(57)【要約】【課題】特殊な仕様のボールねじやグリースを用いなくとも凝着摩耗やフレッチングによるボールねじの損傷を抑制する。【解決手段】アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）成分とイットリア（Ｙ２Ｏ３）‐ジルコニア（ＺｒＯ２）成分とを質量比でアルミナ成分：イットリア‐ジルコニア成分が５〜５０：５０〜９５の割合で含有して形成されており、該イットリア‐ジルコニア成分は、イットリアの含有率が１．５モル％以上、５．０モル％以下の範囲内であるイットリア‐ジルコニアから形成されていることを特徴とするボールねじ用転動体及び該転動体を組み込んだボールねじ。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面にねじ溝が設けられたナットと、外周面にねじ溝が設けられたねじ軸とが相対回転し、これら互いに対向するねじ溝間で転動する複数の転動体とを備えたボールねじに用いる転動体であって、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）成分と、ジルコニア（ＺｒＯ２）成分またはイットリア（Ｙ２Ｏ３）を１．５モル％以上、５モル％以下の範囲で含有するイットリア‐ジルコニア成分とを、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア成分またはイットリア‐ジルコニア成分＝５〜５０：５０〜９５で含むアルミナ‐ジルコニア系複合材料で形成されていることを特徴とするボールねじ用転動体。
【請求項２】
請求項１に記載した転動体を組み込んだことを特徴とするボールねじ。
【請求項３】
前記ボールねじは、鉱油、アルキルジフェニルエーテル油、ポリα‐オレフィン油、またはそれらを基油とする潤滑油によって潤滑されたことを特徴とする請求項２のボールねじ。
【請求項４】
前記ボールねじは、鉱油、アルキルジフェニルエーテル油、ポリα‐オレフィン油を基油とするグリースによって潤滑されたことを特徴とする請求項２のボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送り装置等に用いられるボールねじにおいて、ごく小さなストロークで繰り返し動作するような使用条件であっても、ボールねじの損傷を抑制することができる転動体及びそれを組み込んだボールねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超精密加工に対する需要が増加しており、それに伴い加工機であるマシニングセンター用ボールねじの送り量（ボールねじのストローク）も益々小さくなってきている。このような使用環境では、ボールねじの摺動部においてナット及びねじ軸の軌道面と転動体との接触部に微小な滑りが生じ易く、この微小滑りによって接触部において金属同士が直接接触し、フレッチングや凝着摩耗と呼ばれる損傷が生じる。また、一般的にボールねじの軌道面の表面粗さは０．２μｍＲａ程度であり、通常の転がり軸受の軌道面と比較して非常に粗い。そのため微小な揺動では油膜が形成され難く、粗さの突起部では金属接触が発生し、微小滑りによるフレッチングや凝着摩耗等の損傷を誘発させる。この結果、転動体の表面やナット、ねじ軸の軌道面の形状精度が悪化して音響レベルが増加したり、動作精度が著しく低下するおそれがある。
【０００３】
この問題に関しては、転動体の材質に窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を用いることで、フレッチングを抑制する方法が知られているが、窒化ケイ素は油の濡れ性が悪いので低粘度の潤滑剤を使用すると油膜切れを起こし、軌道面の摩耗が進むことがある。また、窒化ケイ素製の転動体を用いた場合、摩擦によって転動体である窒化ケイ素表面が参加し、表面に脆い二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層を形成することが確認されている。この層はもろいため、揺動により容易に表面から脱落して摩耗粉の一部となり、損傷を促進させると考えられる。
