WO2013183298A1 - ボールねじ装置 - Google Patents

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screw shaft
rolling
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雅史 進藤
水口　淳二
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日本精工株式会社
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    • F16H25/18—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
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    • F16H25/22—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members
    • F16H25/2204—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members with balls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/04—Features relating to lubrication or cooling or heating
    • F16H57/0412—Cooling or heating; Control of temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16H57/04—Features relating to lubrication or cooling or heating
    • F16H57/048—Type of gearings to be lubricated, cooled or heated
    • F16H57/0497—Screw mechanisms

Definitions

  • the present invention relates to a ball screw device, and more particularly, to a ball screw device used for equipment machines for processing precision machine parts such as injection molding machines and press machines.
  • a point contact or a surface contact occurs during rotation, so that a heat source (for example, the nut)
  • a cooling means was provided.
  • the cooling means heat exchanger
  • a ball screw device in which a cooling pipe through which a refrigerant circulates is disposed in the nut is disclosed (for example, Patent Document 1).
  • a through hole for coolant is arranged inside the nut, and the coolant is circulated through the through hole for coolant.
  • a ball screw device can be provided. Further, it is possible to provide a ball screw device that makes the cooling effect as high as possible and does not cause an excessive decrease in processing efficiency or increase in pressure loss.
  • an object of the present invention is to provide a ball screw device in which the cooling capacity is hardly lowered even when the nut is cooled.
  • a ball screw device includes a screw shaft in which a rolling groove is formed on an outer peripheral surface; A plurality of rolling elements disposed on a rolling element rolling path formed by a rolling groove corresponding to the rolling groove on an inner peripheral surface and formed by the rolling groove and the rolling groove of the screw shaft.
  • a temperature difference between the screw shaft and the nut is preferably 30 ° C. or less.
  • a temperature difference between the screw shaft and the nut is preferably 30 ° C. or less.
  • the ball screw device is preferably used in an injection molding machine.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view along the axial direction showing the configuration of an embodiment of a ball screw device.
  • the ball screw device 1 of this embodiment includes a screw shaft 10 and a nut 20.
  • the screw shaft 10 and the nut 20 are screwed together via a plurality of rolling elements 30.
  • the nut 20 is formed in a cylindrical shape with an inner diameter larger than the outer diameter of the screw shaft 10.
  • a screw groove 20 a is formed on the inner peripheral surface of the nut 20 so as to face the screw groove 10 a formed in a spiral shape on the outer peripheral surface of the screw shaft 10.
  • the rolling element 30 can roll.
  • the nut 20 is formed with a through hole 20b penetrating in the axial direction.
  • the through hole 20b is used as a passage for the cooling medium, and a circulation device (not shown) for circulating the cooling medium in the through hole 20b is connected to the through hole 20b.
  • the circulation device and the through hole 20b constitute the cooling means 50.
  • the nut 20 is cooled by circulating the cooling medium in the through hole 20b by a circulation device (not shown).
  • the nut 20 can be cooled by passing the coolant through the through hole 20b.
