JP5123767B2 - ウォームホイールの研削仕上げ方法及びウォーム歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウォーム歯車装置に鋼製のウォームホイールを用いたウォームホィールの研削仕上げ方法及び該ウォームホイールと鋼製のウォームを組み合わせたウォーム歯車装置に関する。

従来のウォーム歯車装置では、ウォームとウォームホイールとはすべり接触をしながら動力伝達をしているので、通常ウォームは鋼製、ウォームホイールは馴染み性の良い銅合金が用いられてきた。
しかし、銅合金は硬度が低いため、摩耗し易い問題がある。この問題を解決するために特許文献１のような鋼製のウォームホイールが開示されている。特許文献１のウォームホイールを使用したウォーム歯車装置は、焼入鋼で作られたウォームと該ウォームに噛み合うホブ加工後、焼入れした鋼製のウォームホイールとを組み合わせた歯車装置であり、小型で大トルクを効率よく伝達することを目的としている。

特許文献２に提示された従来例の歯車の研削、及び研削工具のドレッシング方法は、歯車一般の研削加工に関するものであるが、勿論、ウォームとウォームホイールを組み合わせるウォーム歯車にも適用できる。ウォームの研削用砥石、ウォームホイールの研削用砥石の場合、ウォームとウォームホイールは砥石母材の研削歯面に超硬砥粒を電着したホブ型砥石を用いて研削し、この研削砥石のドレッシングに前記の砥石歯面の超硬砥粒より硬いダイアモンドの砥粒を電着したものを使う方法である。

特開２００６−５７７７８号公報（段落＜００１４＞〜＜００２１＞） 特許第３０９６５５７号公報（段落＜００１３＞）

従来のウォーム歯車装置のウォームホイールは銅合金が多く使われている。銅合金は硬度が低いため、鋼製のウォームと組み合わせて動力を伝えるとき、歯当りの馴染み性がよい反面耐摩耗性が低いので動力伝達能力が少なく、摩耗し易い問題点がある。また、歯面の仕上げを良くするための歯面研削を行うと、材料が柔らかいため、砥石に目詰まりを生じて研削作業ができなくなり、歯面粗さを向上することが困難になる。

特許文献１の例のような鋼製のウォームホイールを鋼製のウォームと組み合わせてトルクを伝達するとき、通常のインボリュート歯形では相対的なスリップが大きく焼付きを生じ易く、速度が上げられないので動力伝達能力が抑えられる。また、特許文献２のようなホブ型砥石は鼓型ウォームやニーマン歯形ウォームには適用できない問題点がある。
本発明は、表面硬化処理を行った鋼製のウォームホイールと鋼製のウォームとの組み合わせにおいて、精度の高い、組み合わせ再現性のある鋼製ウォームホイールを用いたウォームホイールの研削仕上げ方法およびウォーム歯車装置を提供することを目的とする。

上記の問題点に対し、本発明は以下の各手段により課題の解決を図る。
（１）第１の手段のウォームホイールの研削仕上げ方法は、ウォームホブ盤により粗く切削形成された鋼製のウォームホイールを熱処理硬化後、ウォームホイールの歯のプロフィルを回転して成形した歯の谷部に相当する円錐形状に高硬度の砥粒を電着した砥石を使用し、砥石の回転軸をウォームの回転軸周りに回動しながら砥石を回転し、同時にウォームホイールは歯面の捩れ角に沿って回動し、設定された研削条件に従って研削仕上げをすることを特徴とする。

（２）第２の手段のウォームホイールの研削仕上げ方法は、上記（１）のウォームホイールの研削仕上げ方法において、高硬度の砥粒を電着したウォームホイールの歯のプロフィルを回転して成形した円錐形状の砥石はウォームホイールの歯の谷巾より若干狭い巾とし、砥石の回転軸をウォームの回転軸周りに回動しながら砥石を回転し、同時にウォームホイールは歯面の捩れ角に沿って回動するとき、砥石をウォームホイールの歯の片側に当て、設定された研削条件に従って片側ずつ両歯面を研削仕上げをすることを特徴とする。

（５）第３の手段のウォームホイールの研削仕上げ方法は、上記（１）又は（２）に記載のウォームホイールの研削仕上げ方法において、砥石に電着する高硬度の砥粒はダイアモンド細粒又はＣＢＮ（立方晶窒化硼素）等の超硬度材料の細粒であることを特徴とする。

