ボールリターンシステム、ボールねじの選択、およびボールねじの潤滑。

特定の用途に適切なボールねじを指定すると、機械の精度、再現性、寿命が保証され、総所有コストが最小限に抑えられます。

ボールねじ駆動装置は、回転運動を直線運動へ、あるいはその逆に変換するもので、Ø6,000インチのボールねじアセンブリを使用した場合、750,000ポンドを超える静的容量に耐える高いスラスト荷重を負荷または保持することができ、効率は通常90%以上です。ボールねじは、さまざまな自動化アプリケーションにおいて、部品や製品のガイド、支持、位置決め、そして正確な移動に役立ちます。

ボールねじ駆動装置は、ボールねじと、循環ボールベアリングを備えたボールナットで構成されています。ねじとナットの接合部は、ボールねじとボールナット内の対応する形状で転がるボールベアリングによって形成されます。ボールねじにかかる荷重は多数のボールベアリングに分散されるため、各ボールにかかる荷重は比較的小さくなります。転動体によって摩擦係数が非常に低く、高い機械効率を実現します。

ボールねじとリードスクリューの主な違いは、ボールねじに循環式ボールベアリングを採用することで摩擦を最小限に抑え、効率を最大化していることです。ボールねじはリードスクリューよりも高価ですが、高荷重に耐え、高速回転を実現し、寿命が予測可能であるため、多くの用途において追加コストに見合う価値があります。

ボールねじ駆動は通常90%以上の機械効率を提供するため、消費電力の低減によってコストが相殺されることがよくあります。ボールねじは、リードスクリューに比べて、高い負荷容量、長寿命、そして予測可能な信頼性といった利点があります。

再現性と精度

精度とは、モーションシステムが指令位置にどれだけ近づくかを示す指標であり、期待位置と実際の位置との間の最大誤差として定義されます。再現性とは、位置決めシステムが動作中に所定の位置に戻る能力として定義されます。ボールねじ駆動装置は、優れた再現性（バックラッシュはボールベアリングの直径に依存しますが、通常は0.005～0.015インチの範囲です）と精度（精密ボールねじでは±0.004インチ/フィート、精密プラスと表示されたボールねじでは±0.0005インチ/フィート）を実現します。

リード精度は、ボールねじの精度を表す最も一般的な指標です。リードとは、回転しないボールナットがねじを360°一回転させたときにどれだけ移動するかを表します。リード精度は、1フィート（300mm）あたりの許容移動量（理論上の位置に対する実際の位置）の変動として測定されます。ボールねじには、精密プラスグレードとトランスポートグレードがあり、精密プラスグレードでは、全移動距離にわたってリード誤差の累積を厳密に制御します。

バックラッシュとは、ナットとねじの間の自由な動きのことで、軸方向と半径方向に測定できます。軸方向のバックラッシュを測定する最良の方法は、ねじを固定し、ボールナットを軸方向に押し引きしながら、ダイヤルインジケータでその動きを測定することです。また、システム内のボールナットにダイヤルインジケータを取り付け、1インチ前後移動させて元の位置に戻すことでもバックラッシュを測定できます。ゼロからの変動がバックラッシュです。再現性は、ボールねじのバックラッシュの定量的な値です。

プリロードされていないボールナットは、部品間に内部クリアランスが存在するため、バックラッシュが発生します。プリロードされたボールナットは軸方向クリアランスがないため、バックラッシュがなくなり、剛性が向上します。プリロードは、ねじを回すのに必要なトルクも増加させます。トルクは、動容量に対するプリロードのパーセンテージで測定されます（動容量1500ポンド、プリロード定格10%のボールナットは、内部プリロードが150ポンドです）。精密ねじボールねじは通常、プリロードなしで使用されます。ボールねじにプリロードをかけると、バックラッシュが除去されて再現性が向上しますが、精度には影響しません。

