WO2022154046A1

WO2022154046A1 - 直動案内装置

Info

Publication number: WO2022154046A1
Application number: PCT/JP2022/000926
Authority: WO
Inventors: 努大久保
Original assignee: 日本精工株式会社
Priority date: 2021-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-07-21
Also published as: US20240060532A1; CN116761944A; KR20230118171A; JP2022108676A; EP4279757A1

Abstract

長寿命なスライダを有する直動案内装置を提供する。直動案内装置は、案内レールと、複数の転動体と、スライダを備える。スライダ本体（１１）の材料は、０．１質量％以上０．３質量％未満のＣと、０．５質量％以上１．５質量％以下のＣｒと、０．１質量％以上０．４質量％以下のＳｉとを含み、残部がＦｅと不可避不純物である合金鋼である。浸炭熱処理された、スライダ側転動溝（１４）の表面層（１４Ｆ）の残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下である。スライダ側転動溝（１４）の表面硬さが、Ｈｖ６５０以上である。

Description

直動案内装置

　本開示は、工作機械、製造装置、測定機器等の案内部に設けられて、テーブル等の移動部材を直線的に移動させるための直動案内装置に関する。

　直動案内装置は、軸方向に延び、両側面にボール転動溝を形成した案内レールと、案内レールに跨るように配置され、案内レールの転動溝に対向する位置にボール転動溝と、ボール転動路に平行して形成されるボール戻り路の両端と、ボール転動路とボール戻り路の両端を連結するボールの方向転換路とが形成されたスライダと、案内レールのボール転動溝とスライダのボール転動溝、ボール戻り路、方向転換路とで形成されるボール循環路に配置される多数のボールと、から構成されている。直動案内装置の案内レールは、スライダに掛かる荷重をボールを介して受けながら、スライダを軸方向に相対移動可能に支持している。スライダに荷重が掛かった状態で移動するとき、案内レールが受ける荷重はスライダと共に移動する。一方、スライダは常に荷重を受けるため、一般に案内レールよりも寿命が短いという課題がある。

　スライダに寿命の低下をもたらす要因の一つとして、潤滑油中の異物混入が挙げられる。直動案内装置の使用環境では、稼働に伴い潤滑油中に、金属の切粉、削り屑、バリ及び摩耗粉等が混入する。このような異物は、案内レールやスライダのボール転動溝とボールとの間に挟まることで転動溝とボールに損傷を与え、その寿命を低下させる。

　また、ボール転動溝やボールには繰り返し転がり接触を受けるため、疲労による斑点状の微孔を生じ寿命が低下する可能性がある。この対策として、特許文献１や特許文献２には、浸炭等の熱処理により低中炭素低合金鋼表面に球状化炭化物を析出させることで、鋼表面の硬さを向上させ、疲労に起因する損傷（ピッチング）の耐性を向上する方法が記載されている。

　しかし、前記転動溝やボールの表面硬さを向上すると異物による圧痕の付き方は軽くなるが、その反面、軌道溝やボールの靱性が乏しくなり潤滑油中に存在する異物により引き起こされる損傷箇所からクラックが発生し、それが起点となってフレーキングが生じ、早期破損を生じる可能性があった。

　これに対し、特許文献３には、スライダ本体が、主として、Ｃ：０．３～０．７質量％及びＣｒ：１～３質量％を含有する合金鋼で形成されている直動案内装置が記載されている。スライダ本体の表面には、残留オーステナイトと微細炭化物又は炭窒化物がある。

