ボールナットの材質は、大リードボールねじの性能にどのように影響するのか？ - ブログ

大リードボールねじのナット材質は、軌道強度、熱処理能力、耐摩耗性、寸法安定性、腐食挙動に影響を与えます。ただし、材料だけでアセンブリのパフォーマンスが決まるわけではありません。

ラージリードボールねじでは、ナットに硬化軌道、再循環鋼球、およびリターンシステムが含まれています。したがって、従来の青銅やエンジニアリングプラスチック製の滑り送りねじナットとは異なります。ナット本体、軌道面の硬さ、ボールの循環構造、予圧、潤滑、作動速度などは、一つのマッチングシステムとして評価する必要があります。

まずボールねじナットとすべり台形ねじナットを区別します

「親ねじナット」という語句は、2 つの異なるトランスミッション構造を指す場合があります。

ナットの種類	連絡方法	共通の材料方向	代表的な特性
すべり送りねじナット	ネジとナットのネジ山は互いに直接滑ります。	青銅、ポリマー、複合材料、またはその他の減摩材料を使用できます。	シンプルな構造、より高い滑り摩擦、および材料に依存する摩耗挙動。
ボールねじナット	再循環ボールは硬化したねじとナットの軌道の間を転がります。	荷重を負担するナット本体および軌道面には、通常、調質鋼や合金鋼が使用されます。	低摩擦ローリングトランスミッション、高効率、制御された予圧または軸方向クリアランス。

この記事ではラージリードボールねじについて説明します。一部の滑り送りねじには青銅およびプラスチックのナットが適している場合がありますが、これらは工業用硬化ボールナットの標準的な代替品として提供されるべきではありません。

「大きなリード」とはどういう意味ですか?

リードとは、ねじが完全に 1 回転する間にナットが移動する直線距離です。 20 mm のリードでは 1 回転あたりナットが 20 mm 移動し、5 mm のリードでは 1 回転あたり 5 mm 移動します。

リードが大きいと、同じスクリュー RPM での線速度が高くなります。 DLY ラージリードボールねじのオプションには、SFE、SFU、および選択されたダブルナット構造が含まれており、通常のリードオプションは約 10 mm ～ 64 mm です。

リードが大きいからといって、ナットにまったく異なる母材が必要になるわけではありません。これは、ナットの設計が、より大きなねじれ角、より速いボール循環、および速度、推力、位置決め分解能、およびバックドライブ傾向の間のさまざまな関係を管理する必要があることを意味します。

ボールナット本体に合金鋼が使用される理由

DLY標準ボールナットはナット本体に20CrMo合金鋼を使用しています。この材料を熱処理すると、硬化した表面の下に十分な強度の支持構造を維持しながら、硬くて耐摩耗性の軌道が得られます。

ナットは以下に耐える必要があるため、材料の方向はボールナットの製造に適しています。

玉と軌道面との間の繰り返し転がり接触応力。
アキシアル荷重はボール回路を介して伝達されます。
軌道面の局部接触圧力。
加速、減速、方向転換を繰り返す。
フランジと取り付け穴の周囲の応力。
予圧、速度、潤滑抵抗によって発生する熱。

「スチールナット」とだけ書くのは正確ではありません。通常の未処理の低炭素鋼では、精密ボールナットに必要な硬度、耐疲労性、寸法制御が自動的には得られません。

Steel ball nut and screw assembly with recirculating ball raceways

ナット本体、内部軌道、鋼球、およびリターン構造は、1 つの整合した転がりシステムとして動作します。

材質は軌道の硬さと耐疲労性に影響します

ナットの移動に伴い、ボールは荷重がかかった軌道面を繰り返し通過します。ナット軌道面が柔らかすぎると、過度の接触応力により永久的な凹み、塑性変形、または摩耗の加速が発生する可能性があります。

適切な熱処理可能な合金により、ナット本体が荷重を支え続けながら、軌道面が必要な硬度を達成することができます。最終的な性能は、材料組成と熱処理制御の両方に依存します。

重要な生産要素には次のものがあります。

軌道面の硬さ；
有効硬化深さ。
コアの強度と靭性。
熱処理歪み;
処理後の研削または仕上げ代。
異なるボール回路間の均一性。

公称の材料グレードは、これらの特性が達成されていることを証明するものではありません。材料証明書、熱処理記録、寸法検査は、品質管理プロセスのさまざまな部分に対応します。

材質だけでは耐荷重は決まりません

より強力なナット材料は、必要な軌道およびフランジ構造をサポートできますが、ラージリードボールねじの動的および静定格荷重は、ナット材料のみから計算されるわけではありません。

