JP5549331B2 - ボールねじの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はボールねじの製造方法に関する。

ボールねじは、螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路内に転動自在に装填された複数のボールと、からなる。そして、ボールを介してねじ軸に螺合されているナットとねじ軸とを相対回転運動させると、ボールの転動を介してねじ軸とナットとが軸方向に相対移動するようになっている。

このようなボールねじには、ボール転動路の始点と終点とを連通させて無端状のボール通路を形成するボール循環路が備えられている。すなわち、ボールは、ボール転動路内を移動しつつねじ軸の回りを複数回回ってボール転動路の終点に至ると、ボール循環路の一方の端部から掬い上げられてボール循環路内を通り、ボール循環路の他方の端部からボール転動路の始点に戻される。このように、ボール転動路内を転動するボールがボール循環路により無限に循環されるようになっているので、ねじ軸とナットとは継続的に相対移動することができる。

ボール循環路を用いたボールの循環形式には、チューブ式，コマ式等の種々の形式がある。例えば、チューブ式の場合は、ボール転動路の始点と終点とを連通させるリターンチューブがナットの外周面に固定されており、コマ式の場合は、ボール転動路の始点と終点とを連通させる溝が形成されたコマが、ナットの外周面と内周面を貫通するコマ穴に嵌め込まれている。また、ナットの内周面の一部を凹化させて凹溝を形成し、この凹溝をボール循環路とする循環形式も知られている。

このような凹溝をボール循環路とするボールねじを製造する際には、円柱状の鋼製素材を冷間鍛造により加工して、略円筒形状（ナットと略同一形状）のブランクを得て、金型を用いて鍛造することにより該ブランクの内周面の一部を凹化させて凹溝を形成し、さらに凹溝に連続してねじ溝を切削加工により形成して、ナットを製造していた。具体的には、凹溝の形成は、金型に設けられた凸部をブランクの内周面に押圧することにより行っていた（ブランクを軸方向に垂直な平面で切断した断面図である図９を参照）。

この金型は、金型成型用の放電型から製造される。放電型には、金型の凸部を形成するための凹部が設けられているが、この凹部は、放電型の製造時に基材をボールエンドミルで加工することにより形成されるので（図１０を参照）、その両端部の形状は略球面形状をなしており、その曲率半径は凹部（凹溝）の幅の１／２であった。

特開２００８−２８１０６３号公報

しかしながら、放電型の凹部が長いと、すなわち凹溝形成用の金型の凸部が長いと、該金型のサイズが大きくなってしまうため、ボールねじの諸元によっては（例えば、ナットの内径が小さい場合やボールの直径が大きい場合）、ブランクの内径に対して金型のサイズが大きすぎて、金型をブランクの内周面に向かって押圧するための成型ストロークが確保できないおそれがあった。その結果、金型を用いて凹溝を容易に形成できないおそれがあった。

また、放電型の凹部の両端部の形状が略球面形状（凹面）をなしており、その曲率半径が凹部の幅の１／２であると、この凹部に対応する形状である金型の凸部の両端部の形状も同様の略球面形状（凸面）となるが、このような形状の凸部をブランクの内周面に押圧して凹溝を形成しようとすると、押圧荷重を大きくする必要がある。そのため、凸部に摩耗や変形が生じやすく、金型の寿命が短くなる場合があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、ボール循環路を構成する凹溝を金型を用いて容易に形成することが可能であり、且つ、該金型を長寿命とすることができるボールねじの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明のボールねじの製造方法は、螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填された複数のボールと、前記ボールを前記ボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路と、を備えるボールねじを製造する方法であって、金型に設けられた凸部を前記ナットの円柱面状の内周面に押圧して塑性加工することにより、前記内周面の一部を凹化させて、前記ボール循環路を構成する部分である主溝部と、前記主溝部の両端部からそれぞれ延びる延長溝部とからなる凹溝を形成する凹溝形成工程と、前記延長溝部の近傍部分を含む前記内周面の別の一部を切削することにより、前記延長溝部を取り除くとともに、前記主溝部の端部に連続して前記ナットのねじ溝を形成するねじ溝形成工程と、を備え、前記凹溝形成工程では、前記延長溝部が下記の３つの条件を満足するように前記凹溝を形成することを特徴とする。

条件Ａ：前記延長溝部の先端は略球面形状をなし、その曲率半径は前記主溝部の幅の１／２よりも大きい。
条件Ｂ：前記内周面上に形成される前記延長溝部の先端の円弧状境界線が、前記主溝部と前記ナットのねじ溝との接続点となる部分を通る位置、又は、該位置よりも前記主溝部から離れる位置に形成される。
条件Ｃ：半径が前記主溝部の幅の１／２である半円を、該半円の弦と前記主溝部の端部とが接するように仮想的に配置した場合、前記内周面上に形成される前記延長溝部の先端の円弧状境界線が、前記仮想半円の頂点を通る位置よりも前記主溝部に近い位置に形成される。

