(57)【要約】      （修正有）【課題】高荷重が負荷されこじりによるモーメントが作用するような条件下で使用されても、ナットの早期損傷が生じにくく長寿命なボールねじを提供する。【解決手段】ボールねじ１は、ねじ溝３ａを有するねじ軸３と、ねじ軸３のねじ溝３ａに対向するねじ溝５ａを有するナット５と、両ねじ溝３ａ，５ａにより形成される螺旋状のボール転動路７に転動自在に装填された複数のボール９と、隣接するボール９の間に配されたリテーニングピース１１と、を備えている。ナット５は、日本工業規格ＪＩＳ  Ｇ４０５２に規定された鋼材ＳＣＭ４１５Ｈ，ＳＣＭ４２０Ｈ，ＳＣＭ４３５Ｈ，又はＳＣＭ４４０Ｈで構成されている。そして、ナット５には浸炭処理が施されており、ねじ溝５ａの表層部には浸炭層が形成されている。この浸炭層の炭素濃度は０．６５質量％以上０．９５質量％未満であり、残留オーステナイト量は１５体積％以上３０体積％以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記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、前記両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填された多数のボールと、隣接する前記ボールの間に配され前記ボールの転動面に対面する２つの凹面を有するリテーニングピースと、を備えるボールねじにおいて、
前記ナットは、日本工業規格ＪＩＳ  Ｇ４０５２に規定された鋼材ＳＣＭ４１５Ｈ，ＳＣＭ４２０Ｈ，ＳＣＭ４３５Ｈ，又はＳＣＭ４４０Ｈで構成されるとともに、
前記ナットのねじ溝の表層部には、炭素濃度が０．６５質量％以上０．９５質量％未満である浸炭層が浸炭処理により形成されており、この浸炭層の残留オーステナイト量が１５体積％以上３０体積％以下であることを特徴とするボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はボールねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボールねじは、外周面にねじ溝が形成されたねじ軸と、該ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝が内周面に形成されたナットと、両ねじ溝により形成されるボール転動路内に転動自在に装填された多数のボールと、で構成されている。そして、ねじ軸とナットとを相対回転させると、ボールはボール転動路内を転動しながら移動し、ねじ軸とナットとがボールの転動を介して軸方向に相対直線運動するようになっている。このようなボールねじのねじ軸とナットで、ボールとの接触回数を比較すると、ナットの方が多い。そのため、ナットの方がねじ軸よりも早く損傷する傾向がある（昭和５７年度精機学会秋季大会学術講演論文集のボールねじの寿命に関する研究（第２報）等を参照）。
【０００３】
特に、電動射出成形機や電動プレス機等で使用されるボールねじは、比較的大型で且つ高荷重が負荷されるものであり、瞬間的に高負荷が作用し、負荷が作用した状態で一旦停止した後に逆回転する（往復運動）という厳しい条件下で使用される。よって、ナットに早期の損傷がより生じやすい。なお、以降においては、上記のような原因でナットに早期に生じる損傷を「早期損傷」と記すこともある。
さらに、上記のような用途のボールねじにおいては、機台にボールねじを取り付ける際に取り付け誤差が大きかったり機台の変形が生じたりすると、こじり（すなわち、ねじ軸とナットとの間の相対的な傾き）が発生するおそれがある。そして、こじりによるモーメントがボールねじに作用すると、ナット内での負荷バランスが崩れ、各ボール間に公転速度差が生じ、ボール同士の競り合いが起こるおそれがある。また、ボールとの接触面圧の高い部分がナット内に常に存在することになるため、前述のボールとの接触回数が多いことと相まって、ナットの剥離寿命が低下することとなる。
【特許文献１】特開２００１−２１０１８号公報
【特許文献２】特開２００５−１５５７１４号公報
【特許文献３】特開２００６−８３９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、隣接するボールの間にリテーニングピースを介装して、特に高荷重条件下におけるボール同士の競り合いを抑制したボールねじが開示されている。しかしながら、リテーニングピースは、ナットに早期に損傷が生じやすいという前記問題の対策としては、有効ではない。
また、特許文献２には、ねじ軸及びナットを構成する合金鋼の種類、並びに、ねじ溝の表面層の残留オーステナイト量及びビッカース硬さＨｖを規定したボールねじが開示されている。このボールねじは、高荷重条件下で使用されても摩耗が生じにくく長寿命であるが、寿命のさらなる改良が望まれていた。
