HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Kugelumlaufspindelvorrichtung zum Einsatz in einem
Vorschubmechanismus und dergleichen verschiedener
Einrichtungen, die mit starker Voreilung bei hoher
Geschwindigkeit sowie hoher Beschleunigung und Verzögerung
betrieben werden, und betrifft spezieller eine
Kugelumlaufspindelvorrichtung, die zum Einsatz in Umgebungen
geeignet ist, die einer hohen Belastung ausgesetzt sind.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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An sich bekannt ist aus dem Stand der Technik eine
Kugelumlaufspindelvorrichtung, die in Fig. 4 gezeigt ist.
Diese Kugelumlaufspindelvorrichtung 1 weist eine
Schraubenwelle 3 auf, an deren Außenoberfläche eine
schraubenförmige Gewindenut 2 vorgesehen ist, die sich in
Axialrichtung erstreckt, sowie eine Kugelmutter 6, auf deren
Innenoberfläche eine schraubenförmige Gewindenut 4 vorgesehen
ist, und die beweqlich aufgepaßt ist.
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Die Gewindenut 4 der Kugelmutter 6 und die Gewindenut 2
der Schraubenwelle 3 liegen so einander gegenüber, dass
dazwischen ein schraubenförmiger Weg ausgebildet wird.
Mehrere Kugeln 5 sind rollbar auf dem schraubenförmigen Weg
als Rollelemente vorgesehen. Bei dieser Anordnung führt, wenn
sich die Schraubenwelle 3 dreht, die Kugelmutter 6 eine
Linearbewegung über das Abrollen der Kugeln 5 durch.
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Führt die Kugelmutter 6 eine Linearbewegung durch,
rollen die Kugeln 5 durch den schraubenförmigen Weg, der
durch die Gewindenuten 2, 4 gebildet wird. Damit sich die
Kugelmutter 6 kontinuierlich bewegen kann, ist es
erforderlich, dass die Kugeln 5 endlos umlaufen.
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Zu diesem Zweck ist die Außenoberfläche der Kugelmutter
6 zum Teil eben ausgebildet. Zwei Gruppen von Löchern 51, die
mit der Gewindenut 2 bzw. 4 in Verbindung stehen, sind an der
jeweiligen Seite der Schraubenwelle 3 vorgesehen. Ein U-
förmiges Kugelrohr 50A, das ein Kugelumlaufteil ist, ist in
die zwei Gruppen von Löchern 51 an seinen beiden Enden
eingeführt, um einen Kugelumlaufweg 52 auszubilden. Zur
Ausbildung dieses Kugelumlaufweges kann ein Kugelumlaufteil
des Pendeltyps, des Endkappentyps oder irgendeines anderen
Typs neben dem Kugelrohrtyp-Kugelumlaufteil eingesetzt
werden.
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Heutzutage ist die Reinheit von Coil-Materialien, die
als Kugeln von Kugelumlaufspindelvorrichtungen eingesetzt
werden, wesentlich erhöht, um die Verläßlichkeit zu erhöhen.
Allerdings können nicht metallische Einschlüsse im Stahl
nicht vollständig ausgeschlossen werden. Daher kann bei
Kugelumlaufspindelvorrichtungen früh ein Bruch einer Kugel
infolge dieser nicht metallischen Einschlüsse im
Hochgeschwindigkeitsbetrieb auftreten.
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Als Vorgehensweise zur Verlängerung der Lebensdauer
einer Kugel beschreibt die JP-B-1-12812 eine Vorgehensweise,
die ein Härten und ein Anlassen der Kugel umfasst, woran sich
eine mechanische Oberflächenhärtung durch Luftsprüh-Peening
anschließt, um eine plastische Verformung von deren
Oberflächenschicht hervorzurufen, und daher die Härte zu
erhöhen, wodurch die Oberfläche der Kugel mit einer Schicht
mit hoher Restdruckspannung versehen wird, um die
Ermüdungsbruch-Lebensdauer der Kugel zu verlängern, und das
Auftreten von Kratzern an der Oberfläche beim Handhaben zu
verringern.
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Die Vorgehensweise der JP-B-1-12812 ist jedoch insoweit
nachteilig, da infolge der Tatsache, dass mit der Kugel
bereits eine Art von plastischer Verformung entsprechend
einer Kontaktermüdung in Form einer mechanischen
Oberflächenhärtung durch Luftsprüh-Peening durchgeführt
wurde, bei der sich ergebenden Kugel eine hohe Restspannung
auftritt, vor dem Betrieb der Kugelumlaufspindelvorrichtung.