耐荷重は次の要素にも依存します。

ボール直径;
ロードされたボール回路の数。
軌道の形状と接触角。
耐荷重ボールの有効数。
ナット本体の寸法。
ねじ軸径と谷径
熱処理と表面状態。
適用される負荷の方向とデューティサイクル。

たとえば、同じ合金鋼で作られた 2 つのナットは、より多くのボール回路を使用しているか、または異なるボール直径を使用しているため、定格荷重が異なる場合があります。したがって、材料名だけから荷重を承認するのではなく、完全なナットモデルを確認する必要があります。

リードが大きいとボールの循環に大きな要求がかかる

大リードのボールねじでは、ボールは多くの小さなリードの構造よりも急な螺旋経路をたどります。高い線形速度では、過度の衝撃や中断を生じることなく、戻り経路に入り、負荷がかかった軌道に再び入ることが繰り返し行われなければなりません。

ナット本体の材質は構造的なサポートを提供しますが、循環パフォーマンスは次の要因にも影響されます。

内部、エンドキャップ、またはその他の戻り構造。
リターンパスのジオメトリ。
ボール回路数量;
エンドキャップまたはリターンコンポーネントの材質。
製造精度と組立位置。
動作速度での潤滑剤の分配。
戻り経路の周囲の汚染。

高張力スチールのナット本体では、ボールリターンシステムの設計不良や損傷を補うことはできません。高速選択の場合も、許容ナット回転数またはDN値を確認する必要があります。

Large-lead ball screw assembly with flanged steel nut and end supports

ラージリードの性能は、ナットの材質だけではなく、ナット、ねじシャフト、循環システム、サポートユニット、取り付け位置の調整によって決まります。

ナットの材質は摩擦に影響しますか?

すべり送りねじでは、ナットの材質がねじ山と直接摩擦するため、材質の組み合わせが摩擦に大きな影響を与えます。

ボールねじでは、ボールは硬化したねじとナットの軌道の間を転がります。ナット本体の材質は依然として軌道面の品質と耐久性に影響を与えますが、動作摩擦は以下の影響をより直接的に受けます。

ボールと軌道の形状。
予圧または軸方向すきま。
ボールリターン構造。
潤滑剤の種類と量。
シール抵抗。
取り付け位置の調整。
表面の品質と汚染。

したがって、青銅製のボールナットが鋼製のボールナットよりも自動的に低い摩擦を生成すると言うのは不正確です。この比較は主に滑りねじシステムに関するものであり、標準的な循環ボールねじに関するものではありません。

材料と熱処理が摩耗に与える影響

軌道面の硬度が十分でない場合、表面品質が悪い場合、または潤滑被膜が破壊される場合に摩耗が発生することがあります。汚染によって凹みが生じ、それが後に振動や騒音の発生源となることもあります。

合金鋼ナットを正しく製造すると、次のような効果が得られます。

転動疲労に対する耐性。
繰り返しの荷重下でも安定した軌道形状。
永久的なへこみに対する耐性。
精密仕上げに適した表面。
ボールリターン構造周りの信頼性の高いサポート。
一貫したプリロードと走行トルク制御。

ただし、正しく硬化されたナットでも、アセンブリが適切な潤滑なしで動作したり、研磨粒子にさらされたり、位置がずれて取り付けられたりすると、早期に摩耗する可能性があります。

ナットの材質で精度が決まるのでしょうか？

ナットの材質は、寸法安定性と精密に仕上げられた軌道を維持する能力に影響を与えますが、ボールねじの精度グレードを独立して決定するものではありません。

測位パフォーマンスは以下にも依存します。

ねじリード精度;
ナットの軸方向クリアランスまたは予圧。
軌道プロファイルとボールのマッチング。
サポートベアリングの剛性。
ネジの真直度。
インストールの並列性。
熱膨張。
モーター、エンコーダー、制御システムのパフォーマンス。

標準的な大リードボールナットにインバーなどの低熱膨張合金を使用することは、位置決め精度を高めるための通常の方法ではありません。材料はまず、硬化された転がり接触軌道、製造、負荷容量、およびボール循環に適している必要があります。

ほとんどの精密システムでは、特殊なナット本体の材質を選択するよりも、ねじリードのグレード、予圧、サポート構造、動作温度を制御する方が実用的です。

材料と熱膨張

ナットは温度が上昇すると寸法が変化しますが、ねじシャフトが長いほど有効長がはるかに長いため、通常、軸への総熱変位が大きくなります。

温度上昇は次の原因で発生する可能性があります。

ナットのプリロード;
高い循環速度。
サポートとベアリングの摩擦。
潤滑剤の粘度が不適切です。
連続的な高速サイクリング。
周囲温度の変化。
密閉されたナットハウジング周囲の熱放散が不十分。

ナットの材質を変更するだけでは、熱による位置決め誤差は解消されません。高精度の機器には、制御されたウォームアップ、温度補償、直接線形フィードバック、または別の熱管理方法が必要な場合があります。

耐食性材料についてはどうですか?