  • the ball screw device 1 of the present embodiment has a configuration that suppresses the generation of an internal load due to a thermal displacement difference. Specifically, when the ball screw device 1 is driven to generate heat, the screw shaft 10 and the nut 20 are thermally displaced.
  • the amount of thermal displacement in the axial direction between the screw shaft 10 and the nut 20 at the positions of both ends of the nut 20 is calculated by the following equations (A) and (B).
  • ⁇ L ⁇ S is the screw shaft thermal displacement (mm)
  • ⁇ L ⁇ n is the nut thermal displacement (mm)
  • ⁇ is the linear expansion coefficient (1 / ° C.).
  • L represents the total length (mm) of the nut
  • ⁇ S represents the screw shaft temperature rise value (° C.)
  • ⁇ n represents the nut temperature rise value (° C.).
  • only one end of the screw shaft 10 of the ball screw device 1 is fixed.
  • a bearing (not shown) fixed to the base.
  • the thermal displacement difference is increased, and an internal load is easily generated. That is, in order to suppress the occurrence of internal load due to the thermal displacement difference, it is necessary to increase the axial clearance in accordance with the entire length of the nut 20.
  • the maximum operating temperature of a general ball screw device is 50 ° C. at the outer diameter temperature of the nut 20, and when the temperature of the screw shaft exceeds 80 ° C., the grease is deteriorated or inside the nut 20. Due to concerns such as thermal deterioration of the resin parts, the temperature difference ( ⁇ ) between the screw shaft 10 and the nut 20 was determined by taking the difference between the above-mentioned values and setting it to 30 ° C. at maximum.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of a testing machine for verifying the relationship between the ratio between the axial clearance and the total length of the nut and the internal load in this embodiment. The test results are shown in FIG.
  • the testing machine 100 is provided with an elastic means 101 for applying an external load to the nut 20 of the ball screw device 1 provided with a cooling means 50 for circulating a coolant.
  • a motor 103 is connected to one end of the screw shaft 10 of the ball screw device 1 via a pulley belt 102, and the rotation of the motor 103 is transmitted as the rotation of the screw shaft 10.
  • temperature measuring means (not shown) is provided at the temperature measuring position MT.
  • ⁇ / L when ⁇ / L is 0.05 ⁇ 10 ⁇ 3 or less, the temperature of the ball screw device increases. This is because an internal load is generated inside the nut and the amount of heat generated when the ball screw device is driven is increased. From the above results, in order to suppress the occurrence of an internal load due to a thermal displacement difference, ⁇ / L may be set in the following range. ⁇ / L ⁇ 0.05 ⁇ 10 ⁇ 3
  • L is determined by the required life and usage conditions from the customer, so in the actual design, the axial clearance ⁇ is increased.
  • the contact surface of the rolling element rides on the shoulder of the thread groove (hereinafter sometimes referred to as “riding”), and there is a concern that it may have an adverse effect such as early breakage of the ball screw device. is there.
  • FIG. 5 shows the state of occurrence of riding when the external load is 10% Coa and ⁇ / D W is changed for the ball screw device having the six specifications shown in Table 3 below.
  • ⁇ / D W be in the following range. ⁇ / D W ⁇ 0.005
  • the ball screw device of the present invention has the remarkable effects as described above when used in an injection molding machine.
  • the screw shaft is configured to be thicker and shorter than the screw shaft of a ball screw device used in a machine tool or the like.
  • the ball screw device of the present invention functions as a ball screw device that realizes a high cycle, a high speed, and a high load.

