(57)【要約】【課題】  耐久性に優れ、低コストで比較的精度の高いボール転走溝を有するボールねじナットおよびそれを簡便に形成する製造方法を提供する。【解決手段】  ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットの製造方法において、素材の中心に所定の内径面をドリル加工で開ける工程と、素材の外径面および内径面をバイトで仕上げ加工する工程と、内径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と、ボール転走溝に浸炭焼入れする熱処理工程と、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とを備えている。【選択図】図２
2005090570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボール転走溝にショットピーニング処理による硬化層が形成されていることを特徴とするボールねじナット。
【請求項２】
前記ボール転走溝の表面粗さがＲａ１．０μｍ以下に規制されている請求項１に記載のボールねじナット。
【請求項３】
前記ボール転走溝の表面硬さがＨｖ７００〜９００の範囲に設定されている請求項１または２に記載のボールねじナット。
【請求項４】
前記ボール転走溝の表面に−５００〜−１５００ＭＰａの範囲で圧縮残留応力が形成されている請求項１乃至３いずれかに記載のボールねじナット。
【請求項５】
ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットの製造方法において、熱処理前または熱処理後、あるいは熱処理前後にショットピーニング処理が施されていることを特徴とするボールねじナットの製造方法。
【請求項６】
素材の中心に所定の内径面をドリル加工で開ける工程と、前記内径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とを備えている請求項５に記載のボールねじナットの製造方法。
【請求項７】
前記熱処理前に、粒径が４０〜６０μｍからなる炭化珪素ビーズによるショットピーニング処理が施されている請求項５または６に記載のボールねじナットの製造方法。
【請求項８】
前記熱処理後に、粒径が４０〜６０μｍからなるスチールビーズによるショットピーニング処理が施されている請求項５乃至７いずれかに記載のボールねじナットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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ナット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、対向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、切削加工と研削加工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を開け、バイトでこの下穴の周面に螺旋状のボール転走溝を切削加工する。次に、浸炭焼入れ等の熱処理を行った後、円筒研削盤等で外径部の研削加工を行い、最後に砥石を用いて切削したボール転走溝の表面を研削加工する。
【０００４】
しかしながら、従来の切削加工と研削加工とによってボール転走溝が形成されたボールねじナットにおいては、内径の小さいボールねじナットを研削加工する場合、砥石を下孔に挿入することができず、研削加工ができないことがあった。また、内径が小さいボールねじナットでなくても大リードのものについては、リード角が大きいため、下孔への砥石の挿入量が制限を受けて、やはり研削加工ができないことがあった。当然、研削加工は、ナットの芯出し等の調製に時間と工数がかかりコスト的に不利である。
【０００５】
こうした問題点を解決したものとして、図９に示すようなボールねじナットが知られている。このボールねじナット５０は、略円筒状をなし、その一端には搬送用機械等に結合するためのフランジ５０ａを有している。ボールねじナット５０の内周面には、ボール（図示せず）が転動するボール転走溝５０ｃが形成され、外周面には、平面部５０ｂが形成されている。この平面部５０ｂには、ボール転走溝５０ｃの一端と他端を連結するリターンパイプ等の部材が結合される。ボール転走溝５０ｃは、転造によりボール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ゴシックアーチ形状に形成されている。
【０００６】
また、このボールねじナット５０は、図１０に示すような工程で製造される。まず、円筒状の素材５１の外周を、バイト５２を用いて切削加工し、素材５１にフランジ５１ａを形成し（Ｓ１）、ドリル５３を用いて素材５１に下孔５１ｂを形成する（Ｓ２）。次に、中ぐりバイト５４を用いて、下孔５１ｂを正規の寸法にくり広げた（Ｓ３）後に、素材５１を１００〜２００ｒｐｍで低速回転させ、転造タップ５５を下穴５１ｂに挿入し、素材５１の内周面にボール転走溝５１ｃを転造する（Ｓ４）。こうしてボール転走溝５１ｃの表面はバニシ仕上げされる。次に、エンドミル５６を用いて、素材５１にボールを循環させるためのリターン部５１ｄを溝加工する。そして、バイト５２を用いて、素材５１の外径を切削加工し、外径を仕上げる（Ｓ５）。最後に、素材５１のボール転走溝５１ｃに再び転造タップ５５を通し、ボール転走溝５１ｃのバリを取る。
【０００７】
