(57)【要約】  【課題】  コスト的に有利な表面改質技術を応用して、長寿命の転がり直動装置を提供すること。  【解決手段】  リニアガイドウェイ１は、外面にボール転動溝２ａを有する案内レール２と、ボール転動溝２ａに対向するボール転動溝４ａを内面に有するキャリッジ３と、両ボール転動溝２ａ，４ａ間に介挿されるとともにキャリッジ４に設けたボール循環機構によって循環可能とされた複数個のボール６とを具えている。両ボール転動溝２ａ，４ａにＷＰＣ処理を施すとともに、ＡＰＥＸ処理によってＷＰＣ処理時に形成された表面の凹凸を除去して表面を平滑化している。  【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面にボール転動溝を有する内方部材と、前記ボール転動溝に対向するボール転動溝を内面に有する外方部材と、前記両ボール転動溝間に介挿されるとともに前記外方部材に設けたボール循環機構によって循環可能とされた複数個のボールとを具えた転がり直動装置において、
前記両ボール転動溝の少なくとも一方にＷＰＣ処理を施すとともに、ＡＰＥＸ処理によって前記ＷＰＣ処理時に形成された表面の凹凸を除去して前記表面を平滑化したことを特徴とする、
転がり直動装置。
【請求項２】
外面にボール転動溝を有する内方部材と、前記ボール転動溝に対向するボール転動溝を内面に有する外方部材と、前記両ボール転動溝間に介挿されるとともに前記外方部材に設けたボール循環機構によって循環可能とされた複数個のボールとを具えた転がり直動装置において、
前記両ボール転動溝の少なくとも一方にＷＰＣ処理を施すとともに、精密仕上げ加工によって前記ＷＰＣ処理時に形成された表面の凹凸を除去して前記表面を平滑化したことを特徴とする、
転がり直動装置。
【請求項３】
外面にボール転動溝を有する内方部材と、前記ボール転動溝に対向するボール転動溝を内面に有する外方部材と、前記両ボール転動溝間に介挿されるとともに前記外方部材に設けたボール循環機構によって循環可能とされた複数個のボールとを具えた転がり直動装置において、
前記両ボール転動溝の少なくとも一方にＡＰＥＸ処理を施すことによって、前記ボール転動溝の表面を平滑化したことを特徴とする、
転がり直動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールねじ、リニアガイドウェイ及びボールスプライン等の転がり直動装置（以下、「直動装置」という。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
外面にボール転動溝を有する内方部材と、前記ボール転動溝に対向するボール転動溝を内面に有する外方部材と、前記両ボール転動溝間に介挿されると共に前記外方部材に設けたボール循環機構によって循環可能とされた複数個のボールとを具えた直動装置が、工作機械及び産業用ロボット等の様々な分野で用いられている。
この内方部材及び外方部材の材質として、一般に、浸炭鋼又は高周波焼入鋼が用いられ、表面硬化（浸炭焼入又は高周波焼入）されたボール転動溝に研削加工が施されている（以下、「従来仕様品」という。）。
【０００３】
なお、上記の内方部材、外方部材、及び、ボール循環機構とは、
（１）ボールねじの場合、それぞれ、ねじ軸、ボールナット、及び、リターンチューブ方式、こま方式、エンドキャップ方式又はガイドプレート方式に相当し（例えば、非特許文献１参照。）、
（２）いわゆるエンドキャップ式リニアガイドウェイの場合、それぞれ、案内レール、キャリッジ、並びに、キャリッジ本体肉厚内のボール戻り通路及びエンドキャップのボール方向転換路に相当する（例えば、非特許文献２参照。）。
【非特許文献１】井沢實著，「ボールねじ応用技術」，初版１刷，株式会社工業調査会，１９    ９３年５月２０日，ｐ．１９−２１
【非特許文献２】綿林英一著，「ＪＩＳ使い方シリーズ転がり軸受マニュアル」，第１版第１    刷，財団法人日本規格協会，１９９９年２月２０日，ｐ．２９９−３０１
【０００４】
しかし、直動装置の市場が高速又は高負荷用途に拡大するにつれ、従来仕様品では所望の転がり疲労寿命（以下、「寿命」という。）を満足できなくなっているという問題があった。
