CN109937316B - 滚珠丝杠 - Google Patents

Abstract

本发明的滚珠丝杠具有：丝杠轴(10)，其在外周面形成有螺旋状的第1螺纹槽(11)；螺母(20)，其配置在丝杠轴(10)的周围配置，且在内周面形成有螺旋状的第2螺纹槽(21)；多个滚珠(30)，其被容纳在利用对置的两个螺纹槽(11，21)形成的滚动路径(23)内；以及滚珠返回通道(42)，其用于使多个滚珠(30)在一圈以下的滚动路径(23)中循环。从丝杠轴(10)的第1螺纹槽(11)掬起的滚珠(30)的掬起点(43a，43b)间的滚珠返回通道(42)的长度(L)相对于在该掬起点(43a，43b)间填充的滚珠的整数值，设定为滚珠(30)的直径的‑0.1～0.3倍的数值。

Description

滚珠丝杠

技术领域

本发明涉及一种滚珠丝杠，更详细而言，涉及一种将滚珠返回通道配置在螺母的内部的内循环方式的滚珠丝杠，该滚珠返回通道供在丝杠轴和螺母之间形成的滚动路径循环的多个滚珠返回。

背景技术

现有技术中，虽然反向器式的滚珠丝杠在各种滚珠丝杠中具有能够实现最紧凑的优点，但是在低速范围内，有时出现钉状的扭矩波形，在低速范围的工作特性与其他形式的滚珠丝杠相比较低。当在机床的进给系统中使用这种反向器式的滚珠丝杠装置时，会产生钉状的扭矩波形所引起的进给速度的不均匀，有时在加工面产生条纹图样，或定位精度下降。

在专利文献1中公开了一种滚珠丝杠装置，该滚珠丝杠装置具备：丝杠轴，其以水平状态配置并旋转；螺母，其外嵌在该丝杠轴；多个滚珠，其能够转动地填充在由丝杠轴和螺母的滚珠转动槽所形成的轨道内；以及多个循环反向器，其具有滚珠返回槽且内装于螺母。多个循环反向器通过在螺母的轴向上一列地且各循环反向器的相位基本一致地配置，从而在滚珠返回槽内始终产生间隙而防止滚珠拥挤的现象，抑制滚珠通过周期的工作扭矩的变动，从而实现对工作扭矩的变动所伴随的缺点的抑制。

另外，在专利文献2中公开了一种滚珠丝杠，该滚珠丝杆在各滚珠间插入弹性体，通过规定在循环部的一端的滚珠和另一端的滚珠之间作用的滚珠出入方向的弹性体的弹簧常数，从而吸收在循环部内的滚珠出入变动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-47333号公报

专利文献2：日本特开2004-108395号公报

发明内容

发明欲解决的技术问题

然而，当使球体在槽、圆筒等形成的曲线路径中排列移动时，会产生球体队列的全长根据曲线路径中的球体的位置而变化的现象。例如，在将球体B填充到如图12那样的曲线路径中的情况下，在图12(a)和(b)中球体B的位置产生差别，其总长度略微不同。这是由于，连接球体B的中心的线S1从槽的中心线S2偏离而缩短球距，该缩短球距量根据球体B的位置而变化。也就是说，当球体队列通过图12那样的槽中时，其全长L1、L2会伸缩。

如果无限连续的球体队列通过曲线路径，即使产生伸缩，由于前后都存在球体B而不能伸长，球体B要自身弹性变形来消除伸长量。其结果，由于在伸长时球体B互相挤压，所以不能顺畅地通过曲线路径。然而，由于伸缩量根据曲线路径的曲率半径、曲线的长度而变化，所以如果知道伸缩量较小的曲线形状，则球体B就能够实现顺畅的通过。

需要说明的是，当球体队列伸缩时，在曲线路径的出入口处，球体B进入入口的量和从出口出来的量是不同的，从而伸缩的量不同。因此，有时将该现象称为出入变动，将伸缩量称为出入变动量。

反向器式滚珠丝杠在循环反向器的内部具有复杂的3维曲线形状的循环路径，使其中变成钢球队列通过的构造。因此，存在如下问题：产生出入变动从而钢球在循环路径内不顺畅地循环。

