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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Spindelmutter, die mit einer
schraubenförmigen
Kugellaufrinne gebildet wird, in der eine große Zahl von Kugeln läuft, und
ein Verfahren zur Herstellung derselben.
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BESCHREIBUNG
DES ALLGEMEINEN STANDES DER TECHNIK
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Die
Kugelumlaufspindel ist ein mechanisches Element zum Umwandeln einer
Drehbewegung an einer Kugelspindelwelle oder einer Spindelmutter
in eine axiale lineare Bewegung der Spindelmutter oder der Kugelspindelwelle
und umfasst im allgemeinen die Kugelspindelwelle, die mit einer schraubenförmigen Kugellaufrinne
an ihrer äußeren Umfangsfläche geformt
wird, die Spindelmutter, die mit einer schraubenförmigen Kugellaufrinne
auf ihrer inneren Umfangsfläche
geformt wird, und mehrere Kugeln, die rollfähig in einer Kugellaufrinne,
welche durch gegenüber
angeordnete schraubenförmige Kugellaufrinnen
der äußeren und
inneren Umfangsflächen
gebildet wird, enthalten sind.
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Im
Allgemeinen wird die Kugellaufrinne der Spindelmutter auf ihrer
inneren Umfangsfläche
durch Schneiden und Schleifen geformt. Das heißt, zuerst wird eine vorbereitete
Bohrung in einem Rohling durch Bohren geformt, und eine schraubenförmige Kugellaufrinne
wird auf einer Umfangsfläche
der vorbereiteten Bohrung durch Schneiden unter Verwendung eines
Drehmeißels
geformt. Nach der Durchführung
einer Wärmebehandlung,
wie zum Beispiel Einsatzhärtung,
wird dann ein unterer Teil der Rinne geschliffen, und zum Schluss
wird ein Feinschliff der Rinne unter Verwendung eines Schleifsteins
vorgenommen.
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Falls
die Kugellaufrinne der Spindelmutter durch konventionelles Schneiden
und Schleifen hergestellt wird, gibt es jedoch mehrere Probleme.
In dem Fall, dass eine Spindelmutter geschliffen wird, die einen
kleinen Innendurchmesser hat, ist es unmöglich, einen Schleifstein in
die vorbereitete Bohrung einzuführen.
Außerdem
ist es bei einer Spindelmutter, die eine große Ganghöhe hat, obwohl sie keine Spindelmutter
ist, die einen kleinen Innendurchmesser hat, unmöglich, die Rinne zu schleifen,
da das Maß der
Einführung
des Schleifsteins in die vorbereitete Bohrung auf Grund des großen Steigungswinkels
begrenzt ist. Es versteht sich, dass das Schleifen nachteilig für die Produktionskosten
ist, da es viel Arbeit und Zeit für das Einstellen der Zentrierung
der Mutter usw. erfordert.
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Eine
Spindelmutter, die in 12 gezeigt ist, kann bekanntermaßen diese
Probleme lösen.
Diese Spindelmutter 50 besitzt einen im Wesentlichen zylindrischen
Aufbau und hat einen Flansch 50a an einem Ende zum Verbinden
der Mutter 50 mit einem Teil von Maschinen, wie zum Beispiel
einer Transfermaschine usw. Eine Kugellaufrinne 50c ist
an einer inneren Umfangsfläche
der Spindelmutter 50 geformt, und der glatte zylindrische
Teil 50b ist auf der äußeren Umfangsfläche der
Mutter 50 geformt. Bauelemente, wie zum Beispiel ein Rücklaufrohr
oder ein Brückenglied
zum Verbinden von einem Ende der Kugellauf rinne 50c mit
dem anderen Ende derselben werden am glatten zylindrischen Teil 50b vorgesehen.
Die Kugellaufrinne 50c wird zum Beispiel als Spitzbogenanordnung
geformt, die eine Kombination von zwei Kreisbögen ist, wobei der eine einen
größeren Rundungsradius
und der andere einen kleineren Rundungsradius als der Radius der
Kugel besitzt.
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Diese
Spindelmutter 50 wird gemäß den Schritten, die in 13 gezeigt
werden, hergestellt. Zuerst wird die äußere Umfangsfläche eines
zylindrischen Rohlings 51 mit einem Drehmeißel 52 derart abgedreht,
dass ein Flansch 51a (S1) gebildet wird, und eine vorbereitete
Bohrung 51b durch ein Bohrwerkzeug 53 (S2) gebildet
wird. Dann, nach dem Bohren der vorbereiteten Bohrung 51b auf
eine vorgegebene Abmessung unter Verwendung eines Bohrstangenwerkzeugs 54 (S3),
wird der Rohling 51 bei einer niedrigen Drehzahl von 100
bis ca. 200 U/min gedreht und ein Gewindewalzbohrer 55 wird
in die vorbereitete Bohrung 51b eingeführt, um so eine Kugellaufrinne 51c durch
Gewindewalzen (S4) zu bilden.