この対策として、内方部材及び外方部材の材料自体の強度を向上させることが考えられるが、コスト的に不利である。
そこで、本発明者は、金属材料の疲労強度や摺動性を向上させる表面改質技術の一である、ＷＰＣ（登録商標）と称呼される微粒子ピーニング処理（例えば、特許文献１及び非特許文献３参照。）に着目し、このＷＰＣ処理を従来仕様品のボール転動溝に施した。しかし、転がり疲労に有効である高い圧縮残留応力を付与したにも拘わらず、寿命試験結果は、後述するように、従来仕様品より短いものであった。
【特許文献１】特公平２−１７６０７号公報
【非特許文献３】著者不明，「精密ショットピーニングＷＰＣ処理について」，［online］，２    ００３年２月１５日，株式会社不二ＷＰＣ，［２００３年２月２３日検索］，    インターネット＜URL : http://www.jade.dti.ne.jp/~wpc/wpcsyori.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、コスト的に有利な表面改質技術を応用して、長寿命の転がり直動装置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】
請求項１に係る発明は、外面にボール転動溝を有する内方部材と、前記ボール転動溝に対向するボール転動溝を内面に有する外方部材と、前記両ボール転動溝間に介挿されるとともに前記外方部材に設けたボール循環機構によって循環可能とされた複数個のボールとを具えた転がり直動装置において、前記両ボール転動溝の少なくとも一方にＷＰＣ処理を施すとともに、ＡＰＥＸ処理によって前記ＷＰＣ処理時に形成された表面の凹凸を除去して前記表面を平滑化したことを特徴とする。
【０００７】
ここで、ＡＰＥＸ処理という文言の意義を説明する。
ＡＰＥＸ処理とは、本出願人の一が提案しているもので、ワークに対して水平近傍から微粒子を投射することにより、表面の凹凸を除去して表面を平滑化する処理をいう。すなわち、微粒子がワーク表面上を滑ることによって表面が磨かれ、平滑な面が創製される微粒子ピーニング処理をいう。
なお、このＡＰＥＸ処理は、ワーク表面に微粒子を衝突させて高い圧縮残留応力を付与するＷＰＣ処理とは異なり、大きな塑性変形が生じないため高い圧縮残留応力を表面に付与することはない。
【０００８】
請求項２に係る発明は、外面にボール転動溝を有する内方部材と、前記ボール転動溝に対向するボール転動溝を内面に有する外方部材と、前記両ボール転動溝間に介挿されるとともに前記外方部材に設けたボール循環機構によって循環可能とされた複数個のボールとを具えた転がり直動装置において、前記両ボール転動溝の少なくとも一方にＷＰＣ処理を施すとともに、精密仕上げ加工によって前記ＷＰＣ処理時に形成された表面の凹凸を除去して前記表面を平滑化したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、外面にボール転動溝を有する内方部材と、前記ボール転動溝に対向するボール転動溝を内面に有する外方部材と、前記両ボール転動溝間に介挿されるとともに前記外方部材に設けたボール循環機構によって循環可能とされた複数個のボールとを具えた転がり直動装置において、前記両ボール転動溝の少なくとも一方にＡＰＥＸ処理を施すことによって、前記ボール転動溝の表面を平滑化したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、ＷＰＣ処理によってボール転動溝に高い圧縮残留応力を付与するとともに、ＡＰＥＸ処理によってＷＰＣ処理時に形成された表面の凹凸を除去して表面を平滑化するようにしたので、寿命は従来仕様品より著しく向上する。
【００１１】
請求項２に係る発明によれば、ＷＰＣ処理によってボール転動溝に高い圧縮残留応力を付与するとともに、精密仕上げ加工によってＷＰＣ処理時に形成された表面の凹凸を除去して表面を平滑化するようにしたので、請求項１に係る発明と同様に、寿命は従来仕様品より著しく向上する。
【００１２】
請求項３に係る発明によれば、ＡＰＥＸ処理によってボール転動溝の表面を平滑化するようにしたので、表面粗さに起因する寿命が従来仕様品より向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
