TWI575171B - Ball screw device - Google Patents

Description

滾珠螺桿裝置

本發明係關於滾珠螺桿裝置，尤其是關於適於搬送/定位用之滾珠螺桿裝置。

滾珠螺桿裝置係將旋轉運動轉換為直線運動之裝置，由於藉由滾動進行運動，故作為對滾珠螺桿裝置要求之功能有直線運動之定位精度、與相對於旋轉運動之滾動壽命。滾珠螺桿裝置大致分為射出成形機用途、與搬送/定位用途，但由於使用環境差異較大，故必須製作對應於各種用途之品質。一般，於射出成形機用之滾珠螺桿裝置中，由於反復施加較高之載荷，故以壽命為優先；相對於此，於搬送/定位用之滾珠螺桿裝置中，以位置精度為優先。

然而，於搬送/定位用之滾珠螺桿裝置中，於使用於試驗機等之驅動等之情形、或使用於搬送重量物之粗徑長形滾珠螺桿裝置中，雖然反復次數較少，但由於被賦予較高之載荷，故亦無法忽視滾動壽命。作為該情形之滾動壽命，與剝離之壽命相比，磨耗之壽命舉足輕重。若滾動耐久性提升，則可將滾珠螺桿裝置小型化，而組入其之裝置亦必然地小型化。自近年來省資源化之觀點而言，同時提高定位精度與滾動耐久性之要求亦高漲，但要以高水準兼顧兩者並非易事。

螺桿軸之材料與熱處理之組合於現狀中，為對低碳鋼之滲碳處理、對中碳鋼之高頻熱處理。前者常用於要求滾動壽命之情形。此乃由於藉由滲碳氮化容易提高表面碳量之故。然而，由於會有熱處理變 形，故實際上碳量以0.7%左右為極限。於滲碳處理之情形時，由於表面之碳濃度提高，故會部分地產生殘留沃斯田鐵，其於使用中轉變為麻田散鐵而導致尺寸產生變化。藉由低溫處理等雖可於使用前將殘留沃斯田鐵量設為零，但如此一來會因麻田散鐵之收縮而引起尺寸變化。因此，只要進行滲碳處理，便無法避免尺寸變化，難以進一步提高尺寸穩定性。

相對於此，由於高頻熱處理僅使表面轉變為麻田散鐵，故對尺寸穩定性有利。然而，成為處理對象之鋼材為以SAE4150所代表之0.5%碳鋼，此乃由於在高頻熱處理中若提高0.5%以上碳量，會有在熱處理後之變形矯正時產生破裂之情形之故。實際上，不僅是滾珠螺桿裝置之螺桿軸，應用高頻熱處理之機器零件之碳量為0.5質量%左右者極多。由於滾動面之特性依存於碳量，故越是滲碳品越無法獲得滾動耐久性，必然使用於負載載荷較小、要求定位精度之用途。又，關於高頻熱處理可參照專利文獻1、2等。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開2010-90924號公報

專利文獻2：日本特開2005-299720號公報

然而，於搬送/定位用之滾珠螺桿裝置中，與定位精度相同，亦強烈要求進一步提高滾動耐久性。因此，本發明之目的在於提供一種兼顧更優異之尺寸穩定性與耐久性之螺桿軸。

為了解決上述問題，本發明提供下述之滾珠螺桿裝置。

(1)一種滾珠螺桿裝置，其包含：螺桿軸，其係於外周面具有螺 旋槽；滾珠螺帽，其係於內周面具有與上述螺桿軸之螺旋槽對向之螺旋槽；及複數個滾珠，其等介插於上述兩螺旋槽之間，且可藉由設置於滾珠螺桿之滾珠循環路徑而循環；且滾珠螺桿裝置之特徵在於：上述螺桿軸由高頻熱處理高碳軸承鋼而成，且自硬度為HV500以上之有效硬化層之表面起之深度為該螺桿軸之外徑至軸線之距離之60%以下，且硬度不滿HV500之非硬化層為包含肥粒鐵相或碳化物相之組織，槽底之碳化物面積率為1.5%以上，軌道面之自表面起至50μm之區域之表面碳化物面積率為1.5%以上。

(2)如上述技術方案(1)之滾珠螺桿裝置，其中上述高碳軸承鋼含有錳、鉻及鉬，且以各者之含量[Mn]、[Cr]及[Mo](任一者均為質量%)、與上述表面碳化物面積率表示之下述式1之值為19~245：式1=([Mn]+10[Cr]+20[Mo])×表面碳化物面積率。

