発明によれば、ナットが冷却されても、冷却能力が低下しにくいボールねじ装置を提供することができる。
以下、ボールねじ装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図1は、ボールねじ装置の一実施形態における構成を示す軸方向に沿う断面図である。
図1に示すように、本実施形態のボールねじ装置1は、ねじ軸10と、ナット20とを有する。ねじ軸10及びナット20は、複数の転動体30を介して螺合している。ナット20は、ねじ軸10の外径より大きい内径で筒状に形成されている。ナット20の内周面には、ねじ軸10の外周面に螺旋状に形成されたねじ溝10aに対向するようにねじ溝20aが形成されている。ねじ溝10aとねじ溝20aとによって形成された転動路40において転動体30は転動可能とされている。
図1に示すように、本実施形態のボールねじ装置1は、ねじ軸10と、ナット20とを有する。ねじ軸10及びナット20は、複数の転動体30を介して螺合している。ナット20は、ねじ軸10の外径より大きい内径で筒状に形成されている。ナット20の内周面には、ねじ軸10の外周面に螺旋状に形成されたねじ溝10aに対向するようにねじ溝20aが形成されている。ねじ溝10aとねじ溝20aとによって形成された転動路40において転動体30は転動可能とされている。
また、ナット20には、軸方向に貫通する貫通穴20bが形成されている。この貫通穴20bは、冷却媒体の通路として用いられ、貫通穴20b内で冷却媒体を循環させるための循環装置(図示せず)が接続されている。この循環装置及び貫通穴20bが冷却手段50を構成する。このように、図示しない循環装置によって貫通穴20b内を冷却媒体が循環することによって、ナット20が冷却される。
以上のような構成によって、貫通穴20bに冷却液を通すことで、ナット20を冷却することができる。
以上のような構成によって、貫通穴20bに冷却液を通すことで、ナット20を冷却することができる。
さらに、本実施形態のボールねじ装置1は、熱変位差による内部荷重の発生を抑える構成を有する。
具体的には、ボールねじ装置1が駆動されて発熱すると、ねじ軸10とナット20とが熱変位する。
ここで、ナット20の中心を基準として、ナット20の両端部の位置におけるねじ軸10とナット20とのアキシアル方向の熱変位量は以下の式(A),(B)で計算される。なお、下記式(A),(B)において、ΔLθSは、ねじ軸熱変位量(mm)、ΔLθnは、ナット熱変位量(mm)、ρは、線膨張係数(1/℃)を示す。また、Lは、ナットの全長(mm)、θSは、ねじ軸温度上昇値(℃)、θnは、ナット温度上昇値(℃)を示す。
具体的には、ボールねじ装置1が駆動されて発熱すると、ねじ軸10とナット20とが熱変位する。
ここで、ナット20の中心を基準として、ナット20の両端部の位置におけるねじ軸10とナット20とのアキシアル方向の熱変位量は以下の式(A),(B)で計算される。なお、下記式(A),(B)において、ΔLθSは、ねじ軸熱変位量(mm)、ΔLθnは、ナット熱変位量(mm)、ρは、線膨張係数(1/℃)を示す。また、Lは、ナットの全長(mm)、θSは、ねじ軸温度上昇値(℃)、θnは、ナット温度上昇値(℃)を示す。
図1に示すボールねじ装置1を駆動させることで、ナット20が冷やされて、ねじ軸10とナット20とに温度差が発生すると、この熱変位量に差が生じる。
そして、ナット20の両端部の位置におけるねじ軸10とナット20との熱変位差は下記式(C)となる。なお、下記式(C)において、δθは、ねじ軸とナットとの熱変位差(mm)を示す。
そして、ナット20の両端部の位置におけるねじ軸10とナット20との熱変位差は下記式(C)となる。なお、下記式(C)において、δθは、ねじ軸とナットとの熱変位差(mm)を示す。
この熱変位差によって、ねじ軸10及びナット20のそれぞれのねじ溝10a,20aの位置が相対的にずれるため、ボールねじ装置1の軸方向すきまは小さくなる。
また、温度差が大きい場合は、すきまがマイナスとなり、ボールねじ装置1に内部荷重が発生する。
この内部荷重の大きさを計算するには、ボールねじ装置1内の各転動体30についてマイナスすきまによる荷重を計算し、総和を取ればよい。
このことから、ボールねじ装置1の軸方向すきまを大きくすることで、熱変位差による内部荷重の発生を抑えることができる。
また、温度差が大きい場合は、すきまがマイナスとなり、ボールねじ装置1に内部荷重が発生する。
この内部荷重の大きさを計算するには、ボールねじ装置1内の各転動体30についてマイナスすきまによる荷重を計算し、総和を取ればよい。
このことから、ボールねじ装置1の軸方向すきまを大きくすることで、熱変位差による内部荷重の発生を抑えることができる。
ここで、ボールねじ装置1のねじ軸10は、その一方の端部のみが固定されていることが好ましい。特に、ボールねじ装置1を射出成形機に用いる場合においては、ねじ軸10の一方の端部のみが、基台に固定された軸受(図示せず)によって回転自在に支持されることが好ましい。このように構成することで、射出成形機におけるボールねじ装置1と溶融樹脂を格納する容器との干渉を低減することができる。
