JP2013113423A - ボールねじ、射出成形機 - Google Patents

Abstract

【課題】要求寿命が長い電動射出成形機用として好適なボールねじを提供する
【解決手段】ねじ軸１およびナット２の溝１１，２１の断面をゴシックアーク状とする。ボール３の直径（Ｄ）に対する各溝１１，２１の断面円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）を５１．８％以上５２．８％以下とする。ラジアル隙間（Ｓ）のボール３の直径（Ｄ）に対する比（Ｓ／Ｄ）を１／３００以下とする。ラジアル隙間が０の状態でのボール３と溝１１，２１との初期接触角（α）を３８°以上４８°以下とする。溝１１，２１の表層部での残留オーステナイト量を２０体積％以上３０体積％以下にする。
【選択図】図１

Description

この発明は、射出成形機用等の高荷重用途のボールねじに関する。

射出成形機は従来、油圧式が主流であったが、最近では電動式が増加している。電動射出成形機では、サーボモータの回転運動を直線運動に変換する機械要素として、ボールねじが用いられている。具体的には、射出部、型開閉部、エジェクタ部、ノズルタッチ部などで、ボールねじが使用されている。
電動射出成形機においては、サーボモータでボールねじのねじ軸を、１ショット当たり（１回の射出成形で）数〜数十回転することにより、ナットを駆動させるが、その間にボールねじに大きな荷重が加わる。そして、電動射出成形機の寿命はショット数（型締めや射出の回数）で設定される。

特許文献１には、板金などの曲げ加工や打ち抜き加工などのプレス機用として好適なボールねじが記載されている。このボールねじでは、ボールとねじ溝とのラジアル隙間を前記ボール径の１／３００〜１／１２００にすると共に、前記ラジアル隙間のない場合の前記ボールとねじ溝との初期接触角を３５°〜４３°とし、かつ前記ねじ溝を２つの円弧で形成されるゴシックアーク形状にすると共に各円弧の曲率を前記ボール径に対して５１．５％〜５４．０％としている。これにより、ボールねじの許容荷重（ボール乗り上げ限界荷重）と寿命のバランスをとっている。

特開２０１０−１１２３９９号公報

しかし、特許文献１に記載されたボールねじは、電動射出成形機用よりも高負荷を受けるストロークが短いプレス機用としては好適であるが、電動射出成形機用としては不十分なものである。すなわち、プレス機用のボールねじの場合は、高荷重域の許容荷重を大きくする設計を行う（初期接触角を小さくして、乗り上げ限界荷重を上げる）が、このような設計では全体的な負荷容量が小さくなる。そのため、特許文献１に記載されたボールねじを電動射出成形機用ボールねじとして使用すると、当然のことながら要求寿命が満たされない。
この発明の課題は、電動射出成形機用として好適な（ボールがねじ溝肩部に乗り上がりにくく、ボール転動面の剥離寿命が長い）ボールねじを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のボールねじは、外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を有するボールねじであって、下記の構成(1) 〜(4) を有することを特徴とする。
(1) ラジアル隙間（Ｓ）の前記ボールの直径（Ｄ）に対する比（Ｓ／Ｄ）が１／３００以下である。
(2) 前記ねじ軸およびナットは、前記溝の断面がゴシックアーク状（半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状）であり、前記ボールの直径（Ｄ）に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５１．８％以上５２．８％以下である。

(3) 前記ねじ軸およびナットは、ラジアル隙間が０の状態で、前記ボールと前記溝との初期接触角（α）が３８°以上４８°以下である。
(4) 前記ねじ軸およびナットは、前記溝の表層部（ボール直径の０．１〜０．３％の深さ位置：概ね１０〜３０μｍの深さ位置）の残留オーステナイト量（γ_R ）が２０体積％以上３０体積％以下である。
ボールねじに大きな荷重が加わると、ボールがねじ溝肩部に乗り上がり、ねじ溝肩部を損傷する恐れがあるため、ボールのねじ溝肩部への乗り上げを防止する必要がある。この乗り上げは、前記比（Ｒ／Ｄ）が大きいほど生じにくく、前記初期接触角（α）が小さいほど生じにくい。また、前記比（Ｓ／Ｄ）が小さいほど前記初期接触角（α）が小さくなるため、前記比（Ｓ／Ｄ）を小さくすることが、乗り上げが生じにくくなることに繋がる。

