ボールリターンシステム、ボールねじの選定、およびボールねじの潤滑。

用途に合った適切なボールねじを選定することで、機械の精度、再現性、寿命を確保しつつ、総所有コストを最小限に抑えることができます。

ボールねじ駆動装置は、回転運動を直線運動に、またはその逆の変換を行い、高い推力荷重（直径6.000インチのボールねじアセンブリを使用した場合、静的容量750,000ポンド以上）を印加または耐えることができ、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、および正確な移動に役立ちます。

ボールねじ駆動装置は、ボールねじとボールナット、そしてそれらの内部を循環するボールベアリング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部の対応する形状を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低くなります。転動体を使用しているため、ボールねじ駆動装置は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ねじの主な違いは、ボールねじでは摩擦を最小限に抑え、効率を最大化するために循環式ボールベアリングが使用されている点です。ボールねじはリードねじよりも高価ですが、高荷重に対応でき、高速回転が可能で、長寿命であるため、多くの用途においてその価格に見合う価値があります。

ボールねじ駆動方式は一般的に90%以上の機械効率を実現するため、コスト削減によって必要な動力が軽減されることが多い。ボールねじは、リードねじに比べて、負荷容量が大きく、寿命が長く、信頼性が高いという利点がある。

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尺度であり、期待位置と実際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元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（精密ボールねじの場合は±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の場合は±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測る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°回転させたときに移動する距離を指します。リード精度は、1フィート（300mm）あたりに許容される移動量の差（実際の位置と理論上の位置の差）として測定されます。ボールねじには、プレシジョンプラスとトランスポートの2つのグレードがあり、プレシジョンプラスグレードは、移動距離全体にわたってリード誤差の蓄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、軸方向と半径方向の両方で測定できます。軸方向のバックラッシュを測定する最良の方法は、ねじの動きを固定し、ボールナットを軸方向に押したり引いたりしながら、ダイヤルゲージでその動きを測定することです。バックラッシュは、システム内のボールナットにダイヤルゲージを取り付け、1インチ前後に動かして元の位置に戻すことでも測定できます。ゼロからのずれがバックラッシュです。再現性とは、ボールねじのバックラッシュの定量的な値のことです。

予圧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。予圧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、結果として剛性が向上します。予圧は、ねじを回すのに必要なトルクも増加させ、動的容量に対する予圧の割合で測定されます（動的容量が1500ポンドで予圧定格が10%のボールナットは、150ポンドの内部予圧を持ちます）。精密ねじボールねじは、通常、予圧なしで使用されます。ボールねじに予圧をかけると、バックラッシュがなくなるため再現性が向上しますが、精度には影響しません。

プレシジョンプラスねじおよび一部のプレシジョンねじ製品には、プリロードボールナットが用意されています。そのコストは、複雑さ、追加の機械加工、組み立て、および検証/測定のため、プリロードされていないナットよりも高くなります。ボールねじアセンブリは、ダブルナット構成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、シングルナットオーバーサイズボール（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は、最小のパッケージサイズを維持しながら、完全な耐荷重能力を維持します。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のみが負荷されるため、同じサイズのシングルナットの半分の耐荷重能力を持ちます。ダブルナットプリロードアセンブリは、各方向に1つのボールナットのみが負荷されるため、シングルナットと同じ耐荷重能力を持ちます。

ボールねじの製造方法には多くの種類がありますが、一般的には精密ねじと精密プラスねじの2種類に分類されます。精密ねじボールねじのレースは冷間圧延加工によって形成されます。ナットはねじの性能に合わせて機械加工されます。この方法では、輸送用インチねじで±0.004インチ/フィート程度のリード精度という中程度の精度が得られます。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、精密プラスインチねじで±0.0005インチ/フィートというはるか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加工時間が長いため、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

ボールリターンシステムには、一般的に 3 種類があります。外部リターンチューブは、通常インチねじに使用され、コスト効率が良く、設置、保守、修理が容易です。内部ボタンリターンシステムは、通常、低リードねじに使用されます。コンパクトで、取り付けを複雑にする外部ラジアル突起がなく、外部リターンよりも騒音と振動が少なくなります。内部ボタンリターンシステムは、4 点接触、シングルナット、およびプリロードアセンブリでよく使用されます。内部エンドキャップリターンは、通常、高リードねじに使用されます。コンパクトで、取り付けを複雑にする外部ラジアル突起がなく、外部リターンと比較して騒音と振動も少なくなります。