（６）第４の手段のウォームホイールの研削仕上げ方法は、上記（１）から（３）の何れか一つに記載のウォームホイールの研削仕上げ方法において、ウォームホイールを研削する高硬度の砥粒を電着した砥石のピッチ径は前記ウォームホイールに組み合わされるウォームのピッチ径より若干大きい径としてウォームホイールの歯形にクラウニングが施工されるようにしたことを特徴とする。

（７）第５の手段のウォームホイールの研削仕上げ方法は、上記（１）から（４）の何れか一つに記載のウォームホイールの研削仕上げ方法で切削及び研削されるウォームホイール及び該ウォームホイールと組み合わされるウォームの歯形は同時接触線がピッチ円に対して大きな角度で交わるニーマン歯形としたことを特徴とする。

（８）第８の手段のウォーム歯車装置は、上記（１）から（５）の何れか一つに記載のウォームホイールの研削仕上げ方法で加工された鋼製のウォームホイールと鋼製のウォームとを組み合わせてなることを特徴とする。

請求項１〜請求項８に係わる発明は、上記の第１〜第８の手段の研削仕上げ方法及びこの研削仕上げ方法を用いて製作されたウォーム歯車装置であり、耐摩耗性が向上するので正確な割り出しを必要とする（例えば、ロータリーテーブルの駆動用に用いる）ときに長時間運転しても、バックラッシュの変動が無く、停止位置の精度が維持できる効果がある。また、ウォームホイールに鋼材を用いているので、歯の曲げ応力、面圧応力が大きく、ウォーム歯車装置の動力伝達容量が格段に大きくなる。

また、ウォームホイールと組み合わせるウォームを母体として研削砥石を形成するので、ウォームとウォームホイールの実機における歯当りは良好で、ウォームホイールの仕上げ研削は一度で済み、生産工程が短くなって低コストで、歯車の互換性があり、再現性がある正確なウォーム歯車の仕上げが可能となる。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態のウォームホィールの研削仕上げ方法を図に基づいて説明する。図１は第１の実施の形態に係わるウォームホイールの加工方法により製作されるウォームホイールとウォームとの加工工程を示すブロック図、図２はウォームとウォームホイールに用いられるニーマン歯形と一般的なインボリュート歯形それぞれの噛み合い接触線を示した図、図３は図２のニーマン歯形を用いて作られたウォームとウォームホイールの組み合わせ噛み合い状態を示す斜視図、図４はウォームホイールを粗仕上げするホブの斜視図、図５は本実施の形態に係わるウォームホイールの研削仕上げ加工をする研削工具を使用した研削加工を示す斜視図である。

図１によりウォームとウォームホイールの加工工程について説明する。
Ｃ１：ウォームの素材（焼き入れ可能な鋼材）。
Ｃ２：ウォームの歯の加工以外の外周の旋盤加工。
Ｃ３：ねじ切り盤(旋盤)によりウォームの歯形をニーマン歯形に粗歯切り。
Ｃ４：Ｃ3の加工品を全体焼入れ又は高周波焼入れによる歯部表面のみの焼入れによる熱処理。
Ｃ５：軸径、外径の仕上げの外径研磨。
Ｃ６：ニーマン歯形を創成する回転砥石により歯面を研磨仕上げしてニーマン歯形ウォーム１１が完成する歯研。

Ｄ１：ウォームホイールの素材（焼き入れ可能な鋼材）。
Ｄ２：ウォームホイールの歯の加工以外の外周の旋盤加工。
Ｄ３：ニーマン歯形ホブ２０（図４）によりウォームホイールの歯面を粗歯切り。２５はニーマン歯形用切り刃である。
Ｄ４：Ｄ３の加工品を全体焼入れ又は高周波焼入れによる歯部表面のみの焼入れ熱処理。本熱処理により粗仕上げウォームホイール１４となる。
Ｄ５：図５に示すように、ニーマン歯形用の円錐型ウォームホイール仕上げ砥石１７をウォームの回転軸Ｙ’周りに回動（Ｗ方向）しながら同砥石１７をＶ方向に回転し、同時に粗仕上げウォームホイール１４は歯面の捩れ角に沿ってＵ方向に回動し、設定された研削条件（同砥石１７のＶ方向回転速度、ウォームの回転軸Ｙ’のＷ方向回動速度、同ウォームホイール１４のＵ方向回動速度、等）に従って研削仕上げをしてウォームホイール１２が完成する歯研。図５において、円錐型ウォームホイール仕上げ砥石１７に点模様で表した部分が電着砥石部１７ａである。

