JP2003119518A - ボールねじ軸およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ねじ軸の素材硬度と焼入れ方法を改善し、加工
性を低下することなく、ねじ溝加工後、および熱処理後
の曲がりやねじ溝のリード誤差やピッチ誤差の少ないボ
ールねじ軸およびその製造方法を提供すること。 【解決手段】素材は鋳造、および圧延工程を経て丸棒材
とし、この丸棒材を焼入れ、焼戻し（調質）し、その
後、素材のひずみを除去し、加工性を向上させるために
軟化処理（焼きなまし）を行う。その後、素材の表面傷
を除去するためにピーリング加工を施し、センタレス研
削して外径寸法を所望の範囲に仕上げた後、転造ロール
を外周面に転接させ、転造加工を行う。さらに、ねじ溝
の表面を高周波焼入れにより硬化処理し、最後に、この
熱処理によるスケールを除去するためにバフ処理を施
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、搬送装置等に適用
されるボールねじ軸、特に、ねじ溝を転造加工により形
成した転造ボールねじ軸、およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ボールねじは、ねじ軸の外周面に設けた
螺旋状のねじ溝と、ねじ軸に外嵌したナットの内周面に
設けた螺旋状のねじ溝との間に複数のボールを配し、ね
じ軸（またはナット）の回転動力を、ボールを介してナ
ット（またはねじ軸）の推力に変換するものである。

【０００３】ボールねじにおけるねじ軸を精度良く加工
する方法として、研削加工による方法と、転造による方
法とあり、生産性の面から転造加工の方が優れている。
図３に示すように、ねじ軸１には、外周に螺旋状のねじ
部２を設けている。このねじ部２は、ロールダイスによ
り転造したねじ山３とねじ溝４からなる。

【０００４】転造ボールねじのねじ軸１は、Ｓ５５Ｃ等
の機械構造用炭素鋼で製造することが多い。素材硬度が
高いと、転造ロールの寿命が短くなるばかりでなく、転
造加工時に割れが発生する等、転造加工が難しいため、
通常は焼きならし、または焼きなまし材料を用いて転造
加工を行い、その後、ねじ部２のみを高周波焼入れして
ねじ溝の表面硬さを所望の硬さまで高め、耐摩耗性を向
上させるようにしている。

【０００５】図４は従来のねじ軸１の製造工程を示すフ
ロー図である。素材は鋳造、および圧延工程を経て丸棒
材とする。この素材をＡ_３点以上に加熱し、大気中で冷
却する、所謂焼きならしを行い、材料の結晶粒を微細化
して組織を調整する。その後素材の表面傷を除去するた
めにピーリング加工を施し、センタレス研削して外径寸
法を所望の範囲に仕上げた後、転造加工を行う。さら
に、ねじ溝４の表面を高周波焼入れによりＨＲＣ５５〜
６２の範囲に硬化処理し、この熱処理によるスケールを
除去するためにバフ処理を施す。最後に、プレス機等で
転造加工、および高周波焼入れ工程で生じた変形を矯正
するために曲がり矯正を行う。