また、上記式(C)から、ナット20の全長が長くなると、熱変位差が大きくなり、内部荷重が発生しやすくなることが分かる。
すなわち、熱変位差による内部荷重の発生を抑えるためには、ナット20の全長に合わせて軸方向すきまを大きくする必要がある。
ここで、一般的なボールねじ装置の最高使用温度は、ナット20の外径温度で50℃であり、また、ねじ軸の温度が80℃を超えると、グリースの劣化やナット20の内部にある樹脂部品の熱変質などの懸念があるため、ねじ軸10とナット20との温度差(Δθ)は上述の各値の差をとり、最大30℃として以降の検討を行った。
すなわち、熱変位差による内部荷重の発生を抑えるためには、ナット20の全長に合わせて軸方向すきまを大きくする必要がある。
ここで、一般的なボールねじ装置の最高使用温度は、ナット20の外径温度で50℃であり、また、ねじ軸の温度が80℃を超えると、グリースの劣化やナット20の内部にある樹脂部品の熱変質などの懸念があるため、ねじ軸10とナット20との温度差(Δθ)は上述の各値の差をとり、最大30℃として以降の検討を行った。
<軸方向すきまの範囲>
[軸方向すきまの下限]
以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
まず、表1に示す3つの諸元のボールねじ装置について、軸方向すきまを種々に変化させ、Δθが30℃のときに発生する内部荷重を計算した。その結果を図2に示す。また、図2では、ナット全長に合わせて軸方向すきまを変える必要があるため、横軸は比をとってδ/Lとしている。
図2に示すように、δ/Lが0.05×10−3より小さくなると、内部荷重が上昇していることが分かる。これは、軸方向すきまが小さいため、ナット両端側に位置しているボールがマイナスすきまとなったためである。
[軸方向すきまの下限]
以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
まず、表1に示す3つの諸元のボールねじ装置について、軸方向すきまを種々に変化させ、Δθが30℃のときに発生する内部荷重を計算した。その結果を図2に示す。また、図2では、ナット全長に合わせて軸方向すきまを変える必要があるため、横軸は比をとってδ/Lとしている。
図2に示すように、δ/Lが0.05×10−3より小さくなると、内部荷重が上昇していることが分かる。これは、軸方向すきまが小さいため、ナット両端側に位置しているボールがマイナスすきまとなったためである。
次に、この結果を検証するため試験を行った。
この試験は、表2に示す諸元のボールねじ装置を用い、表2に示す条件で行った。また、図3は、本実施例における軸方向すきまとナットの全長との比と内部荷重との関係を検証する試験機の構成を示す概略図である。また、この試験結果を図4に示す。
この試験は、表2に示す諸元のボールねじ装置を用い、表2に示す条件で行った。また、図3は、本実施例における軸方向すきまとナットの全長との比と内部荷重との関係を検証する試験機の構成を示す概略図である。また、この試験結果を図4に示す。
まず、図3に示すように、この試験機100は、冷却液を循環させる冷却手段50を備えたボールねじ装置1のナット20に対して、外部荷重をかける弾性手段101が設けられている。一方、ボールねじ装置1のねじ軸10の一端部にはプーリベルト102を介してモータ103が連結されて、該モータ103の回転がねじ軸10の回転として伝達される構成とされている。そして、この試験機100では、温度測定位置MTに図示しない温度測定手段が設けられている。
図4に示すように、δ/Lが0.05×10−3以下であると、ボールねじ装置の温度が上昇している。これは、ナットの内部に内部荷重が発生し、ボールねじ装置の駆動時の発熱量が増加したためである。
以上の結果から、熱変位差による内部荷重の発生を抑えるためには、δ/Lを以下の範囲とすればよい。
δ/L≧0.05×10−3
以上の結果から、熱変位差による内部荷重の発生を抑えるためには、δ/Lを以下の範囲とすればよい。
δ/L≧0.05×10−3
<軸方向すきまの上限>
ここで、δ/Lのうち、Lは客先からの要求寿命や使用条件によって決まるため、実際の設計では軸方向すきまδを大きくすることになる。
しかし、軸方向すきまを大きくしすぎると、転動体の接触面がねじ溝の肩部に乗り上げてしまい(以下、乗り上げと呼ぶことがある)、ボールねじ装置の早期破損等の悪影響を及ぼす懸念がある。
ここで、δ/Lのうち、Lは客先からの要求寿命や使用条件によって決まるため、実際の設計では軸方向すきまδを大きくすることになる。
しかし、軸方向すきまを大きくしすぎると、転動体の接触面がねじ溝の肩部に乗り上げてしまい(以下、乗り上げと呼ぶことがある)、ボールねじ装置の早期破損等の悪影響を及ぼす懸念がある。
そこで、軸方向すきまを大きくする上限について検討を行った。
ここで、外部荷重の一般的な目安は、ボールねじ装置の静定格荷重(Coa)の10%である。
