WO2020203090A1

WO2020203090A1 - 中空軸部材、転動装置

Info

Publication number: WO2020203090A1
Application number: PCT/JP2020/010252
Authority: WO
Inventors: 高橋　徹; 純三新部; 秀忠鈴木
Original assignee: Thk株式会社
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2020-10-08
Also published as: US20220178401A1; CN113646106A; KR20210148150A; DE112020001761T5; JP7227059B2; CN113646106B; JP2020168654A; TWI816029B; TW202045831A; US11959516B2

Abstract

この中空軸部材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当該両軸端部それぞれに形成される一対の縮径部１１と、一対の縮径部１１の間に配置されるとともに当該一対の縮径部１１の外径よりも大きい外径を有する中間部１２と、を備える。そして、中間部１２と縮径部１１との接続境界の形状が、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として形成されており、当該直角段落ち形状部１３がスウェージング加工によって形成される。かかる構成によって、軽量化を実現した転動装置用の中空軸部材を提供することが可能となる。

Description

中空軸部材、転動装置

　本発明は、中空軸部材と、この中空軸部材を備える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軸状部材は、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、軸状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中空軸部材を製造することを着想した。ただし、中空軸部材を転動装置用のねじ軸やスプライン軸等に用いるためには、中空軸部材の両軸端部に対して軸方向に対して略直角に段落ちする直角段落ち形状部を形成する必要があった。なぜなら、転動装置用のねじ軸やスプライン軸等に用いるためには、両軸端部に軸を支承するためのベアリングを設置する必要があるため、略直角に段落ちする直角段落ち形状部の形成は必須だからである。

　しかしながら、上掲した特許文献２に示すように、スウェージング加工によって中空シャフトの外郭形状を形成する場合、その加工形状は軸方向に対して斜め方向に傾いた斜面を形成することしかできず、略直角に段落ちする直角段落ち形状部を形成することは非常に困難であった。このことは、特許文献２の図面に表された中空シャフトの外郭形状に斜面形状だけが存在し、直角段落ち形状部が存在しないことによって示されている。

　さらに、上掲した特許文献１の「従来の技術」の欄には、「中空シャフトを、パイプ状素材を用いてロータリスウェージングにより成形させる方式が考えられるが、この方式は急激な段部を有する部品を対象にするのは不向きである」との趣旨の内容が記載されており、特許文献１に代表される従来技術に基づく技術常識では、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ねじ軸やスプライン軸等の中空軸部材を製造すること、特に、スウェージング加工によって直角段落ち形状部を有する中空軸部材を製造することは非常に困難であることが公知であった。

　本発明は、上述した従来技術の技術常識を打破する新たな発明を創案することで、直角段落ち形状部を有する中空軸部材をスウェージング加工によって製造する技術手法を提案するものである。そして、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を実現した転動装置用の中空軸部材を提供することにある。

　本発明に係る中空軸部材は、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であって、前記中間部と前記縮径部との接続境界の形状が、軸方向に対して略直角に段落ちする直角段落ち形状部として形成されており、当該直角段落ち形状部が前記スウェージング加工によって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、従来技術では困難であった軽量化を実現した転動装置用の中空軸部材を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る中空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２は、本実施形態に係る中空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３は、図２で示すスウェージング加工の具体的な処理工程の一例を示す図であり、特に、図中の分図（ａ）が素材準備（焼鈍処理済み）工程を示しており、分図（ｂ）が荒加工工程を示しており、分図（ｃ）が中間加工工程を示しており、分図（ｄ）が仕上加工工程を示している。図４は、従来品と発明品の形状を示す断面図であり、図中の分図（ａ）が中実状態の従来品を示しており、分図（ｂ）がドリル加工による軽量化を図った従来品を示しており、分図（ｃ）がスウェージング加工が行われた発明品を示している。図５は、本実施形態に係る中空軸部材の具体例を示す図である。図６は、本実施形態に係る中空軸部材の別の具体例を示す図である。図７は、本実施形態に係る中空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。図８は、本実施形態に係る中空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。

　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中空軸部材の一形態例を説明する。ここで、図１は、本実施形態に係る中空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中空軸部材１０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。なお、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については、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、本実施形態に係る中空軸部材１０の製造工程を説明する。

　図２は、本実施形態に係る中空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で示すスウェージング加工の具体的な処理工程の一例を示す図である。

　図２に示すように、本実施形態に係る中空軸部材１０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（ステップＳ１０）。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（ステップＳ１１）。

　続いて、焼鈍処理を実施した管状素材の両軸端部に対してスウェージング加工を実施して、縮径部１１や直角段落ち形状部１３を形成する（ステップＳ１２）。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のことである。本実施形態に係る一対の縮径部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、スウェージング加工を「（ａ）素材準備　→（ｂ）荒加工　→（ｃ）中間加工　→（ｄ）仕上加工」といったように、複数の加工工程に分けて徐々に最終形状を形成していく手法を採用してもよいし、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、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、ステップＳ１２で示すスウェージング加工の前に、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、発明者らの試験によって、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。