【０００５】
さらに、特許文献３には、ねじ軸及びナットを構成する鋼材の種類、並びに、ねじ溝の表層部の炭素含有率、炭化物の量、及び残留オーステナイト量を規定したボールねじが開示されている。このボールねじは、高荷重下で使用されてこじりによるモーメントが作用しても長寿命である。しかしながら、ナットの内径部やねじ軸の外径部（いわゆるランド部）に粗大な炭化物又はトルースタイトが析出することにより、研削割れが生じやすいという問題点を有していた。
そこで、本発明は、上記のような従来のボールねじが有する問題点を解決し、高荷重が負荷されこじりによるモーメントが作用するような条件下で使用されても、ナットの早期損傷が生じにくく長寿命なボールねじを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１のボールねじは、螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記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、前記両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填された多数のボールと、隣接する前記ボールの間に配され前記ボールの転動面に対面する２つの凹面を有するリテーニングピースと、を備えるボールねじにおいて、前記ナットは、日本工業規格ＪＩＳ  Ｇ４０５２に規定された鋼材ＳＣＭ４１５Ｈ，ＳＣＭ４２０Ｈ，ＳＣＭ４３５Ｈ，又はＳＣＭ４４０Ｈで構成されるとともに、前記ナットのねじ溝の表層部には、炭素濃度が０．６５質量％以上０．９５質量％未満である浸炭層が浸炭処理により形成されており、この浸炭層の残留オーステナイト量が１５体積％以上３０体積％以下であることを特徴とする。
【０００７】
ナットのねじ溝の表層部に上記のような炭素濃度の浸炭層が形成されているため、ナットのねじ溝の表面硬さが適度なものとなる。また、浸炭層の炭素濃度が０．９５質量％未満であるため、ナットの内径部（特にランド部）に粗大な炭化物又はトルースタイトが析出することが抑制される。そのため、ナットに研削割れが生じにくい。さらに、浸炭層の残留オーステナイト量が適度な量であるため、ねじ溝の表面の硬さや靱性が適度となり、ナットの早期損傷が発生しにくくボールねじが長寿命となる。
さらに、隣接するボールの間にリテーニングピースが介装されているので、ボール同士の競り合いが生じにくく、該競り合いによるボールねじの損傷が抑制される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のボールねじは、高荷重が負荷されこじりによるモーメントが作用するような条件下で使用されても、ナットの早期損傷が生じにくく長寿命である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係るボールねじの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態であるボールねじの平面図であり、図２は図１のボールねじのＡ−Ａ断面図である。
図１，２に示すように、ボールねじ１は、螺旋状のねじ溝３ａを外周面に有するねじ軸３と、ねじ軸３のねじ溝３ａに対向する螺旋状のねじ溝５ａを内周面に有するナット５と、両ねじ溝３ａ，５ａにより形成される螺旋状のボール転動路７に転動自在に装填された複数のボール９と、隣接するボール９の間に配されたリテーニングピース１１と、を備えている。そして、ボール９を介してねじ軸３に螺合されているナット５とねじ軸３とを相対回転運動させると、ボール９の転動を介してねじ軸３とナット５とが軸方向に相対移動するようになっている。なお、ねじ溝３ａ，５ａの断面形状は、円弧状でもよいしゴシックアーク状でもよい。
【００１０】
ナット５の外周面の一部は、切り欠かれて平面部１３が形成されている。そして、ボール転動路７の始点と終点とを連通させて無端状のボール循環路を形成するチューブ１５が、チューブ押え１７によって平面部１３に固定されている。ボール９は、ボール転動路７内を移動しつつねじ軸３の回りを複数回回ってボール転動路７の終点に至ると、チューブ１５の一方の端部から掬い上げられてチューブ１５内を通り、チューブ１５の他方の端部からボール転動路７の始点に戻される。このように、ボール転動路７内を転動するボール９がチューブ１５により無限に循環されるようになっているので、ねじ軸３とナット５とは継続的に相対移動することができる。
【００１１】
また、隣接するボール９の間にボール９同士の接触を防ぐリテーニングピース１１が介装されているので、ボール９同士の競り合いが解消され、ボール９の移動がより円滑に行われる。よって、ボール９の循環性能やボールねじ１の送り精度が優れ、騒音や振動の発生もより一層抑制される。
