(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022157814
(43)【公開日】2022-10-14
(54)【発明の名称】ボールねじ装置
(51)【国際特許分類】
F16H 25/22 20060101AFI20221006BHJP
F16H 25/24 20060101ALI20221006BHJP
C23C 8/32 20060101ALI20221006BHJP
【ＦＩ】
F16H25/22 L
F16H25/22 M
F16H25/24 A
F16H25/24 B
C23C8/32
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021062259
(22)【出願日】2021-03-31
(71)【出願人】
【識別番号】000004204
【氏名又は名称】日本精工株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】上田 真大
(72)【発明者】
【氏名】田村 一輝
(72)【発明者】
【氏名】飛鷹 秀幸
【テーマコード（参考）】
3J062
4K028
【Ｆターム（参考）】
3J062AA25
3J062AB22
3J062AC07
3J062BA16
3J062CD04
3J062CD27
3J062CD29
3J062CD62
4K028AA03
4K028AB01
(57)【要約】
【課題】ボール表面の剥離を抑制し、ボールねじ装置全体の寿命を延ばす。
【解決手段】ボールねじ装置１０は、ナット２とねじ軸１とボール３とを備え、ボール３の残留オーステナイト量γＲＢは、下記式（１）を満たし、ねじ軸１の第２ねじ溝１４の残留オーステナイト量γＲＳは、下記式（２）を満たし、ナット２の第１ねじ溝２４の残留オーステナイト量γＲＮは、下記式（３）を満たす。
【数１】
【数２】
【数３】
【選択図】図１
【解決手段】ボールねじ装置１０は、ナット２とねじ軸１とボール３とを備え、ボール３の残留オーステナイト量γＲＢは、下記式（１）を満たし、ねじ軸１の第２ねじ溝１４の残留オーステナイト量γＲＳは、下記式（２）を満たし、ナット２の第１ねじ溝２４の残留オーステナイト量γＲＮは、下記式（３）を満たす。
【数１】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内周面に第１ねじ溝を有する筒状のナットと、
前記ナットの内方に挿入され、外周面に第２ねじ溝を有するねじ軸と、
前記第１ねじ溝と前記第２ねじ溝とで囲まれる転動路に収容される複数のボールと、
を備え、ストローク係数ｆｓが４．８未満で使用され、
前記ボールの表層部の残留オーステナイト量γＲＢは、体積％で下記式（１）を満たし、
前記ねじ軸の前記第２ねじ溝の表層部の残留オーステナイト量γＲＳは、体積％で下記式（２）を満たし、
前記ナットの前記第１ねじ溝の表層部の残留オーステナイト量γＲＮは、体積％で下記式（３）を満たし、
かつ、下記式（１）から（３）に共通のナット、ねじ軸及びボールの要求寿命倍率αは、１よりも大きい
ボールねじ装置。
前記ナットの内方に挿入され、外周面に第２ねじ溝を有するねじ軸と、
前記第１ねじ溝と前記第２ねじ溝とで囲まれる転動路に収容される複数のボールと、
を備え、ストローク係数ｆｓが４．８未満で使用され、
前記ボールの表層部の残留オーステナイト量γＲＢは、体積％で下記式（１）を満たし、
前記ねじ軸の前記第２ねじ溝の表層部の残留オーステナイト量γＲＳは、体積％で下記式（２）を満たし、
前記ナットの前記第１ねじ溝の表層部の残留オーステナイト量γＲＮは、体積％で下記式（３）を満たし、
かつ、下記式（１）から（３）に共通のナット、ねじ軸及びボールの要求寿命倍率αは、１よりも大きい
ボールねじ装置。
【数1】
【数2】
【数3】
【請求項2】
前記ボールねじ装置は、ストローク係数ｆｓが３．１７５以上かつ４．８未満で使用され、