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Anschließend wird
die Oberfläche
der Kugellaufrinne 51c feingewalzt. Dann wird ein Rücklaufteil 51d für den Umlauf
der Kugeln unter Verwendung eines Schaftfräsers 56 geformt, und
die äußere Umfangsfläche des
Rohlings 51 wird unter Verwendung eines Drehmeißels 52 (S5)
fertigbearbeitet. Zum Schluss wird der Gewindewalzbohrer 55 durch
die Kugellaufrinne 51c von Rohling 51 hindurchgefahren,
um den Grat daran zu entfernen (S6).
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Da
die Kugellaufrinne 51c auf der inneren Umfangsfläche des
Rohlings 51 im Gewindewalzschritt (S4) gebildet wird, ist
es gemäß diesem
Herstellungsverfahren möglich,
den Schritt zum Schleifen der Kugellaufrinne unter Verwendung eines Schleifsteins
nach dem bisherigen Stand der Technik zu beseitigen und daher leicht
eine maschinelle Bearbeitung der Kugellaufrinne 51c zu
erreichen, obwohl es eine Spindelmutter mit kleinem Durchmesser ist.
Dementsprechend ist es möglich,
die Zahl der Herstellungsschritte sowie die Vorlaufzeit und daher die
Herstellungskosten der Kugellaufrinne 51c zu verringern
(siehe Japanische Patent-Auslegeschrift Nr. 88072/2000).
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Seit
kurzem müssen
nicht nur Werkzeugmaschinen und Maschinen zum Herstellen von Halbleitern,
die eine genaue Positionierung, stoßfreien und ruhigen Lauf erfordern,
sondern auch Transfermaschinen und Pressen, die keine so hohe Genauigkeit und
stoßfreien
und ruhigen Lauf erfordern, bei hoher Geschwindigkeit mit niedrigem
Geräuschpegel
und geringen Vibrationen arbeiten. Bei der herkömmlichen Spindelmutter 50,
die für
diese Maschinen verwendet wird, gibt es Probleme bei der Formung
der Kugellaufrinne 50c durch kaltplastische Bearbeitung. Das heißt, da das
axiale plastische Fließen
des Werkstoffs des hohlen Mutterkörpers kaum zu erwarten ist,
wird eine große
Spannung im Gewindewalzbohrer 55, der in die innere Umfangsfläche eingeführt wird,
erzeugt und daher bricht der Gewindewalzbohrer 55.
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Wenn
versucht wird, den Grad der plastischen Verformung des Werkstoffs
der Spindelmutter zu verringern, um den Bruch des Gewindewalzbohrers
zu verhüten,
ist keine Verbesserung in der Präzision
der Kugellaufrinne 50c zu erwarten und ein nicht bearbeiteter
Teil würde
in der Kugellaufrinne 50c zurückbleiben. Da es kein einfaches
Verfahren zur Formung der Kugellaufrinne der Spindelmutter gibt,
das eine relativ hohe Präzision
ermgölicht,
wie ein Verfahren zur Formung der Kugelspindelwelle, ist die gegenwärtige Lage
der Dinge, dass eine Spindelmutter, deren Kugellaufrinne durch Schleifen
geformt wird, bereitgestellt wird, obwohl sie hohe Herstellungskosten
erfordert.
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Wenn
weiterhin die Spindelmutter 50 mit SCM-Stahl (JIP) geformt
wird und Einsatzhärtung/Anlassen
darauf angewendet werden, wird ein Korngrenzenoxidationsbereich
in der Oberflächenschicht
verursacht, und daher ist die Oberfläche der Kugellaufrinne 50c brüchig und
verursacht eine Verringerung der Härte, was den Verschleiß der Kugellaufrinne
fördert.
Weiterhin verschlechtern Fremdmaterialien, die in die bearbeitete
Oberfläche
eingebracht werden (verkratzte Oberfläche oder Rattermarken), die
Härtbarkeit
und vergrößern den
Korngrenzenoxidationsbereich.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spindelmutter,
die mit einer Kugellaufrinne geformt wird, deren Haltbarkeit verbessert ist
und die zu niedrigen Kosten mit einer verhältnismäßig hohen Genauigkeit hergestellt
werden kann, und ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen.
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MITTEL ZUM
ERREICHEN DES ZIELS
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Zum
Erreichen des Ziels der vorliegenden Erfindung wird gemäß der vorliegenden
Erfindung in Anspruch 1 eine Spindelmutter, die mit einer Kugellaufrinne
geformt ist, in welcher Kugeln auf der inneren Umfangsfläche laufen,
bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kugellaufrinne
durch eine Fläche
gebildet wird, welche durch ein Gewindeschneidwerkzeug erzeugt wird.
