(57)【要約】【課題】長寿命で高品質なボールねじ装置およびそのボールねじ装置を低コストで生産できるねじ溝加工方法の提供。【解決手段】ねじ軸１０と、当該ねじ軸１０と螺合するナット２０と、当該ナット２０側のねじ溝２１と前記ねじ軸１０側のねじ溝１１間を転動する複数のボール３０とを備えたボールねじ装置１００であって、前記ナット２０側のねじ溝２１形状を断面ゴシックアーチ状に形成すると共に、そのねじ溝表面にそのねじ溝２１に沿って延びる断面円弧状の微小凹部７０を複数切削加工する。これによって高品質なボールねじ装置を低コストで生産することができるため、優れた生産性と長寿命化をバランス良く達成することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、当該ねじ軸を貫通すると共にその内周面に前記ねじ軸側のねじ溝と対向するように螺旋状のねじ溝を有するナットと、当該ナット側のねじ溝と前記ねじ軸側のねじ溝間を転動する複数のボールとを備えたボールねじ装置であって、
前記ナット側のねじ溝形状が断面ゴシックアーチ状になっていると共に、そのねじ溝表面に、そのねじ溝に沿って延びる断面円弧状の微小凹部を複数有することを特徴とするボールねじ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のボールねじ装置において、
前記隣接する微小凹部間の山高さは、０．４μｍ以上１．０μｍ以下であって、前記微小凹部の曲率Ｒと前記ボールの直径Ｄｗとの比（Ｒ／Ｄｗ）が、０．３以下であることを特徴とするボールねじ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のボールねじ装置のねじ溝の加工方法であって、
内周面に螺旋状のねじ溝が形成された前記ナットよりも小径なロッド体に切削刃を取り付けておき、
当該ロッド体または前記ナットを前記ナットのねじ溝に沿って螺旋状に回転させながら当該ナット内に前記ロッド体を挿入して当該ロッド体の切削刃によって当該ナットのねじ溝表面に第１の微小凹部を切削加工した後、
当該第１の微小凹部に隣接させて第２の微小凹部を切削加工し、
さらにその後、当該第２の微小凹部に隣接させて第３以降の微小凹部を順次切削加工して前記ナットのねじ溝表面を前記微小凹部を複数有する断面ゴシックアーチ状に切削加工することを特徴とするボールねじ装置のねじ溝加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばステアリング装置や重量物移動用装置、加工用機械、精密位置決め装置などの機械要素として用いられるボールねじ装置およびそのねじ溝加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
係るボールねじ装置は、内面に螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、同じく外面に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸とを複数のボール（鋼球）を介して螺合し、そのねじ軸を回転させることによってそのナットをそのねじ軸に沿って往復移動するものであり、従来から車両やそのステアリング装置、位置決め装置、各種産業の製造・加工機械などの部品として不可欠な機械要素の一つとなっている。
【０００３】
そして、このような構成をしたボールねじ装置を加工・製造するに際しては、ねじ軸の外面やナットの内面にそれぞれ予め刻設された断面円弧状のねじ溝の仕上げ研削加工（例えば、断面ゴシックアーチ形状に研削加工）が必要となってくるが、ナットの内面側のねじ溝の仕上げ研削加工は、ねじ軸側のねじ溝に比べて特に研削加工上の制約が多いため、様々な工夫が必要となってくる。
【０００４】
すなわち、ナット側のねじ溝仕上げ研削加工方法として従来から多く採用されているのは、一般にねじ溝のリード角が７度以下の場合は、ねじ研削盤の主軸（回転軸）に設けられたクイルの先端に円盤状の砥石を取り付け、これを高速で回転させながらその砥石をナット内に挿入すると共に、そのクイルをねじ溝のリード角と同じ角度傾けながらその砥石をナット内面のねじ溝表面に押し付けることによってそのねじ溝を断面ゴシックアーチ加工形状に研削加工するようにしている（以下、これを「通常研削」という）。
【０００５】
一方、このナットの径が小さい場合やナット長さが長い場合、またはリード角が大きい場合、例えば一般的なねじ研削盤の主軸の傾け角度の限界である７度を超える場合には、例えば以下の特許文献１などに示すように、砥石の傾け角度をリード角よりも小さくしながらそのナット内面を研削加工するようにしている（以下、これを「干渉研削」という）。
