JPH11270649A - Ball screw device - Google Patents
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-
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はボールねじ装置に関
し、特に、工作機械の高速送りの駆動用に使用され、高
速化・高精度化を実現したボールねじ装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ball screw device, and more particularly, to a ball screw device used for driving a machine tool at high speed and realizing high speed and high precision.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、ボールねじ装置としては、例え
ば、実公平６−１１４３３号公報に開示されるように、
螺旋溝を有するねじ軸に、剛球ボール等の転動体を介し
てナットが螺合されているチューブ式ボールねじを用い
たものが知られている。上記ナットの内面にはねじ軸の
螺旋溝に対応させた螺旋溝が設けられている。そして、
ねじ軸の回転により、ボールが両螺旋溝内を転動しつつ
移動し、ナットがねじ軸に沿って直線運動するようにな
っている。2. Description of the Related Art Conventionally, as a ball screw device, for example, as disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 6-11433,
2. Description of the Related Art A tube-type ball screw in which a nut is screwed to a screw shaft having a spiral groove via a rolling element such as a hard ball is known. A spiral groove corresponding to the spiral groove of the screw shaft is provided on the inner surface of the nut. And
Due to the rotation of the screw shaft, the ball moves while rolling in both the spiral grooves, and the nut moves linearly along the screw shaft.
【０００３】上記のようなボールねじ装置においては、
従来、転動体には軸受鋼のＳＵＪ２からなる鋼球が用い
られていた。このような鋼球を用いたボールねじ駆動に
おいては、例えば６０ｍ／分以上の高速送りを行う場
合、発熱量が増加し温度上昇を引き起こし、また騒音が
大きくなり、更にボールねじのチユーブのタング部にか
かる応力が高くなりボールねじの実用上の寿命が低下す
るなどの問題があり、このため、ボールねじ装置を高速
で使用することは困難であった。[0003] In the above ball screw device,
Conventionally, steel balls made of bearing steel SUJ2 have been used for the rolling elements. In a ball screw drive using such a steel ball, when high-speed feed of, for example, 60 m / min or more is performed, the calorific value increases, the temperature rises, noise increases, and the tongue of the ball screw tube is further increased. , And the practical life of the ball screw is shortened. Therefore, it has been difficult to use the ball screw device at high speed.
【０００４】当該分野においては、上記の問題を解決す
るため、転動体として、例えば、比重が小さく、線膨張
係数も小さいセラミックス材からなるボールを用いるこ
とが行われてきた。In the art, in order to solve the above-mentioned problems, for example, a ball made of a ceramic material having a small specific gravity and a small linear expansion coefficient has been used as a rolling element.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ボールねじにおいて
は、高精度位置決めに対して、ボールねじの軸方向すき
まをゼロとし、更に軸方向荷重に対する弾性変位量を小
さくし、剛性を上げるためにボールねじに予圧を与える
のが一般的である。このため、線膨張係数の比較的大き
な材料からなる転動体を使用した場合、ねじ軸の高速回
転による温度上昇に起因する転動体の熱膨張や遠心力に
より予圧量が増大する傾向がある。SUMMARY OF THE INVENTION In a ball screw, the ball screw is required to have a zero axial clearance for high-precision positioning, to further reduce the amount of elastic displacement with respect to an axial load, and to increase rigidity. It is common to apply a preload to Therefore, when a rolling element made of a material having a relatively large linear expansion coefficient is used, the amount of preload tends to increase due to thermal expansion or centrifugal force of the rolling element due to a temperature rise due to high-speed rotation of the screw shaft.
【０００６】しかしながら、転動体としてセラミックス
球を使用した場合、高速送りを行うと、線膨張係数が小
さいため温度上昇は小さくなるものの、その比重が小さ
いことから予圧の増加が小さい。また、転動体の線膨張
係数がボール軸・ボールナットのそれに対して小さいの
で、ボールねじ内部にすきまを生じやすくなり予圧がな
くなる等の問題があり、この結果、ボールねじ装置の位
置決め精度が悪化することがあった。However, when a ceramic ball is used as a rolling element, when high-speed feeding is performed, the temperature rise is small due to a small linear expansion coefficient, but the increase in preload is small due to its small specific gravity. In addition, since the linear expansion coefficient of the rolling element is smaller than that of the ball shaft / ball nut, there is a problem that clearance is easily generated inside the ball screw and preload is lost, and as a result, the positioning accuracy of the ball screw device is deteriorated. There was something to do.
【０００７】このように、転動体としてセラミックス球
を使用する際に内部すきまを生じやすくなるのは、ボー
ル軸・ボールナットに対して転動体の径が小さく、線膨
張係数も小さいので、温度上昇の大きさに影響を受けや
すくなるからである。As described above, when a ceramic ball is used as a rolling element, the internal clearance is apt to be generated because the diameter of the rolling element is small and the linear expansion coefficient is small with respect to a ball shaft and a ball nut. This is because they are easily affected by the size of the object.