(3)如上述技術方案(1)或(2)之滾珠螺桿裝置，其中上述螺桿軸之徑方向剖面之平均殘留沃斯田鐵量為4.5質量%以下，且槽底之舊沃斯田鐵粒徑為30μm以下。

於本發明之滾珠螺桿裝置中，將螺桿軸設為高碳軸承鋼製，將其進行高頻熱處理而特定有效硬化層之形成區域，將非硬化層設為含有肥粒鐵相及碳化物相之組織，並將槽底及表層部之各碳化物面積率設為特定範圍，藉此具有比至今更優異之尺寸穩定性及耐久性。因此，作為搬送/定位用之滾珠螺桿裝置，可長期間維持高定位精度。

1‧‧‧螺桿軸

10‧‧‧螺旋槽

10b‧‧‧平面部

D‧‧‧長度

H‧‧‧距離

K‧‧‧曲線

L‧‧‧長度

圖1係沿著螺桿軸軸線方向之剖視圖，係顯示有效硬化層及非硬化層之形成狀態之模式圖。

圖2係沿著螺桿軸軸線方向之剖視圖，係顯示有效硬化層及非硬化層之形成狀態之另一例之模式圖。

圖3係顯示有效硬化層比例、與尺寸變化率之關係之圖表。

圖4顯示式2之值、與抗折強度比之關係之圖表。

圖5係顯示表面碳化物面積率、於損傷比之關係之圖表。

圖6係顯示式1之值、與損傷比之關係之圖表。

以下，關於本發明參照圖式詳細地進行說明。

本發明之滾珠螺桿裝置包含：螺桿軸，其係於外周面具有螺旋槽；滾珠螺帽，其係於內周面具有與上述螺桿軸之螺旋槽對向之螺旋槽；及複數個滾珠，其等介插於上述兩螺旋槽之間，且可藉由設置於滾珠螺桿之滾珠循環路徑而循環。且，將螺桿軸設為高碳軸承鋼製，並將其高頻熱處理而於表面形成有效硬化層者。又，除了螺桿軸以外，滾珠或滾珠螺帽等無限制。

高碳軸承鋼係為了提高滾動耐久性而使用，較好為碳含量包含0.9~1.2質量%。藉由增多碳含量，使與滲碳處理相同之碳量溶入於基底後，可使對磨耗特性有效之碳化物殘存於槽底或軌道面。較好為將碳含量設為0.95質量%以上。又，由於碳含量若過多會導致粗大之碳化物殘留，影響耐久性等，故較好為設為1.2質量%以下。

又，鋼材較好為除了鋼以外，並含有錳、鉻及鉬。其等元素皆為使淬火性提高之元素，較好為以下述式1之值成為19~245之方式，調整各者之含量[Mn]、[Cr]及[Mo](任一者均為質量%)。式1之值更佳為53~189。又，關於表面碳化物面積率於後述。

式1=([Mn]+10[Cr]+20[Mo])×表面碳化物面積率

作為此種高碳軸承鋼，例舉JSI G 4805之高碳鉻軸承鋼、ISO 683-17之軸承鋼、SUJ2~5鋼、100CrMnSi6-4鋼等，但較好為SUJ2~5鋼及100CrMnSi6-4鋼。

關於尺寸穩定性，可藉由特定硬度HV500以上之有效硬化層之形 成狀態、與不滿HV500之非硬化層組織而提高。探究滲碳品與高頻熱處理品之尺寸變化行為，結果發現滲碳品係於軸方向與徑方向等向性尺寸變化，但高頻熱處理品主要於徑方向尺寸變化。且亦發現該高頻熱處理品之尺寸變化，係構成芯部之非硬化層組織為含有波來鐵或球狀化組織等穩定之肥粒鐵相或碳化物相之組織，且於以一定體積比例形成該組織時產生。認為此乃芯部為熱性穩定之組織，不會產生尺寸變化，而由於芯部與表面相連，表面於軸方向受限，故結果僅於徑方向產生膨脹。即，藉由控制非硬化層組織、與其體積率，可不論表面之殘留沃斯田鐵量如何而確保尺寸穩定性。

基於此種見解，於本發明中，將高頻熱處理而得之有效硬化層之、螺桿軸剖面之比例設為60%以下。具體而言，如圖1所示，將連起形成有效硬化層之區域之曲線K之自平面部10b的中央起之距離H，設為螺桿軸1之外徑至軸線C之長度D之60%以下，較好為40%以下。換言之，於形成非硬化層之區域中，將軸線C至平面部10b的中央之長度L設為40%以上，較好為60%以上。將長度D或L設為該範圍以外，則無法獲得作為目的之尺寸穩定性。

