(57)【要約】【課題】ボールねじのボールに適度な硬度と靭性を付与する。【解決手段】電動射出成形装置などにおける、高負荷駆動部で使用されるボールねじ１に使用される上記ボール９である。そのボール９は、浸炭窒化処理を施した後に焼き戻しすることで形成される表面硬化層を有し、その表面硬化層の残留オーステナイト量が３５体積％以上４５体積％以下である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面にねじ軸側転動溝を有するねじ軸と、ねじ軸の外周側に配置され、内周面にねじ軸側転動溝に対向するナット側転動溝を有するナットと、ナットに設けられ、上記ねじ軸側転動溝とナット側転動溝とで構成される負荷転動路の両端部を連通する連通路と、上記負荷転動路及び連通路で構成された無端状のボール循環路内に収容された軸受鋼からなる複数のボールと、を備えるボールねじに使用される上記ボールであって、
浸炭窒化処理を施した後に焼き戻しすることで形成される表面硬化層を有し、その表面硬化層の残留オーステナイト量が３５体積％以上４５体積％以下であることを特徴とするボールねじ用のボール。
【請求項２】
請求項１に記載したボールを上記ボール循環路内に収容したことを特徴とするボールねじ。
【請求項３】
請求項２に記載のボールねじが使用されることを特徴とする電動射出成形装置。
【請求項４】
請求項２に記載のボールねじが使用されたことを特徴とする電動プレス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールねじに係り、特に電動射出成形装置や電動プレス装置などに使用される高負荷駆動用のボールねじの低コスト化や長寿命化に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
電動射出成形装置や電動プレス装置などの高負荷駆動部に使用されるボールねじは、比較的大型で高荷重が負荷される。すなわち、このような高負荷駆動用のボールねじは、瞬間的に高負荷が加わる短いストロークで使用され、最大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が要求されるような厳しい条件下で使用される。
このような用途で用いられるボールねじは、例えばボールねじを組み込んだ機械そのものの剛性不足により、ねじ軸とナットとの間にこじりモーメント荷重が作用することは避けられない。このようなこじりモーメント荷重が付与された状態でボールねじが使用されると、ボールの公転速度が負荷領域内で異なることで、ボール同士が競り合い、ボールの早期損傷が起こるという問題があった。すなわち、ボール同士に競り合いが生じた場合、ボール同士の接触部においては、ボールは相対的に反対方向に運動をしているため、転動速度の２倍の速度の相対滑りが生じることとなり、ボールの磨耗やはくりと言った問題が起こりうる。
【０００３】
また、ひとたび傷ついたボールが、高負荷条件下で負荷転動路（転動溝）を転がる、あるいは、磨耗粉が生じた状態で且つ高負荷条件下でボールねじが使用されることにより、転動溝の表面起点はくりに代表される早期はくりも起こるという問題もあった。
また、このような高荷重条件下で使用されるボールねじでは、材料内部に大きな剪断力が作用し、材料内部が疲労し、やがてはくりに至るといった内部起点はくりも生じるという問題があった。
【０００４】
上記ボールの競り合いを解消する手段として、特許文献１には、負荷荷重を支持する負荷ボール間に、該負荷ボールより数μｍ〜数十μｍ程度直径の小さいスペーサボールを介在させたボールねじが提案されている。この特許文献１の技術では、スペーサボールの介在により、ボール同士の競り合いを低減若しくは解消することはできる。
【特許文献１】特開２０００−２９１７７０号公報
【特許文献２】特開平１１−３１５８３５号公報
【特許文献３】特開２０００−１９９５５６号公報
【特許文献４】特開２００１−２１０１８号公報
【特許文献５】特許第３５０６８５３号公報
【特許文献６】特許第３５３００７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１の技術では、スペーサボールが負荷を受けることはできないことから、実質的に負荷を受けるボールの数が減少することになり、ボールねじの許容負荷荷重が低下するという問題点がある。
