JP6065658B2

JP6065658B2 - 歯車加工方法

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Publication number: JP6065658B2
Application number: JP2013045160A
Authority: JP
Inventors: 尚大谷; 中野　浩之; 浩之中野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP2014172112A

Description

本発明は、歯車加工方法に関するものである。

歯車の加工方法として、特開２０１２−４５６８７号公報（特許文献１）に記載されているような加工方法が知られている。この種の加工方法は、外周に複数の工具刃を有する加工用工具を用いて、工作物の回転軸線と加工用工具の回転軸線とを傾斜させた状態で、工作物と加工用工具とを同期回転させながら、加工用工具を工作物の軸線方向に移動させるものである。

特開２０１２−４５６８７号公報

歯車において、歯面の歯すじ方向の段差（面粗さ）を小さくすることが求められる。上述の加工方法においては、加工用工具の送り速度を低くすることで、面粗さを小さくすることができるが、加工時間が長くなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加工時間の短縮を図りつつ、歯面の面粗さを小さくすることができる歯車加工方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ね、加工用工具を工作物に対して往復移動させる際に、往路において加工用工具による切削加工を行い、復路において加工用工具による押し潰し加工を行うことを思いつき、本発明に至った。

（請求項１）本手段に係る歯車加工方法は、外周に複数の工具刃を有する加工用工具を用いた歯車加工方法であって、工作物を工作物軸線回りに回転させ、かつ、前記加工用工具を前記工作物軸線に対して傾斜した工具軸線回りに前記工作物と同期回転をさせながら、前記工作物に対して前記加工用工具を前記工作物軸線方向に前進させることで、前記工具刃の前進すくい面による切削加工を行う往路加工工程と、前記往路加工工程の後に、前記工作物と前記加工用工具とを前記往路加工工程における前記同期回転をさせながら、前記工作物に対して前記加工用工具を前記工作物軸線方向に後退させることで、前記往路加工工程における前記工具刃の逃げ面である前記工具刃の後退すくい面により押し潰し加工を行う復路加工工程とを備える。前記復路加工工程は、前記往路加工工程にて形成された前記歯車の歯すじ方向の全長に亘って加工する。

以下に、本手段に係る歯車加工方法の好適な態様を記載する。
（請求項２）また、前記歯車加工方法は、前記往路加工工程の後であって前記復路加工工程の前に、前記加工用工具を前記工作物に対して切込方向に移動させる径方向移動工程を備えるとよい。
（請求項３）また、前記径方向移動工程における切込方向への移動量は、前記工作物および前記加工用工具の少なくとも一方のたわみ量に基づいて設定されるとよい。

（請求項４）また、前記復路すくい面は、前記復路加工工程において負のすくい角に設定されるとよい。
（請求項５）また、前記復路加工工程における後退速度を前記往路加工工程における前進速度より速くするとよい。
（請求項６）また、前記往路加工工程における前進速度と前記復路加工工程における後退速度とは異なるようにするとよい。

（請求項１）本手段によれば、復路における後退動作を利用して、工作物に対して押し潰し加工を行っている。従って、前進速度を低下させることなく、歯面の面粗さを小さくすることができる。その結果、加工時間の短縮を図りつつ、歯面の面粗さを小さくすることができる。

さらに、上記手段によれば、各工具刃には、往路における切削負荷と復路における押し潰し負荷とが生じる。そして、上記加工方法によれば、往路において切削する工具刃が順次移り変わっていくと共に、復路において押し潰す工具刃が順次移り変わっている。従って、各工具刃に対する負荷の集中を回避できる。
さらに、復路加工工程を往路加工工程により形成された歯車の歯すじ方向の全長に亘って行うことで、歯面の歯すじ方向の全長に亘って面粗さを小さくできる。

（請求項２）復路加工工程の前に加工用工具を切込方向に移動させることで、復路加工工程における押し潰し力を大きくできる。その結果、歯面の面粗さをより小さくできる。
（請求項３）工作物および加工用工具の剛性によっては、加工用工具の押し潰しによって工作物および加工用工具の少なくとも一方がたわみ変形する場合がある。この場合であっても、たわみ量に基づいて切込方向への移動量を設定するため、確実に工作物の表面を工具刃により押し潰すことができる。その結果、面粗さを確実に小さくできる。

（請求項４）復路加工工程において復路すくい面を負のすくい角に設定することで、切削加工を行うことなく、工具刃による押し潰し加工ができる。
（請求項５）上記したように、復路すくい面を負のすくい角に設定することで、押し潰し範囲を広くできる。そこで、後退速度を前進速度より速くしたとしても、十分に復路における押し潰し加工を行うことができる。これにより、加工時間の短縮を図ることができる。

