(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボールを導いて循環させる循環チューブの端部にボール掬い用のタングを有したチューブ循環式のボールねじにおいて、
前記循環チューブと前記タングとの接合部で、該タングの根元部に予め残留圧縮応力を最表面部から２０〜１００μｍの深さで２０〜１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 付与したことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
前記残留圧縮応力は、最表面部から４０〜８０μｍの深さで、３０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上で１００ｋｇｆ／ｍｍ2 以下であることを特徴とする請求項１記載のボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ボールを導いて循環させる循環チューブの端部にボール掬い用のタングを有したチューブ循環式のボールねじに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、マシニングセンターの高速送りねじ等の高速回転条件で使用されるチューブ循環式のボールねじは、図５及び図６に示すように構成されている。すなわち、ねじ軸１の外周面には断面円弧状の螺旋溝２が設けられている。また、ボールナット３は、ねじ軸１の螺旋溝２に対応する螺旋溝４を内面に有する円筒状の部材で、外周の一部に形成された平面部５に螺旋溝４に開口する二つの孔６が形成されている。このボールナット３の孔６には、ボール循環路としてのＵ字形の循環チューブ７の端部がそれぞれ嵌挿されている。この循環チューブ７は、ボールナット３の平面部５に固定ねじ８によって固定された取付板９により固定されている。
【０００３】
ボールナット３の内孔に挿通されたねじ軸１は、その螺旋溝２がボールナット３の螺旋溝４と対向するように形成され、ボールナット３に設けた循環チューブ７からなるボール循環路とこの循環路端の間の螺旋溝４には、多数のボール１０が転動自在に配されている。このボール１０は、ボールナット３の螺旋溝４とねじ軸１の螺旋溝２に隙間なく嵌合し、ボールナット３とねじ軸１とは半径方向の相対移動を不能とされているが、軸方向にはボール１０の転動を介して相対螺旋運動可能とされている。
【０００４】
ボールナット３とねじ軸１の相対螺旋運動により、ボール１０は螺旋溝２，４に沿って転動し、循環チューブ７の端部に形成されたタング１１により掬い上げられて循環チューブ７内に入り、そのチューブ内を通って反対側端より螺旋溝２，４の間に入るという循環を繰り返す。
【０００５】
循環チューブ７は、図７に示す分割型タイプと、図８に示す一体型タイプとがあり、分割型タイプは、図７に示すような管軸方向の対称軸で２分割された分割管部材１２，１２を接合して形成されている。この分割管部材１２の一端部にはタング１１が一体に設けられている。また、一体型タイプは、図８に示すように、チューブ７の端部にタング１１が一体に設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のように構成されたボールねじ構造は、ボールナット３とねじ軸１の相対螺旋運動により、ボール１０は螺旋溝２，４に沿って転動し、タング１１により掬い上げられて循環チューブ７内に入るようになっているが、螺旋溝２，４の内部においてはボール１０が円周方向に沿って走行するが、タング１１により掬い上げられてボール１０が直線方向に方向変換される。
【０００７】
したがって、走行中のボール１０の掬い上げ時に循環チューブ７のタング１１の根元部にボール１０による繰り返し衝撃力による応力が加わる。所定のｄ・Ｎ（ｄ：軸径、Ｎ：回転数）を超えて連続走行すると、タング１１の根元部の最大応力が作用している部分に繰り返し疲労によるクラックが発生して破断に至り、走行不能となることがある。
【０００８】
すなわち、掬い上げられるボール１０によって、循環チューブ７のタング１１に繰り返しの衝撃力が作用し、所定のｄ・Ｎ値を超えて走行させた場合にはタング１１の根元の最大応力が作用した部分から繰り返し疲労によるクラックが発生し、これがタング１１の破損に至り、ボールねじの耐久性に大きく影響することになる。
【０００９】
