JP4888760B2 - ねじ軸形成方法及びボールねじ機構のねじ軸 - Google Patents

Description

本発明は、例えば一般産業用機械に組付けられたり、或いは自動車に使用されたりするボールねじ機構のねじ軸、及びそれを加工するためのねじ軸形成方法に関するものである。

近年、車両等の省力化が進み、例えば自動車のトランスミッションやパーキングブレーキなどを手動でなく、電動モータの力により行うシステムが開発されている。そのような用途に用いる電動アクチュエータには、電動モータから伝達される回転運動を高効率で軸線方向運動に変換するために、ボールねじ機構が用いられる場合がある。

ここで、ボールねじ機構のねじ軸を製造する転造加工として、通し転造方式とインフィード転造方式が知られている。通し転造方式は、ロールダイスを被転造物に押し当てて転造する際、ロールダイスのリード角と被転造物のリード角に少しの角度差を設けて転造する方式である。ロールダイス又は被転造物を相対的に回転させると、上記リード角の差によってロールダイスと被転造物が相対的に移動しながら転造する、いわゆる歩き現象を生じ、ロールダイスや被転造物を相対的に回転させるとき強制的に軸心方向に動かすことなく自動的に転造を行うことができる（特許文献１参照）。
特開２００１−３００６７５号公報 特開平９−１３３１９５号公報

図１、２は、比較例による通し転造加工を示す図である。図１（ａ）に示すように、通し転造加工は、回転する一対の転造ダイスＲＤ，ＲＤ間に、被加工部Ｗａと支持部Ｗｂ、Ｗｂとを有する円筒状ワークＷを軸線方向に通過させることにより、円筒状ワークＷの被加工部Ｗａに雄ねじ溝ＣＷを形成するものである。従って、図１（ｂ）に示すように、それにより形成される雄ねじ溝ＣＷは全長にわたって同じ形状を有する。かかる通し転造加工によれば、被加工部Ｗａを拡大して示す図１（ｃ）に示すように、被加工部Ｗａの端部が塑性変形することで、軸線方向にせりだした余肉部Ｗｃが生じる。しかるに、被加工部Ｗａに隣接した支持部Ｗｂに軸受ＢＲＧ（点線）を設けようとすると、余肉部Ｗｃに干渉する恐れがあるので、転造加工後に切削や研削等の後加工で余肉部Ｗｃを削除することが行われている。ところが、支持部Ｗｂとの間に形成された余肉部Ｗｃの切削や研削等は加工が難しく、また径の小さな工具を用いなくてはならず、工具の早期損耗を招く恐れがある。更に余肉部Ｗｃの取り代が大きいと、後加工の手間や時間がかかるという問題もある。

これに対し、図２（ａ）に示すように、円筒状ワークＷの被加工部Ｗａの端部に、予め面取り部Ｗｄを設けることも考えられる。かかる場合、円筒状ワークＷを、図１に示す転造ダイスＲＤ，ＲＤを用いて通し転造加工を行ったとき、面取り部Ｗｄが形成されているために、図２（ｂ）に示すように、被加工部Ｗａの端部は転造ダイスＲＤ，ＲＤが接触せず、塑性変形がなされないので、余肉部の形成が抑制される。しかしながら、面取り部Ｗｄを形成する前加工が必要となるという問題がある。又、図２（ｃ）に示すように、支持部Ｗｂに軸受ＢＲＧを設けた場合、被加工部Ｗａの端部と軸受ＢＲＧの内輪との接触部Ａの面積が小さくなり、応力が高くなって、被加工部Ｗａの端部又は軸受ＢＲＧの内輪の変形を招く恐れがある。これに対し、支持部Ｗｂの外径φＳを小さくすれば、被加工部Ｗａの端部と軸受ＢＲＧの内輪との接触部Ａの面積は増大するが、その分支持部Ｗｂの強度が低下するという問題がある。

一方、特許文献２に示すように、インフィード転造ダイスの形状を特殊なものとすることで、両端に切り上がりを形成したねじ軸を形成することができ、それにより端部の塑性変形量を抑えて余肉の形成を抑制することができる。しかしながら、特許文献２に示すダイスは製造が困難であり、ねじ軸のコストが増大するという問題がある。なお、切削加工や研削加工で、ボールねじ機構のねじ軸を形成することも考えられ、かかる加工によれば、ねじ溝の両端を切り上げるように加工することが任意であるため、端部の塑性変形量を抑えて余肉の形成を抑制することができる。しかしながら、切削加工や研削加工は時間がかかって生産効率が悪いという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、より低コストでボールねじ機構のねじ軸を製造できるねじ軸形成方法及びぞれにより形成されたねじ軸を提供することを目的とする。

