研磨ボールねじの動的定格荷重とは？Caと寿命の計算

研削ボールねじの基本動定格荷重。通常は次のように識別されます。それは、アキシアル荷重下でのねじの公称転がり疲労寿命を計算するために使用されるカタログ値です。

これは機械が移動できる最大荷重ではないため、推奨される連続動作荷重として扱うべきではありません。 Ca 定格に等しい負荷で動作するボールねじの基本公称寿命は、定義された基準条件下でわずか 100 万回転です。

動定格荷重 Ca とは何を意味しますか?

ボールねじが負荷を受けて作動すると、ボールはねじ軸とボールナットの軌道面に繰り返し接触します。これらの繰り返しの接触応力は最終的に転がり疲労損傷を引き起こす可能性があり、通常はボールまたは軌道面の表面剥離として始まります。

基本動的アキシアル定格荷重 Ca は、この疲労がいつ発生するかを推定するための標準化された基準を提供します。評価は通常、次のことを前提としています。

• 一定のアキシアル荷重
• 荷重方向の変化なし
• 正しい取り付けと位置合わせ
• 適切な潤滑
• 異常な衝撃、汚れ、温度の影響がないこと
• 基準寿命は10⁶革命

「90％」という言葉は重要です。公称寿命は、同一のボールねじのグループに対する統計的評価であり、すべての個々のねじが正確に計算された回転数で故障することを保証するものではありません。

研削ボールねじの Ca 評価は自動的に高くなりますか?

いいえ。「研磨」とは、ねじ軌道の製造方法と、達成できるリード精度のレベルを表します。単一の固定動定格荷重を定義するものではありません。

精密研削ボールねじは、標準の転造ボールねじよりも優れたリード精度、より滑らかな軌道形状、より厳密な予圧制御、およびより安定した動作を実現します。ただし、これらの利点は、すべての研削ボールねじの Ca 値が高いことを自動的に意味するわけではありません。

カタログ動定格荷重は主に、以下を含む完全な内部設計によって決定されます。

• ねじの呼び径
• ボールの直径と個数
• 搭載されたボール回路の数
• ナット有効長さ
• 軌道形状と接触角
• ボール循環構造
• ネジ、ナット、ボールの材質
• 熱処理と軌道硬度

したがって、同じ直径とリードを持つ 2 つの研削ボールねじは、異なるナット長さ、ボール回路、ボール直径、または内部構造を使用している場合、異なる動定格荷重を持つ可能性があります。

同様に、同じ C3 または C5 精度等級の 2 つのボールねじの Ca 値が必ずしも同じであるとは限りません。精度等級と動定格荷重は別仕様としてご確認ください。

リード精度の詳細については、を参照してください。研削ボールねじの精度はどのくらいですか?

動定格、静定格、使用荷重は異なります

ボールねじは静的安全性要件を満たしますが、疲労寿命がまだ不十分です。また、厳しい緊急停止、衝撃荷重、またはシャフトの座屈に対して脆弱なままでありながら、許容できる計算上の疲労寿命を持つこともできます。

動的評価と静的評価を比較する例については、以下を参照してください。SFU1605 ボールねじの耐荷重: Ca および Coa 定格。

ボールねじの呼び寿命の計算方法

一定のアキシアル荷重と適切な動作条件下での単純化された基本計算では、次の方法を使用して定格寿命を推定できます。

どこ：

• L₁₀= 回転数における基本公称寿命
• それ= 基本動アキシアル荷重定格
• FM= 等価平均アキシアル荷重

Ca と Fm では、N、kN、kgf などの同じ力の単位を使用する必要があります。最初に単位を変換せずに、ニュートンの値をキログラム力の値で割らないでください。

わずかな負荷の増加が寿命を大幅に短縮する理由

負荷率が3乗されるため、等価使用荷重がCaに近づくと疲労寿命は急激に低下します。

これらの値は数学的な定格寿命の結果であり、推奨される動作負荷制限ではありません。実際の機械でも、衝撃、予圧、潤滑、汚染、位置合わせ、温度、およびアプリケーションのリスクに対するマージンが必要です。

作業例: Ca から革命、移動、時間まで

次のような研削ボールねじの例を考えてみましょう。

• 動定格荷重 Ca = 20 kN
• 等価平均アキシアル荷重 Fm = 5 kN
• リード＝10mm
• 平均スクリュー速度 = 300 rpm

ステップ 1: 回転数での公称寿命を計算する

ステップ 2: 回転数を移動距離に変換する

ステップ 3: 回転数を稼働時間に換算する

この例は、基本的な疲労寿命の計算にすぎません。これには、負荷係数、予圧、ダウンタイム、加速度の変化、衝撃、汚れ、潤滑劣化、またはその他の機械の制限は含まれません。

等価平均アキシアル荷重の計算方法

ほとんどのマシンは、1 つの一定の負荷では動作しません。加速、加工、戻り移動、保持、および減速は、それぞれ異なる軸方向の力を生成する可能性があります。

同じ方向に作用する複数の荷重ステージの場合、三次平均を使用して等価平均荷重を推定できます。

ここで、qは各負荷で完了した回転数または移動距離を表します。動作速度が一定であれば、動作時間の割合は回転数の割合を表すこともあります。

たとえば、1 つのサイクルに次の内容が含まれていると仮定します。

• 移動量の 70% で 2 kN
• 移動量の 30% で 6 kN

単純な算術平均はわずか 3.2 kN となり、これは 6 kN の負荷ステージの疲労効果を過小評価します。疲労寿命は三次の関係に従うため、ピーク動作負荷は非常に重要です。

