JP2008100311A - ボールねじナットおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振動や騒音を低減し、耐久性に優れたボール転走溝を有するボールねじナットおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】ショットピーニング処理は、メディアを噴出するノズルをナット内径面１ａに配置された循環列に向けて配置し、ボールねじナット１の内周面に形成されたボール転走溝２にメディアを入射することにより行う。この例では、ボールねじナット１の図の右側面の１方向からメディアが入射されている。そして、ボールねじナット１の図の左側面の方向からもメディアを入射する。メディアは、ボールねじナット１の内径面１ａに対して略４５度の角度をもって入射されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、多数のボールが転動する螺旋状のボール転走溝が形成されたボールねじナットおよびその製造方法に関するものである。

ボールねじは、外周に螺旋状のボール転走溝が形成されたボールねじ軸と、円筒面内に螺旋状のボール転走溝が形成されたボールねじナットと、対向する両ボール転走溝で構成されたボール転動路内に転動自在に収容された多数のボールとからなり、ボールねじ軸あるいはボールねじナットの回転を軸方向の並進運動に変換する機械要素である。

従来、このボールねじナットは、切削加工と研削加工とによって内周にボール転走溝が形成されるのが一般的である。すなわち、ドリルを用いて素材に下孔を開け、バイトでこの下穴の周面に螺旋状のボール転走溝を切削加工する。次に、浸炭焼入れ等の熱処理を行った後、円筒研削盤等で外径部の研削加工を行い、最後に砥石を用いて切削したボール転走溝の表面を研削加工する。そして、この研削加工により、熱処理後にワーク表面に生じる粒界酸化層などの異常層が除去される。

しかしながら、従来の切削加工と研削加工とによってボール転走溝が形成されたボールねじナットにおいては、内径の小さいボールねじナットを研削加工する場合、砥石を下孔に挿入することができず、研削加工ができないことがあった。また、内径が小さいボールねじナットでなくても大リードのものについては、リード角が大きいため、下孔への砥石の挿入量が制限を受けて、やはり研削加工ができないことがあった。さらに、研削加工は、ナットの芯出し等の調製に時間と工数がかかりコスト的に不利である。

そこで、特許文献１には、この研削加工を行わないで、ボールねじナットにボール転走溝を形成する方法が開示されている。この方法は、素材の中心に所定の内径面をドリル加工で開ける工程と、素材の外径面及び内径面をバイトで仕上げ加工する工程と、内径面にタッピング工具を挿入し、ボール転走溝を切削加工する工程と、ボール転走溝に浸炭焼入れする熱処理工程と、この熱処理工程の後にスチールビーズによるショットピーニング処理を行う工程とを備えている。

特許文献１の方法によれば、研削加工を行わないので、内径の小さいボールねじナットやリード角の大きいボールねじナットも加工できる。また、コスト的に不利な研削工程を省くことにより、低コストなボールねじを提供することができる。さらに、浸炭焼入れ後にボール転走溝にショットピーニング処理を施すことで、粒界酸化層などの異常層を排除しながら、表面硬度や圧縮残留応力量などに代表される転動疲労寿命に影響を与える表面特性を改善して、長寿命化を図ることができる。
特開２００５−９０５７０号公報

しかし、特許文献１においては、ボールねじナット内径面のボール転走溝をショットピーニング加工する際に、加工対象となるボール転走溝を一方のボールねじナット端面から斜めにねらってメディアを噴出し、メディアをボール転走溝に衝突させることにより、粒界酸化層を除去している。このとき、ボール転走溝の肩部にメディアが干渉するため、メディアが直接当たらない領域が生じてしまい、その領域においては、粒界酸化層を除去することができない。このように、粒界酸化層が残存した転走面をボールが転動すると、粒界酸化層が摩耗することによりボール転走溝のすきまが著しく増大して振動や騒音の原因となったり、粒界酸化層の金属組織の亀裂が基点となって早期に剥離損傷する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、振動や騒音を低減し、耐久性に優れたボール転走溝を有するボールねじナットおよびその製造方法を提供することを目的とする。