前記ボールの前記残留オーステナイト量γＲＢは、前記ねじ軸の前記残留オーステナイト量γＲＳよりも大きく、かつ、前記ねじ軸の前記残留オーステナイト量γＲＳは、前記ナットの前記残留オーステナイト量γＲＮよりも大きい
請求項１に記載のボールねじ装置。
前記ボールの前記残留オーステナイト量γＲＢは、前記ねじ軸の前記残留オーステナイト量γＲＳよりも大きく、かつ、前記ねじ軸の前記残留オーステナイト量γＲＳは、前記ナットの前記残留オーステナイト量γＲＮよりも大きい
請求項１に記載のボールねじ装置。
【請求項3】
前記ボールねじ装置は、ストローク係数ｆｓが３．１７５未満で使用され、
前記ねじ軸の前記残留オーステナイト量γＲＳは、前記ボールの前記残留オーステナイト量γＲＢよりも大きく、かつ、前記ボールの前記残留オーステナイト量γＲＢは、前記ナットの前記残留オーステナイト量γＲＮよりも大きい
請求項１に記載のボールねじ装置。
前記ねじ軸の前記残留オーステナイト量γＲＳは、前記ボールの前記残留オーステナイト量γＲＢよりも大きく、かつ、前記ボールの前記残留オーステナイト量γＲＢは、前記ナットの前記残留オーステナイト量γＲＮよりも大きい
請求項１に記載のボールねじ装置。
【請求項4】
前記ボールは、浸炭窒化処理材である
請求項１から３のいずれか１項に記載のボールねじ装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載のボールねじ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ボールねじ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ボールねじ装置は、ねじ軸とナットとボールとを備え、例えば、ねじ軸をナットに対して相対的に回転させることでナットを直線運動させる。ボールねじ装置は、例えば、射出成形機等に適用されており、近年、射出成形機等は、運転サイクルの高速化への取り組みが進んでいる。しかし、射出成形機等の稼働速度を速くすると、ボールねじ装置の寿命が短くなるため、ボールねじ装置の耐久性を向上させて寿命を長くする対策が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１８－５４１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１のボールねじ装置では、ねじ軸及びナットの寿命は従来よりも長くなるが、ねじ軸及びナットに対して相対的にボールの寿命が短くなる可能性がある。即ち、ねじ軸及びナットが寿命によって損傷する前にボールが先に損傷してしまう可能性がある。
【0005】
本開示は、前記の課題に鑑みてなされたものであって、ボール表面の剥離を抑制し、ボールねじ装置全体の寿命を延ばすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記の目的を達成するため、本開示の一態様のボールねじ装置は、内周面に第１ねじ溝を有する筒状のナットと、前記ナットの内方に挿入され、外周面に第２ねじ溝を有するねじ軸と、前記第１ねじ溝と前記第２ねじ溝とで囲まれる転動路に収容される複数のボールと、を備え、ストローク係数ｆｓが４．８未満で使用され、前記ボールの表層部の残留オーステナイト量γＲＢは、体積％で下記式（１）を満たし、前記ねじ軸の前記第２ねじ溝の表層部の残留オーステナイト量γＲＳは、体積％で下記式（２）を満たし、前記ナットの前記第１ねじ溝の表層部の残留オーステナイト量γＲＮは、体積％で下記式（３）を満たし、かつ、下記式（１）から（３）に共通のナット、ねじ軸及びボールの要求寿命倍率αは、１よりも大きい。
【数1】
【数2】
【数3】
【0007】