【０００８】本発明は、上記のような問題を解決するこ
とを課題とする。すなわち、本発明の目的は、高速送り
の駆動用に使用され、転動体にセラミックス材料を用い
た場合に、セラミックス球の線膨張係数が小さいために
生じる内部すきまの発生を抑制し、内部予圧の低下を防
止し、かつ高速化、高精度化を実現しうるボールねじ装
置を提供することにある。An object of the present invention is to solve the above problems. That is, an object of the present invention is to use a ceramic material for a rolling element, which is used for high-speed feed drive, to suppress the occurrence of internal clearance caused by a small linear expansion coefficient of a ceramic ball, and to reduce the internal preload. It is an object of the present invention to provide a ball screw device that can prevent a drop and realize high speed and high accuracy.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意に研
究を重ねた結果、ボールナット側の熱膨張量を小さくす
ることが上記目的を達成するうえで有効であることを見
いだした。特に、ボールねじ装置を冷却しボール軸側に
対してボールナット側の温度を低く設定することによ
り、または、ボール軸側に対してボールナット側の材料
の線膨張係数を小さく設定することにより、セラミック
ス球の線膨張係数が小さいために生じる内部すきまの発
生を抑制することができ、内部予圧の低下を抑制でき、
高速送りを可能にし、高精度化を実現することができる
ことを見出し本発明を達成するに至った。Means for Solving the Problems As a result of earnest studies, the present inventors have found that reducing the amount of thermal expansion on the ball nut side is effective in achieving the above object. In particular, by cooling the ball screw device and setting the temperature of the ball nut side lower than the ball shaft side, or by setting the linear expansion coefficient of the material of the ball nut side smaller than the ball shaft side, The occurrence of internal clearance caused by the small coefficient of linear expansion of the ceramic sphere can be suppressed, and the decrease in internal preload can be suppressed.
It has been found that high-speed feeding is possible and high precision can be realized, and the present invention has been achieved.
【００１０】すなわち、本発明に係るボールねじ装置
は、外周面に螺旋状のボールねじ溝を有するねじ軸と、
該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールねじ溝を内周
面に有するボールナットと、該ボールナットのボールね
じ溝と前記ねじ軸のボールねじ溝との間に転動自在に嵌
合する転動体とを備えたボールねじであって、上記転動
体が比重２〜４のセラミックス材料からなり、かつ少な
くともボールナット側の熱膨張量を小さくしたことを特
徴とする。特に、ボールナット側の熱膨張量を小さくす
る手段として、ボールねじ装置に冷却機構を設けるかあ
るいは上記ボールナットをステンレス鋼で構成すること
を特徴とする。That is, a ball screw device according to the present invention comprises: a screw shaft having a spiral ball screw groove on an outer peripheral surface;
A ball nut having an inner peripheral surface with a ball screw groove facing the ball screw groove of the screw shaft; and a rolling member rotatably fitted between the ball screw groove of the ball nut and the ball screw groove of the screw shaft. A ball screw comprising a moving body, wherein the rolling element is made of a ceramic material having a specific gravity of 2 to 4, and at least a thermal expansion amount on a ball nut side is reduced. In particular, as means for reducing the amount of thermal expansion on the ball nut side, a ball screw device is provided with a cooling mechanism or the ball nut is made of stainless steel.
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を具体的
に説明する。尚、本発明の実施形態は以下の例に限定さ
れるものではない。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described specifically. Note that embodiments of the present invention are not limited to the following examples.
【００１２】（１）軸側中空冷却の例 図１は、本発明のボールねじ装置の一例を示す全体構成
図である。図１において、ボールねじ装置は、主とし
て、ねじ軸１、フランジ５を有するボールナット２Ａ、
２Ｂ（以下、まとめてボールナット２ということがあ
る）、ボールナット２Ａと２Ｂの間に挿入された間座
３、ねじ軸１のボールねじ溝とボールナット２のボール
ねじ溝に転動自在に嵌合する多数の転動体（ボール）、
及びねじ軸１を中空冷却する冷却機構４を備えて構成さ
れている。ねじ軸は、工作機械が設置される工場等の建
造物等に固定される。(1) Example of Shaft Side Hollow Cooling FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an example of a ball screw device of the present invention. In FIG. 1, the ball screw device mainly includes a screw shaft 1, a ball nut 2A having a flange 5,
2B (hereinafter collectively referred to as ball nut 2), spacer 3 inserted between ball nuts 2A and 2B, ball screw groove of screw shaft 1 and ball screw groove of ball nut 2 so as to freely roll. Numerous rolling elements (balls) to fit
And a cooling mechanism 4 for hollow-cooling the screw shaft 1. The screw shaft is fixed to a building or the like where a machine tool is installed, such as a factory.
【００１３】ねじ軸１の外周面には螺旋状のボールねじ
溝７が形成され、ボールナット２の内周面にはボールね
じ溝７に対向したボールねじ溝が形成されている。ねじ
軸１のボールねじ溝７とボールナット２のボールねじ溝
には多数のボールが転動自在に嵌合、あるいは収容され
ており、ボールナット２がボールを介してねじ軸１に支
持される。上記ボールは、比重２〜４のセラミックス材
料からなり、好ましくは線膨張係数４×１０-6／℃以下
のセラミックス材料からなる。本発明においては、セラ
ミックス材料として、窒化珪素（Sｉ3N4）、ジルコニア
（ＺｒＯ2）からなるものを使用することができる。ま
た、ボール軸１、ボールナット２は、一般にクロムモリ
ブテン鋼（ＳＣＭ４２０Ｈ）の材料からなるものが用い
られる。A helical ball screw groove 7 is formed on the outer peripheral surface of the screw shaft 1, and a ball screw groove facing the ball screw groove 7 is formed on the inner peripheral surface of the ball nut 2. A number of balls are rotatably fitted or accommodated in the ball screw grooves 7 of the screw shaft 1 and the ball screw grooves of the ball nut 2, and the ball nut 2 is supported by the screw shaft 1 via the balls. . The ball is made of a ceramic material having a specific gravity of 2 to 4, preferably a ceramic material having a coefficient of linear expansion of 4 × 10 −6 / ° C. or less. In the present invention, a ceramic material made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or zirconia (ZrO 2 ) can be used. The ball shaft 1 and the ball nut 2 are generally made of chromium molybdenum steel (SCM420H).
