TWI816029B - 中空軸構件及滾動裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之課題在於，提供一種可實現輕量化之滾動裝置用之中空軸構件。

本發明之解決手段為，該中空軸構件10具備：一對縮徑部11，其藉由對形成為中空軸狀之管狀材料之兩軸端部施以型鍛加工而分別形成於該兩軸端部；及中間部12，其配置於一對縮徑部11之間，並且具有較該一對縮徑部11之外徑大的外徑。並且，中間部12與縮徑部11之連接邊界之形狀係形成為相對於軸向大致呈直角降階之直角降階形狀部13，該直角降階形狀部13係藉由型鍛加工而形成。

Description

中空軸構件及滾動裝置
本發明係關於一種中空軸構件、及具備該中空軸構件之滾動裝置。
作為滾珠螺桿裝置及滾珠花鍵裝置而周知之滾動裝置，其具備：內側構件，其於外表面具備軌道面；及外側構件，其具有與內側構件之軌道面對向之負載軌道面，且配置於內側構件之外側。於內側構件與外側構件之間介存有複數個滾動體，從而可使外側構件相對於內側構件自由地相對移動。如此，於此種之滾動裝置中，藉由在內側構件與外側構件之間介存複數個滾動體，可獲得輕快之移動，因此，該滾動裝置可於機器人、工具機、醫療設備、航空器材等各式各樣之領域中利用。
然而，為了於各式各樣之領域中利用滾動裝置，謀求滾動裝置之輕量化。例如，作為滾動裝置之輕量化對策，習知使用之方法採用藉由對滾動裝置實施切削加工而進行滾動裝置之削減體積‧薄化或開孔等。然而，即使對滾動裝置實施切削加工，仍難以大幅度地減輕滾動裝置之重量。尤其是，作為內側構件而使用之螺桿軸及花鍵軸等之軸狀構件，由於必須確保既定之強度，因此難以實現輕量化。
在此，作為用以謀求軸狀構件之輕量化之習知技術，已經進行了藉由對形成為中空軸狀之管狀材料施以塑性加工，以形成期望之外廓形狀並且達成輕量化之嘗試。例如，下述專利文獻1揭示一種方法，其藉由具有縮口步驟及定徑步驟之行程而製造中空軸，該縮口步驟係將管狀材料之兩端部縮徑，該定尺寸步驟係將顎部成形為正規之形狀尺寸。此外，下述專利文獻2揭示一種技術，其為了提供一種可輕量化、減少加工負載、降低成本等之中空軸，藉由型鍛加工及鍛粗加工而製造中空軸。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2001-121241號公報 專利文獻2：日本專利特開2007-75824號公報
(發明所欲解決之問題)
作為用以實現滾動裝置之內側構件即螺桿軸或花鍵軸之輕量化之方法，本發明者等設想出一種藉由對形成為中空軸狀之管狀材料之兩軸端部實施型鍛加工而製造螺桿軸或花鍵軸等之中空軸構件之方法。但是，為了將中空軸構件利用於滾動裝置用之螺桿軸或花鍵軸等，需要於中空軸構件之兩軸端部形成直角降階形狀部，該直角降階形狀部係相對於軸向大致呈直角降階。這是因為為了利用於滾動裝置用之螺桿軸或花鍵軸等，需要於兩軸端部設置用以支承軸之軸承，因此必須形成大致呈直角降階之直角降階形狀部。
然而，如上揭專利文獻2所示，於藉由型鍛加工形成中空軸之外廓形狀之情況下，其加工形狀只能形成朝傾斜方向相對於軸向傾斜之斜面，而形成大致呈直角降階之直角降階形狀部非常困難。這點藉由在專利文獻2之圖式顯示之中空軸之外廓形狀上僅存在斜面形狀但不存在直角降階形狀部，而可一目瞭然。
並且，於上揭專利文獻1之「先前技術」之欄中，記載有下述內容：「雖然可考慮使用管狀材料且藉由旋轉型鍛加工而成形中空軸之方式，但該方式並不適合於以具有急陡之階部的零件作為對象者」，於根據以專利文獻1為代表之習知技術之技術常識中，眾所周知地，藉由對形成為中空軸狀之管狀材料之兩軸端部施以型鍛加工而製造螺桿軸或花鍵軸等之中空軸構件、尤其是藉由型鍛加工來製造具有直角降階形狀部之中空軸構件係非常困難。