ボールねじ装置の構成部品であるナット、ねじ軸及びボールにおいて、例えばナット及びねじ軸の寿命を延ばしても、ボールの寿命がナット及びねじ軸よりも短いと、ボールが一番先に破損してしまい、ボールねじ装置が所望する品質にならない可能性がある。一方、ナット、ねじ軸及びボールのそれぞれの寿命をばらばらに、かつ、大幅に大きく設定すると、熱処理等の手間が掛かり製造コストの高騰を招く可能性がある。ここで、式（１）から（３）では、ボールねじ装置の所望の要求寿命倍率に対して、ナット、ねじ軸及びボールのそれぞれの残留オーステナイト量の値が一意的に定まる。残留オーステナイトは、鋼を焼入れする際に、完全にマルテンサイトにはならずに一部未変態のオーステナイトとして残ったものである。表層部の残留オーステナイト量が多いと、構成部品の靱性が向上して構成部品の寿命が延びる。従って、所望する要求寿命倍率とストローク係数とを式（１）から式（３）に代入することにより、ナット、ねじ軸及びボールのそれぞれについて、必要とされる残留オーステナイト量が算出される。即ち、ナット、ねじ軸及びボールのそれぞれについて、この算出された残留オーステナイト量にすることにより、ナット、ねじ軸及びボールがほぼ同じ寿命で同時に損傷することになる。これにより、ボールねじ装置の寿命が、所望する寿命よりも大幅に長い寿命となることを抑制し、かつ、所望するよりも耐久性が劣ることを抑制して、コストと品質とのバランスがとれたボールねじ装置を得ることができる。
【0008】
前記ボールねじ装置の望ましい態様として、ストローク係数ｆｓが３．１７５以上かつ４．８未満で使用され、前記ボールの前記残留オーステナイト量γＲＢは、前記ねじ軸の前記残留オーステナイト量γＲＳよりも大きく、かつ、前記ねじ軸の前記残留オーステナイト量γＲＳは、前記ナットの前記残留オーステナイト量γＲＮよりも大きい。
【0009】
このように、ボールねじ装置のストローク係数に応じて、ボール、ねじ軸及びナットの残留オーステナイト量の大小関係が定まるため、各部品の寿命を最大限発揮しつつ、生産性に優れたボールねじ装置を構成できるという効果がある。なお、ボールねじ装置は、例えば、電動射出成形機や電動サーボプレスなどの短いストロークに使用される場合があり、この場合は、ボールねじ装置のストローク係数は、例えば、４．８未満である。
【0010】
前記ボールねじ装置の望ましい態様として、ストローク係数ｆｓが３．１７５未満で使用され、前記ねじ軸の前記残留オーステナイト量γＲＳは、前記ボールの前記残留オーステナイト量γＲＢよりも大きく、かつ、前記ボールの前記残留オーステナイト量γＲＢは、前記ナットの前記残留オーステナイト量γＲＮよりも大きい。
【0011】
このように、ボールねじ装置のストローク係数ｆｓに応じて、ボール、ねじ軸及びナットの残留オーステナイト量の大小関係が定まるため、各部品の寿命を最大限発揮しつつ、生産性に優れたボールねじ装置を構成できるという効果がある。
【0012】
前記ボールねじ装置の望ましい態様として、前記ボールは、浸炭窒化処理材である。浸炭窒化処理は、他の熱処理に比較して、残留オーステナイト体積分率を確保できるというメリットがある。
【発明の効果】
【0013】
本開示に係るボールねじ装置によれば、ボール表面の剥離を抑制し、ボールねじ装置全体の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【0016】
【0017】
【0018】
ねじ軸１は、大径部１１と、小径部１２，１３とを備える。大径部１１は、ねじ軸１の軸方向の中央部に位置する。小径部１２は、ねじ軸１の軸方向の一方側の端部に設けられ、大径部１１よりも細い。小径部１３は、ねじ軸１の軸方向の他方側の端部に設けられ、大径部１１よりも細い。大径部１１は、外周面に螺旋状の第２ねじ溝１４を有する。また、大径部１１の端部１５には、第３ねじ溝１６が設けられる。
【0019】
ナット２は、図２に示すように、円筒部２１と、フランジ部２２とを備える。円筒部２１の内周面２３には、螺旋状の第１ねじ溝２４が設けられる。第１ねじ溝２４と第２ねじ溝１４とで囲まれる転動路内を複数のボール３が転動する。