特公昭６２－２４４９９号公報特開平２－３４７６６号公報特開２０１７－１１０７５１号公報

　特許文献３の［００３３］には、「浸炭又は浸炭窒化による表面硬化を行う際に、Ｃの含有量が０．３重量％未満であると、本発明の目的とする表面硬さを得るためには、浸炭又は浸炭窒化により肌焼鋼に侵入するＣ量又はＮ量を多くしなければならない。このため、浸炭、浸炭窒化熱処理時間が長くなり、熱処理生産性が低下する。また、コア（芯部）の硬さが不足して、コアが塑性変形し直動案内装置の寿命を低下する。」との記載がある。しかし、Ｃの含有量が０．３％以上の中・高炭素鋼では、浸炭後にコアに残留オーステナイトが存在し、寸法安定性が悪くなる可能性があった。また、特許文献３でスライダ本体の母材には、比較的炭素濃度が高い材料（例えばＣ：０．７～１．２体積％程度の高炭素クロム軸受鋼）を使用しているため材料に掛かるコストが高くなる。

　本開示は、長寿命なスライダを有する直動案内装置を提供することを目的とする。

　一態様に係る直動案内装置は、長手方向に沿うレール側転動溝が設けられた案内レールと、複数の転動体と、前記レール側転動溝との間で、前記転動体が転動するスライダ側転動溝が設けられたスライダ本体を含むスライダと、を備え、前記スライダ本体の材料は、０．１質量％以上０．３質量％未満のＣと、０．５質量％以上１．５質量％以下のＣｒと、０．１質量％以上０．４質量％以下のＳｉとを含み、残部がＦｅと不可避不純物である合金鋼であり、浸炭熱処理された前記スライダ側転動溝の表面層の残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下であり、前記スライダ側転動溝の表面硬さが、Ｈｖ６５０以上である。

　これにより、安価な低炭素量の合金鋼を使用し、浸炭熱処理されたことによりスライダ側転動溝の表面層に微細炭化物が析出硬化し、残留オーステナイトの存在による表面硬さの低下を補うことができる。その結果、異物混入潤滑下ばかりでなく、クリーンな潤滑下でも長寿命な直動案内装置を安価に提供することができる。

　望ましい態様によれば、前記案内レールの前記レール側転動溝の表面には、高周波焼き入れにより形成された硬化層がある。これにより、スライダ本体よりも長尺である案内レールの熱処理が高周波焼き入れであることにより、直動案内装置の生産性が向上する。

　望ましい態様によれば、前記スライダ本体の材料には、０．５質量％以上０．３５質量％以下のＭｏが含まれる。これにより、スライダ側転動溝の表面層の浸炭が促進されるとともに、心部の焼き入れ性が向上し、焼き戻し脆さが抑制される。

　本開示は、長寿命なスライダを有する直動案内装置を提供する。

図１は、本実施形態に係る直動案内装置を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る直動案内装置の一部を破断した上面図である。図３は、図１におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線のスライダの断面図である。図４は、図１におけるＩＶ－ＩＶ線の案内レールの断面図である。

　本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

　図１に示すように、直動案内装置１は、案内レール２０と、スライダ１０とを備える。図１に示すように、案内レール２０は、第１方向（以下、長手方向という）に直線上に延びる。

　図１に示すように、スライダ１０は、スライダ本体１１と、エンドキャップ１２と、サイドシール１３と、転動体３０（図２参照）とを備える。エンドキャップ１２は、スライダ本体１１の一方の側面と、他方の側面にボルトなどで固定されている。図２に示すように、エンドキャップ１２の内部には、方向転換路３２が形成されている。図１に示すように、スライダ１０の長手方向の最も外側となる各端部には、防塵部品であるサイドシール１３がそれぞれ装着されている。これらのサイドシール１３は、案内レール２０とスライダ１０との隙間を密封し、外部から塵等の異物が侵入することを防止している。

　図３に示すように、スライダ本体１１は、胴部１１１と、胴部１１１の幅方向の両側から、案内レール２０の長手方向に交差する第２方向に延びる脚部１１２とを有し、断面がほぼＵ字状である。図３に示すスライダ本体１１の上面１６には、テーブル等の移動部材が取り付けられる。脚部１１２の内側面には、スライダ側転動溝１４が２条ずつ形成されている。スライダ側転動溝１４の数は、例示であり、２条に限られない。

