JP5994210B2

JP5994210B2 - ボールねじのナットの製造方法

Info

Publication number: JP5994210B2
Application number: JP2011042528A
Authority: JP
Inventors: 原田　徹; 徹原田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: JP2012180539A

Description

この発明は、ボールねじを構成するナットの製造方法に関する。

ボールねじは、内周面に転動溝が形成されたナットと、外周面に転動溝が形成されたねじ軸と、ナットの転動溝とねじ軸の転動溝で形成される軌道の間に配置されたボールと、前記ボールを軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路とを備え、前記軌道内をボールが転動することで前記ナットがねじ軸に対して相対移動する装置である。
このようなボールねじのナットの表面を、侵炭焼入れによって硬化させる場合、熱処理に伴う歪みの増大に伴って、前記ナットの転動溝の研削仕上げを行う際の加工取り代が大きくなり、結果として加工能率が低くなる問題があった。

そこで、このような問題を解決するために、加工能率を向上する硬化層の形成方法が特許文献１に開示されている。
特許文献１には、ナット全体を所定温度まで外径側から低周波コイルで加熱した後に、ナット内径側に配置された高周波コイルでナット内径を加熱して、転動溝に沿う均一な硬化層を形成することが開示されている。

特開２００３−１８３７３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法は、ナット全体を所定の温度まで外径側から加熱した後、内径側から高周波コイルによる加熱を行うため、コイルの切替や、そのための設備等、コストや手間がかかる点で、改善の余地がある。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、表面硬化のための熱処理による熱変形を最小限に保ち、コストや手間をさらに低減したボールねじのナットの製造方法、及びその製造方法によって製造されるボールねじのナットを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の請求項１に係るボールねじのナットの製造方法は、内周面に転動溝が形成されたナットと、外周面に転動溝が形成されたねじ軸と、ナットの転動溝とねじ軸の転動溝とで形成される軌道の間に配置されたボールと、前記ボールを前記軌道の終点から始点に戻す一以上の循環溝とを有するボールねじのナットの製造方法であって、ナット素材の前記循環溝に対応する部分を貫通させることなく、その内周面に、前記循環溝に対応するＳ字凹部を形成し、前記循環溝の形成位置に基づいて前記ナット素材の内周面に前記転動溝を形成し、コイルの軸と前記ナット素材の軸とが同軸になるように前記ナット素材の内周面に前記コイルを挿入し、そのコイルに高周波電流を流して前記内周面を加熱すると共に、冷却水の入口と出口とが前記ナット素材の軸方向に関して互いに離間し、かつ前記ナット素材の中心に対して点対称に配置された治具と前記ナット素材の外周面との間に冷却水を通して前記ナット素材の外周面を直接冷却処理した後、前記ナットの前記内周面及び前記外周面を冷却することを特徴としている。

請求項１に係る発明によれば、前記ナットの内周面と外周面とを貫通する貫通孔が前記ナットに形成されていないため、高周波熱処理用のコイルの中心軸と、前記ナットの中心軸とを合致させることで前記ナット全体を均一に加熱することができる。
また、前記貫通孔が前記ナットに形成されていないので、前記ナットの冷却時にも前記
ナットを均一に冷却することもでき、結果として、前記ナットの熱変形を最小限に抑えることができる。

さらに、前記ナットの加熱及び冷却に手間がかからないので、加熱プロセスから冷却プロセスへの迅速な移行が可能となり、結果として、焼入れ深さをコントロールしやすくなり、前記ナットの各部の硬さを最適な値にすることができる。
上記課題を解決するための本発明の請求項２に係るボールねじのナットの製造方法は、請求項１に記載のボールねじのナットの製造方法において、前記コイルが前記転動溝に沿った形状であることを特徴としている。

請求項２に係る発明によれば、前記転動溝の略全体に亘って、深さ方向に均一な有効硬化層を形成することができる。

本発明によれば、表面硬化のための熱処理による熱変形を最小限に保ち、コストや手間をさらに低減したボールねじのナットの製造方法を提供することができる。

本発明に係るボールねじのナットの製造方法の一実施形態を説明する図である。本発明に係るボールねじのナットの製造方法の一実施形態で使用する金型を構成するカムスライダ及びカムドライバの嵌め合い状態を示す平面図（ａ）と、カムスライダを示す斜視図（ｂ）と、カムドライバを示す斜視図（ｃ）である。本発明に係るボールねじのナットの製造方法の一実施形態を説明する図であり、（ａ）は、ナット素材の切削加工の状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すナット素材と切削工具を矢印ＶＢ方向に見た図である。本発明に係るボールねじのナットの製造方法の一実施形態を説明する図であり、（ａ）は、ナット素材の切削加工後における軸線方向断面図であり、（ｂ）は、ナット素材の切削加工後における斜視図である。本発明に係るボールねじのナットの製造方法の一実施形態における焼入れ工程を説明する図である。本発明に係るボールねじのナットと、従来のボールねじのナットのそれぞれの循環溝の表面からの深さと硬さとの関係を比較したグラフである。

