(57)【要約】【課題】  ボールねじにおいて、移動体が低速の領域で走行すると許容負荷荷重内でも境界潤滑状態以下となり、軌道面やボール表面の損傷により円滑走行が困難となる場合がある。軌道面やボール表面の損傷を防止可能な軸受寿命の長いボールねじを提供する。【解決手段】  焼入，調質等で硬化処理されたボールねじのねじ軸やナットの軌道面，ボールの表面等に例えば蒸着，鍍金等で基材と異なる材料による金属の酸化物，炭化物等の化合物被膜を部品の機能表面に形成させる表面硬化処理を処置する。  また、前記表面硬化処理と共に表面に微細なアーク状の窪みを付与する表面変成処理を負荷して部品の表面機能を向上させる。  また、表面硬化処理，表面変成処理を付加したボールねじに適した潤滑剤を特定する。【選択図】        図５
2005114076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボールを転動体とするボールねじであって、ボールねじのナットおよびねじ軸の軌道面およびボールの表面の少なくとも一面に蒸着，鍍金または溶射による表面硬化処理を処置して硬化層を付加形成したことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
前記ボールねじのナットおよびねじ軸の軌道面およびボールの表面の少なくとも一面にショットピーニングによる表面変成処理を付与し、表面硬化した微小な油溜まりを形成したことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ。
【請求項３】
前記ボールねじの軌道面に動粘度が１００乃至１０００ｃＳｔの潤滑剤が注入されてなり、油膜切れが生じにくいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業機械特に工作機械の移動体を機台上に移動可能にするための推力を伝えるボールねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械においては、テーブルなどの移動体を移動させるため、モータの回転力を軸推力に転換するためにボールねじが多用されている。機械の効率化、生産性の面から移動体の位置決め速度は高速化をめざして研究改良されてきた。この高速化に伴いボールねじの寿命が問題となった。高速化において、ボールねじの軌道面の疲労剥離摩耗の現象が発生した。また、一定個所での往復運動によるフレッティング摩耗の現象が発生した。これらの問題となる現象はそれぞれ研究され高速化の対策がされている。
【０００３】
高速化に対する従来の対策は、ボールねじのねじ軸やナットの軌道面にブラスト処理あるいはショットピーニング処理を施すことにより軌道面には圧縮応力が残留する。軌道面に残留した圧縮応力は、すべり成分による剪断応力を打ち消す方向に働き，軌道面の表面疲労を減少させる作用を有する。〔例えば特許文献１〕
【特許文献１】特開平４−２０３５４９号、請求の範囲、作用（第７行〜第１１行）
【０００４】
しかし、切削送り速度は、高速域での使用に限られるものではない。図６は切削送り速度が大きい場合で、ねじ軸１０１の軌道面１０１ａとボール１０２の軌道面１０２ａとの接触面に潤滑剤１１２が巻き込まれて油膜１１２ａが形成されることを示している。
一方で、工具の切削能力がコーティング技術の進展に伴い、飛躍的に向上するようになったので、硬度の高い金型素材を加工する場合や仕上げ加工の場合に切削送り速度を低速にする場合が多くなった。図７において、ボールねじのボール１０２の表面１０２ａとねじ軸１０１および図示しないナットの軌道面間に潤滑剤１１２の巻き込みが低速では困難となり、油膜が薄くなって油膜切れが生じやすい。これを避けるために、油膜の剪断強度の大きい潤滑剤として一般的には極圧添加剤を加えたり、粘度の高い潤滑剤を使用すると、更に潤滑剤の巻き込み条件は悪化する。
【０００５】
