(57)【要約】【課題】熱処理時に発生する粒界酸化層を抑制し、耐久性に優れたボールねじおよびその製造方法を提供する。【解決手段】ナット１が肌焼き鋼からなり、素材の中心に所定の内周面がドリル加工で開けられる工程Ｌ１と、素材の外周面および内周面がバイトで仕上げ加工される工程Ｌ２と、ボール転走溝が汎用バイトでポイント旋削される工程Ｌ３と、この旋削されたワークが真空浸炭焼入れされる工程Ｌ４と、この後、ボール転走溝にショットブラスト処理される工程Ｌ５とからなるので、通常のガス浸炭に比べ表層に粒界酸化層等の表面異常組織や軟化層の発生を抑え、耐疲労性や耐摩耗性を向上させると共に、熱処理後のショットピーニング等で表面粗さの改善や圧縮残留応力を付加する工程が不要となり、品質の安定とトータルコストを低減させることができる。【選択図】図２
2008275095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたナットと、
このナットに内嵌され、外周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、
対向する両ねじ溝によりボール転動路が構成され、このボール転動路に転動自在に収容された多数のボールとを備えたボールねじにおいて、
前記ナットが肌焼き鋼からなり、前記ボール転走溝が切削加工によって形成されると共に、後加工なしで真空浸炭焼入れによって表面が硬化処理されていることを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
前記ねじ軸が肌焼き鋼から形成され、ボール転走溝が転造加工によって形成されると共に、後加工なしで真空浸炭焼入れによって表面が硬化処理されている請求項１に記載のボールねじ。
【請求項３】
内周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたナットと、
このナットに内嵌され、外周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、
対向する両ねじ溝によりボール転動路が構成され、このボール転動路に転動自在に収容された多数のボールとを備えたボールねじの製造方法において、
前記ナットが肌焼き鋼からなり、前記ボール転走溝が汎用バイトで旋削される工程と、この旋削されたワークが真空浸炭焼入れされる工程とが含まれていることを特徴とするボールねじの製造方法。
【請求項４】
前記ボール転走溝が、切刃のノーズ半径が前記ボール転走溝の溝曲率半径よりも小さな汎用バイトを用い、この汎用バイトを前記ボール転走溝の有効長さ分だけ複数回移動させて、各回の移動経路を前記ボール転走溝の断面形状の円弧方向に順次ずらせることにより当該ボール転走溝全体が旋削される請求項３に記載のボールねじの製造方法。
【請求項５】
前記真空浸炭焼入れ後、前記ボール転走溝にショットブラストまたはタンブラー処理が施される請求項３または４に記載のボールねじの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の電動パワーステアリング装置や電動アクチュエータ等に用いられ、多数のボールが転動する螺旋状のボール転走溝が形成されたボールねじおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボールねじは、外周に螺旋状のボール転走溝が形成されたボールねじ軸と、円筒面内に螺旋状のボール転走溝が形成されたボールねじナットと、対応する両ボール転走溝で構成されたボール転動路内に転動自在に収容された多数のボールとからなり、ボールねじ軸あるいはボールねじナットの回転を軸方向の並進運動に変換する機械要素である。
【０００３】
従来、このボールねじナットは、切削と研削とによって内周にボール転走溝が形成されるのが一般的である。すなわち、ドリルを用いて素材に下孔が開けられ、バイトでこの下穴の周面に螺旋状のボール転走溝が切削加工される。次に、浸炭焼入れ等の熱処理が行われた後、円筒研削盤等で外径部の研削加工が行われ、最後に砥石を用いて切削されたボール転走溝の表面が研削加工される。
【０００４】
最近、自動車用アクチュエータ等に使用されるボールねじにおいては、ボールねじの低価格化の要求が強く、種々なボールねじが提案されている。その中で、例えば、図７に示すように、素材の中心に所定の内周面をドリル加工で開ける工程Ｐ１と、素材の外周面および内周面をバイトで仕上げ加工する工程Ｐ２と、内周面にタッピング工具を挿入し、ボール転走溝を切削加工する工程Ｐ３と、ボール転走溝を浸炭焼入れして所定の硬化層を形成する熱処理工程Ｐ４と、この熱処理工程の後にスチールビーズによるショットピーニング処理を行う工程Ｐ５とを備えたボールねじナットの製造方法が提案されている。