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Weiterhin wird, wenn die Kugeln miteinander in einer
Kugelumlaufspindelvorrichtung beim Betrieb mit hoher
Geschwindigkeit zusammenstoßen, oder wenn die Kugeln auf den
Ballfangabschnitt des Kugelrohrs oder die Schraubenwelle oder
die Kugelmutter beim Beginn der Belastung in einer
Kugelumlaufspindelvorrichtung des Rohrtyps auftreffen, die
Restspannung im Inneren der Kugel beschleunigt, was
gelegentlich zu einem frühen Abblättern der Kugel infolge
nicht metallischer Einschlüsse und dergleichen führt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde zur Ausschaltung dieser
Nachteile entwickelt. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht in der Bereitstellung einer
Kugelumlaufspindelvorrichtung, die gegen ein frühes
Abblättern einer Kugel geschützt werden kann, um deren
Lebensdauer zu verringern, selbst beim Einsatz in Umgebungen,
die hohen Belastungen ausgesetzt sind.
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Um das voranstehend geschilderte Ziel zu erreichen,
besteht die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt
in einer Kugelumlaufspindelvorrichtung, die eine
Schraubenwelle aufweist, in deren Außenoberfläche eine
schraubenförmige Gewindenut vorgesehen ist; eine Kugelmutter,
die eine Gewindenut entsprechend der Gewindenut der
Schraubenwelle aufweist, und an deren Innenoberfläche
vorgesehen ist, wobei die Kugelmutter beweglich auf die
Schraubenwelle aufgepaßt ist; mehrere Kugeln, die rollbar
zwischen den beiden Gewindenuten angeordnet sind; und ein
Kugelumlaufteil, das an der Kugelmutter befestigt ist, um
einen Kugelumlaufweg auszubilden, durch welchen die Kugeln,
die auf einem Spalt zwischen den beiden Gewindenuten
abrollen, endlos umgewälzt werden, wobei die Kugel eine
Verteilung der Restdruckspannung einschließlich eines
Maximalwertes σs von 1000 MPa oder weniger aufweist, nach dem
Polieren in einem Herstellungsvorgang, der eine
Oberflächenhärte umfasst, an die sich ein Härten und Anlassen
anschließt, wobei die Restdruckspannung σD in der Tiefe von 1%
des Kugeldurchmessers Dw gegenüber der Oberfläche der Kugel
der Maximalwert σs oder kleiner ist.
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Die vorliegende Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt
besteht in der Kugelumlaufspindelvorrichtung gemäß dem ersten
Aspekt, wobei ein Abstandsstück, das aus Harz besteht,
zwischen den mehreren Kugeln angeordnet ist, die abrollbar
zwischen den beiden Gewindenuten angeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung gemäß einem dritten Aspekt
besteht in der Kugelumlaufspindel gemäß dem ersten oder
zweiten Aspekt, wobei die Verteilung der Restdruckspannung
einen Maximalwert σs von 800 MPa oder weniger umfasst.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils
zur Erläuterung einer Kugelumlaufspindelvorrichtung, die eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
Kugelabblätterungslebensdauerverhältnis und der Restspannung
σD der Oberflächenschicht der Kugel erläutert;
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Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
Kugelabblätterungslebensdauerverhältnis, wenn die
Restspannung Bo der Oberflächenschicht der Kugel 800 MPa
beträgt, und der Drehgeschwindigkeit der
Kugelumlaufspindelvorrichtung zeigt; und
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Fig. 4 ist eine teilweise weggeschnittene
Perspektivansicht, die eine Kugelumlaufspindelvorrichtung
nach dem Stand der Technik zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nachstehend im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines
wesentlichen Teils, die eine Kugelumlaufspindelvorrichtung
zeigt, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist, Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
Kugelabblätterungslebensdauerverhältnis und der Restspannung
σD der Oberflächenschicht der Kugel zeigt, und Fig. 3 ist
ein Diagramm, das clie Beziehung zwischen dem
Kugelabblätterungslebensdauerverhältnis, wenn die
Restspannung σD der Oberflächenschicht der Kugel 800 MPa
beträgt, und der Drehgeschwindigkeit der
Kugelumlaufspindelvorrichtung zeigt. Bei dieser
Ausführungsform werden gleiche Bezugszeichen verwendet, und
erfolgt keine Beschreibung, wenn die Teile ebenso wie in
Fig. 4 sind.
