JP3728917B2 - Ball screw device - Google Patents
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Description
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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1i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。
【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。
【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。
【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。
【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1i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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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、SUS440C等のステンレス鋼が好ましく用いられる。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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0.0008mm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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ball screw device, and more particularly, to a ball screw device that is used for driving a high-speed feed of a machine tool and realizes high speed and high accuracy.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a ball screw device, for example, as disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 6-11433, a tube type in which a nut is screwed onto a screw shaft having a spiral groove via a rolling element such as a hard ball. One using a ball screw is known. A spiral groove corresponding to the spiral groove of the screw shaft is provided on the inner surface of the nut. Then, by the rotation of the screw shaft, the ball moves while rolling in both spiral grooves, and the nut moves linearly along the screw shaft.
[0003]
In the ball screw device as described above, conventionally, a steel ball made of SUJ2 of bearing steel has been used as the rolling element. In such a ball screw drive using a steel ball, for example, when a high speed feed of 60 m / min or more is performed, the amount of heat generation increases, the temperature rises, the noise increases, and the tongue portion of the ball screw tube further increases. Therefore, it is difficult to use the ball screw device at a high speed.
[0004]
In this field, in order to solve the above problem, 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]
[Problems to be solved by the invention]
In ball screws, for high-precision positioning, it is common to apply a preload to the ball screw in order to increase the rigidity by reducing the axial clearance of the ball screw to zero, further reducing the amount of elastic displacement with respect to the axial load. is there. For this reason, 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 resulting from a temperature rise due to high-speed rotation of the screw shaft.
[0006]
However, when ceramic spheres are used as rolling elements, if high-speed feeding is performed, the linear expansion coefficient is small and the temperature rise is small, but the specific gravity is small, so the increase in preload is small. In addition, since the linear expansion coefficient of the rolling element is smaller than that of the ball shaft and ball nut, there is a problem that clearance tends to occur inside the ball screw and preload is lost. As a result, the positioning accuracy of the ball screw device deteriorates. There was something to do.
[0007]
As described above, when ceramic balls are used as rolling elements, internal clearance is likely to occur because the diameter of the rolling elements is small with respect to the ball shaft / ball nut and the linear expansion coefficient is small. It is because it becomes easy to be influenced by.
[0008]
An object of the present invention is to solve the above problems. That is, an object of the present invention is to suppress the generation of internal clearance caused by a small linear expansion coefficient of ceramic spheres when a ceramic material is used for a high-speed feed drive and a rolling element is used. It is an object of the present invention to provide a ball screw device that can prevent a decrease and can realize high speed and high accuracy.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive 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 on the ball nut side lower than the ball shaft side, or by setting the linear expansion coefficient of the material on the ball nut side smaller than the ball shaft side, It has been found that the generation of internal clearance caused by the low coefficient of linear expansion of ceramic spheres can be suppressed, the decrease in internal preload can be suppressed, high-speed feed can be achieved, and high accuracy can be realized. It came to achieve.
[0010]
That is, a ball screw device according to the present invention includes a screw shaft having a spiral ball screw groove on the outer peripheral surface, a ball nut having a ball screw groove on the inner peripheral surface facing the ball screw groove of the screw shaft, A ball screw comprising a ball screw groove of a ball nut and a rolling element that is movably fitted between the ball screw groove of the screw shaft, wherein the rolling element is made of a ceramic material having a specific gravity of 2 to 4. And at least the amount of thermal expansion on the ball nut side is reduced. In particular, as a means for reducing the amount of thermal expansion on the ball nut side, the ball screw device is provided with a cooling mechanism or the ball nut is made of stainless steel.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described. In addition, embodiment of this invention is not limited to the following examples.
[0012]
(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
[0013]
A spiral
[0014]
The inside of the
[0015]
The ball nut 2 is formed in a substantially cylindrical shape, and a
[0016]
In the ball screw device as described above, when the
[0017]
In the process as described above, in this embodiment, when a ball made of a ceramic material having a specific gravity of 2 to 4 is used, a high positioning accuracy is achieved by providing the cooling mechanism, and the linear expansion coefficient of the ceramic material is small. Therefore, the generation of the internal clearance of the ball screw device can be suppressed. That is, by passing the coolant through the shaft hollow, the temperature rise of the entire ball screw device can be kept low, and the internal preload can be prevented from decreasing.
[0018]
(2) Example of adding nut side cooling to shaft side hollow cooling-Series system-
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 connected in series to the shaft side hollow cooling of the above (1). An example added with 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. Discharged. The discharged coolant is further introduced into the hollow of the
[0019]
In the cooling mechanism of this embodiment, first, the ball nut side is cooled by the coolant, and then the coolant whose temperature has been raised by this cooling action is circulated through the ball shaft hollow this time. Cooling. Therefore, according to this method, it is possible to set the temperature increase on the ball nut side lower than that on the ball shaft side.
[0020]
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 the system is based on various combinations and orders. Can be adopted.
[0021]
In the present embodiment, by providing the cooling mechanism as described above, high positioning accuracy can be achieved, and generation of internal clearance of the ball screw device can be more effectively suppressed.
[0022]
(3) Example of adding nut side cooling 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 substantially the same as that of the embodiment shown in FIG. 1, but in this embodiment, the nut side cooling is further provided in parallel with the shaft side hollow cooling of (1) above. Therefore, 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
[0023]
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 freely set. Can achieve the object of the present invention more effectively by setting the temperature setting 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]
That is, in this embodiment, by providing the cooling mechanism as described above, high positioning accuracy is achieved, and generation of internal clearance of the ball screw device can be more effectively suppressed.