關於變形矯正時之破裂，可藉由控制槽底之組織而消除。變形矯正係於淬火後進行，但由於槽已於淬火前形成(圖1之符號10)，故變形主要集中於槽底。因此，提高槽底之耐破裂特性較為有效。又，為了提高耐破裂特性，儘可能抑制碳之溶入量，且將結晶粒細微化亦有效。關於前者，由於所使用之鋼材之碳量大致已定，故使碳化物殘存較為有效。關於後者，抑制加熱中結晶粒成長較為重要，故利用碳化物之釘紮效應係較有效。即，為了提高耐破裂性，於槽底之組織中，碳化物殘存係具有效果，於本發明中將槽底之碳化物面積率設為1.5%以上，於25%以上時，於後述之實施例之抗折試驗中可獲得特別優異之抗折強度。

再者，較好為槽底之舊沃斯田鐵粒徑細微，具體而言較好為30μm以下，更佳為24μm以下。

又，為了提高耐破裂性，將軌道面之自表面起至50μm之區域之碳化物面積率(為了與槽底碳化物面積率區別，稱為「表面碳化物面積率」)設為1.5%以上，較好為5%以上。

又，螺桿軸係較好為於徑方向剖面中，平均殘留沃斯田鐵量為4.5體積%。若該平均殘留沃斯田鐵量超過4.5體積%時，尺寸變化率會增大。

除上述之外，於滾珠螺桿裝置中由於螺桿軸1露出，故容易附著異物，容易因異物產生表面起點型之剝離，但藉由提高表面之殘留沃斯田鐵量可抑制剝離之產生。具體而言，為了有效地抑制剝離產生，將殘留沃斯田鐵量設為15體積%以上，較好為20體積%以上。然而，由於若殘留沃斯田鐵量多於45體積%會引起微觀組織之粗大化，故上限較好為45體積%。又，藉由將此種表面殘留沃斯田鐵量設為45體積%以下，軸方向之尺寸穩定性亦變得優異。

於本發明中，於硬化時進行高頻熱處理，但於該高頻熱處理中，將包含高碳軸承鋼之圓桿原材料插通於連接於高頻電源之線圈，使高頻電流於線圈流動。藉此，渦流因高頻電磁場而於圓桿原材料之表面流動，加熱圓桿原材料之表面。此時，藉由加寬線圈寬度而將槽一併加熱，可如圖1所示，將有效硬化層一致地形成至比槽底更深的位置。又，藉由縮小線圈寬度，使線圈於圓桿原材料之軸方向移動而使槽逐行硬化，亦可如圖2所示，於槽之每個螺峰部形成有效硬化層。於本發明中，可採用任意之加熱模式。接著，加熱後，對圓桿原材料噴射溶解有水溶性淬火液之水溶液等進行急冷。

又，高頻頻率或輸出(電壓與電流)、處理時間(線圈之移動速度)等處理條件，能以滿足有效硬化層或非硬化層、槽底之碳化物面積 率、表面碳化物面積率等之方式，根據螺桿軸之尺寸(尤其是直徑)適當設定。

[實施例]

於以下例舉實施例進一步說明本發明，但本發明一概不受其任何限制。

(試驗1)

對包含表1所示之合金組成之高碳軸承鋼之圓桿原材料實施槽加工後，一面改變條件一面實施高頻熱處理而製作成螺桿軸。又，螺桿軸係仿照日本精工股份有限公司製滾珠螺桿裝置「BS6316-10.5(標稱：JIS B1192；63×16×300-Ct7)」者，將規格顯示於以下。

螺桿軸之外徑：63mm

導程：16mm

註)各元素含量之單位係質量%，其餘部分為鐵及不可避免之雜質。

又，高頻熱處理係將螺旋槽一併淬火，或將槽逐行淬火。藉由該熱處理方法之不同，有效硬化層之形成狀態不同，於將螺旋槽一併淬火之情形時形成如圖1所示之有效硬化層，於將槽逐行淬火之情形 時形成如圖2所示之有效硬化層。將有效硬化層之形成狀態作為圖1或圖2顯示於表2。

對製作成之螺桿軸，自有效硬化層之深度，求出有效硬化層之比例。即，若參照圖1說明，則於在平面部10b的中央切斷螺桿軸之剖面中，求出自平面部10b的中央起至以垂直於軸線C之方式向下之線上之、有效硬化層之距離H、與至螺桿軸1之外徑之軸線C之長度D，自H與D之比例算出有效硬化層體積百分率。將結果顯示於表2。