本発明のねじ軸形成方法は、外形φＤである中央の被加工部と、外径φｄ（Ｄ＞ｄ）である支持部とを有する素材に対して転造加工を施すことで、ボールねじ機構のねじ軸の雄ねじ溝を形成するねじ軸形成方法において、
前記雄ねじ溝を形成するねじ加工部の外径は全長にわたって一様であり、且つ軸線方向端部の一方にのみ、その外径が外方に向かうにつれて縮径した縮径部を有するインフィード転造ダイスを、前記縮径部が形成されていない軸線方向端部が、前記素材の被加工部の軸線方向端部より軸線方向外方にはみ出すようにして、前記素材に対して軸線方向に相対移動させることなく軸線直角方向に相対移動することで転造を行うことで、外径との差が漸次減少する不完全ねじ部を持つねじ軸を転造することを特徴とする。

本発明のねじ軸形成方法によれば、前記雄ねじ溝を形成するねじ加工部の外径は全長にわたって一様であり、且つ軸線方向端部の一方にのみ、その外径が外方に向かうにつれて縮径した縮径部を有するインフィード転造ダイスを、素材に対して軸線方向に相対移動させることなく軸線直角方向に相対移動することで転造を行うので、前記インフィード転造ダイスにおける外径が一様なねじ加工部により、溝底が一様な雄ねじ溝を形成することができ、且つ軸線方向端部の一方における外径が外方に向かうにつれて縮径しているので、素材に面取り等を予め加工することなく、被加工部の余肉を抑えることができる。

更に、前記インフィード転造ダイスの軸線方向端部を、前記素材の被加工部の軸線方向端部に対応させて転造すると好ましい。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図３は、本実施の形態にかかるインフィード転造ダイスから形成されたねじ軸を用いたボールねじ機構の一例を示す断面図である。

不図示のモータの回転軸に連結され且つ雄ねじ溝１ａを有するねじ軸１を包囲するようにして、円筒状のナット２が配置されている。ナット２は、不図示のハウジングに対して回転のみ可能に支持されており、内周面に雌ねじ溝２ａを形成している。複数のボール３が、対向する両ねじ溝１ａ、２ａ間に形成された螺旋状の転走路内を転動自在となるように配置されている。ナット２には、転走路の一端から他端へとボール３を戻すチューブ４が配置されている。ねじ軸１と、ナット２と、ボール３とでボールねじ機構を構成する。

ボールねじ機構の動作を説明すると、不図示のモータによりねじ軸１が回転駆動されたとき、転走路を転動し且つチューブ４を介して転走路の一端から他端へと循環するボール３により、かかる回転運動がナット２の軸線方向運動に効率よく変換されるようになっている。

次に、ねじ軸の加工態様について説明する。図４は、インフィード転造ダイス１０を示す図である。本実施の形態のインフィード転造ダイス１０は、図４に示すように、軸線方向の長さＢを有する略円筒状であるが、その右端には、外径が外側に行くにつれて漸次減少する縮径部１０ａが形成されている。即ち縮径部１０ａの外形は、テーパ角θのテーパ状となっている。縮径部１０ａの長さは、インフィード転造ダイス１０の全長Ｂの１／６〜１／５程度であると望ましい。インフィード転造ダイス１０の外周には、雄ねじ溝１ａと同じリードであり且つ対応する断面形状のねじ加工部１０ｂが全周にわたって形成されている。

図５は、本実施の形態のインフィード転造ダイス１０を用いて、ワークＷを転造加工する工程を示す図であるが、一対のインフィード転造ダイス１０はそれぞれ半分のみが図示されている。図６（ａ）は、インフィード転造ダイス１０により形成されたねじ軸１の側面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のねじ軸の矢印VIB部を拡大して示す図である。ワークＷは、外径φＤである中央の被加工部Ｗａと、外径φｄ（Ｄ＞ｄ）である両端の支持部Ｗｂとを有しており、被加工部Ｗａには面取りは形成されていない。

まず、図５（ａ）に示すように、一対のインフィード転造ダイス１０、１０の間に、ワークＷをセットする。このとき、縮径部１０ａの端部は、被加工部Ｗａの端部と一致させることが望ましい。又、縮径部１０ａの形成されていない端部（左端）は、被加工部Ｗａの端部より軸線方向外方に、例えば５ｍｍ程度はみ出していることが望ましい。

更に、図５（ｂ）に示すように、同じ方向に回転するインフィード転造ダイス１０を軸線直角方向に互いに接近させると、それにより回転するワークＷの表面の切り込みが始まるが、ワークＷに対して軸線方向に相対移動させることなく、ワークＷの被加工部Ｗａを、インフィード転造ダイス１０の外周により加工することができる。このとき、被加工部Ｗａの外周には、ねじ加工部１０ｂにより雄ねじ溝１ａが形成される。所定寸法の雄ねじ溝１ａが形成されるたとき、インフィード転造ダイス１０，１０をワークＷより離隔させることで、図５（ｃ）に示すように、転造加工が終了する。