【００１４】ねじ軸１は、その内部が中空になってお
り、これに水、油等からなる冷却剤を通じることにより
ボールねじ装置全体の冷却を行うことができる。すなわ
ち、冷却装置Ｒ１から供給された冷却剤は流入パイプ１
ｉからねじ軸１の中空内に導入され、軸内部を通過しボ
ールねじ全体を冷却しつつ、排出パイプ１ｏから排出さ
れ、冷却装置Ｒ１に戻り再び循環使用される。The interior of the screw shaft 1 is hollow, and the entire ball screw device can be cooled by passing a coolant such as water or oil through the screw shaft. That is, the coolant supplied from the cooling device R1 is supplied to the inflow pipe 1
i, it is introduced into the hollow of the screw shaft 1, passes through the shaft, cools the entire ball screw, is discharged from the discharge pipe 1o, returns to the cooling device R1, and is circulated again.
【００１５】ボールナット２はほぼ円筒状に形成されて
おり、そのボールナット２Ａ、２Ｂにはそれぞれの外周
面の一部には平面部８が形成されている。この平面部８
には４個の孔９がねじ軸１を間にして形成されており、
各孔９にはねじ軸１を跨ぐようにして２組のボール循環
チューブ１０が挿入されている。The ball nut 2 is formed in a substantially cylindrical shape, and the ball nuts 2A and 2B have a flat portion 8 on a part of their outer peripheral surfaces. This flat part 8
Has four holes 9 formed with the screw shaft 1 in between.
Two sets of ball circulation tubes 10 are inserted into each hole 9 so as to straddle the screw shaft 1.
【００１６】上記のようなボールねじ装置においては、
ねじ軸１が回転すると、ねじ軸１とボールナット２のボ
ールねじ溝内をボールが転動しながら進み、ボールがボ
ールねじ溝内を所定回まわると、このボールはボール循
環チューブ１０の一端からすくい上げられて、チューブ
１０を通過してチューブ１０の他端からボールねじ溝内
に戻るようになっている。ねじ軸１の回転により、ボー
ルがボールねじ溝内を転動しつつ移動する過程で、ボー
ルナット２が直線運動することになる。In the ball screw device as described above,
When the screw shaft 1 rotates, the ball advances while rolling in the ball screw groove of the screw shaft 1 and the ball nut 2, and when the ball rotates a predetermined time in the ball screw groove, the ball is moved from one end of the ball circulation tube 10. It is picked up, passes through the tube 10, and returns from the other end of the tube 10 into the ball screw groove. The rotation of the screw shaft 1 causes the ball nut 2 to move linearly while the ball moves while rolling in the ball screw groove.
【００１７】上記のような過程において、本実施形態で
は、比重２〜４のセラミックス材料からなるボールを用
いる場合、上記冷却機構を備えることにより、高い位置
決め精度が達成され、かつセラミックス材料の線膨張係
数が小さいために生じるボールねじ装置の内部すきまの
発生を抑制することができる。すなわち、軸中空に冷却
剤を通じることにより、ボールねじ装置全体の温度上昇
を低く抑え、内部予圧の低下を防ぐことができる。In the above-described process, in the present embodiment, when a ball made of a ceramic material having a specific gravity of 2 to 4 is used, by providing the cooling mechanism, high positioning accuracy is achieved and linear expansion of the ceramic material is achieved. The generation of the internal clearance of the ball screw device caused by the small coefficient can be suppressed. That is, by passing the coolant through the hollow shaft, a rise in the temperature of the entire ball screw device can be suppressed, and a decrease in the internal preload can be prevented.
【００１８】（２）軸側中空冷却にナット側冷却を付加
した例−直列方式− 図２は、本発明のボールねじ装置の別の一例を示す全体
構成図である。図２において、ボールねじ装置の概略構
成は、上記図１示す実施形態のものとほぼ同様である
が、本実施形態においては、上記（１）の軸側中空冷却
に更にナット側冷却を直列方式で付加した例が示され
る。すなわち、本実施形態においては、冷却装置Ｒ１か
ら供給された冷却剤は、先ずボールナット２の流入パイ
プ２ｉからボールナット２内の冷却通路に導入され、ボ
ールナット２を冷却しつつ排出パイプ２ｏから排出され
る。排出された冷却剤は、更にねじ軸１の流入パイプ１
ｉからねじ軸１の中空内に導入され、軸内部を通過しボ
ールねじ全体を冷却した後、排出パイプ１ｏから排出さ
れ、冷却装置Ｒ１に戻り更に循環使用される。(2) Example in which nut-side cooling is added to shaft-side hollow cooling-in-line type-FIG. 2 is an overall configuration diagram showing another example of the ball screw device of the present invention. In FIG. 2, the schematic configuration of the ball screw device is substantially the same as that of the embodiment shown in FIG. 1, but in this embodiment, the nut side cooling is further performed in series with the shaft side hollow cooling of (1). The example added by is shown. That is, in the present embodiment, the coolant supplied from the cooling device R1 is first introduced into the cooling passage in the ball nut 2 from the inflow pipe 2i of the ball nut 2, and from the discharge pipe 2o while cooling the ball nut 2. Is discharged. The discharged coolant further flows into the inlet pipe 1 of the screw shaft 1.