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Da
die Kugellaufrinne durch eine Fläche
geformt wird, die durch ein Gewindeschneidwerkzeug geschnitten wird,
ist es entsprechend der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung
möglich,
eine Spindelmutter, die mit einer Kugellaufrinne mit einer relativ
hohen Präzision
geformt wird, bei niedrigen Herstellungskosten bereitzustellen.
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Da
die Kugellaufrinne als Spitzbogenanordnung im Querschnitt geformt
wird, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
den Kontaktpunkt zwischen der Kugellaufrinne und den Kugeln stabil einzustellen
und so ein ruhiges Rollen der Kugeln zu erreichen.
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Da
die Oberflächenrauheit
Ra auf kleiner oder gleich 1,2 μm
begrenzt ist, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
die Erzeugung von Geräusch
und Vibrationen selbst bei hoher Drehgeschwindigkeit zu unterdrücken.
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Da
eine Oberfläche
der Kugellaufrinne mit einer gehärteten
Schicht innerhalb eines Bereichs von 54 bis 64 HRC (Rockwellhärte) geformt
wird, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
die Haltbarkeit gegenüber
Rollermüdung
zu verbessern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Spindelmutter
bereitgestellt, die mit einer Kugellaufrinne geformt wird, in der
Kugeln auf der inneren Umfangsfläche
der Spindelmutter laufen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das
Verfahren einen Schritt zur Bildung einer vorgegebenen inneren Umfangsfläche in der
Mitte eines Rohlings durch ein Bohrwerkzeug, einen Schritt zur Erzeugung
der Kugellaufrinne durch Einführen
eines Gewindeschneidwerkzeugs in die innere Umfangsfläche und
einen Schritt der Wärmebehandlung zur
Härtung
der Oberfläche
der Kugellaufrinne umfasst.
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Durch Übernehmen
das Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Spindelmutter,
die mit einer Kugellaufrinne gebildet wird, die eine relativ hohe
Präzision
bei niedrigen Herstellungskosten und eine ausreichende Haltbarkeit
besitzt, bereitzustellen.
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Da
die Kugellaufrinne durch spanende Bearbeitung unter einer NC-Steuerung
(Numeric Control) auf der Basis von Informationen geformt wird,
die durch Feststellen der Phasen der Spindelmutter und des Gewindeschneidwerkzeugs
erhalten werden, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
die Kugellaufrinne durch einen Durchlauf des Gewindeschneidwerkzeugs
zu formen und so eine maschinelle Herstellung der Rinne bei niedrigen
Herstellungskosten und hoher Präzision
zu erreichen.
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Da
der Endteil des Gewindeschneidwerkzeugs als zylindrische Form ausgebildet
ist, die durch die innere Umfangsfläche geführt wird, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
eine einfache Zentrierung des Gewindeschneidwerkzeugs und eine spanende
Bearbeitung mit hoher Präzision
zu erreichen.
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Es
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Spindelmutter, die mit einer Kugellaufrinne geformt
ist, in welcher Kugeln auf der inneren Umfangsfläche der Spindelmutter laufen,
bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kugellaufrinne mit
einer Fläche
gebildet ist, welche durch Kugelstrahlen gehärtet ist.
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Da
die Kugellaufrinne mit einer Schicht hergestellt ist, die durch
Kugelstrahlen gehärtet
ist, ist es bei dieser Spindelmutter gemäß der vorliegenden Erfindung
möglich,
die Oberflächenrauheit
der Kugellaufrinne zu verbessern und die Restdruckspannung der Rinnenoberfläche zu erhöhen. Dementsprechend
ist es auch möglich,
eine Spindelmutter, die eine Kugellaufrinne von relativ hoher Präzision aufweist,
welche bei niedrigen Herstellungskosten geformt wird und eine hohe
Haltbarkeit besitzt, bereitzustellen.
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Da
die Oberflächenrauheit
Ra auf kleiner oder gleich 10 μm
begrenzt ist, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
die Erzeugung von Geräusch
und Vibrationen selbst bei hoher Drehgeschwindigkeit zu unterdrücken.
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Da
die Oberflächenhärte Hv (Vickershärte) der
Kugellaufrinne im Bereich von 700 bis 900 eingestellt wird, ist
es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
ausreichende Verschleißbeständigkeit
und Haltbarkeit zu erhalten.
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Da
die Oberfläche
der Kugellaufrinne eine Restdruckspannung von –500 bis –1500 MPa aufweist, ist es
gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
die Haltbarkeit weiter zu verbessern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Spindelmutter
bereitgestellt, die mit einer Kugellaufrinne geformt ist, in der
die Kugeln auf der inneren Umfangsfläche der Spindelmutter laufen,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelstrahlen vor und/oder nach
der Wärmebehandlung
der Spindelmutter ausgeführt
wird. Da das Kugelstrahlen vor und/oder nach der Wärmebehandlung
der Spindelmutter ausgeführt
wird, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
eine Spindelmutter mit einer Kugellaufrinne von relativ hoher Präzision bereitzustellen,
die bei niedrigen Kosten geformt wird und eine Haltbarkeit aufweist,
so dass sie die Anwendungsbedingungen erfüllt.