另外，根据专利文献1中记载的滚珠丝杠装置，存在如下生产上的问题：需要在螺母设置用于嵌合循环反向器的孔或槽，从而螺母在热处理时容易变形。另外，由于位于循环反向器内的滚珠不受到负荷，从而各滚珠的负荷平衡变差，所以作为结果，滚珠丝杠装置的寿命有可能下降。

另外，专利文献2中记载的滚珠丝杠中，需要将滚珠丝杠数量减少插入在滚珠间的弹性体相应的量。因此，滚珠丝杠的负载容量降低。另外，组装时的滚珠填充作业变得繁杂，同时，柔软度较高的材料构成的弹性体的强度、耐磨性不可靠，从而在高速旋转条件下的使用较为困难。

本发明是鉴于上述问题而完成的，目的在于提供一种实现降低滚珠通过滚珠返回通道时的出入变动(工作扭矩变动)，且提升低速时的工作特性的滚珠丝杠。

用于解决问题的技术手段

本发明的上述目的利用下述构成来实现。

(1)一种滚珠丝杠，具有：丝杠轴，所述丝杠轴在外周面形成有螺旋状的螺纹槽；螺母，所述螺母配置在所述丝杠轴的周围，且在内周面形成有螺旋状的螺纹槽；多个滚珠，所述滚珠容纳在利用对置的两个所述螺纹槽而形成的滚动路径内；以及滚珠返回通路，所述滚珠返回通路用于使该多个滚珠在一圈以下的所述滚动路径中循环；所述滚珠丝杠的特征在于，从所述丝杠轴的螺纹槽掬起的所述滚珠的掬起点间的所述滚珠返回通道的长度相对于该掬起点间填充的所述滚珠的数量的整数值设定为所述滚珠的直径的-0.1～+0.3倍的数值。

(2)如(1)所述的滚珠丝杠，其特征在于，在两个所述螺纹槽的导程角不到5°时，所述滚珠返回通道相对于与所述丝杠轴的轴向垂直的面的最大倾斜角度是20～40°，在两个所述螺纹槽的导程角在5°以上7°以下时，所述滚珠返回通道的最大倾斜角度是20～60°，在两个所述螺纹槽的导程角超过7°时，所述滚珠返回通道的最大倾斜角度为40～60°。

(3)如(1)或(2)所述的滚珠丝杠，其特征在于，所述滚珠返回通道利用循环反向器构成。

发明效果

根据本发明的滚珠丝杠，具有：丝杠轴，其在外周面具有螺旋状的螺纹槽；螺母，其配置在螺纹槽的周围，且在内周面形成有螺旋状的螺纹槽；多个滚珠，其容纳在利用对置的两个螺纹槽来形成的滚动路径内；以及滚珠返回通道，其用于使多个滚珠在一圈以下的滚动路径中循环。由于从丝杠轴的螺纹槽掬起的滚珠的掬起点间的滚珠返回通道的长度相对于该掬起点间填充的滚珠数量的整数值设定为滚珠的直径的-0.1～+0.3倍的数值，所以能够抑制滚珠通过滚珠返回通道时的出入变动(工作扭矩变动)，从而提高低速时的工作特性。

附图说明

图1是本发明所涉及的滚珠丝杠的立体图。

图2是将通过循环路径的钢球队列和丝杠轴以及循环反向器一起示出的立体图。

图3是图1示出的滚珠丝杠的主要部分的剖视图。

图4(a)是示出丝杠轴的螺纹槽和循环反向器的滚珠返回通道的示意图，(b)是滚珠被填充在掬起点间的滚珠返回通道的剖视图。

图5(a)是示出循环反向器的滚珠返回通道的形状的俯视图，(b)是(a)的沿着滚珠返回通道中心线的剖视图。

图6是示出通过滚珠返回通道的滚珠的动作的说明图。

图7(a)是示出本发明所涉及的滚珠丝杠的出入变动较小的扭矩波形的图表，(b)示出是现有的滚珠丝杠的出入变动较大的扭矩波形的图表。

图8是示出被填充在滚珠返回通道的掬起点间的滚珠数量和出入变动的关系的图表。

图9是示出丝杠轴的直径与出入变动最小时的填充在掬起点间的滚珠数量的关系的图表。

图10是示出出入变动最小时的螺纹槽的导程角和滚珠返回通道的最大倾斜角的关系的图表。

图11是示出滚珠返回通道/滚珠的直径与最小出入变动量的关系的图表。

图12(a)和(b)是表示球体的位置所导致的球体队列的全长的变化的图。

符号说明

1 滚珠丝杠

10 丝杠轴

11 第1螺纹槽(螺纹槽)