After being introduced into the hollow of the screw shaft 1 from i and passing through the inside of the shaft to cool the entire ball screw, the ball screw is discharged from the discharge pipe 1o, returned to the cooling device R1, and further circulated.
【００１９】この実施形態の冷却機構においては、先
ず、ボールナット側を冷却剤により冷却し、次に、この
冷却作用により少し温度が高くなった冷却剤を今度はボ
ール軸中空に循環させ、該中空軸を冷却する。従って、
この方式によれば、ボール軸側に比べボールナット側の
温度上昇を低く設定することが可能となる。In the cooling mechanism of this embodiment, first, the ball nut side is cooled by a coolant, and then the coolant, which has become slightly higher in temperature due to this cooling action, is circulated through the ball shaft hollow. Cool the hollow shaft. Therefore,
According to this method, it is possible to set the temperature rise on the ball nut side lower than on the ball shaft side.
【００２０】尚、本発明においては、本発明の目的を達
成しうるものであれば、上記軸中空冷却とボールナット
冷却の組合せ、順序等の循環方式については特に限定さ
れず、種々の組合せ、順序による方式を採用することが
できる。In the present invention, as long as the object of the present invention can be achieved, the combination of the hollow shaft cooling and the ball nut cooling and the circulation system such as the order are not particularly limited, and various combinations, An order-based scheme can be employed.
【００２１】本実施形態においては、上記のような冷却
機構を備えることにより、高い位置決め精度が達成さ
れ、かつボールねじ装置の内部すきまの発生を更に有効
に抑制することができる。In the present embodiment, the provision of the above-described cooling mechanism achieves high positioning accuracy and further effectively suppresses the occurrence of internal clearance of the ball screw device.
【００２２】（３）軸側中空冷却にナット側冷却を付加
した例−並列方式− 図３は、本発明のボールねじ装置の更に別の一例を示す
全体構成図である。図３において、ボールねじ装置の構
成は、やはり上記図１示す実施形態のものとほぼ同様で
あるが、本実施形態においては、上記（１）の軸側中空
冷却に更にナット側冷却を並列方式で付加するため、冷
却装置を２基（Ｒ１，Ｒ２）設けることを特徴とする。
すなわち、本実施形態においては、冷却装置Ｒ１から供
給された冷却剤は、ねじ軸１の流入パイプ１ｉからねじ
軸１の空筒内に導入され、軸内部を通過しボールねじ全
体を冷却しつつ、排出パイプ１ｏから排出され、冷却装
置Ｒ１に戻り循環使用される。一方、冷却装置Ｒ２から
供給された冷却剤は、ボールナット２の流入パイプ２ｉ
からボールナット２内の冷却通路に導入され、ボールナ
ット２を冷却しつつ排出パイプ２ｏから排出され、冷却
装置Ｒ２に戻り循環使用される。(3) Example in which nut-side cooling is added to shaft-side hollow cooling—parallel system— FIG. 3 is an overall configuration diagram showing still another example of the ball screw device of the present invention. In FIG. 3, the configuration of the ball screw device is also substantially the same as that of the embodiment shown in FIG. 1, but in this embodiment, the nut side cooling is further performed in parallel with the shaft side hollow cooling of (1). In this case, two cooling devices (R1, R2) are provided.
That is, in the present embodiment, the coolant supplied from the cooling device R1 is introduced into the hollow cylinder of the screw shaft 1 from the inflow pipe 1i of the screw shaft 1, passes through the inside of the shaft, and cools the entire ball screw. Are discharged from the discharge pipe 1o and returned to the cooling device R1 for circulation. On the other hand, the coolant supplied from the cooling device R2 is supplied to the inflow pipe 2i of the ball nut 2.
From the discharge port 2o while cooling the ball nut 2, and is returned to the cooling device R2 for circulating use.
【００２３】この実施形態の冷却機構は、ボール軸側と
ボールナット側を別々の冷却装置で冷却することができ
る方式であり、これらの温度を自由に設定しうるもので
あるが、本発明においては、好ましくは、ボールナット
側の冷却装置Ｒ２の温度設定を軸側の冷却装置Ｒ１の設
定に比べて少し低くすることで本発明の目的を更に有効
に達成することができる。The cooling mechanism of this embodiment is a system in which the ball shaft side and the ball nut side can be cooled by separate cooling devices, and these temperatures can be set freely. Preferably, the object of the present invention can be more effectively achieved by setting the temperature of the cooling device R2 on the ball nut side slightly lower than the setting of the cooling device R1 on the shaft side.
【００２４】すなわち、本実施形態においては、上記の
ような冷却機構を備えることにより、高い位置決め精度
が達成され、かつボールねじ装置の内部すきまの発生を
更に有効に抑制することができる。That is, in the present embodiment, by providing the cooling mechanism as described above, high positioning accuracy is achieved, and the generation of the internal clearance of the ball screw device can be more effectively suppressed.