ボールねじが湿気、結露、洗浄剤または腐食性蒸気の周囲で動作する場合は、耐食性の材料または表面処理を考慮する必要があります。ただし、ナット本体を保護するだけでは十分ではありません。

次のコンポーネントも評価する必要があります。

ねじ軸軌道。
ボールを循環させる。
コンポーネントとエンドキャップを返却します。
サポートベアリング;
潤滑継手;
取付ボルトとフランジ面。
保護カバーとシール。

ステンレス鋼はあらゆる腐食用途に自動的に優れていると言えるわけではありません。硬度、熱処理、負荷能力、軌道の製造、完全なアセンブリとの適合性を確認する必要があります。

多くの機械では、標準ナットの材質を変更するよりも、保護ベローズ、適切な潤滑剤、管理された洗浄、および外部腐食保護を使用する方が実用的です。

大リードボールナットにプラスチックや青銅を使用できますか?

プラスチックと青銅は、従来のスライドナット、バックラッシュ防止送りねじナット、その他の低負荷機構に適した材料となります。これらは、標準的な工業用ボールナットの硬化耐荷重本体の直接の代替品としてリストされるべきではありません。

ポリマー材料は、次のようにボールナットに依然として使用される場合があります。

エンドシール。
ワイパー。
リターンチューブまたはリターンインサート。
エンドキャップ循環コンポーネント。
保護部品または保持部品。

これらのコンポーネントは、硬化されたナット軌道と同じように転がり荷重を負担しません。これらの材料は、摩耗、衝撃、潤滑剤の適合性、耐熱性、循環性能を考慮して選択されています。

ナットの材質は騒音や振動に影響しますか？

ナットの材質は構造の剛性と減衰に影響を与える可能性がありますが、ラージリードボールねじの異常音は、回転および循環システム全体に関係することがより一般的です。

考えられる原因は次のとおりです。

潤滑が不十分または不適切。
過度の速度でのボールリターンインパクト。
汚れまたは軌道面の損傷。
プリロードが正しくありません。
ネジ、ベアリング、またはカップリングの位置のずれ。
サポートユニットの動き。
臨界速度に近いねじ軸の振動。
機械フレーム内の共振。

スチール製ナットをより柔らかい素材に置き換えることは、ボールねじノイズに対する正しい一般的な解決策ではありません。最初に実際の振動源を特定する必要があります。

ナット材質とフランジ強度

ナットフランジは、軸方向の力を機械テーブルまたはナットブラケットに伝達します。その材質、厚さ、取り付け穴の配置、熱処理条件は、必要なクランプ荷重と動作荷重をサポートする必要があります。

次の場合に問題が発生する可能性があります。

フランジボルトのサイズが小さめです。
ナットブラケットはフランジを均等にサポートしていません。
ボルトが不均一なトルクで締め付けられている。
取付面にバリや汚れがある。
ブラケットがナットを引っ張って位置がずれてしまいます。
衝撃荷重が本来の設計条件を超えています。

高強度のナット材料は、不適切に設計された取り付けインターフェースを補うことはできません。フランジとブラケットを一緒にチェックする必要があります。

標準材質か特殊材質か？

適用条件	初期のマテリアルの方向	追加のチェック
通常の産業オートメーション	標準熱処理合金鋼ボールナット	荷重、速度、リード、予圧、潤滑およびデューティサイクル
高速早送り	必要なリードとスピードを追求した循環構造のスタンダードスチールボディ	DN制限、リターン設計、熱、潤滑、加速周波数
高いアキシアル荷重	適切な回路数と寸法を備えた熱処理済み合金鋼ナット	動定格、静定格、寿命、衝撃およびフランジ取り付け
湿った環境または腐食性の環境	特殊な素材、処理、または保護はエンジニアリングレビューの対象となります	完全なアセンブリの耐食性、硬度、潤滑剤の適合性
食品、清潔または特殊な環境	プロジェクト固有の材料と潤滑の評価	規制要件、潤滑剤、シール、洗浄方法、粒子制御