このように、転造工程（Ｓ４）で素材５１の内周面にボール転走溝５１ｃを形成するので、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、また、小径のボールねじナットであっても容易にボール転走溝を加工することができる。このため、ボール転走溝５１ｃの加工コストを低減することができ、加工工数を少なくすることができるので、リードタイムを短くすることができる。
【特許文献１】特開２０００−８８０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
最近、精密な位置決めと滑らかな作動性、静寂性が求められる工作機械や半導体製造装置の分野だけでなく、従来、さほど位置決め精度等を必要としない搬送機械やプレス機等の推力を発生させるための用途においても高速化が進み、騒音・振動等を規制する傾向がある。こうした従来のボールねじナット５０では、ねじ軸の転造加工と異なり、内径面のボール転走溝５０ｃに対する冷間塑性加工は加工上の問題がある。すなわち、中空のナット本体の軸方向の塑性流動がほとんど期待できないため、内径に挿入する転造タップ５５に大きな応力が発生し、転造タップ５５が割損することが多い。
【０００９】
また、この割損対策として、塑性変形代を小さく設定しようとした場合、粗ねじの精度が充分でないと、ボール転走溝の面精度向上が期待できないばかりか、加工残りを呈して安定した品質維持の面で問題が残る。さらに、ＳＣＭ鋼（ＪＩＳ）等で浸炭焼入れ・焼戻しを施した場合、表層には粒界酸化層が発生し、ボール転走溝５０ｃの表面は脆くなり、表面硬さが不足することで摩耗を進展させる恐れがあった。それに、熱処理前の加工面（ムシレ面やビビリ面）に入り込んだ不純物が、焼入れ性を悪化させ、さらに粒界酸化層を増大させる要因となっていた。
【００１０】
本発明は、こうした従来の問題を解決し、耐久性に優れ、低コストで比較的精度の高いボール転走溝を有するボールねじナット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】
【００１１】
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、ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボール転走溝にショットピーニング処理による硬化層が形成されている構成を採用した。
【００１２】
このように、ボール転走溝にショットピーニング処理による硬化層が形成されているので、表面粗さの改善と共に、表面の圧縮残留応力を高めることができ、耐久性に優れ、低コストで比較的精度の高いボール転走溝を有するボールねじナットを提供することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、前記ボール転走溝の表面粗さがＲａ１．０μｍ以下に規制されているので、高速回転においても騒音・振動等の発生を抑制することができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、前記ボール転走溝の表面硬さがＨｖ７００〜９００の範囲に設定されているので、充分な耐摩耗性と耐久性を有している。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、前記ボール転走溝の表面に−５００〜−１５００ＭＰａの範囲で圧縮残留応力が形成されているので、さらに耐久性を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明のうち請求項５に記載の方法発明は、ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットの製造方法において、熱処理前または熱処理後、あるいは熱処理前後にショットピーニング処理が施されているので、低コストで比較的精度の高いボール転走溝を有すると共に、使用条件に合った耐久性を有する仕様のボールねじを適宜提供することができる。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、素材の中心に所定の内径面をドリル加工で開ける工程と、前記内径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とを備えているので、ボール転走溝を一回の通し加工で効率良く切削加工でき、低コストで精度の高い溝加工ができる。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明は、前記熱処理前に、粒径が４０〜６０μｍからなる炭化珪素ビーズによるショットピーニング処理が施されているので、ボール転走溝の表面粗さと共にムシレやビビリ等が改善され、表面硬さおよび表面の圧縮残留応力を高めることができる。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、前記熱処理後に、粒径が４０〜６０μｍからなるスチールビーズによるショットピーニング処理が施されているので、充分な耐摩耗性と耐久性を有するボールねじナットを提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るボールねじナットは、ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボール転走溝にショットピーニング処理による硬化層が形成されているので、表面粗さの改善と共に、表面の圧縮残留応力を高めることができ、耐久性に優れ、低コストで比較的精度の高いボール転走溝を有するボールねじナットを提供することができる。