【０００６】
また、さらにナット径が極端に小さい場合やねじ軸のリード角が例えば１７度を超えるような極端に大きく、特許文献１などのような干渉研削を行ってもねじ溝の仕上げ研削加工ができない場合には、例えば同特許文献１（図８）や以下の特許文献２，３などに示すような周面に雄ねじを有するラップバーを用いたラップ加工という研削方法を用いて仕上げ研削加工を行っている。
【特許文献１】特開平６−５５３４３号公報
【特許文献２】特開平６−２１８６３６号公報
【特許文献３】特開平９−１６８９２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述したような干渉研削では、あくまでも最終的に研削加工させるべき正規のゴシックアーチ形状に近付けるだけの加工であり、通常研削のように正規のゴシックアーチ形状が得られるわけではない。特に、リード角が大きくなればなるほど正規の形状からの乖離は大きくなり、その結果、図７などからも分かるようにボールねじの転がり疲れ寿命の低下をもたらすことになる。
すなわち、図７はリード角と寿命比との関係との一例を示したのであり、リード角が７度までは、１００％の寿命比を発揮することができるが、７度を超え干渉研削による加工になると寿命比が１００％を下回り、そのリード角が大きくなるに従ってその寿命比が小さくなる。
【０００８】
一方、前述したラップ加工では加工時間が長いため生産性が低く、また、加工工具を含む治工具の費用が高くなるため生産コストが上昇してしまうといった問題がある。さらに、このラップ加工は、前述した通常研削や干渉研削と比較してねじ溝形状のばらつきが大きいといった問題がある。
そこで、本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、その主な目的は、長寿命で高品質なボールねじ装置およびそのボールねじ装置を低コストで生産できるねじ溝加工方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために請求項１の発明は、
外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、当該ねじ軸を貫通すると共にその内周面に前記ねじ軸側のねじ溝と対向するように螺旋状のねじ溝を有するナットと、当該ナット側のねじ溝と前記ねじ軸側のねじ溝間を転動する複数のボールとを備えたボールねじ装置であって、前記ナット側のねじ溝形状が断面ゴシックアーチ状になっていると共に、そのねじ溝表面に、そのねじ溝に沿って延びる断面円弧状の微小凹部を複数有することを特徴とするボールねじ装置である。
【００１０】
また、請求項２の発明は、
請求項１に記載のボールねじ装置において、前記隣接する微小凹部間の山高さは、０．４μｍ以上１．０μｍ以下であって、前記微小凹部の曲率Ｒと前記ボールの直径Ｄｗとの比（Ｒ／Ｄｗ）が、０．３以下であることを特徴とするボールねじ装置である。
【００１１】
また、請求項３の発明は、
請求項１に記載のボールねじ装置の製造方法において、内周面に螺旋状のねじ溝が形成された前記ナットよりも小径なロッド体に切削刃を取り付けておき、当該ロッド体または前記ナットを前記ナットのねじ溝に沿って螺旋状に回転させながら当該ナット内に前記ロッド体を挿入して当該ロッド体の切削刃によって当該ナットのねじ溝表面に第１の微小凹部を切削加工した後、当該第１の微小凹部に隣接させて第２の微小凹部を切削加工し、さらにその後、当該第２の微小凹部に隣接させて第３以降の微小凹部を順次切削加工して前記ナットのねじ溝表面を前記複数の微小凹部を有する断面ゴシックアーチ状に切削加工することを特徴とするボールねじ装置のねじ溝加工方法である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明よれば、ナット側のねじ溝形状が断面ゴシックアーチ状になっていると共に、そのねじ溝表面に、そのねじ溝に沿って延びる断面円弧状の微小凹部を複数有する構造となっているため、この微小凹部が潤滑油の油溜まりの役目を果たしてボールとの接触面の潤滑性を良好に保つことができる。これによって、潤滑性が向上して長寿命化を達成することができる。
【００１３】
そして、具体的には請求項２に規定するように、前記隣接する微小凹部間の山高さは、０．４μｍ以上１．０μｍ以下であって、前記微小凹部の曲率Ｒと前記ボールの直径Ｄｗとの比（Ｒ／Ｄｗ）が、０．３以下とすれば、後に実証するように優れた生産性と長寿命化をバランス良く達成することができる。
