(57)【要約】【課題】ねじ案内装置における、更なる長寿命化と、生産性の効率向上を図る。【解決手段】ストローク係数ｆＳが４．８未満で使用され、かつ、前記ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＳが下記式を満足するねじ装置。【数１】2018054112.tif 000014【選択図】図１
2018054112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面にねじ溝を有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対応するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝に介装されるとともに、前記ナットに設けた転動体循環路によって循環可能とされた複数個の転動体とを備えるねじ装置において、
ストローク係数ｆＳが４．８未満で使用され、かつ、
前記ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＳが下記式を満足することを特徴とするねじ装置。
【数１】
2018054112.tif 000012
【請求項２】
前記ナットのねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＮが下記式を満足することを特徴とする請求項１記載のねじ装置。
【数２】
2018054112.tif 000013
【請求項３】
前記ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＳと、前記ナットのねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＮとが、「γＲＳ＞γＲＮ」の関係にあることを特徴とする請求項１または２記載のねじ装置。
【請求項４】
前記転動体の表面の残留オーステナイト量をγＲＢとするとき、「γＲＳ＞γＲＮ＞γＲＢ」の関係にあることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のねじ装置。
【請求項５】
前記転動体がボールまたはローラであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のねじ装置。
【請求項６】
電動射出成形機用、電動サーボプレス機用、サーボシリンダ用、または電動ジャッキ用であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のねじ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はボールねじ装置やローラねじ装置等のねじ装置に関し、より詳細には、電動射出成形機や電動サーボプレス機、サーボシリンダ、電動ジャッキ等の高負荷駆動で、ストローク係数が小さい用途に用いられるボールねじ装置やローラねじ装置における、長寿命化に最適な構成部材（ねじ軸、ナット及びボールやローラ）の組み合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
ねじ装置の一つであるボールねじ装置は、一般に、外周面にねじ溝を有するねじ軸と、ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、両ねじ溝間に介挿されると共にナットに設けたボール循環路によって循環可能とされた複数個のボールとから構成されている。ボールねじ装置は、回転運動を軸方向への移動に変換する装置であり、その用途としては，電動射出成形機などの高負荷駆動用途と工作機械などの精密位置決め用途に大別される。特に近年では、自動車部品の軽量化が求められており、その一つの手段として、部品の樹脂化が検討されている。このようなニーズの元、電動射出成形機に求められる出力が増大し、装置の大型化が必要になってくるが、大型化をできるだけ抑制するためにボールねじ装置の長寿命化が益々重要になっている。
【０００３】
製造業界の動向として、ＣＯ２排出の低減の観点からも、ボールねじ装置の構成部品であるねじ軸やナット、ボール等の生産の効率化が望まれている。ボールねじ装置では、ねじ軸とナットとを肌焼鋼に浸炭処理したものを使用していることが多い。また、生産性向上を図るために、ねじ軸の熱処理工程において、高周波熱処理化が広く用いられており、これに伴って軸材料に中炭素鋼を用いる製品も増えている。従って、現在の素材と熱処理の構成は、ねじ軸が「中炭素鋼＋高周波熱処理」、ナットが「肌焼鋼＋浸炭処理」、ボールが「軸受鋼＋ずぶ焼き処理」という組合せが多くなっている。高周波熱処理は、ワークのみを加熱することから熱エネルギーの消費が少なく、またライン化など生産効率の向上の観点から今後も継続・拡大の可能性が高く、機能の向上は高周波熱処理をベースに考えていく必要が有る。
【０００４】