[0025]
(4) Example of imparting cooling effect by oil air and oil mist lubrication from the ball nut side 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 substantially the same as that of the embodiment shown in FIG. 1, but this embodiment does not perform hollow cooling on the shaft side, and simple methods such as oil air, oil mist, etc. This is a system that has a cooling effect on lubrication. That is, in the present embodiment, when oil ball or oil mist is supplied from the ball nut side inflow pipe 2i to lubricate the ball screw, the air nut has an effect of cooling the ball screw. It can be set so that the ascent can be made lower than the ball shaft side.
[0026]
(5) Example using stainless steel as the material on the ball nut side FIG. 5 is a block diagram showing another example of the ball screw device of the present invention. In FIG. 5, the ball screw includes a
[0027]
A spiral
[0028]
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
[0029]
That is, in this embodiment, by having the material configuration as described above, high positioning accuracy is achieved, and generation of internal clearance of the ball screw device that occurs due to the low coefficient of linear expansion of the ceramic material is effectively suppressed. can do.
[0030]
In any of the above embodiments (1) to (5), in any of them, two nuts,
[0031]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a normal state of contact between the ball nut 2 and the
[0032]
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 as described above is small, and as a result, the
[0033]
The above point will be explained by specific calculation. For example, in a high-speed screw having a shaft diameter of 40 mm and a lead of 30 mm, if the ball diameter is 6.35 mm and the average temperature rise of the ball shaft is 20 ° C., generally the ball shaft Since the heat dissipation is larger, the temperature rise of the ball nut becomes 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, so that it can be assumed to be about 40 ° C.
[0034]
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 0.0032 mm. If the linear expansion coefficient of the ceramic sphere is 3.2 × 10 −6 / ° C., the expansion amount is 0.0008 mm. The difference between the expansion amount of the ball nut and the ball shaft, excluding the expansion amount of the ball, is the increase amount of the internal clearance. If this is calculated from the following formula, the increase amount of the internal clearance in the case of the steel ball is almost In contrast to 0, an increase of 0.0028 mm is caused in the ceramic sphere. That is, it is understood that the increase in the internal clearance is larger when the ceramic sphere is used.
[0035]
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, α2 is the linear expansion coefficient of the ball shaft, α3 is the linear expansion coefficient of the ball, and t1 is the temperature rise of the ball nut. Value, t2 is the temperature rise value of the ball shaft, and t3 is the temperature rise value of the ball.)
In the above example, in order not to generate internal clearance using ceramic balls, the temperature rise on the ball nut side is set to 3 ° C. lower than that on the ball shaft side, or the material line on the ball nut side is set. It is necessary to set the expansion coefficient to 10.8 × 10 −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 can be easily predicted that the effect will increase. In order to achieve the object of the present invention, the present inventors have intensively studied from the above knowledge, and that the linear expansion coefficient of the material on the ball nut side is set to 10.5 × 10 −6 / ° C. or less. I found it preferable.
[0036]
FIG. 7 shows a case where a steel ball (linear expansion coefficient: 12.5 × 10 −6 / ° C.) is used as a rolling element (ball) in the ball screw having no cooling mechanism in the method of the embodiment (1). When ceramic spheres (linear expansion coefficient 3.2 × 10 −6 / ° C.) are used, when the above-mentioned ceramic spheres are used for the axial side hollow cooling of the embodiment (1), and further using ceramic spheres For each of the cases where the ball nut of the embodiment (5) is made of stainless steel (linear expansion coefficient: 10.1 × −6 / ° C.), the result of measuring the increase value of the nut surface temperature with respect to the average rotational speed of the ball shaft is Show.
[0037]
According to this, when a ceramic sphere is used as a rolling element, the temperature increase value increases less as compared with the case where a steel ball is used as the rotational speed increases.
[0038]
From this, when the ceramic sphere is used, it is expected that not only the effect of the centrifugal force of the ball but also the decrease 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. 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, cooling on the ball shaft side is required to improve performance.
[0039]
The ball screw device of the present invention is preferably used, for example, for driving a machine tool that performs high-speed feed by high-speed rotation, and can achieve high speed and high accuracy of the ball screw device. .
[0040]
【The invention's effect】
As described above in detail, by reducing the amount of thermal expansion on the ball nut side as in the present invention, in particular, a cooling mechanism is provided on the ball screw so that the temperature on the ball nut side is lower than the temperature on the ball shaft side. Generation of internal clearance of ball screw due to low linear expansion coefficient of rolling elements made of ceramics by controlling the setting or by setting the coefficient of linear expansion of the material on the ball nut side lower than that of the ball shaft side It is expected to suppress the effect. Therefore, this enables high-speed feeding and suppresses a decrease in internal preload. Furthermore, thermal displacement is suppressed by the cooling effect, and high accuracy can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an embodiment (an example of shaft side hollow cooling) of a ball screw device of the present invention.
FIG. 2 is an overall configuration diagram showing an embodiment of the ball screw device according to the present invention (an example in which nut-side cooling is added to shaft-side hollow cooling—a series system—).
FIG. 3 is an overall configuration diagram showing an embodiment of the ball screw device according to the present invention (an example in which nut-side cooling is added to shaft-side hollow cooling—a parallel system—).
FIG. 4 is an overall configuration diagram showing an embodiment of the ball screw device according to the present invention (an example in which a cooling effect is provided by oil air and oil mist lubrication from the ball nut side).
FIG. 5 is a configuration diagram showing an embodiment of the ball screw device of the present invention (an example in which stainless steel is used as the material on the ball nut side).
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a normal state of contact between a ball nut and a screw groove of a screw shaft and a ball in a double nut preload system.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the average rotational speed and the temperature rise in the embodiment of the present invention and the prior art.
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