リテーニングピース１１の形状は、図３の断面図から分かるように略円柱状であり、円柱の２つの底面に、ボール９の転動面に対面する凹面１１ａ，１１ａがそれぞれ形成されている。また、このリテーニングピース１１には、図３に示すように、円柱の中心軸に沿った貫通穴１１ｂを設けてもよい。さらに、リテーニングピース１１の材質は特に限定されるものではないが、例えば、それ自体に潤滑作用を有するポリアミド（例えば６６ナイロン）やフッ素樹脂、あるいは潤滑油を含浸させたポリエチレン等である。
【００１２】
一方、ナット５は、日本工業規格ＪＩＳ  Ｇ４０５２に規定された鋼材ＳＣＭ４１５Ｈ，ＳＣＭ４２０Ｈ，ＳＣＭ４３５Ｈ，又はＳＣＭ４４０Ｈで構成されている。そして、ナット５には浸炭処理が施されており、ねじ溝５ａの表層部には図示しない浸炭層が形成されている。この浸炭層の炭素濃度は０．６５質量％以上０．９５質量％未満であり、残留オーステナイト量は１５体積％以上３０体積％以下である。
【００１３】
このようなボールねじ１は、電動射出成形機や電動プレス機に組み込まれた型締装置の型締機構に好適に使用することができる。すなわち、電動モータでボールねじを駆動することにより型締装置の型締を行う型締機構におけるボールねじとして好適である。ただし、本発明のボールねじは、上記のような比較的大型で且つ高荷重が負荷される用途に好適であるが、上記の用途に限定されるものではない。
【００１４】
ここで、ねじ溝５ａの表層部に形成された浸炭層の炭素濃度の臨界的意義について説明する。一般に、浸炭鋼に浸炭処理を施すと、表面の炭素濃度を１質量％程度まで上げることができ、焼入れ処理をすることによって表面硬さも上げることができる。炭素濃度が０．６５質量％未満であると、焼入れ性が不十分となるため、鋼材の表面の強化が不十分となり、早期に剥離が生じるおそれがある。したがって、浸炭層の炭素濃度は０．６５質量％以上である必要があり、０．７質量％以上であることがより好ましい。
【００１５】
一方、ボールねじは、転がり軸受とは異なり、軸に沿う断面で見た場合には転動体の軌道が多数隣接して並んでいる構造となっている。そして、電動射出成形機に用いられるボールねじの場合には、高負荷容量を確保するために、軸径に対してボール径を可能な限り大きくしているので、隣接する軌道（ねじ溝）の間の距離が非常に小さくなっている。よって、浸炭処理時にはシャープエッジ部が優先的に処理されるため、シャープエッジ部の炭化物の析出が加速され、粗大な炭化物が析出しやすい。このような、いわゆる角部に析出する粗大な炭化物は、ねじ溝の研削時に研削割れにつながるため、ボールねじの生産性に悪影響を及ぼす。炭素濃度の向上はねじ溝の寿命向上に対して有効な手段であるが、上記のような研削割れを抑制するためには浸炭層の炭素濃度は０．９５質量％未満とする必要がある。
【００１６】
次に、前記浸炭層の残留オーステナイト量の臨界的意義について説明する。残留オーステナイトは軟らかく粘性を有する金属組織なので、ねじ溝の表層部に存在させることにより、圧痕の原因となるエッジ部分における応力集中を緩和することができる。その結果、剥離の発生原因であるクラックの発生を抑制することができる。また、表層部に存在する残留オーステナイトは、ボールねじの駆動時に圧痕を通過する部材（例えばボール）の相対通過回数が所定数を超えると、表面に加わる変形エネルギーによってマルテンサイトに変態し硬化するので、ボールねじ内に摩耗粉等が混入するような異物混入潤滑下においてはボールねじの寿命が向上する。また、残留オーステナイトは、摩耗や表面疲労の抑制に対しても有効であるため、ボールねじの寿命が向上する。
【００１７】
このような効果を十分に得るためには、浸炭層の残留オーステナイト量を１５体積％以上３０体積％以下とする必要がある。１５体積％未満であると、靱性が不十分となって摩耗や表面疲労の抑制が十分に行われないため、寿命の向上が不十分となるおそれがある。一方、残留オーステナイト量が３０体積％超過であると、表面硬さが低下して耐疲労性が不十分となる。
【００１８】
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、ねじ軸３とボール９の材質については特に限定されるものではなく、ボールねじのねじ軸やボールの材質として一般的に使用されるものを問題なく採用することができる。ねじ軸３については、ナット５と同種の鋼材を用い、同様の浸炭処理を施して同様の浸炭層を形成したものでもよい。
また、ボール転動路７内には、両ねじ溝３ａ，５ａの溝面及びボール９の表面を潤滑するグリースを配してもよい。
さらに、ナット５の両端には、プラスチック製のダストシール１９を配してもよい。そうすれば、異物が外部からナット５内部に侵入することが防止される。