【００２５】（４）ボールナット側からのオイルエア，
オイルミスト潤滑で冷却効果を付与した例 図４は、本発明のボールねじ装置の別の一例を示す全体
構成図である。図４においては、ボールねじ装置の構成
は、上記図１に示す実施形態とほぼ同様であるが、本実
施形態は、軸側の中空冷却は行わず、簡便な方式とし
て、オイルエアやオイルミスト等による潤滑に冷却効果
を持たせた方式である。すなわち、本実施形態において
は、ボールナット側の流入パイプ２ｉからオイルエアや
オイルミスト等を供給してボールねじの潤滑を行う際、
これにエアー冷却の効果を持たせることにより、ボール
ナット側の温度上昇をボール軸側より低くできるよう設
定することができる。(4) Oil air from the ball nut side,
Example of imparting a cooling effect by oil mist lubrication FIG. 4 is an overall configuration diagram showing another example of the ball screw device of the present invention. In FIG. 4, the configuration of the ball screw device is almost the same as that of the embodiment shown in FIG. 1, but this embodiment does not perform hollow cooling on the shaft side, and uses a simple method such as oil air or oil mist. It is a system that has a cooling effect on lubrication due to. That is, in this embodiment, when lubricating the ball screw by supplying oil air or oil mist from the inflow pipe 2i on the ball nut side,
By providing this with the effect of air cooling, the temperature rise on the ball nut side can be set lower than on the ball shaft side.
【００２６】（５）ボールナット側の材質にステンレス
鋼を用いた例 図５は、本発明のボールねじ装置の別の一例を示す構成
図である。図５において、ボールねじは、ねじ軸１、フ
ランジ５を有するボールナット２Ａ及び２Ｂ、ボールナ
ット２Ａと２Ｂの間に挿入された間座３を備えて構成さ
れている。(5) Example in which stainless steel is used as the material on the ball nut side FIG. 5 is a configuration diagram showing another example of the ball screw device of the present invention. 5, the ball screw includes a screw shaft 1, ball nuts 2A and 2B having a flange 5, and a spacer 3 inserted between the ball nuts 2A and 2B.
【００２７】ねじ軸１の外周面には螺旋状のボールねじ
溝７が形成され、ボールナット２Ａ及び２Ｂの内周面に
はボールねじ溝７に対向したボールねじ溝が形成されて
いる。ねじ軸１のボールねじ溝７とボールナット２Ａ及
び２Ｂのボールねじ溝には、比重２〜４のセラミックス
材料からなる多数のボール１１が転動自在に嵌合、ある
いは収容されており、ボールナット２Ａ及び２Ｂがボー
ル１１を介してねじ軸１に支持される。A spiral ball screw groove 7 is formed on the outer peripheral surface of the screw shaft 1, and a ball screw groove facing the ball screw groove 7 is formed on the inner peripheral surfaces of the ball nuts 2A and 2B. In the ball screw groove 7 of the screw shaft 1 and the ball screw grooves of the ball nuts 2A and 2B, a large number of balls 11 made of a ceramic material having a specific gravity of 2 to 4 are rotatably fitted or accommodated. 2A and 2B are supported on the screw shaft 1 via the ball 11.
【００２８】本実施形態においては、上記ボールナット
２Ａ及び２Ｂを、ボール軸１の材料の線膨張係数より小
さい線膨張係数を有する材料で構成することが、ボール
（転動体）としてセラミックス材料を用いたことによる
ボールねじの内部すきまの発生を抑制するうえで好まし
く、本発明においては、このような材料として、線膨張
係数が１0.５×１０-6／℃以下の材料、特に、ＳＵＳ４
４０Ｃ等のステンレス鋼が好ましく用いられる。In the present embodiment, the ball nuts 2A and 2B are made of a material having a linear expansion coefficient smaller than that of the material of the ball shaft 1 by using a ceramic material as a ball (rolling element). In the present invention, such a material having a linear expansion coefficient of 10.5 × 10 −6 / ° C. or less, particularly SUS4
Stainless steel such as 40C is preferably used.
【００２９】すなわち、本実施形態においては、上記の
ような材料構成を有することにより、高い位置決め精度
が達成され、かつセラミックス材料の線膨張係数が小さ
いために生じるボールねじ装置の内部すきまの発生を有
効に抑制することができる。That is, in the present embodiment, by having the above-described material configuration, high positioning accuracy is achieved, and occurrence of internal clearance of the ball screw device caused by a low linear expansion coefficient of the ceramic material is prevented. It can be suppressed effectively.
【００３０】上記（１）〜（５）の実施形態において
は、そのいずれにおいても、ボールナット２Ａ及び２Ｂ
の２個のナットを使用し、その間に間座３を挿入するこ
とによりボールねじに予圧を与えるダブルナット予圧
（Ｄ予圧）方式を採用している。この方式においては、
ナット間のすきまよりも予圧量だけ厚い間座を使用す
る。このことより、例えば図５においては、ボールナッ
ト２Ａ、２Ｂは予圧荷重Ｆa0によって、あらかじめ弾性
変位して組み立てられる。この状態で外部荷重Ｆa がボ
ールナット２Ａに加わると、Ｆa はボールナット２Ｂの
変位減少により緩衝吸収され、結果としてボールナット
２Ａの弾性変位は小さくなる。このように、ボールねじ
においては、予圧を与えることにより、軸方向荷重に対
する弾性変位量を小さくし、剛性を上げることができ
る。In the above embodiments (1) to (5), in any of the above embodiments, the ball nuts 2A and 2B
A double nut preload (D preload) system is used in which preload is applied to the ball screw by inserting the spacer 3 between the two nuts. In this scheme,
Use a spacer that is thicker by the preload than the gap between the nuts. Thus, for example, in FIG. 5, the ball nuts 2A and 2B are assembled by being elastically displaced in advance by the preload Fa0. When an external load Fa is applied to the ball nut 2A in this state, Fa is buffer-absorbed due to a decrease in the displacement of the ball nut 2B, and as a result, the elastic displacement of the ball nut 2A is reduced. As described above, in the ball screw, by applying the preload, the amount of elastic displacement with respect to the axial load can be reduced, and the rigidity can be increased.