Ｅ１：ウォームホイール１２とニーマン歯形ウォーム１１を組み合わせて行なう歯当り、バックラッシュなどの歯当り検査。
Ｅ２：寸法検査、擦り傷，打ち傷の有無などの完成検査。図３に示すようなウォーム歯車装置１０が完成する。

第１の実施の形態の歯面仕上げ研削は円錐型ウォームホイール仕上げ砥石１７が粗仕上げウォームホイール１４の歯の両面を同時に研削する。また、同砥石１７の回転速度は同砥石１７に電着している超硬度砥粒の電着砥石部１７ａが変質したり剥がれたりしない限りの高速に回転することができるので、研削加工能力が上げられる。電着砥石部１７ａを形成する砥粒としては、ヌープ硬度が４０００ｋｇ／ｍｍ^２以上の高硬度砥粒が用いられ、より好ましくは、ダイアモンド細粒（ヌープ硬度８０００〜８５００ｋｇ／ｍｍ^２）や耐熱性に優れたＣＢＮ（立方晶窒化硼素：ヌープ硬度４７００ｋｇ／ｍｍ^２）等の細粒など、超硬度砥粒が用いられる。上記の熱処理工程Ｄ４による歯面の焼入れ歪が少ないときにはこの研削方法が好適である。

図２はニーマン歯形ウォーム１１とウォームホイール１２に用いられるニーマン歯形を用いたウォーム歯車装置１０と、インボリュート歯形ウォーム３１とウォームホイール３２に用いられる一般的なインボリュート歯形を用いたウォーム歯車装置３０を示し、それぞれの噛み合い接触線を示した図である。図２−(Ｉ)のニーマン歯形の接触線１３とニーマン歯形ウォーム１１のピッチ円との交差角βは、図２−(ＩＩ)のインボリュート歯形の接触線３３とインボリュート歯形ウォーム３１のピッチ円との交差角αより大きく、ウォームとウォームホイールの噛み合い動作においては、図２−(Ｉ)のニーマン歯形の方が図２−(ＩＩ)のインボリュート歯形より転動要素が大きく、また、図２−(ＩＩ)のインボリュート歯形の方が図２−(Ｉ)のニーマン歯形より相対的な滑りが大きいことを示すものである。即ち、鋼材のウォームと鋼材のウォームホイールの噛み合いトルク伝達において、図２−(Ｉ)のニーマン歯形の方が図２−(ＩＩ)のインボリュート歯形より歯間の焼付き要因が少ないことを示唆している。

図５において、粗仕上げウォームホイール１４を研削する円錐型ウォームホイール仕上げ砥石１７の加工時のピッチ径を完成品のニーマン歯形ウォーム１１のピッチ径より若干大きくすることにより、砥面の曲率半径を完成品のウォームホイール１２に組み合わされる完成品のニーマン歯形ウォーム１１の歯面の曲率半径より若干大きくして、完成品のウォームホイール１２の歯形にクラウニングが施工されるようにすれば更に潤滑性が改善される。

ニーマン歯形ウォーム１１とウォームホイール１２の歯当りが良いことを確認し、最適となるウォームの研削砥石の研削条件によりニーマン歯形ウォーム１１を研削仕上げをすれば、ニーマン歯形ウォーム１１とウォームホイール１２の実機における歯当り検査は、最終工程だけで良く、ウォームの仕上げ研削は一度で済み、生産工程が短くなって低コストで、再現性がある正確なウォームの仕上げが可能となる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態のウォームホイールの研削仕上げ方法が第１の実施の形態のウォームホイールの研削仕上げ方法と異なる点は、上記のウォームとウォームホイールの加工工程において、歯研工程Ｄ５のウォームホイール研削方法だけであり、他の工程は全ておなじであるので、この歯研工程Ｄ５について以外は説明を省くことにする。