本発明のボールねじの製造方法は、ボール循環路を構成する凹溝を金型を用いて容易に形成することが可能であり、且つ、該金型を長寿命とすることができる。

本実施形態のボールねじの製造方法により製造されたボールねじの断面図である。 本実施形態のボールねじの製造方法を説明する工程図である。 パンチの斜視図である。 パンチを用いてブランクに凹溝を形成する方法を説明する断面図である。 ボール循環路及びねじ溝が形成されたブランクの断面図である。 凹溝の形状を従来品と比較して説明する図である。 凹溝の形状を従来品と比較して説明するブランクの断面図である。 凹溝の延長溝部の端部の形状を説明する図である。 金型を用いてブランクに凹溝を形成する方法を説明する断面図である。 ボールエンドミルを用いて従来の放電型を製造する方法を説明する斜視図である。

本発明に係るボールねじの製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態のボールねじの製造方法により製造されたボールねじの断面図（軸方向に沿う平面で切断した断面図）である。
図１に示すように、ボールねじ１は、螺旋状のねじ溝３ａを外周面に有するねじ軸３と、ねじ軸３のねじ溝３ａに対向する螺旋状のねじ溝５ａを内周面に有するナット５と、両ねじ溝３ａ，５ａにより形成される螺旋状のボール転動路７内に転動自在に装填された複数のボール９と、ボール９をボール転動路７の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路１１と、を備えている。

すなわち、ボール９は、ボール転動路７内を移動しつつねじ軸３の回りを回ってボール転動路７の終点に至り、そこでボール循環路１１の一方の端部から掬い上げられてボール循環路１１内を通り、ボール循環路１１の他方の端部からボール転動路７の始点に戻されるようになっている。
なお、ねじ軸３，ナット５，及びボール９の素材は特に限定されるものではなく、一般的な材料を使用可能であり、例えば鋼等の金属やセラミックがあげられる。また、ねじ溝３ａ，５ａの断面形状は、円弧状でもよいしゴシックアーク状でもよい。

このようなボールねじ１は、ボール９を介してねじ軸３に螺合されているナット５とねじ軸３とを相対回転運動させると、ボール９の転動を介してねじ軸３とナット５とが軸方向に相対移動するようになっている。そして、ボール転動路７とボール循環路１１により無端状のボール通路が形成されており、ボール転動路７内を転動するボール９が無端状のボール通路内を無限に循環するようになっているため、ねじ軸３とナット５とは継続的に相対移動することができる。

ここで、ボール循環路１１について詳細に説明する。ボール循環路１１は、ナット５の内周面に一体的に形成されている。詳述すると、ナット５の円柱面状の内周面の一部を、塑性加工により凹化させて形成した凹溝２２の一部を、ボール循環路１１としている。なお、ボール循環路１１は長手方向全体にわたって等幅であり、その幅は、ボール９の直径の１．０５倍以上１．１０倍以下とすることが好ましい。また、ボール循環路１１の断面形状は、円弧状でもよいしゴシックアーク状でもよい。

本実施形態のボールねじ１は、上記のようなボール循環路１１を用いたボール循環形式を採用しているので、ボール循環路を構成する別部材（リターンチューブやコマ）をナット５に取り付ける必要がない。また、ボール循環路を構成する別部材（リターンチューブやコマ）を取り付けるための孔（前述の貫通孔やコマ穴）をナット５に形成する必要がない。

ボール循環形式がチューブ式やコマ式である場合は、ボール循環路を構成する部材とナットとが別体であり、チューブ式の場合はリターンチューブがナットの外周面に、コマ式の場合はコマがコマ穴に取り付けられる。そのため、ナットの外周面のうちリターンチューブやコマが設けられている部分には、フランジ等の外周形成物を形成することはできず、ナットの外周面の設計に制限があった。

これに対して、本実施形態のボールねじ１は、ボール循環路１１がナット５の内周面に形成されており、ナット５の外周面にはいかなる部材も取り付ける必要がなく、前述の貫通孔，コマ穴等の孔を形成する必要もないので、ボール循環路１１が設けられた位置や回路数に拘束されず、ナット５の外周面全体にわたって任意の形状に設計することができる。よって、ナット５の外周面のうち、ボール循環路１１やねじ溝５ａに相対する部分にも、外周形成物を一体的に形成することができる。本実施形態のボールねじ１は、外周形成物としてフランジ１３が形成されている。また、リターンチューブ，コマ等の部材が取り付けられていないので、これらが脱落する心配が無く、ボールねじ１の信頼性が優れている。