係る目的を達成すべく、本発明は、ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボール転走溝に、前記ボールねじナットの両端の２方向からメディアを入射させることにより、ショットピーニング処理が施された硬化層が形成されている構成を採用した。

このように２方向からメディアを入射することにより、ボールねじナットの浸炭熱処理時に発生するボール転走溝の表面の粒界酸化層を確実に除去できるので、ボール転走溝が摩耗してすきまが増大したり、騒音や振動を発生することを防止することができ、さらには、ボールねじの長寿命化が実現できる。

また、本発明は、前記ボール転走溝の表面粗さがＲａ１．０μｍ以下に規制されているので、高速回転においても騒音・振動等の発生を抑制することができる。

また、本発明は、前記ボール転走溝の表面硬さがＨｖ７００〜９００の範囲に設定されているので、充分な耐摩耗性と耐久性を有している。

また、本発明は、前記ボール転走溝の表面に−５００〜−１５００ＭＰａの範囲で圧縮残留応力が形成されているので、さらに耐久性を向上させることができる。

また、本発明は、ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットの製造方法において、熱処理後に前記ボールねじナットの両端の２方向からメディアを入射させることにより、ショットピーニング処理が施されているので、ボールねじナットの浸炭熱処理時に発生するボール転走溝の表面の粒界酸化層を確実に除去でき、ボール転走溝が摩耗してすきまが増大したり、騒音や振動を発生することを防止することができ、さらには、ボールねじの長寿命化が実現できる。

また、本発明は、素材の中心に所定の内径面をドリル加工で開ける工程と、前記内径面にタッピング工具を挿入し、ボール転走溝を切削加工する工程とを備えているので、ボール転走溝を一回の通し加工で効率良く切削加工でき、低コストで精度の高い溝加工ができる。

本発明に係るボールねじナットは、ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボール転走溝に、前記ボールねじナットの両端の２方向からメディアを入射させることにより、ショットピーニング処理が施された硬化層が形成されているので、ボールねじナットの浸炭熱処理時に発生するボール転走溝の表面の粒界酸化層を確実に除去でき、振動や騒音を低減し、耐久性に優れたボール転走溝を有するボールねじナットを提供することができる。

ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボール転走溝に、前記ボールねじナットの両端の２方向からメディアを入射させることにより、ショットピーニング処理が施された硬化層が形成されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るボールねじナットの実施の形態を示す縦断面図である。図２は、本発明に係るボールねじナットの製造工程を示す説明図である。図３は、本発明に係るボールねじナットの製造方法を実施するためのターニングセンタを示す概略図である。図４は、本発明に係るボールねじナットの加工に用いるタッピング工具を示す平面図である。図５は、本発明に係るボールねじナットの１方向からのショットピーニング処理を示す概略図である。図６は、本発明に係るボールねじナットの２方向からのショットピーニング処理を示す概略図である。

このボールねじナット１はＳＣＭ４３０等の肌焼き鋼からなり、ボールねじ軸３に外嵌され、このボールねじ軸３の外径面３ａに形成された螺旋状のボール転走溝４に対応して内径面１ａに螺旋状のボール転走溝２が、後述するタッピング工具９による切削加工により形成されている。これらボール転走溝２、４によりボール転動路が構成され、ボールねじナット１のボール転走溝２を連結する連結溝５が形成された駒部材６によって多数のボール７が無限循環することができる。なお、ボール循環方式は駒式に限らず、リターンチューブ式やエンドキャップ式であっても良い。