【0020】
大径部１１の軸方向の一方側の端部１５には、転がり軸受４が設けられる。転がり軸受４は、外輪４１を有する。外輪４１の内周面には、第３ねじ溝１６に対応する第４ねじ溝４２が設けられ、第３ねじ溝１６と第４ねじ溝４２とで囲まれる転動路内を複数のボール３Ａが転動する。なお、転動体挿入穴４４は、蓋４５で塞がれている。
【0021】
前述したボール３の表層部の残留オーステナイト量γＲＢと、ねじ軸１の第２ねじ溝１４の表層部の残留オーステナイト量γＲＳと、ナット２の第１ねじ溝２４の表層部の残留オーステナイト量γＲＮとについて説明する。なお、表層部とは、例えば、表面から５０マイクロメートル以下の深さの部位を示す。また、残留オーステナイト量は、体積％で示すものとする。
【0022】
また、残留オーステナイト量の測定機器は、例えばＸ線回折装置を用いる。測定方法は、例えば、電解研磨装置で熱処理中に形成された表面酸化層を除去した後，Ｘ線を照射する。
【0023】
さらに、ボールねじ装置１０の寿命とは、ねじ軸１、ナット２及びボール３のうちいずれかがはく離を起こした時点でのボールねじ装置１０のストローク数を意味するものとする。
【0024】
本発明者らは、ボール３の表面に生じた大型はく離の破損メカニズムの調査から、ボール３の表層部の残留オーステナイト量γＲＢを従来よりも向上させることで、ボール３の表面を起点としたはく離の発生を抑制できることを見出した。
【0025】
次に、ねじ軸１に対するボール３の寿命比βＢを説明する。なお、寿命比βＢ、ボール３の寿命、及び、ねじ軸１の寿命との間には次の関係式が成立する。
（寿命比βＢ）＝（ボール３の寿命）÷（ねじ軸１の寿命）
（寿命比βＢ）＝（ボール３の寿命）÷（ねじ軸１の寿命）
【0026】
寿命比βＢを、ボール３とねじ軸１の応力繰返し数と接触面圧の９乗則に基づいて表すと、下記の式（４）のようになる。
【数4】
【0027】
式（４）において、ＰＳとＰＢは、ねじ軸１の第２ねじ溝１４の表面とボール３の表面との接触面圧を表す。具体的には、ＰＳは、ねじ軸１の第２ねじ溝１４の表面がボール３の表面から受ける接触面圧であり、ＰＢは、ボール３の表面が第２ねじ溝１４の表面から受ける接触面圧である。また、ＮＳとＮＢは、ボールねじ装置１０を１ストローク運転させた際のねじ軸１の第２ねじ溝１４の表面及びボール３の表面における応力繰返し数を表す。
【0028】
本発明者らは、実際の使用条件下でのねじ軸１に対するボール３の寿命比βＢを調べる目的から、実用に供されている電動射出成形機向け計２０型番のボールねじ装置１０の軸方向荷重やストロークからＰＳとＰＢ並びにＮＳとＮＢを求め、前述の式（４）によって各型番の寿命比βＢを算出した。次に、ボールねじ装置１０の有効巻数ζと回路数ξとリードｌとの積を求め、この積でストロークＳｔを割ることにより式（５）が得られた。また、式（５）のストローク係数ｆｓと寿命比βＢとの関係式である式（６）が得られた。
【0029】
【数5】
【数6】
【0030】
なお、式（６）で表されるボール３の寿命比を推定する際は、ボール３の表面のある特定の一つの赤道が、ねじ軸１の第２ねじ溝１４の表面と接触するものとして解析した。電動射出成形機などで用いられるボールねじ装置１０では、ナット２のストロークが短いこと、また、ナット２の有効巻数が大きいことに起因して、１ストロークを運転した時に、ボール３に荷重がかかる部位から循環回路へ退避するボール３の数が少ないため、上記のように解析しても問題ないと言える。
【0031】
同様にして、ねじ軸１に対するナット２の寿命比βＮは、次式（７）になる。
【数7】
【0032】
【0033】