ボールの表面およびねじ軸やナットの軌道面は平滑に仕上げられているので粘度の高い潤滑剤を使用した場合には、接触面から押し出されがちであり、一定期間経過すると接触面の油膜の潤滑機能は次第に低下する。油溜まりから補充されない限り長期使用に耐えることができない。なおも運転を続けると、最悪の場合焼き付きに至る危惧があるので高粘度の潤滑剤の使用は躊躇される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
背景技術で述べたようにボールねじを使用し移動体を高速で移動させる場合に発生するフレッティング摩耗に対してはショットピーニング処理により軌道面の表面改質処理により表面に圧縮応力を残留させて摩耗を抑える対策が講じられてきたのに対し、切削送りが低速度の場合には別の問題が発生している。移動体が高速走行時には、転動体は転がり運動で手前にある潤滑剤を巻き込みながら転動するため、かなり高い面圧下でも油膜切れを起こすことなく金属接触のない状態での走行が可能である。しかし、昨今の金型加工などにおいては、あまり広くない範囲を比較的遅い速度での切削送りが強いられることがある。
【０００７】
移動体を低速領域で走行させると、ボール直前の潤滑剤を巻き込んで連続して油膜を形成する状態が高速走行時に対し少なくなり、図７に示すように、通常予圧下若しくは許容負荷荷重下でも潤滑剤は金属間に巻き込まれず、境界潤滑状態またはそれ以下の悪い潤滑状態となり、油膜が切断されて転動面の金属接触が起こり、摩耗が進行しやすいという問題を有する。
【０００８】
移動体の走行時には、ボールねじにおいては、図８に示すようにボール１０２の接触点の回転中心ｒｏからの距離の違いで起こる差動すべりは避けられないという問題が潜在している。即ち、ボール中心をｒｏとする。ｒ１の位置（ねじ軸１０１の軌道面とボール１０２との接触点）で完全な転がりが起こっているとする。一方の外縁をｒ２とすると、ｒ１とｒ２の範囲では遅れによるすべりが、またｒ１の内側から中心ｒｏまでの範囲では進みによるすべりが発生する。先に述べた金属接触が起こる状態での接触ではこのようなすべりによる摩耗は避けられないので、軌道面やボール表面の硬度が低いと寿命が短いという問題を有していた。
【０００９】
このように、ボールの転がり運動において生ずる避けられない滑りによって、低速転動下では通常の粘度の潤滑剤の供給では摩耗を避けることができないという問題を生じていた。また、平滑な軌道面上をボールが転動する場合、油溜まりが形成されていない場合には低速の場合油膜切れによりボールねじのナットが焼き付くという問題を生じていた。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、潤滑状態が多少悪化しても摩耗に対する耐久性が保持できるように、ボールねじを構成する部材の表面硬度を高めるよう表面硬化処理を付加し、また、予め軌道面に微少な窪みを付与する表面変成処理を加えるとともに表面硬化処理を付加し粘度の高い潤滑油の使用が可能なボールねじを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、ボールを転動体とするボールねじであって、ボールねじのナットおよびねじ軸の軌道面およびボールの表面の少なくとも一面に蒸着，鍍金または溶射による表面硬化処理を処置して硬化層を付加形成したものである。
【００１２】
請求項１の発明によれば、ナットおよびねじ軸の軌道面、ボールの表面に蒸着法によるメッキ、イオンプレーティング、プラズマによる溶射等により表面硬化処理を処置して表面硬化層を形成することにより、移動体の低速走行時のようにボール手前の潤滑剤を巻き込みにくい状態においても、差動滑りが起こっても摩耗発生を抑え、ボールねじの寿命を延ばすことができる。
【００１３】
ここで表面硬化処理とは、長期間の使用に耐えるように機能する部品素材に処理する従来の焼入、調質処理の他、更に機能向上のために素材より機能のすぐれた基材と異なる他の材料を蒸着、鍍金等の手法により、金属の酸化物，窒化物，炭化物等の化合物被膜を、部品の機能表面に形成されていることをいうものとする。