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Abstract

　ナットが冷却されても、冷却能力が低下しにくいボールねじ装置を提供する。そのために、ねじ軸（１０）と、複数の転動体（３０）を介してねじ軸（１０）に螺合するナット（２０）と、該ナット（２０）の内部に設置された冷却手段（５０）とを備え、転動体（３０）の径をＤＷ、ナット（２０）の全長をＬ、軸方向すきまをδとしたとき、０．０５×１０－３Ｌ≦δ≦０．００５ＤＷを満たす。

Description

ボールねじ装置
　本発明は、ボールねじ装置に関し、特に、射出成形機やプレス機など精密機械部品を加工する設備用機械に用いられるボールねじ装置に関する。
　従来より、ねじ軸と、該ねじ軸に螺合して相対的に回転可能とされたナットとを有するボールねじ装置では、回転時に点接触又は面接触が生じるため、熱源（例えば、上記ナット）に冷却手段が設けられることがあった。
　このようなボールねじ装置としては、上記冷却手段（熱交換器）として、冷媒が循環する冷却パイプを上記ナット内に配設したボールねじ装置が開示されている（例えば、特許文献１）。
　この特許文献１に開示されたボールねじ装置によれば、冷却手段として、上記ナットの内部に冷却液用貫通穴を配設し、この冷却液用貫通穴に冷却液を循環させている。このように、全長の長いねじ軸を冷却するよりも、全長の短いナットを冷却する方が、冷却装置がコンパクトになるため、ナットの内部に冷却液用貫通穴を配設していた。
　かかる構成とすることにより、上記ナットはもちろん、他の熱源であるボールの近傍に対しても常に冷却することができ、結果として、冷却によってナットが収縮したときにも、動摩擦トルクが上昇しにくいボールねじ装置を提供することができる。また、冷却効果をできるだけ高くし、過度な加工効率の低下や圧力損失の増加を招くことのないボールねじ装置を提供することができる。
特開２０１０－１３３５５６号公報
　しかしながら、従来の射出成形機などで使用されるボールねじ装置においては、ナットが冷やされた際に、ねじ軸とナットの温度差が発生すると、ねじ軸とナットの膨張する長さが異なり、ねじ軸の溝とナットの溝との距離が短くなるため、転動体を配置した際の軸方向すきまが小さくなる。そして、この温度差が大きい場合には、すきまがなくなり、ボールねじ装置に内部荷重が発生する可能性があった。このように、内部荷重が発生すると発熱量が増えるため、ボールねじ装置の冷却効率が相対的に低下してしまい、検討の余地があった。特に、ボールねじ装置が用いられる射出成形機は、プラスチックなどを加熱し、金型で成型するため、外部からの熱影響による温度変化は、成型性の低下に繋がることがある。
　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、ナットが冷却されても、冷却能力が低下しにくいボールねじ装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明のある実施形態のボールねじ装置は、外周面に転動溝が形成されたねじ軸と、
　上記転動溝に対応する転動溝が内周面に形成され、該転動溝と上記ねじ軸の転動溝とによって形成される転動体転動路に配設された複数の転動体を介して上記ねじ軸に螺合するナットと、
　上記ナットの内部に設置された冷却手段とを有し、
　上記転動体の径をＤＷ、上記ナットの全長をＬ、軸方向すきまをδ、としたとき、下記式（１）を満たす。
　０．０５×１０－３Ｌ≦δ≦０．００５ＤＷ・・・・・・・・・式（１）
　ここで、上記ボールねじ装置は、上記ねじ軸と上記ナットとの温度差が３０℃以下であることが好ましい。
　また、上記ボールねじ装置は、上記ねじ軸の一方の端部のみが固定されていることが好ましい。
　また、上記ボールねじ装置は、射出成形機に用いられることが好ましい。
　本発明によれば、ナットが冷却されても、冷却能力が低下しにくいボールねじ装置を提供することができる。
ボールねじ装置の一実施形態における構成を示す軸方向に沿う断面図である。 本実施例における軸方向すきまとナットの全長との比と内部荷重との関係を示すグラフである。 本実施例における軸方向すきまとナットの全長との比と内部荷重との関係を検証する試験機の構成を示す概略図である。 本実施例におけるボールねじ装置の温度と、δ／Ｌとの関係を示すグラフである。 外部荷重を１０％Ｃｏａとし、δ／ＤＷを変化させたときの乗り上げ発生状況を示すグラフである。
　以下、ボールねじ装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、ボールねじ装置の一実施形態における構成を示す軸方向に沿う断面図である。