また、電動射出成形機で用いられる高負荷用途のボールねじ装置は、従来の油圧駆動方式と比べてアイドルタイムでのエネルギー消費を抑制し、しかも高精度な射出成形に貢献できるといった特徴から、油圧駆動による高負荷リニアアクチュエータの電動サーボ化を実現する上で重要な高負荷駆動機械要素となっている。近年、ボールねじ駆動による電動射出成形機では、プラスチック製品の世界的な需要増加や生産コスト削減を背景に、加工サイクル時間を例えば半減することによって生産能力を飛躍的に向上させる取り組みがなされている。ところが、成形機の加工サイクルが半減すると、ボールねじ装置のサイクル寿命への到達時間も半減するため、ボールねじ装置の交換コストが倍増してしまう。この場合、ボールねじ装置の負荷容量を増大させて寿命を倍増させれば交換コスト増加は抑えられるものの、負荷容量増大に伴うボールねじ装置の大型化によって成形機自体のコストアップや、成形機設置スペースの増大を招くことが懸念となっている。
【０００５】
ボールねじ装置の寿命は、転がり軸受と同様、ねじ軸やナットあるいはボールにおける転動面のはく離破損によって決定される。即ち、従来よりも長時間に亘ってはく離への耐性に優れたボールねじ装置が昨今のトレンドに合致した製品であるといえる。ボールねじ装置のはく離形態の多くは、軌道面に生じた圧痕や、接線力を原因とする表面起点型はく離である。表面起点型はく離に対する長寿命化技術は、転がり軸受の分野でも多くの知見が存在しており、例えば軌道面表面の残留オーステナイト量γＲを増加させる方法が知られている。
【０００６】
この方法に関する先行技術として、特許文献１では、軸受に対して高周波熱処理を用いることを前提として、軌道面の残留オーステナイト量γＲを規定している。この特許文献１において熱処理方法を浸炭処理すれば、浸炭媒体がガスであるため形状依存性が少ないため、軸受の技術をボールねじに転用しやすい。しかしながら、高周波熱処理を前提とすると、技術の転用は容易ではない。これは、特に組織制御が必要な転動面を含む領域の形状と、高周波熱処理の特性に起因する。ボールねじ装置のねじ軸に高周波熱処理が適用されていることは前述のとおりであるが、転動面であるねじ溝の焼き方としては、隣接するねじ溝に沿って熱処理する方法と、ねじ軸を丸棒とみなして鞍型のコイルで熱処理する方法がある。後者の方がねじ溝形状の影響を受けないため、生産効率が高く、高周波熱処理の導入目的である生産性向上の点からもこの方法が取られる。しかしながら、ねじ軸の軸方向断面ではねじ溝が山形状になっており、更に山頂部がコイルに近いことから山の部分に熱がたまりやすい。これにより、山部においては容易にオーバーヒートが起こり得る。ボールねじや軸受等、高硬度の製品においてオーバーヒートは著しい靭性の劣化を招くため、これが容易な技術転用の障害となっている。ボールねじ装置のねじ軸のように、高周波熱処理を前提とする場合、素材として中炭素鋼が標準的であることは、これが原因である。
【０００７】
この点に関して本出願人は、特許文献２において、コイルの形状や熱処理前の材質の工夫を行うことでオーバーヒートを避けつつ表面疲労に強いねじ軸を提供する高炭素鋼の高周波熱処理技術を先に報告している。但し、実際の製品の寿命は、ねじ軸やナット、ボールの何れかがはく離した時点で決定される。ナットやボールを浸炭窒化等の処理により長寿命化する手段も考えられるが、これらは現行の処理に比べると工程の増加や管理基準の高度化が必要になり、コストアップにつながる。従って、最大限のコストパフォーマンスを得るためにはどのような構成にすべきかを検討する必要がある。
【０００８】
また、特許文献３では、ボール表面の残留オーステナイト量γＲを基準として、ねじ軸およびナットの各残留オーステナイト量γＲを規定している。しかしながら、特許文献３では、ボール表面の表面状態を維持することでねじ軸やナットに与える接線力を増加させないことが技術的な視点となっている。言い換えると、ボールの表面の残留オーステナイト量γRの制御は、ねじ軸やナット自体の長寿命化を目的としており、その手段についてもボールに浸炭窒化を適用するなど、生産性と装置寿命の両立化に主眼を置いたものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−００６３４０号公報
【特許文献２】特開２０１５−０４２８９７号公報
【特許文献３】特開２００９−２０４０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、電動射出成形機等の高負荷駆動で、ストローク係数の小さい用途に用いられるボールねじ装置や、ローラねじ装置等のねじ装置における、更なる長寿命化と、生産性の効率向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、ねじ装置の長寿命化に関して鋭意検討した結果、ストロークが短いねじ装置においては、構成部材の中で、ねじ軸のはく離による破損が多いことを見出し、ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量を、ナットのねじ溝や転動体の各表面の残留オーステナイト量よりも大きくすることが有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、本発明はねじ軸、ナット及び転動体の組合せを、これらの表面の残留オーステナイト量の大小関係から規定したものであり、下記のねじ装置を提供する。