（請求項６）前進速度と後退速度とを異ならせることで、歯すじ方向において、往路における切削の周期と復路における押し潰しの周期を確実に不一致にすることができる。その結果、各歯面において、歯すじ方向の全長に亘って、復路における押し潰し力を受けない状態になることはない。従って、全ての歯面における面粗さを小さくすることができる。

歯車加工の基本動作を説明する図であって、切削開始時（本実施形態の往路加工工程の開始時）における工作物Ｗと加工用工具Ｔとの位置を示す図であって、Ｙ軸方向から見た図である。図１ＡのＩ(Ｂ)方向、すなわちＸ軸方向から見た図である。歯車加工の基本動作を説明する図であって、切削終了時（本実施形態の往路加工工程の終了時）における工作物Ｗと加工用工具Ｔとの位置を示す図であって、Ｘ軸方向から見た図である。歯車である工作物Ｗの部分的な斜視図である。本発明の実施形態における歯車加工方法のフローチャートである。図４の往路加工工程Ｓ１の開始時における、工作物Ｗと加工用工具Ｔとの位置を示す図である。ただし、工作物Ｗは、歯すじ方向ｄを上下方向として図示し、図５Ｂ〜図５Ｆも同様である。図４の往路加工工程Ｓ１の途中における、工作物Ｗと加工用工具Ｔとの位置を示す図である。図４の往路加工工程Ｓ１の終了時における、工作物Ｗと加工用工具Ｔとの位置を示す図である。図４の径方向移動工程Ｓ２の終了時における、工作物Ｗと加工用工具Ｔとの位置を示す図である。図４の復路加工工程Ｓ３の途中における、工作物Ｗと加工用工具Ｔとの位置を示す図である。図４の復路加工工程Ｓ３の終了時における、工作物Ｗと加工用工具Ｔとの位置を示す図である。図４の歯車加工方法において、加工用工具ＴのＺ軸方向の指令位置の時間変化を示す。図６Ａの場合において、加工用工具ＴのＸ軸方向の指令位置の時間変化を示す。図６Ｂの場合において、加工用工具ＴのＸ軸方向の実位置の時間変化を示す。加工用工具および工作物の剛性に対して、図４の径方向移動工程Ｓ２における加工用工具ＴのＸ軸方向移動量ΔＸの関係を示す図である。加工用工具Ｔの変形態様を示す。歯車加工方法において、加工用工具ＴのＺ軸方向の指令位置の時間変化の変形態様を示す。

（歯車加工装置）
本実施形態の歯車加工方法を適用する装置は、例えば、５軸マシニングセンタである。すなわち、工作物Ｗと加工用工具Ｔとを直交３軸方向に相対移動させ、工作物Ｗおよび加工用工具Ｔをそれぞれ軸回りに回転させ、かつ、工作物Ｗの回転軸線Ｌｗ（以下、工作物軸線と称する）と加工用工具Ｔの回転軸線Ｌｔ（以下、工具軸線と称する）とを傾斜させることができる装置を適用する。

（歯車加工の基本動作）
歯車加工の基本動作について、図１Ａ〜図３を参照して説明する。ここでは、工作物Ｗの外周面に歯車を形成する場合を例に挙げる。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、工作物Ｗは、円板状に形成され、その外周面に歯車が形成される。また、工作物Ｗは、工作物軸線Ｌｗ回りに回転可能にマシニングセンタに支持される。

加工用工具Ｔは、外周に複数の工具刃１０を有し、工具軸線Ｌｔ回りに回転可能にマシニングセンタに支持される。各工具刃１０は、工具軸線Ｌｔ方向の端面１１と、外周面側の外面１２とを有する。端面１１は、工具軸線Ｌｔに対してほぼ直交する。一方、外面１２は、工具軸線Ｌｔに対して傾斜している。そして、工具刃１０の端面１１と外面１２との交わる部位は、鋭角状に形成される。

そして、工具軸線Ｌｔは、工作物軸線Ｌｗに対して傾斜した状態とされている。つまり、両者が平行ではないという意味である。ここでは、図１Ｂに示すように、工作物軸線ＬｗをＺ方向に平行とし、工具軸線ＬｔをＺ方向に傾斜させている。