【０００４】
これに対して、例えば特許文献１では転動体の振幅をＡ、転動体に接触するねじ溝表面に生じる接触円の径をＢとした場合の振幅Ａと接触円の径Ｂとの比（Ａ／Ｂ）を振幅比とし、この振幅比が１．６を超えると転動体と軌道面の間の油膜厚さが増加し、鋼製の転動体を用いたとしてもフレッチング等の損傷が減少するという実験結果が得られたことから、振幅比が１．６以上になるようにボールねじのリード角やボール径等を選定する方法が提案されている。また、特許文献２では、特殊な添加剤を含んだ潤滑剤を用いることでフレッチングを防止する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２０１１―０１２５５７号
【特許文献２】特開２００１―１３９９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１で示すように、ボールねじ選定方法やボールねじ内部諸元の変更を行い、振幅比を大きくすることでフレッチングを低減する発明がある。しかしながら、設計段階での想定を超える微小な揺動や、外部からの振動が作用した場合にはフレッチングを抑制することは出来ない。加えて、ボールねじ内部の設計変更には限界があり、必ずしも全ての使用条件に適応することは出来ない。また、特許文献２で示されるような特殊な添加剤を含む潤滑剤は高価であったり入手困難な場合が多い。
【０００７】
本発明は上記の課題を鑑みたものであり、特殊な仕様のボールねじや潤滑剤を用いなくとも凝着摩耗やフレッチング等の損傷を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、内周面にねじ溝が設けられたナットと、外周面にねじ溝が設けられたねじ軸とが相対回転し、これら互いに対向するねじ溝間で転動する複数の転動体とを備えたボールねじに用いる転動体であって、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）成分とイットリア（Ｙ２Ｏ３）‐ジルコニア（ＺｒＯ２）成分とを質量比でアルミナ成分：イットリア‐ジルコニア成分が５〜５０：５０〜９５の割合で含有して形成されており、該イットリア‐ジルコニア成分は、イットリアの含有率が１．５モル％以上、５．０モル％以下の範囲内であるイットリア‐ジルコニアから形成されていることを特徴とするボールねじ用転動体及び該転動体を組み込んだことを特徴とするボールねじによって達成される。また潤滑剤として、極性をほとんど有しない鉱油、アルキルジフェニルエーテル油、ポリα‐オレフィン油を基油とする潤滑油または、グリ‐スを使用する。
【発明の効果】
【０００９】
微小な揺動によって転動体とねじ軸やナットが直接接触した場合、両者が性質の近い金属で形成されていると凝着摩耗やフレッチングが発生し易く、それに伴い酸化摩耗粉が接触面に生成され、この摩耗粉が三元アブレシブ摩耗を引き起こし、損傷が大きくなる。一方、本発明のように転動体がジルコニア‐アルミナ系のセラミック材料の場合、軸受鋼との凝着は起こり難く、加えて元来が酸化物であるため摩擦による表面酸化や脆性物質の生成が無い。そのため三元アブレシブ摩耗が緩和され、結果として転動体や軌道面の損傷が抑制される。
【００１０】
また、振幅比が１．６以下となるような微小揺動が加わる状況でも一般的な仕様のボールねじと潤滑剤を用いて損傷を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ボールねじの構造を例示する図である。
【図２】振幅比を説明するための模式図である。
【図３】フレッチング試験において接触部が摩耗する状態を示した模式図である。
【図４】本発明に係るボールねじを用いたフレッチング試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１３】
