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発明の名称 ボールねじナットおよびその製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−16848(P2007−16848A)
公開日 平成19年1月25日(2007.1.25)
出願番号 特願2005−197662(P2005−197662)
出願日 平成17年7月6日(2005.7.6)
代理人 【識別番号】100095614
【弁理士】
【氏名又は名称】越川 隆夫
発明者 立石 康司
要約 課題

熱処理時に発生する粒界酸化層を抑制し、耐久性に優れた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
特許請求の範囲
【請求項1】
多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットにおいて、
前記ボールねじナットが炭素0.30〜0.35重量%を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、前記ボール転走溝が切削面で形成され、表面に浸炭焼入れによって所定の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。
【請求項2】
前記ボール転走溝の表面硬さが58〜64HRCの範囲に設定されている請求項1に記載のボールねじナット。
【請求項3】
前記ボールねじナットに駒部材が装着され、この駒部材の内周面に前記ボール転走溝を連結する連結溝が形成され、当該駒部材によって前記ボールが無限循環されている請求項1または2に記載のボールねじナット。
【請求項4】
多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットの製造方法において、
前記ボールねじナットが炭素0.30〜0.35重量%を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、素材の中心に所定の内周面がドリル加工で開けられる工程と、当該内周面にタッピング工具を挿入し、前記ボール転走溝が切削加工される工程と、前記ボール転走溝の表面が浸炭焼入れされる熱処理工程とを備えていることを特徴とするボールねじナットの製造方法。
【請求項5】
前記浸炭焼入れ後、前記ボール転走溝にショットピーニング処理が施されている請求項4に記載のボールねじナットの製造方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、自動車の電動パワーステアリング装置や電動アクチュエータ等に用いられ、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。
【背景技術】
【0002】
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、対応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。
【0003】
従来、このボールねじナットは、切削と研削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が開けられ、バイトでこの下穴の周面に螺旋状のボール転走溝が切削加工される。次に、浸炭焼入れ等の熱処理が行われた後、円筒研削盤等で外径部の研削加工が行われ、最後に砥石を用いて切削されたボール転走溝の表面が研削加工される。
【0004】
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。当然、研削加工は、ナットの芯出し等の調整に時間と工数がかかりコスト的に不利である。
【0005】
こうした問題点を解決したものとして、図4に示すようなボールねじナットが知られている。このボールねじナット50は、略円筒状をなし、その一端には搬送用機械等に結合するためのフランジ50aを有している。ボールねじナット50の内周面には、ボール(図示せず)が転動するボール転走溝50cが形成され、外周面には、平面部50bが形成されている。この平面部50bには、ボール転走溝50cの一端と他端を連結するリターンパイプ等の部材が結合される。ボール転走溝50cは、転造によりボールの半径よりも僅かに大きい曲率半径の2つの円弧を組み合わせたゴシックアーチ溝等に形成されている。
【0006】
また、このボールねじナット50は、図5に示すような工程で製造される。まず、円筒状の素材51の外周を、バイト52を用いて切削加工し、素材51にフランジ51aを形成し(S1)、ドリル53を用いて素材51に下孔51bを形成する(S2)。次に、中ぐりバイト54を用いて、下孔51bを正規の寸法にくり広げた(S3)後に、素材51を100〜200rpmで低速回転させ、転造タップ55を下穴51bに挿入し、素材51の内周面にボール転走溝51cを転造する(S4)。こうしてボール転走溝51cの表面はバニシ仕上げされる。次に、エンドミル56を用いて、素材51にボールを循環させるためのリターン部51dを溝加工する。そして、バイト52を用いて、素材51の外周を切削加工し、外周面を仕上げる(S5)。最後に、素材51のボール転走溝51cに再び転造タップ55を通し、ボール転走溝51cのバリを取る。
【0007】
このように、転造工程(S4)で素材51の内周面にボール転走溝51cを形成するので、従来のような砥石を用いてボール転走溝を研削する研削工程が必要なくなり、また、小径のボールねじナットであっても容易にボール転走溝51cを加工することができる。このため、ボール転走溝51cの加工コストを低減することができ、加工工数を少なくすることができるので、リードタイムを短くすることができる。
【特許文献1】特開2000−88072号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
然しながら、こうした従来のボールねじナット50は、熱処理後に研削加工が行われないため、熱処理時に発生する粒界酸化層が表面に残存していた。この粒界酸化層は、その部分が早期に摩耗し、すきまが拡大して振動・騒音の原因になったり、あるいは、剥離が生じて短寿命になる恐れがあった。
【0009】