　図２のステップＳ１２で示すスウェージング加工が終了すると、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っており、その後、最終製品として中空軸部材１０を完成させるための軸端末加工（ステップＳ１３）や仕上加工（ステップＳ１４）が実行され、本実施形態に係る中空軸部材１０が完成する。

　なお、本実施形態に係る中空軸部材１０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、ステップＳ１４で示す仕上加工の工程で、焼入処理を実行したりすることとしてもよい。また、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、ステップＳ１２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、ステップＳ１４で示す仕上加工の工程において、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、本実施形態に係る中空軸部材１０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（ステップＳ１１）とスウェージング加工（ステップＳ１２）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、最終製品である中空軸部材１０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。

　次に、図４および表１を参照して、本実施形態の製造方法を利用して製造された中空軸部材１０（発明品）と、従来技術の中空軸部材（従来品）との性能比較の結果を説明する。ここで、図４は、従来品と発明品の形状を示す断面図であり、図中の分図（ａ）が中実状態の従来品を示しており、分図（ｂ）がドリル加工による軽量化を図った従来品を示しており、分図（ｃ）が発明品を示している。また、表１は、図４（ｂ）で示した従来品と図４（ｃ）で示した発明品の性能比較結果を示した図表であって、質量と危険速度を対比した結果が示してある。

　図４で示すように、性能比較を行った従来品と発明品は、同一の長さを有する同一鋼種の中空軸部材が採用されている。ちなみに、従来品では、軽量化のためにドリル加工によって軸方向に開けられた孔が形成されている。一方、発明品は、中空軸状をした管状素材にスウェージング加工を施すことで外郭形状が形成されているので、内部の空洞も外郭形状に沿った空洞形状となっている。

　そして、上掲した表１で示すように、「質量」に関しては、従来品が１．２ｋｇであるのに対して、発明品は０．６ｋｇとなっており、従来技術に比べて５０％の重量であり、同一鋼種で同一長さの中空軸部材でありながら、発明品は従来技術と比較して実に５０％もの軽量化が実現されている。一方、転動装置の内方部材としての機能面を評価するために、「危険速度（許容回転数）」を比較したところ、従来品が約３４００ｍｉｎ^－１であるのに対して、発明品は約５０００ｍｉｎ^－１の値を示した。つまり、発明品は、従来品に比べて約１．５倍の許容回転数を有しており、発明品が「危険速度（許容回転数）」という安全面・強度面での性能指標についても従来品より優れていることが確認できた。このような検証結果から、本実施形態の製造方法を利用して製造された中空軸部材１０（発明品）が、従来技術では困難であった軽量化を実現できることが明らかとなった。

　また、本発明品は、従来品に比べてより軽量化することができているが、そのような効果を得ることができたのは、従来品が両軸端部に位置する一対の縮径部の内径の範囲内でしか軸に貫通孔を開けられないのに対して、本発明品では、軸中央部に位置する中間部１２の内径に沿った空間を形成できるからである。つまり、本実施形態に係る中空軸部材１０では、一対の縮径部１１の内径よりも中間部１２の内径を大きくすることが可能となっており、かかる形態の実現によって、従来技術に比べてより大きな軽量化効果を得ることができる。

　次に、以上説明した本実施形態の製造方法を利用して製造された中空軸部材１０の具体例を、図５および図６を用いて示す。ここで、図５は、本実施形態に係る中空軸部材の具体例を示す図であり、図６は、本実施形態に係る中空軸部材の別の具体例を示す図である。

　図５では、例えば、外径がφ約５ｍｍ、板厚が約０．８ｍｍの素材に対して、焼鈍処理（ステップＳ１１）とスウェージング加工（ステップＳ１２）を含む処理が実行されており、一対の縮径部１１と、符号Ａ、Ｂ、Ｃで示す３つの直角段落ち形状部１３が形成された具体例が示されている。図５で示された中空軸部材１０はＱＰＤ５（ＳＵＳ４４０Ｃ相当）で形成されており、例えば、中間部１２にスプライン溝を形成することで、スプライン軸として用いることが可能である。

　また、図６では、例えば、外径がφ約１５ｍｍ、板厚が約２．１５ｍｍの素材に対して、焼鈍処理（ステップＳ１１）とスウェージング加工（ステップＳ１２）を含む処理が実行されており、一対の縮径部１１と、符号Ｄ、Ｅで示す２つの直角段落ち形状部１３が形成された具体例が示されている。図６で示された中空軸部材１０は高炭素鋼で形成されており、例えば、中間部１２にねじ溝を形成することで、ねじ軸として用いることが可能である。

