NACHITECHNICALREPORT
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17B4Vol.

October/2008■ 新商品・適用事例紹介
電動式射出成形機向け高負荷ボールねじ支持用「高負荷容量スラストアンギュラ玉軸受」
機能部品事業
マテリアル"High Capacity Angular Contact Thrust Ball Bearing"for Ball Screw Supportof Electric Injection Molding Machine〈キーワード〉ボールねじサポート用軸受・高負荷容量・長寿命
コンパクト化・射出成形部品事業部／技術一部

安藤 真敏
Masatoshi Ando電動式射出成形機向け
高負荷ボールねじ支持用「高負荷容量スラストアンギュラ玉軸受」

要旨

昨今の省エネルギー・環境負荷低減のニーズを背景に、プレス機械や射出成形機などにおいてサーボモーターを駆動源とする電動化の動きが高まってボールねじいる。これら機械の電動化を支えるのが、※1を使ったリニアアクチュエーターである。
自動車のステアリング用途として製品化されたボールねじは、NC工作機械のワークテーブルなどの送り装置用として高速・高精度・高剛性を目標に発展し射出成形機てきた。
しかし、射出成形機などに使用されるボール製品の小型軽量化志向や樹脂材料の高機能化

ねじは、高速性もさることながら、高荷重に耐える必により、これまで金属材料でつくられていた部品を要があり、必然的にそのボールねじを支持する軸受樹脂に置き換える動きがある。中でも光学機器のレにも高負荷容量化が求められている。

ンズ、携帯電話やノートPCなどのIT機器部品など、※2

高アキシアル負荷容量タイプのスラストアンギュ
今般、高精度が求められる部品を実現する射出成形機にラ玉軸受（以下、ボールねじサポート軸受とする）をは、より高い制御性が必要とされる 。すなわち、従シリーズ化した。
開発、

来の駆動アクチュエータを油圧ポンプ＋シリンダーとAbstract
There has been an increasing tendency toward use of servo motors in press machines
and injection molding machines because of therecent demands for energy conservation andreduction of burden to the environment. Linear actuators with ball screws have been used
for servo motors.
Originally a ball screw was developed andmarketed for steering function in an automobile and further developed for feeders including a work table in NC machine tools. It has
been improved over time for high speed, highprecision and high rigidity. A ball screw usedin an injection molding machine needs to withstand a high load as well as high speed. Inevitably a bearing that supports such ball screw
requires the high load capability.
To satisfy this need, NACHI has developed
Angular Contact Ball Thrust Bearing that withstands a high axial load (hereinafter called Ball
Screw Support Bearing) and made it into a series.

11. 電動サーボ式1）した油圧式のデメリットである作動油粘度の温度依存性、制御弁の動作特性に起因する安定性や制御性の限界などを克服する必要がある。このような背景のもと、とくに国内市場においては、油圧式射出成形機に替わり電動サーボモーター＋ボールねじを使った電動サーボ式射出成形機の台頭が著しく、80%以上が電動サーボ式となっている。
また、省エネルギーの面でも、油圧式に見られる制御弁などの流量抵抗による損失のない電動サーボ式が一般的に有利となる。
電動サーボ式では実現の難しい超大形の成形機には依然、油圧式の持つ大出力が有効であろうが、今後も電動サーボ式成形機の発展はすすむものと思われる。
典型的な射出成形機の外観を、図1に示す。

図1

射出成形機外観

2. キーデバイスとしてのボールねじ
電動サーボ式射出成形機において、キーデバイスとなるのがボールねじである。今日の電動サーボ式射出成形機の発展は、成形機用ボールねじの製造技術、使用する上でのノウハウの蓄積に支えられてきたものと考えられる。
NC工作機械のテーブル駆動に使用されるような精密ボールねじには高速・高精度・高剛性が要求されるのに対し、射出成形機用ボールねじは、高負荷、短ストローク運動への耐性が要求される。ボールねじメーカー各社からは、射出成形機用途の高負荷容量のボールねじが製品化されている。
ボールねじの推力を支え、ボールねじをフレームに