【０００５】
この製造方法を採用することにより、従来のような砥石を用いてボール転走溝を研削する研削工程が必要なくなり、加工コストの低減を図ると共に、ショットピーニング処理により、表面に粒界酸化層等の異常層を排除しながら、表面硬さや圧縮残留応力等の長寿命化に影響する表面特性を改善することができる。
【特許文献１】特開２００５−９０５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
こうした従来のボールねじナットの製造方法では、ナットのボール転走溝が熱処理後に研削加工されなくても、ショットピーニング処理により、表面に粒界酸化層等の異常層を排除される。然しながら、図８に模式的に示すように、ショットピーニング処理を行う工程で、スチールビーズ等からなるメディアをナットのボール転走溝に投射した場合、このメディアが直接当らない領域が発生する。このため、投射方向を反転させて再度メディアを投射する必要がある。これでは、加工工数が嵩んで製造コストが高騰すると共に、メディアが２回当る領域と１回当る領域およびこれらの領域の境界領域との間の表面性状に差異が生じるだけでなく、形状崩れが発生して寸法・精度が損なわれる恐れがあった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、熱処理時に発生する粒界酸化層を抑制し、耐久性に優れたボールねじおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、内周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたナットと、このナットに内嵌され、外周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、対向する両ねじ溝によりボール転動路が構成され、このボール転動路に転動自在に収容された多数のボールとを備えたボールねじにおいて、前記ナットが肌焼き鋼からなり、前記ボール転走溝が切削加工によって形成されると共に、後加工なしで真空浸炭焼入れによって表面が硬化処理されている。
【０００９】
このように、ナットが肌焼き鋼から形成され、ボール転走溝が切削加工によって形成されると共に、後加工なしで真空浸炭焼入れによって表面が硬化処理されているので、処理後は処理前と同様、銀白色の表面状態が維持できると共に、酸化成分が排気されるので、通常のガス浸炭に比べ表層に粒界酸化層が発生するのを抑制でき、表面異常組織や軟化層が存在しない。したがって、耐疲労性や耐摩耗性が向上し、耐久性に優れたボールねじを提供することができる。
【００１０】
好ましくは、請求項２に記載の発明のように、前記ねじ軸が肌焼き鋼から形成され、ボール転走溝が転造加工によって形成されると共に、後加工なしで真空浸炭焼入れによって表面が硬化処理されていれば、低コスト化を図ると共に、耐疲労性や耐摩耗性が向上し、耐久性に優れたボールねじを提供することができる。
【００１１】
また、本発明のうち請求項３に記載の方法発明は、内周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたナットと、このナットに内嵌され、外周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、対向する両ねじ溝によりボール転動路が構成され、このボール転動路に転動自在に収容された多数のボールとを備えたボールねじの製造方法において、前記ナットが肌焼き鋼からなり、前記ボール転走溝が汎用バイトで旋削される工程と、この旋削されたワークが真空浸炭焼入れされる工程とが含まれている。
【００１２】
このような製造方法を採用することにより、通常のガス浸炭に比べ表層に粒界酸化層等の表面異常組織や軟化層の発生を抑え、耐疲労性や耐摩耗性を向上させると共に、熱処理後のショットピーニング等で表面粗さの改善や圧縮残留応力を付加する工程が不要となり、品質の安定とトータルコストを低減させることができる。
【００１３】
