2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of ball screw having the asymmetric thread groove for the electric injection moulding machine
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19K04157
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
野口 昭治 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 教授 (80349836)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ボールねじ / 非対称溝形状 / アキシアル剛性 / 基本動定格荷重 / 基本静定格荷重 / 電動射出成型機 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ボールねじは転がりを利用した機械要素であるが、すべりねじに対して仕事効率が高く、精密な送りや位置決めができることから工作機械の送りねじとして古くから使用されている。また、近年では射出成形機の電動化にともない、ボールねじが動力伝達のために使用されるようになってきた。ボールねじは、ねじ溝面とボールが接触する際、接触面圧が高くなるので力の伝達には不向きとされてきた。
しかし、型締めでは瞬時に大きな力を伝える必要があり、応答性の良さからすべりねじではなく、ボールねじが使用されている。ボールねじメーカーでは、アキシアル方向の負荷能力や剛性を向上させる対策をしているが、ねじ溝形状は左右対称のままである。射出成形機用途に限定すれば、型締め方向に対しては大きなアキシアル荷重を負荷しなければならないが、戻す際には大きなアキシアル荷重はかからない。一方向のみ大きなアキシアル荷重を負荷できるように考えられた機械要素には、アンギュラ玉軸受やのこ歯ねじがある。そこで、ボールねじの溝形状をアンギュラ玉軸受のように非対称（一方向の接触角を大きくする）にすれば、一方向からの大きなアキシアル荷重を負荷できると考えた。
本研究では、最初に金属三次元プリンタを用いた試作を行い、非対称溝形状ボールねじが機構的に可能であるか、接触角を大きくすればアキシアル剛性が向上するかの確認を行った。その結果を踏まえて、現在市販されているボールねじのねじ溝を非対称に加工して、アキシアル方向剛性向上の検証を行った。その結果、市販されているボールねじと比較して約1.6倍のアキシアル方向剛性が得られたことを確認した。さらに、数値解析上ではあるが、基本動定格荷重が1.15倍，基本静定格荷重が1.25倍向上する結果が得られている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2019年度の計画では、(1)非対称ねじ溝形状を有するボールねじの設計を3D-CADで行い、左右で接触角の異なるねじ溝形状やボール直径をできるだけ大きくしたねじ溝寸法、最適リードなどを検討する。(2)試作においては、ねじ溝研削までは考えていないので、現行ボールねじのねじ溝における溝Rなどは参考にするが、研削にげなどは設けずに設計を進める。また、ボールの循環は、ボールねじで最も多く使われているリターンチューブ方式（リターンチューブは現行品をそのまま転用）を考えている。(3)複数の試作図面を完成させて、金属の3Dプリンタを用いた試作を行い、非対称溝形状ボールねじの実現性を検討する。であったが、実際には、ボールねじを製造している企業の協力が得られたので、現行市販ボールねじをベースとして、製品レベルの加工精度で非対称ねじ溝ボールねじを1種類試作することができ、その性能評価（アキシアル方向の剛性測定）まで行うことができた。製品レベルの試作は2020年度の予定（申請書に記載）であり、2019年度の研究としては、当初の計画以上に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は、(1)仕様を変更しての金属3Dプリンタによる試作と性能評価を継続する。(2)ボールの回転や循環などの運動確認と左右方向の剛性を測定する。(3)非対称ねじ溝ボールねじの最適仕様を決定する。の3課題を予定していた。
しかし、2019年度に市販製品レベルの試作を1つの仕様ではあるが実行することができたので、2020年度は研究方針を実用目標の試作、実験検証に変更する。2019年度は接触角を大きくした方向の角度が60°であったが、これよりも大きな接触角にすることを目標として具体的な設計を行う。また、2019年度は試作品のアキシアル剛性の確認しかできていないので、理論計算上向上する結果が得られている基本静定格荷重（どこまでの負荷まで弾性変形が維持できるか）の向上を実験で確認したいと考えている。しかし、製品レベルの試作や性能測定に関しては、ボールねじメーカーの協力が必要不可欠であり、これまで以上の共同研究体制を築く必要があると考えている。
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| Causes of Carryover |
助成金において最も高額である真円度測定装置は計画通りに購入することができた。助成金額に対し35,743円を次年度に繰り越すこととなったが、2020年度に使用する実験器具、装置への取付時に使用する治具の製作費に充当させる方が研究全体にとって効率的と判断した。2020年度分と合わせて、実験に使用する器具、治具、消耗品の製作費、購入費として使用する予定である。
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| Remarks |
研究室のHPに研究内容として紹介している。
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Research Products
(3 results)