また、請求項３によれば、従来では不可能であったリード角の大きいねじ溝であっても正規の断面ゴシックアーチ状に切削加工することができる。しかも、従来のラップ加工のようなねじ溝形状のばらつきが小さい上に、従来のラップ加工に比べて優れた生産性を発揮できると共にその生産コストも低く抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明に係るボールねじ装置１００の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１および図２は、本発明に係るボールねじ装置１００の実施の一形態を示したものである。なお、図１は本発明に係るボールねじ装置１００の縦断面図、図２は図１中Ａ部を示す部分拡大図である。
【００１５】
図示するようにこのボールねじ装置１００は、ロッド状のねじ軸１０と、このねじ軸１０を貫通する筒状のナット２０と、このナット２０とねじ軸１０との間を転動する複数のボール（鋼球）３０、３０…とから主に構成されている。
そして、このねじ軸１０の外周面およびナット２０の内周面には、それぞれ螺旋状のねじ溝１１、２１が対向するように形成されており、これらねじ溝１１、２１で形成される螺旋状の転動路４０内を前記複数のボール３０、３０…が転動するようになっている。
【００１６】
また、この螺旋状の転動路４０の上下流間には、２つのリターンチューブ５０、５０が設けられており、転動路４０の一部と共に前記ナット２０の軸方向に沿って２つ（２条）の循環回路６０、６０を形成するようになっている。
また、図２に示すように、この転動路４０を構成するねじ溝１１、２１は、中央部分がやや尖った断面ゴシックアーチ形状に形成されており、ボール３０に対してそれぞれ２点で接触することで軸方向隙間を極めて小さく調整しても軽く回すことができるようになっている。また、このような断面ゴシックアーチ形状を採用することにより、予圧調整を行って軸方向隙間をなくすと共に使用条件に合った適切な剛性を持たせることも可能となっている。
【００１７】
また、さらに同図に示すように、この断面ゴシックアーチ形状をしたねじ溝１１、２１のうち、特にナット２０側のねじ溝２１の表面には、そのねじ溝２１に沿って延びる断面円弧状の微小凹部７０が複数その幅方向に連続するように切削加工されている。
図３および図４は、このようなナット２０側のねじ溝２１の切削加工方法の一例を示したものである。
【００１８】
すなわち、先ず図３に示すように、このナット２０よりも小径なロッド体８０に、先端が鋭利な切削刃９０を取り付けておき、このロッド体８０またはナット２０側をそのナット２０のねじ溝２１に沿って螺旋状に回転させながらそのナット２０内にロッド体８０を挿入してそのロッド体８０の切削刃９０によって前記筒状体のねじ溝表面に第１の微小凹部７０ａを切削加工する（図４（１）→（２））。
【００１９】
次に、再びこのロッド体８０をナット２０から抜き出して、このロッド体８０のナット２０の軸心に対する位相、または（および）軸心に対する法線方向の位置を変化させてからこの第１の微小凹部７０ａに隣接させて第２の微小凹部７０ｂを切削加工（図４（２）→（３））し、さらにその後、同様にしてその切削刃９０をこの第２の微小凹部７０ｂに隣接させて第３以降の微小凹部７０ｃ、７０ｄ…を順次切削加工（図４（３）→（６））してそのナット２０のねじ溝２１表面に微小凹部７０を複数形成する。
【００２０】
これによって、図２に示すようにナット２０側のねじ溝２１の表面に対してそのねじ溝２１に沿って延びる断面円弧状の微小凹部７０を複数その幅方向に連続するように切削加工することができる。
そして、このようにしてねじ溝２１表面に切削加工される各微小凹部７０、７０…の大きさ（サイズ）としては、特に限定されるものではないが、例えば、図５および図６に示すように隣接する微小凹部７０，７０間の山高さ（深さ）を「０．４μｍ」〜「１．０μｍ」とすると共に、その微小凹部７０の曲率Ｒとボール３０の直径Ｄｗとの比（Ｒ／Ｄｗ）を「０．３」以下とすれば、優れた生産性と長寿命化をバランス良く達成することができる。
【００２１】
すなわち、先ず図５はこの微小凹部７０の曲率Ｒと山高さとを順次変化させたボールねじ装置の寿命比と時間当たりの生産性との関係を示したものである。
なお、この試験に用いたボールねじ装置は、ダブルナットタイプのボールねじであって、軸径φ４０ｍｍ、リード４０ｍｍ、リード角１７度、ボール径６．３５ｍｍ、予圧量６２０Ｎ、曲率Ｒ０．８ｍｍ、Ｒ／Ｄｗ＝０．１２６である。