又，對製作成之螺桿軸，測定隨著時效變形之軸方向導程尺寸變化。將結果顯示於表2，但以相對於比較例2之相對值(導程變形率比)顯示。又，於圖3，圖表化顯示有效硬化層比例、與軸方向導程尺寸變化率比之關係。

再者，對製作成之螺桿軸，測定軌道面表面之殘留沃斯田鐵量、剖面之平均殘留沃斯田鐵量，並化學分析非硬化層(芯部)之組織。將結果顯示於表2。

於實施例1~8中，即使有效硬化層比例增加，軸方向之導程尺寸變化率仍大致為固定，相對於此，於比較例1中有效硬化層比例增大，軸方向之導程尺寸變化率亦隨之增大。又，比較例2係仿照使用於現行之搬送/定位用滾珠螺桿裝置之螺桿軸之材料及熱品質。實施例中，有效硬化層比例為60%以下，故可知有效硬化層比例為60%以下能有效地抑制尺寸變化。

又，於實施例中芯部係由肥粒鐵相與雪明碳鐵相形成之波來鐵組織、或球狀化組織。此外，於實施例中，平均殘留沃斯田鐵量為4.5體積%以下，可以說將平均殘留沃斯田鐵量設為4.5質量%以下亦有效。

(試驗2)

如圖3所示使用包含表1所示之鋼材之棒狀原材料(直徑12.8mm)，於長邊方向中央部之圓周上形成1.5R之槽。槽深度為1.5mm，槽寬度為3mm。其後，以頻率10~30kHz，一面改變輸出與加熱時間一面進行高頻熱處理而製作成螺桿軸。對製作成之螺桿軸，測定槽底之碳化物面積率及舊沃斯田鐵之結晶粒徑。又，調查高頻熱處理前之組織。將結果顯示於表3。

又，將製作成之螺桿軸供抗折試驗。於抗折試驗中，自對物頭對螺桿軸施加壓入載荷，測定產生皸裂時之最大壓入載荷。將結果顯示於表3，但以相對於模擬現行品之比較例3之相對值(抗折強度比)顯示。

於實施例9~16中，抗折強度比為1.5倍以上，高於比較例3。實施例中任一者之槽底之碳化物面積率均為1.5%以上。又，槽底之碳化物面積率為25%之實施例12及實施例15中，抗折強度比為5.0，於產生皸裂前停止試驗。由此可知藉由將槽底之碳化物面積率設為1.5%以上，可提高對彎曲矯正之容易性。可以說槽底之碳化物面積率越高越好，25%以上更有效。

又，於比較例5中，槽底之舊沃斯田鐵之粒徑粗大化至52μm， 抗折強度亦大幅降低。於實施例9~16中之任一者均為30μm以下，故可以說較好為除了將槽底之碳化物面積率設為1.5%以上，且要將槽底之舊沃斯田鐵之粒徑設為30μm以下。

再者，自該等結果發現，碳、矽及鉬之各含量([C]、[Si]、[Mo])、及與槽底之碳化物面積率及舊沃斯田鐵之粒徑相關之式2之值、和抗折強度比之間存在關聯。將式2之值併記於表3，並於圖4圖表化顯示與抗折強度比之關係，經判明當式2之值為1.72以上時，可增大抗折強度比。

式2=(槽底之碳化物面積率/槽底之舊沃斯田鐵粒徑)+2([C]-0.45)+0.6[Si]+6[Mo]

(試驗3)

於本試驗中，評估耐磨耗性。滾珠螺桿裝置之磨耗係因未形成油膜，而與金屬接觸所引起之黏附磨耗。對此，利用球對盤磨耗試驗評估耐磨耗性。

即，如表4所示，將表1所示之鋼材切削加工並精加工後，以頻率10~30kHz改變輸出與加熱時間，實施高頻熱處理而製作成具有各種微觀組織之試驗片。微觀組織之評估係於滾珠通過之軌道面表面進行。微觀組織之評估係於埋入表面研磨等組織觀察準備後，以苦醇進行腐蝕，以光學顯微鏡或SEM拍攝5張1000~3000倍之照片，於以碳化物與基底將色相2分化後，求出自表面起至50μm之區域之碳化物面積率(表面碳化物面積率)。

另一方面，同樣地製作摩擦盤載滾珠試驗用之試驗片，以下述條件測定磨耗痕跡之深度，自該磨耗深度與磨耗痕跡之形狀算出磨耗體積。將結果顯示於表4，其中顯示將比較例7之磨耗體積設為1時之比率(損傷比)，其值越大表示耐磨耗性越優異。又，於圖5圖表化顯示表面碳化物面積率與損傷比之關係。