外周形成物の種類は特に限定されるものではないが、フランジの他には、歯車用歯列，キー溝，軸受用軌道溝，異形外周面等があげられる。例えば、周方向に並ぶ複数の歯からなる歯車用歯列をナット５の外周面に形成すれば、ナット５を歯車として機能させることができる。また、ナット５の外周面にキー溝を形成すれば、他部材に設けられたキーを該キー溝に係合させることにより、その他部材とナット５を連結することができる。さらに、ナット５の外周面に軸受用軌道溝を形成すれば、ナット５を転がり軸受の内輪として機能させることができる。さらに、ナット５の外周面は通常は断面円形であるが、断面多角形，断面楕円形等の異形外周面とすることもできる。なお、これらの外周形成物の中の１つをナット５の外周面に形成してもよいし、２つ以上を形成してもよい。例えば、本実施形態のボールねじ１のように、ナット５の外周面にフランジ１３を形成し、そのフランジ１３の外周面に歯車用歯列１５を形成してもよい。
このような本実施形態のボールねじ１の用途は特に限定されるものではないが、自動車，二輪車，位置決め装置等に組み込まれる電動アクチュエータに特に好適に使用することができる。

次に、本実施形態のボールねじ１の製造方法の一例を、図２を参照しながら説明する。まず、所定の長さ（又は質量）の円柱状の鋼製素材２０を冷間鍛造等の塑性加工により加工し、ナット５と略同一形状（略円筒形状）のブランク２１を得た（粗成形工程）。このとき、塑性加工により、ブランク２１の外周面にはフランジ１３も形成される。よって、この場合の粗成形工程は、同時に外周形成物形成工程を兼ねている。

次に、ブランク２１の円柱面状の内周面の一部を冷間鍛造等の塑性加工により凹化させて、例えば略Ｓ字状の凹溝２２を形成した（凹溝形成工程）。この凹溝２２は、ボール転動路７の終点と始点を連通するボール循環路１１を構成する部分である主溝部２２ａと、主溝部２２ａの両端部からそれぞれ延びる延長溝部２２ｂ，２２ｂとからなる。この延長溝部２２ｂ，２２ｂは、後述するねじ溝形成工程において切削加工で取り除かれ、残る主溝部２２ａがボール循環路１１となる。

凹溝２２を形成する方法としては、以下のような冷間鍛造法があげられる。すなわち、図３に示すような、凹溝２２に対応する形状の凸部３１を有するパンチ３０（本発明の構成要件である金型に相当する）をブランク２１内に挿入し、ブランク２１の内周面にパンチ３０の凸部３１を接触させ、ブランク２１の内周面に向かってパンチ３０を強く押圧することにより、凹溝２２を形成することができる。

例えば、ブランク２１を軸方向に沿う面で切断した断面図である図４に示すように、凸部３１を有する面とは反対側の面が傾斜面３２であるパンチ３０を、ブランク２１の内周面に凸部３１を向けつつ、ダイ３４に設置したブランク２１内に挿入するとともに、パンチ３０の傾斜面３２に対応する傾斜面３６を有する治具３５をブランク２１内に挿入し、ブランク２１の軸方向に沿う力を治具３５に加える。すると、軸方向に沿う力が傾斜面３２，３６により径方向外方に向く力に変換されてパンチ３０に加えられるため、凸部３１がブランク２１の内周面を押圧して凹溝２２が形成される。

凹溝形成工程で使用するパンチ３０は、例えば金型成型用の放電型（図示せず）を用いて製造される。放電型には、パンチ３０の凸部３１を形成するための凹部が設けられており、凹部の両端部の形状は略球面形状（凹面）をなしている。よって、この凹部に対応する形状であるパンチ３０の凸部３１の両端部の形状も同様の略球面形状（凸面）となり、凸部３１により形成される凹溝２２の両端部（延長溝部２２ｂの端部）の形状も同様の略球面形状（凹面）となる。この凸部３１や凹溝２２の端部の形状については、後に詳述する。
なお、外周形成物と凹溝２２の形成順序は特に限定されるものではなく、どちらを先に形成してもよいが、本実施形態においては外周形成物であるフランジ１３を塑性加工にて形成した後に凹溝２２を形成したので、ボール循環路１１の形状精度をより高く確保できる。