【００２１】
また、本発明に係るボールねじナットの製造方法は、ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットの製造方法において、熱処理前または熱処理後、あるいは熱処理前後にショットピーニング処理を施したので、低コストで比較的精度の高いボール転走溝を有すると共に、使用条件に合った耐久性を有する仕様のボールねじを適宜提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットの製造方法において、素材の中心に所定の内径面をドリル加工で開ける工程と、前記素材の外径面および内径面をバイトで仕上げ加工する工程と、前記内径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と、前記ボール転走溝に浸炭焼入れする熱処理工程と、この熱処理後にショットピーニング処理を行う工程とを備えている。
【実施例１】
【００２３】
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ナットの一実施形態を示す縦断面図である。
【００２４】
このボールねじナット１はＳＣＭ４３０等の肌焼き鋼からなり、ボールねじ軸３に外嵌され、このボールねじ軸３の外径面３ａに形成された螺旋状のボール転走溝４に対応して内径面１ａに螺旋状のボール転走溝２が、後述するタッピング工具９による切削加工により形成されている。これらボール転走溝２、４によりボール転動路が構成され、ボールねじナット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によって多数のボール７が無限循環することができる。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。
【００２５】
図２に、本発明の一実施形態におけるボールねじナット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径面をドリル等で形成する（Ｐ１）。素材の外径面および内径面を切削バイトで仕上げ加工する（Ｐ２）。次に、図３に示すように、ターニングセンタ８のチャック８ａおよびテールストック（図示せず）にそれぞれボールねじナット１、タッピング工具９を装着し、その後、ボールねじナット１の内径面１ａにタッピング工具９を挿入し、それぞれの位相をＮＣ制御しながら切削加工する（Ｐ３）。これにより、ボール転走溝２を一回の通し加工で効率良く切削加工でき、低コストで精度の高い溝加工ができる。
【００２６】
タッピング工具９は、図４に示すように、先端部にボールねじナット１の内径面１ａをガイドとして芯出しが可能なように円筒部９ａが形成されている。この円筒部９ａから後方に漸次大径に形成された切れ歯部９ｂが形成され、シャンク部９ｃを介して後端部にはテールストックに装着される矩形状のチャック部９ｄが形成されている。このタッピング工具９の切れ歯部９ｂの回転に伴い、ボールねじナット１の内径面１ａにボール転走溝２が切削加工により形成される。なお、タッピング工具９における切れ歯部９ｂの外周形状を、ボール転走溝２の、例えば、ゴシックアーチ形状に予め成形することにより、一回の通し加工で効率良く切削加工でき、低コストで精度の高い溝加工ができる。
【００２７】
こうしたタッピング工具９による切削加工後、ボールねじナット１は、浸炭焼入れ・焼戻しにより表面に５４〜６４ＨＲＣの範囲で硬化層が形成される（Ｐ４）。なお、熱処理による表面の硬化処理はこれに限らず、調質処理や高周波焼入れ、あるいは、素材にＳＵＪ２等の高炭素クロム鋼を使用してズブ焼入れしても良い。
【００２８】
そして、熱処理後、ボール転走溝２にショットピーニング処理を施す（Ｐ５）。本実施形態では、比重と共に高硬度なスチールビーズを使用し、粒径４０〜６０μｍ、ショット圧０．４ＭＰａ、処理時間は６０ｓｅｃ．で行った。これにより、熱処理によるスケールを削除でき、表面粗さの改善と共に、表面硬さおよび表面の圧縮残留応力を高めることができる。なお、スチールビーズ以外にもセラミックビーズやガラスビーズで処理を行っても良い。
【００２９】
ショット後の面粗さは、平均で処理前のＲａ１．０５μｍに対し、Ｒａ０．８９μｍと改善され、高速回転においても騒音・振動等の発生を抑制することができる。また、表面硬さは、図５に示すように、処理無し品は、表面から２５μｍの範囲で硬さの低下があり、表面に粒界酸化層が認められる。一方、処理品は表面硬さが増大して改善されていることが判る。なお、表面硬さは、ボール転走溝２のボール７が接触する付近で、表面から０．３ｍｍの深さまで測定を行った。
【００３０】
次に、本実施形態のボールねじナット１を組み込んだボールねじの寿命試験結果を図６に示す。ここで、供試品の諸元は、軸径；φ１４、リード；４ｍｍ、ボール径；φ２．３８１、循環数；１巻４列、循環方式は駒式である。また、試験条件は、荷重負荷方法；ばね予圧ダブルナットによる定圧予圧、潤滑；油ＶＧ６８、回転数；２０００ｒｐｍ、ストローク；６０ｍｍ、負荷荷重；２４００Ｎである。
【００３１】
図６の表記は、ボールねじナットにスラスト荷重を負荷し、剥離が発生するまでの総回転数と計算上の総回転数（Ｌ１０寿命）との比をグラフにしたものである。このグラフからも判るように、ショットピーニング未処理品（比較例１〜３）に対し、寿命比は２〜３倍の寿命を示しており、ショットピーニング処理品は充分な耐久性を有していることが判る。