本發明係藉由創造一旨在於打破上述習知技術之技術常識之新發明，而提出一種藉由型鍛加工製造具有直角降階形狀部之中空軸構件之技術方法。並且，本發明之目的在於提供一種滾動裝置用之中空軸構件，其藉由提出上述全新之技術方法，以實現在習知技術中為困難之輕量化。 (解決問題之技術手段)
本發明之中空軸構件係具備：一對縮徑部，其藉由對形成為中空軸狀之管狀材料之兩軸端部施以型鍛加工而分別形成於該兩軸端部；及中間部，其配置於上述一對縮徑部之間，並且具有較該一對縮徑部之外徑大的外徑；上述中空軸構件之特徵在於，上述中間部與上述縮徑部之連接邊界之形狀係形成為相對於軸向大致呈直角降階之直角降階形狀部，該直角降階形狀部係藉由上述型鍛加工而形成。 (對照先前技術之功效)
根據本發明，可提供一種滾動裝置用之中空軸構件，其實現在習知技術中為困難之輕量化。
以下，使用圖式對用以實施本發明之較佳實施形態進行說明。再者，以下之實施形態並非限制各請求項所請之發明者，此外，實施形態中說明之所有特徵組合，不一定是本發明之解決手段所必須者。
首先，使用圖1，對藉由本發明製造之中空軸構件之一形態例進行說明。其中，圖1為顯示本實施形態之中空軸構件之形狀的圖，圖中之分圖(a)為顯示外觀，分圖(b)為顯示剖面。
本實施形態之中空軸構件10係藉由對形成為中空軸狀之管狀材料之兩軸端部施以型鍛加工而形成之構件。亦即，於中空軸構件10之兩軸端部分別形成有縮徑部11。此外，於形成於兩軸端部之一對縮徑部11之間形成有中間部12。中間部12具有較一對縮徑部11之外徑大的外徑，例如為可作為螺桿軸或花鍵軸等之滾動裝置之內側構件發揮作用的部位。
此外，於中間部12與一對縮徑部11之連接邊界形成有相對於軸向大致呈直角降階之直角降階形狀部13。該直角降階形狀部13係為了設置用以支承軸體即中空軸構件10之軸承而形成之形狀，且藉由在直角降階形狀部13之形成部位配置軸承，而可例如將用作為螺桿軸或花鍵軸等之滾動裝置之內側構件之中空軸構件10確實地安裝於設置部位。再者，形成於本實施形態之中空軸構件10之一對縮徑部11及直角降階形狀部13係藉由本發明者等創造之使用型鍛加工之製造步驟而形成。因此，接著於參照圖式中再添加圖2及圖3，對本實施形態之中空軸構件10之製造步驟進行說明。
圖2為用以說明本實施形態之中空軸構件之製造步驟之流程圖。此外，圖3為顯示圖2中所示之型鍛加工之具體處理步驟之一例的圖。
如圖2所示，於本實施形態之中空軸構件10之製造步驟中，首先，準備形成為中空軸狀之管狀材料(步驟S10)。該材料之材質係可用作為滾動裝置之內側構件之金屬強度及硬度高者，例如，可使用SUJ2等之軸承鋼或高碳鋼等。並且，藉由對準備之管狀材料實施退火處理，執行降低其後實施型鍛加工之管狀材料之硬度的處理(步驟S11)。
接著，對實施退火處理之管狀材料之兩軸端部實施型鍛加工，形成縮徑部11及直角降階形狀部13(步驟S12)。再者，型鍛加工亦被稱為旋轉冷鍛造加工之加工方法，且指使被稱為模具31之被分割之工具旋轉而一面敲擊母材一面延伸之加工。於形成本實施形態之一對縮徑部11及直角降階形狀部13時，例如，如圖3所示，也可採用將型鍛加工劃分成「(a)材料準備→(b)粗加工→(c)中間加工→(d)精加工」等之複數段之加工步驟而逐漸形成最終形狀之方法，也可採用以一次之加工步驟一舉形成最終形狀之方法。
再者，能無問題地執行上述本實施形態之型鍛加工，係因為藉由在步驟S12所示之型鍛加工之前對管狀材料之兩軸端部執行步驟S11所示之退火處理，而可有效地發揮降低材料之硬度之處理之效果，根據發明者等之試驗，確認於不進行步驟S11所示之退火處理而實施型鍛加工之情況下會產生產品碎裂等之不良情況。
當圖2之步驟S12所示之型鍛加工結束後，則完成本實施形態之中空軸構件10之基本外廓形狀之形成，然後，作為最終產品而執行用以完成中空軸構件10之軸終端加工(步驟S13)及精加工(步驟S14)，完成本實施形態之中空軸構件10。