プリロード ボール ナットは、精密プラス スクリューおよび一部の精密スクリュー製品で利用できます。複雑さ、追加の機械加工、組み立て、検証/測定のため、プリロードなしのナットよりもコストが高くなります。ボール スクリュー アセンブリは、ダブル ナットまたはシングル ナット構成でプリロードできます。プリロードには、シングル ナット特大ボール (4 点接触)、シングル ナット スキップ リード (2 点接触)、ダブル ナット (2 点接触) の 3 つの主要なタイプがあります。シングル ナット プリロードでは、最大の負荷容量を維持しながら、パッケージ サイズを最小に抑えます。スキップ リード ボール ナットは、各方向に半分のボール ベアリングしか負荷がかからないため、同サイズのシングル ナットの半分の容量になります。ダブル ナット プリロード アセンブリでは、各方向に 1 つのボール ナットしか負荷がかからないため、シングル ナットと同じ負荷容量になります。

ボールねじの製造方法は数多くありますが、一般的には精密と精密プラスの 2 つのカテゴリに分類されます。精密ねじボールねじのレースは、冷間転造プロセスで形成されます。ナットは、ねじの性能に合わせて機械加工されます。この方法により、輸送用インチ シリーズのねじで ±0.004 in./ft 程度のリード精度が得られます。精密プラスねじボールねじのねじとナットは、精密研削によって製造されます。精密プラスねじボールねじは、精密プラス インチ シリーズのねじで ±0.0005 in./ft という非常に高いリード精度を実現します。精密プラスねじボールねじは、処理時間が長いため、精密ねじよりもコストが高くなります。

ボールリターンシステム

一般的に使用されているボールリターンシステムには、3種類のタイプがあります。インチねじによく使用される外付けリターンチューブは、コスト効率が高く、設置、メンテナンス、修理が容易です。内付けボタンリターンシステムは、低リードねじによく使用されます。コンパクトで、取り付けを複雑にする外側のラジアル突起がなく、外付けリターンに比べて騒音と振動が少なくなっています。内付けボタンリターンシステムは、4点接触、シングルナット、プリロードアセンブリによく使用されます。内付けエンドキャップリターンは、高リードねじによく使用されます。コンパクトで、取り付けを複雑にする外側のラジアル突起がなく、騒音と振動も外付けリターンに比べて低くなっています。

ボールねじの選択

特定の用途に必要な規定の負荷容量と寿命を提供するボールねじアセンブリは、反復プロセスを通じて最適に選定されます。設計荷重、システムの向き、移動距離、必要寿命、必要速度に基づいて、ボールねじアセンブリの直径とリードが決定されます。その後、精度と再現性の要件、寸法制約、取り付け構成、利用可能な電力要件、および環境条件に基づいて、個々のボールねじコンポーネントが選定されます。

まず、アプリケーションに必要な位置精度と再現性を決定します。インチボールねじには、トランスポートグレードとプレシジョンプラスグレードの2つの主要グレードがあります。トランスポートグレードのボールねじは、粗い動きのみを必要とするアプリケーション、または位置検出に直線フィードバックを使用するアプリケーションに使用されます。プレシジョンプラスグレードのボールねじは、正確で再現性の高い位置決めが重要な場合に使用されます。トランスポートグレードのねじは、ねじの有効長全体にわたってより大きな累積変動を許容します。プレシジョンプラスグレードのねじは、ねじの有効長全体にわたって正確な位置決めを実現するために、リード誤差の累積を抑えます。

ボールねじアセンブリを機械にどのように取り付けるかを決定します。エンドサポートの構成と移動距離によって、ボールねじの荷重と速度の制限が決まります。

張力状態のボール スクリューは、ナットの定格容量までの荷重を処理できます。圧縮状態のボール ナットの場合は、製造元から入手できる圧縮荷重チャートを使用して、設計荷重を満たすか上回るボール スクリューの直径を選択します。たとえば、プロットされた点を通過するか、上および右側にある曲線を持つすべてのスクリューは、次のアプリケーション例に適しています。このグラフに示されている適切な圧縮荷重は、個々のボール ナット アセンブリの定格表に示されている最大静的荷重容量を超えてはなりません。したがって、長さが 85 インチ (2159 mm)、システム荷重が 30,000 ポンド (133,500 N)、端の固定性が一方の端を固定しもう一方の端を支持する場合、最小選択は 1.750 x 0.200 精度以上のインチ ボール スクリュー アセンブリです。