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Da
das Verfahren weiterhin einen Schritt zur Formung einer vorgegebenen
inneren Umfangsfläche
in der Mitte eines Rohlings durch ein Bohrwerkzeug und einen Schritt
zur Erzeugung der Kugellaufrinne durch Einführen eines Gewindeschneidwerkzeugs
in die innere Umfangsfläche
umfasst, ist es gemäß dieses
Verfahrens der vorliegenden Erfindung möglich, effizient die Kugellaufrinne
durch einen einmaligen Durchgang des Gewindeschneidwerkzeugs zu
formen und so eine spanende Bearbeitung der Rinne bei niedrigen
Herstellungskosten und hoher Präzision
zu erreichen.
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Da
das Kugelstrahlen unter Verwendung von Siliziumkarbidkugeln, die
eine Teilchengröße von 40 bis
60 μm aufweisen,
ausgeführt
wird, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
die Oberflächenrauheit,
zerkratzte Oberflächen
und Rattermarken der Kugellaufrinne zu verbessern und die Oberflächenhärte und
Restdruckspannung zu erhöhen.
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Das
Kugelstrahlen wird gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung von Stahlkugeln, die eine Teilchengröße von 40
bis 60 μm
aufweisen, ausgeführt,
daher ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
eine Spindelmutter, die ausreichende Verschleißbeständigkeit und Haltbarkeit aufweist,
bereitzustellen.
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WIRKUNGEN
DER ERFINDUNG
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Da
die Kugellaufrinne durch eine Fläche
geformt wird, die durch ein Gewindeschneidwerkzeug geschnitten wird,
ist es bei der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung möglich, eine
Spindelmutter, die mit einer Kugellaufrinne geformt wird, die eine
relativ hohe Präzision
und ausreichende Haltbarkeit aufweist, bei niedrigen Herstellungskosten
bereitzustellen.
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Da
das Verfahren zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden
Erfindung auch einen Schritt zur Formung einer vorgegebenen inneren Umfangsfläche in der
Mitte eines Rohlings durch ein Bohrwerkzeug, einen Schritt zur Erzeugung
der Kugellaufrinne durch Einführen
eines Gewindeschneidwerkzeugs in die innere Umfangsfläche und
einen Schritt der Wärmebehandlung
zur Härtung
der Oberfläche
der Kugellaufrinne umfasst, ist es möglich, eine Spindelmutter,
die mit einer Kugellaufrinne geformt ist, welche eine relativ hohe
Präzision
bei niedrigen Herstellungskosten und ausreichende Beständigkeit
aufweist, bereitzustellen.
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Da
die Kugellaufrinne mit einer Schicht hergestellt ist, die durch
Kugelstrahlen gehärtet
ist, ist es bei der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung möglich, die
Oberflächenrauheit
der Kugellaufrinne zu verbessern und die Restdruckspannung der Laufbahnoberfläche zu erhöhen. Dementsprechend
ist es auch möglich,
eine Spindelmutter, die eine Kugellaufrinne von relativ hoher Präzision aufweist,
welche bei niedrigen Herstellungskosten geformt wird und eine hohe
Haltbarkeit besitzt, bereitzustellen.
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Das
das Kugelstrahlen vor und/oder nach der Wärmebehandlung der Spindelmutter
ausgeführt wird,
ist es gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung möglich,
eine Spindelmutter, die eine Kugellaufrinne von relativ hoher Präzision hat,
die bei niedrigen Kosten geformt wird und eine Haltbarkeit aufweist,
so dass sie die Anwendungsbedingungen erfüllt, bereitzustellen.
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BESTE ART
DER AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Die
beste Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Spindelmutter,
die mit einer Kugellaufrinne geformt ist, in der Kugeln auf der
inneren Umfangsfläche
der Spindelmutter laufen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren
einen Schritt zur Bildung einer vorgegebenen inneren Umfangsfläche in der
Mitte eines Rohlings durch ein Bohrwerkzeug, einen Schritt zur Erzeugung
der Kugellaufrinne durch Einführen eines Gewindeschneidwerkzeugs
in die innere Umfangsfläche
und einen Schritt der Wärmebehandlung
zur Einsatzhärtung
der Oberfläche
der Kugellaufrinne umfasst.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden
Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen,
die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu verwenden
sind, ersichtlich, wobei gilt:
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1 ist
ein Längsschnitt
durch eine Ausführungsform
der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Erläuterungsansicht,
die Schritte zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 ist
eine schematische Ansicht einer Drehmaschinenspitze zur Ausführung des
Verfahrens zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine Draufsicht auf ein Gewindeschneidwerkzeug, das zur Herstellung
der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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5 ist
ein Diagramm, das die Oberflächenrauheit
der Kugellaufrinne der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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6 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse der Lebensdauerprüfung einer
Kugelumlaufspindel, in die die Spindelmutter der vorliegenden Erfindung integriert
ist, zeigt;
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7 ist
eine Erläuterungsansicht,
die andere Schritte zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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8 ist
ein Diagramm, das die Oberflächenhärte der
Kugellaufrinne der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse der Lebensdauerprüfung einer
Kugelumlaufspindel, in die die Spindelmutter der vorliegenden Erfindung integriert
ist, zeigt;
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10 ist
eine Erläuterungsansicht,
die weitere Schritte zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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11 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse der Lebensdauerprüfung einer
Kugelumlaufspindel, in die die Spindelmutter der vorliegenden Erfindung integriert
ist, zeigt;
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12 ist
eine Längsschnittansicht
einer Spindelmutter des Standes der Technik; und
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13 ist
eine Erläuterungsansicht,
die ein Verfahren zur Herstellung einer Spindelmutter Standes der
Technik zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsform 1
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf begleitende Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
eine Längsschnittansicht
durch eine Ausführungsform
einer Spindelmutter der vorliegenden Erfindung.