図５において、ニーマン歯形のプロフィルを回転して成形した円錐形状に高硬度の砥粒を電着した円錐型ウォームホイール仕上げ砥石１７は、粗仕上げウォームホイール１４の歯の谷巾より若干狭い巾とし、同砥石１７をウォームの回転軸Ｙ’周りに回動しながら同砥石１７をＶ方向に回転し、同時に粗仕上げウォームホイール１４は歯面が捩れ角に沿うようにＵ方向に回動するとき、同砥石１７の電着砥石部１７ａを粗仕上げウォームホイール１４の歯の片側面に当て、設定された研削条件（同砥石１７のＶ方向回転速度、ウォームの回転軸Ｙ’のＷ方向回動速度、同ウォームホイール１４のＵ方向回動速度、等）に従って片側ずつ両歯面を研削仕上げをする。

なお、上記の熱処理工程Ｄ４による歯面の焼入れ歪が比較的大きいときには、研削による取り代を多くしなければならないので、この研削方法が好適となる。最適の研削条件によりニーマン歯形ウォーム１１を研削仕上げをし、ニーマン歯形ウォーム１１とウォームホイール１２の歯当りが良いことを確認すれば、ニーマン歯形ウォーム１１とウォームホイール１２の実機における歯当り検査は、最終工程だけで良く、生産工程が短くなって低コストで、再現性がある正確なウォームの仕上げが可能となる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態のウォームホイールの研削仕上げ方法が第１の実施の形態のウォームホイールの研削仕上げ方法と異なる点は、上記のウォームとウォームホイールの加工工程において、歯研工程Ｄ５のウォームホイール研削方法だけであり、他の工程は全て同じであるので、この歯研工程Ｄ５について以外は説明を省くことにする。

第３の実施の形態のウォームホイールの研削仕上げ方法の歯研工程Ｄ５は図６に示すように、ニーマン歯形ホブ２０により粗く切削形成された鋼製の粗仕上げウォームホイール１４を熱処理工程Ｄ４において熱処理硬化後、高硬度の砥粒を電着した（粗仕上げウォームホイール１４の歯に実際に噛み合うニーマン歯形ウォーム１１に倣って作られた）ウォーム形状のウォーム研削砥石１８を回転軸Ｙ周りに回転しながら回転軸Ｙに沿って移動し、同砥石１８の中央部が粗仕上げウォームホイール１４の中央部に一致したとき、同砥石１８の回転軸Ｙ方向の移動を停止し、それ以降は粗仕上げウォームホイール１４をＵ方向に回し、速度比と合致した相対速度を保って研削を続ける。
図６において、ウォーム研削砥石１８に点模様で示したものは電着砥石部１８ａである。

研削時にはウォーム研削砥石１８を粗仕上げウォームホイール１４の歯面の両側に当てて研削し、ウォーム形状のウォーム研削砥石１８は設定された速度比に回転し、設定された研削条件（ウォーム研削砥石１８のＴ方向の回転速度、粗仕上げウォームホイール１４のＵ方向の回動速度、等）に従って研削仕上げをする。なお、上記の熱処理工程Ｄ４による歯面の焼入れ歪が少ないときにはこの研削方法が好適である。

この第３の実施の形態においても第1の実施の形態と同様に、ウォーム研削砥石１８の加工時のピッチ径を完成品のニーマン歯形ウォーム１１のピッチ径より若干大きくすることにより、砥面の曲率半径を完成品のニーマン歯形ウォーム１１の歯面の曲率半径より若干大きくして完成品のウォームホイール１２の歯形にクラウニングが施工されるようにできる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態のウォームホイールの研削仕上げ方法が第１の実施の形態のウォームホイールの研削仕上げ方法と異なる点は、上記のウォームとウォームホイールの加工工程において、歯研工程Ｄ５のウォームホイール研削方法だけであり、他の工程は全ておなじであるので、この歯研工程D５について以外は説明を省くことにする。

第４の実施の形態のウォームホイールの研削仕上げ方法も同じ図６を用いて説明する。図４のニーマン歯形ホブ２０により粗く切削形成された鋼製の粗仕上げウォームホイール１４を熱処理工程Ｄ４において熱処理硬化後、高硬度の砥粒を電着し、粗仕上げウォームホイール１４の歯の谷巾より若干狭い巾に作られたウォーム形状のウォーム研削砥石１８０を回転軸Ｙ周りに回転しながら回転軸Ｙに沿って移動し、同砥石１８０の中央部が粗仕上げウォームホイール１４の中央部に一致したとき、同砥石１８０の回転軸Ｙ方向の移動を停止し、それ以降は粗仕上げウォームホイール１４をＵ方向に回し、速度比と合致した相対速度を保って研削を続ける。