　さらに、図６の具体例の場合、直角段落ち形状部１３の形成位置を境界として、中間部１２の内周面と縮径部１１の外周面が軸方向で略同一位置となっていることが分かる。したがって、素材の板厚をｔ、スウェージング加工による段落ちの加工変形寸法をＬとしたときに、
　　板厚ｔ≦加工変形寸法Ｌ
なる不等式が成り立つ条件まで、直角段落ち形状部１３の形成を行うことが可能であることが示されている。なお、上記不等式が成り立つことを確認した具体的な加工実績としては、ボールスプラインについて、板厚ｔ＝０．５ｍｍ＜加工変形寸法Ｌ＝０．５２５ｍｍ（外径φ４．２ｍｍをφ３．１５ｍｍに加工）との実績値や、精密ボールねじについて、板厚ｔ＝２．１５ｍｍ＜加工変形寸法Ｌ＝２．５ｍｍ（外径φ１５．３ｍｍをφ１０．３ｍｍに加工）との実績値が、発明者らによって確認されている。

　以上、本実施形態に係る中空軸部材１０の具体的な構成と、その製造工程を説明した。本実施形態の中空軸部材１０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７および図８を用いて、本実施形態の中空軸部材１０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）
　本実施形態に係る中空軸部材１０は、例えば、図７において示されるようなボールねじ装置７０のねじ軸７１として構成することが可能である。図７は、本実施形態に係る中空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７０は、内方部材としてのねじ軸７１と、このねじ軸７１に複数のボール７３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７２とを備えた装置である。

　ねじ軸７１は、外周面に螺旋状の軌道面としての転動体転走溝７１ａが形成される内方部材であり、一方、ナット部材７２は、内周面に転動体転走溝７１ａ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７１のナット部材７２に対する相対的な回転運動に伴って、ナット部材７２がねじ軸７１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７０を構成するねじ軸７１を、上述した焼鈍処理（ステップＳ１１）とスウェージング加工（ステップＳ１２）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を有する本実施形態に係る中空軸部材１０によって形成することができる。このとき、本実施形態に係る中空軸部材１０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７１ａを形成することで、本実施形態に係る中空軸部材１０がねじ軸７１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を実現したボールねじ装置７０用の中空軸部材１０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、本実施形態に係る中空軸部材１０は、例えば、図８において示されるようなスプライン装置８０のスプライン軸８１として構成することが可能である。図８は、本実施形態に係る中空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８に示されるスプライン装置８０の構成を簡単に説明すると、スプライン装置８０は、内方部材としてのスプライン軸８１と、そのスプライン軸８１に複数の転動体としてのボール８３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８２とを有している。スプライン軸８１の表面には、ボール８３の軌道となり、スプライン軸８１の軸線方向に延びる軌道面としての転動体転走面８１ａが形成されている。スプライン軸８１に取り付けられる外筒８２には、転動体転走面８１ａ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８２に形成した負荷転動体転走面とスプライン軸８１に形成した転動体転走面８１ａ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８３が移動する無負荷戻し通路が形成されている。外筒８２には、複数のボール８３をサーキット状に整列・保持する保持器８４が組み込まれている。そして、複数のボール８３が、外筒８２の負荷転動体転走面とスプライン軸８１の転動体転走面８１ａ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８２がスプライン軸８１に対して相対的に往復運動可能となっている。

　そして、図８において示すスプライン装置８０の場合においても、スプライン装置８０を構成するスプライン軸８１を、上述した焼鈍処理（ステップＳ１１）とスウェージング加工（ステップＳ１２）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を有する本実施形態に係る中空軸部材１０によって形成することができる。このとき、本実施形態に係る中空軸部材１０の中間部１２の外周面に軌道面としての転動体転走面８１ａを形成することで、本実施形態に係る中空軸部材１０がスプライン軸８１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を実現したスプライン装置８０用の中空軸部材１０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。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、請求の範囲の記載から明らかである。

　１０　中空軸部材（発明品、内方部材）、１１　縮径部、１２　中間部、１３　直角段落ち形状部、３１　ダイス、７０　ボールねじ装置（転動装置）、７１　ねじ軸（内方部材）、７１ａ　転動体転走溝（軌道面）、７２　ナット部材（外方部材）、７３　ボール（転動体）、８０　スプライン装置（転動装置）、８１　スプライン軸（内方部材）、８１ａ　転動体転走面（軌道面）、８２　外筒（外方部材）、８３　ボール（転動体）、８４　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であって、
　前記中間部と前記縮径部との接続境界の形状が、軸方向に対して略直角に段落ちする直角段落ち形状部として形成されており、当該直角段落ち形状部が前記スウェージング加工によって形成されることを特徴とする中空軸部材。
　請求項１に記載の中空軸部材において、
　前記一対の縮径部と前記直角段落ち形状部は、中空軸状をした管状素材の両軸端部に焼鈍処理を行った後に実行される前記スウェージング加工によって形成されることを特徴とする中空軸部材。
　請求項１又は２に記載の中空軸部材において、
　前記一対の縮径部と前記直角段落ち形状部の断面の金属組織を顕微鏡観察したときに、前記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特徴とする中空軸部材。
　請求項１～３のいずれか１項に記載の中空軸部材において、
　前記一対の縮径部の内径よりも前記中間部の内径が大きいことを特徴とする中空軸部材。
　請求項１～４のいずれか１項に記載の中空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。