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Die
Spindelmutter 1 wird aus einsatzgehärtetem Stahl, wie zum Beispiel
SCM415 oder SCM420, hergestellt und so angepasst, dass sie auf eine
Kugelgewindespindel passt. Eine schraubenförmige Kugellaufrinne 2,
die an einer inneren Umfangsfläche 1a geformt
ist, ist so angeordnet, dass sie einer Kugellaufrinne 4 gegenüberliegt,
die an einer äußeren Umfangsfläche 3a der
Kugelumlaufspindel 3 geformt ist, so dass sie eine große Zahl
von Kugeln 7 rollfähig zwischen
den Kugellaufrinnen 2 und 4 enthält. Die Kugellaufrinne 2 der
Spindelmutter 1 wird durch spanende Bearbeitung unter Verwendung
eines Gewindeschneidwerkzeugs 9 geformt, das hierin unten
detaillierter beschrieben wird. Wie im Fachgebiet bekannt ist, bilden
die Kugellaufrinnen 2 und 4 einen Kanal, und es
kann eine große
Zahl von Kugeln 7 endlos durch ein Brückenelement 6 laufen,
das darin eine Verbindungsrille 5 zum Verbinden der Kugellaufrinne 2 der
Spindelmutter 1 enthält.
Das System des Kugelumlaufs ist nicht auf das Element vom Brückentyp
beschränkt,
daher kann auch ein Element vom Typ Rücklaufleitung oder Endkappe
gewählt
werden.
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2 zeigt
Schritte zur Herstellung der Spindelmutter 1 einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird eine vorgegebene innere
Umfangsfläche
durch Bohren in der Mitte eines zylindrischen Rohlings (P1) geformt.
Dann werden die äußere und
innere Umfangsfläche
des Rohlings durch spanende Bearbeitung unter Verwendung eines Drehmeißels (P2)
fertigbearbeitet. Dann werden die Spindelmutter 1 und ein
Gewindeschneidwerkzeug 9 auf einem Spannfutter 8a einer
Drehmaschinenspitze 8 bzw. auf einem Reitstock (nicht gezeigt)
befestigt, und dann wird das Gewindeschneidwerkzeug 9 in
die innere Umfangsfläche 1a der
Spindelmutter 1 eingeführt,
um sie durch Drehen der Spindelmutter 1 und des Gewindeschneidwerkzeugs 9 spanend
zu bearbeiten, wobei ihre Phasen durch eine NC-Steuerung (Numeric
Control) gesteuert werden (P3). So kann die Kugellaufrinne 2 effizient
durch Bearbeitung in einem Durchgang geschnitten werden, und es
kann eine hoch präzise
Bearbeitung der Kugellaufrinne zu niedrigen Kosten erreicht werden.
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Wie
in 4 gezeigt, hat das Gewindeschneidwerkzeug 9 einen
zylindrischen Anteil 9a an seinem Ende, so dass es mit
Hilfe der Führung
durch die innere Umfangsfläche 1a zentriert
werden kann. Ein Schneidzahnbereich 9b von allmählich ansteigendem
Durchmesser ist so angeordnet, dass er sich vom hinteren Ende des
zylindrischen Teils 9a aus nach hinten erstreckt. Diesem
Schneidzahnbereich 9b folgt ein Schaftbereich 9c,
und zum Schluss ist ein Spannfutterbereich 9d von rechteckigem
Querschnitt am Ende des Gewindeschneidwerkzeugs 9 angeordnet,
so dass es auf dem Reitstock montiert werden kann. Die Kugellaufrinne 2 kann
auf der inneren Umfangsfläche 1a der
Spindelmutter 1 durch spanende Bearbeitung beim Drehen
des Schneidzahnbereichs 9b des Gewindeschneidwerkzeugs 9 geformt
werden. Der Schneidzahnbereich 9b des Gewindeschneidwerkzeugs 9 wird
als Spitzbogenrille geformt, die eine Kombination von zwei Bögen umfasst,
wobei jeder Bogen einen Krümmungsradius
aufweist, der etwas größer als
der Radius jeder Kugel 7 ist. So kann die innere Umfangsfläche 1a der
Spindelmutter 1 effizient spanend durch einen Durchgang
des Gewindeschneidwerkzeugs 9 in eine gewünschte Rillenform
gebracht werden. Die Kugellaufrinne 2 kann als Kreisbogen
geformt sein, der anders als die Spitzbogenform, die als Beispiel
gezeigt wird, kreisförmig die
Kugel 7 berührt.