次の式を使用して、速度要件を生成するボールねじのリードを計算します。

リード（インチ）= 移動速度（インチ・分-1）/rpm

アプリケーション寿命の予測

アセンブリ寿命は、各ボールナットに指定された動荷重定格を使用して計算できます。グラフ上の点を通過するか、それより上にある曲線を持つすべてのボールナットが、この例に適しています。このグラフに示されている適切な期待寿命は、個々のボールナットアセンブリの定格表に記載されている最大静的荷重容量を超えません。この例では、アプリケーション期待寿命（総移動距離）は200万インチ（5,080万mm）です。この場合、最大通常動作荷重は10,000ポンド（44,500N）です。

スクリューの臨界速度の決定

ねじの臨界速度とは、アセンブリの回転速度が調和振動を引き起こす条件です。臨界速度は、ねじの谷径、支持されていない部分の長さ、および端部支持の構成に依存します。ほとんどのメーカーのチャートでは、プロットされた点を通過するか、プロットされた点の上方および右側を通過する曲線を持つすべてのねじが、以下の例に適しています。4つの端部固定図は、回転軸を支持するためのベアリング構成を示しており、チャートは、支持されていないねじの長さにおけるこれらの条件が臨界軸速度に与える影響を示しています。このグラフに示されている許容速度は、選択したねじ軸に適用され、関連するすべてのボールナットアセンブリで達成可能な速度を示すものではありません。

荷重、寿命、速度の計算により、選択したボールねじアセンブリが設計要件を満たすか上回っていることが確認された場合は、次のステップに進みます。そうでない場合は、ねじの直径を大きくすると、負荷容量が増加し、速度定格が増加します。リードを小さくすると、線速度が低下し（入力モータ速度が一定であると仮定）、モータ速度が上昇（線速度が一定であると仮定）、必要な入力トルクが減少します。リードを大きくすると、線速度が上昇（入力モータ速度が一定であると仮定）、入力モータ速度が低下（線速度が一定であると仮定）、必要な入力トルクが増加します。

ボールナットをアプリケーションにどのように接続するかを決定します。ボールナットフランジは、ボールナットを負荷に接続する一般的な方法です。ねじ付きボールナットや円筒形ボールナットも、接続部を提供する代替方法です。

プリロードされたボールナットは、システムのバックラッシュを排除し、剛性を高めます。ワイパーキットは、アセンブリを汚染物質から保護し、潤滑剤を封入します。ほとんどのボールねじには、ベアリングサポートと端面加工もご利用いただけます。

ボールねじは、正しく取り付ける前に慎重に取り扱う必要があります。ボールベアリングへの衝撃は、ベアリングレースにブリネリングやクラックなどの損傷を与える可能性があります。また、ねじに高負荷をかけたり、曲げたりすると、ねじが曲がってしまう可能性があります。ゴミや汚れが循環路を詰まらせ、高湿度や雨が腐食の原因となるため、アセンブリは梱包し、潤滑油を塗布した状態で清潔で乾燥した場所に保管することが重要です。

システムの取り付けも重要な考慮事項です。ボールナットは軸方向の荷重のみを受ける必要があります。ラジアル荷重はアセンブリの性能を著しく低下させるためです。また、最適な性能と寿命を確保するには、アセンブリを駆動システム、ベアリング支持部、そして荷重と適切に位置合わせする必要があります。

ボールねじの潤滑

ボールねじアセンブリは、適切な潤滑剤を塗布せずに運転しないでください。潤滑剤は、ボールと溝間の転がり抵抗と隣接するボール間の滑り摩擦を最小限に抑えることで、ボールねじアセンブリの低摩擦特性を維持します。

オイルは、制御された流量で必要な箇所に直接塗布することができ、ボールナットを通過する際に汚染物質を除去します。また、冷却効果も得られます。一方で、オイルはプロセス流体を汚染する可能性があるため、適切にオイルを塗布するにはポンプと計量システムが必要です。

グリースはオイルよりも安価で、塗布頻度も少なく、プロセス流体を汚染しません。一方、グリースはボールナット内に留まりにくく、ボールナットの移動端に蓄積しやすく、そこに切粉や研磨粒子が堆積します。古いグリースと再潤滑グリースの相性が悪いと問題が発生する可能性があるため、適合性を確認することが重要です。耐荷重グリースはアセンブリの寿命を延ばすのに役立ちますが、全体的な耐荷重は変わりません。