　図１に示すように、本実施形態のボールねじ装置１は、ねじ軸１０と、ナット２０とを有する。ねじ軸１０及びナット２０は、複数の転動体３０を介して螺合している。ナット２０は、ねじ軸１０の外径より大きい内径で筒状に形成されている。ナット２０の内周面には、ねじ軸１０の外周面に螺旋状に形成されたねじ溝１０ａに対向するようにねじ溝２０ａが形成されている。ねじ溝１０ａとねじ溝２０ａとによって形成された転動路４０において転動体３０は転動可能とされている。
　また、ナット２０には、軸方向に貫通する貫通穴２０ｂが形成されている。この貫通穴２０ｂは、冷却媒体の通路として用いられ、貫通穴２０ｂ内で冷却媒体を循環させるための循環装置（図示せず）が接続されている。この循環装置及び貫通穴２０ｂが冷却手段５０を構成する。このように、図示しない循環装置によって貫通穴２０ｂ内を冷却媒体が循環することによって、ナット２０が冷却される。
　以上のような構成によって、貫通穴２０ｂに冷却液を通すことで、ナット２０を冷却することができる。
　さらに、本実施形態のボールねじ装置１は、熱変位差による内部荷重の発生を抑える構成を有する。
　具体的には、ボールねじ装置１が駆動されて発熱すると、ねじ軸１０とナット２０とが熱変位する。
　ここで、ナット２０の中心を基準として、ナット２０の両端部の位置におけるねじ軸１０とナット２０とのアキシアル方向の熱変位量は以下の式（Ａ），（Ｂ）で計算される。なお、下記式（Ａ），（Ｂ）において、ΔＬθＳは、ねじ軸熱変位量（ｍｍ）、ΔＬθｎは、ナット熱変位量（ｍｍ）、ρは、線膨張係数（１／℃）を示す。また、Ｌは、ナットの全長（ｍｍ）、θＳは、ねじ軸温度上昇値（℃）、θｎは、ナット温度上昇値（℃）を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　図１に示すボールねじ装置１を駆動させることで、ナット２０が冷やされて、ねじ軸１０とナット２０とに温度差が発生すると、この熱変位量に差が生じる。
　そして、ナット２０の両端部の位置におけるねじ軸１０とナット２０との熱変位差は下記式（Ｃ）となる。なお、下記式（Ｃ）において、δθは、ねじ軸とナットとの熱変位差（ｍｍ）を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　この熱変位差によって、ねじ軸１０及びナット２０のそれぞれのねじ溝１０ａ，２０ａの位置が相対的にずれるため、ボールねじ装置１の軸方向すきまは小さくなる。
　また、温度差が大きい場合は、すきまがマイナスとなり、ボールねじ装置１に内部荷重が発生する。
　この内部荷重の大きさを計算するには、ボールねじ装置１内の各転動体３０についてマイナスすきまによる荷重を計算し、総和を取ればよい。
　このことから、ボールねじ装置１の軸方向すきまを大きくすることで、熱変位差による内部荷重の発生を抑えることができる。
　ここで、ボールねじ装置１のねじ軸１０は、その一方の端部のみが固定されていることが好ましい。特に、ボールねじ装置１を射出成形機に用いる場合においては、ねじ軸１０の一方の端部のみが、基台に固定された軸受（図示せず）によって回転自在に支持されることが好ましい。このように構成することで、射出成形機におけるボールねじ装置１と溶融樹脂を格納する容器との干渉を低減することができる。
　また、上記式（Ｃ）から、ナット２０の全長が長くなると、熱変位差が大きくなり、内部荷重が発生しやすくなることが分かる。
　すなわち、熱変位差による内部荷重の発生を抑えるためには、ナット２０の全長に合わせて軸方向すきまを大きくする必要がある。
　ここで、一般的なボールねじ装置の最高使用温度は、ナット２０の外径温度で５０℃であり、また、ねじ軸の温度が８０℃を超えると、グリースの劣化やナット２０の内部にある樹脂部品の熱変質などの懸念があるため、ねじ軸１０とナット２０との温度差（Δθ）は上述の各値の差をとり、最大３０℃として以降の検討を行った。
＜軸方向すきまの範囲＞
［軸方向すきまの下限］
　以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
　まず、表１に示す３つの諸元のボールねじ装置について、軸方向すきまを種々に変化させ、Δθが３０℃のときに発生する内部荷重を計算した。その結果を図２に示す。また、図２では、ナット全長に合わせて軸方向すきまを変える必要があるため、横軸は比をとってδ／Ｌとしている。
　図２に示すように、δ／Ｌが０．０５×１０－３より小さくなると、内部荷重が上昇していることが分かる。これは、軸方向すきまが小さいため、ナット両端側に位置しているボールがマイナスすきまとなったためである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　次に、この結果を検証するため試験を行った。
　この試験は、表２に示す諸元のボールねじ装置を用い、表２に示す条件で行った。また、図３は、本実施例における軸方向すきまとナットの全長との比と内部荷重との関係を検証する試験機の構成を示す概略図である。また、この試験結果を図４に示す。