（１）外周面にねじ溝を有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対応するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝に介装されるとともに、前記ナットに設けた転動体循環路によって循環可能とされた複数個の転動体とを備えるねじ装置において、
ストローク係数ｆＳが４．８未満で使用され、かつ、
前記ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＳが下記式を満足することを特徴とするねじ装置。
【００１２】
【数１】
2018054112.tif 000003
【００１３】
（２）前記ナットのねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＮが下記式を満足することを特徴とする上記（１）記載のねじ装置。
【００１４】
【数２】
2018054112.tif 000004
【００１５】
（３）前記ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＳと、前記ナットのねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＮとが、「γＲＳ＞γＲＮ」の関係にあることを特徴とする上記（１）または（２）記載のねじ装置。
（４）前記転動体の表面の残留オーステナイト量をγＲＢとするとき、「γＲＳ＞γＲＮ＞γＲＢ」の関係にあることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載のねじ装置。
（５）前記転動体がボールまたはローラであることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載のねじ装置。
（６）電動射出成形機用、電動サーボプレス機用、電動アクチュエータ用、サーボシリンダ用、または電動ジャッキ用であることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載のねじ装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ねじ装置の構成部材であるねじ軸及びナットの各ねじ溝表面の残留オーステナイト量を規定するとともに、両者の大小関係、更には転動体を含めた３者の残留オーステナイト量の大小関係を規定することにより、より長寿命のねじ装置となる。更には、ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量を他の構成部材よりも大きくするだけでよく、ナットや転動体として従来品を用いることもできるため、ねじ装置の生産効率を高め、ねじ装置のコスト上昇を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のねじ装置について詳細に説明する。
【００１９】
本発明のねじ装置は、ストローク係数ｆＳが４．８未満で使用される。このようなねじ装置としては、電動射出成形機や電動サーボプレス機、サーボシリンダ、電動ジャッキ等があり、本発明のねじ装置はこれらに有用である。また、以下ではボールねじ装置を例示して説明するが、転動体としてローラ（ローラねじ装置）とすることができる。そして、本発明のボールねじ装置では、ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＳが下記式を満足する。
【００２０】
【数３】
2018054112.tif 000005
【００２１】
また、ナットのねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＮが下記式を満足することが好ましい。
【００２２】
【数４】
2018054112.tif 000006
【００２３】
通常の運転条件下におけるボールねじ装置では、転がり軸受とは異なり、軌道の捻じれに起因するボールとねじ軸あるいはナット軌道間における滑りが大きいため、転がり疲れによる軌道破損の形態が表面起点型はく離となる。この表面起点型はく離に至る損傷の発生や進展と転動面表面の残留オーステナイト量γＲとの間には相互関係があり、転道面表面の残留オーステナイト量γＲを従来より増加させることで長寿命化効果を得ることが期待できる。そして、本発明者らは、残留オーステナイト量γＲの増加による長寿命化効果を定量的に評価する目的から、高周波熱処理された、軌道面表面の残留オーステナイト量γＲが異なる種々の要素試験片を用いて表面起点型はく離寿命を実験的に調べた。その結果、高周波熱処理された材料表面の残留オーステナイト量γＲ［%］と、従来のねじ軸材料（ＳＡＥ４１５０）に対する寿命変化率αとの間において、以下の関係式を得た。
【００２４】
【数５】
2018054112.tif 000007
【００２５】
式（１）から、従来のボールねじ装置よりも長寿命化（α＞１）させるためには、ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲを９％より大きくする必要があることと、ねじ装置に要求される寿命に対して過剰品質、あるいは品質不足を回避しつつ、最適な残留オーステナイト量γＲを推定できることを見出した。
【００２６】