図2 ボールねじとボールねじサポート用軸受（図2）。
固定するのがボールねじサポート用軸受である
NACHIではこれまで、精密ボールねじの支持用としてTABシリーズ、小型リニアアクチュエータ用小径ボー
ルねじ支持用としてシール付きアンギュラ玉軸受を2）商品化してきた 。

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17 B42電動式射出成形機向け
高負荷ボールねじ支持用「高負荷容量スラストアンギュラ玉軸受」

3. 電動サーボ式射出成形機内のボールねじ使用部位
一般的な射出成形の工程は、①型締め工程、②（ノズルタッチ）

ノズルタッチ工程、③射出工程、④冷却工程、⑤材連続成形開始時のみの工程であり、射出ユニット料の計量と溶融、混練の工程、⑥型開き工程、⑦成を前進させ、射出シリンダ先端部分を金型の樹脂注

3）

電動サー形品突出し工程からなる 。これら工程の内、入部に接触させる工程である。他の工程に比べ低ボ式射出成形機においてボールねじで駆動されるアクチュエーターとしては大きな動力を必
速であり、工程は、型締め、ノズルタッチ、射出および成形品突要としない。

（図3）。
出し工程である
型締め用ボールねじ（射出工程）
射出用ボールねじ

加熱シリンダ内で溶融させた樹脂をスクリューの（図4）。また、前進により金型内に注入する工程である
射出後、溶融樹脂が金型内で一定の硬さになるま（保圧という）。射出工
で圧力をかけたまま保持する程のボールねじには、高速性と耐スラスト荷重が要求される。

成形突出し用ボールねじ

図3

ノズルタッチ用ボールねじ

電動サーボ式射出成形機におけるボールねじの使用箇所例（型締め）とメス側（固定）を密着させ、金型のオス側（移動）樹脂を射出される空間を作る工程である。溶融した

図4

樹脂が非常に高い圧力で型内に射出されるので、

3

型締め→ノズルタッチ→射出した状態

オス型とメス型を締め付けるにも強い力が必要となる。

（成形品の突出し工程）

その型締め力は、成形品の大きさ、求められる精度

型開き後に、金型から製品を分離させる工程。
射出、によって異なり、50kN程度から、15,000kNを超える射出後の収縮により金型内に密着した成形品を金電動式射出成形機も製品化されている。また、型の型内部の突き出し機構によって、外部に排出させる。

移動をボールねじで行ない、型締め力保持を油圧

当然ながら、型締め、射出工程ほどの力は必要としで行なうハイブリッドタイプもある。

ない。

4. 射出成形機用ボールねじサポート軸受に求められる性能
前項で述べたように、射出シリンダー、型締め部のボー式（1）から、玉の直径を大きくすることがアキシア

ルねじは、高負荷かつ短ストロークという過酷な条件ル定格荷重を増大させるには最も効果があることがしたがって、そのボールねじを有の元で使用される。

限られた主要寸法内でボー分かる。TAFシリーズでは、効に機能させるにはそれを支持する軸受にも相応のル直径を極力大きくなるよう設定することによって大性能が要求される。求められる性能のポイントとしては、

きい動アキシアル定格荷重を実現した。

・長寿命

単位軸受あたりの動定格荷重を増加させること・高アキシアル限界荷重を多列により、標準形（TABシリーズ、73Bシリーズ）・耐高速回転組みあわせして使用した場合に比べ、組みあわせと・低トルクしての定格荷重を維持したまま列数を少なくし、幅・高精度（図6）。
寸法の削減が可能となるなどが挙げられる。これら要求性能は、標準アンギュラ玉軸受73Bシリーズ、精密ボールねじサポート用のある程度満たすことはできる。
しかTABシリーズでも、し、NACHIは今後の電動サーボ化への進展を見据え、高負荷ボールねじサポートに特化したTAFシリーズを開発・シリーズ化した。
TAFシリーズの外観を、図5に示す。
図5以後、TAFシリーズの特徴について述べる。