以下、本発明に係るボールねじの製造方法、及びその製造方法によって製造されるボールねじのナットの一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るボールねじのナットの製造方法の一実施形態を説明する図である。また、図２は、本発明に係るボールねじのナットの製造方法の一実施形態で使用する金型を構成するカムスライダ及びカムドライバの嵌め合い状態を示す平面図（ａ）と、カムスライダを示す斜視図（ｂ）と、カムドライバを示す斜視図（ｃ）である。

＜金型＞
図１に示すように、本実施形態に使用する金型５０は、ナット素材１０を保持する凹部２１を有する素材ホルダ２０と、ナット素材１０の内部に配置するカムスライダ３０及びカムドライバ４０とを備えている。

＜カムスライダ＞
カムスライダ３０は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、外周面３１と軸方向に平行な平面３２を有する略半円柱状部材であって、外周面３１をなす円の径は、ナット素材１０の内周面１１をなす円１１ａの径より僅かに小さい。カムスライダ３０の平面３２には、径方向の中央部に、軸方向に延びる斜面３３が形成されている。この斜面３３は、軸方向一端（上端）の凹部３４の底面ライン３４ａと、平面３２の下端をなすライン３２ｄを結ぶ平面に相当する。また、ボール戻し経路をなすＳ字状凹部１５に対応するＳ字状凸部３５が、カムスライダ３０の外周面３１に形成されている。

＜カムドライバ＞
カムドライバ４０は、図２（ｃ）に示すように、長尺な板状部材であって、一方の側面４１がカムスライダ３０の斜面３３と同じ傾斜の斜面になっている。他方の側面４２は、ナット素材１０の内周面１１をなす円１１ａに沿った円周面となっている。カムドライバ４０の軸方向寸法は、カムスライダ３０の軸方向寸法より長い。また、カムドライバ４０の厚さは、カムスライダ３０の凹部３４の開口幅（斜面３３の両側面間の寸法）に相当する厚さより僅かに薄い。
カムスライダ３０の斜面３１とカムドライバ４０の傾斜した側面４１が、金型５０のカム機構を構成する。

＜ボールねじのナットの製造方法＞
本発明に係るボールねじのナットの製造方法は、ナット素材１０の内周面１１に循環溝を形成する循環溝形成工程と、形成された循環溝の位置に基づいて内周面１１に転動溝を形成する転動溝形成工程とを含む。
［ナット素材の材料］
ここで、ナット素材１０の材料としては、Ｓ５３Ｃ、又はＳＡＥ４１５０であることが好ましい。
［循環溝形成工程］
金型５０を用い、以下の方法で、ナット素材１０の内周面１１にボール戻し経路（循環溝）をなすＳ字状凹部１５を形成する。

まず、素材ホルダ２０の凹部２１にナット素材１０を配置し、ナット素材１０の内部に、カムスライダ３０を、凹部３４側を上にし、Ｓ字状凸部３５をナット素材１０の内周面１１に向けて挿入する。次に、カムスライダ３０とナット素材１０の間にカムドライバ４０を挿入する。その際に、カムスライダ３０の凹部３４にカムドライバ４０の側面４１側の部分を嵌めて、カムスライダ３０の斜面３３とカムドライバ４０の傾斜した側面４１を
接触させる。図１（ａ）はこの状態を示す。

次に、ナット素材１０の内周面１１にボール戻し経路をなすＳ字状凹部１５を鍛造加工によって形成する。具体的には、プレス圧を掛けてカムドライバ４０を上から押すと、カムドライバ４０の傾斜した側面４１からカムスライダ３０の斜面３３に力が伝達される。これに伴い、カムドライバ４０の下向きの力がカムスライダ３０を径方向外側へ動かす力に変換されて、カムスライダ３０に形成されたＳ字状凸部３５が、ナット素材１０の内周面１１を押して塑性加工される。図１（ｂ）はこの状態を示す。

