(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ナットおよびその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周面に螺旋状に形成されたボールねじナットの製造方法において、ボールねじナットが炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、素材の中心に所定の内径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、ボール転走溝に浸炭焼入れする熱処理工程（Ｐ４）とを備えている。これにより、浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができ、摩耗や剥離を抑えて耐久性に優れたボールねじナットを提供することができる。【選択図】図２
2007016848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットにおいて、
前記ボールねじナットが炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、前記ボール転走溝が切削面で形成され、表面に浸炭焼入れによって所定の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硬さが５８〜６４ＨＲＣの範囲に設定されている請求項１に記載のボールねじナット。
【請求項３】
前記ボールねじナットに駒部材が装着され、この駒部材の内周面に前記ボール転走溝を連結する連結溝が形成され、当該駒部材によって前記ボールが無限循環されている請求項１または２に記載のボールねじナット。
【請求項４】
多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットの製造方法において、
前記ボールねじナットが炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、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、当該内周面にタッピング工具を挿入し、前記ボール転走溝が切削加工される工程と、前記ボール転走溝の表面が浸炭焼入れされる熱処理工程とを備え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５】
前記浸炭焼入れ後、前記ボール転走溝にショットピーニング処理が施されている請求項４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、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】
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整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４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溝等に形成されている。
【０００６】
また、このボールねじナット５０は、図５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の外周を切削加工し、外周面を仕上げる（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５１ｃ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】
然しながら、こうした従来のボールねじナット５０は、熱処理後に研削加工が行われないため、熱処理時に発生する粒界酸化層が表面に残存していた。この粒界酸化層は、その部分が早期に摩耗し、すきまが拡大して振動・騒音の原因になったり、あるいは、剥離が生じて短寿命になる恐れがあった。
【０００９】
これは、ボールねじナット５０の素材として用いられてきた材質に経緯があった。すなわち、一般的に、産業機械用のボールねじのナットにはＳＣＭ４１５〜ＳＣＭ４２０等、炭素量が０．１５〜０．２０重量％の低炭素浸炭鋼が使用されてきた。この理由は、ハウジングに取り付けられるための大きなフランジがボールねじナットに設けられていたり、リターンチューブを挿入するための孔をボールねじナットに加工する場合、高精度のＲ曲線を伴うエンドミル加工を行わなければならないためである。したがって、素材からの削り出しを効率良くするためには、加工抵抗の小さい低炭素鋼を使用する必要があった。こうした経緯により、自動車用のボールねじナットにおいても慣例的にこの種の素材が用いられてきた。
【００１０】
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、多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボールねじナットが炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、前記ボール転走溝が切削面で形成され、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されている構成を採用した。
【００１２】
このように、ボールねじナットが炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、ボール転走溝がタッピング工具やバイトによって切削加工され、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されているので、浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができる。これにより、摩耗や剥離を抑えて耐久性に優れたボールねじナットを提供することができる。
【００１３】
好ましくは、請求項２に記載の発明のように、前記ボール転走溝の表面硬さが５８〜６４ＨＲＣの範囲に設定されていれば、転がり疲労寿命が向上して充分な耐久性を得ることができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明のように、前記ボールねじナットに駒部材が装着され、この駒部材の内周面に前記ボール転走溝を連結する連結溝が形成され、当該駒部材によって前記ボールが無限循環されていれば、大きな取付用フランジを設ける必要がなく、また、エンドミル加工等の高精度加工がないため、ボールねじナットの素材として炭素量が増えた鋼種を採用しても加工性が損なわれることはない。
【００１５】
また、本発明のうち請求項４に記載の方法発明は、多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットの製造方法において、前記ボールねじナットが炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、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、当該内周面にタッピング工具を挿入し、前記ボール転走溝が切削加工される工程と、前記ボール転走溝の表面が浸炭焼入れされる熱処理工程とを備えている。
【００１６】
このような製造方法を採用することにより、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簡便に形成することができると共に、浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができる。
【００１７】
好ましくは、請求項５に記載の発明のように、前記浸炭焼入れ後、前記ボール転走溝にショットピーニング処理が施されていれば、さらに粒界酸化層の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るボールねじナットは、多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボールねじナットが炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、前記ボール転走溝が切削面で形成され、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されているので、浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができる。これにより、摩耗や剥離を抑えて耐久性に優れたボールねじナットを提供することができる。