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Nach
dem Gewindebohren wird die Oberfläche der Spindelmutter 1 durch
Einsatzhärten
(P4) mit einer gehärteten
Schicht von 54 bis 64 HRC gebildet. Obwohl das Einsatzhärten als
Beispiel für
die Wärmebehandlung
gezeigt wird, kann eine andere Wärmebehandlung,
wie zum Beispiel eine Raffinierbehandlung oder Induktionshärtung oder
Tauchhärten von
kohlenstoffreichem Chromstahl, wenn er als Rohling verwendet wird,
eingesetzt werden.
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5 ist
ein Diagramm von Daten, das die Oberflächenrauheit der Kugellaufrinne 2 der
Spindelmutter 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 5 zu
erkennen ist, weist die Oberflächenrauheit Ra
der Kugellaufrinne 2, die gemäß der vorliegenden Erfindung
geformt ist, eine maximale Rauheit von 1,2 μm und eine durchschnittliche
Rauheit von kleiner oder gleich 1,0 μm auf. Obwohl diese Werte schlechter
als die sind, die durch Schleifen zu erhalten sind, sind sie besser
als 1,5 bis 2,0 μm,
die durch Walzen erreicht werden. Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung
die Erzeugung von Geräuschen
oder Vibrationen einer Kugelumlaufspindel bei hohen Drehzahlen unterdrückt werden.
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6 zeigt
die Ergebnisse der Lebensdauerprüfung
einer Kugelumlaufspindel, in die die Spindelmutter 1 der
vorliegenden Erfindung integriert ist. Kennwerte der Probe sind:
Spindeldurchmesser = 14,5 mm; Ganghöhe = 4 mm; Kugeldurchmesser
= 2,278 mm; Anzahl der Umläufe:
1 volle Drehung/4 Reihen, und Umlaufsystem = Brückentyp. Prüfbedingungen sind: Ladeverfahren
= konstante Vorbelastung durch federvorgespannte Doppelmutter; Schmierung
= Öl VG68;
Umdrehungszahl = 2000 U/min; Hub = 60 mm und Last = 2648 N.
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6 ist
ein Diagramm, das eine Prüfdauer (d.h.
Zeit) vom Beginn der Prüfung
bis zum Ende der Gebrauchsdauer zeigt, in der die berechnete L10-Gebrauchsdauer
im Verhältnis
zur grundlegenden dynamischen Nennbelastung nach Katalogangabe auf
der Basis einer Kugelumlaufspindel, die eine Kugellaufrinne hat,
welche durch Schleifen hergestellt wurde, auf "100" gesetzt
wird. Wie aus dem Diagramm von 6 zu ersehen
ist, weist die Spindelmutter 1, die eine Kugellaufrinne 2 hat,
welche durch das Gewindeschneidwerkzeug 9 gemäß der vorliegenden
Erfindung geformt wurde, eine ausreichende Haltbarkeit auf, da das "L10-Verhältnis" der vorliegenden
Erfindung eine Gebrauchsdauer aufweist, die mehr als zwei Mal so
groß ist
wie von Kugelumlaufspindeln (Vergleichsbeispiele 1 bis 4), die durch Walzen
nach dem Stand er Technik hergestellt wurden.
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Ausführungsform 2
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7 ist
eine Erläuterungsansicht,
die andere Schritte zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da dieses Herstellungsverfahren in den Schritten
P1 bis P4 (von Schritt P1 zum Bohren der inneren Umfangsfläche bis
Schritt P4 zur Wärmebehandlung)
im wesentlichen dasselbe ist wie die Schritte, die mit Bezug auf 2 vorher beschrieben
wurden, wird eine Wiederholung ihrer Beschreibung hierin vermieden.
Die folgende Beschreibung wird mit Bezug auf die Spindelmutter,
die vorher beschrieben wurde (1), gegeben.