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Die Kugelumlaufspindelvorrichtung 100 weist ein
Abstandsstück 10 auf, das aus Harz besteht, das zwischen
mehreren Kugeln 5 angeordnet ist, die abrollbar auf einem
schraubenförmigen Weg angeordnet sind, der durch eine
Gewindenut 4 auf einer Kugelmutter 6 und eine Gewindenut 2
auf einer Schraubenwelle gebildet wird, wie dies in Fig. 1
gezeigt ist. Das Abstandsstück 10 weist die Form eines
Zylinders oder einer Säule auf, bei dem bzw. der die beiden
Axialenden eine konkave Form aufweisen, die der Form der
Kugel 5 entspricht.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird als Kugel 5 eine
Kugel eingesetzt, die eine Verteilung der Restdruckspannung
einschließlich eines Maximalwertes σs von 1000 MPa oder
weniger aufweist, vorzugsweise von nicht mehr als 800 MPa,
nach Polieren in einem Herstellungsvorgang, der eine
Oberflächenhärtung umfasst, an die sich ein Härten und ein
Anlassen anschließen, wobei die Restdruckspannung σD in der
Tiefe von 1% des Kugeldurchmessers Dw von der Oberfläche der
Kugel aus nicht größer ist als der Maximalwert σs.
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Die Verringerung der endgültigen Restspannung σD der
Oberflächenschicht der Kugel während der Herstellung der
Kugel 5, und das Vorsehen des Abstandsstückes 10, das aus
Harz besteht, und zwischen den Kugeln 5 der
Kugelumlaufspindelvorrichtung 100 angeordnet ist, ermöglichen
es, einen Zusammenstoß der Kugeln 5 miteinander im
unbelasteten Zustand auszuschalten. Weiterhin kann der
Zusammenstoß der Kugeln 5 mit dem Ballfangabschnitt eines
Kugelrohrs 50A oder der Schraubenwelle 3 und der Kugelmutter
6 (wenn die Belastung bei der Kugelumlaufspindelvorrichtung
einsetzt) durch die endgültige Restspannung der
Oberflächenschicht der Kugel und die elastische Kraft des aus
Harz bestehenden Abstandsstückes 10 vereinigt verringert
werden. Dies führt dazu, dass ein frühes Abblättern der Kugel
5 verhindert werden kann, selbst wenn sie in Umgebungen
eingesetzt wird, die einer hohen Belastung ausgesetzt sind,
was es ermöglicht, eine Kugelumlaufspindelvorrichtung zu
erzielen, die mit geringen Geräuschen und starkem Vorschub
bei hoher Geschwindigkeit und hoher Beschleunigung und
Verzögerung betrieben werden kann, frei von einer frühen
Abblätterung beim Einsatz unter Bedingungen mit hoher
Belastung über eine verlängerte Lebensdauer.
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Der Aufbau der Kugelumlaufspindelvorrichtung, des
Kugelumlaufteils, des Abstandsstücks, usw. gemäß der
vorliegenden Erfindung ist nicht auf die voranstehend
geschilderte Ausführungsform beschränkt, und es lassen sich
insoweit geeignete Abänderungen vornehmen, so weit sie nicht
vom Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen.
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So wurde beispielsweise die voranstehend geschilderte
Ausführungsform unter Bezugnahme auf jenen Fall beschrieben,
in welchem die vorliegende Erfindung bei einer
Kugelumlaufspindelvorrichtung eingesetzt wird, die ein
Kugelrohr als ein Kugelumlaufteil verwendet, jedoch ist die
vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt.
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Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung bei einer
Kugelumlaufspindelvorrichtung eingesetzt werden, die ein
Umlaufteil des Pendeltyps, des Endkappentyps, oder
irgendeines anderen Typs aufweist.
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Zwar wurde die voranstehend geschilderte Ausführungsform
unter Bezugnahme auf jenen Fall geschildert, in welchem ein
aus Harz bestehendes Abstandsstück 10 zwischen den Kugeln 5
angeordnet ist, jedoch ist es nicht unbedingt erforderlich,
dass diese Anordncmg verwendet wird. Die Festlegung der
endgültigen Restspannung σD der Oberflächenschicht der Kugel
auf nicht mehr als 1000 MPa, vorzugsweise auf nicht mehr als
800 MPa ermöglicht es, den Zusammenstoß der Kugeln 5
miteinander im unbelasteten Zustand abzumildern, oder den
Zusammenstoß der Kugeln 5 mit dem Kugelfangabschnitt des
Kugelrohrs 50A oder der Schraubenwelle 3 oder der Kugelmutter
6 (wenn die Belastung bei der Kugelumlaufspindelvorrichtung
einsetzt), und daher ein frühes Abblättern der Kugeln 5 in
Umgebungen zu verhindern, die einer hohen Belastung
ausgesetzt sind.
[Beispiel]
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Um die Auswirkung der vorliegenden Erfindung zu
bestätigen, wurde ein Abblätterungslebensdauerversuch bei der
Kugel einer Kugelumlaufspindelvorrichtung durchgeführt, im
Einsatz unter hoher Belastung.