ここで、許容負荷荷重の大幅な低減を抑え、且つボールの競り合いを防止したボールねじとして、例えば特許文献２，特許文献３，若しくは特許文献４に記載のようなボールねじがある。これらの特許文献に記載のボールねじでは、ボールの間にリテーニングピースを介挿させている。リテーニングピースは、ボールと対向する面に凹面を有する部品で、その凹面に夫々ボールを接触させて配置することにより、スペーサボールを用いたボールねじに比較して遙かに多くの負荷ボールを配置することができ、許容負荷容量の低下を抑えることができる。
【０００６】
しかしながら、このようなリテーニングピースをボール間に介挿することは、ボールねじの組立性を悪化させ、コストアップの大きな要因であった。
また、ボールの摩耗を防止し、耐久性を向上させるための技術としては、例えば特許文献５に記載の技術がある。すなわち、この特許文献５には、ボールの表面に浸炭窒化処理を施してボールの寿命を向上させたボールねじが提案されている。このボールねじは、ボールの表面を浸炭窒化処理することにより、ボール表面にマルテンサイト組織を多く析出させてボールの表面硬度を高め、亀裂敏感性を低下させようとしたものである。しかし、ボールの競り合いが生じたときには、ボールの表面を浸炭窒化処理して硬度を高めるだけでは、ボール表面の損傷を避けることはできず、軌道溝の早期損傷の一因となっていた。
【０００７】
さらにまた、特許文献６には、ボールねじのボールを重量比にして、Ｃ：０．８〜１．５％、Ｓｉ：０．４〜１．２％、Ｍｎ：０．８〜１．５％およびＣｒ：０．８〜１．８％を含有する鋼を素材とし、この素材を浸炭窒化処理した後、焼入れ処理と焼戻し処理を施し、ボール表層部の残留オーステナイト量を２０〜４０体積％とした高負荷用途のボールねじが開示されている。
ここで、残留オーステナイト量を少なくすれば、表面硬度は高くつまり硬くなるが、逆に靭性は低下し、磨耗粉等の異物が発生しやすくなる。硬い異物が混入した高負荷条件下でのボールねじの使用は、軌道溝の早期損傷の原因となりうる。また、靭性不足により最悪の場合にはボールの割れなども起こる可能性があった。
【０００８】
本発明は、上記のような点に着目して成されたもので、ボールねじ、特にナットにこじりモーメント荷重が付与される場合、具体的にはねじ軸の回転中心に対するナットの回転中心の傾き誤差が１／１００００以上、特に１／５０００以上ある場合のボールねじのボールに適度な硬度と靭性を付与することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、外周面にねじ軸側転動溝を有するねじ軸と、ねじ軸の外周側に配置され、内周面にねじ軸側転動溝に対向するナット側転動溝を有するナットと、ナットに設けられ、上記ねじ軸側転動溝とナット側転動溝とで構成される負荷転動路の両端部を連通する連通路と、上記負荷転動路及び連通路で構成された無端状のボール循環路内に収容された軸受鋼からなる複数のボールと、を備えるボールねじに使用される上記ボールであって、
浸炭窒化処理を施した後に焼き戻しすることで形成される表面硬化層を有し、その表面硬化層の残留オーステナイト量が３５体積％以上４５体積％以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載したボールを上記ボール循環路内に収容したことを特徴とするボールねじを提供するものである。
次に、請求項３に記載した発明は、請求項２に記載のボールねじが高負荷駆動部に使用されることを特徴とする電動射出成形装置を提供するものである。
次に、請求項４に記載した発明は、請求項２に記載のボールねじが高負荷駆動部に使用されたことを特徴とする電動プレス装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のボールは、高負荷用途に好適なボールであり、ボールねじのボールに適度な硬度と靭性を付与することが可能となる。この結果、リテーニングピースなどをボール間に介挿する必要は無く、高負荷駆動用のボールねじの低コスト化や長寿命化を図ることが出来る。
従って、高負荷駆動が要求される、電動射出成形装置や電動プレス装置用のボールねじとして好適となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施形態に係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。
（ボールねじの構成）
ボールねじ１は、図１，２に示すように、螺旋状に形成された、ねじ軸側転動溝３ａを外周面に有するねじ軸３と、上記ねじ軸側転動溝３ａに対向するナット側転動溝５ａを内周面に有するナット５と、両転動溝３ａ，５ａで形成される負荷転動路に転動自在に装填された複数のボール９と、を備えている。
【００１３】