【００１４】
請求項２の発明は、前記ボールねじのナットおよびねじ軸の軌道面およびボールの表面の少なくとも一面にショットピーニングによる表面変成処理を付与し、表面硬化した微小な油溜まりを形成したものである。
【００１５】
請求項２の発明によれば、ナットおよびねじ軸の軌道面に、例えばショットピーニングにより微少な窪み面を形成すると共に表面変成処理を付与した素地を作り、更に表面硬化処理を行って耐摩耗性の強化と潤滑油保持能力の向上を可能としたものである。
【００１６】
ここで表面変成処理とは、ボールねじを構成するナットやねじ軸の軌道面およびボールの平滑な表面に（例えばショットピニーング，バレル等）小さい球を高圧流体と共に吹き当て表面に小さな散在したくぼみを付与し、表面形状を変えることをいい、表面を圧縮し塑性変形させることにより転がり疲労寿命の向上効果が結果として得られる処理をいうものとする。
【００１７】
また、請求項３の発明は、前記ボールねじの軌道面に動粘度が１００乃至１０００ｃＳｔの潤滑剤が注入されてなり、表面硬化した微小な窪みに潤滑剤と油膜を保持できるようにして油膜切れが生じにくいようにしたものである。
【００１８】
請求項３の発明によれば、供給する潤滑剤の動粘度を通常使用する２０〜７０ｃＳｔより高い１００〜１０００ｃＳｔの潤滑剤に特定している。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は次のように記載する効果を奏する。
請求項１の発明は、ボールねじのナットおよびねじ軸の軌道面、転動体の表面の少なくとも一面に表面硬化層を形成したので、移動体の低速走行時の潤滑油の巻き込みが若干少なくなっても差動すべりによる接触面の摩耗が抑制され、軸受寿命を長持ちさせることができる。
【００２０】
請求項２の発明は、ボールねじのナットおよびねじ軸の軌道面およびボールの表面の少なくとも一面に予め例えばショットピーニング等の処理を施して、形成された微小な窪みにより油膜保持性能が向上する。更に表面硬化処理が付加されているので、差動すべりが起きている状態や移動体の低速走行時の潤滑剤の巻き込みが乏しい状態でも油膜切れが生じず、微小な窪みに保持された潤滑剤が適宜浸出するので、軌道面，接触面の摩耗の進行抑制が可能で、軸受寿命が向上する。
【００２１】
請求項３の発明は、軌道面や転動面に供給する潤滑剤の動粘度が１００ｃＳｔ乃至１０００ｃＳｔと特定されている。低速走行時の潤滑剤の巻き込みが起こりにくくなっても油膜切れが発生しにくく、高粘度の潤滑膜が窪みに保持されて金属接触が緩和され、潤滑剤が油溜まりから接触面の条件が過酷になると適宜浸出するので軸寿命を向上させることができる。
【実施例１】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。図１、図２にボールねじの一般的な構成を示す。
図３はねじ軸軌道面を含む表面に表面硬化層を付加形成したときのボールねじの縦断面の部分説明図である。
図１、図２、図３において、ねじ軸１の外周面には螺旋状の内側軌道面１ａが形成され、ナット３の内周面にも捩じれ方向が等しい螺旋状の外側軌道面３ａが形成されている。内・外側軌道面が形成するスパイラル状のトンネルには複数のボール２が合い接する程度に収納されている。
【００２３】
ナット３にはボール２の循環路４が設けられている。ボール群は例えば図１において同位置でねじ軸１を右回転させるとボール２は転がりながら循環路４の中を右方向に進みナット３を右行させる。ねじ軸１の軌道面１ａ、ナット３の軌道面３ａおよびボール２の表面２ａのそれぞれに関する単体の加工終了後、少なくとも一面に母材と異なる原料を蒸発源物質として使用して表面硬化処理を行う。
【００２４】