【００３１】図６は上記ダブルナット予圧方式における
ボールナット２及びねじ軸１のねじ溝７とボール１１と
の接触の通常の状態を示す断面図である。ボールとして
従来のような線膨張係数の高い鋼球を用いた場合、ねじ
軸１が高速回転すると、ボール１１とボール軸１，ボー
ルナット２との線膨張係数が同じであるので、ボール軸
１・ボールナット２に対してボール径がある程度小さく
ても、図６におけるように、遠心力によりボール１１が
矢印に示す方向に動きＬの値が狭くなり内部予圧が増加
する。この結果、上記内部予圧の増加分が、ボール１１
とこれに対応するボール軸１・ボールナット２の径差に
よる内部すきまの増加量（膨張量の差）による予圧の変
動分より大きくなり、回転時においても内部予圧が小さ
くなることはなかった。FIG. 6 is a sectional view showing a normal state of contact between the ball 11 and the thread groove 7 of the ball nut 2 and the screw shaft 1 in the double nut preloading method. When a conventional steel ball having a high linear expansion coefficient is used as the ball, when the screw shaft 1 rotates at a high speed, the ball 11 has the same linear expansion coefficient as the ball shaft 1 and the ball nut 2. Even if the ball diameter is somewhat smaller than the ball nut 2, as shown in FIG. 6, the ball 11 moves in the direction shown by the arrow due to the centrifugal force, and the value of L decreases, and the internal preload increases. As a result, the increase in the internal preload is equal to the amount of the ball 11.
And the corresponding increase in the internal clearance (difference in the amount of expansion) due to the difference in diameter between the ball shaft 1 and the ball nut 2, and the internal preload did not decrease even during rotation.
【００３２】しかし、ボールとして比重２〜４のセラミ
ックス球を用いた場合は、上記のようなボールの遠心力
による内部予圧の増加分が少なく、この結果、高速回転
においては、ボール１１とこれに対応するボール軸１・
ボールナット２の径差による内部すきまの増加量（膨張
量の差）やセラミックス球の線膨張係数が小さいこと等
の影響の方が大きくなり、回転時の内部予圧が減少する
こととなる。However, when a ceramic ball having a specific gravity of 2 to 4 is used as the ball, the increase in the internal preload due to the centrifugal force of the ball is small, and as a result, the ball 11 and the Corresponding ball axis 1
The influence of the increase in the internal clearance (difference in the amount of expansion) due to the diameter difference of the ball nut 2 and the small linear expansion coefficient of the ceramic sphere become larger, and the internal preload during rotation decreases.
【００３３】具体的な計算で上記の点を説明すると、例
えば、軸径４０ｍｍ、リード３０ｍｍの高速ねじでは、
ボール径が6.３５ｍｍであり、ボール軸の平均温度上昇
を２０℃とすると、一般にはボール軸の放熱のほうが大
きいので、ボールナットの温度上昇の方が大きくなる。
ボールナットの温度上昇を２５℃とすると、ボールの温
度上昇はボール軸・ボールナットよりかなり大きいの
で、４０℃程度と仮定できる。Explaining the above points by specific calculations, for example, for a high-speed screw with a shaft diameter of 40 mm and a lead of 30 mm,
Assuming that the ball diameter is 6.35 mm and the average temperature rise of the ball shaft is 20 ° C., the heat radiation of the ball shaft is generally larger, so that the temperature rise of the ball nut is larger.
Assuming that the temperature rise of the ball nut is 25 ° C., the temperature rise of the ball is considerably larger than that of the ball shaft / ball nut.
【００３４】鋼材の線膨張係数を１2.５×１０-6／℃と
すると、ボールナットの膨張量は０．００７２ｍｍ、ボ
ール軸の膨張量は０．００４２ｍｍ、鋼球の膨張量は0.
００３２ｍｍとなる。また、セラミックス球の線膨張係
数を3.２×１０-6／℃とすると、その膨張量は0.０００
８ｍｍとなる。ボールナットとボール軸の膨張量の差か
らボールの膨張量を除いたものが内部すきまの増加量で
あるので、これを下記式より計算すれば、鋼球の場合の
内部すきまの増加量がほとんど０であるに対して、セラ
ミックス球では0.００２２ｍｍの増加を生じることにな
る。すなわち、セラミックス球を用いた場合のほうが、
内部すきまの増大が大きいことがわかる。Assuming that the linear expansion coefficient of the steel material is 12.5 × 10 −6 / ° C., the expansion amount of the ball nut is 0.0072 mm, the expansion amount of the ball shaft is 0.0042 mm, and the expansion amount of the steel ball is 0.2.