好ましくは、請求項４に記載の発明のように、前記ボール転走溝が、切刃のノーズ半径が前記ボール転走溝の溝曲率半径よりも小さな汎用バイトを用い、この汎用バイトを前記ボール転走溝の有効長さ分だけ複数回移動させて、各回の移動経路を前記ボール転走溝の断面形状の円弧方向に順次ずらせることにより当該ボール転走溝全体が旋削されれば、所望の寸法・精度と良好な表面粗さを確保することができると共に、熱処理後の研削加工あるいは旋削加工を廃止することができ、低コスト化を図ることができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明のように、前記真空浸炭焼入れ後、前記ボール転走溝にショットブラストまたはタンブラー処理が施されれば、切削加工によって発生したボール転走溝のバリを効果的に除去することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るボールねじは、内周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたナットと、このナットに内嵌され、外周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、対向する両ねじ溝によりボール転動路が構成され、このボール転動路に転動自在に収容された多数のボールとを備えたボールねじにおいて、前記ナットが肌焼き鋼からなり、前記ボール転走溝が切削加工によって形成されると共に、後加工なしで真空浸炭焼入れによって表面が硬化処理されているので、処理後は処理前と同様、銀白色の表面状態が維持できると共に、酸化成分が排気されるので、通常のガス浸炭に比べ表層に粒界酸化層が発生するのを抑制でき、表面異常組織や軟化層が存在しない。したがって、耐疲労性や耐摩耗性が向上し、耐久性に優れたボールねじを提供することができる。
【００１６】
また、本発明に係るボールねじの製造方法は、内周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたナットと、このナットに内嵌され、外周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、対向する両ねじ溝によりボール転動路が構成され、このボール転動路に転動自在に収容された多数のボールとを備えたボールねじの製造方法において、前記ナットが肌焼き鋼からなり、前記ボール転走溝が汎用バイトで旋削される工程と、この旋削されたワークが真空浸炭焼入れされる工程とが含まれているので、通常のガス浸炭に比べ表層に粒界酸化層等の表面異常組織や軟化層の発生を抑え、耐疲労性や耐摩耗性を向上させると共に、熱処理後のショットピーニング等で表面粗さの改善や圧縮残留応力を付加する工程が不要となり、品質の安定とトータルコストを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
内周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたナットと、このナットに内嵌され、外周面に螺旋状のボール転走溝が形成されたねじ軸と、対向する両ねじ溝によりボール転動路が構成され、このボール転動路に転動自在に収容された多数のボールとを備えたボールねじの製造方法において、前記ナットが肌焼き鋼からなり、素材の中心に所定の内周面がドリル加工で開けられる工程と、素材の外周面および内周面がバイトで仕上げ加工される工程と、前記ボール転走溝が汎用バイトでポイント旋削される工程と、この旋削されたワークが真空浸炭焼入れされる工程と、この後、前記ボール転走溝にショットブラスト処理される工程とからなる。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るボールねじの一実施形態を示す縦断面図である。
【００１９】
ボールねじは、内周面１ａに螺旋状のボール転走溝２が形成されたナット１と、このナット１に内嵌され、外周面に螺旋状のボール転走溝４が形成されたねじ軸３と、対向する両ねじ溝２、４によりボール転動路が構成され、ナット１のボール転走溝２を連結する連結溝５が形成された駒部材６と、ボール転動路に転動自在に収容された多数のボール７とを備えている。そして、駒部材６によってボール７が無限循環することができる。
【００２０】
このボールねじにおけるナット１およびねじ軸３はＳＣＭ４３０等の肌焼き鋼からなり、ボール転走溝２、４が、後述する汎用バイト８によるポイント切削により形成されている。なお、ボール循環方式は駒式に限らず、リターンチューブ式やエンドキャップ式であっても良い。
【００２１】
ここで、ボール転走溝２、４は、ボール７の半径よりも僅かに大きい曲率半径の２つの円弧を組み合わせた、所謂ゴシックアーク溝に形成されている。このボール転走溝２、４の断面形状はサーキュラアーク形状であっても良いが、ボール７との接触角が大きくとれ、アキシアルすきまを小さく設定できるゴシックアーク形状が好ましい。これにより、軸方向荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動を抑制することができる。
【００２２】