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Als Kugelumlaufspindelvorrichtungen, die untersucht
werden sollten, wurden fünf Arten von
Kugelumlaufspindelvorrichtungen vorbereitet, mit einem
Nominalwert der Kugelumlaufspindel von 25 × 25 × 900-C5
(Kugeldurchmesser: 3/16 Zoll; zwischen den Kugeln
angeordnetes Abstandsstück aus Harz), hergestellt von NSK
Ltd., mit einer Kugeloberflächenschicht-Restspannung σD von
600 MPa, 800 MPa, 1000 MPa, 1200 MPa bzw. 1400 MPa. Als
Versuchsmaschine wurde eine Kugelumlaufspindel-
Standfestigkeitsversuchsmaschine eingesetzt, die von NSK Ltd.
hergestellt wird. Die Lebensdauer, bei welcher die Anzahl der
sich ergebenden Kugelabblätterungen (Beschädigungen) 10% der
Anzahl der Kugeln erreicht, wurde dann unter den folgenden
Bedingungen bestimmt.
Versuchsbedingungen
Vorbelastung: 500 N
Versuchsbelastung: Axialbelastung = 2000 N
Beschleunigungsbelastung: 500 bis 1000 N
Umdrehungsgeschwindigkeit: 3000 min-1
Hub: 300 mm
Schmierfett: Albania No. 2 (Showa Shell Sekiyu K. K.)
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Die Ergebnisse sind in Fig. 2 angegeben. In Fig. 2 ist
die Kugelabblätterungslebensdauer in Bezug auf jene der
Versuchs-Kugelumlaufspindel dargestellt, deren Restspannung
CD von 1000 MPa, nämlich der Zentrumswert der fünf Arten der
Versuchs-Kugelumlaufspindeln, auf 1 gesetzt ist.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, zeigt unter
Bedingungen mit hoher Geschwindigkeit die
Kugelabblätterungslebensdauer einen plötzlichen Abfall bei
einer maximalen Restdruckspannung CD von nicht weniger als
1200 MPa, was mehr ist als 1000 MPa. Wie aus diesen Daten
hervorgeht, ist es zum Verhindern einer frühen
Kugelabblätterung, die beim Betrieb mit hoher Geschwindigkeit
auftritt, vorzuziehen, dass eine Kugel mit einer maximalen
Restdruckspannung σD von nicht mehr als 1000 MPa,
vorzugsweise von nicht mehr als 800 MPa, bei
Kugelumlaufspindelvorrichtungen eingesetzt wird.
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Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem
Kugelabblätterungslebensdauerverhältnis, wenn die
Restspannung σD der Kugel gleich 800 MPa ist, und dm.N der
Kugelumlaufspindelvorrichtung. In Fig. 3 ist die
Kugelabblätterungslebensdauer gleich 1, wenn dm.N gleich
75000 ist. Ist dm.N nicht größer als 50000, tritt keine frühe
Kugelabblätterung auf. Daher zeigt sich die Nützlichkeit der
vorliegenden Erfindung deutlich beim Betrieb mit hoher
Geschwindigkeit.
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Wie aus der voranstehenden Beschreibung deutlich wird,
kann gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem ersten Aspekt
der Zusammenstoß der Kugeln miteinander im unbelasteten
Zustand abgemildert werden, oder der Zusammenstoß der Kugeln
mit dem Ballfangabschnitt oder der Schraubenwelle oder der
Kugelmutter (wenn bei der Kugelumlaufspindelvorrichtung die
Belastung einsetzt), was es ermöglicht, eine
Kugelumlaufspindelvorrichtung zu erzielen, die mit geringem
Geräusch und hohem Vorschub bei hoher Geschwindigkeit sowie
hoher Beschleunigung und Verzögerung betrieben werden kann,
frei von einer frühen Abblätterung im Gebrauch unter
Bedingungen mit hoher Belastung über eine verlängerte
Lebensdauer.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem zweiten Aspekt
kann, zusätzlich zur vorliegenden Erfindung nach dem ersten
Aspekt, der Zusammenstoß der Kugeln miteinander im
unbelasteten Zustand ausgeschaltet werden, und kann der
Zusammenstoß der Kugeln mit dem Ballfangabschnitt oder der
Schraubenwelle oder der Kugelmutter (wenn bei der
Kugelumlaufspindelvorrichtung die Belastung einsetzt)
abgemildert werden, durch das Zusammenwirken der
Eigenschaften der Kugeln und der elastischen Kraft des aus
Harz bestehenden Abstandsstücks, was es ermöglicht, die
Lebensdauer der Kugelumlaufspindelvorrichtung noch weiter zu
verlängern, und die Geräusche zu verringern.