Ｓ／Ｄ≦１／３００とα≦４８°は、この乗り上げ防止の観点から設定されている。Ｒ／Ｄ≧５１．８％は、この乗り上げ防止の観点と、前記溝の加工精度を確保する観点から設定されている。Ｒ／Ｄが小さすぎると前記溝を精度良く加工することが難しい。
なお、Ｓ／Ｄの下限値は特に規定しないが、部分予圧になってしまう可能性があるために、Ｓ／Ｄ≧１／１２００であることが好ましい。
Ｒ／Ｄ≦５２．８％とα≧３８°は、ボールねじの寿命を長くする観点から設定されている。
比（Ｓ／Ｄ）の好ましい値は１／５００以下である。比（Ｒ／Ｄ）の好ましい値は５２．０％以上５２．５％以下である。初期接触角（α）の好ましい値は４０°以上４５°以下である。

γ_R ≧２０体積％は、ボール転動面（前記溝の表面）に生じた圧痕に起因して亀裂が発生したり、亀裂が進展したりすることを抑制する観点から設定されている。電動射出成形機用のボールねじは、ボール転動面に圧痕が生じ易い使用環境にある。
γ_R ≦３０体積％は、ボール転動面の硬さを確保してボールねじの転動寿命を長くする観点と、ねじ軸およびナットの寸法安定性の観点から設定されている。ねじ軸およびナットの溝の表層部の残留オーステナイト量（γ_R ）が多すぎると、ボール転動面（前記溝の表面）の硬さが不十分となるばかりでなく、芯部を含めた全体の残留オーステナイト量が多くなることで寸法安定性が不十分となる。

この発明のボールねじは、ボールがねじ溝肩部に乗り上がりにくく、ボール転動面の剥離寿命が長いため、電動射出成形機用として好適なものとなる。

この実施形態に相当するボールねじの、ねじ軸の螺旋溝とナットの螺旋溝で構成される軌道の溝直角断面における、両螺旋溝とボールとの接触状態を示す図である。

以下、この発明の実施形態について説明する。
この実施形態のボールねじは、外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を有する。
図１を使用して、この実施形態のボールねじを構成する、ねじ軸１の螺旋溝１１とナット２の螺旋溝２１とボール３との関係を説明する。図１には、ねじ軸１およびナット２の螺旋溝１１，２１が溝直角断面で表示されている。

図１（ａ）に示すように、この実施形態のボールねじにおいて、ねじ軸１の外周面に形成された螺旋状の溝１１の断面は、ゴシックアーク状、すなわち、半径Ｒ_S が同じで中心Ｏ_S1，Ｏ_S2が異なる二つの円弧１１ａ，１１ｂが連結された形状である。また、ねじ軸１の外周面１２と溝１１との境界が面取りされて、ねじ溝肩部１３が形成されている。ボール３の直径（Ｄ）に対する溝１１の断面円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）は、５１．８％以上５２．８％以下である。
ナット２の溝２１の断面は、ゴシックアーク状、すなわち、半径Ｒ_N が同じで中心Ｏ_N1，Ｏ_N2が異なる二つの円弧が連結された形状である。また、ナット２の内周面２２と溝２１との境界が面取りされて、ねじ溝肩部２３が形成されている。ボール３の直径（Ｄ）に対する溝２１の断面円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）は、５１．８％以上５２．８％以下である。

図１（ａ）はボールねじの組立直後の状態を示す。この状態で、この実施形態のボールねじにはラジアル隙間Ｓが存在している。このラジアル隙間Ｓのボール３の直径（Ｄ）に対する比（Ｓ／Ｄ）が１／３００以下になっている。
ボールねじの使用時には、図１（ａ）の状態からボールねじに、予圧（例えばナット２が紙面の右向きに相対移動する力）を付与して図１（ｂ）に示す状態とする。この状態で、ラジアル隙間が０となり、ボール３と溝１１，２１との初期接触角（α）が３８°以上４８°以下となっている。また、ボール３は円弧１１ｂ，２１ｂと２点接触状態となっている（接触点Ｐ₁ ，Ｐ₂ ）。