ボールねじの選択

特定の用途に必要な耐荷重と寿命を満たすボールねじアセンブリは、反復的なプロセスを経て選定するのが最適です。設計荷重、システムの向き、移動距離、必要寿命、および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を決定します。次に、精度と再現性の要件、寸法上の制約、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、個々のボールねじ部品を選定します。

まず、アプリケーションに求められる位置決め精度と再現性を決定します。インチボールねじは、輸送用と精密プラスの2つの主要なグレードで製造されています。輸送用ボールねじは、粗い動きのみを必要とするアプリケーション、または位置決めに直線フィードバックを使用するアプリケーションで使用されます。精密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。輸送用ねじは、ねじの有効長さ全体にわたって累積的なばらつきが大きくなります。精密プラスグレードのねじは、ねじの有効長さ全体にわたって正確な位置決めを行うために、リード誤差の蓄積を抑えます。

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。端部支持部の形状と移動距離によって、ボールねじの耐荷重と速度制限が決まります。

引張状態のボールねじは、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、メーカー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それを超えるボールねじ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、その上方かつ右側を通過する曲線を持つすべてのねじは、次の例のアプリケーションに適しています。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)、端部固定が片端固定でもう一方の端が支持されている場合、最小の選択は 1.750 x 0.200 精密プラスインチのボールねじアセンブリです。

以下の式を用いて、要求される速度を実現するためのボールねじのリードを計算してください。

リード（インチ）＝移動速度（インチ/分）/rpm

アプリケーションの耐用年数の決定

アセンブリの寿命は、各ボールナットに指定されている動荷重定格を使用して計算できます。曲線がプロットされた点を通過するか、またはそれより上にあるすべてのボールナットは、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寿命は、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荷重容量を超えないものとします。この例では、アプリケーション寿命（総移動量）は200万インチ（5080万mm）とします。したがって、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

臨界ねじ速度とは、アセンブリの回転速度によって調和振動が発生する状態のことです。臨界速度は、ねじの根元径、支持されていない長さ、および端部支持構成に依存します。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、またはプロットされた点より上方かつ右側に曲線があるすべてのねじが、次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対するこれらの条件が臨界軸速度に及ぼす影響を示しています。このグラフで示されている許容速度は、選択されたねじ軸に適用されるものであり、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。

負荷、寿命、速度の計算結果から、選択したボールねじアセンブリが設計要件を満たしているか、または上回っていることが確認できた場合は、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、負荷容量と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の場合）、モータ速度が増加し（線速度が一定の場合）、必要な入力トルクが減少します。リードを大きくすると、線速度が増加し（入力モータ速度が一定の場合）、入力モータ速度が低下し（線速度が一定の場合）、必要な入力トルクが増加します。

ボールナットを用途にどのように組み込むかを決定します。ボールナットフランジは、ボールナットを負荷に取り付け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、接続方法の代替手段となります。

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解消し、剛性を向上させます。ワイパーキットは、アセンブリを汚染物質から保護し、潤滑剤を保持します。ほとんどのボールねじには、ベアリングサポートと端部加工もご用意しています。

ボールねじは、適切な取り付けを行う前に慎重に取り扱う必要があります。ボールベアリングに衝撃が加わると、ブリネリングや亀裂によってベアリングレースが損傷する可能性があります。ねじに過大な負荷がかかったり、ねじが曲がったりすると、ねじが曲がる原因となります。また、破片や異物が再循環トラックを詰まらせたり、高湿度や雨によって腐食が発生したりする可能性があるため、アセンブリは梱包して潤滑し、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。ボールナットには軸方向のみに荷重がかかるようにしてください。半径方向の荷重がかかると、アセンブリの性能が著しく低下します。また、最適な性能と寿命を実現するためには、アセンブリを駆動システム、ベアリングサポート、および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、適切な潤滑なしに運転してはなりません。潤滑剤は、ボールと溝の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という利点を維持します。

オイルは、必要な箇所に直接、制御された流量で供給することができ、ボールナット内を流れる際に汚染物質を除去します。また、冷却効果も期待できます。一方で、オイルはプロセス流体を汚染する可能性もあるため、適切にオイルを供給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、塗布頻度も少なくて済み、プロセス流体を汚染することもありません。一方で、グリースはボールナット内部に保持するのが難しく、ボールナットの可動範囲の両端に蓄積しやすく、そこに切削屑や研磨粒子が溜まります。古いグリースと新しいグリースが適合しない場合、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、全体の耐荷重は変わりません。