図３において、実線はねじ軸１に対するボール３の寿命比βＢを示す。破線はねじ軸１に対するナット２の寿命比βＮを示す。実線に示すように、ストローク係数ｆｓが０．２のとき寿命比βＢは８、ストローク係数ｆｓが１のとき寿命比βＢは２．５、というようにストローク係数ｆｓが大きくなるにつれて寿命比βＢは減少する。そして、ストローク係数ｆｓが３．１７５のとき寿命比βＢは１となる。ここで、寿命比βＢが１ということは、ねじ軸１の寿命とボール３の寿命とが同一であることを示す。つまり、ストローク係数ｆｓが３．１７５未満では、寿命比βＢは１よりも大きいため、ねじ軸１よりもボール３の寿命の方が長いことを意味する。
【0034】
破線に示すように、ストローク係数ｆｓが０．３のとき寿命比βＮは８、ストローク係数ｆｓが３のとき寿命比βＮは１．５、というようにストローク係数ｆｓが大きくなるにつれて寿命比βＮは減少する。そして、ストローク係数ｆｓが４．８のとき寿命比βＮは１となる。ここで、寿命比βＮが１ということは、ねじ軸１の寿命とナット２の寿命とが同一であることを示す。つまり、ストローク係数ｆｓが４．８未満では、寿命比βＮは１よりも大きいため、ねじ軸１よりもナット２の寿命の方が長いことを意味する。
【0035】
そして、ストローク係数ｆｓが４．８未満では、寿命比βＮは寿命比βＢよりも大きいため、ナット２の寿命の方がボール３の寿命よりも長い。
【0036】
以上より、（ａ）ストローク係数ｆｓが３．１７５未満のときは、「ナットの寿命＞ボールの寿命＞ねじ軸の寿命」の関係が成立する。また、（ｂ）ストローク係数ｆｓが３．１７５以上かつ４．８未満のときは、「ナットの寿命＞ねじ軸の寿命＞ボールの寿命」の関係が成立する。
【0037】
ここで、残留オーステナイト量（体積％）γＲと要求寿命倍率αの関係は、次式（８）で表せる。
【数8】
【0038】
まず、ねじ軸を基準として考えるので、式（８）においてα＝αＳとすればねじ軸の長寿命化のために必要なγＲの関係式が得られる。次に、ねじ軸基準でボールの寿命比βＢ＝αＢ／αＳは式（６）で表されるので、これに式（８）を代入して導出する。即ち、式（６）に式（８）を代入すれば、ボール３の要求寿命倍率αＢが１よりも大きく、ストローク係数ｆｓが４．８未満でのボール３の表層部の残留オーステナイト量γＲＢは、次式（９）のように導くことができる。ここで、要求寿命倍率は、従来のボールねじ装置の寿命に対して長寿命化させる割合という定義である。
【数9】
【0039】
同様にして、ストローク係数ｆｓが４．８未満における、ねじ軸１の第２ねじ溝１４の表層部の残留オーステナイト量γＲＳと、ナット２の第１ねじ溝２４の表層部の残留オーステナイト量γＲＮとについて、要求寿命倍率αＳ及びαＮが１よりも大きい場合は、それぞれ式（１０）と式（１１）のように導くことができる。なお、αＳは、ねじ軸１の要求寿命倍率であり、寿命倍率αＮは、ナット２の要求寿命倍率である。
【数10】
【数11】
【0040】
従って、ボールねじ装置１０全体の要求寿命と、ボール３の寿命と、ねじ軸１の寿命と、ナット２の寿命とが全て合致するようなそれぞれの残留オーステナイト量γＲＢ，γＲＳ及びγＲＮは、式（９）～（１１）において、αＢ＝αＳ＝αＮ＝α＞１を満たすαを代入して得られる。すなわち、ストローク係数ｆｓ＜４．８で用いられるようなボールねじ装置において、生産性を損なわず長寿命化（α＞１）するためには、各部品の残留オーステナイト量が次の（ｃ）及び（ｄ）の大小関係を満足するような組合せとなる設計が合理的である。この理由は、ストローク係数ｆｓ＝３．１７５を境界にして、ねじ軸とボールの寿命の大小関係が逆転するため、ストロークに応じて各部品の残留オーステナイト量の関係が変化するからである。
（ｃ）ストローク係数ｆｓが３．１７５未満のときは、「ねじ軸１の残留オーステナイト量γＲＳ＞ボール３の残留オーステナイト量γＲＢ＞ナット２の残留オーステナイト量γＲＮ」
（ｄ）ストローク係数ｆｓが３．１７５以上かつ４．８未満のときは、「ボール３の残留オーステナイト量γＲＢ＞ねじ軸１の残留オーステナイト量γＲＳ＞ナット２の残留オーステナイト量γＲＮ」