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Nach
dem Wärmebehandlungsschritt
(P4) wird die Kugellaufrinne 2 der Spindelmutter 1 von 1 kugelgestrahlt
(P5). In dieser Ausführungsform wird
das Kugelstrahlen unter Verwendung von Stahlkugeln, die ein hohes
spezifisches Gewicht und hohe Härte
haben, unter folgenden Bedingungen ausgeführt: Teilchengröße = 40
bis 60 μm,
Strahldruck 0,4 MPa, Kugelstrahldauer = 60 s. Das Kugelstrahlen
ermöglicht
es, Sinter, der durch Wärmebehandlung
erzeugt wurde, zu entfernen, die Oberflächenrauheit zu verbessern und
die Oberflächenhärte und
Restdruckspannung der Rinnenoberfläche zu erhöhen. Das Kugelstrahlen kann
unter Verwendung von keramischen Kugeln oder Glaskugeln statt der
Stahlkugeln ausgeführt
werden.
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Die
Oberflächenrauheit
Ra nach dem Kugelstrahlen wird auf Ra = 0,89 μm im Vergleich zu einem Durchschnittswert
von 1,05 μm
vor dem Kugelstrahlen verbessert, und dementsprechend kann die Erzeugung
von Geräuschen
oder Vibrationen der Kugelumlaufspindel selbst bei hohen Drehzahlen
unterdrückt
werden. Wie in 8 gezeigt, ist die Oberflächenhärte von
nicht kugelgestrahlten Produkten in einem Tiefenbereich von 0 bis
25 μm von
der Oberfläche
aus gering, und an der Oberfläche
kann ein Korngrenzenoxidationsbereich festgestellt werden. Andererseits
ist zu erkennen, dass die Oberflächenhärte der
kugelgestrahlten Produkte erhöht
ist und dass an der Oberfläche
kein Korngrenzenoxidationsbereich zu finden ist. Die Oberflächenhärte wurde
in einem Tiefenbereich von 0–300 μm von der
Oberfläche
der Produkte in der Nähe
einer Zone der Kugellaufrinne 2, mit der die Kugeln 7 Kontakt
haben, gemessen.
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9 zeigt
die Ergebnisse der Lebensdauerprüfung
einer Kugelumlaufspindel, in die die Spindelmutter 1 der
vorliegenden Erfindung integriert ist. Kennwerte der Probe sind:
Spindeldurchmesser = 14 mm; Ganghöhe = 4 mm; Kugeldurchmesser
= 2,381 mm; Anzahl der Umläufe:
1 volle Drehung/4 Reihen, und Umlaufsystem = Brückentyp. Prüfbedingungen sind: Ladeverfahren
= konstante Vorbelastung durch federvorgespannte Doppelmutter; Schmierung
= Öl VG68;
Umdrehungszahl = 2000 U/min; Hub = 60 mm und Last = 2400 N.
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9 ist
ein Diagramm, das das Verhältnis einer
Gesamtzahl von Umdrehungen und einer berechneten Gesamtzahl von
Umdrehungen (L10-Gebrauchsdauer) bis zum Auftreten von Abschuppen
in der Spindelmutter, wenn eine Axialbelastung darauf einwirkt,
zeigt. Wie aus dem Diagramm zu ersehen ist, weisen die kugelgestrahlten
Produkte eine 2 bis 3 Mal höhere
Gebrauchsdauer auf als die nicht kugelgestrahlten Produkte (Vergleichsbeispiele
1 bis 3), und daher haben die kugelgestrahlten Produkte eine ausreichende
Haltbarkeit.
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Es
wird bevorzugt, die Oberflächenhärte Hv auf
einen Bereich von 700 bis 900 durch Kugelstrahlen einzustellen,
da keine Verbesserung der Gebrauchsdauer erwartet werden kann, wenn
die Härte kleiner
oder gleich Hv 700 ist, und andererseits die Zähigkeit reduziert ist, wenn
die Härter
größer als
Hv 900 ist. Weiterhin liegt die Restdruckspannung an der Oberfläche vorzugsweise
im Bereich von –500
bis –1500,
da keine ausreichende Verbesserung der Gebrauchsdauer erwartet werden
kann, wenn sie kleiner oder gleich –500 MPa ist, und andererseits
kann keine Erhöhung
der Spannung proportional zur Kugelstrahldauer erwartet werden,
und daher erhöhen sich
die Herstellungskosten, wenn der Wert mehr als –1500 MPa beträgt.
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Ausführungsform 3
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10 zeigt
eine dritte Ausführungsform
mit den Schritten zur Herstellung der Spindelmutter 1 der vorliegenden
Erfindung. Dieses Herstellungsverfahren ist mit den Schritten P1
bis P3 (von Schritt P1 zum Bohren der inneren Umfangsfläche bis
zum Schritt P3 zum Gewindebohren der Kugellaufrinne 2) im
Wesentlichen dasselbe wie das vorher beschriebene, mit Bezug auf 7,
daher wird eine Wiederholung ihrer Beschreibung hierin vermieden.