TAFシリーズ外観

TABシリーズ

1）高負荷容量80

サポート用軸受にはボールねじ以上の基本的に、寿命が求められる。軸受の転がり疲れ寿命を向上※3を増大させることが考えられる。ボール径25.4mm以重は、式（1）で示される計算式で求めることができる。
0.7

2／3

1.8

Ca＝f（cos α）・Z ・Dw ・tan α - - - - 式（1）5450TAB10FFFB（4列組みあわせ）
Ca＝150kN

73Bシリーズ
81
φ110
φ50

下を持つスラスト玉軸受の基本動アキシアル定格荷TAFシリーズ

φ50
φ100

させる手段としては、基本動アキシアル定格荷重Ca

ここで、
Ca：基本動アキシアル定格荷重［N］

50TAF11DB（2列組みあわせ）
Ca＝152kN

f：形式・内部設計により決まる係数φ50φ110α：呼び接触角
Z：玉数
Dw：玉の直径［mm］
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Vol.

17 B4

7310B FFB（3列組みあわせ）
Ca＝142kN

図6

組みあわせ幅寸法比較

4電動式射出成形機向け
高負荷ボールねじ支持用「高負荷容量スラストアンギュラ玉軸受」

TABシリーズ、73Bシリーズ、TAFシリーズについて、

3）アキシアル限界荷重
型締め完了時や射出後の保圧時には、軸受に軸受内径寸法ごとの基本動アキシアル定格荷重の比較を、図7に示す。

大きな静的アキシアル荷重が負荷される。

また、TABシリーズとの計算寿命の比較を、図8に示す。

アンギュラ玉軸受にアキシアル荷重を徐々に負荷していった場合、ある荷重を超えるとボールと軌道面との接触部が軌道面よりはみ出してしまう。このとき

基本動アキシアル定格荷重（kN）

450のアキシアル荷重をアキシアル限界荷重と定義する

TAFシリーズ
73Bシリーズ
TABシリーズ

400350（図9）。アキシアル限界荷重以上の荷重を負荷す

300を生じ、音品ると、軌道の肩部に永久変形（圧痕）250

質の低下や振動、早期はくりの原因となる。

200150100500φ25φ30φ35φ40φ50φ60φ80 φ100

内径寸法（mm）

図7接触楕円基本動アキシアル定格荷重比較

図950TAF11DB（2列組みあわせ）10,000び接触角を最適設定することにより、許容アキシアル荷重の向上を図った。図10に内径寸法毎の73B1,000系列およびTABシリーズとのアキシアル限界荷重の100

50TAB10FFFB（4列組みあわせ）100

TAFシリーズでは、内輪外径寸法、軌道曲率およ50TAB10DB（2列組みあわせ）比較を示す。
25002468101214161820

アキシアル荷重（kN）

図8標準形との寿命比較（計算値）

2）耐高速回転高速の正逆繰り返し運転の加速度に耐えるよう、保持器を両柱タイプの一体成形樹脂保持器とすることにより、高精度・高強度を確保した。

アキシアル限界荷重（kN）

6

計算寿命（10 回転）

100,000

軌道肩乗り上げ200

TAFシリーズ
73Bシリーズ
TABシリーズ

150100500φ25φ30φ35φ40φ50φ60φ80 φ100

内径寸法（mm）

図10 アキシアル限界荷重比較
54）低トルク

した場合、各軸受間の外内径寸法相互差が大きい

油圧式射出成形機の場合、射出部は油圧アクチュと軸・ハウジングとのはめあい時に、各軸受列間にエータ＋スラストころ軸受の組みあわせがよく使用さ荷重分布のアンバランスを起こし、発熱につながるころと軌道輪とがすれる。ころ軸受はその構造上、恐れがある。

