(57)【要約】【課題】ボールねじ装置やリニアガイド装置等の直動装置において、ねじ軸やナット、案内レールやスライダの軌道面、ボールの表面性状、特に加工跡である凹凸の山部と谷部の両割合の最適な範囲を規定して耐摩耗性や潤滑性、耐久性等を改善する。【解決手段】案内軸の軌道面、移動体の軌道面及びボールの表面の少なくとも一つが、表面粗さ波形における突出山部の割合が１０％以下で、突出谷部の割合が１０％以上である直動装置。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延び、外周面に軌道面を有する案内軸と、
内部に前記案内軸の軌道面に対面する軌道面を有し、前記案内軸に沿って往復運動する移動体と、
前記案内軸の軌道面と、前記移動体の軌道面とで形成される空間を転動するボールとを備える直動装置において、
前記案内軸の軌道面、前記移動体の軌道面及び前記ボールの表面の少なくとも一つが、表面粗さ波形における突出山部の割合が１０％以下で、突出谷部の割合が１０％以上であることを特徴とする直動装置。
【請求項２】
前記案内軸の軌道面、前記移動体の軌道面及び前記ボールの表面の少なくとも一つが、
（１）表面の算術平均高さ（Ｓａ）が０．３μｍ以下
（２）表面最大高さ（Ｓｚ）が２μｍ以下
（３）コア部のレベル差（Ｓｋ）が１μｍ以下
（４）突出山部の平均高さ（Ｓｐｋ）が０．３μｍ以下
（５）突出谷部の平均深さ（Ｓｖｋ）が０．４μｍ以下
の少なくとも１つを満足することを特徴とする請求項１記載の直動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールねじ装置やリニアガイド装置等の直動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、工作機械や搬送装置にボールねじ装置やリニアガイド装置等の直動装置が使用されているが、より円滑な動作や静寂性、高速性、耐久性向上等の要求が強く、そのための対策が求められている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ボールねじ装置において、ねじ軸やナットの軌道面、ボールの表面にショットピーニング処理を行った後、金属の酸化物や窒化物、炭化物等の硬質皮膜を成膜している。また、特許文献２では、ボールねじ装置のナットを製造する際に、ボール軌道面に浸炭窒化処理を施した後、ショットピーニング処理を施すことを行っている。更に、特許文献３では、ボールねじ装置のねじ軸を製造する際に、焼入工程後に、ねじ溝にショットピーニング処理を施すことを行っている。
【０００４】
ショットピーニングは、被加工物の加工面に、被加工物よりも硬質の微粒子を高速で衝突させる表面改質技術であり、特許文献１〜３では軌道面等の表面を硬化させて耐摩耗性や耐久性を高めており、特許文献２では表面硬さをＨｖ７００〜９００としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１１４０７６号公報
【特許文献２】特開２００５−９０５７０号公報
【特許文献３】特許第４９９３７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ボールねじ装置やリニアガイド装置では、構造上、軌道面に潤滑剤を留めておくことができず、ナットやスライダに配設した配管に潤滑剤を定期的に供給するとともに、ナットやスライダの移動に伴って、ボールを介して軌道面に潤滑剤を移着させる潤滑方式が採られている。そのため、軌道面に潤滑剤をより多く、より長時間保持することが有利になる。
【０００７】
また、ねじ軸やナット、案内レールやスライダの軌道面には、加工跡として微細な凹凸が形成されており、凹凸の凹部（谷部）に潤滑剤が溜まり、潤滑に寄与する。また、凹凸の凸部（山部）は低く、平滑なほど自身並びに相手材の摩耗が少なくなる。
【０００８】
従って、ボールねじ装置やリニアガイド装置の耐久性や潤滑性には、軌道面やボールの表面の表面性状、特に加工跡である凹凸が大きく影響すると思われるが、これまで、耐摩耗性や潤滑性の両立を目的として山部と谷部の両割合についての報告されていない。特許文献２では表面粗さＲａを規定しているが、この表面粗さＲａは山部と谷部との高低差の平均値であり、山部が高く、平滑でない場合や、油溜りとなる谷部の割合を規定したものではない。