図１に一般的なボールねじの構造を示す。ねじ軸１の外周面に設けられたねじ溝と、ナット２の内周面に設けられたねじ溝が対向し、２つのねじ溝で形成される空間に転動体３が組み込まれている。本発明ではねじ軸１とナット２をＳＵＳ鋼、ＳＵＪ２鋼等の金属製とし、転動体３をジルコニア‐アルミナ系のセラミック材料で形成する。
【００１４】
軸受やボールねじの転動体として使用されることの多いセラミック材料である窒化ケイ素は、針状結晶が絡み合った微細結晶であり、その粒径は最大径で３０〜５０μｍである。これに対しジルコニア‐アルミナ系セラミック材料は、アルミナ成分と、ジルコニア成分またはイットリア‐ジルコニア成分とを下記の比率で含み、焼結して得られるアルミナの焼結粒子（以下、アルミナ焼結粒子）、ジルコニアの焼結粒子（以下、ジルコニア焼結粒子）またはイットリア‐ジルコニアの焼結粒子（以下、イットリア‐ジルコニア焼結粒子）は、何れも平均粒径が２μｍ以下の微細な略球状体である。
【００１５】
また、焼結から室温まで冷却される際の体積収縮の差からアルミナ焼結粒子には圧縮の、ジルコニア焼結粒子やイットリア‐ジルコニア焼結粒子には引張の残留応力が付与され、残留応力の分布の違いから亀裂がアルミナ粒子を迂回して進展する。更に、亀裂先端部の応力集中により、イットリア‐ジルコニア焼結粒子の相転移（正方晶→単斜晶）に伴う体積膨張によって、亀裂先端部に圧縮応力が作用すること、また、アルミナ焼結粒子への圧縮応力が負荷され、亀裂の進展が阻害されることで強度が向上する。
【００１６】
本発明においては、アルミナ成分とジルコニア成分またはイットリア‐ジルコニア成分との比率は、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア成分またはイットリア‐ジルコニア成分＝５〜５０：５０〜９５であることが好ましく、１０〜３０：７０〜９０であることがより好ましく、２０：８０であることが最も好ましい。
【００１７】
特に、ジルコニア成分またはイットリア‐ジルコニア成分が９０質量％よりおおくなると（すなわち、アルミナ成分が１０質量％より少ない）、前述のアルミナ粒子を迂回し、亀裂が進展する強靭化機構が発現し難くなり、全体的な強度が低下する。また、ジルコニア成分またはイットリア‐ジルコニア成分が７０質量％より少なくなると（すなわち、アルミナ成分が３０質量％より多い）、脆いアルミナが全体に占める割合が大きくなり、全体的な強度が低下する。そのため、質量比で、アルミナ成分：ジルコニア成分またはイットリア‐ジルコニア成分＝１０〜３０：７０〜９０であることがより好ましく、２０：８０であることが最も好ましい。
【００１８】
さらにイットリア‐ジルコニア成分においては、イットリアを１．５モル％以上５モル％以下の割合で含み、特にイットリアの含有量が３モル％であることが最も好ましい。ジルコニアにイットリアを添加し固溶させると、構造中に酸素空孔が形成され、立方晶及び正方晶が室温でも安定、または準安定となり強度が向上するが、そのときのジルコニア中のイットリア含有量の適正量が１．５〜５モル％である。イットリア含有量が１．５モル％未満では正方晶からなる焼結体が得られず、５モル％を超えると正方晶が減少して立方晶が主体となるため、相転移による強度向上作用が発現しない。
【００１９】
次に、本発明に係るボールねじの性能を検証するために行ったフレッチング試験について説明する。
【００２０】
フレッチング試験は実施例、比較例の２種類のボールねじを用いて実施した。フレッチング試験の条件は、現在、マシニングセンター等に用いられるボールねじの最小ストロ‐クは概ね０．０２ｍｍであることからボールねじの揺動ストロ‐クを０．０２ｍｍ、振動数を１０Ｈｚ、ボールねじの軸方向荷重を７５００Ｎとし、２週間連続でボールねじの揺動運動を行った。実施例と比較例の個別諸元は以下の通りである。
【００２１】
（実施例１）
転動体材質：アルミナ‐ジルコニアセラミックス（Ａｌ２Ｏ３‐ＺｒＯ２）
アルミナ：イットリア‐ジルコニアの質量比＝２０：８０
ジルコニア中のイットリア含有量は３．０モル％
潤滑剤：グリースＡ