さらに、溝１１，２１の表層部、すなわち、表面から所定深さの位置（ボール３の直径の０．１〜０．３％に相当する寸法だけ内部の位置、例えば深さ１０〜３０μｍの位置）での残留オーステナイト量が２０体積％以上３０体積％以下に調整されている。
よって、この実施形態のボールねじは、ボール３がねじ溝肩部１３，２３に乗り上がりにくく、溝１１，２１の表面（ボール転動面）の剥離寿命が長いため、電動射出成形機用として好適なものとなる。

以下、この発明の実施例について説明する。
日本精工（株）製のシングルナットチューブ式ボールねじ（「ＪＩＳ Ｂ １１９２」に基づく表記で「６３×１６×３００−Ｃｔ７」に相当するもの、呼び番号ＢＳ６３１６−１０．５）を構成する、ねじ軸およびナットの各サンプルを以下のように作製した。このボールねじは保持ピースを備えている。
ボールは、ＳＵＪ２製でずぶ焼きがなされた、呼び径（Ｄ）が１２．７ｍｍのものを用意した。

ねじ軸およびナットの各サンプルを、ＳＣＭ４２０Ｈからなる素材を用い、通常の方法で加工することにより、軌道溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径（Ｒ）が、６．５０ｍｍ（Ｒ／Ｄ＝５１．２％）、６．５４ｍｍ（Ｒ／Ｄ＝５１．５％）、６．５８ｍｍ（Ｒ／Ｄ＝５１．８％）、６．６０ｍｍ（Ｒ／Ｄ＝５２．０％）、６．６７ｍｍ（Ｒ／Ｄ＝５２．５％）、６．７１ｍｍ（Ｒ／Ｄ＝５２．８％）、６．７３ｍｍ（Ｒ／Ｄ＝５３．０％）となるようにした。
このようにして得られた、比（Ｒ／Ｄ）が異なる７種類のねじ軸およびナットのサンプルに対して、下記の熱処理（浸炭、焼入れ、焼戻し）を施すことにより、７種類それぞれについて、軌道溝の表層部の残留オーステナイト量（γ_R ）が、それぞれ１５体積％、２０体積％、２５体積％、３０体積％、３５体積％であるサンプルを得た。

＜熱処理条件＞
浸炭処理：保持温度９３０〜９６０℃、保持時間１５〜２５時間
焼入れ：保持温度８３０〜９００℃、保持時間２〜４時間
焼戻し：保持温度１６０〜２００℃、保持時間２〜４時間
このようにして得られた３５種類のねじ軸およびナットのサンプルと、呼び径（Ｄ）が１２．７ｍｍであるボールを用い、初期接触角（α）が３６°、３８°、４０°、４３°、４５°、４８°、５０°である２４５（３５×７）種類のボールねじを組み立てた。ねじ軸とナットは同じ種類のサンプルを組み合わせた。

また、呼び径（Ｄ）が１２．７ｍｍであって、微妙に寸法が異なるボール（１２．７０３ｍｍ、１２．６９５ｍｍ等のボール）を組み込むことで、全てのサンプルでラジアル隙間が４２μｍとなるようにした。ラジアル隙間が４２μｍはボール直径（１２．７ｍｍ）の１／３００に相当する。すなわち、全てのサンプルでＳ／Ｄ＝１／３００になっている。
先ず、軌道溝の表層部の残留オーステナイト量（γ_R ）が１５体積％であるねじ軸およびナットを用いて組み立てた、αとＲ／Ｄの組み合わせが異なる４７種類のボールねじについて、乗り上げが生じるかどうかを調べる試験を行った。

つまり、各ボールねじを日本精工（株）製のボールねじ耐久寿命試験機にかけて、試験荷重（軸方向荷重）：２５０ｋＮ、ストローク：８０ｍｍ、最高回転速度：３２００ｍｉｎ^-1、試験温度：室温、潤滑剤：（株）リューベ製の「ＹＳ２グリース」の条件で、ボールねじを往復運動させる耐久寿命試験を、電動射出成形機用ボールねじの要求寿命である１０００万ショット行い、その間に乗り上げが生じるかどうか調べた。
その結果を下記の表１に示す。乗り上げが生じた場合を○、乗り上げが生じなかった場合を×で示した。