20 螺母

21 第2螺纹槽(螺纹槽)

23 滚动路径

30 滚珠

40 循环反向器

42 滚珠返回通道

43a、43b 滚珠的掬起点

L 滚珠返回通道的长度

S 与丝杠轴的轴向垂直的面

α 滚珠返回通道的路径上的反向器中心处的角度(最大倾斜角度)

β 螺纹槽的导程角

具体实施方式

以下，基于附图详细说明本发明所涉及的滚珠丝杠的一个实施方式。

图1是本发明所涉及的滚珠丝杠的立体图，图2是示出通过循环路径的钢球队列和丝杠轴以及循环反向器的立体图，图3是图1所示的滚珠丝杠的主要部分的剖视图。

图1所示的内循环式的滚珠丝杠1是用于机床和产业机械等的输送、精密定位的装置，特别是，适用于模具加工等高精度的加工所使用的高精度机床。

该滚珠丝杠1被构成为具备丝杠轴10、螺母20、多个滚珠30和多个循环反向器40。丝杠轴10被形成为以中心轴线CL为中心的圆筒形状，其外周面形成有具有预定导程的螺旋形状的第1螺纹槽11。

螺母20是大致圆筒状，其内径被形成为比丝杠轴10的外径大，并以预定的间隙外嵌于丝杠轴10。在螺母20的一个端部设置有用于与引导对象结合的凸缘部25。在螺母20的内周面形成有第2螺纹槽21，该第2螺纹槽具有与丝杠轴10的第1螺纹槽11相等的导程，并与第1螺纹槽11对置。而且，利用丝杠轴10的第1螺纹槽11和螺母20的第2螺纹槽21形成为截面大致圆形的滚动路径23。该滚动路径23内能够转动地填充配置有多个滚珠30。

另外，在螺母20的内周面安装有用于使滚珠30回到跟前的滚动路径23的多个循环反向器40。在各循环反向器40形成有将滚动路径23的一端和前一圈的滚动路径23的另一端连结的滚珠返回通道42。利用该滚珠返回通道42，将向着各循环反向器40转过滚动路径23的滚珠30向丝杠轴10的径向掬起，进而使其越过丝杠轴10的螺纹12，回到前一圈(前一个导程)的滚动路径23，从而能够使滚珠30进行循环。

从而，利用该滚珠返回通道42以及滚动路径23在丝杠轴10的外侧形成大致圆环状的无限循环路径24。由此，随着丝杠轴10相对于螺母20的相对旋转，多个滚珠30在无限循环路径24内无限循环，从而螺母20能够相对于丝杠轴10在丝杠轴10的轴向直线运动。

接着，参照图4以及图5对各循环反向器40进行详细说明。循环反向器40例如是利用烧结合金来形成的、俯视大致为椭圆形的部件，在其内表面形成有大致S字形状的滚珠返回通道42。滚珠返回通道42中，在循环反向器40的一端的掬起点43a，从丝杠轴10的第1螺纹槽11掬起滚珠30，经由中间通道45越过螺纹12，在位于另一端的掬起点43b处使滚珠30返回前一圈的第1螺纹槽11。

需要说明的是，此处所说的掬起点43a、43b是指丝杠轴10(第1螺纹槽11)上滚珠30的轨迹T₁和循环反向器40内的滚珠30的轨迹T₂的接点，即在丝杠轴10上移动的滚珠30从轨迹T₁离开的点。

另外，与丝杠轴10的中心轴线CL正交的面S和滚珠返回通道42内的滚珠30的轨迹T2所成的倾斜角中，循环反向器40的路径上的反向器中心C处的角度为最大倾斜角度α。另外，丝杠轴10上的滚珠30的轨迹T₁和与丝杠轴10的中线轴CL正交的表面S所成的角度为螺纹槽11、21的导程角β。

此处，发明人深入研究之后，发现在滚珠返回通道42内，掬起点43a、43b之间填充的滚珠数量与出入变动之间严格地存在关联性。需要说明的是，在以下的说明中，将滚珠返回通道42的掬起点43a、43b之间的长度用在掬起点43a、43b之间填充的滚珠数量来表示，且即使对于不足滚珠数量的长度，为了便利，也以滚珠30的直径来换算并表示为填充在掬起点43a、43b之间的滚珠数量。