【０００６】ここで、素材の硬度が低いと、転造加工し
た時の塑性変形による残留応力の影響で、ねじ軸１に曲
がりが生じてしまう。さらに、高周波焼入れ後、表面組
織のマルテンサイト化により体積変化が起き、ねじ軸１
の曲がりが増大する。変形したねじ軸１を搬送装置等の
ボールねじに適用すると、高速回転時に振れ回りや振動
の原因となるため、こうしたねじ軸１の変形を転造加工
後や高周波焼入れ後にプレス機等で矯正することが一般
的に行われてきた。こうした曲がり矯正によりねじ軸１
の振れ回りや振動を抑制することができる反面、ねじ溝
４のリードやピッチが狂い、ボールねじの位置決め精度
に悪影響を及ぼすことになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ボールねじにおけるね
じ軸１を、焼きならし、または焼きなまし材料で転造加
工をした場合、軸芯部の強度が低いため、外径部の塑性
変形域の残留応力に耐えられず、ねじ軸１に曲がりが発
生してしまう。また、同様に高周波焼入れした場合も、
外径部の高周波焼入れ域の体積膨張による応力により曲
がりが発生する。こうした振れ回りや振動の原因となる
変形を抑制し、さらには、ねじ溝４のリード誤差やピッ
チ誤差が少ないねじ軸を転造加工するには限界があっ
た。このため、転造加工されたボールねじ軸は、位置決
め精度をあまり必要としない搬送装置等の用途に適用す
ることが一般的であった。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、ねじ軸の素材硬度と焼入れ方法を改善し、加
工性を低下することなく、ねじ溝加工後、および熱処理
後の曲がりやねじ溝のリード誤差やピッチ誤差の少ない
ボールねじ軸およびその製造方法を提供することを目的
としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】係る目的を達成すべく、
本発明のうち請求項１記載の発明は、外周面に螺旋状の
ボールねじ溝を形成したボールねじ軸において、軸芯部
に調質部と、この調質部の外周に焼きなまし層をそれぞ
れ残し、表面に高周波焼入れによる硬化層を形成した構
成を採用した。

【００１０】このように、軸芯部に調質部を残し、さら
にその外周に焼きなまし層を残し、表面に硬化層を形成
したため、材料の持つ強度を最大限に高め、ねじ軸に衝
撃荷重が作用しても焼きなまし層が緩衝材として機能
し、長寿命化を図ることができると共に、表面に硬化層
を形成したので、耐摩耗性を有するボールねじ軸を提供
することができる。

【００１１】また、請求項２に記載の発明のように、丸
棒材の外周面に螺旋状のねじ溝を転造加工により形成し
たボールねじ軸の製造方法において、前記丸棒材を調質
し、その外周面を焼きなましした後に前記ねじ溝を加工
し、このねじ溝の表面を高周波焼入れにより硬化処理し
たので、ねじ溝の加工性を高めるだけでなく、ねじ溝加
工後、および熱処理後の変形を格段に抑制することがで
き、ねじ溝のリード誤差やピッチ誤差の少ないボールね
じ軸を提供することができる。

【００１２】好ましくは、請求項３に記載の発明のよう
に、前記ねじ溝を転造加工により形成すれば、生産性を
高め、安価で高精度なボールねじ軸を提供することがで
きる。

【００１３】また、請求項４に記載の発明のように、前
記調質後の表面硬さをＨＲＣ２５〜３５の範囲に設定す
ることにより、ねじ溝加工時の残留応力や熱処理時の組
織の体積膨張による応力に充分耐え得る強度を有し、変
形の少ないボールねじ軸を提供することができる。

【００１４】また、請求項５に記載の発明は、前記丸棒
材の外周面を高周波誘導加熱により焼きなましすれば、
局部加熱ができ、熱処理深さを比較的容易に設定するこ
とができる。

【００１５】また、請求項６に記載の発明のように、前
記焼きなまし後の表面硬さをＨＲＣ２３以下に設定すれ
ば、ねじ溝の加工性を高めることができる。

【００１６】また、請求項７に記載の発明のように、前
記前記焼きなまし深さを、使用ボール径の１〜３倍の範
囲に設定することにより、強度の高い調質部を芯部に残
し、加工による変形を抑制すると共に、ねじ溝の加工範
囲のみ加工性を向上させた。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
乃至図３の図面に基づいて詳細に説明する。

【００１８】ボールねじ軸１は、図３に示すように、外
周に螺旋状のねじ部２を設けおり、このねじ部２は、ロ
ールダイスにより転造したねじ山３とねじ溝４からな
る。また、ねじ軸１は、Ｓ５５Ｃ等の機械構造用炭素鋼
から形成し、ねじ溝４を転造加工後、耐摩耗性を上げ、
転がり疲労寿命の向上を図るために、表面にＨＲＣ５５
〜６２の範囲の硬化層を形成している。