再者，於將本實施形態之中空軸構件10作為滾動裝置之內側構件使用之情況下，需要進行對中間部12形成軌道面、或者進行焠火處理以提高表面硬度之處理。於該情況下，例如，也可於圖2之步驟S10所示之材料準備步驟中，進行於作為中間部12之部位預先形成軌道面之加工處理、或者於步驟S14所示之精加工步驟中執行焠火處理。此外，關於因進行步驟S11所示之退火處理而造成硬度降低之一對縮徑部11，雖然藉由實施步驟S12所示之型鍛加工會引起加工硬化，進而可以預期硬度稍微增加，但為了確保作為滾動裝置之內側構件之功能，亦可於步驟S14所示之精加工步驟中對一對縮徑部11執行焠火處理。
如以上說明，形成本實施形態之中空軸構件10之一對縮徑部11及直角降階形狀部13，可藉由退火處理(步驟S11)與型鍛加工(步驟S12)之組合而適宜形成。因此，當以顯微鏡觀察一對縮徑部11及直角降階形狀部13之截面之金屬組織時，可確認藉由型鍛加工而形成有鍛流線。亦即，只要微觀觀察最終產品之中空軸構件10，即可驗證是否有利用圖2及圖3所示之本實施形態之製造方法。
其次，參照圖4及表1，對利用本實施形態之製造方法製造之中空軸構件10(發明產品)與習知技術之中空軸構件(習知產品)之性能比較之結果進行說明。其中，圖4為顯示習知產品與發明產品之形狀之剖視圖，圖中之分圖(a)顯示實心狀態之習知產品，分圖(b)顯示藉由鑽孔加工以謀求輕量化之習知產品，分圖(c)顯示發明產品。此外，表1係顯示圖4(b)所示之習知產品與圖4(c)所示之發明產品之性能比較結果之圖表，且顯示比對質量與危險速度之結果。
[表1]
如圖4所示，進行了性能比較之習知產品與發明產品，可採用具有相同長度之同一鋼種之中空軸構件。順便一提，於習知產品中，為了達成輕量化，藉由鑽孔加工而形成開設於軸向之孔。另一方面，發明產品係藉由對形成為中空軸狀之管狀材料實施型鍛加工而形成外廓形狀，因此內部之空洞也成為沿外廓形狀之空洞形狀。
並且，如上揭之表1所示，關於「質量」，習知產品為1.2kg，與此相對，發明產品為0.6kg，係習知技術之50%之重量，其係同一鋼種且相同長度之中空軸構件，而且發明產品實際上相較於習知技術而實現了50%之輕量化。另一方面，為了評價作為滾動裝置之內側構件之功能性，經比較「危險速度(允許旋轉數)」，習知產品約為3400min-1 ，與此相對，發明產品顯示約為5000min-1 之值。亦即，發明產品相較於習知產品具有約1.5倍之允許旋轉數，而確認發明產品於「危險速度(允許旋轉數)」等安全面‧強度面之性能指標上亦較習知產品更優異。由如此之驗證結果顯然可知，利用本實施形態之製造方法製造之中空軸構件10(發明產品)，可實現習知技術中為困難之輕量化。
此外，本發明產品可較習知產品更輕量化，而可獲得此種之效果係因為習知產品僅於位於兩軸端部之一對縮徑部之內徑的範圍內於軸上開設貫通孔，與此相對，於本發明產品中可形成沿位於軸中央部之中間部12之內徑之空間。亦即，於本實施形態之中空軸構件10中，可將中間部12之內徑設為大於一對縮徑部11之內徑，藉由上述形態之實現，可獲得較習知技術大之輕量化功效。
其次，使用圖5及圖6，顯示利用以上說明之本實施形態之製造方法來製造之中空軸構件10之具體例。其中，圖5為顯示本實施形態之中空軸構件之具體例之圖， 圖6為顯示本實施形態之中空軸構件之另一具體例之圖。
於圖5中，顯示了以下之具體例：例如，對於外徑約為5mm、板厚約0.8mm之材料執行包含退火處理(步驟S11)與型鍛加工(步驟S12)之處理，以形成一對縮徑部11、及以符號A、B、C所示之3個直角降階形狀部13。圖5所示之中空軸構件10係由QPD5(相當於SUS440C)形成，例如，藉由於中間部12形成花鍵槽，而可用作為花鍵軸。