図２に、本実施形態におけるナット１の製造工程を示す。最初に、円柱状の素材の中心に所定の内周面１ａがドリル等で形成される（Ｌ１）。次に、素材の外周面および内周面１ａが切削バイトで仕上げ加工される（Ｌ２）。そして、ナット１の内周面１ａに汎用バイト８が挿入され、それぞれの位相をＮＣ制御しながらポイント切削される（Ｌ３）。その後、真空浸炭焼入れによる熱処理が行われ（Ｌ４）、最終的にボール転走溝２にショットブラスト処理が施される（Ｌ５）。
【００２３】
ここで、ポイント切削は、図３に示すように、生材の筒状ワークＷ（１）が図示しない旋盤の主軸チャックで把持され、所定の方向に回転された状態で汎用バイト８によって旋削加工される。この汎用バイト８は、径方向に進退自在に、かつ軸方向に移動自在に支持されたホルダー９に固定されている。そして、汎用バイト８の切刃８ａのノーズ半径Ｒ２が、ボール転走溝２の溝曲率半径Ｒ１よりも小さな汎用バイト８を用い、所謂ポイント切削で行われる。すなわち、この汎用バイト８をボール転走溝２の有効長さ分だけ複数回移動させて、各回の移動経路をボール転走溝２の円弧方向に順次ずらせることによりボール転走溝２の成形が行われる。
【００２４】
次に、図４（ａ）〜（ｊ）を用いてボール転走溝２の加工工程を詳細に説明する。
図４（ａ）は、旋削加工前の棒状の生材を示し、（ｂ）〜（ｄ）の順に、切刃８ａがワークＷの軸心方向に送られて、ボール転走溝２の概略形状が汎用バイト８の切刃８ａによって成形される。ここで、切刃８ａのノーズ半径Ｒ２をボール転走溝２の溝曲率半径Ｒ１に近付けて寸法設定することにより、切刃８ａを軸方向に移動させることなくボール転走溝２の概略形状が得られ、加工時間を短縮することができる。
【００２５】
そして、図４（ｅ）に示すように、ボール転走溝２ａの旋削加工がある程度進んだ段階でポイント切削が開始される。（ｅ）〜（ｊ）に示すように、切刃８ａをボール転走溝２の有効長さ分だけ複数回移動させて、各回の移動経路をボール転走溝２の円弧方向に順次ずらせることによりボール転走溝２の全体形状が旋削される。本実施形態では、ボール転走溝２がゴシックアーチ形状であっても、汎用バイト８の切刃８ａのノーズ半径Ｒ２がボール転走溝２の溝曲率半径Ｒ１よりも小さく設定されているので、加工するボール転走溝２と対向するボール転走溝２に干渉することはない。
【００２６】
ここで、図５に示すように、ボール転走溝２の肩部１０が所定の曲率半径ｒからなる円弧状に形成されている。そして、この肩部１０は、ボール転走溝２のポイント切削と同一の汎用バイト８によって形成されている。すなわち、ボール転走溝２のポイント切削と同様、図６に示すように、汎用バイトの複数回の移動において、切刃８ａのノーズ半径Ｒ２の中心軌跡Ｌに沿って移動経路をずらすことにより、ノーズ半径Ｒ２の延長上に肩部１０の曲率中心Ｏが位置する状態で形成されている。
【００２７】
このように、本実施例では、切刃８ａのノーズ半径Ｒ２をボール転走溝２の溝曲率半径Ｒ１よりも小さくしてボール転走溝２がポイント切削によって成形加工されると共に、肩部１０が、ボール転走溝２のポイント切削と同一の汎用バイト８によって連続して形成されているので、１工程のポイント切削によってボール転走溝２と肩部１０の成形加工を完了させることができると共に、ボール転走溝２と肩部１０との繋ぎ部を滑らかに形成することができ、ボール７の循環がスムーズになり、作動性に優れ、加工コストを低減したナット１を提供することができる。
【００２８】
さらに、本実施例では、ポイント切削によってボール転走溝２の成形加工を完了させた後、熱処理によってその表面に５５〜６２ＨＲＣの範囲の硬化層が形成されている。熱処理は、非常に酸素が少ない状態で浸炭および焼入れされる真空浸炭焼入れによって行われる。これにより、処理後は処理前と同様、銀白色の表面状態が維持できると共に、酸化成分が排気されるので、通常のガス浸炭に比べ表層に粒界酸化層が発生するのを抑制でき、表面異常組織や軟化層が存在しない。したがって、耐疲労性や耐摩耗性が向上し、耐久性に優れたボールねじを提供することができる。また、熱処理後のショットピーニング等で表面粗さの改善や圧縮残留応力を付加する工程が不要となり、品質の安定とトータルコストを低減させることができる。
【００２９】
表１および表２に、本出願人が実施した耐久試験結果を示す。ここで、供試品は、軸径がφ１０、ボール転走溝２、４のリードが３ｍｍ、ボール７の外径がφ２．０、駒式の循環方式で、循環列が２列である。なお、ねじ軸３は、転造加工によりボール転走溝４が形成され、後加工することなく、ナット１と同様、真空浸炭焼入れが施されている。
【００３０】