【００１９】次に、図１に示す製造工程のフロー図にし
たがって、このねじ軸１の製造方法を説明する。素材は
鋳造、および圧延工程を経て丸棒材とし、この丸棒材を
焼入れ、焼戻し（調質）し、素材全体の硬さをＨＲＣ２
５〜３５の範囲に設定する。ＨＲＣ２５未満の硬さで
は、ねじ溝４の転造加工時に、その塑性変形域の残留応
力に対する耐力が不足し、ねじ軸１に曲がりが生じる。
また、硬さがＨＲＣ３５を超えると、熱処理による変形
が増大して好ましくない。

【００２０】その後、素材のひずみを除去し、加工性を
向上させるために軟化処理、すなわち、Ａ_３点以上３０
〜５０℃の範囲で素材を高周波誘導加熱し冷却する、所
謂焼きなましを行う。ここで、焼きなまし後の表面硬さ
をＨＲＣ２３〜素材の生硬さの範囲に設定すれば、次工
程の転造加工を容易にすることができ、転造ロールの寿
命を向上させることができる。また、焼きなまし深さ
は、ボールねじに適用するボール径の１〜３倍、好まし
くは１．２〜２倍の範囲に設定すれば、転造加工する範
囲を軟化することができ、精度良くねじ溝４を加工する
ことができる。

【００２１】その後、素材の表面傷を除去するためにピ
ーリング加工を施し、センタレス研削して外径寸法を所
望の範囲に仕上げた後、図示しない転造ロールを外周面
に転接させ、転造加工を行う。ここで、予め転造代を残
し、旋削でねじ溝を形成すれば、転造による押圧荷重を
軽減して曲げ等の変形を抑制することもできる。

【００２２】さらに、ねじ溝４の表面を高周波焼入れに
よりＨＲＣ５５〜６２の範囲に硬化処理し、この熱処理
によるスケールを除去するためにバフ処理を施す。本発
明では、従来の製造工程のように、高周波焼入れによる
硬化処理後に、プレス機等で転造加工、および高周波焼
入れ工程で生じた変形を矯正するための曲がり矯正を行
う必要がなくなる。

【００２３】本出願人が検証した実測では、材質がＳ４
５Ｃで、軸径φ２８．４、ボール径５／３２’（φ３．
９６９）、リード６ｍｍのねじ軸において、従来、ねじ
軸中央部での転造後の振れが０．１０ｍｍ、熱処理後の
振れが０．７５ｍｍであったのが、本発明の製造方法で
は、転造後の振れが０．０３ｍｍ、熱処理後の振れが
０．０５ｍｍに減少し、顕著な効果を得ることができ
た。

【００２４】図２（ａ）は本発明に係るねじ軸１の部分
断面図、（ｂ）は、（ａ）のねじ溝４中央部におけるI
Ｉ―ＩＩ線に沿った横断面図を示している。最外周に
は、耐摩耗性と、転がり疲労寿命の向上を図るため、高
周波焼入れによって硬化層５を形成している。その内周
には、転造加工を容易にするため、高周波焼きなましの
軟化層６、そして軸芯部には、予め素材の強度を高める
ために形成した調質部７があり、３層の硬度分布からな
る断面を呈している。なお、ここで、軟化層６は、必要
最小限の領域のみを焼きなましし、この領域をすべて高
周波焼入れによって硬化処理しても良い。

【００２５】前述したねじ溝４の加工では、転造ロール
による塑性加工を例示したが、これに限らず、研削によ
るねじ溝加工でも良い。すなわち、素材を調質すれば、
表面硬さが上がって切削性が低下し、サイクルタイムが
長くなったり、砥石寿命が短くなるという弊害がある。
したがって、本発明の製造方法のように、素材を調質し
た後に、所望の硬さと深さの軟化層を焼きなましによっ
て形成すれば、ねじ溝の加工性を向上させると共に、ね
じ溝のリードやピッチ誤差を抑制することができ、高精
度なねじ軸を提供することができる。