アキシアル荷重の方向が変化する場合は、メーカーの計算方法に従って正方向荷重と負方向荷重を分けて評価してください。より厳しい結果が寿命評価に使用されます。

実際のアキシアル荷重の求め方

機械の移動質量は、ボールねじのアキシアル荷重と自動的には等しくなりません。荷重経路は、軸が水平か垂直か傾斜しているかによって異なります。

横軸

水平軸の場合、通常ボールねじはテーブルの全重量を直接支えません。リニアガイドウェイはその重量を支えます。このネジは主に以下を解決します。

• 加減速力
• ガイドウェイ、シール、ワイパーの摩擦
• 機械加工、プレス、または加工力
• ケーブルチェーンと補助抵抗
• アライメントのずれや組み付け抵抗の異常

縦軸

垂直軸の場合、重力はネジに沿って直接作用します。したがって、移動質量がアキシアル荷重の大部分を占めます。

下向き加減速、非常停止、回生動作時には、荷重の大きさや方向が変化することがあります。したがって、持ち上げ状態だけをチェックするのではなく、完全なデューティ サイクルを計算する必要があります。

予圧がボールねじの寿命に与える影響

精密研磨されたボールねじには、軸方向のすきまを減らし、剛性を向上させるために予圧が加えられることがよくあります。ただし、機械が外力を加える前に、予圧により内部ボール軌道接触荷重が発生します。

予圧をかけたからといってカタログ値のCa値が高くなるわけではありません。代わりに、寿命計算時に考慮する必要がある内部負荷条件が変更されます。

これは、次の場合に特に重要です。

• 外部動作負荷は比較的低い
• 剛性を高めるために高いプリロードレベルが使用されています
• 機械は高速で連続的に動作します
• 温度上昇により予圧状態が変化
• ミスアライメントにより追加の内部荷重が発生する

予圧付き精密ボールねじの場合は、正確なナット構造に指定された予圧と寿命の計算方法を使用してください。単純に外部機械負荷を基本式に挿入し、内部予圧を無視しないでください。

実際の耐用年数を短くする条件

計算された L10 値は、適切な設置および動作条件を前提としています。ネジが次のような環境にさらされると、実際の耐用年数が短くなる可能性があります。

• アライメントが悪い:不均一なボール負荷と過剰なトルクが発生します。
• 潤滑不足：摩擦、熱、軌道面の摩耗が増加します。
• 汚染：ボール循環経路に研磨粒子を導入します。
• 衝撃と振動:通常の計算推力よりも高い負荷を生成します。
• 間違ったプリロード:内部応力と温度が上昇します。
• 熱膨張:アライメントが変化したり、軸方向の拘束が増加したりする可能性があります。
• サポートベアリングエラー:シャフトの振れと追加の抵抗が発生する可能性があります。
• ナットブラケットの歪み:ナットをねじの自然軸から遠ざけます。

通常、これらの条件によって製品カタログに記載されている Ca 数値が変化することはありません。これらは、実際のマシンが計算された定格寿命にどれだけ近づくことができるかを変更します。

Caだけではボールねじを選定できない理由

適切な動定格荷重を備えたネジであっても、機械には不適切な場合があります。完全な選択では、以下もチェックする必要があります。

研削ボールねじの実際の選定プロセス

1. 完全なデューティ サイクルを定義します。移動、速度、加速度、プロセス力、滞留時間、方向変更が含まれます。
2. 各アキシアル荷重段階を計算します。通常の動作、加速、加工、ブレーキ、および緊急状態を分離します。
3. 等価平均荷重を計算します。単純な算術平均ではなく、三次平均を使用します。
4. 必要な耐用年数を設定します。必要な回転数、移動距離、サイクル、または運転時間を定義します。
5. 必要な Ca を決定します。十分な疲労寿命余裕を計算したねじを選択してください。
6. Coa とピーク負荷を確認します。衝撃力、制動力、緊急停止力を含みます。
7. ネジの長さと制限速度を確認してください。実際のサポート配置を使用して、座屈と臨界速度を検証します。
8. 精度と予圧を個別に選択します。精度の高い等級が自動的に高い負荷容量を提供するとは考えないでください。
9. 完全なアセンブリを確認します。ナット寸法、サポートユニット、軸端加工、カップリング、潤滑、シールの確認。

DLYを見るボールねじ製品転造および精密研削ボールねじの構成、ナットのタイプ、サポートユニット、およびカスタマイズされたシャフト端の加工に対応します。

DLY研削ボールねじ選定情報

DLY は、CNC 機械、産業オートメーション、精密位置決め装置、カスタマイズされたモーション アセンブリ向けに、冷間圧延および精密研磨されたボールねじを供給しています。

モデルとプロジェクトの要件に応じて、利用可能な仕様には、C5 および C3 精密グレード、カスタマイズされた長さ、ボール ナット構成、予圧要件、サポート ユニット、およびシャフト端の機械加工が含まれる場合があります。

参考までに、DLY ではおよそ次のものが使用されます。

• C3リード精度：300mmあたり±0.008mm
• C5リード精度：300mmあたり±0.018mm

これらの精度値は動的定格荷重を決定するものではありません。最終的な Ca および Coa の値は、正確なネジ径、リード、ナットの種類、ボール回路、製品仕様から確認する必要があります。

結論

研削ボールねじの動定格荷重 Ca は、公称転がり疲労寿命を計算するために使用される標準化された基準です。これは最大許容積載量ではなく、スクリューがその荷重で継続的に動作する必要があることを意味するものではありません。

研削加工によりリード精度、動作の安定性、予圧制御を向上させることができますが、Ca値は主にボールねじの内部構造、寸法、ボール回路、接触形状、材質、熱処理によって決まります。

正しく選定するには等価平均アキシアル荷重、必要寿命、予圧量、ピーク荷重、静定格、ねじ長さ、回転数、サポート配置、精度、潤滑、取付条件などを合わせて確認する必要があります。

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