これは、ボールねじナット50の素材として用いられてきた材質に経緯があった。すなわち、一般的に、産業機械用のボールねじのナットにはSCM415〜SCM420等、炭素量が0.15〜0.20重量%の低炭素浸炭鋼が使用されてきた。この理由は、ハウジングに取り付けられるための大きなフランジがボールねじナットに設けられていたり、リターンチューブを挿入するための孔をボールねじナットに加工する場合、高精度のR曲線を伴うエンドミル加工を行わなければならないためである。したがって、素材からの削り出しを効率良くするためには、加工抵抗の小さい低炭素鋼を使用する必要があった。こうした経緯により、自動車用のボールねじナットにおいても慣例的にこの種の素材が用いられてきた。
【0010】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、熱処理時に発生する粒界酸化層を抑制し、耐久性に優れた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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項1に記載の発明は、多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボールねじナットが炭素0.30〜0.35重量%を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、前記ボール転走溝が切削面で形成され、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されている構成を採用した。
【0012】
このように、ボールねじナットが炭素0.30〜0.35重量%を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、ボール転走溝がタッピング工具やバイトによって切削加工され、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されているので、浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができる。これにより、摩耗や剥離を抑えて耐久性に優れたボールねじナットを提供することができる。
【0013】
好ましくは、請求項2に記載の発明のように、前記ボール転走溝の表面硬さが58〜64HRCの範囲に設定されていれば、転がり疲労寿命が向上して充分な耐久性を得ることができる。
【0014】
また、請求項3に記載の発明のように、前記ボールねじナットに駒部材が装着され、この駒部材の内周面に前記ボール転走溝を連結する連結溝が形成され、当該駒部材によって前記ボールが無限循環されていれば、大きな取付用フランジを設ける必要がなく、また、エンドミル加工等の高精度加工がないため、ボールねじナットの素材として炭素量が増えた鋼種を採用しても加工性が損なわれることはない。
【0015】
また、本発明のうち請求項4に記載の方法発明は、多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットの製造方法において、前記ボールねじナットが炭素0.30〜0.35重量%を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、素材の中心に所定の内周面がドリル加工で開けられる工程と、当該内周面にタッピング工具を挿入し、前記ボール転走溝が切削加工される工程と、前記ボール転走溝の表面が浸炭焼入れされる熱処理工程とを備えている。
【0016】
このような製造方法を採用することにより、低コストで比較的精度の高いボール転走溝を有するボールねじナットを簡便に形成することができると共に、浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができる。
【0017】
好ましくは、請求項5に記載の発明のように、前記浸炭焼入れ後、前記ボール転走溝にショットピーニング処理が施されていれば、さらに粒界酸化層の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明に係るボールねじナットは、多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットにおいて、前記ボールねじナットが炭素0.30〜0.35重量%を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、前記ボール転走溝が切削面で形成され、表面に浸炭焼入れによって所定の硬化層が形成されているので、浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができる。これにより、摩耗や剥離を抑えて耐久性に優れたボールねじナットを提供することができる。
【0019】
また、本発明に係るボールねじナットの製造方法は、多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成されたボールねじナットの製造方法において、前記ボールねじナットが炭素0.30〜0.35重量%を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、素材の中心に所定の内周面がドリル加工で開けられる工程と、当該内周面にタッピング工具を挿入し、前記ボール転走溝が切削加工される工程と、前記ボール転走溝の表面が浸炭焼入れされる熱処理工程とを備えているので、低コストで比較的精度の高いボール転走溝を有するボールねじナットを簡便に形成することができると共に、浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
多数のボールが転動するボール転走溝が内周面に螺旋状に形成され、このボール転走溝を連結する連結溝が形成された駒部材によって前記ボールが無限循環するボールねじナットの製造方法において、前記ボールねじナットが炭素0.30〜0.35重量%を含む中炭素浸炭鋼で形成されると共に、素材の中心に所定の内周面がドリル加工で開けられ、当該内周面にタッピング工具を挿入し、前記ボール転走溝が切削加工されると共に、前記ボール転走溝の表面が浸炭焼入れされ、その後、ショットピーニング処理されている。
【実施例】
【0021】
以下、本発明の実施の形態を図面に基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一実施形態を示す縦断面図である。
【0022】