【００３２】
また、ショットピーニング処理により表面硬さは、Ｈｖ７００〜９００の範囲に設定するのが好ましい。Ｈｖ７００未満では寿命の向上が期待できず、Ｈｖ９００を超えると反って靭性の低下が懸念されるためである。さらに、表面の圧縮残留応力は、−５００〜−１５００ＭＰａの範囲が好ましい。−５００ＭＰａ未満では充分な寿命向上が得られず、また、−１５００ＭＰａを超えると処理時間に比例した応力増大が見込めず、反って処理時間が長くなってコスト高騰を招くためである。
【実施例２】
【００３３】
図７に、本発明の他の実施形態におけるボールねじナット１の製造工程を示す。本実施形態は素材のドリル加工（Ｐ１）からタッピング工具９によるボール転走溝２の切削加工（Ｐ３）までは前述した実施形態と同様であるが、ボール転走溝２の切削加工の後、すなわち、熱処理前に、ボール転走溝２にショットピーニング処理を施している（Ｐ５）。本実施形態では、炭化珪素製ビーズを使用し、粒径４０〜６０μｍ、ショット圧０．４ＭＰａ、処理時間は２０ｓｅｃ．で行った。これは、被加工物が生材で、スチールビーズでは被加工物の塑性変形が大きくなって溝形状が崩れる恐れがあり、塑性変形が生じ難く、極表面（表面から２〜３μｍ）の組織の微細化や、ショットによる表面の不純物を除去するのには炭化珪素製ビーズが適しているからである。これにより、ボール転走溝２の表面粗さと共にムシレやビビリ等が改善され、表面硬さおよび表面の圧縮残留応力を高めることができる。
【００３４】
次に、本実施形態のボールねじナット１を組み込んだボールねじの寿命試験結果を図８に示す。ここで、供試品の諸元および試験条件は、前述した実施形態と同様である。このグラフからも判るように、ショットピーニング未処理品（比較例１〜３）に対し、寿命比は１．５〜２倍の寿命を示しており、ショットピーニング処理品は充分な耐久性を有していることが判る。
【００３５】
本実施形態では当然のことながら、切削加工後、熱処理前にショットピーニング処理を施すため、熱処理による粒界酸化層の除去はできないものの、表面硬さおよび表面の圧縮残留応力の形成と共に、表面粗さの改善、とりわけ、数値的な改善よりも突起状の切削表面を円滑化することによるボール転走溝２とボール７との接触状態の改善がこの寿命向上に寄与しているものと考えられる。無論、使用条件の厳しいボールねじには、熱処理前後にショットピーニング処理を施し、耐摩耗性や耐久性の向上を図ることもできる。
【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ナットは、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ナット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ナットの一製造工程を示す説明図である。
【図３】本発明に係るボールねじナットの製造方法を実施するためのターニングセンタを示す概略図である。
【図４】本発明に係るボールねじナットの加工に用いるタッピング工具を示す平面図である。
【図５】本発明に係るボールねじナットにおけるボール転走溝の表面硬さを示したデータである。
【図６】本発明に係るボールねじナットを組み込んだボールねじの寿命試験結果を示すグラフである。
【図７】本発明に係るボールねじナットの他の製造工程を示す説明図である。
【図８】本発明に係るボールねじナットを組み込んだボールねじの寿命試験結果を示すグラフである。
【図９】従来のボールねじナットを示す縦断面図である。
【図１０】従来のボールねじナットの製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・・・・・・・・・ボールねじナット
１ａ・・・・・・・・・・内径面
２、４・・・・・・・・・ボール転走溝
３・・・・・・・・・・・ボールねじ軸
３ａ・・・・・・・・・・外径面
５・・・・・・・・・・・連結溝
６・・・・・・・・・・・駒部材
７・・・・・・・・・・・ボール
８・・・・・・・・・・・ターニングセンタ
８ａ・・・・・・・・・・チャック
９・・・・・・・・・・・タッピング工具
９ａ・・・・・・・・・・円筒部
９ｂ・・・・・・・・・・切れ歯部
９ｃ・・・・・・・・・・シャンク部
９ｄ・・・・・・・・・・チャック部
５０・・・・・・・・・・ボールねじナット
５０ａ、５１ａ・・・・・フランジ
５０ｂ・・・・・・・・・平面部
５０ｃ、５１ｃ・・・・・ボール転走溝
５１・・・・・・・・・・素材
５１ｂ・・・・・・・・・下穴
５１ｄ・・・・・・・・・リターン部
５２・・・・・・・・・・バイト
５３・・・・・・・・・・ドリル
５４・・・・・・・・・・中ぐりバイト
５５・・・・・・・・・・転造タップ
５６・・・・・・・・・・エンドミル
【図１】
2005090570.tif 000003
【図２】
2005090570.tif 000004
【図３】
2005090570.tif 000005
【図４】
2005090570.tif 000006
【図５】
2005090570.tif 000007
【図６】
2005090570.tif 000008
【図７】
2005090570.tif 000009
【図８】
2005090570.tif 000010
【図９】
2005090570.tif 000011
【図１０】
2005090570.tif 000012