【０００９】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ボールねじ装置やリニアガイド装置等の直動装置において、ねじ軸やナット、案内レールやスライダの軌道面、ボールの表面性状、特に加工跡である凹凸の山部と谷部の両割合の最適な範囲を規定して耐摩耗性や潤滑性、耐久性等を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、下記の直動装置を提供する。
（１）軸方向に延び、外周面に軌道面を有する案内軸と、
内部に前記案内軸の軌道面に対面する軌道面を有し、前記案内軸に沿って往復運動する移動体と、
前記案内軸の軌道面と、前記移動体の軌道面とで形成される空間を転動するボールとを備える直動装置において、
前記案内軸の軌道面、前記移動体の軌道面及び前記ボールの表面の少なくとも一つが、表面粗さ波形における突出山部の割合が１０％以下で、突出谷部の割合が１０％以上であることを特徴とする直動装置。
（２）前記案内軸の軌道面、前記移動体の軌道面及び前記ボールの表面の少なくとも一つが、
（１）表面の算術平均高さ（Ｓａ）が０．３μｍ以下
（２）表面最大高さ（Ｓｚ）が２μｍ以下
（３）コア部のレベル差（Ｓｋ）が１μｍ以下
（４）突出山部の平均高さ（Ｓｐｋ）が０．３μｍ以下
（５）突出谷部の平均深さ（Ｓｖｋ）が０．４μｍ以下
の少なくとも１つを満足することを特徴とする上記（１）記載の直動装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ねじ軸や案内レールの軌道面、ボールの表面において、突出山部の割合を少なくする一方で、突出谷部の割合を多くして潤滑剤の保持量を確保したため、直動装置の耐摩耗性や潤滑性、耐久性等を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】表面粗さ波形の一例を示す図であり、（Ａ）はそのイメージ図であり、（Ｂ）は負荷曲線である。
【図２】（Ａ）は比較例１のナットの軌道面の写真、（Ｂ）は実施例１のナットの軌道面の写真である。
【図３】（Ａ）は比較例１のナットの軌道面の３次元粗さ形状、（Ｂ）は実施例１のナットの軌道面の３次元粗さ形状を示す図である。
【図４】（Ａ）は比較例１のナットの軌道面の表面粗さ波形、（Ｂ）は実施例１のナットの軌道面の表面粗さ波形である。
【図５】（Ａ）は比較例１のナットの軌道面の負荷曲線、（Ｂ）は実施例１のナットの軌道面の負荷曲線である。
【図６】実施例１のナット（処理）及びねじ軸（処理）または比較例１のナット（未処理）及びねじ軸（未処理）を用いて作製したボールねじ装置のトルク増加率を示すグラフである。
【図７】ストライベック曲線を示す図である。
【図８】実施例１のナット（処理）及びねじ軸（処理）または比較例１のナット（未処理）及びねじ軸（未処理）を用いて作製したボールねじ装置のトルク残存率を示すグラフである。
【図９】実施例１のナット（処理）及びねじ軸（処理）または比較例１のナット（未処理）及びねじ軸（未処理）を用いて作製したボールねじ装置を、異物（珪砂）を混入した潤滑剤で潤滑したときのトルク残存率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１４】
本発明において直動装置には制限はなく、ボールねじ装置やリニアガイド装置全般に適用することができる。そのため、本明細書ではこれら装置の具体的な図示は省略する。そして、本発明では、ボールねじ装置のねじ軸やナットの軌道面、リニアガイド装置の案内レールやスライダの軌道面、ボールねじ装置やリニアガイド装置の軌道面を転動するボールの表面の少なくとも１つ、好ましくは全部の表面性状を下記のように規定する。
【００１５】
図１（Ａ）に模式的に示すように、加工部品では、その表面に、高さや深さ、間隔の異なる山部や谷部が連続した複雑な形状が存在している。そして、表面粗さの評価方法を定めた国際規格であるＩＳＯ  ２５１７８では、コア部のレベル差をＳｋ、突出山部の平均高さをＳｐｋ、突出谷部の平均深さをＳｖｋと規定している。コア部よりも高い部分が突出山部であり、コア部よりも低い部分が突出谷部となり、突出山部及び突出谷部の各割合は、図１（Ｂ）に示すように、負荷曲線から求めることができる。即ち、図１（Ｂ）において、横軸０％に近い側において、コア部よりも高い部分が突出山部の領域であり、横軸１００％に近い側において、コア部よりも低い部分が突出谷部の領域（何れも塗り潰し部分）であり、同図より突出山部の割合及び突出谷部の割合を求めることができる。
【００１６】