実施例の説明に先立ち、本発明に係る直動装置、具体的には周知のエンドキャップ式リニアガイドウェイの全体構成、及び、本発明の評価に用いた寿命試験機及び試験方法について説明する。
【００１４】
図１及び図２に示すように、エンドキャップ式リニアガイドウェイ１は、両側面に軸方向のボール転動溝２ａを有する案内レール２と、この案内レール２に移動可能に跨架すると共にボール転動溝２ａに対向するボール転動溝４ａを両内側面に有する断面がほぼコ字状のキャリッジ３と、両ボール転動溝２ａ，４ａ間に介挿されるとともにキャリッジ３に設けたボール循環機構によって循環可能とされた複数個のボール６とを具えている。
キャリッジ３は、キャリッジ本体４とその両端部に装着されるエンドキャップ５とからなる。そして、キャリッジ本体４の肉厚の袖部４ｂに貫設されたボール戻り通路４ｃと、エンドキャップ５に形成されたボール方向転換路（図示せず。）とによって上記のボール循環機構が形成される。
なお、符号７，９は、それぞれ、サイドシール及びボール保持器（リテーナ）を示す。
【００１５】
従来仕様の案内レール２及びキャリッジ本体４の材質等について説明する。
案内レール２の材質は機械構造用炭素鋼Ｓ５５Ｃであり、ボール転動溝２ａは高周波焼入れ後、所定の形状になるように研削加工が施されている。キャリッジ本体４の材質はクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５であり、ボール転動溝４ａは浸炭焼入れ後、ボール転動溝２ａと同様に研削加工が施されている。なお、ボール６は、ＪＩＳ  Ｂ１５０１ に規定される玉軸受用鋼球である。
【００１６】
次に、本発明の評価に用いた寿命試験機及び試験方法について簡単に説明する。
図３に示すように、寿命試験機１０はクランク機構式往復運動型試験機であり、クランク機構１２を介してモータ１１の回転を往復直線運動に変換し、試料であるリニアガイドウェイ１に伝達できるようになっている。試験機１０にリニアガイドウェイ１を２本取付けることができ、同時に２本のリニアガイドウェイ１の寿命試験を行うことができる。また、コイルスプリング１３をハンドル１４で圧縮することによって、リニアガイドウェイ１に垂直荷重を付与することができる。さらに、試験機１０は、センサ及びカウンタ（符号を付さず。）によって往復直線運動の往復回数を走行距離に換算して、予め設定した走行距離で試験を一時停止する機能を有している。
【００１７】
試験方法は、一定距離毎にリニアガイドウェイ１を取外し、案内レール２及びキャリッジ３のボール転動溝２ａ，４ａの表面、並びにボール６表面の剥離の有無を目視で確認した。そして、３者のうち何れか一つにピット状の剥離が確認された時点をもってリニアガイドウェイ１の寿命とし、寿命値を走行距離（ｋｍ）で表すこととした。
また、寿命試験は、リニアガイドウェイ：型番Ｈ２５ＥＡ（（株）ツバキ・ナカシマ製）、荷重：９．８ｋＮ、モータ回転数：９０ｒｐｍ、ストローク：２００ｍｍ、最大速度：５６．５ｍ／ｍｉｎ及び潤滑：リチウム石鹸系グリース（ちょう度番号：１番）を１００ｋｍ走行毎に３ｇ補給、という条件で行った。
なお、本寿命試験において、ボール６の剥離は皆無であった。
【実施例】
【００１８】
下記の５種類の試料を作製して寿命試験を行った。その結果を示したものが図４であり、従来仕様品の平均寿命２１９．５ｋｍを１としたときの各試料の寿命を比率で表している。また、図５に、寿命試験前のボール転動溝２ａ，４ａの表面粗さ（算術平均粗さＲａ）を示している。
（ａ）前記の従来仕様品（図中、「従来仕様」と表記。）。
（ｂ）従来仕様品のボール転動溝２ａ，４ａにＷＰＣ処理のみを施したもの（図中、「ＷＰＣ」と表記。）。
（ｃ）従来仕様品のボール転動溝２ａ，４ａにＷＰＣ処理後、ＡＰＥＸ処理を施したもの（図中、「本発明１」と表記。）。
（ｄ）従来仕様品のボール転動溝２ａ，４ａにＷＰＣ処理後、精密仕上げ加工を施したもの（図中、「本発明２」と表記。）。
（ｅ）従来仕様品のボール転動溝２ａ，４ａにＡＰＥＸ処理のみを施したもの（図中、「本発明３」と表記。）。
【００１９】
ここで、