次に、ブランク２１の外周面に突出するフランジ１３の外周面に、冷間鍛造等の塑性加工により、周方向に並ぶ複数の歯からなる歯車用歯列１５を形成した（外周形成物形成工程）。なお、歯車用歯列１５は塑性加工により形成することが好ましいが、切削加工により形成することもできる。
そして、ブランク２１の内周面に切削加工によりねじ溝５ａを形成した（ねじ溝形成工程）。詳述すると、延長溝部２２ｂの近傍部分を含む前記内周面の別の一部を切削することにより、主溝部２２ａの端部に連続してナット５のねじ溝５ａを形成した。すなわち、主溝部２２ａの端部に連続してねじ溝５ａを形成する際に、延長溝部２２ｂは切削加工により取り除かれる。その結果、主溝部２２ａがボール循環路１１となる。

最後に、所望の条件で浸炭，浸炭窒化，焼入れ，焼戻し，高周波焼入れ等の熱処理を施すと、ナット５が得られた。
このようにして製造されたナット５と、慣用の方法により製造されたねじ軸３及びボール９とを組み合わせて、ボールねじ１を製造した。
前述の粗成形工程，凹溝形成工程，外周形成物形成工程の全てを塑性加工で行ったので、このボールねじ１の製造方法は、材料歩留まりが高いことに加えて、高精度のボールねじを安価に製造することができる。また、塑性加工により製造するため、鋼製素材２０が有するメタルフロー（鍛流線）がほとんど切断されないので、高強度のナット５が得られる。

塑性加工の種類は特に限定されるものではないが、鍛造が好ましく、特に冷間鍛造が好ましい。熱間鍛造を採用することも可能であるが、冷間鍛造は熱間鍛造に比べて高精度な仕上げが可能であるので、後加工を施さなくても十分に高精度なナット５を得ることができる。よって、ボールねじ１を安価に製造することができる。
粗成形工程，凹溝形成工程，及び外周形成物形成工程のうち、全ての工程における塑性加工を冷間鍛造とすることが好ましいが、いずれか１つ又は２つの工程における塑性加工を冷間鍛造としてもよい。

ここで、前述した凸部３１や凹溝２２の端部の形状について、詳細に説明する。発明が解決しようとする課題の項で前述したように、パンチ３０の凸部３１が長いとパンチ３０のサイズが大きくなってしまうため、ブランク２１の内径に対してパンチ３０のサイズが大きすぎて、パンチ３０をブランク２１の内周面に向かって押圧するための成型ストロークが確保できないおそれがあった。
また、パンチ３０の凸部３１の両端部の形状が略球面形状（凸面）をなし、その曲率半径が凸部３１の幅の１／２であると、このような形状の凸部３１をブランク２１の内周面に押圧して凹溝２２を形成しようとした際に、押圧荷重を大きくする必要があるため、凸部３１に摩耗や変形が生じやすく、パンチ３０の寿命が短くなる場合があった。

一方、ねじ溝形成工程においてねじ溝５ａを形成する際に、凹溝２２の延長溝部２２ｂは切削加工により取り除かれるので、延長溝部２２ｂの端部の形状は、完成後のボール循環路１１には影響しない。よって、延長溝部２２ｂの端部の形状は特に制限されないので、上記のような問題が生じないように、延長溝部２２ｂの端部の形状、すなわち凸部３１の端部の形状を設計すればよい。

そこで、本実施形態においては、延長溝部２２ｂの端部の形状（パンチ３０の凸部３１の両端部の形状）を、下記の３つの条件Ａ〜Ｃを満足するような形状とした（図５〜８を参照）。図５は、ボール循環路１１及びねじ溝５ａが形成されたブランク２１の断面図である。図６，７は、凹溝の延長溝部の形状を従来品と比較して説明した図である。図６の左側の図は、ねじ溝を形成する前の凹溝をナットの径方向内方側から見た図であり、同じく右側の図は、ねじ溝を形成する前の凹溝をナットの軸方向に垂直な平面で切断した断面図である。

また、図７の（ａ）は、凹溝２２が形成されねじ溝５ａを形成する前の本実施形態のブランク２１であり、（ｂ）は、凹溝が形成されねじ溝を形成する前の従来のブランクである。さらに、図８は、凹溝２２の延長溝部２２ｂの端部の形状（特に条件Ｂ，Ｃ）を説明する図である。なお、図６，７においては、従来品の凹溝の長さをＬ１、延長溝部の端部の曲率半径をＲ１とし、本実施形態の凹溝２２の長さをＬ２、延長溝部２２ｂの端部の曲率半径をＲ２と示してある。