本発明では、軌道面やボールの表面において、突出山部の割合が１０％以下、好ましくは５〜９％であり、かつ、突出谷部の割合が１０％以上、好ましくは１０〜１４％とする。即ち、突出山部の割合を少なくし、突出谷部の割合を多くする。突出山部の割合が１０％を超えると、突出山部による相手材への損傷が多くなる。一方、突出谷部の割合が１０％を下回ると、潤滑剤の保持量が十分ではなくなる。
【００１７】
突出山部及び突出谷部をこのような範囲に調整するには、ショットピーニング処理が好ましい。ショットピーニング処理は被加工物の加工面に、被加工物よりも硬質の微粒子を高速で衝突させる表面改質技術である。そのため、ショット材には、ねじ軸やナット、案内レールやスライダ、ボールに一般に使用される高炭素鋼よりも硬質な材質からなるショット材、例えば鋼球を用いることができる。また、ショット材は球形以外にも、様々な形状とすることができる。
【００１８】
また、ショットピーニング処理では、ショット材が衝突した時に被加工面の表面がＡ３変態点以上の高温となり、衝突しない時にはＡ３変態点未満の低温になり、前記の高温と低温とを瞬時に繰り返すことにより、表面層の残留オーステナイトのマルテンサイト化や結晶の微細化が行われ、緻密で高硬度な靭性に富む組織を得ることができる。そのため、ショット材の噴射速度は高いほど有利であり、１００ｍ／秒以上が好ましい。また、一般的なショット材は、直径が数百μｍであるが、直径が数十μｍの微細なショット材を用いることが好ましく、微細なショット材を用いることにより熱処理効果や鍛錬効果が高まり、軌道面や転動体表面の高硬度化や残留圧縮応力を高めることができるようになる。
【００１９】
上記した突出山部及び突出谷部の各割合とともに、（１）表面算術平均高さ（Ｓａ）が０．３μｍ以下、（２）表面最大高さ（Ｓｚ）が２μｍ以下、（３）Ｓｋが１μｍ以下、（４）Ｓｐｋが０．３μｍ以下、（５）Ｓｖｋが０．４μｍ以下の少なくとも何れか１つを満足することが好ましく、全てを満足することがより好ましい。尚、これらの値は小さいほど好ましい。これらを満足することにより、ボールねじ装置やリニアガイド装置の耐摩耗性や潤滑性、耐久性等をより向上させることができる。ショットピーニング処理では、ショット材を高速で衝突させることにより、突出山部を含めて加工跡である凸部を平滑にすることもできる。
【００２０】
更には、上記に加えて、
（ｉ）表面から深さ０〜２μｍの硬さがＨＶ７５０〜９００
（ii）表面から深さ２〜１００μｍの領域における硬さがＨＶ６５０〜７５０
（iii）表面残留応力が４９０〜１０８０ＭＰａ
の少なくとも何れか１つを満足することが好ましく、全てを満足することがより好ましい。ショットピーニング処理では、ショット材を高速で衝突させることにより、表面の硬さを高めることもでき、これらの特性にすることもできる。
【００２１】
本発明のボールねじ装置やリニアガイド装置を製造するには、ショットピーニング処理を施して特定の表面性状にすること以外は、常法に従うことができる。即ち、高炭素鋼等の素材を、ねじ軸やナット、案内レールやスライダ、ボールの形状に加工した後、焼入れし、研削加工または旋削加工を施した後、ショットピーニング処理して上記した表面性状にした後、ボールねじ装置やリニアガイド装置等に組み立てればよい。
【００２２】
また、焼入れ工程の前に、ショットピーニング処理することもできる。
【実施例】
【００２３】
以下に実施例及び比較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。
【００２４】
（比較例１）
高炭素鋼製の素材を用い、常法に従い所定形状とし、焼入れ加工を行った後、軌道面に仕上げ研磨を施してボールねじ装置のナットを作製した。そして、軌道面を撮影し、得られた写真を図２（Ａ）に示す。また、表面粗さ計を用いて３次元粗さ形状及び表面粗さ波形を測定した。３次元粗さ形状を図３（Ａ）に、表面粗さ波形を図４（Ａ）にそれぞれ示す。更に、図４（Ａ）から負荷曲線を作成した。図５（Ａ）に得られた負荷曲線を示す。
【００２５】
（実施例１）
比較例１における焼入れ加工後の研磨処理の後、ショットピーニング処理を施してナットを作製した。ショット材には、平均粒径が５０μｍの鋼球を用いて処理した。そして、比較例１と同様に軌道面の写真を撮影し、３次元粗さ形状、表面粗さ波形及び負荷曲線を求めた。軌道面の写真を図２（Ｂ）に、３次元粗さ形状を図３（Ａ）に、表面粗さ波形を図４（Ｂ）に、負荷曲線を図５（Ｂ）にそれぞれ示す。
【００２６】