また、軸方向すきまが乗り上げに与える影響は、転動体の径(DW)によって変わるため、δ/DWに注目するとよい。
そこで、下記表3に示す6つの諸元のボールねじ装置について、外部荷重を10%Coaとし、δ/DWを変化させたときの乗り上げ発生状況を図5に示す。
ここで、外部荷重の一般的な目安は、ボールねじ装置の静定格荷重(Coa)の10%である。
また、軸方向すきまが乗り上げに与える影響は、転動体の径(DW)によって変わるため、δ/DWに注目するとよい。
そこで、下記表3に示す6つの諸元のボールねじ装置について、外部荷重を10%Coaとし、δ/DWを変化させたときの乗り上げ発生状況を図5に示す。
図5に示すように、δ/DWが0.005以下では、表3に示す6つの諸元のボールねじ装置の全てが乗り上げることなく(乗り上げ発生率=0%)、δ/DWが0.005を超えると乗り上げる諸元のボールねじ装置があり、0.0065以上になると全ての諸元のボールねじ装置において乗り上げが発生した(乗り上げ発生率=100%)。特に、δ/DWが約0.0055であるときは、表3に示す6つの諸元のうち、1つのボールねじ装置の乗り上げが発生(乗り上げ発生率=16.6%)し、δ/DWが約0.006であるときは、表3に示す6つの諸元のうち、2つのボールねじ装置の乗り上げが発生した(乗り上げ発生率=33.33%)。
以上の結果より、δ/DWは以下の範囲とすることが望ましい。
δ/DW≦0.005
以上の結果を軸方向すきまについてまとめると、軸方向すきまを下記式(1)の範囲として設計すれば、ナットが冷却されても内部荷重による冷却能力低下が発生しにくいボールねじを提供することができる。
0.05×10−3L≦δ≦0.005DW・・・・・・・・・式(1)
δ/DW≦0.005
以上の結果を軸方向すきまについてまとめると、軸方向すきまを下記式(1)の範囲として設計すれば、ナットが冷却されても内部荷重による冷却能力低下が発生しにくいボールねじを提供することができる。
0.05×10−3L≦δ≦0.005DW・・・・・・・・・式(1)
以上、本発明の実施の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。特に、本発明のボールねじ装置は、射出成形機に用いられることで上述したような顕著な効果を奏する。射出成形機に本発明のボールねじ装置が用いられる場合、ねじ軸は、工作機械などに用いられるボールねじ装置のねじ軸よりも太く、かつ短く構成される。その結果、本発明のボールねじ装置は、高サイクル、高速、高荷重を実現するボールねじ装置として機能する。
1 ボールねじ装置
10 ねじ軸
20 ナット
30 転動体
40 転動体転動路
50 冷却手段
10 ねじ軸
20 ナット
30 転動体
40 転動体転動路
50 冷却手段
上記目的を達成するために、本発明のある実施形態のボールねじ装置は、外周面に転動溝が形成されたねじ軸と、
上記転動溝に対応する転動溝が内周面に形成され、該転動溝と上記ねじ軸の転動溝とによって形成される転動体転動路に配設された複数の転動体を介して上記ねじ軸に螺合するナットと、
上記ナットの内部に設置された冷却手段とを有し、
前記転動体の径をDW (mm)、前記ナットの全長をL(200mm以上、260mm以下)、軸方向すきまをδ(mm)、としたとき、下記式(1)を満たすことを特徴とするボールねじ装置。
0.05×10-3L≦δ≦0.005DW・・・・・・・・・式(1)
上記転動溝に対応する転動溝が内周面に形成され、該転動溝と上記ねじ軸の転動溝とによって形成される転動体転動路に配設された複数の転動体を介して上記ねじ軸に螺合するナットと、
上記ナットの内部に設置された冷却手段とを有し、
前記転動体の径をDW (mm)、前記ナットの全長をL(200mm以上、260mm以下)、軸方向すきまをδ(mm)、としたとき、下記式(1)を満たすことを特徴とするボールねじ装置。
0.05×10-3L≦δ≦0.005DW・・・・・・・・・式(1)
Claims (4)
- 外周面に転動溝が形成されたねじ軸と、
前記転動溝に対応する転動溝が内周面に形成され、該転動溝と前記ねじ軸の転動溝とによって形成される転動体転動路に配設された複数の転動体を介して前記ねじ軸に螺合するナットと、
前記ナットの内部に設置された冷却手段とを有し、
前記転動体の径をDW、前記ナットの全長をL、軸方向すきまをδ、としたとき、下記式(1)を満たすことを特徴とするボールねじ装置。
0.05×10−3L≦δ≦0.005DW・・・・・・・式(1) - 前記ねじ軸と前記ナットとの温度差が30℃以下であることを特徴とする請求項1に記載のボールねじ装置。
- 前記ねじ軸の一方の端部のみが固定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のボールねじ装置。
- 射出成形機に用いられることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のボールねじ装置。
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