【００１９】
また、本発明に係るボールねじナットの製造方法は、多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットの製造方法において、前記ボールねじナットが炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、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、当該内周面にタッピング工具を挿入し、前記ボール転走溝が切削加工される工程と、前記ボール転走溝の表面が浸炭焼入れされる熱処理工程とを備えているので、低コストで比較的精度の高いボール転走溝を有するボールねじナットを簡便に形成することができると共に、浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成され、このボール転走溝を連結する連結溝が形成された駒部材によって前記ボールが無限循環するボールねじナットの製造方法において、前記ボールねじナットが炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、素材の中心に所定の内周面がドリル加工で開けられ、当該内周面にタッピング工具を挿入し、前記ボール転走溝が切削加工されると共に、前記ボール転走溝の表面が浸炭焼入れされ、その後、ショットピーニング処理されている。
【実施例】
【００２１】
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。
【００２２】
このボールねじナット１は、ＳＣＭ４３０やＳＣＭ４３５等、炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成され、ボールねじ軸３に外嵌されている。ボールねじナット１の内周面には、ボールねじ軸３の外周面に形成された螺旋状のボール転走溝４に対応して螺旋状のボール転走溝２が形成されている。そして、これらボール転走溝２、４によりボール転動路が形成され、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。
【００２３】
ここで、ボール転走溝２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ゴシックアーチ溝に形成されている。このボール転走溝２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、アキシアルすきまが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。
【００２４】
図２に、本発明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。最初に、円柱状の素材の中心に所定の内周面がドリル等で形成される（Ｐ１）。次に、素材の外周面および内周面が切削バイトで仕上げ加工され（Ｐ２）。その後、ボールねじナット１の内周面にタッピング工具（図示せず）を挿入し、ボールねじナット１の内周面に螺旋状のボール転走溝２が切削加工される（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。
【００２５】
タッピング加工後、ボールねじナット１は、浸炭焼入れにより表面に５８〜６４ＨＲＣの範囲で硬化層が形成される（Ｐ４）。本実施形態に係るボールねじナット１は、ＳＣＭ４３０やＳＣＭ４３５等、炭素０．３０〜０．３５重量％を含む中炭素浸炭鋼で形成されているため、この浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができる。これにより、摩耗や剥離を抑えて耐久性に優れたボールねじナット１を提供することができる。
【００２６】
さらに、浸炭焼入れ後にショットピーニングによる二次加工を施し、表面の粒界酸化層を除去しても良い。この処理時間は粒界酸化層の深さに比例するため、ここでは、ショットピーニング処理時間を短縮することが可能となる。
【００２７】
なお、ボールねじナット１の素材として炭素量が増えた分、加工性が低下する恐れがあるが、自動車用ボールねじには大きな取付用フランジを設ける必要がなく、また、循環方式として駒式を採用しているため、リターンチューブ式に比べ、エンドミル加工等の高精度加工がないため、加工性が損なわれることはない。
【００２８】
図３は、本発明に係るボールねじナット１において、浸炭焼入れによる粒界酸化層の深さを検証した結果を示すグラフである。なお、供試品としては、ＳＣＭ４１５（比較例）とＳＣＭ４３５（実施例）からなり、内径１６．５ｍｍ、外径２８ｍｍ、長さが３２．５ｍｍの円筒状に形成されたテストピースを用いた。また、浸炭焼入れ深さは０．３〜０．６ｍｍ、表面硬さは５８〜６４ＨＲＣの範囲に設定されている。
【００２９】
通常、有効浸炭深さと浸炭時間は次のような関係式が知られている。これは、浸炭深さをｈ、浸炭時間をｔとした場合、ｈ＝Ｋｔ０．５となり、浸炭深さｈは浸炭時間ｔに比例する。従来のＳＣＭ４１５の場合（現状）、ＣＰ（カーボンポテンシャル）１．２で浸炭３時間、ＣＰ０．８で拡散１時間として、浸炭時間ｔ＝４時間をベースとすると、前記関係式から、ＳＣＭ４１５では、ｈ＝０．６ｍｍ、ｔ＝４時間から、定数Ｋは０．３となる。ここで、必要有効浸炭深さｈを例えば、０．３８ｍｍとした場合、浸炭１．２時間、拡散０．４時間で、浸炭時間ｔ＝１．６時間となる。本出願人はこの設定で処理試験を行った。
【００３０】
このグラフから明確なように、鋼種の差、すなわち、ＳＣＭ４１５（比較例）とＳＣＭ４３５（実施例）で浸炭時間が１／３に短縮され、それに伴い、粒界酸化層の深さが１／３に減少している。これにより、さらに粒界酸化層を除去するために浸炭焼入れ後にショットピーニング処理を行っても、その処理時間は従来の１／３に止まり、製造時間が短縮でき量産に好適となる。
【００３１】
なお、ボールねじナットの素材として、さらに炭素量が多い浸炭鋼、例えば、ＳＣＭ４４０あるいはＳＣＭ４４５が考えられるが、この鋼種においては、浸炭時間は大幅に短縮することが可能となるが、被切削性が低下し、加工時のサイクルタイムが増加するだけでなく、切削工具等の摩耗が大きくなって精度面や工具耐久性の面で悪化要因がありトータルコストの面から好ましくない。
【００３２】
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】
【００３３】
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】
【００３４】
【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において、浸炭焼入れによる粒界酸化層の深さを検証した結果を示すグラフである。
【図４】従来のボールねじナットを示す縦断面図である。
【図５】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】
【００３５】
１・・・・・・・・・・・ボールねじナット
２、４・・・・・・・・・ボール転走溝
３・・・・・・・・・・・ボールねじ軸
５・・・・・・・・・・・連結溝
６・・・・・・・・・・・駒部材
７・・・・・・・・・・・ボール
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
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４・製造工程
【図１】
2007016848.tif 000003
【図２】
2007016848.tif 000004
【図３】
2007016848.tif 000005
【図４】
2007016848.tif 000006
【図５】
2007016848.tif 000007