【００１９】
〔実施例〕
以下に、さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。前述したボールねじ１とほぼ同様の構成を有する日本精工株式会社製のボールねじ（ＪＩＳ  Ｂ１１９２  ６３×１６×３００−Ｃｔ７）を、日本精工株式会社製のボールねじ耐久試験機に装着して、耐久試験を行った。
【００２０】
このボールねじの仕様は、以下の通りである。
・ねじ軸の直径：６３ｍｍ
・リード      ：１６ｍｍ
・ボールの直径：１２．７ｍｍ
・回路数      ：３．５巻×３列
・基本動定格荷重：４５０ｋＮ
・ナットの素材：ＳＣＭ４２０Ｈ
・リテーニングピース：あり
【００２１】
耐久試験に供した実施例１〜７及び比較例１〜１３のボールねじは、ナットのねじ溝の表層部に形成された浸炭層の炭素濃度及び残留オーステナイト量が異なっている（表１を参照）。
なお、ナットの熱処理条件は以下の通りである。まず、９３０〜９６０℃で８〜１５時間浸炭処理を施し、冷却後、８３０〜９００℃で２時間焼入れを行い、１６０〜２００℃で１．５〜２．５時間焼戻しを行った。
また、炭素濃度は、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）によりライン分析した値であり、残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定した値である。いずれも、ねじ溝のうちボールが走行していない部分について測定を行った。また、端面を測定したことによる測定誤差を排除するために、ねじ溝の表面から２０μｍ内方の部分を測定した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
次に、ボールねじの耐久試験について説明する。ボールねじを、日本精工株式会社製のボールねじ耐久寿命試験機に装着して、ナットの外径部を８０℃に保持しながら、約２００ｋＮの軸方向荷重を負荷しつつ回転させた。そして、ねじ軸のねじ溝，ナットのねじ溝，又はボールに剥離が生じるまでの走行距離を、ボールねじの寿命とした。なお、ボールねじの潤滑は、リューベ株式会社製のＹＳ２グリースを自動給脂装置で自動供給することにより行った。
【００２４】
試験結果を表１及び図４のグラフに示す。なお、表１及び図４のグラフにおける寿命の値は、比較例９のボールねじの寿命を１とした場合の相対値で示してある。また、表１及び図４のグラフにおける「γＲ」は残留オーステナイト量を意味する。
表１から分かるように、実施例１〜７のボールねじは、比較例９のボールねじと比べて長寿命であった。しかも、比較例９のボールねじがナットに剥離が生じたのに対して、実施例１〜７のボールねじは、ナットには剥離は生じずねじ軸に剥離が生じた。
【００２５】
比較例１，２のボールねじは、残留オーステナイト量は１５体積％以上３０体積％以下であるが、炭素濃度が０．６５質量％未満であるため、浸炭処理による強化が不十分となりナットに早期剥離が生じた。
また、比較例３〜８のボールねじは、残留オーステナイト量が１５体積％未満であるため、残留オーステナイトによる寿命向上効果が不十分となり、摩耗に起因する剥離や圧痕起点による剥離がナットに生じた。
【００２６】
さらに、比較例９，１０のボールねじは、残留オーステナイト量が３０体積％超過であるため、表面硬さの不足から表面疲労に至り、ナットに剥離が生じた。
さらに、比較例１１，１２のボールねじは、炭素濃度が０．９５質量％以上であるが、ナットの研削中に内周面とねじ溝の溝面との境界部近傍に割れが生じた。そのため、耐久試験は行えなかった。
さらに、比較例１３は、リテーニングピースを備えていないボールねじ、いわゆる総ボール仕様のボールねじの例であるが、ボール同士の競り合いによりボールが早期に損傷した。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係るボールねじの一実施形態の平面図である。
【図２】図１のボールねじのＡ−Ａ断面図である。
【図３】リテーニングピースの断面図である。
【図４】ナットのねじ溝の表層部に形成された浸炭層の炭素濃度とボールねじの寿命との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１      ボールねじ
３      ねじ軸
３ａ    ねじ溝
５      ナット
５ａ    ねじ溝
７      ボール転動路
９      ボール
１１      リテーニングピース
１１ａ    凹面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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