転動体径：７．１４３８ｍｍ
ねじ軸軸径：４０ｍｍ
リード：１６
ＢＣＤ：４１．５ｍｍ
接触円の径（揺動方向）：０．０７９ｍｍ
ねじ溝表面粗さ：０．２μｍＲａ
転動体表面粗さ：０．００５μｍＲａ
ねじ材質：鋼
接触角：４５°
ボールねじへの与圧荷重：２１５５Ｎ
（実施例２）
転動体材質：アルミナ‐ジルコニアセラミックス（Ａｌ２Ｏ３‐ＺｒＯ２）
アルミナ：イットリア‐ジルコニアの質量比＝２０：８０
ジルコニア中のイットリア含有量は３．０モル％
潤滑剤：グリースＢ
上記以外の諸元は実施例１と同じである。
（実施例３）
転動体材質：アルミナ‐ジルコニアセラミックス（Ａｌ２Ｏ３‐ＺｒＯ２）
アルミナ：イットリア‐ジルコニアの質量比＝２０：８０
ジルコニア中のイットリア含有量は３．０モル％
潤滑剤：グリースＣ
上記以外の諸元は実施例１と同じである。
（比較例）
転動体材質：鋼
潤滑剤：グリースＡ
上記以外の諸元は実施例１と同じである。
使用した潤滑剤の性状を、表１に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
上記の試験結果を図４に示す。試験前における軌道面の表面粗さの最大高さＲｙ１と試験後における表面粗さの最大高さＲｙ２を求め、Ｒｙ２／Ｒｙ１を損傷比として表した（図３参照）。図４からも明らかなように、比較例１に対して実施例１においては大幅に損傷比が低減、すなわち凝着摩耗やフレッチングに伴う損傷が抑制されていることがわる。また、実施例２および３に対して、実施例１は損傷比が小さいことがわかる。
【００２４】
また、この試験における振幅比を下記計算式に基づいて算出した。
揺動角＝（ボールねじストロ‐ク／リ‐ド）×３６０°
振  幅＝π×（ＢＣＤ‐転動体径×ｃｏｓ（接触角））×揺動角／３６０°／２
振幅比＝振幅／接触円径
振幅比は、図２に示すように振幅と接触円径との比である。この計算式に前記ボールねじ諸元を適用すると振幅比は０．７９５となり、特許文献１に記載されているフレッチング発生の閾値である１．６より小さい。このことは、本発明を用いれば微小な揺動のように振幅比が小さい使用条件であっても、特殊な仕様のボールねじや潤滑剤を用いる必要がないことを示している。
【００２５】
油膜による潤滑が困難な試験条件であるにもかかわらず、フレッチングが抑制された理由は、以下のようであると推測される。
【００２６】
ボールねじがごく小さなストロークで繰り返し動作するような条件下では、微小な揺動運動によりねじ溝及びナットの軌道面と転動体との接触部に微小な滑りが発生し、両者が直接接触し易くなる。転動体とねじ軸、ナットが性質の近い金属（例えば軸受鋼）で形成されている場合には接触部で凝着摩耗やフレッチングが発生し、接触領域内に主に酸化鉄からなる摩耗粉が発生する。この摩耗粉は、揺動が微小であるため接触部より排出されにくく、接触領域内にとどまる。そのため三元アブレシブ摩耗が発生して摩耗が加速し、損傷が大きくなる。一方、転動体が本発明に係るアルミナ‐ジルコニア系セラミックスの場合、金属との凝着摩耗は起こり難く、また元来が酸化物であるため摩擦による表面酸化や脆性物質の生成は無い。そのため金属製の転動体を用いた場合と比較して三元アブレシブ摩耗による摩耗は緩和され、転動体や軌道面の損傷が抑制されたと推測される。また、潤滑剤が極性を有する場合、油分子のジルコニア表面への吸着により、ジルコニアの相転移を促進させる。そのため、表面強度が低下し、摩耗粉や表面凹凸が形成され、アブレシブ摩耗により摩耗が大きくなったと考えられる。よって、潤滑剤には、極性をほとんど有しない鉱油、アルキルジフェニルエーテル油、ポリΑ‐オレフィン油を使用したほうが良い。
【符号の説明】
【００２７】
１  ねじ軸
１ａ  ねじ軸の軌道面
２  ナット
２ａ  ナットの軌道面
３  転動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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