（ｃ）ストローク係数ｆｓが３．１７５未満のときは、「ねじ軸１の残留オーステナイト量γＲＳ＞ボール３の残留オーステナイト量γＲＢ＞ナット２の残留オーステナイト量γＲＮ」
（ｄ）ストローク係数ｆｓが３．１７５以上かつ４．８未満のときは、「ボール３の残留オーステナイト量γＲＢ＞ねじ軸１の残留オーステナイト量γＲＳ＞ナット２の残留オーステナイト量γＲＮ」
【0041】
なお、ボールは、浸炭窒化処理材である。ボールの材質は、例えば軸受鋼が望ましい。浸炭窒化処理は、例えば、ＲＸガスにプロパン，アンモニアを添加するという条件で処理することが望ましい。
【0042】
［実施例］
次に、実施例を説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例のボールねじ装置及び部品］
実施例に係るボールねじ装置として、電動射出成形機の射出軸などの用途で多く使用される型式ＢＳ６３１６－１０．５を用いて検証した。ボールねじ装置ＢＳ６３１６－１０．５の主要な内部諸元は、以下のとおりである。
・ねじ軸外径（ｄ）：６３ｍｍ
・リード（ｌ）：１６ｍｍ
・ねじ巻数（ζ）：３．５
・循環回路数（ξ）：３
・ねじ有効巻数（ζ×ξ）：１０．５（＝３．５×３）
次に、実施例を説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例のボールねじ装置及び部品］
実施例に係るボールねじ装置として、電動射出成形機の射出軸などの用途で多く使用される型式ＢＳ６３１６－１０．５を用いて検証した。ボールねじ装置ＢＳ６３１６－１０．５の主要な内部諸元は、以下のとおりである。
・ねじ軸外径（ｄ）：６３ｍｍ
・リード（ｌ）：１６ｍｍ
・ねじ巻数（ζ）：３．５
・循環回路数（ξ）：３
・ねじ有効巻数（ζ×ξ）：１０．５（＝３．５×３）
【0043】
また、実施例のボールねじ装置ＢＳ６３１６－１０．５を構成するボール、ねじ軸及びナットの材料と熱処理について説明する。ボールについて、材料は軸受鋼、熱処理は浸炭窒化処理である。また、ねじ軸について、材料は高炭素鋼、熱処理は高周波焼入である。そして、ナットについて、材料は肌焼鋼、熱処理は浸炭焼入である。
【0044】
なお、実施例について、ボールねじ装置のストローク係数ｆｓを０．４８とし、ボール、ねじ軸及びナットに共通の要求寿命倍率αを５倍程度とした。また、ボールの表層部（表面から５０マイクロメートル）の残留オーステナイト量γＲＢを平均２０％とし、ねじ軸の第２ねじ溝（軌道面）の表層部（表面から５０マイクロメートル）の残留オーステナイト量γＲＳを２５％以上とし、ナットの第１ねじ溝（軌道面）の表層部（表面から５０マイクロメートル）の残留オーステナイト量γＲＮを１５％以上とした。
【0045】
［比較例１のボールねじ装置及び部品］
次に、実施例と同じ型式ＢＳ６３１６－１０．５のボールねじ装置を用い、実施例に対してボールのみを換えた比較例１を説明する。比較例１のボール、ねじ軸及びナットの材料と熱処理は、次のとおりである。即ち、ボールについて、材料は軸受鋼、熱処理は普通焼入である。また、ねじ軸について、材料は高炭素鋼、熱処理は高周波焼入である。そして、ナットについて、材料は肌焼鋼、熱処理は浸炭焼入である。
次に、実施例と同じ型式ＢＳ６３１６－１０．５のボールねじ装置を用い、実施例に対してボールのみを換えた比較例１を説明する。比較例１のボール、ねじ軸及びナットの材料と熱処理は、次のとおりである。即ち、ボールについて、材料は軸受鋼、熱処理は普通焼入である。また、ねじ軸について、材料は高炭素鋼、熱処理は高周波焼入である。そして、ナットについて、材料は肌焼鋼、熱処理は浸炭焼入である。
【0046】
なお、比較例１について、ボールねじ装置のストローク係数ｆｓを０．４８とした。また、ボールの要求寿命倍率αＢを１．５倍程度とし、ねじ軸及びナットの要求寿命倍率αＳとαＮを５倍程度とした。そして、ボールの表層部の残留オーステナイト量γＲＢを１０％とし、ねじ軸の第２ねじ溝（軌道面）の表層部の残留オーステナイト量γＲＳを２５％以上とし、ナットの第１ねじ溝（軌道面）の表層部の残留オーステナイト量γＲＮを１５％以上とした。