此外，於圖6中，顯示了以下之具體例：例如，對於外徑約為15mm、板厚約2.15mm之材料執行包含退火處理(步驟S11)與型鍛加工(步驟S12)之處理，以形成一對縮徑部11、及以符號D、E所示之2個直角降階形狀部13。圖6所示之中空軸構件10係由高碳鋼形成，例如，藉由於中間部12形成螺紋槽，而可用作為螺桿軸。
並且，於圖6之具體例之情況下，可知中間部12之內周面與縮徑部11之外周面係以直角降階形狀部13之形成位置作為邊界，在軸向上成為大致相同之位置。因此，當將材料之板厚設為t，且將型鍛加工之降階之加工變形尺寸設為L時，顯示可直到滿足以下之不等式之條件為止，進行直角降階形狀部13之形成： 板厚t≦加工變形尺寸L。 再者，作為確認滿足上述不等式之具體加工實際處理結果，經由本發明者等確認到，滾珠花鍵之情況下為板厚t=0.5mm＜加工變形尺寸L=0.525mm(將外徑4.2mm加工為外徑3.15mm)之實際處理值，及於精密滾珠螺桿之情況下為板厚t=2.15mm＜加工變形尺寸L=2.5mm(將外徑15.3mm加工為外徑10.3mm)之實際處理值。
以上，對本實施形態之中空軸構件10之具體構成及其製造步驟進行了說明。本實施形態之中空軸構件10，尤其適合作為構成滾動裝置之內側構件來使用。因此，使用圖7及圖8，對將本實施形態之中空軸構件10應用於滾動體螺桿裝置及花鍵裝置之情況的例子進行說明。
(應用於滾動體螺桿裝置之應用例) 本實施形態之中空軸構件10，例如可作為如圖7中所示之滾珠螺桿裝置70之螺桿軸71而構成。圖7為例示將本實施形態之中空軸構件構成為滾珠螺桿裝置之螺桿軸之情況之圖。上述滾珠螺桿裝置70係具備作為內側構件之螺桿軸71、及隔著複數個滾珠73而可相對旋轉地安裝於該螺桿軸71上之作為外側構件之螺帽構件72之裝置。
螺桿軸71係於外周面形成有螺旋狀之作為軌道面之滾動體滾動槽71a之內側構件，另一方面，螺帽構件72係於內周面形成有與滾動體滾動槽71a對應之螺旋狀之作為軌道面之負載滾動槽之外側構件。伴隨螺桿軸71之相對於螺帽構件72之相對旋轉運動，螺帽構件72可相對於螺桿軸71而相對地往返運動。
並且，可藉由本實施形態之中空軸構件10形成構成滾珠螺桿裝置70之螺桿軸71，其中，本實施形態之中空軸構件10，具有一對縮徑部11及直角降階形狀部13，該一對縮徑部11及直角降階形狀部13係藉由上述退火處理(步驟S11)與型鍛加工(步驟S12)之組合而形成。此時，藉由於本實施形態之中空軸構件10之中間部12之外周面形成螺旋狀之作為軌道面之滾動體滾動槽71a，而可將本實施形態之中空軸構件10作為螺桿軸71而發揮功能。藉由採用上述之構成，可提供一種滾珠螺桿裝置70用之中空軸構件10，其可實現在習知技術中為困難之輕量化。
(應用於花鍵裝置之應用例) 此外，本實施形態之中空軸構件10，例如可作為如圖8中所示之花鍵裝置80之花鍵軸81而構成。圖8為例示將本實施形態之中空軸構件構成為花鍵裝置之花鍵軸之情況之圖。
在此，對圖8所示之花鍵裝置80之構成簡單地進行說明，花鍵裝置80具有作為內側構件之花鍵軸81、及隔著複數個作為滾動體之滾珠83而可移動自如地安裝於該花鍵軸81上之作為外側構件之圓筒狀之外筒82。於花鍵軸81之表面形成有作為滾珠83之軌道且沿花鍵軸81之軸線方向延伸之作為軌道面之滾動體滾動面81a。於安裝於花鍵軸81上之外筒82形成有與滾動體滾動面81a對應之作為軌道面之負載滾動體滾動面。於形成於外筒82之負載滾動體滾動面與形成於花鍵軸81之滾動體滾動面81a之間形成有負載滾道。鄰接於負載滾道處，形成有供自負重釋放之滾珠83移動之無負載返回通路。於外筒82內組入有呈迴路狀排列及保持複數個滾珠83之保持器84。並且，複數個滾珠83係滾動自如地設置於外筒82之負載滾動體滾動面與花鍵軸81之滾動體滾動面81a之間，且以通過無負載返回通路而無限循環之方式設置，從而可使外筒82相對於花鍵軸81相對地往返運動。