表１の結果から、γ_R ＝１５体積％、Ｓ／Ｄ＝１／３００、Ｒ／Ｄ≧５１．８％の場合は、α≦４８°とすることで乗り上げが生じないことが分かる。
次に、全サンプル２４５（３５×７）種類のボールねじについて、下記の方法で耐久試験を行った。
つまり、各ボールねじを日本精工（株）製のボールねじ耐久寿命試験機にかけて、試験荷重（軸方向荷重）：２５０ｋＮ、ストローク：８０ｍｍ、最高回転速度：３２００ｍｉｎ^-1、試験温度：室温、潤滑剤：（株）リューベ製の「ＹＳ２グリース」の条件で、ボールねじを往復運動させる耐久寿命試験を行った。
この試験は、電動射出成形機用ボールねじの要求寿命である１０００万ショット行い、途中でねじ軸またはナットのねじ溝、あるいはボールのいずれかに剥離が生じた場合は不合格「×」、１０００万ショットまで問題なく回転を続けた場合を合格「○」とした。
表２〜６は、全てのサンプルの寿命試験の結果を、ボール転動面の残留オーステナイト毎にまとめたものである。

表２〜６の結果から、γ_R が３０体積％以下の場合は、γ_R が増えるに従って要求寿命を満たすαとＲ／Ｄの組み合わせが多くなることが分かる。また、要求寿命を満たすαとＲ／Ｄの組み合わせが、γ_R が２０〜３０体積％の場合は２５／４９〜２７／４９（＝５３〜５５％）であるのに対して、γ_R が１５体積％と３５体積％の場合は１０／４９（＝２０％）、１６／４９（＝３３％）と少ないことが分かる。
表３〜５に示すγ_R が２０〜３０体積％の結果を、全ての結果が合格である場合を合格「○」、それ以外の場合を不合格「×」として、表７に示す。

表７の結果から、Ｓ／Ｄ＝１／３００、γ_R が２０〜３０体積％、αが３８°以上４８°以下、Ｒ／Ｄが５１．８％以上５２．８％以下とすることで、電動射出成形機用ボールねじの要求寿命を満たし、ボールがねじ溝肩部に乗り上がらないようにできることが分かる。

１ ねじ軸
１１ ねじ軸の螺旋溝
１１ａ ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧
１１ｂ ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧
１２ ねじ軸の外周面
１３ ねじ軸のねじ溝肩部
２ ナット
２１ ナットの螺旋溝
２１ａ ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧
２１ｂ ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧
２２ ナットの内周面
２３ ナットのねじ溝肩部
３ ボール
Ｏ_S1 ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
Ｏ_S2 ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
Ｏ_N1 ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
Ｏ_N2 ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧の中心
Ｐ₁ ねじ軸のボールと溝との接触点
Ｐ₂ ナットのボールと溝との接触点
Ｒ_S ねじ軸の溝断面のゴシックアークを形成する円弧の半径
Ｒ_N ナットの溝断面のゴシックアークを形成する円弧の半径

Claims (2)

1. 外周面に螺旋状の溝が形成されたねじ軸と、内周面に螺旋状の溝が形成されたナットと、ねじ軸の溝とナットの溝が互いに対向して形成される軌道と、この軌道の終点と始点を連結する戻し路と、この戻し路内および前記軌道内に配置された複数のボールと、を有するボールねじであって、
   ラジアル隙間（Ｓ）の前記ボールの直径（Ｄ）に対する比（Ｓ／Ｄ）が１／３００以下であり、
   前記ねじ軸およびナットは、
   前記溝の断面がゴシックアーク状（半径が同じで中心が異なる二つの円弧が連結された形状）であり、
   前記ボールの直径（Ｄ）に対する前記溝の断面のゴシックアークを形成している円弧の半径（Ｒ）の比（Ｒ／Ｄ）が５１．８％以上５２．８％以下であり、
   ラジアル隙間が０の状態で、前記ボールと前記溝との初期接触角（α）が３８°以上４８°以下であり、
   前記溝の表層部の残留オーステナイト量が２０体積％以上３０体積％以下であることを特徴とするボールねじ。
2. サーボモータの回転運動を直線運動に変換する機械要素として、請求項１に記載のボールねじを有する射出成形機。

Images