【００２２】
そして、このボールねじ装置はリード角が１７度であるため、図７からも分かるように従来の干渉研削のボールねじに比べて理論上、１．６７倍の寿命延長効果が期待できるが、この図５に示す試験結果によれば、この隣接する微小凹部７０，７０間の山高さを１μｍ以下とした場合には、干渉研削のボールねじ装置に比べて約２〜３倍の寿命延長効果が得られることが分かる。
【００２３】
これは、前述したようにそのねじ溝２１に形成された複数の微小凹部７０が潤滑油の油溜まりとして作用し、ボール３０との接触面の潤滑性を良好に維持して油膜切れなどを未然に防止するためと考えられる。
また、同図からも分かるようにこの山高さが１μｍを超えたあたりから、寿命比が極端に低くなってしまうことが分かるが、これはボール３０がそのねじ溝２１表面に接触したときにその微小凹部７０の山の頂点の接触面圧が急激に上昇して早期に破損に至るからであると考えられる。
【００２４】
従って、この山高さは低い方が望ましいが、低く抑えるために微小凹部７０の数を多くすると、その分微小凹部７０の切削加工数が増えて時間当たりの生産性が下がってしまうため、通常研削のボールねじ装置と同等の生産性を維持するためには、前述したようにその山高さは少なくとも０．４μｍ以上とすることが望ましい。
一方、図６は、この微小凹部７０，７０間の山高さを０．４μｍとしたときの微小凹部７０の曲率Ｒと通常研削のボールねじ装置に対する寿命比ならびに時間当たりの生産性との関係を示したものである。なお、この微小凹部７０の曲率Ｒの大きさは一般に被加工物の仕上げ半径に対する比で表されるため、図６では横軸をＲ（曲率）／Ｄｗ（ボール径）とした。
【００２５】
同図からも分かるように、この微小凹部７０の曲率Ｒがボール３０の直径の３０％（０．３）を超えたあたりから寿命比が極端に低下することが確認された。
これは、微小凹部７０の曲率Ｒがボール３０の直径（Ｄｗ）に対して大きくなるとポイントカットというよりは総型バイトによる加工に近くなり、切削抵抗の増大によって溝直角断面方向の溝形状と螺旋方向の真円度が悪くなるためである。
【００２６】
また、この微小凹部７０の曲率Ｒの大きさも前記山高さの場合と同様に小さくするほど切削加工数が増えて生産性が低くなるため、少なくとも通常研削のボールねじ装置と同等の生産性を維持するためには、Ｒ（曲率）／Ｄｗ（ボール径）を「０．１２６」とする必要があることがわかる。
従って、これらの試験結果からも分かるように、隣接する微小凹部７０，７０間の山高さ（深さ）を前述したように「０．４μｍ」〜「１．０μｍ」の範囲にすると共に、Ｒ（曲率）／Ｄｗ（ボール径）を「０．３」以下とすれば、図７に示すようにリード角の大きさに拘わらず寿命比をほぼ１００％に維持することが可能となり、優れた生産性と長寿命化をバランス良く達成することができる。
【００２７】
なお、この断面円弧状の微小凹部７０は、ねじ溝２１の幅方向に段部（山）が存在するが、ボール３０の転がり方向は滑らかに連続しているため、ボールねじ装置１００のころがり性能などに悪影響を及ぼすことはない。
また、本実施の形態では、チューブボール式ボールねじの例で説明したが、本発明は循環部の形式に依存せず、例えば、こま式、エンドキャップ式あるいは循環路を持たないものでも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係るボールねじ装置１００の実施の一形態を示す縦断面図である。
【図２】図１中Ａ部を示す部分拡大図である。
【図３】本発明方法の実施の一形態を示す説明図である。
【図４】本発明方法の実施の一形態を示す説明図である。
【図５】寿命比および生産性と山高さとの関係を示すグラフ図である。
【図６】寿命比および生産性とＲ（曲率）／Ｄｗ（ボール径）との関係を示すグラフ図である。
【図７】リード角と寿命比との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００２９】
１００…ボールねじ
１０…ねじ軸
１１…ねじ溝（ねじ軸側）
２０…ナット
２１…ねじ溝（ナット側）
３０…ボール
４０…転動路
５０…リターンチューブ
６０…循環回路
７０…微小凹部
８０…ロッド体
９０…切削刃
【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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