並且，於圖8所示之花鍵裝置80之情況中，也可藉由本實施形態之中空軸構件10形成構成花鍵裝置80之花鍵軸81，其中，本實施形態之中空軸構件10，具有一對縮徑部11及直角降階形狀部13，該一對縮徑部11及直角降階形狀部13係藉由上述退火處理(步驟S11)與型鍛加工(步驟S12)之組合而形成。此時，藉由於本實施形態之中空軸構件10之中間部12之外周面形成作為軌道面之滾動體滾動面81a，而可將本實施形態之中空軸構件10作為花鍵軸81而發揮功能。藉由採用上述之構成，可提供一種花鍵裝置80用之中空軸構件10，其可實現在習知技術中為困難之輕量化。
以上，對本發明之較佳實施形態進行了說明，但本發明之技術範疇不限於上述實施形態之範圍。可於上述實施形態中添加各式各樣之變更或改良。根據申請專利範圍之記載，可明確得知添加了各式各樣之變更或改良之形態，也可包含於本發明之技術範疇內。
10:中空軸構件(發明產品、內側構件) 11:縮徑部 12:中間部 13:直角降階形狀部 31:模具 70:滾珠螺桿裝置(滾動裝置) 71:螺桿軸(內側構件) 71a:滾動體滾動槽(軌道面) 72:螺帽構件(外側構件) 73:滾珠(滾動體) 80:花鍵裝置(滾動裝置) 81:花鍵軸(內側構件) 81a:滾動體滾動面(軌道面) 82:外筒(外側構件) 83:滾珠(滾動體) 84:保持器
圖1為顯示本實施形態之中空軸構件之形狀的圖，圖中之分圖(a)為顯示外觀，分圖(b)為顯示剖面。 圖2為用以說明本實施形態之中空軸構件之製造步驟之流程圖。 圖3為顯示圖2中所示之型鍛加工之具體處理步驟之一例的圖，尤其圖中之分圖(a)顯示材料準備(退火處理完畢)步驟，分圖(b)顯示粗加工步驟，分圖(c)顯示中間加工步驟，分圖(d)顯示精加工步驟。 圖4為顯示習知產品與發明產品之形狀之剖視圖，圖中之分圖(a)顯示實心狀態之習知產品，分圖(b)顯示藉由鑽孔加工以謀求輕量化之習知產品，分圖(c)顯示進行了型鍛加工之發明產品。 圖5為顯示本實施形態之中空軸構件之具體例之圖。 圖6為顯示本實施形態之中空軸構件之另一具體例之圖。 圖7為例示將本實施形態之中空軸構件作為滾珠螺桿裝置之螺桿軸而構成之情況之圖。 圖8為例示將本實施形態之中空軸構件作為花鍵裝置之花鍵軸而構成之情況之圖。
10:中空軸構件(發明產品、內側構件)
11:縮徑部
12:中間部
13:直角降階形狀部

Claims (5)

  1. 一種中空軸構件，其係具備：一對縮徑部，其藉由對形成為中空軸狀之管狀材料之兩軸端部施以型鍛加工而分別形成於該兩軸端部；及中間部，其配置於上述一對縮徑部之間，並且具有較該一對縮徑部之外徑大的外徑；上述中空軸構件之特徵在於，上述中間部與上述縮徑部之連接邊界之形狀係形成為相對於軸向大致呈直角降階並且包含外形尺寸小於上述一對縮徑部之外形尺寸的溝狀凹部之直角降階形狀部，該直角降階形狀部係可設置用以支承中空軸構件之軸承，此外，該直角降階形狀部係藉由上述型鍛加工而形成。
  2. 如請求項1之中空軸構件，其中，上述一對縮徑部與上述直角降階形狀部係藉由在對形成為中空軸狀之管狀材料之兩軸端部進行退火處理之後執行之上述型鍛加工而形成。
  3. 如請求項1或2之中空軸構件，其中，當以顯微鏡觀察上述一對縮徑部與上述直角降階形狀部之剖面之金屬組織時，形成有上述型鍛加工之鍛流線。
  4. 如請求項1或2之中空軸構件，其中，上述中間部之內徑係較上述一對縮徑部之內徑大。
  5. 一種滾動裝置，其特徵在於，於請求項1或2之中空軸構件具備之上述中間部之外表面形成軌道面而作為內側構件，且具備：外側構件，其具有與上述內側構件之軌道面對向之軌道面；及 複數個滾動體，其滾動自如地配置於上述兩軌道面之間；藉由隔著上述複數個滾動體將上述外側構件安裝於上述內側構件之外側而形成。
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