【0047】
［比較例２のボールねじ装置及び部品］
次に、実施例と同じ型式ＢＳ６３１６－１０．５のボールねじ装置を用い、実施例に対してボール、ねじ軸及びナットを換えた比較例２を説明する。比較例２のボール、ねじ軸及びナットの材料と熱処理は、次のとおりである。即ち、ボールについて、材料は軸受鋼、熱処理は普通焼入である。また、ねじ軸について、材料は中炭素鋼、熱処理は高周波焼入である。そして、ナットについて、材料は肌焼鋼、熱処理は浸炭焼入である。
次に、実施例と同じ型式ＢＳ６３１６－１０．５のボールねじ装置を用い、実施例に対してボール、ねじ軸及びナットを換えた比較例２を説明する。比較例２のボール、ねじ軸及びナットの材料と熱処理は、次のとおりである。即ち、ボールについて、材料は軸受鋼、熱処理は普通焼入である。また、ねじ軸について、材料は中炭素鋼、熱処理は高周波焼入である。そして、ナットについて、材料は肌焼鋼、熱処理は浸炭焼入である。
【0048】
なお、比較例２について、ボールねじ装置のストローク係数ｆｓを０．４８とした。また、ボールの要求寿命倍率αＢを１．５倍程度とし、ねじ軸及びナットの要求寿命倍率αＳとαＮを１倍程度とした。そして、ボールの表層部の残留オーステナイト量γＲＢを１０％とし、ねじ軸の第２ねじ溝（軌道面）とナットの第１ねじ溝（軌道面）の表層部の残留オーステナイト量γＲＳとγＲＮを９％程度とした。
【0049】
［耐久試験の条件］
次に、実施例及び比較例１、２のボールねじ装置を稼動させて、同一条件下で耐久試験を行った。耐久試験の条件を以下に示す。
・最大軸方向荷重：Ｆａｍａｘ＝３００ｋＮ
・最高ねじ軸回転数：ｎｍａｘ＝５００ｍｉｎ－１
・ストローク：Ｓｔ＝８０ｍｍ
・潤滑剤：グリース
次に、実施例及び比較例１、２のボールねじ装置を稼動させて、同一条件下で耐久試験を行った。耐久試験の条件を以下に示す。
・最大軸方向荷重：Ｆａｍａｘ＝３００ｋＮ
・最高ねじ軸回転数：ｎｍａｘ＝５００ｍｉｎ－１
・ストローク：Ｓｔ＝８０ｍｍ
・潤滑剤：グリース
【0050】
［耐久試験の結果］
比較例１の場合、運転サイクル数が２５９．０万サイクルにおいて、ねじ軸の第２ねじ溝（軌道面）及びナットの第１ねじ溝（軌道面）にははく離破損は認められなかったが、ボールの表面にはく離破損が認められた。従って、比較例１に係るボールねじ装置の全体としての寿命は、運転サイクル数が２５９．０万サイクルと認定することができる。また、比較例２の場合、運転サイクル数が８９．０万サイクルにおいて、ボール表面とねじ軸軌道面には、はく離破損は認められなかったが、ナット軌道面には、はく離破損が認められた。従って、比較例２に係るボールねじ装置の全体としての寿命は、運転サイクル数が８９．０万サイクルと認定することができる。
比較例１の場合、運転サイクル数が２５９．０万サイクルにおいて、ねじ軸の第２ねじ溝（軌道面）及びナットの第１ねじ溝（軌道面）にははく離破損は認められなかったが、ボールの表面にはく離破損が認められた。従って、比較例１に係るボールねじ装置の全体としての寿命は、運転サイクル数が２５９．０万サイクルと認定することができる。また、比較例２の場合、運転サイクル数が８９．０万サイクルにおいて、ボール表面とねじ軸軌道面には、はく離破損は認められなかったが、ナット軌道面には、はく離破損が認められた。従って、比較例２に係るボールねじ装置の全体としての寿命は、運転サイクル数が８９．０万サイクルと認定することができる。
【0051】
これに対して、実施例の場合、運転サイクル数が４４０．０万サイクルにおいて、ボールの表面やナットの第１ねじ溝（軌道面）に損傷は認められなかったが、ねじ軸の第２ねじ溝（軌道面）に、はく離破損が生じた。従って、実施例のボールねじ装置の全体としての寿命は、運転サイクル数が４４０．０万サイクルと認定することができる。このように、実施例のボールねじ装置の寿命は、比較例１，２のボールねじ装置の寿命よりも向上することが裏付けられた。