ねじ軸３は、ナット５をねじ軸３の軸線方向に沿って案内するためのものであって、外周面の全長にわたって、ボール９の半径と略同じ曲率半径を有する断面半円形のねじ軸側転動溝３ａ、または、ボール９の半径よりも僅かに大きい曲率半径を有する円弧同士を中間部で交差させた、所謂ゴシックアーチ形状のねじ軸側転動溝３ａが形成されている。ねじ軸側転動溝３ａのピッチは、ボールねじ１が組み込まれる装置（図示せず）の仕様にしたがって任意に設定することができる。
【００１４】
ナット５は、ねじ軸３の軸線方向に沿って相対的に直線移動する部材であって、その内周面にはねじ軸側転動溝３ａと同一形状，同一ピッチのナット側転動溝５ａが形成されている。また、ナット５の一端には、前記装置のテーブル（図示せず）等に固定するためのフランジ１１が形成され、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、両転動溝３ａ，５ａにより形成される負荷転動路の一端側と他端側とを連通させチューブ１５（連通路）が、ナット５に設けられ、チューブ押え１７によって平面部１３に固定されている。このようなチューブ１５内を通ってボール９が移送され、転動溝５ａの一端側から他端側へボール９が循環されるようになっている。
【００１５】
また、ナット５の両端には、プラスチック製のダストシール１９が配され、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ようになっている。
ボール９は、転動することによって滑らかにナット５を直線移動させるためのものであって、転動溝３ａ，５ａで構成された負荷転動路内に転動自在に配されている。
【００１６】
次に、上記ボールねじ１の動作を説明する。モータ（図示せず）によってねじ軸３を回転させると、複数個のボール９を介して螺合したナット５は、ねじ軸３の軸線方向に直線移動する。このとき、転動溝３ａ，５ａは相対的に逆方向に回転するので、ボール９は転動溝３ａ，５ａに対して転動して転動溝３ａ，５ａ内を前進し、転動溝５ａの一端側に達したボール９は、チューブ１５内を転動して転動溝５ａの他端側に供給され、再び循環する。
上記ボールねじ１は、電動射出成形装置であれば、たとえば押し出しスクリューを進退させる駆動部や、型締め部を進退させる駆動部に使用され、電動プレス装置であれば、プレスを進退させる駆動部に使用され、例えばナット５側が固定されて、ねじ軸３側を進退させて使用される。
【００１７】
（ボールの構成）
このようなボールねじ１に使用されるボール９について説明する。
上記ボール９は、軸受鋼鋼材を素材し、表面に表面硬化層を有し、その表面硬化層の残留オーステナイト量が３５体積％以上４５体積％以下に設定されている。
次に、そのボール９の製造例について説明する。
素材として、Ｓｉ含有量０．５％以下、Ｃｒ＋２．５Ｍｏの総含有量が２．０％以下、好ましくは１．８％以下の軸受鋼鋼材を使用する。例えば、ＪＩＳで規定される高炭素クロム軸受鋼鋼材ＳＵＪ３相当材を用いる。
【００１８】
ここで、Ｓｉ含有量０．５％以下としたのは、それを越えてＳｉ含有量が多くなると、浸炭窒化が阻害され、炭素及び窒素の浸透深さが得られず、熱処理時間が必要以上に長くなったり、熱処理後の研摩仕上げに必要な処理層の厚さが得られなくなったりするためである。また、Ｓｉ含有量が多いと、著しい粒界酸化層が生成し、必要以上の研削代が必要となったり、仕上げ残りが発生したりする心配があるためである。
【００１９】
また、Ｃｒ＋２．５Ｍｏの総含有量を２．０％以下としたのは、それを越えてＣｒ＋２．５Ｍｏの総含有量が多いと、浸炭窒化処理の際に粗大な炭化物が生成する場合があり、ボール９の寿命を著しく低下させるからである。好ましくは、１．８％以下とするのがよい。
このような素材を、線材からヘッダー加工、フラッシング加工、及び粗旋削加工により素球を製作し、その素球に熱処理を施した後、さらにタンブラー加工（バレル加工）を施し、再度１５０〜１７０℃で焼戻しを行なった後、ボール９の表面（転動面）の表面粗さを０．０１μｍＲａ以下となるように仕上げ加工する。
上記熱処理は、ＲＸガスとエンリッチガスとアンモニアガスとを含む雰囲気下で、８００℃から９００℃の間で３時間浸炭窒化焼入れを施し、表面に表面硬化層を形成した。その後に１８０〜２７０℃で焼戻しを行い、表面硬化層の残留オーステナイト量γＲを３５体積％以上４５体積％以下に調整した。
【００２０】
（作用効果）