図３において、ねじ軸１の軌道面１ａを含むねじ軸外周面に表面硬化層１０が付加形成されている。この表面硬化層１０は化学鍍金，電気鍍金，物理蒸着，化学蒸着およびプラズマ溶射等により形成することができる。その材質はＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡＩＮ（商品バイオレットコート），ＤＬＣ（商品名ダイヤモンドライクカーボン）等を採用することができる。必要により少し厚めに形成しておき、研削により精度高い転動面に形成することができる。
【００２５】
ねじ軸１と対向する図１のナット３も同様の手段により軌道面３ａを含む表面に表面硬化層を形成できる。また、ボール２にも同様の手段により同じ表面硬化層を形成することができる。この場合ナット３，ねじ軸１，ボール２の全部に表面硬化層を形成することは必ずしも必要でない。
表面硬化処理の代表的な物理蒸着法（ＰＶＤ法）としてはイオンプレーティング法を用いることができる。
【００２６】
イオンプレーティング法は、気相メッキの一種で蒸発性物質に熱エネルギーまたは運動量を与えることにより蒸発させ母材にコーティング膜を形成させる方法である。
蒸発物質が金属の場合、蒸気中に酸素・窒素・炭化水素等の反応ガスを導入し金属の酸化物、金属の窒化物、金属の炭化物などの化合物膜を形成させるものである。
例えば、Ｓｉ，ＴｉＡＩＮ，ＴｉＳｉＮ，ＣｒＳｉＮの膜形成を可能である。
【００２７】
ＰＶＤ法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法がある。いずれの方法を適用するかの判断は母材の種類、蒸発源物質および反応ガスの種類に応じ選択される。蒸着速度は真空蒸着法が最も早い。スパッタリング法は合金やセラミックに蒸着させやすい。イオンプレーティング法は蒸発金属粒子がイオン化されるので影の部分への蒸発分子の回り込みが大きく、付着強度大で微密な被膜が得られる。
なお蒸着法で得られる表面硬化層はナノメートルレベルの結晶膜で構成されている。
【００２８】
また、イオンプレーティング法においては、水冷銅るつぼを用いて１０-1Ｐａ気圧下陰極放電にて加熱し蒸発させる。蒸発源物質の融点は、およそ１２８０℃まで可能である。イオン化は同じく熱源のアルゴンプラズマによる。イオン化率は２０乃至４０％であり実用しやすい点がある。
なお、化学蒸着法（ＣＶＤ法）は金属，半金属のハロゲン化物を還元または加熱分解することにより金属または化合物を母材上に折出させる方法である。被覆物質としてＷ，ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＴａＣ，ＨｆＣ，ＴｉＮ，ＴｉＢ，Ｂがしられている。
溶射にはプラズマスプレーがある。不活性ガスのプラズマ中に金属粉末を噴射させるものであり、一様に分布させることや曲面の形成では作業性が低下する。しかし、マトリックス状、直線状に溶射することは可能である。
【実施例２】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。図４は、ねじ軸の軌道面を含む表面に、平滑な平面に対し表面状態を変える表面変成処理としてのショットピーニング処理した後で表面硬化処理を行ったボールねじ軸の縦断面の部分説明図である。ボールねじのねじ軸，ナット，ボールの基本構成は実施例１と同一であり説明を省略する。
【００３０】
機械加工および熱処理工程終了後のねじ軸１およびナット３のそれぞれの軌道面の少なくとも一面に微小な窪みを付加するショットピーニング処理を行ってから表面硬化処理を処置するものである。軌道面に微細なアーク状の窪みを散在させるため、図４において、ねじ軸１の軌道面１ａを含むねじ軸外周面に、まずショットピーニングによる表面変成層１１を形成し、その後表面硬化処理をして表面硬化層１０を付加形成させるものである。
ショットの材料は鋼球，セラミック，硬質樹脂等を用いることができ、例えば鋼球の場合、粒径は１０乃至２００μｍで、１００ｍ／ｓｅｃの速度にて遠心力で放出または圧縮空気と共に噴出させる。加工した表面には深さ０．２μｍ以上、直径１０μｍ以上のアーク状窪みが形成されている。窪みの密度は負荷条件により適宜選択できる。
【００３１】