例如，图4(b)示出掬起点43a、43b之间填充的滚珠数量为4.1个的情况。

出入变动是指在滚珠返回通道42内的滚珠移动量的差值，在图6所示的例子中，相对于下侧的滚珠30向循环反向器40内移动了0.917mm的情况，上侧的滚珠30只移动了0.906mm。由于该滚珠移动量之差，滚珠30的循环中会产生不均匀，从而出现扭矩的变动。

例如，如图7(a)所示那样，若是出入变动之差较小(0.4mm)的循环反向器40，则扭矩波形的变动变小。另一方面，如图7(b)所示，若是出入变动之差较大(0.11mm)的循环反向器40，则扭矩波形的变动也变大。

图8是在丝杠轴10的直径为50mm时的一个例子中，通过计算滚珠返回通道42的掬起点43a、43b之间填充的滚珠数量和出入变动的关系而求得的结果，可以看出出入变动根据掬起点43a、43b之间填充的滚珠数量而较大地变化。另外，可知该情况下，滚珠数量在4.2附近时，出入变动最小。

因此，本发明人对于丝杠轴10的直径为20～63mm，螺纹槽11、21的导程为5～20mm，滚珠直径为1/8～3/8英寸的各种滚珠丝杠1，通过计算来研究出入变动最小时掬起点43a、43b间填充的滚珠数量。

图9是表示丝杠轴的直径和出入变动最小时的掬起点间填充的滚珠数量的关系的图表。因此可知，如图8以及图9所示，在将掬起点43a、43b之间的滚珠返回通道42的长度相对于在该掬起点43a、43b之间填充的滚珠数量的整数值设置为滚珠30的直径的-0.1～+0.3倍的数值的情况下，出入变动变小。

需要说明的是，由此，各种滚珠丝杠1中的出入变动中的任何一个都能够得到0.05mm以下的最小的数值。

另外，图9中，图7(a)、图7(b)表示各个反向器设计值中的掬起点43a、43b之间填充的滚珠数量。

另外，将丝杠轴10的直径、螺纹槽11、21的导程、滚珠直径设置为与图9的条件相同的条件，通过计算来进一步研究出入变动最小时的螺纹槽11、21的导程角β和滚珠返回通道42的循环反向器40的路径上的反向器中心C处的角度α(最大倾斜角度)的关系。

其结果可知，如图10所示，当两螺纹槽11、21的导程角β不到5°时，若滚珠返回通道42的循环反向器40的路径上的反向器中心C处的角度α设定为20～40°，优选为设置为20～30°，则能够抑制出入变动；当两螺纹槽11、21的导程角β为5°以上7°以下时，若滚珠返回通道42的循环反向器40的路径上的反向器中心C处的角度α设定为20～60°，则能够抑制出入变动；当两螺纹槽11、21的导程角β超过7°时，若滚珠返回通道42的路径上的反向器中心C处的角度α设定为20～60°，则能够抑制出入变动。也就是说，根据两螺纹槽11、21的导程角β，将路径上的反向器中心C处的角度α设定在上述的范围即可。

另外，由于当滚珠返回通道42的宽度相对于循环反向器40内的滚珠30较宽时，滚珠30会从滚珠返回通道42的中心偏离，所以滚柱30的排列会不稳定，也会影响在循环反向器40内的滚珠30的轨迹T₂。为了按照设计将滚珠排列在滚珠返回通道42的中央附近，所以优选为如图5所示，滚珠返回通道42的宽度W在滚珠30的直径的1.07倍以下。

另外，在循环反向器40内的滚珠30的轨迹T₂的变动具有如下特征，滚珠返回通道42的曲率半径r越大轨迹T₂的变动越小。此处，在各种规格(直径32～63mm)的滚珠中，计算出在滚珠返回通道42的曲率半径r/滚珠3的直径在1～2.2之间变化时成为最小的出入变动量。如图11所示，可知为了得到较小的路径变动，将滚珠返回通道42的曲率半径r/滚珠30的直径设置为1.5以上即可。因此，滚珠返回通道42的曲率半径r的最小值优选为滚珠30的直径的1.5倍以上，更优选为滚珠30的直径的1.6倍以上，进一步优选为滚珠30的直径的1.7倍以上。