【００２６】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。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係るボー
ルねじ軸は、軸芯部に調質部を、さらにその外周に焼き
なまし層を残し、表面に硬化層を形成したため、材料の
持つ強度を最大限に高め、ねじ軸に衝撃荷重が作用して
も焼きなまし層が緩衝材として機能し、長寿命化を図る
ことができると共に、表面に硬化層を形成したので、耐
摩耗性を有するボールねじ軸を提供することができる。

【００２８】また、本発明に係るボールねじ軸の製造方
法は、丸棒材を調質し、その外周面を焼きなましした後
に前記ねじ溝を加工し、このねじ溝の表面を高周波焼入
れにより硬化処理したので、ねじ溝の加工性を高めるだ
けでなく、ねじ溝加工後、および熱処理後の変形を格段
に抑制することができ、ねじ溝のリード誤差やピッチ誤
差の少ないボールねじ軸を提供することができる。

【００２９】さらに、ねじ溝を転造加工によって形成す
れば、生産性が良く、安価なボールねじ軸であっても、
研削加工によって形成したものに匹敵する、精度の高い
ボールねじを提供することができる。したがって、従
来、研削ねじでなければ適用できなかった高精度の位置
決めを求められる工作機械や高速搬送装置等への適用範
囲が拡大する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るボールねじ軸の製造工程を示すフ
ロー図である。

【図２】（ａ）は本発明に係るボールねじ軸の部分断面
図である。（ｂ）は（ａ）のＩＩ―ＩＩ線に沿った横断
面図である。

【図３】ボールねじ軸の斜視図である。

【図４】従来のボールねじ軸の製造工程を示すフロー図
である。

【符号の説明】

１・・・・・・・・ねじ軸 ２・・・・・・・・ねじ部 ３・・・・・・・・ねじ山 ４・・・・・・・・ねじ溝 ５・・・・・・・・硬化層 ６・・・・・・・・軟化層 ７・・・・・・・・調質部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J062 AA21 AA27 AB22 AC07 BA01 BA06 BA17 CD02 CD27 4K042 AA14 BA03 BA10 DA01 DA03 DA04 DB01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外周面に螺旋状のボールねじ溝を形成した
   ボールねじ軸において、軸芯部に調質部と、この調質部
   の外周に焼きなまし層をそれぞれ残し、表面に高周波焼
   入れによる硬化層を形成したことを特徴とするボールね
   じ軸。
2. 【請求項２】丸棒材の外周面に螺旋状のねじ溝を転造加
   工により形成したボールねじ軸の製造方法において、前
   記丸棒材を調質し、その外周面を焼きなましした後に前
   記ねじ溝を加工し、このねじ溝の表面を高周波焼入れに
   より硬化処理したことを特徴とするボールねじ軸の製造
   方法。
3. 【請求項３】前記ねじ溝を転造加工により形成した請求
   項２に記載のボールねじ軸の製造方法。
4. 【請求項４】前記調質後の表面硬さをＨＲＣ２５〜３５
   の範囲に設定した請求項２または３に記載のボールねじ
   軸の製造方法。
5. 【請求項５】前記丸棒材の外周面を高周波誘導加熱によ
   り焼きなましした請求項２乃至４いずれかに記載のボー
   ルねじ軸の製造方法。
6. 【請求項６】前記焼きなまし後の表面硬さをＨＲＣ２３
   以下に設定した請求項２乃至５いずれかに記載のボール
   ねじ軸の製造方法。
7. 【請求項７】前記前記焼きなまし深さを、使用ボール径
   の１〜３倍の範囲に設定した請求項２乃至６いずれかに
   記載のボールねじ軸の製造方法。