このボールねじナット1は、SCM430やSCM435等、炭素0.30〜0.35重量%を含む中炭素浸炭鋼で形成され、ボールねじ軸3に外嵌されている。ボールねじナット1の内周面には、ボールねじ軸3の外周面に形成された螺旋状のボール転走溝4に対応して螺旋状のボール転走溝2が形成されている。そして、これらボール転走溝2、4によりボール転動路が形成され、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。
【0023】
ここで、ボール転走溝2は、ボール7の半径よりも僅かに大きい曲率半径の2つの円弧を組み合わせたゴシックアーチ溝に形成されている。このボール転走溝2の断面形状はサーキュラアーク形状であっても良いが、ボール7との接触角が大きくとれ、アキシアルすきまが小さく設定できるゴシックアーク形状が好ましい。これにより、軸方向荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動を抑制することができる。
【0024】
図2に、本発明の実施形態におけるボールねじナット1の製造工程を示す。最初に、円柱状の素材の中心に所定の内周面がドリル等で形成される(P1)。次に、素材の外周面および内周面が切削バイトで仕上げ加工され(P2)。その後、ボールねじナット1の内周面にタッピング工具(図示せず)を挿入し、ボールねじナット1の内周面に螺旋状のボール転走溝2が切削加工される(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。
【0025】
タッピング加工後、ボールねじナット1は、浸炭焼入れにより表面に58〜64HRCの範囲で硬化層が形成される(P4)。本実施形態に係るボールねじナット1は、SCM430やSCM435等、炭素0.30〜0.35重量%を含む中炭素浸炭鋼で形成されているため、この浸炭焼入れの熱処理時間が短縮され、表面に発生する粒界酸化層を抑制することができる。これにより、摩耗や剥離を抑えて耐久性に優れたボールねじナット1を提供することができる。
【0026】
さらに、浸炭焼入れ後にショットピーニングによる二次加工を施し、表面の粒界酸化層を除去しても良い。この処理時間は粒界酸化層の深さに比例するため、ここでは、ショットピーニング処理時間を短縮することが可能となる。
【0027】
なお、ボールねじナット1の素材として炭素量が増えた分、加工性が低下する恐れがあるが、自動車用ボールねじには大きな取付用フランジを設ける必要がなく、また、循環方式として駒式を採用しているため、リターンチューブ式に比べ、エンドミル加工等の高精度加工がないため、加工性が損なわれることはない。
【0028】
図3は、本発明に係るボールねじナット1において、浸炭焼入れによる粒界酸化層の深さを検証した結果を示すグラフである。なお、供試品としては、SCM415(比較例)とSCM435(実施例)からなり、内径16.5mm、外径28mm、長さが32.5mmの円筒状に形成されたテストピースを用いた。また、浸炭焼入れ深さは0.3〜0.6mm、表面硬さは58〜64HRCの範囲に設定されている。
【0029】
通常、有効浸炭深さと浸炭時間は次のような関係式が知られている。これは、浸炭深さをh、浸炭時間をtとした場合、h=Kt0.5となり、浸炭深さhは浸炭時間tに比例する。従来のSCM415の場合(現状)、CP(カーボンポテンシャル)1.2で浸炭3時間、CP0.8で拡散1時間として、浸炭時間t=4時間をベースとすると、前記関係式から、SCM415では、h=0.6mm、t=4時間から、定数Kは0.3となる。ここで、必要有効浸炭深さhを例えば、0.38mmとした場合、浸炭1.2時間、拡散0.4時間で、浸炭時間t=1.6時間となる。本出願人はこの設定で処理試験を行った。
【0030】
このグラフから明確なように、鋼種の差、すなわち、SCM415(比較例)とSCM435(実施例)で浸炭時間が1/3に短縮され、それに伴い、粒界酸化層の深さが1/3に減少している。これにより、さらに粒界酸化層を除去するために浸炭焼入れ後にショットピーニング処理を行っても、その処理時間は従来の1/3に止まり、製造時間が短縮でき量産に好適となる。
【0031】
なお、ボールねじナットの素材として、さらに炭素量が多い浸炭鋼、例えば、SCM440あるいはSCM445が考えられるが、この鋼種においては、浸炭時間は大幅に短縮することが可能となるが、被切削性が低下し、加工時のサイクルタイムが増加するだけでなく、切削工具等の摩耗が大きくなって精度面や工具耐久性の面で悪化要因がありトータルコストの面から好ましくない。
【0032】
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。
【産業上の利用可能性】
【0033】
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。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】本発明に係るボールねじナットの一実施形態を示す縦断面図である。
【図2】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】本発明に係るボールねじナットにおいて、浸炭焼入れによる粒界酸化層の深さを検証した結果を示すグラフである。
【図4】従来のボールねじナットを示す縦断面図である。
【図5】従来のボールねじナットの製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【0035】
1・・・・・・・・・・・ボールねじナット
2、4・・・・・・・・・ボール転走溝
3・・・・・・・・・・・ボールねじ軸
5・・・・・・・・・・・連結溝
6・・・・・・・・・・・駒部材
7・・・・・・・・・・・ボール
50・・・・・・・・・・ボールねじナット
50a、51a・・・・・フランジ
50b・・・・・・・・・平面部
50c、51c・・・・・ボール転走溝
51・・・・・・・・・・素材
51b・・・・・・・・・下穴
51d・・・・・・・・・リターン部
52・・・・・・・・・・バイト
53・・・・・・・・・・ドリル
54・・・・・・・・・・中ぐりバイト
55・・・・・・・・・・転造タップ
56・・・・・・・・・・エンドミル
P1、P2、P3、P4・製造工程




 

 


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