Bei dieser Ausführungsform
wird das Kugelstrahlen (P5) der Kugellaufrinne 2 nach der spanenden
Herstellung der Kugellaufrinne 2 ausgeführt, d.h. vor der Wärmebehandlung
(P4). Bei dieser Ausführungsform
wurde das Kugelstrahlen unter Verwendung von Siliziumkarbidkugeln
ausgeführt,
dabei galten folgende Bedingungen: Teilchengröße = 40 bis 60 μm, Kugelstrahldruck
0,4 MPa und Kugelstrahldauer = 20 s. Dies gilt nicht nur, weil das
Werkstück
(Rohling) das sogenannte "Rohmaterial" ist und daher eine
große plastische
Verformung des Werkstücks
verursacht wird, wenn Stahlkugeln verwendet werden und die Form
der Rille zerstört
werden würde,
sondern auch weil Siliziumkarbidkugeln keine plastische Verformung
des Werkstücks
verursachen und sich zur Raffinierung der metallografischen Struktur
unmittelbar unter der Oberfläche
(Bereich von 2–3 μm von der Oberfläche) und
zum Entfernen von Verunreinigungen, die durch Kugelstrahlen erzeugt
wurden, eignen. Es ist so möglich,
die Oberflächenrauheit
der Kugellaufrinne 2, zerkratzte Oberflächen und Rattermarken zu verbessern
und die Oberflächenhärte und die
Restdruckspannung der Oberfläche
zu erhöhen.
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11 zeigt
die Ergebnisse der Lebensdauerprüfung
einer Kugelumlaufspindel, in die die Spindelmutter 1 der
vorliegenden Erfindung integriert ist. Die Kennwerte der Probe und
die Prüfbedingungen sind
dieselben wie die, die mit Bezug auf die vorherigen Ausführungsformen
beschrieben wurde. Wie aus dem Diagramm von 11 zu
ersehen ist, weisen die kugelgestrahlten Produkte eine 1,5 bis 2
Mal höhere
Gebrauchsdauer auf als die nicht kugelgestrahlten Produkte (Vergleichsbeispiele
1 bis 3), und daher haben die kugelgestrahlten Produkte eine ausreichende
Haltbarkeit.
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Da
das Kugelstrahlen (P5) nach der spanenden Herstellung (P3) und vor
der Wärmebehandlung (P4)
ausgeführt
wird, gilt bei dieser Ausführungsform natürlich, dass
der Korngrenzenoxidationsbereich durch die Wärmebehandlung nicht entfernt
werden kann. Es ist jedoch die Gebrauchsdauer der Spindelmutter 1 durch
die Erhöhung
der Oberflächenhärte und
der Restdruckspannung sowie die Verbesserung der Oberflächenrauheit,
speziell durch Verbesserung der Kontaktbedingungen zwischen der
Kugellaufrinne 2 und den Kugeln 7, verbessert,
was durch Glätten
der rauen Spanungsfläche
bewirkt wird. Natürlich ist
es möglich,
das Kugelstrahlen vor und nach der Wärmebehandlung auszuführen, um
die Verschleißbeständigkeit
und Haltbarkeit bei einer Kugelumlaufspindel, die unter harten Betriebsbedingungen
eingesetzt wird, weiter zu verbessern.
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Anwendbarkeit
in der Industrie
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Die
Spindelmutter der vorliegenden Erfindung kann insbesondere auf ein
Automatikgetriebe von Fahrzeugen, eine elektrisch betriebene Bremse, elektrisch
betriebene Servolenkung, ein Motorventilbetätigungselement und auch auf
elektrisch betriebene Stoßdämpfer und
ein Stellglied zur Regulierung der Breite einer Riemenscheibe eines
kontinuierlich veränderliches
Getriebes angewendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Verweis auf die bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben. Es ist erkennbar, dass sich für Fachleute beim Lesen und
Verstehen der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung Modifizierungen
und Änderungen
ergeben. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung so
ausgelegt wird, dass sie alle Änderungen
und Modifizierungen enthält,
sofern sie in den Geltungsbereich der angehängten Ansprüche oder der Äquivalente
derselben fallen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Spindelmutter, die mit einer Kugellaufrinne geformt
ist, in welcher Kugeln auf der inneren Umfangsfläche der Spindelmutter laufen,
bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kugellaufrinne mit
einer Fläche
gebildet wird, welche durch ein Gewindeschneidwerkzeug geformt ist.
Weiterhin wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Spindelmutter bereitgestellt,
die mit einer Kugellaufrinne geformt wird, in der Kugeln auf der
inneren Umfangsfläche
der Spindelmutter laufen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das
Verfahren einen Schritt zur Bildung einer vorgegebenen inneren Umfangsfläche in der
Mitte eines Rohlings durch ein Bohrwerkzeug, einen Schritt zur Erzeugung
der Kugellaufrinne durch Einführen
eines Gewindeschneidwerkzeugs in die innere Umfangsfläche und
einen Schritt der Wärmebehandlung
zur Härtung
der Oberfläche
der Kugellaufrinne umfasst.