ところで、軸方向に静荷重が付加されているボールねじ装置を駆動させると、ナットはねじ軸上を相対的に直線方向に移動する。このとき、ナット軌道面の任意の箇所では負荷ボールの通過に伴い、繰り返し応力を受けることになる。一方、ねじ軸軌道においては、ナットの直線移動に伴う負荷ボールの通過時にのみ応力を受けることになる。従って、ナットのストロークが十分長い場合は、負荷ボール通過による軌道への応力繰返し数はねじ軸側よりもナット側が多くなるので、最初の転動疲れ破損がナット軌道上に生起することが知られている。そのため、従来では、ナットのねじ溝表面の残留オーステナイト量γRを、ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γRよりも大きくしている。
【００２７】
しかしながら、電動射出成形機等で用いられるボールねじ装置においては、ナットのストロークが短いために負荷ボールの通過に伴う軌道への応力繰返し数の大小関係が逆転し、ナット側よりもねじ軸側が多くなる。このため、ストロークの短い運転条件下でのボールねじ耐久試験では、最初の転動疲れ破損はねじ軸側で生起する傾向が確認された。また、ボールと軌道間における接触面圧の観点から考えてもねじ軸側の方が面圧が高くなるので、最初の破損発生箇所がねじ軸側に偏ったことを裏付ける根拠となっている。
【００２８】
上記のような接触面圧と応力繰返し数に起因するねじ軸とナット軌道の破損特性に基づくと、転動面の疲れ寿命は接触面圧の９乗に比例し、かつ、応力繰返し数に比例するので、ねじ軸とナット軌道の寿命比βは次式（２）で表すことが出来る。
【００２９】
【数６】
2018054112.tif 000008
【００３０】
式中、ｐＳとｐＮはねじ軸およびナット軌道での接触面圧を表し、ＮＳとＮＮは1ストローク運転させた際のねじ軸およびナット軌道における応力繰返し数を表す。
【００３１】
そして、実際の使用条件下でのボールねじ装置のねじ軸とナット軌道の寿命比βを調べる目的から、実用に供されている電動射出成形機向け計２０型番のボールねじ装置の軸方向荷重やストロークからｐＳとｐＮ並びにＮＳとＮＮを求め、式（２）によって各型番のβを算出した。これにより、βと、ストロークＳｔをボールねじ装置の有効巻数（ζ）、回路数（ξ）、及びリード（ｌ）の積で除したストローク係数ｆＳとの間において、以下の関係式（３）を得た。
【００３２】
【数７】
2018054112.tif 000009
【００３３】
式（３）より、電動射出成形機などの短ストローク（ｆＳ＜４．８）となるような条件下で駆動される場合、ねじ軸に比べてナットの方が軌道寿命が長く（β＞１）なる。
【００３４】
従って、前述のようなストローク係数がｆＳ＜４．８における、ねじ軸とナットの軌道寿命の関係を考慮した上で、ボールねじ装置の要求寿命を満足するようにねじ軸とナットの各ねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲをそれぞれ決定した方が、更なる生産性向上にとって望ましいといえる。そこで、式（１）〜（３）を用いてねじ軸とナットの各ねじ溝表面に必要な各残留オーステナイト量γＲＳとγＲＮをそれぞれ推定した。
【００３５】
ボールねじ装置に対するねじ軸軌道の寿命比をαＳとすれば、ねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＳは式（１）より次のようになる。
【００３６】
【数８】
2018054112.tif 000010
【００３７】
次に、ボールねじ装置に対するナット軌道の寿命比をαＮとすれば、ねじ軸に対するナットの軌道寿命比βは「β＝αＮ／αＳ」となるので、式（２）および式（３）よりナットのねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲNは以下のようになる。
【００３８】
【数９】
2018054112.tif 000011
【００３９】
故に、ボールねじ装置の要求寿命と、ねじ軸とナットの軌道寿命とが合致するようなねじ軸とナットの各ねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＳとγＲＮは、式（４）と式（５）において「αＳ＝αＮ＝α＞１」として代入すれば推定できる。即ち、ストローク係数がｆＳ＜４．８で用いられるようなボールねじ装置において、生産性を損なわずに長寿命化（α＞１）するためには、式（４）と式（５）より、各ねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲの大小関係において、ねじ軸の方がナットよりも大きくなる組合せにすることが合理的である。
【００４０】
上記のようにねじ軸及びナットの各ねじ溝の残留オーステナイト量γＲＳ及びγＲＮを満たし、好ましくは「γＲＳ＞γＲＮ」であれば、ねじ軸及びナットの素材には制限はない。しかし、ボールねじ装置の生産性の観点から、ねじ軸には高周波熱処理の適用が主流となっており、高周波熱処理に適した材料の中でねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＳを上記のようにするためには、ねじ軸材料として高炭素軸受鋼が好ましい。
【００４１】
また、ナットについては、従来と同様に肌焼鋼を用い、浸炭窒化処理することが好ましく、従来品をそのまま使用できることからボールねじ装置全体として安価にすることができる。