上記のようなボール９を使用したボールねじ１にあっては、そのボールねじ１を、電動射出成形装置や電動プレス装置などの高負荷駆動が要求される装置における、高負荷駆動部に使用することで、瞬間的に高負荷が加わる短いストロークで使用されて、最大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が要求されるような厳しい条件下で使用されても、ボール９の表面に、転がり装置として十分な硬度を得ることができ、なおかつ、適度な靭性を付与できる結果、リテーニングピースを介装しなくても、ボール９の競り合いによるボール９のはくりを抑制することができる。
【００２１】
また、ボール９の表面形状が崩れにくいだけではなく、ボールねじ１が最大荷重を受けた後に停止して反転する際に発生するような衝撃荷重を緩和することができ、転動溝３ａ、５ａ、ボール９の内部疲労を低減する、すなわち内部起点型のはくりの発生を抑制することができる。
本発明案によるボールねじ１は、ボール９に適度な硬度と靭性を付与している為に早期損傷が起こりにくい。
また、上述のように、ボール９間に介挿するリテーニングピースを必要としない為に、ボールねじ１の組立性が向上し、安価に製造出来る。
【実施例】
【００２２】
上記実施形態で説明したボール９を使用したボールねじ１について、耐久試験を行った。耐久試験は、ボール９、ねじ軸３、ナット５のいずれかはくりが生じた時点を寿命と判断した。
試験条件は下記の通りである。
ボールねじの条件
ねじ軸３の外径：φ６３ｍｍ
リード：１６ｍｍ
ボール９の直径：１２．７ｍｍ
ねじ軸３、ナット５の材質：ＳＣＭ４２０Ｈ
潤滑：リューベ（株）製ＹＳ２グリース
【００２３】
そして、下記の負荷を掛けた状態で、ナット５に対しねじ軸３を所定ストロークだけ進退させた（なお、ストローク量：８０ｍｍ、回転数：５００ｒｐｍに設定した）。  
負荷条件
試験荷重：３００［ｋＮ］
こじりモーメント：４．２［ｋＮ・ｍ］（電動射出成形装置の実機相当）
ここで、上記ねじ軸３、およびナット５は、ＪＩＳで規定される浸炭用鋼ＳＣＭ４２０Ｈを所定の形状に旋削加工した後、熱処理を施したものである。熱処理後、転動溝を所定の形状に０．３μｍＲａ程度となるように仕上げ加工した。
その試験結果を、表１に示す。また、その結果を、残留オーステナイト量と寿命比との関係にしたグラフを図３示す。
表１中、γＲは、表面硬化層の残留オーステナイト量を示す。
【００２４】
【表１】
2008111465.tif 000003
【００２５】
ここで、表１中、実施例１〜５は、本発明の範囲である、ボール９の表面に形成した表面硬化層の残留オーステナイト量γＲが３５〜４５体積％のボールを使用したものである。
また、比較のために、浸炭窒化処理を施した後に焼き戻しを施すことで形成される表面硬化層を有するが、その表面硬化層の残留オーステナイト量が本発明の範囲外であるボール９を使用したものも併記した。なお、寿命比は、比較例４を基準とした。
【００２６】
この表１から分かるように、こじりモーメントが負荷された使用状態において、本発明に基づく実施例１〜５では、いずれも比較例４と比較して約１．１５〜１．６倍の寿命であり、長寿命傾向である。また、本実施例の破損形態は、ねじ軸３、ナット５、ボール９に分散されてバランス良く損傷している。
特に、残留オーステナイト量γＲが４０体積％を越えると、長寿命化傾向が顕著であることが分かる。このことから、残留オーステナイト量γＲは、好ましくは４０体積％より多く且つ４５体積％以下であることが望ましい。
【００２７】
一方、比較例１〜４から分かるように、ボール９の残留オーステナイト量γＲを３５％未満にすると、いずれもボール９の靭性不足の為、ボール９の競り合いによりボール９にはくりが生じた。
また、比較例５から分かるように、ボール９の残留オーステナイト量γＲを４５体積％よりも多くして４９体積％とすると、ボール９硬度が不足しているために、早期にボール９にはくりが生じた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に基づく実施形態に係るボールねじを示す平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】こじりモーメントが負荷された状態における、残留オーステナイト量と寿命比との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ボールねじ
３  ねじ軸
３ａ  ねじ軸側転動溝
５  ナット
５ａ  ナット側転動溝
９  ボール
【図１】
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【図２】
2008111465.tif 000005
【図３】
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