（１）ＷＰＣ処理に用いた機械は、圧縮空気を用いてショットを噴射する方式のものである。そして、ショット条件は、ショット：粒径５０μｍの高速度鋼、投射圧力：０．４ＭＰａ、投射時間：１８０ｓｅｃ、投射角度：４５°及びノズルからワークまでの距離：１５０±１５ｍｍ、とした。
（２）ＡＰＥＸ処理に用いた機械は、遠心力によりショットを無気噴射する方式のものである。そして、ショット条件は、ショット：粒径１μｍのダイヤモンド、羽根車の回転数：３０００ｒｐｍ、投射時間：３〜５ｓｅｃ／ｍｍ2、投射角度：５〜３０°及びノズルからワークまでの距離：５〜７ｍｍ、とした。
（３）精密仕上げ加工は、ラッピングを用いた。具体的には、ボール転動溝２ａ，４ａと相補う形状のラップ棒を用い、酸化クロムと軽油で湿式ラップ後、軽油と菜種油の混合油でオイルラップした（オイルラップだけでもよい。）。なお、これに限定されるものではなく、ポリッシング等の他の仕上げ加工方法も選択することができる。
【００２０】
図４に示すように、従来仕様品と比べると、本発明１（請求項１に係る発明）と本発明２（請求項２に係る発明）では５倍以上、そして、本発明３（請求項３に係る発明）では４倍近く寿命が長くなっている。これに対して、ＷＰＣ処理のみを施したものは、従来仕様品より寿命が短くなっている。
【００２１】
上記の結果の理由として、（ａ）寿命試験前の本発明１（請求項１に係る発明）のボール転動溝２ａ，４ａ表面の圧縮残留応力が１２０４ＭＰａであるのに対して、本発明３（請求項３に係る発明）のボール転動溝２ａ，４ａ表面の圧縮残留応力が２５７ＭＰａであること、及び（ｂ）図５に示す表面粗さ（算術平均粗さＲａ）の値から、
（１）本発明１（請求項１に係る発明）及び本発明２（請求項２に係る発明）の場合、ＷＰＣ処理によってボール転動溝２ａ，４ａに高い圧縮残留応力を付与するとともに、ＡＰＥＸ処理又は精密仕上げ加工によってＷＰＣ処理時に形成された表面の凹凸を除去して表面を平滑化するようにしたので、寿命が従来仕様品より著しく向上したと考えられる。
（２）本発明３（請求項３に係る発明）の場合、ＡＰＥＸ処理によってボール転動溝２ａ，４ａの表面を平滑化するようにしたので、表面粗さに起因する寿命が従来仕様品より向上したと考えられる。
（３）ＷＰＣ処理のみを施したものの場合、ボール転動溝２ａ，４ａの表面粗さの増加が圧縮残留応力よりも疲労強度に強く影響したと考えられる。すなわち、表面凹凸の起伏が大きくなると、ボール６との接触による切欠効果が増し、これが表面亀裂発生の起点となって寿命が低下したと考えられる。
【００２２】
上記の実施例では、案内レールのボール転動溝及びキャリッジ（精確にはキャリッジ本体）の両ボール転動溝に微粒子ピーニング処理を施したものを示したが、何れか一方のボール転動溝にのみ微粒子ピーニング処理を施しても、寿命は従来仕様品より向上する。また、実施例のリニアガイドウェイに限定されるものではなく、ボールねじ等の他の直動装置も本発明に包含されることは言うまでも無い。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
転動体がローラの循環式転がり直動装置に、本発明を適用することができる（この場合は、ローラ転動面に微粒子ピーニング処理を施すことになる。）。また、転動体としてのボール又はローラが非循環式の転がり直動装置にも、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】リニアガイドウェイ（転がり直動装置）の断面図。
【図２】図１のキャリッジの平面図。
【図３】本発明の評価に用いた寿命試験機の概観図。
【図４】転がり疲労寿命を比較したグラフ。
【図５】寿命試験前のボール転動溝の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２５】
１    リニアガイドウェイ（転がり直動装置）
２    案内レール（内方部材）
２ａ  ボール転動溝
３    キャリッジ（外方部材）
４ａ  ボール転動溝
６    ボール
【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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