【００４２】
尚、高周波熱処理は公知の方法で構わず、オーバーヒートを避ける手法が確立された前提において、誘導加熱コイルの出力を制御すればよい。
【００４３】
また、ボールねじ装置のもう一つの転動部品であるボールに関しては、ボールのランダム回転により同一の基準で寿命を計算することは難しい。しかしながら、転動面がランダムであるということは、はく離が生じる面における荷重の負荷回数も少なくなるため、最も長寿命になる。従って、その表面の残留オーステナイト量γＲＢは、ねじ軸やナットよりも小さいことが好ましい。即ち、それぞれの残留オーステナイト量γＲは「γＲＳ＞γＲＮ＞γＲＢ」となる大小関係が好ましい。この３者の大小関係を満足すると、何れの構成部品が破損した場合においても、機能と生産性のバランスを最大化できる。
【００４４】
尚、ボールは従来品で構わず、軸受鋼をずぶ焼したもの等を使用することができ、ボールねじ装置のコスト上昇を抑えることができる。
【実施例】
【００４５】
以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００４６】
ここでは、電動射出成形機の射出軸等の用途で多く使用されるボールねじ装置：型式ＢＳ６３１６−１０．５を用いて検証した。ボールねじ装置ＢＳ６３１６−１０．５の主要な内部諸元は以下のとおりである。
・ねじ軸外径（ｄ）：６３ｍｍ
・リード（ｌ）：１６ｍｍ
・ねじ巻数（ζ）：３．５
・循環回路数（ξ）：３
・ねじ有効巻数（ζ×ξ）：１０．５（＝３．５×３）
【００４７】
比較例として、標準品を用いた。尚、各部品の材料と熱処理の組合せは以下のとおりであり、各部品の残留オーステナイト量の大小関係を「ナット＞ボール＞ねじ軸」とした。
・ねじ軸：中炭素鋼、高周波熱処理
・ナット：肌焼鋼、浸炭処理
・ボール：軸受鋼、ずぶ焼
【００４８】
これに対して実施例として、下記のねじ軸、ナット及びボールを用いた。また、ストローク長さＳｔを８０ｍｍとし、ストローク係数ｆＳを算出すると、ｆＳ＝Ｓｔ／ζ・ξ・ｌ＝８０／（３．５×３×１６）＝０．４８と算出される。このときの要求されるねじ軸とナットの寿命比は、式（２）より５倍程度となる。従って、式（１）より目標となるねじ軸のねじ溝表面の残留オーステナイト量γＲＳは約２５％と算出される。
【００４９】
以上を元に、比較例と同一形状にて、以下の構成としたボールねじ装置を製作した。
・ねじ軸：高炭素鋼、高周波熱処理
・ナット：肌焼鋼、浸炭処理
・ボール：軸受鋼、ずぶ焼
【００５０】
上述の通り、オーバーヒートを抑制しつつ軌道面の残留オーステナイト量γＲを確保することは容易ではなく、本試験においても、ねじ軸の加工にあたり、コイル形状及び高周波熱処理条件を調整した。その結果、軌道面の残留オーステナイト量γＲを２６％とするねじ軸を得た。これにより、実施例の残留オーステナイトγＲの大小関係は「ねじ軸＞ナット＞ボール」となった。
【００５１】
上記の比較例及び実施例のボールねじ装置（型式ＢＳ６３１６−１０．５）の耐久性について、下記条件にてＬ１０寿命比及びＬ５０寿命比を求めて評価した。尚、試験回数は実施例では７回、比較例では１３回であり、各寿命はワイブル分布から求めた。
・最大軸方向荷重（Ｆａｍａｘ）：３００ｋＮ
・最高ねじ軸回転数（ｎｍａｘ）：５００ｍｉｎ−１
・ストローク（Ｓｔ）：８０ｍｍ 
・潤滑剤：グリース
【００５２】
結果を図1に示すが、比較例に比べて実施例が長寿命化していることが確認できる。寿命の増加量は、Ｌ１０寿命で３．０倍、Ｌ５０寿命で５．３倍である。
【００５３】
また、破損部位を確認すると、比較例では、ねじ軸にはく離が生じているのに対し、実施例ではボールのはく離が発生した。本実施例におけるねじ軸とナットの寿命倍率は約５倍であることから、ねじ軸の寿命を５倍延長することができれば本構成のボールねじ装置として機能の最大化が図れると予測される。これに関しては、実施例の耐久試験結果からほぼ最大値が得られている。尚、ボールのはく離寿命は、その残留オーステナイト量γＲＢから、単体としては比較例におけるねじ軸の寿命の１．５倍程度と見積もられる。上述の通り、ボールねじ装置においてはボールの循環機構が備わっており、循環回路内においてボールはほとんど無負荷状態で、しかも公転または自転挙動はランダムになると考えられる。従って、ボールが負荷を受ける位置もランダムとなるために寿命延長効果を予測することは困難であるが、残留オーステナイト量γＲＢが少なくても、装置としての理論どおりの寿命が発揮できる。何れにしても、循環回路内におけるボールの運動を制御することは困難であり、初期破損部位がねじ軸やナットからボールへと移行した時点で、その組合せにおけるボールねじ装置の最大の寿命が得られていると考えられる。
【００５４】
つまり、実施例で示したようなストローク係数が４．８未満のボールねじ装置については、各構成部品の単体寿命を「ねじ軸＞ナット＞ボール」とすることで、各部位に施す長寿命化処理が最大限に発揮されることになる。また、実施例に示されるように、はく離の形態が表面起点型はく離であることから、各部品の残留オーステナイト量γＲの関係が「ねじ軸＞ナット＞ボール」であることが必要である。
【図１】
2018054112.tif 000015