図２に示すように、本発明のボールねじナットの製造工程においては、最初に、円柱状の素材の中心に所定の内径面をドリル等で形成する（Ｐ１）。素材の外径面および内径面を切削バイトで仕上げ加工する（Ｐ２）。次に、図３に示すように、ターニングセンタ８のチャック８ａおよびテールストック（図示せず）にそれぞれボールねじナット１、タッピング工具９を装着し、その後、ボールねじナット１の内径面１ａにタッピング工具９を挿入し、それぞれの位相をＮＣ制御しながら切削加工する（Ｐ３）。これにより、ボール転走溝２を一回の通し加工で効率良く切削加工でき、低コストで精度の高い溝加工ができる。

タッピング工具９は、図４に示すように、先端部にボールねじナット１の内径面１ａをガイドとして芯出しが可能なように円筒部９ａが形成されている。この円筒部９ａから後方に漸次大径に形成された切れ歯部９ｂが形成され、シャンク部９ｃを介して後端部にはテールストックに装着される矩形状のチャック部９ｄが形成されている。このタッピング工具９の切れ歯部９ｂの回転に伴い、ボールねじナット１の内径面１ａにボール転走溝２が切削加工により形成される。なお、タッピング工具９における切れ歯部９ｂの外周形状を、ボール転走溝２の、例えば、ゴシックアーチ形状に予め成形することにより、一回の通し加工で効率良く切削加工でき、低コストで精度の高い溝加工ができる。

こうしたタッピング工具９による切削加工後、ボールねじナット１は、浸炭焼入れ・焼戻しにより表面に５４〜６４ＨＲＣの範囲で硬化層が形成される（Ｐ４）。なお、熱処理による表面の硬化処理はこれに限らず、調質処理や高周波焼入れ、あるいは、素材にＳＵＪ２等の高炭素クロム鋼を使用してズブ焼入れしても良い。

そして、熱処理後、ボール転走溝２にショットピーニング処理を施す（Ｐ５）。本実施形態では、メディアとして、比重と共に高硬度なスチールビーズを使用し、粒径４０〜６０μｍ、ショット圧０．４ＭＰａ、処理時間は６０ｓｅｃ．で行った。これにより、熱処理によるスケールを削除でき、表面粗さの改善と共に、表面硬さおよび表面の圧縮残留応力を高めることができる。なお、スチールビーズ以外にもセラミックビーズやガラスビーズで処理を行っても良い。

図５には、ボールねじナット１のボール転走溝２にショットピーニング処理が施される例が示されている。ショットピーニング処理は、メディアを噴出するノズルをナット内径面１ａに配置された循環列に向けて配置し、ボールねじナット１の内周面に形成されたボール転走溝２にメディアを入射することにより行う。この例では、まず、ボールねじナット１の図の右側面の１方向からメディアが入射された状態が示されている。メディアは、ボールねじナット１の内径面１ａに対して略４５度の角度をもって入射されている。この入射した状態でボールねじナット１を軸回りに回転させることにより、ボールねじナット１の内周面に形成されたボール転走溝２の全周にわたりメディアが入射される。または、ボールねじナット１を固定しておき、メディアの噴射ノズルをボールねじナット１の軸回りに回転させることで、ボール転走溝２の全周にわたりメディアが入射される。このように、ボール転走溝２にメディアを衝突させることにより、その表面の粒界酸化層を除去できる。

しかしながら、ボールねじナット１の内径面１ａに対して略４５度で入射されたメディアの一部は、ボールねじナット１のボール転走溝２の肩部１０に干渉して、ボール転走溝２に到達しない。したがって、この肩部１０からボール転走溝２の一部にかけては、メディアが直接当らない領域Ｚが生じてしまい、その領域Ｚにおいては、粒界酸化層が除去されないで残留してしまう。