0032 mm. Assuming that the coefficient of linear expansion of the ceramic sphere is 3.2 × 10 −6 / ° C., the expansion amount is 0.000.
8 mm. The difference between the expansion amount of the ball nut and the ball shaft, excluding the amount of expansion of the ball, is the increase in internal clearance.If this is calculated from the following equation, the increase in internal clearance in the case of steel balls is almost the same. In contrast to 0, an increase of 0.0022 mm occurs in the ceramic sphere. In other words, when using ceramic spheres,
It can be seen that the increase in internal clearance is large.
【００３５】Ｒ＝〔（Ｄm＋Ｄa）／２〕×ｔ１×α１−
〔（Ｄm−Ｄa）／２〕×ｔ２×α２−Ｄa×ｔ３×α３ （式中、Ｄm はボールねじピッチ円径、Ｄa はボール
径、α１ はボールナットの線膨張係数、α２ はボール
軸の線膨張係数、α３ はボールの線膨張係数、ｔ１ は
ボールナットの温度上昇値、ｔ２ はボール軸の温度上
昇値、ｔ３ はボールの温度上昇値である。） 上記のような例では、セラミックス球を用いて内部すき
まを生じさせないためには、ボールナット側の温度上昇
をボール軸側のそれより３℃以上低く設定するか、ある
いはボールナット側の材料の線膨張係数を１0.８×１０
-6／℃以下に設定する必要がある。ボールの温度上昇が
実際にどの程度かは不明であるが、高速送りにより更に
ボールねじの温度上昇が大きくなるとすれば、その影響
が益々大きくなることは容易に予想できる。本発明者ら
は上記の知見から鋭意に研究を行い、上記ボールナット
側の材料の線膨張係数を１0.５×１０-6／℃以下に設定
することが本発明の目的を達成するうえで好ましいこと
を見出した。R = [(Dm + Da) / 2] × t1 × α1-
[(Dm−Da) / 2] × t2 × α2−Da × t3 × α3 (where Dm is the ball screw pitch circle diameter, Da is the ball diameter, α1 is the linear expansion coefficient of the ball nut, and α2 is the ball shaft The coefficient of linear expansion, α3 is the coefficient of linear expansion of the ball, t1 is the temperature rise value of the ball nut, t2 is the temperature rise value of the ball shaft, and t3 is the temperature rise value of the ball. In order to prevent the internal clearance from being caused by using the ball nut, the temperature rise on the ball nut side should be set at least 3 ° C. lower than that on the ball shaft side, or the linear expansion coefficient of the material on the ball nut side should be 10.8 × 10
It must be set to -6 / ° C or less. It is unclear how much the temperature rise of the ball is actually, but if the temperature rise of the ball screw is further increased by high-speed feeding, it is easy to expect that the influence will be further increased. The present inventors have conducted intensive studies based on the above findings, and setting the coefficient of linear expansion of the material on the ball nut side to 10.5 × 10 −6 / ° C. or less is necessary for achieving the object of the present invention. It has been found favorable.
【００３６】図７には、実施形態（１）の方式で、冷却
機構を有しないボールねじにおいて、転動体（ボール）
として鋼球（線膨張係数１2.５×１０-6／℃）を使用し
た場合と、セラミックス球（線膨張係数3.２×１０-6／
℃）を使用した場合と、上記セラミックス球を用い前記
実施形態（１）の軸側中空冷却を行った場合と、更にセ
ラミックス球を用い前記実施形態（５）のボールナット
がステンレス鋼（線膨張係数１0.１×-6／℃）からなる
場合の各々について、ボール軸の平均回転数に対するナ
ット表面温度の上昇値を測定した結果を示す。FIG. 7 shows a method of the embodiment (1) in which a rolling element (ball) is used in a ball screw having no cooling mechanism.
When a steel ball (linear expansion coefficient: 12.5 × 10 −6 / ° C.) is used, a ceramic ball (linear expansion coefficient: 3.2 × 10 −6 / ° C) is used.
° C), the case where the shaft-side hollow cooling of the embodiment (1) is performed using the ceramic sphere, and the case where the ball nut of the embodiment (5) is further formed of stainless steel (linear expansion) using the ceramic sphere. For each of the cases where the coefficient is 10.1 × -6 / ° C.), the results of measuring the increase in the nut surface temperature with respect to the average rotation speed of the ball shaft are shown.
【００３７】これによれば、先ず転動体としてとしてセ
ラミックス球を用いた場合は、回転数が高くなるに伴
い、鋼球を用いた場合に比較して温度上昇値の増大が少
ない。According to this, first, when the ceramic balls are used as the rolling elements, the increase in the temperature rise value is small as the number of rotations increases, as compared with the case where the steel balls are used.
【００３８】これより、セラミックス球を用いた場合、
ボールの遠心力の効果だけでなく、ボールの膨張量が小
さいことによる予圧の減少が起きていることが予想され
る。軸側中空冷却を行った場合は、高速回転においても
温度上昇が著しく小さい。なお、ボールナットにステン
レス鋼を用いた場合は、高速回転による温度上昇は若干
大きくなるが鋼球を用いた場合より小さい。この場合、
より性能を上げたい場合はボール軸側の冷却を必要とす
る。Thus, when ceramic spheres are used,
It is expected that not only the effect of the centrifugal force of the ball but also the reduction of the preload due to the small amount of expansion of the ball occurs. When the shaft side hollow cooling is performed, the temperature rise is extremely small even at high speed rotation. In addition, when stainless steel is used for the ball nut, the temperature rise due to high-speed rotation is slightly larger, but smaller than when steel balls are used. in this case,
In order to further improve the performance, the ball shaft needs to be cooled.