　図３に示すように、脚部１１２の内部には、複数の循環通路３１が貫通している。図２に示すように、１つの循環通路３１は、エンドキャップ１２の内部にある各方向転換路３２に連通する。

　胴部１１１の下面１７と、脚部１１２の内側とで囲まれる空間には、案内レール２０が挿入される。これにより、図３に示す胴部１１１の下面１７と、図４に示す案内レール２０の上面２４とが対向する。また、脚部１１２の内側面部１５と、案内レール２０の側面部２３とが対向する。そして、図４に示す案内レール２０の下面２５は、スライダ本体１１で覆われることはない。

　図４に示すように、案内レール２０の側面には、それぞれ２条のレール側転動溝２２が案内レール２０の長手方向に沿って形成されている。レール側転動溝２２の数は、例示であり、２条に限られない。

　図３に示すスライダ側転動溝１４は、図４に示すレール側転動溝２２と各々対向しており、レール側転動溝２２とスライダ側転動溝１４との間には、多数の転動体３０（図２参照）が設けられている。これらの転動体３０は、スライダ１０が案内レール２０の長手方向に相対移動すると、レール側転動溝２２とスライダ側転動溝１４との間に形成された転動路３３を転動するようになっている。レール側転動溝２２とスライダ側転動溝１４との間に形成された転動路３３は、エンドキャップ１２にそれぞれ形成された方向転換路３２に連通する。そして、レール側転動溝２２とスライダ側転動溝１４との間に形成された転動路３３を転動した転動体３０は、エンドキャップ１２にそれぞれ形成された方向転換路３２に入り、ここで転動体３０の転がり方向が反転する。

　本実施形態の転動体３０は、球状であるが、円筒状のローラでもよい。また、レール側転動溝２２とスライダ側転動溝１４との間に形成された転動路３３は、左右それぞれ、１条でもよく、３条でもよい。

　焼き入れ前において、スライダ本体１１の材料は、０．１質量％以上０．３質量％未満のＣと、０．５質量％以上１．５質量％以下のＣｒと、０．１質量％以上０．４質量％以下のＳｉとを含み、残部がＦｅと不可避不純物である合金鋼である。Ｃが０．１質量％以上０．３質量％未満としたので、合金鋼のコストを低減できる。０．５質量％以上１．５質量％以下のＣｒが含まれるので、Ｃとの親和力が大きく、表層の浸炭が促進される。１．５質量％を越えるＣｒを含むと、表層の過剰な浸炭を引き起こしやすくなるため、１．５質量％以下のＣｒを含有することが望ましい。０．１質量％以上のＳｉが含まれるので、スライダ本体１１の強度が高くなる。０．４質量％を越えるＳｉを含むと延性が低下するので、０．４質量％以下のＳｉが含まれることが望ましい。

　焼き入れ前において、より望ましいスライダ本体１１の材料は、０．１質量％以上０．３質量％未満のＣと、０．５質量％以上１．５質量％以下のＣｒと、０．１質量％以上０．４質量％以下のＳｉと、０．５質量％以上０．３５質量％以下のＭｏと、を含み、残部がＦｅと不可避不純物である合金鋼である。０．５質量％以上０．３５質量％以下のＭｏが含まれるので、表層の浸炭が促進されるとともに、心部の焼き入れ性が向上し、焼き戻し脆さが抑制される。

　熱処理により、図３に示すように、スライダ本体１１の表面には、少なくとも表面層１４Ｆ、１５Ｆ、１６Ｆ、１７Ｆが形成される。表面層１４Ｆは、スライダ側転動溝１４の表面が浸炭された層である。表面層１５Ｆは、脚部１１２の内側面部１５が浸炭された層である。脚部１１２の内側面部１５は、脚部１１２の内側面のうち、スライダ側転動溝１４がない部分である。本実施形態の脚部１１２の内側面部１５は、脚部１１２の内側面のうち、２つのスライダ側転動溝１４の間の部分である。表面層１６Ｆは、スライダ本体１１の上面１６が浸炭された層である。表面層１７Ｆは、スライダ本体１１の下面１７が浸炭された層である。