本実施の形態によれば、縮径部１０ａの外径は、軸線方向外方に向かうにつれて漸次減少しているので、図６に示すように、被加工部Ｗａの対応する端部に向かうにつれて、その塑性変形量が減少し、その端部から軸線方向にはみ出す余肉部の形成が抑制されることとなるので、軸受ＢＲＧとの干渉を回避できるとともに、両者の接触面積を確保して応力低減を図れる。又、縮径部１０ａのねじ加工部１０ｂにより、被加工部Ｗａの端部に、外径との差が漸次減少する（即ち切り上がった）不完全ねじ部１ｃが形成されるので、組立後のねじ軸及びナットの脱落防止として利用できるので、別個に脱落防止治具等を設ける必要がなく、手間とコストを削減できる。又、雄ねじ溝１ａの溝底径は一様である。なお、被加工部Ｗａの端部外径は、その中央部の外径よりも大きくなるが、ナット２の内径より小さければ問題は生じない。

図７は、変形例にかかるインフィード転造ダイス１０’を、加工後のワークＷと共に示す図である。本変形例のインフィード転造ダイス１０’は、上述した実施の形態に対して、両端に縮径部１０ａ、１０ａを形成しているので、同様な構成については同じ符号を付すことで説明を省略する。上述した実施の形態と同様に、同様のインフィード転造ダイス１０’がワークＷを挟んで一対設けられているが、図では片方のみ示している。

本変形例においては、縮径部１０ａ、１０ａの端部は、被加工部Ｗａの両端と一致させて加工を行うことが望ましい。その場合には、インフィード転造ダイス１０’の全長Ｂは、被加工部Ｗａの全長ｂに等しくなる。図８に示すように、縮径部１０ａ、１０ａを用いて加工を行うと、被加工部Ｗａの両端は、端部に向かうにつれて、その塑性変形量が減少し、その端部から軸線方向にはみ出す余肉部の形成が抑制されることとなる。本変形例では、ワークＷの被加工部Ｗａの両端に不完全ねじ部１ｃが形成される。本変形例によれば、ワークＷに対して適切なインフィード転造ダイス１０の全長Ｂを設定することで、インフィード転造時のバランスが取れるため有効径のテーパ発生や曲りを抑制する効果がある。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、インフィード転造ダイスにおいて、第１の加工領域Ｘの加工ねじ部のねじピッチと、第２の加工領域Ｙ、Ｙの加工ねじ部のねじピッチと異ならせても良い。

図１（ａ）は、比較例として示すインフィード転造ダイス及びワークを示す図である。図１（ｂ）は、転造加工されたワークＷの側面図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）のワークＷの矢印IBで示す部位を拡大して示す図である。 図２（ａ）は、別なワークＷの被加工部Ｗａの端部拡大図である。図２（ｂ）は、転造加工後における被加工部Ｗａの端部拡大図である。図２（ｃ）は、支持部Ｗｂに軸受ＢＲＧを取り付けた状態で示す図である。 本実施の形態にかかるインフィード転造ダイスから形成されたねじ軸を用いたボールねじ機構の一例を示す断面図である。 インフィード転造ダイス１０を示す図である。 本実施の形態のインフィード転造ダイス１０を用いて、ワークＷを転造加工する工程を示す図である。 図６（ａ）は、インフィード転造ダイス１０により形成されたねじ軸１の側面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のねじ軸の矢印VIB部を拡大して示す図である。 変形例にかかるインフィード転造ダイス１０’を、加工後のワークＷと共に示す図である。

符号の説明

１ ねじ 軸
１ａ 雄ねじ溝
２ ナット
２ａ 雌ねじ溝
３ ボール
４ チューブ
１０、１０’ インフィード転造ダイス
１０ａ 縮径部
１０ｂ ねじ加工部
Ｗ ワーク
Ｗａ 被加工部
Ｗｂ 支持部

Claims (3)

1. 外形φＤである中央の被加工部と、外径φｄ（Ｄ＞ｄ）である支持部とを有する素材に対して転造加工を施すことで、ボールねじ機構のねじ軸の雄ねじ溝を形成するねじ軸形成方法において、
   前記雄ねじ溝を形成するねじ加工部の外径は全長にわたって一様であり、且つ軸線方向端部の一方にのみ、その外径が外方に向かうにつれて縮径した縮径部を有するインフィード転造ダイスを、前記縮径部が形成されていない軸線方向端部が、前記素材の被加工部の軸線方向端部より軸線方向外方にはみ出すようにして、前記素材に対して軸線方向に相対移動させることなく軸線直角方向に相対移動することで転造を行うことで、外径との差が漸次減少する不完全ねじ部を持つねじ軸を転造することを特徴とするねじ軸形成方法。
2. 前記インフィード転造ダイスの前記縮径した縮径部の軸線方向端部を、前記素材の被加工部の軸線方向端部と一致させて転造することを特徴とする請求項１に記載のねじ軸形成方法。
3. 請求項１又は２に記載のねじ軸形成方法により転造加工され、前記縮径部で加工された部分の外径寸法が中央部の外径より大きくなっていることを特徴とするボールねじ機構のねじ軸。

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