べり接触している部分があり、玉軸受に比べ回転抵

このため、TAFシリーズの精度はJIS 5級相当が抗が大きい。
しかし、油圧アクチュエーターの出力が必要であり、精密級軸受と同工程で製作されている。

大きいためそのデメリットは顕在化しなかった。電動サー

TAFシリーズの仕様を表1に示す。

ボ式の場合、軸受の回転抵抗が大きいとサーボモー
450

ターも大形となり電動式のメリットが損なわれる。
触状態を最適化することにより、TABシリーズに対し同等、73Bシリーズに対しては大幅な起動トルク低減を実現した（図11）。

5）高精度

400

起動トルク（Ncm）

TAFシリーズにおいては、ボールと軌道面との接TAFシリーズ
73B系列
TABシリーズ

350300250200150100

射出成形機用ボールねじに使用される軸受は、

50040

工作機械に使用される精密ボールねじ用軸受との比較においては、それほどまでの寸法精度・回転精
しかし、多列組みあわせで使用度を必要としない。

50

呼び番号
25TAF06
30TAF07
35TAF09
40TAF09
40TAF1145TAF1150TAF1160TAF1360TAF1780TAF17100TAF21120TAF03

内径d2530
35404045506060
80100120

外径D62729090110110110
130170170
215
260

NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.

幅
B
171923232727273139394755

17 B4100

起動トルク比較TAFシリーズ仕様

基本動作用点 接触角
定格荷重（mm） （°）（kN）
面取（最小）
αrr1a
Ca1.10.6
1750
56
1.10.62150
74
1.5
1.02750103
1.5
1.02750
103
2.0
1.034
50
152
2.0
1.03450152
2.01.034
50
152
2.1
1.1
4150
196
2.11.155
50
279
2.11.15550
279
3.01.18955385
3.01.110855445

主要寸法（mm）

80［条件］ ・正面組みあわせ（2列分）
・各内径寸法毎に同一予圧荷重での比較

図11表160

内径寸法（mm）

許容回転
アキシアル
速度
限界荷重（min-1）（kN） （グリース潤滑）
47.5
4,500
58
3,800
77
3,000
77
3,000118
2,500118
2,500118
2,500157
2,100
238
1,500238
1,500234
1,200
380
1,000

TAFシリーズ寸法図

65. 射出成形機の電動化を支える
高性能ベアリング

ボールねじサポート軸受のレパートリーとして新しく

今後もスクリュー素材、金型用素材、搬送用ロボッ

シリーズ化した、電動サーボ式射出成形機用の高負トなど、射出成形機および周辺装置の分野に幅広

荷容量ボールねじサポート用軸受TAFシリーズについ高品質なソリューションを提供していく。

いて紹介した。TAFシリーズは、長年培ってきたボールねじサポート用軸受のノウハウを盛り込んで開発された。

用語解説

参考文献

※1 アクチュエーター
入力されたエネルギーを物理運動へ変換する機構のこと。電動モーターとボールねじの組みあわせは、電気エネルギーを直線運動に変換するアクチュエーターであり、油圧のエネルギーを直線運動に変換するのが、油圧シリンダーである。

1）稲葉 善治：電動サーボ式射出成形機（2000）pp.1528-1532
精密工学会誌 Vol.66 No.10、※2 アンギュラ玉軸受
転動体であるボールが内輪・外輪軌道面とある角度をもって接触している軸受。通常、単体で使用することはできず、2個対向させて使用するか、2個以上を組みあわせて使用する。
※3 基本動アキシアル定格荷重
スライト軸受において、一群の同じ軸受を運動させたとき、そのうちの90％の軸受が転がり疲れによる損傷を起こさずに100万回転できるようなアキシアル荷重のこと。

NACHI TECHNICAL REPORT

Vol.17 B4October / 2008

〈発2）穴田 幸平：長寿命、メンテナンスフリー、大アキシアル荷重「ボールねじサポート用軸受」
NACHI-BUSINESS news、Vol.3 B1、May（2004）
3）
日精樹脂インジェクション研究会：知りたい射出成形関連記事
1）八島 秀樹：高負荷ボールねじサポート用軸受（TAFタイプ）（2000）
不二越技報 Vol.56 No.2、行〉 2008年10月20日
株式会社 不二越 開発本部 R&D企画部
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