　表面層１４Ｆ、１５Ｆ、１６Ｆ、１７Ｆでは、マルテンサイトにはならず、一部未変態のオーステナイトが組織内に存在する。ここで、表面層１４Ｆの残留オーステナイト量（γＲ体積％）は、１５体積％以上４５体積％以下である。これにより、表面層１４Ｆの表面硬さ（Ｈｖ）は、Ｈｖ６５０以上となる。表面層１４Ｆの残留オーステナイト量は、焼入温度や時間、スライダ本体１１のマトリックスに固溶するＣ濃度を調整することにより、１５体積％以上４５体積％以下の範囲にすることができる。あるいは、スライダ側転動溝１４は、研削により、表面層１４Ｆの厚みを変えて、表面層１４Ｆの残留オーステナイト量を１５体積％以上４５体積％以下の範囲にすることができる。スライダ側転動溝１４及びスライダ本体１１の上面１６は、加工精度が求められることから、研削されることが望ましい。このため、表面層１４Ｆは、表面層１５Ｆよりも残留オーステナイト量が小さくなる。表面層１６Ｆは、表面層１７Ｆよりも残留オーステナイト量が小さくなる。なお、残留オーステナイト量は、Ｘ線を照射して、Ｘ線残留応力測定機で測定することができる。

　仮に、異物により軌道面（転動面）に圧痕が生じた場合、圧痕の縁が小さく盛り上がり、そこを転動体が通過した場合に応力が集中して表面クラックが発生する可能性がある。表面クラックが広がるとやがて疲労破壊が発生する可能性がある。軌道面の表層の残留オーステナイトが１５体積％以上であれば、圧痕の縁の盛り上がりが緩和されるため、転動体の通過時に応力が集中するのを抑制する。これにより、疲労破壊による寿命低下が抑制される。また、残留オーステナイト量が４０体積％を超えると軌道面（転動面）の硬さが確保できず、寿命が低下する可能性がある。

　ここで、表面層１４Ｆ、１５Ｆ、１６Ｆ、１７Ｆには微細炭化物が含まれる。微細炭化物は、炭化物又は炭窒化物であり、微細炭化物の平均粒径は、０．５μｍ以上１．５μｍ以下である。微細炭化物の平均粒径が０．５μｍ未満だと寿命向上が不十分であり、かつ、耐磨耗性が低下する。また、微細炭化物の平均粒径が１．５μｍを越えると、微細炭化物が応力の集中源となり、表面層１４Ｆにクラック等が発生し易くなり、寿命が低下する。微細炭化物の平均粒径は、走査電子顕微鏡の撮像画像の観察から、画像解析で測定することができる。

　このように、安価な低炭素量の合金鋼を使用しても、浸炭熱処理されたことによりスライダ側転動溝１４の表面層１４Ｆに微細炭化物が析出硬化し、残留オーステナイトの存在による表面硬さの低下を補うことができる。その結果、異物混入潤滑下ばかりでなく、クリーンな潤滑下でも長寿命な直動案内装置１を安価に提供することができる。

　案内レール２０は、高周波焼き入れされる。スライダ本体１１よりも長尺である案内レール２０の熱処理が高周波焼き入れであることにより、直動案内装置１の生産性が向上する。その結果、案内レール２０の表面には、硬化層２２Ｆ、２３Ｆ、２４Ｆ、２５Ｆが形成される。硬化層２２Ｆは、レール側転動溝２２の表面にできた層である。硬化層２３Ｆは、案内レール２０の側面部２３の表面にできた層である。ここで、案内レール２０の側面部２３は、案内レール２０の側面のうち、レール側転動溝２２がない部分である。硬化層２４Ｆは、案内レール２０の上面２４の表面にできた層である。硬化層２５Ｆは、案内レール２０の下面２５の表面にできた層である。