　まず、図３に示すように、この試験機１００は、冷却液を循環させる冷却手段５０を備えたボールねじ装置１のナット２０に対して、外部荷重をかける弾性手段１０１が設けられている。一方、ボールねじ装置１のねじ軸１０の一端部にはプーリベルト１０２を介してモータ１０３が連結されて、該モータ１０３の回転がねじ軸１０の回転として伝達される構成とされている。そして、この試験機１００では、温度測定位置ＭＴに図示しない温度測定手段が設けられている。
　図４に示すように、δ／Ｌが０．０５×１０－３以下であると、ボールねじ装置の温度が上昇している。これは、ナットの内部に内部荷重が発生し、ボールねじ装置の駆動時の発熱量が増加したためである。
　以上の結果から、熱変位差による内部荷重の発生を抑えるためには、δ／Ｌを以下の範囲とすればよい。
　δ／Ｌ≧０．０５×１０－３
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
＜軸方向すきまの上限＞
　ここで、δ／Ｌのうち、Ｌは客先からの要求寿命や使用条件によって決まるため、実際の設計では軸方向すきまδを大きくすることになる。
　しかし、軸方向すきまを大きくしすぎると、転動体の接触面がねじ溝の肩部に乗り上げてしまい（以下、乗り上げと呼ぶことがある）、ボールねじ装置の早期破損等の悪影響を及ぼす懸念がある。
　そこで、軸方向すきまを大きくする上限について検討を行った。
　ここで、外部荷重の一般的な目安は、ボールねじ装置の静定格荷重（Ｃｏａ）の１０％である。
　また、軸方向すきまが乗り上げに与える影響は、転動体の径（ＤＷ）によって変わるため、δ／ＤＷに注目するとよい。
　そこで、下記表３に示す６つの諸元のボールねじ装置について、外部荷重を１０％Ｃｏａとし、δ／ＤＷを変化させたときの乗り上げ発生状況を図５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　図５に示すように、δ／ＤＷが０．００５以下では、表３に示す６つの諸元のボールねじ装置の全てが乗り上げることなく（乗り上げ発生率＝０％）、δ／ＤＷが０．００５を超えると乗り上げる諸元のボールねじ装置があり、０．００６５以上になると全ての諸元のボールねじ装置において乗り上げが発生した（乗り上げ発生率＝１００％）。特に、δ／ＤＷが約０．００５５であるときは、表３に示す６つの諸元のうち、１つのボールねじ装置の乗り上げが発生（乗り上げ発生率＝１６．６％）し、δ／ＤＷが約０．００６であるときは、表３に示す６つの諸元のうち、２つのボールねじ装置の乗り上げが発生した（乗り上げ発生率＝３３．３３％）。
　以上の結果より、δ／ＤＷは以下の範囲とすることが望ましい。
δ／ＤＷ≦０．００５
　以上の結果を軸方向すきまについてまとめると、軸方向すきまを下記式（１）の範囲として設計すれば、ナットが冷却されても内部荷重による冷却能力低下が発生しにくいボールねじを提供することができる。
　０．０５×１０－３Ｌ≦δ≦０．００５ＤＷ・・・・・・・・・式（１）
　以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。特に、本発明のボールねじ装置は、射出成形機に用いられることで上述したような顕著な効果を奏する。射出成形機に本発明のボールねじ装置が用いられる場合、ねじ軸は、工作機械などに用いられるボールねじ装置のねじ軸よりも太く、かつ短く構成される。その結果、本発明のボールねじ装置は、高サイクル、高速、高荷重を実現するボールねじ装置として機能する。
　１　ボールねじ装置
　１０　ねじ軸
　２０　ナット
　３０　転動体
　４０　転動体転動路
　５０　冷却手段

Claims (4)

  1. 外周面に転動溝が形成されたねじ軸と、
    　前記転動溝に対応する転動溝が内周面に形成され、該転動溝と前記ねじ軸の転動溝とによって形成される転動体転動路に配設された複数の転動体を介して前記ねじ軸に螺合するナットと、
    　前記ナットの内部に設置された冷却手段とを有し、
    　前記転動体の径をＤＷ、前記ナットの全長をＬ、軸方向すきまをδ、としたとき、下記式（１）を満たすことを特徴とするボールねじ装置。
    　０．０５×１０－３Ｌ≦δ≦０．００５ＤＷ・・・・・・・式（１）
  2. 　前記ねじ軸と前記ナットとの温度差が３０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ装置。
  3. 前記ねじ軸の一方の端部のみが固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のボールねじ装置。
  4. 射出成形機に用いられることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のボールねじ装置。
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