これにより、ナット素材１０の内周面１１にボール戻し経路をなすＳ字状凹部１５が形成される。
よって、この実施形態の方法によれば、軸方向寸法が長く内径が小さいナットを製造する場合でも、カムドライバ４に破損を生じさせずにＳ字状凹部１５を形成することができる。

なお、ナット素材１０の内周面１１に二つのＳ字状凹部を形成する場合は、上述の方法で一つのＳ字状凹部１５を形成した後、カムドライバ４０を抜いてから、カムスライダ３０を動かして凸部３５の位置を変えるように底部に台座等を置いたり、凸部３５の位置の異なるカムスライダを用いたりする等して、再度カムドライバ４０を挿入して上述の方法を行う。三つ以上のＳ字状凹部１５を形成する場合はこれを繰り返す。

［転動溝形成工程］
次に、循環溝１５が形成されたナット素材１０の内周面１１に、転動溝１６を形成する。図３は、本発明に係るボールねじのナットの製造方法の一実施形態を説明する図であり、（ａ）は、ナット素材の切削加工の状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すナット素材と切削工具を矢印ＶＢ方向に見た図である。また、図４は、本発明に係るボールねじのナットの製造方法の一実施形態を説明する図であり、（ａ）は、ナット素材の切削加工後における軸線方向断面図であり、（ｂ）は、ナット素材の切削加工後における斜視図である。

ここでは、図３に示すような切削工具Ｔを用いて切削加工を行う。切削工具Ｔは、回転軸Ｔａの外周に、刃物Ｔｂを形成している。刃物Ｔｂの切削面（周方向に対向する面）は、転動溝１６の形状に一致する。回転軸Ｔａは、その軸線Ｏ回りに回転（図３（ｂ）のＡ）するが、それとは独立して偏心軸Ｑ回りに公転（図３（ｂ）のＢ）する。なお、このように切削工具Ｔを自転及び公転させる機構としては、例えば遊星歯車機構（図示せず）の遊星歯車に回転軸Ｔａを連結した構成が考えられるが、それに限られない。

この切削加工を行う場合、ナット素材１０の端面近辺では自転する刃物の公転軌道を、自転する刃物Ｔｂがナット素材１０の内周面１１に接触しないよう公転軌道中心よりに逃がすことが必要となる。さらに図５に示すように、切削工具Ｔの回転軸Ｔａを所定の軸線方向位置で半径方向外方にシフトさせ、転動溝１６のピッチで軸線方向に送り出しながら公転させつつ、より速い速度で自転させることで、３６０度未満の螺旋状の転動溝１６を、ナット素材１０の内周面に切削形成することができる。このとき、循環溝１５に軸線方向位置及び位相を合わせることで、図４に示すように、各循環溝１５が転動溝１６の両端に接続するように形成できる。図３に示す切削工具Ｔでは、２本の転動溝１６を形成するためには、同じナット素材１０について２回切削加工することになるが、回転軸Ｔａ上に刃物Ｔｂを２つ形成すれば、一度の切削加工で形成できる。

［焼入れ工程］
次に、ナット素材１０に対して焼入れ処理を行う。この焼入れ処理では、図５に示すよ
うに、まず、コイル５０の軸とナット素材１０の軸とが同軸になるように、ナット素材１０の内周面１１にコイル５０を挿入する。そして、コイル５０に高周波電流（交流）を流し、ナット素材１０の内周面１１を加熱する。このとき、ナット素材１０の外周面１２も同時に冷却処理する。この冷却処理は、例えば、内周面用、外周面用の冷却水ノズルから同時に冷却水を噴射したり、加熱されたナット素材１０を冷却液中に浸漬させたりして行われ、図４及び図５に示すような、外周面を冷却するための冷却水（冷却液）が内周面に接触しないようにする治具などが用いられる。また、コイル５０の形状は、転動溝１６に沿うように形成され、配置されることが好ましい。このように、ナット素材１０には、その内周面１１と外周面１２とを貫通する貫通孔が形成されていないので、ナット素材１０の内周面１１が均一に加熱される。

次に、ナット素材１０の内周面と外周面とを冷却水で冷却する。この冷却処理においても、ナット素材１０には、その内周面１１と外周面１２とを貫通する貫通孔が形成されていないので、従来のように貫通孔に冷却水が流入して、当該貫通孔付近の冷却速度が速まることはなく、ナット素材１０の内周面１１が均一に冷却される。その後、ナット素材１０を焼戻し処理して、本発明に係る循環溝が一体かつ、ねじ溝が均一に硬化されたボールねじのナットを得る。