　以上説明したように、直動案内装置１は、長手方向に沿うレール側転動溝２２が設けられた案内レール２０と、複数の転動体３０と、スライダ１０とを備える。スライダ１０は、レール側転動溝２２との間で、転動体３０が転動するスライダ側転動溝１４が設けられたスライダ本体１１を含む。スライダ本体１１の材料は、０．１質量％以上０．３質量％未満のＣと、０．５質量％以上１．５質量％以下のＣｒと、０．１質量％以上０．４質量％以下のＳｉとを含み、残部がＦｅと不可避不純物である合金鋼である。そして、浸炭熱処理されたスライダ側転動溝１４の表面層１４Ｆの残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下である。また、スライダ側転動溝１４の表面硬さが、Ｈｖ６５０以上である。

　これにより、異物混入された潤滑下ばかりでなくクリーンな潤滑下でも、スライダ側転動溝１４が長寿命となり、かつ直動案内装置１が安価となる。

　以上、本開示の実施形態を例示したが、実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。本開示は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。これら様々な形態や変形された形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、各構成や形状等のスペック（構造や、種類、方向、形状、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。

　例えば、案内レール２０の材料がスライダ本体１１の材料と同じ低炭素鋼であり、案内レール２０が、加工後、上述した浸炭熱処理（ａ）、焼き入れ処理（ｂ）、焼き戻し処理（ｃ）を順に行う熱処理が施されてもよい。すなわち、焼き入れ前において、案内レール２０の材料は、０．１質量％以上０．３質量％未満のＣと、０．５質量％以上１．５質量％以下のＣｒと、０．１質量％以上０．４質量％以下のＳｉとを含み、残部がＦｅと不可避不純物である合金鋼であってもよい。あるいは、焼き入れ前において、案内レール２０の材料は、０．１質量％以上０．３質量％未満のＣと、０．５質量％以上１．５質量％以下のＣｒと、０．１質量％以上０．４質量％以下のＳｉと、０．５質量％以上０．３５質量％以下のＭｏと、を含み、残部がＦｅと不可避不純物である合金鋼であってもよい。

１　直動案内装置
１０　スライダ
１１　スライダ本体
１２　エンドキャップ
１３　サイドシール
１４　スライダ側転動溝
１４Ｆ、１５Ｆ、１６Ｆ、１７Ｆ　表面層
１５　内側面部
１６　上面
１７　下面
２０　案内レール
２２　レール側転動溝
２２Ｆ、２３Ｆ、２４Ｆ、２５Ｆ　硬化層
２３　側面部
２４　上面
２５　下面
３０　転動体
３１　循環通路
３２　方向転換路
３３　転動路
１１１　胴部
１１２　脚部

Claims

　長手方向に沿うレール側転動溝が設けられた案内レールと、
　複数の転動体と、
　前記レール側転動溝との間で、前記転動体が転動するスライダ側転動溝が設けられたスライダ本体を含むスライダと、を備え、
　前記スライダ本体の材料は、０．１質量％以上０．３質量％未満のＣと、０．５質量％以上１．５質量％以下のＣｒと、０．１質量％以上０．４質量％以下のＳｉとを含み、残部がＦｅと不可避不純物である合金鋼であり、
　浸炭熱処理された前記スライダ側転動溝の表面層の残留オーステナイト量が１５体積％以上４５体積％以下であり、
　前記スライダ側転動溝の表面硬さが、Ｈｖ６５０以上である、直動案内装置。
　前記案内レールの前記レール側転動溝の表面には、高周波焼き入れにより形成された硬化層がある、請求項１に記載の直動案内装置。
　前記スライダ本体の材料には、０．５質量％以上０．３５質量％以下のＭｏが含まれる、請求項１又は２に記載の直動案内装置。