また、比較例１及び実施例１のナットの軌道面について、算術平均高さ（Ｓａ）、表面の最大高さ（Ｓｚ）、コア部のレベル差（Ｓｋ）、突出山部の平均高さ（Ｓｐｋ）、突出谷部の平均深さ（Ｓｖｋ）を測定した。結果を表１に示す。また、表１には、負荷曲線から求めた突出山部（Ｓｐｋ）の割合及び突出谷部（Ｓｖｋ）の割合を併せて示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
図２に示すように、ナットの軌道面には、比較例１に比べて実施例１の方が無数の小さな窪みが形成されていることが目視で確認できる。また、図３に示すように、実施例１のナットの軌道面の表面は、ショットピーニング処理により凸部が潰れて、環状の凸部が数多く見られる。更に、表１に示すように、実施例１のナットは、軌道面における突出山部の割合が１０％未満、突出谷部の割合が１０％以上を満足している。更には、算術平均粗さ（Ｓａ）、表面の最大高さ（Ｓｚ）、コア部のレベル差（Ｓｋ）、突出山部の平均高さ（Ｓｐｋ）及び突出谷部の平均深さ（Ｓｖｋ）が、何れも比較例１よりも小さくなっている。即ち、ショットピーニング処理を施すことにより、突出山部が低くなり、表面が全体的に平滑になることがわかる。
【００２９】
また、実施例１の方が突出山部の割合が減り、突出谷部の割合が大きくなるため、潤滑剤の保持性が高まると推察され、以下の試験により検証した。
【００３０】
実施例１または比較例１のナットを用いてボールねじ装置を組み立て、比較試験を行った。尚、実施例１ではナットの他にねじ軸にもショットピーニング処理を施し、比較例１ではナットの他にねじ軸もショットピーニング処理を施していない。
【００３１】
（トルク増加率）
回転速度を１００ｍｉｎ−１としたときのトルク値を基準とし、回転速度１ｍｉｎ−１で回転させた時のトルク値を測定した。結果を図６に示すが、実施例１のナットを用いることにより、比較例１のナットを用いた場合に比べてトルク増加率を格段に小さくすることができる。
【００３２】
図７のストライベック曲線に示すように、転がり装置において、同図の実線で示す未処理の波形のように、低速運転時のトルクが大きくなることが知られている。比較例１では、同図の実線で示すように、１ｍｉｎ−１のような低速においては境界潤滑状態となるため、油膜切れを起こして実測値においてもトルクが大きく上昇することが確認された。これに対してショットピーニング処理した実施例１では、同図の点線で示すように、低速においてトルクは上昇しないことが確認された。これは、軌道面の表面に油溜まりが形成されているため、油膜が切れにくいものと考えられる。
【００３３】
（トルク残存率）
回転速度１ｍｉｎ−１で低速運転し、１００往復した時のトルク残存率を測定した。結果を図８に示すが、実施例１のナットを用いた場合、１００往復後でもトルクが初期のまま残存している（残存率１００％）。これに対し、比較例１のナットを用いた場合、１００往復後のトルクが初期の３４％にまで低下している。即ち、実施例１のナットを用いることにより、トルク残存率の低下を少なく抑えることができる。
【００３４】
また、試験後にボールねじ装置を分解し、ナットの軌道面、ねじ軸の軌道面、ボールの表面の摩耗量を調べたところ、実施例１では摩耗が認められなかったのに対し、比較例１ではナットの軌道面で０．８μｍ、ねじ軸の軌道面０．３μｍ、ボールの表面で０．３μｍ摩耗していた。
【００３５】
（異物混入潤滑剤を用いた時のトルク残存率）
ＮＳＫグリースＬＲＬ３に珪砂を１質量％混入して、上記と同様にしてトルク残存率を測定した。結果を図９に示すが、実施例１では比較例１に比べて約２倍のトルク残存率を示しており、実施例１のナットを用いることにより、異物耐久性が向上することがわかる。
【００３６】
上記の試験から、ショットピーニング処理を施して突出山部の割合を小さくし、突出谷部の割合を大きくすることで、油膜形成状態の向上、潤滑剤の保持効果、摩耗粉や異物の補修効果、なじみの抑制等の効果を付与することができ、低摩擦化(図６)、低摩耗化(図８)、異物耐久性の向上(図９)等の作用が得られることがわかる。
【図１】
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【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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【図９】
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