DE112004001673T5

DE112004001673T5 - Spindelmutter und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE112004001673T5
Application number: DE112004001673T
Authority: DE
Inventors: Koji Iwata Tateishi; Yoshinori Iwata Ikeda
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2006-07-06
Also published as: WO2005026580A1; US20070137350A1

Abstract

Spindelmutter, die mit einer Kugellaufrinne geformt ist, in welcher Kugeln auf der inneren Umfangsfläche der Spindelmutter laufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugellaufrinne von einer Fläche gebildet wird, welche durch ein Gewindeschneidwerkzeug erzeugt ist.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK GEBIET DER ERFINDUNG
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.
BESCHREIBUNG DES ALLGEMEINEN STANDES DER TECHNIK
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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).
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.
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.
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.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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.
MITTEL ZUM ERREICHEN DES ZIELS
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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:
1 ist ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Erläuterungsansicht, die Schritte zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine schematische Ansicht einer Drehmaschinenspitze zur Ausführung des Verfahrens zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Draufsicht auf ein Gewindeschneidwerkzeug, das zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
5 ist ein Diagramm, das die Oberflächenrauheit der Kugellaufrinne der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse der Lebensdauerprüfung einer Kugelumlaufspindel, in die die Spindelmutter der vorliegenden Erfindung integriert ist, zeigt;
7 ist eine Erläuterungsansicht, die andere Schritte zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Diagramm, das die Oberflächenhärte der Kugellaufrinne der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse der Lebensdauerprüfung einer Kugelumlaufspindel, in die die Spindelmutter der vorliegenden Erfindung integriert ist, zeigt;
10 ist eine Erläuterungsansicht, die weitere Schritte zur Herstellung der Spindelmutter der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse der Lebensdauerprüfung einer Kugelumlaufspindel, in die die Spindelmutter der vorliegenden Erfindung integriert ist, zeigt;
12 ist eine Längsschnittansicht einer Spindelmutter des Standes der Technik; und
13 ist eine Erläuterungsansicht, die ein Verfahren zur Herstellung einer Spindelmutter Standes der Technik zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf begleitende Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Längsschnittansicht durch eine Ausführungsform einer Spindelmutter der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ausführungsform 2
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ausführungsform 3
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.
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.
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.
Anwendbarkeit in der Industrie
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.
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.
ZUSAMMENFASSUNG
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.

Claims

Spindelmutter, die mit einer Kugellaufrinne geformt ist, in welcher Kugeln auf der inneren Umfangsfläche der Spindelmutter laufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugellaufrinne von einer Fläche gebildet wird, welche durch ein Gewindeschneidwerkzeug erzeugt ist.
Spindelmutter nach Anspruch 1, wobei die Kugellaufrinne im Querschnitt als Spitzbogen geformt ist.
Spindelmutter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächenrauheit Ra auf kleiner oder gleich 1,2 μm beschränkt ist.
Spindelmutter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Fläche der Kugellaufrinne mit einer gehärteten Schicht im Bereich von 54 bis 64 HRC (Rockwellhärte) geformt ist.
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 zum Bilden einer vorgegebenen inneren Umfangsfläche in der Mitte eines Rohlings durch ein Bohrwerkzeug, einen Schritt zum Erzeugen der Kugellaufrinne durch Einführen eines Gewindeschneidwerkzeugs in die innere Umfangsfläche und einen Schritt der Wärmebehandlung zum Härten der Oberfläche der Kugellaufrinne umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Kugellaufrinne durch spanende, NC (Numeric Control) gesteuerte Bearbeitung geformt ist, die auf Informationen beruht, welche durch Feststellen der Phasen der Spindelmutter und des Gewindeschneidwerkzeugs gewonnen worden sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Endteil des Gewindeschneidwerkzeugs als zylindrische Form ausgebildet ist, die durch die innere Umfangsfläche geführt wird.
Spindelmutter, die mit einer Kugellaufrinne geformt ist, in welcher Kugeln auf der inneren Umfangsfläche der Spindelmutter laufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugellaufrinne mit einer Fläche gebildet ist, welche durch Kugelstrahlen gehärtet ist.
Spindelmutter nach Anspruch 8, wobei die Oberflächenrauheit Ra auf kleiner oder gleich 1,0 μm beschränkt ist.
Spindelmutter nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Oberflächenhärte Hv (Vickershärte) der Kugellaufrinne auf den Bereich von 700–900 eingestellt ist.
Spindelmutter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Oberfläche der Kugellaufrinne eine Restdruckspannung im Bereich von –500 bis –1500 MPa hat.
Verfahren zur Herstellung einer Spindelmutter, 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.
Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin einen Schritt zum Bilden einer vorgegebenen inneren Umfangsfläche in der Mitte eines Rohlings durch ein Bohrwerkzeug und einen Schritt zum Erzeugen der Kugellaufrinne durch Einführen eines Gewindeschneidwerkzeugs in die innere Umfangsfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Kugelstrahlen unter Verwendung von Siliziumkarbidkugeln, die eine Teilchengröße von 40 bis 60 μm haben, ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Kugelstrahlen unter Verwendung von Stahlkugeln, die eine Teilchengröße von 40 bis 60 μm haben, ausgeführt wird.