【0052】
以上説明したように、本実施形態に係るボールねじ装置１０は、内周面２３に第１ねじ溝２４を有する筒状のナット２と、ナット２の内方に挿入され、外周面に第２ねじ溝１４を有するねじ軸１と、第１ねじ溝２４と第２ねじ溝１４とで囲まれる転動路に収容される複数のボール３と、を備え、ストローク係数ｆｓが４．８未満で使用される。ボール３の表層部の残留オーステナイト量γＲＢは、体積％で下記式（１）を満たし、ねじ軸１の第２ねじ溝１４の表層部の残留オーステナイト量γＲＳは、体積％で下記式（２）を満たし、ナット２の第１ねじ溝２４の表層部の残留オーステナイト量γＲＮは、体積％で下記式（３）を満たし、かつ、下記式（１）から（３）に共通のボールねじ装置１０の要求寿命倍率αは、１よりも大きい。
【数1】
【数2】
【数3】
【0053】
ボールねじ装置１０の構成部品であるナット２、ねじ軸１及びボール３において、例えばナット２及びねじ軸１の寿命を延ばしても、ボール３の寿命がナット２及びねじ軸１よりも短いと、ボール３が一番先に破損してしまい、ボールねじ装置が所望する品質にならない可能性がある。一方、ナット２、ねじ軸１及びボール３のそれぞれの寿命をばらばらに、かつ、大幅に大きく設定すると、熱処理等の手間が掛かり製造コストの高騰を招く可能性がある。
【0054】
ここで、式（１）から（３）では、ボールねじ装置１０の所望の要求寿命倍率αに対する残留オーステナイト量の値が一意的に定まる。残留オーステナイトは、鋼を焼入れする際に、完全にマルテンサイトにはならずに一部未変態のオーステナイトとして残ったものである。表層部の残留オーステナイト量が多いと、構成部品の靱性が向上して構成部品の寿命が延びる。
【0055】
従って、所望する要求寿命倍率αを定め、ストローク係数ｆｓを式（１）から（３）に代入することにより、ナット２、ねじ軸１及びボール３のそれぞれについて、残留オーステナイト量が算出される。即ち、ナット２、ねじ軸１及びボール３のそれぞれについて、この算出された残留オーステナイト量にすることにより、ナット２、ねじ軸１及びボール３が要求寿命倍率αの近辺で、ほぼ同時に損傷することになる。これにより、ボールねじ装置１０の寿命が、所望する寿命よりも大幅に長い寿命となることを抑制し、かつ、所望するよりも耐久性が劣ることを抑制して、コストと品質とのバランスがとれたボールねじ装置１０を得ることができる。
【0056】
ボール３、ねじ軸１及びナット２は、それぞれストローク係数ｆｓが３．１７５以上かつ４．８未満で使用され、ボール３の残留オーステナイト量γＲＢは、ねじ軸１の残留オーステナイト量γＲＳよりも大きく、かつ、ねじ軸１の残留オーステナイト量γＲＳは、ナット２の残留オーステナイト量γＲＮよりも大きい。
【0057】
また、ボール３、ねじ軸１及びナット２は、それぞれストローク係数ｆｓが３．１７５未満で使用され、ねじ軸１の残留オーステナイト量γＲＳは、ボール３の残留オーステナイト量γＲＢよりも大きく、かつ、ボール３の残留オーステナイト量γＲＢは、ナット２の残留オーステナイト量γＲＮよりも大きい。
【0058】
このように、ボールねじ装置１０のストローク係数ｆｓに応じて、ボール３、ねじ軸１及びナット２の残留オーステナイト量の大小関係が定まるため、各部品の寿命を最大限発揮しつつ、生産性に優れたボールねじ装置を構成できるという効果がある。
【0059】
さらに、ボール３は、浸炭窒化処理材である。浸炭窒化処理は、他の熱処理に比較して、残留オーステナイト体積分率を確保できるというメリットがある。
【符号の説明】
【0060】
１ ねじ軸
２ ナット
３ ボール
１０ ボールねじ装置
１４ 第２ねじ溝
２３ 内周面
２４ 第１ねじ溝
２ ナット
３ ボール
１０ ボールねじ装置
１４ 第２ねじ溝
２３ 内周面
２４ 第１ねじ溝
【図1】
【図2】
【図3】