そこで、本発明の実施の形態においては、図６に示すように、ボールねじナット１の図の左側面の方向からもメディアを入射する。メディアは、ボールねじナット１の内径面１ａに対して略１３５度の角度をもって入射されている。この左方向から入射されるメディアは、先述のメディアが直接当らない領域Ｚに到達し、その領域Ｚにおいて、粒界酸化層を除去することができる。このように２方向からメディアを入射することにより、ナットの浸炭熱処理時に発生する粒界酸化層を確実に除去できるので、ボール転走溝が摩耗してすきまが増大したり、騒音や振動を発生することを防止することができ、さらには、ボールねじの長寿命化が実現できる。なお、２方向からのメディアの入射は、それぞれ順番に行うこともできるし、同時に２方向からメディアを入射することもできる。

ショット後の面粗さは、Ｒａ１．０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、高速回転においても騒音・振動等の発生を抑制することができる。また、ショットピーニング処理により表面硬さは、Ｈｖ７００〜９００の範囲に設定するのが好ましい。Ｈｖ７００未満では寿命の向上が期待できず、Ｈｖ９００を超えると反って靭性の低下が懸念されるためである。さらに、表面の圧縮残留応力は、−５００〜−１５００ＭＰａの範囲が好ましい。−５００ＭＰａ未満では充分な寿命向上が得られず、また、−１５００ＭＰａを超えると処理時間に比例した応力増大が見込めず、反って処理時間が長くなってコスト高騰を招くためである。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係るボールねじナットは、特に自動車等の車両に用いられる自動マニュアルトランスミッション、電動ブレーキ、電動パワーステアリング、エンジン動弁系制御アクチュエータに適用でき、また、電動ショックアブソーバやＣＶＴプーリの幅制御用のアクチュエータにも適用することができる。

本発明に係るボールねじナットの実施の形態を示す縦断面図である。 本発明に係るボールねじナットの製造工程を示す説明図である。 本発明に係るボールねじナットの製造方法を実施するためのターニングセンタを示す概略図である。 本発明に係るボールねじナットの加工に用いるタッピング工具を示す平面図である。 本発明に係るボールねじナットの１方向からのショットピーニング処理を示す概略図である。 本発明に係るボールねじナットの２方向からのショットピーニング処理を示す概略図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・ボールねじナット
１ａ・・・・・・・・・・内径面
２、４・・・・・・・・・ボール転走溝
３・・・・・・・・・・・ボールねじ軸
３ａ・・・・・・・・・・外径面
５・・・・・・・・・・・連結溝
６・・・・・・・・・・・駒部材
７・・・・・・・・・・・ボール
８・・・・・・・・・・・ターニングセンタ
８ａ・・・・・・・・・・チャック
９・・・・・・・・・・・タッピング工具
９ａ・・・・・・・・・・円筒部
９ｂ・・・・・・・・・・切れ歯部
９ｃ・・・・・・・・・・シャンク部
９ｄ・・・・・・・・・・チャック部
１０・・・・・・・・・・肩部
Ｚ・・・・・・・・・・・メディアが直接当らない領域

Claims (6)

1. ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボール転走溝に、前記ボールねじナットの両端の２方向からメディアを入射させることにより、ショットピーニング処理が施された硬化層が形成されていることを特徴とするボールねじナット。
2. 前記ボール転走溝の表面粗さがＲａ１．０μｍ以下に規制されている請求項１に記載のボールねじナット。
3. 前記ボール転走溝の表面硬さがＨｖ７００〜９００の範囲に設定されている請求項１または２に記載のボールねじナット。
4. 前記ボール転走溝の表面に−５００〜−１５００ＭＰａの範囲で圧縮残留応力が形成されている請求項１乃至３いずれか１項に記載のボールねじナット。
5. ボールが転動するボール転走溝が内径面に形成されたボールねじナットの製造方法において、熱処理後に前記ボールねじナットの両端の２方向からメディアを入射させることにより、ショットピーニング処理が施されていることを特徴とするボールねじナットの製造方法。
6. 素材の中心に所定の内径面をドリル加工で開ける工程と、前記内径面にタッピング工具を挿入し、ボール転走溝を切削加工する工程とを備えている請求項５に記載のボールねじナットの製造方法。

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