また、錫などの粉体も採用できる。ショットピーニング処理速度は材料毎に実験により高低の調整が必要である。要は表面に不規則に多数形成される凹部の縁の盛り上がりのない軽度の深さ、数μｍ前後となるように決定される。
このショットピーニング処理により表面が硬化されるとともに圧痕は潤滑油溜まりとなり潤滑油保持能力が向上する。この処理により移動体の低速走行時の摩耗が防止され円滑な走行が長時間持続できる。
【００３２】
ボールねじのナット３、ねじ軸１の軌道面のみにショットピーニング処理を施すことは不必要な手間をかけることになる。
なお、ここでは表面変成処理の一例としてショットピーニング処理を例に説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば液体ホーニングやブラスト法を用いても同様な表面効果を得ることが出来る。但し、ショットの材質、形状の選択はショットピーニング処理に準ずる。
【実施例３】
【００３３】
図５は図４（実施例２）に示す軌道面に特定した粘度の潤滑剤を使用するボールねじを示している。
【００３４】
図５において、軌道面１ａには予め表面変成処理層１１が形成され、その後に表面硬化処理層１０が形成されている。このような表面処理を行った軌道面１ａとボール２の表面２ａの接触面間に特定の潤滑剤１２を巻き込ませたものである。
【００３５】
供給する潤滑剤の動粘度は１００ｃＳｔ乃至１０００ｃＳｔが好ましい。この潤滑剤を使用することによってボールが停止若しくは停止に近い状態において、ボール２の転動によって潤滑剤の巻き込みが起こり難い場合でも油の高剪断特性によって油膜は切断されず、金属接触が防止され、ボール２の安定した転動が可能である。ナット３の軌道面とボール２の表面との間においても同様に潤滑剤は有効に作用する。
【００３６】
軌道面に微細な油溜まり用のアーク状の窪みを形成したことにより軌道面から完全に潤滑剤が押し出されることがない。
また、動粘度の高い潤滑剤を使用しているにもかかわらず切削送りが高速になっても油膜が適度に形成されるので温度上昇も抑制される。ボールねじの継続的な運転に対して、油溜まりから徐々に潤滑剤が補充されるので長期使用が可能となる。
ボールねじの使用に際しては、ナット３は温度上昇が生じやすいので、ナット３についてのみ表面変成処理と表面硬化処理を処置し、特定する高動粘度の潤滑剤を使用することによりボールねじ全体としての長寿命化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ボールねじの正面図である。
【図２】図１のＡＡ断面図である。
【図３】ねじ軸軌道面を含む表面に表面硬化層を付加形成したときの縦断面の部分説明図である。〔実施例１〕
【図４】ねじ軸の軌道面を含む表面に表面変成処理をした後で表面硬化処理を行ったボールねじ軸の縦断面の部分説明図である。〔実施例２〕
【図５】図３または図４に示すボールねじ軸に高剪断強度を有する潤滑剤を使用した状態図である。〔実施例３〕
【図６】高速で転がる転動体がねじ軸軌道面に潤滑剤を巻き込む状態図である。
【図７】低速で転がる転動体がねじ軸軌道面に潤滑剤を巻き込まない状態図である。
【図８】転動体であるボールの差動すべり状態図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ねじ軸            １ａ，３ａ  軌道面
２  ボール（転動体）
３  ナット
４  循環路
１０  表面硬化層
１１  表面変成層
１２  潤滑剤
【図１】
2005114076.tif 000003
【図２】
2005114076.tif 000004
【図３】
2005114076.tif 000005
【図４】
2005114076.tif 000006
【図５】
2005114076.tif 000007
【図６】
2005114076.tif 000008
【図７】
2005114076.tif 000009
【図８】
2005114076.tif 000010