如以上说明，根据本实施方式的滚珠丝杠1，具有：丝杠轴10，其在外周面具有螺旋状的第1螺纹槽11；螺母20，其配置在螺纹槽10的周围，且在内周面形成有螺旋状的第2螺纹槽21；多个滚珠30，其容纳在利用对置的两个螺纹槽11、21来形成的滚动路径23内；以及滚珠返回通道42，其用于使多个滚珠30在一圈以下的滚动路径23中循环。从丝杠轴10的第1螺纹槽11掬起的滚珠30的掬起点43a、43b间的滚珠返回通道42的长度L相对于该掬起点43a、43b之间填充的滚珠数量的整数值设定为滚珠30的直径的-0.1～+0.3倍的数值，所以能够抑制滚珠30通过滚珠返回通道42时的出入变动(工作扭矩变动)，从而提高低速时的工作特性。

另外，由此，使用该滚珠丝杠1的进给装置能够提高定位精度、运动精度。

另外，两螺纹槽11、21的导程角β不到5°时，滚珠返回通道42的路径上的反向器中心C相对于与丝杠轴10的轴向垂直的面S的角度α(最大倾斜角度)为20～40°，优选为20～30°，两螺纹槽11、21的导程角β在5°以上7°以下时，滚珠返回通道42的路径上的反向器中心C处的角度α为20～60°，在两螺纹槽11、21的导程角β超过7°时，滚珠返回通道42的路径上的反向器中心C处的角度α为40～60°，所以能够进一步抑制滚珠30通过滚珠返回通道42时的出入变动(工作扭矩变动)，从而提高低速时的工作特性。

另外，由于滚珠返回通道42利用循环反向器40构成，所以螺母20的加工不会变得复杂，从而能够容易制作精度良好的滚珠返回通道42。

此外，本发明不限定于前述的实施方式，能够进行适应、变形、改良等。

滚珠返回通道42形成为滚珠30在一圈以下的滚动路径23中循环即可，可以采用任意的形式。例如，在本实施方式中，利用在螺母20的内表面设置的循环反向器40来形成滚珠返回通道42，但是并不限定于循环反向器40，也可以是将滚珠返回通道在内周面一体形成的螺母(参照日本特开2003-307623)。该情况下，由于滚柱返回通道与螺母一体化，所以滚珠返回通道和螺母的螺纹槽无阶梯差地形成，从而滚珠30不会被阶梯差挂住，能够实现顺滑的动作。

另外，滚珠返回通道也可以是将滚珠从丝杠轴的外周面隔开，滚珠30仅利用循环反向器来进行循环(参照日本国特开1993-10412)，另外，滚珠返回通道也可以形成为隧道状(参照日本专利第4462458)。而且，循环反向器也可以具有进入丝杠轴的螺纹槽的舌部。

本发明基于2016年11月14日申请的日本专利申请发明申请2016-221428，其内容作为参照并入此处。

Claims (1)

1.一种滚珠丝杠，具有：

丝杠轴，所述丝杠轴在外周面形成有螺旋状的螺纹槽；

螺母，所述螺母被配置在所述丝杠轴的周围，且在内周面形成有螺旋状的螺纹槽；

多个滚珠，多个所述滚珠被容纳在利用对置的两个所述螺纹槽而形成的滚动路径内；以及

循环反相器，所述循环反相器形成有用于使该多个滚珠在一圈以下的所述滚动路径中循环的滚珠返回通道；所述滚珠丝杠的特征在于，

从所述丝杠轴的螺纹槽掬起的所述滚珠的掬起点间的所述滚珠返回通道的长度，相对于该掬起点间填充的所述滚珠的数量的整数值设定为所述滚珠的直径的-0.1～+0.3倍的数值，即，当将“从所述丝杠轴的螺纹槽掬起的所述滚珠的掬起点间的所述滚珠返回通道的长度”看作是L、将“该掬起点间填充的所述滚珠的数量的整数值”看作是N并且将“滚珠的直径”看作是D时，满足：(N-0.1)D≤L≤(N+0.3)D；

所述滚珠返回通道是曲率半径的最小值为所述滚珠的直径的1.5倍以上的S字型，

在两个所述螺纹槽的导程角为5°以上7°以下时，所述滚珠返回通道的最大倾斜角度为20～60°，

在两个所述螺纹槽的导程角大于7°时，所述滚珠返回通道的最大倾斜角度为40～60°。

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