この場合、同砥石１８０を粗仕上げウォームホイール１４の歯面の片側に当てて研削し、ウォーム形状の同砥石１８０に対して設定された速度比に回転し、設定された研削条件に従って片側づつ両側の歯面を研削仕上げをする。上記の熱処理工程Ｄ４による歯面の焼入れ歪が比較的大きいときには、研削による取り代を多くしなければならないので、この研削方法が好適となる。また、同砥石１８０を粗仕上げウォームホイール１４にあてがうとき、同砥石１８０が軸方向に移動可能な隙間があるので同砥石１８０を粗仕上げウォームホイール１４の外径方向（Ｘ方向）に移動することが可能であり、研削作業が容易である。

本発明の実施の形態に係わるウォームホイールの加工方法により製作されるウォームホイールとウォームとの加工工程を示すブロック図である。 本発明のウォームとウォームホイールに用いられるニーマン歯形と一般的なインボリュート歯形それぞれの噛み合い接触線を示した図である。 図２のニーマン歯形を用いて作られたウォームとウォームホイールの組み合わせ噛み合い状態を示す斜視図である。 ウォームホイールを粗仕上げするニーマン歯形ホブの斜視図である。 本発明の第１及び第２の実施の形態に係わるウォームホイールの研削仕上げ加工をする研削工具を使用した研削加工を示す斜視図である。 本発明の第３及び第４の実施の形態に係わるウォームホイールの研削仕上げ加工をする研削工具を使用した研削加工を示す斜視図である。

符号の説明

１０ ウォーム歯車装置
１１ ニーマン歯形ウォーム
１２ ウォームホイール
１３ ニーマン歯形の接触線
１４ 粗仕上げウォームホイール
１７ 円錐型ウォームホイール仕上げ砥石
１７ａ、１８ａ 電着砥石部
１８、１８０ ウォーム研削砥石(ウォーム型)
２０ ニーマン歯形ホブ

Claims (6)

1. ウォームホブ盤により粗く切削形成された鋼製のウォームホイールを熱処理硬化後、ウォームホイールの歯のプロフィルを回転して成形した歯の谷部に相当する円錐形状に高硬度の砥粒を電着した砥石を使用し、砥石の回転軸をウォームの回転軸周りに回動しながら砥石を回転し、同時にウォームホイールは歯面の捩れ角に沿って回動し、設定された研削条件に従って研削仕上げをすることを特徴とするウォームホイールの研削仕上げ方法。
2. 請求項１に記載するウォームホイールの研削仕上げ方法において、
   高硬度の砥粒を電着したウォームホイールの歯のプロフィルを回転して成形した円錐形状の砥石はウォームホイールの歯の谷巾より若干狭い巾とし、砥石の回転軸をウォームの回転軸周りに回動しながら砥石を回転し、同時にウォームホイールは歯面の捩れ角に沿って回動するとき、砥石をウォームホイールの歯の片側に当て、設定された研削条件に従って片側づつ両歯面を研削仕上げをすることを特徴とするウォームホイールの研削仕上げ方法。
3. 請求項１又は２に記載のウォームホイールの研削仕上げ方法において、
   砥石に電着する高硬度の砥粒はダイアモンド細粒又はＣＢＮ（立方晶窒化硼素）等の超硬度材料の細粒であることを特徴とするウォームホイールの研削仕上げ方法。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載するウォームホイールの研削仕上げ方法において、ウォームホイールを研削する高硬度の砥粒を電着した砥石のピッチ径は前記ウォームホイールに組み合わされるウォームのピッチ径より若干大きい径としてウォームホイールの歯形にクラウニングが施工されるようにしたことを特徴とするウォームホイールの研削仕上げ方法。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載された方法で切削及び研削されるウォームホイール及び該ウォームホイールと組み合わされるウォームの歯形は同時接触線がピッチ円に対して大きな角度で交わるニーマン歯形としたことを特徴とするウォームホイールの研削仕上げ方法。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載する研削仕上げ方法によって仕上げ加工された鋼製のウォームホイールと鋼製のウォームとを組み合わせてなることを特徴とするウォーム歯車装置。

Images