条件Ａ：延長溝部２２ｂの先端は略球面形状をなし、その曲率半径Ｒ２は主溝部２２ａの幅の１／２よりも大きい（図６〜８を参照）。
条件Ｂ：ブランク２１の内周面上に形成される延長溝部２２ｂの先端の円弧状境界線（図７，８を参照）が、主溝部２２ａとナット５のねじ溝５ａとの接続点（図５，８を参照）となる部分を通る位置、又は、該位置よりも主溝部２２ａから離れる位置に形成される。
条件Ｃ：半径が主溝部２２ａの幅の１／２である半円を、該半円の弦と主溝部２２ａの端部とが接するように仮想的に配置した場合、ブランク２１の内周面上に形成される延長溝部２２ｂの先端の円弧状境界線が、前記仮想半円の頂点を通る位置よりも主溝部２２ａに近い位置に形成される（図８を参照）。

図８の符号Ｘは、主溝部２２ａとナット５のねじ溝５ａとの接続点となる部分を通る位置に形成された円弧状境界線である。この場合は、延長溝部２２ｂは弓形となる。また、図８の符号Ｙは、前記接続点となる部分を通る位置よりも主溝部２２ａから離れる位置で、且つ、前記仮想半円の頂点を通る位置よりも主溝部２２ａに近い位置に形成された円弧状境界線である。

前述したように、延長溝部２２ｂの端部の形状は、曲率半径が主溝部２２ａの幅の１／２である略球面形状をなしている必要はない。よって、上記のような問題が生じないようにするために、延長溝部２２ｂ（パンチ３０の凸部３１）を短くすればよい。上記条件Ａ〜Ｃを満足するような形状とすれば、延長溝部２２ｂ（パンチ３０の凸部３１）が従来品よりも短くなるので（前記仮想半円が、従来品の延長溝部の先端の円弧状境界線に相当する）、パンチ３０のサイズが小さくなり、パンチ３０をブランク２１の内周面に向かって押圧するための成型ストロークが十分に確保できる。その結果、パンチ３０を用いて凹溝２２を容易に形成することができる。また、パンチ３０のサイズが小さいので、小径のナットを備えるボールねじも容易に製造することができる。

また、凸部３１の端部の形状が、従来品よりも曲率半径の大きい略球面形状であるため、凸部３１をブランク２１の内周面に押圧して凹溝２２を形成する際の押圧荷重を、従来品の場合よりも軽減することができる。その結果、凸部３１に摩耗や変形が生じにくくなり、パンチ３０が長寿命となる。
さらに、形成される凹溝２２の体積（塑性加工によるブランク２１の凹み量）が従来品よりも小さいので、塑性加工により移動する素材の量が少ない。よって、塑性加工によるナット５の変形が生じにくい。また、塑性加工の際の押圧荷重も、従来品の場合よりも軽減することができる。

１ ボールねじ
３ ねじ軸
３ａ ねじ溝
５ ナット
５ａ ねじ溝
７ ボール転動路
９ ボール
１１ ボール循環路
１３ フランジ
２０ 鋼製素材
２１ ブランク
２２ 凹溝
２２ａ 主溝部
２２ｂ 延長溝部
３０ パンチ
３１ 凸部

Claims (1)

1. 螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝により形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填された複数のボールと、前記ボールを前記ボール転動路の終点から始点へ戻し循環させるボール循環路と、を備えるボールねじを製造する方法であって、
   金型に設けられた凸部を前記ナットの円柱面状の内周面に押圧して塑性加工することにより、前記内周面の一部を凹化させて、前記ボール循環路を構成する部分である主溝部と、前記主溝部の両端部からそれぞれ延びる延長溝部とからなる凹溝を形成する凹溝形成工程と、前記延長溝部の近傍部分を含む前記内周面の別の一部を切削することにより、前記延長溝部を取り除くとともに、前記主溝部の端部に連続して前記ナットのねじ溝を形成するねじ溝形成工程と、を備え、
   前記凹溝形成工程では、前記延長溝部が下記の３つの条件を満足するように前記凹溝を形成することを特徴とするボールねじの製造方法。
   条件Ａ：前記延長溝部の先端は略球面形状をなし、その曲率半径は前記主溝部の幅の１／２よりも大きい。
   条件Ｂ：前記内周面上に形成される前記延長溝部の先端の円弧状境界線が、前記主溝部と前記ナットのねじ溝との接続点となる部分を通る位置、又は、該位置よりも前記主溝部から離れる位置に形成される。
   条件Ｃ：半径が前記主溝部の幅の１／２である半円を、該半円の弦と前記主溝部の端部とが接するように仮想的に配置した場合、前記内周面上に形成される前記延長溝部の先端の円弧状境界線が、前記仮想半円の頂点を通る位置よりも前記主溝部に近い位置に形成される。

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