そこで、従来においては、高ｄ・Ｎに対応するべく、(1) タング１１の部分について有限要素法解析を行いその最適形状を決め、タング１１の根元部に生じる応力集中を低減させる手段あるいは(2) 材料の変更、熱処理技術により材料強度を上げて、タング１１の根元部の機械強度を向上させている。
【００１０】
しかしながら、今後、ボールねじの使用条件のさらなる高速化要求に対応するため、さらに強度をアップした循環チューブの必要性が生じてきた。
この発明は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、循環チューブのタングの根元部に、繰り返し疲労性に効果的な残留圧縮応力を予め付与し、応力状態を最適にして、生産性を損なわない、つまり既存の循環チューブに追加工するだけで、材料変更、寸法変更の必要なく、高ｄ・Ｎ用途のボールねじを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記目的を達成するために、請求項１は、ボールを導いて循環させる循環チューブの端部にボール掬い用のタングを有したチューブ循環式のボールねじにおいて、前記循環チューブと前記タングとの接合部で、該タングの根元部に予め残留圧縮応力を最表面部から２０〜１００μｍの深さで２０〜１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 付与したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２は、請求項１の残留圧縮応力は、最表面部から４０〜８０μｍの深さで、３０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上で１００ｋｇｆ／ｍｍ2 以下であることを特徴とする。
【００１３】
この発明によると、循環チューブのタングの根元部の最大応力が作用する部位及びその周辺部分に予め残留圧縮応力を付与することにより循環チューブのタングの根元部の疲れ強さが向上する。残留圧縮応力を前記の値にするためには例えば、公知のショットピーニング法を採用する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は循環チューブを示し、図２はタング部分におけるＦＥＭによる解析結果とショットピーニング処理部を示し、図３は直圧式ノズル型ショットピーニング装置を示す。
【００１５】
まず、図３に基づいて循環チューブ７のタング１１の根元部１１ａ及び周辺部分に予め残留圧縮応力を付与する手段に用いる直圧式ノズル型ショットピーニング装置の構成について説明する。本装置は、ショット粒２１が充填された加圧タンク２２と、この加圧タンク２２に加圧空気を供給する加圧空気供給管２３と、加圧タンク２２内に供給された空気を排気する排気管２４と、前記加圧タンク２２の下部に配設され、前記加圧空気供給管２３の分岐管２５からの圧縮空気とショット粒２１とを混合するとミキサ２６と、ショット２７を先端のノズル２８から被処理物表面に投射するホース２９と、前記加圧タンク２２内にシャッタ３０を介してショット粒２１を供給するホッパ３１と、前記分岐管２５の途中に設けられ、ショット粒２１の投射速度を調整するために空気圧を調整可能なバブル３２とから構成されている。
【００１６】
本実施形態では、ショット粒２１として、平均粒径０．３ｍｍの平均硬さＨＲＣ６１のスチールビーズを使用し、図１に示す循環チューブ７のタング１１にショットピーニング処理を行った。すなわち、投射する部分はボール１０の掬い上げ時にボール１０の衝撃により生じるタング１１の根元部１１ａの最大応力発生部であり、これは図２に示すように、ＦＥＭ（finite element method)解析により求め、その周辺部分にもショット粒２１を投射した。このショットピーニングの際、バルブ３２の開度を調整して空気圧を変更することによりタング１１の根元部１１ａの残留圧縮応力値を変化させた。
【００１７】
そして、このような各試験用循環チューブを用いてボールねじの高速耐久試験（ボールねじ仕様：軸径ｄ＝５５ｍｍ、試験条件：回転数Ｎ＝４０００ｒｐｍ  ［ｄ・Ｎ＝２２万］）を行った。使用した試料チューブ：ステンレス材、ｔ＝１．４ｍｍであり、表１は、各試験用循環チューブのタング根元部の最表面部からの各深さにおける残留圧縮応力値を示し、表１の未処理品はショットピーニング処理を施さない従来の循環チューブ、試料▲１▼  〜▲７▼  は処理品であり、左端の０〜２００はタング根元部の最表面部からの深さを表す。
【００１８】
【表１】
0003728886.tif 000002
【００１９】