【００３９】なお、本発明のボールねじ装置は、例え
ば、高速回転による高速送りを行う工作機械の駆動用等
に好適に使用され、ボールねじ装置の高速化・高精度化
を実現することができるものである。The ball screw device of the present invention is suitably used, for example, for driving a machine tool that performs high-speed feeding by high-speed rotation, and can realize a high-speed and high-accuracy ball screw device. Things.
【００４０】[0040]
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にお
けるように、ボールナット側の熱膨張量を小さくするこ
とにより、特に、ボールねじに冷却機構を設けてボール
ナット側の温度をボール軸側の温度より低く設定制御す
ることにより、あるいはボールナット側の材料の線膨張
係数をボール軸側に対して低く設定することにより、セ
ラミックスからなる転動体の線膨張率が小さいために生
じるボールねじの内部すきまの発生を抑制する効果が見
込まれる。従って、これにより、高速送りが可能とな
り、内部予圧の低下が抑制できる。更に、冷却効果によ
って熱変位も抑えられ高精度化も達成できる。As described above in detail, as in the present invention, by reducing the amount of thermal expansion on the ball nut side, in particular, a cooling mechanism is provided on the ball screw to reduce the temperature on the ball nut side. The ball screw generated due to the low linear expansion coefficient of the rolling element made of ceramics by controlling the temperature lower than the temperature on the ball side, or by setting the linear expansion coefficient of the material on the ball nut side lower than that on the ball shaft side Is expected to have an effect of suppressing the occurrence of internal clearance. Accordingly, this enables high-speed feeding and suppresses a decrease in internal preload. Further, thermal displacement is suppressed by the cooling effect, and high precision can be achieved.
【図１】本発明のボールねじ装置の一実施形態（軸側中
空冷却の例）を示す全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram showing one embodiment (an example of shaft-side hollow cooling) of a ball screw device of the present invention.
【図２】本発明のボールねじ装置の一実施形態（軸側中
空冷却にナット側冷却を付加した例−直列方式−）を示
す全体構成図である。FIG. 2 is an overall configuration diagram showing one embodiment of the ball screw device of the present invention (an example in which nut-side cooling is added to shaft-side hollow cooling-in-line system-).
【図３】本発明のボールねじ装置の一実施形態（軸側中
空冷却にナット側冷却を付加した例−並列方式−）を示
す全体構成図である。FIG. 3 is an overall configuration diagram showing one embodiment of the ball screw device of the present invention (an example in which nut-side cooling is added to shaft-side hollow cooling—a parallel system).
【図４】本発明のボールねじ装置の一実施形態（ボール
ナット側からのオイルエア，オイルミスト潤滑で冷却効
果をもたせた例）を示す全体構成図である。FIG. 4 is an overall configuration diagram showing an embodiment of the ball screw device of the present invention (an example in which a cooling effect is provided by oil-air lubrication from the ball nut side).
【図５】本発明のボールねじ装置の一実施形態（ボール
ナット側の材質にステンレス鋼を用いた例）を示す構成
図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing one embodiment of a ball screw device of the present invention (an example in which stainless steel is used for the material on the ball nut side).
【図６】ダブルナット予圧方式におけるボールナット及
びねじ軸のねじ溝とボールとの接触の通常の状態を示す
断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing a normal state of contact between a ball nut and a thread groove of a screw shaft and a ball in a double nut preloading method.
【図７】本発明の実施形態及び従来の技術における平均
回転数と温度上昇の関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a relationship between an average rotation speed and a temperature rise in the embodiment of the present invention and the related art.
Claims (3)
ねじ軸と、該ねじ軸のボールねじ溝に対向するボールね
じ溝を内周面に有するボールナットと、該ボールナット
のボールねじ溝と前記ねじ軸のボールねじ溝との間に転
動自在に嵌合する転動体とを備えたボールねじ装置であ
って、上記転動体が比重２〜４のセラミックス材料から
なり、かつ少なくともボールナット側の熱膨張量を小さ
くしたことを特徴とするボールねじ装置。1. A screw shaft having a spiral ball screw groove on an outer peripheral surface, a ball nut having an inner peripheral surface with a ball screw groove facing the ball screw groove of the screw shaft, and a ball screw groove of the ball nut And a rolling element rotatably fitted between the ball screw groove of the screw shaft and the ball screw groove, wherein the rolling element is made of a ceramic material having a specific gravity of 2 to 4, and at least a ball nut. A ball screw device wherein the amount of thermal expansion on the side is reduced.
する手段として、少なくともボールナット側を冷却する
冷却機構を設けた請求項１記載のボールねじ装置。2. The ball screw device according to claim 1, wherein a cooling mechanism for cooling at least the ball nut side is provided as means for reducing the coefficient of thermal expansion on the ball nut side.
して、ボールねじ軸材の線膨張係数をボールナット材の
線膨張係数より大きくした請求項１記載のボールねじ装
置。3. The ball screw device according to claim 1, wherein the means for reducing the ball nut side has a linear expansion coefficient of the ball screw shaft material larger than a linear expansion coefficient of the ball nut material.
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|---|---|---|---|
| JP07776498A JP3728917B2 (en) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | Ball screw device |
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