また、試験条件は、ばね荷重によるダブルナット定圧方式で軸方向荷重が６９０Ｎ、回転数は５００ｒｐｍ、ストロークは片側６ｍｍ（往復１２ｍｍ）、ブレアによる加熱方式で環境温度が１００℃、そして、総往復回数が２０万回（４×１０５ｒｅｖ）に設定されている。
【００３１】
（表１）
2008275095.tif 000003
【００３２】
（表２）
2008275095.tif 000004
【００３３】
表１から明らかなように、通常のガス浸炭焼入れされたナットに比べ、剥離は発生せず、また、すきま拡大量も１．５μｍ以下に抑えることができ、耐疲労性や耐摩耗性が向上することが判った。さらに、表２に示すように、ねじ軸３やボール７も剥離等の異常は認められず、真空浸炭品の方が耐久性に優れていることを検証することができた。
【００３４】
本実施形態では、熱処理後、ナット１のボール転走溝２にショットブラスト処理が施されている。このショットブラスト処理は、 金属、石、木材、ガラス、樹脂などに粉末状の研磨材を衝突させることにより表面処理を行う加工法で、圧縮エアーで投射する方法と、インペラー等を高速回転させて研磨材を投射する機械式があるが、直線的にピンポイント投射が可能なエアー方式が好ましい。また、投射する研磨材も種々な種類と粒度があり、アルミナ系、スチール系、ガラス系等があるが、ここでは、スチール系が用いられている。
【００３５】
本実施形態では、真空浸炭による熱処理を採用したので、従来のショットピーニング処理までは不要となり、切削加工によって発生したボール転走溝２や駒窓あるいは駒窓周辺のバリを効果的に除去することができ、低コスト化を図ることができると共に、駒部材６の挿入を良好に、また、ボール７の循環をスムーズにすることができる。なお、ショットブラスト処理に代わってタンブラー処理によりバリ取りを行っても良い。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係るボールねじは、特に自動車等の車両に用いられる自動マニュアルトランスミッション、電動ブレーキ、電動パワーステアリング、エンジン動弁系制御アクチュエータに適用でき、また、電動ショックアブソーバやＣＶＴプーリの幅制御用のアクチュエータにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るボールねじの一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係るボールねじのナットの製造工程を示す工程図である。
【図３】本発明に係るナットのボール転走溝加工状態を示す説明図である。
【図４】（ａ）〜（ｊ）は、本発明に係るナットのボール転走溝の加工工程を示す拡大断面図である。
【図５】同上、ボール転走溝を示す要部拡大図である。
【図６】図５のボール転走溝における肩部の切削加工を示す概念図である。
【図７】従来のボールねじのナットの製造方法を示す工程図である。
【図８】同上、ナットのショットピーニング処理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・・・・・・・・・・・・・ナット
１ａ・・・・・・・・・・・・・・内周面
２、４・・・・・・・・・・・・・ボール転走溝
３・・・・・・・・・・・・・・・ねじ軸
３ａ・・・・・・・・・・・・・・外周面
５・・・・・・・・・・・・・・・連結溝
６・・・・・・・・・・・・・・・駒部材
７・・・・・・・・・・・・・・・ボール
８・・・・・・・・・・・・・・・汎用バイト
８ａ・・・・・・・・・・・・・・切刃
９・・・・・・・・・・・・・・・ホルダー
１０・・・・・・・・・・・・・・肩部
Ｌ・・・・・・・・・・・・・・・切刃のノーズ半径の中心軌跡
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５・・製造工程
Ｏ・・・・・・・・・・・・・・・肩部の曲率中心
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５・・製造工程
Ｒ１・・・・・・・・・・・・・・ボール転走溝の溝曲率半径
Ｒ２・・・・・・・・・・・・・・切刃のノーズ半径
ｒ・・・・・・・・・・・・・・・肩部の曲率半径
Ｗ・・・・・・・・・・・・・・・ワーク
【図１】
2008275095.tif 000005
【図２】
2008275095.tif 000006
【図３】
2008275095.tif 000007
【図４】
2008275095.tif 000008
【図５】
2008275095.tif 000009
【図６】
2008275095.tif 000010
【図７】
2008275095.tif 000011
【図８】
2008275095.tif 000012