<試驗條件>

．試驗片：φ 60mm×厚度6mm之平板狀試驗片

．試驗方式：球對盤磨耗

．鋼球：SUJ2製3/8吋

．潤滑方式：乾燥

．載荷：100g

．旋轉數：100min^-1

．試驗時間：200秒

實施例17~24中損傷比為1.2以上，耐磨耗性雖提高，但任一者之表面碳化物面積率均為1.5%以上。因此，可知藉由將表面碳化物面積率設為1.5%以上，可使耐磨耗性提高，具有提高耐久性之效果。

又，發現錳、鉻、鉬之各含量([Mn]、[Cr]、[Mo])、與表面碳化 物面積率相關之式1、與損傷比之間存在關聯。將式1之值併記於表4，並於圖6圖表化顯示與損傷比之關係，判明於式1之值19~245之範圍，與標準螺桿軸即比較例7相比可充分地提高耐磨耗性，更佳為53~189之範圍。

式1=([Mn]+10[Cr]+20[Mo])×表面碳化物面積率

(試驗4)

基於上述試驗結果，製作滾珠螺桿裝置「BS12025」，並藉由下述條件進行耐久性試驗，與計算壽命進行比較而求出計算壽命比。於製作螺桿軸時，如表5所示將包含表1所示之鋼材之棒狀原材料進行槽加工，藉由高頻熱處理沿著槽之螺峰逐行進行移動淬火。於熱處理後進行研磨加工，獲得切斷等試料調整後，進行品質確認。將結果顯示於表5。

<試驗條件>

．螺桿軸之外徑：120mm

．導程：25mm

．滾珠之直徑：19.05mm

．試驗載荷：300kN

．最高旋轉速度：1500min^-1

．螺桿之原材料：SCM420

．分離膜之材質：66鎳鐵合金

．循環方式：SRC方式

．潤滑劑：LUBE股份有限公司製「YS2潤滑油」

如表5所示，實施例25~28中有效硬化層比例為60%以下，槽底之碳化物面積率為1.5%以上，表面碳化物面積率為1.5%以上，故即使於如上述試驗條件般嚴酷之環境下，仍獲得相對於計算壽命2倍以上之壽命。又，壽命與損傷比一致，各實施形態之損傷比相對於比較例8均為良好。

已參照特定之實施形態詳細地說明本發明，但本領域技術人員當明瞭在未脫離本發明之精神與範圍內可追加各種變更或修正。

本申請案係基於2014年5月30日提出申請之日本專利申請案(特願2014-112386)、2014年6月10日提出申請之日本專利申請案(特願2014-119697)、2014年11月4日提出申請之日本專利申請案(特願2014-224033)、2015年1月26日提出申請之日本專利申請案(特願2015-012610)、2015年1月27日提出申請之日本專利申請案(特願2015-013626)者，該等申請案之全文以引用的方式併入本文中。

[產業上之可利用性]

由於本發明之滾珠螺桿裝置具備兼顧優異之尺寸穩定性與耐磨耗性之螺桿軸，故尤其對適於搬送/定位用之滾珠螺桿裝置有用。

1‧‧‧螺桿軸

10‧‧‧螺旋槽

10b‧‧‧平面部

D‧‧‧長度

H‧‧‧距離

K‧‧‧曲線

L‧‧‧長度

Claims (3)

1. 一種滾珠螺桿裝置，其包含：螺桿軸，其係於外周面具有螺旋槽；滾珠螺帽，其係於內周面具有與上述螺桿軸之螺旋槽對向之螺旋槽；及複數個滾珠，其等介插於上述兩螺旋槽之間，且可藉由設置於滾珠螺桿之滾珠循環路徑而循環；且其特徵在於：上述螺桿軸由高頻熱處理高碳軸承鋼而成；且自硬度為HV500以上之有效硬化層之表面起之深度，為該螺桿軸之外徑至軸線之距離之60%以下，且硬度不滿HV500之非硬化層為包含肥粒鐵相或碳化物相之組織，槽底之碳化物面積率為1.5%以上，軌道面之自表面起至50μm之區域之表面碳化物面積率為1.5%以上。
2. 如請求項1之滾珠螺桿裝置，其中上述高碳軸承鋼含有錳、鉻及鉬，且以各者之含量[Mn]、[Cr]及[Mo](任一者均為質量%)、與上述表面碳化物面積率表示之下述式1之值為19~245：式1=([Mn]+10[Cr]+20[Mo])×表面碳化物面積率。
3. 如請求項1或2之滾珠螺桿裝置，其中上述螺桿軸之徑方向剖面之平均殘留沃斯田鐵量為4.5質量%以下，且槽底之舊沃斯田鐵粒徑為30μm以下。