また、図４は表１をグラフ化したものであり、横軸がタング根元部の最表面部からの深さ（μｍ）、縦軸が残留圧縮応力値（ｋｇｆ／ｍｍ2 ）である。さらに、表２は耐久試験結果を示す。
【００２０】
【表２】
0003728886.tif 000003
【００２１】
図４及び表２に示すように、ショットピーニング処理を施さない従来の循環チューブ（未処理品）は、本来持っている残留圧縮応力が１０ｋｇｆ／ｍｍ2 であり、タング１１が破損するまで（破損寿命）の応力繰返し数比を１とし、処理品は未処理品に対する比率で示した。
【００２２】
処理品▲１▼  は表面から深さ２０〜１００μｍまでの残留圧縮応力が２２〜２６ｋｇｆ／ｍｍ2 で、タング１１の破損寿命は未処理品に対して１．５倍となった。逆に残留圧縮応力が大きい処理品（深さ６０μｍで１２０ｋｇｆ／ｍｍ2 ）  ▲６▼  や処理品（深さ６０μｍで１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 ）▲７▼  については耐久性が未処理品に対して３〜４倍となった。
【００２３】
これに対して、最表面部から４０〜８０μｍの深さで３０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上１００ｋｇｆ／ｍｍ2 以下の処理品▲２▼  ▲３▼  ▲４▼  ▲５▼  では、未処理品に対して８０〜８５倍の耐久性が向上し、上述の未処理のチューブよりも一桁以上走行させても破損せず、耐久性が特に大きく向上することが確認できた。
【００２４】
したがって、この発明によれば、循環チューブ７のタング１１の根元部及びその周辺部分に予め残留圧縮応力を最表面部から２０〜１００μｍの深さで２０〜１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 付与すること、望ましくは、残留圧縮応力を、最表面部から４０〜８０μｍの深さで、３０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上で１００ｋｇｆ／ｍｍ2 以下にすることにより、タング１１の強度をアップさせることができ、ボールねじの使用条件のさらなる高速化要求に対応できる。
【００２５】
なお、循環チューブの材質が圧延鋼材やステンレス材その他の合金鋼からなる管材やそれに熱処理を施したものでもショットピーニング処理が可能である。また、チューブの種類としては、分割型タイプ（図７）や一体型タイプ（図８）でもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、循環チューブのタングの根元部に予め残留圧縮応力（最表面部から２０〜１００μｍの深さで２０〜１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 ）を付与することにより、タングの根元部の強度をアップさせることができ、ボールねじの使用条件のさらなる高速化要求に対応できる。また、特にその残留圧縮応力が最表面部から４０〜８０μｍの深さで３０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上で１００ｋｇｆ／ｍｍ2 以下である循環チューブは、さらなる高速用途でのボールねじの耐久性を特に大きく向上することができる。また、タングの根元部の最大応力発生部だけの狭い範囲にショットピーニング処理すればよく、処理が簡単である。
さらに、既存の循環チューブに追加工するだけで、材料変更、寸法変更の必要がなく、廉価に提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態のボールねじの循環チューブを示す側面図。
【図２】同実施形態のタング部分におけるＦＥＭによる解析結果とショットピーニング処理部を示す図。
【図３】同実施形態の直圧式ノズル型ショットピーニング装置の構成図。
【図４】同実施形態の各試料の残留圧縮応力値を示すグラフ。
【図５】従来のチューブ循環式のボールねじ平面図。
【図６】従来のチューブ循環式のボールねじ横断面図。
【図７】従来の分割型タイプの循環チューブの側面図。
【図８】従来の一体型タイプの循環チューブの側面図。
【符号の説明】
７…循環チューブ
１１…タング
【図１】
0003728886.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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