以上説明したように、本実施形態によれば、前記ナットの内周面と外周面とを貫通する貫通孔が前記ナットに形成されていないため、高周波熱処理用のコイルの中心軸と、前記ナットの中心軸とを合致させることで前記ナット全体を均一に加熱することができる。
また、前記貫通孔がナット素材１０に形成されていないので、前記ナットの冷却時にも前記ナットを均一に冷却することもでき、結果として、前記ナットの熱変形を最小限に抑えることができる。

また、ナット素材１０の外周面１２を冷却しながら、内周面１１の表面を高周波熱処理しているので、当該内周面１１の加熱範囲の拡大を防止でき、有効硬化層の形成範囲をコントロールしやすくなる。
また、特許文献１の加熱方法をコマ式のボールねじに適用した場合、内周面に有効硬化層を形成した後、コマ孔を形成する必要があるが、本実施形態では、ナット素材に貫通孔が形成されず、転動溝及び循環溝が内周面に形成されているので、ナット素材１０の加熱及び冷却に手間がかからない。したがって、加熱プロセスから冷却プロセスへの迅速な移行が可能となり、結果として、焼入れ深さをコントロールしやすくなり、前記ナットの各部の硬さを最適な値にすることができる。

＜ボールねじのナット＞
以上のようにして製造されたボールねじのナット１は、内周面１１に転動溝１６及び循環溝１５が形成されている。
そして、このナット１の内周面１１の表面硬さは、ＨＲＣ５８〜６２であり、有効硬化層の硬さがＨｖ５５０以上であり、有効硬化層の深さが０．４ｍｍ以上であり、芯部の硬さがＨＲＣ４０以下である。
ここで、前記「有効硬化層」とは、限界硬さ（Ｈｖ５５０）までの層を指し、前記「芯部」とは、肉厚中心を指す。

以上説明したように、ナット１の内周面１１の表面硬さが上記の範囲となるようにナット素材１０を加熱及び冷却すると、図６に示すように、有効硬化層深さを確保しながら、焼き入れされない層を多くできるであることがわかる。すなわち、表面硬化のための熱処理による熱変形を最小限に保ち、コストや手間をさらに低減したボールねじのナットの製造方法、及びその製造方法によって製造されるボールねじのナットを提供することができる。

（他の実施形態）
本発明に係るボールねじのナットの製造方法の他の実施形態として、ナット素材１０の内周面１１を冷却した状態で、ナット素材１０の外周面１２を高周波熱処理によって硬化させて有効硬化層を形成してもよい。例えば、ナット１の外周面１２に、フランジ部や、ナット１を回転させるためのギア部に有効硬化層を形成したい場合、これらフランジ部やギア部に対してコイル５０を配置し、コイル５０に高周波電流（交流）を流して有効硬化層を形成する。これにより、ナット素材１０の内周面１１と外周面１２とを貫通する貫通孔がナット素材１０に形成されていないので、ナット素材１０の内周面１１と外周面１２とを別個独立に焼入れできる。

以上、本発明に係るボールねじのナットの製造方法、及びその製造方法によって製造されるボールねじのナットの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。例えば、本発明に係るボールねじのナットの製造方法、及びその製造方法によって製造されるボールねじのナットは、ねじ軸循環を採用したボールねじのナットにも適用できる。

１ボールねじのナット
１０ナット素材
１１内周面
１２外周面
１５循環溝（Ｓ字状凹部）
１６転動溝

Claims

内周面に転動溝が形成されたナットと、外周面に転動溝が形成されたねじ軸と、ナットの転動溝とねじ軸の転動溝とで形成される軌道の間に配置されたボールと、前記ボールを前記軌道の終点から始点に戻す一以上の循環溝とを有するボールねじのナットの製造方法であって、
ナット素材の前記循環溝に対応する部分を貫通させることなく、その内周面に、前記循環溝に対応するＳ字凹部を形成し、
前記循環溝の形成位置に基づいて前記ナット素材の内周面に前記転動溝を形成し、
コイルの軸と前記ナット素材の軸とが同軸になるように前記ナット素材の内周面に前記コイルを挿入し、そのコイルに高周波電流を流して前記内周面を加熱すると共に、冷却水の入口と出口とが前記ナット素材の軸方向に関して互いに離間し、かつ前記ナット素材の中心に対して点対称に配置された治具と前記ナット素材の外周面との間に冷却水を通して前記ナット素材の外周面を直接冷却処理した後、前記ナットの前記内周面及び前記外周面を冷却することを特徴とするボールねじのナットの製造方法。
前記コイルが前記転動溝に沿った形状であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじのナットの製造方法。