続いて、加工用工具Ｔを工作物Ｗと同期回転をさせながら、図２に示すように、工作物Ｗに対して加工用工具Ｔを工作物軸線Ｌｗ方向に前進させる。そうすると、図３に示すように、歯先２１、歯底２２および歯面２３を有する歯車が形成される。

（本実施形態の歯車加工方法）
次に、本実施形態の歯車加工方法について、図４〜図７を参照して説明する。図４に示すように、往路加工工程を行う（Ｓ１）。往路加工工程では、上述した歯車加工の基本動作による加工工程である。

往路加工工程の開始時には、図５Ａに示すように、工作物Ｗと加工用工具Ｔとが位置する。このとき、図１Ａ、図１Ｂを参照して説明したように、工作物軸線Ｌｗと工具軸線Ｌｔとを傾斜させた状態で、工作物Ｗと加工用工具Ｔとを同期回転させる。そして、加工用工具Ｔを工作物軸線Ｌｗ方向（−Ｚ方向）に前進させる。

加工用工具Ｔが前進することで、図５Ｂに示すように、各工具刃１０の端面１１が前進におけるすくい面を形成し、前進すくい面としての端面１１による切削加工が行われる。このとき、歯面２３には、歯すじ方向ｄ（図３に示す）に、前進送り速度に応じた段差が形成される。また、前進すくい面としての端面１１と前進逃げ面としての外面１２とが鋭角に形成されているため、当該段差形状は、当該鋭角に倣う形状に形成される。

さらに加工用工具Ｔを前進させて、工作物Ｗの厚み方向全長に亘って加工用工具Ｔを移動させると、図５Ｃに示すように、歯面２３が厚み方向全長に亘って形成される。そして、往路加工工程を終了する。このときの歯面２３の表面粗さの最大高さは、Ｒｚ１となる。表面粗さの最大高さＲｚ１は、加工用工具Ｔの端面１１および外面１２の形状、並びに、加工用工具Ｔの送り速度に応じて変化する。

往路加工工程の後には、図４に示すように、径方向移動工程を行う（Ｓ２）。図５Ｄに示すように、径方向移動工程では、加工用工具Ｔを往路加工工程における切込方向（Ｘ軸方向）に移動させて、加工用工具Ｔを工作物軸線Ｌｗに近づける。ここで、径方向移動工程の際にも、工作物Ｗおよび加工用工具Ｔは、同期回転されている。

加工用工具Ｔを切込方向へ移動させると、加工用工具Ｔと工作物Ｗとは、相互に径方向の負荷を受ける。そのため、加工用工具Ｔおよび工作物Ｗは、径方向にたわみ変形する。本実施形態では、加工用工具Ｔの剛性が、工作物Ｗの剛性より低いため、加工用工具Ｔがたわみ変形する。図５Ｄに示すように、加工用工具Ｔに対するＸ軸方向の移動指令値をΔＸとすると、たわみ量εの分だけ押し戻されることになり、結果として、加工用工具Ｔは、ΔＸrealだけ工作物Ｗ側に近づくことになる。

径方向移動工程の後には、図４に示すように、復路加工工程を行う（Ｓ３）。復路加工工程においても、往路加工工程から継続して、工作物Ｗと加工用工具Ｔとを同期回転させる。そして、加工用工具Ｔを工作物軸線Ｌｗ方向（＋Ｚ方向）に後退させる。

加工用工具Ｔが後退することで、図５Ｅに示すように、各工具刃１０の外面１２が後退におけるすくい面を形成し、後退すくい面としての外面１２による加工が行われる。ここで、外面１２は、後退方向に対して、負のすくい角に設定されている。特に、すくい角は、−４５°未満（−４５°より負の方向に大きな角度）に設定される。そのため、後退加工工程においては、外面１２により切削加工が行われず、外面１２による押し潰し加工が行われる。

外面１２による押し潰し加工によって、歯面２３の段差を小さくしながら、加工用工具Ｔが工作物軸線Ｌｗ方向に後退する。そして、図５Ｆに示すように、往路加工工程により形成された歯車の歯すじ方向ｄの全長に亘って、復路加工工程を行った後に終了する。復路加工工程を終了した時の歯面２３の表面粗さの最大高さは、Ｒｚ２となり、Ｒｚ１よりも小さくなる。特に、歯面２３全長に亘って、表面粗さを小さくできる。

上述した歯車加工方法について、時間の経過につれて、加工用工具ＴのＺ、Ｘ軸方向の指令位置、およびＸ軸方向の実位置について、図６Ａ〜図６Ｃを参照して詳細に説明する。

上述したように、往路加工工程において加工用工具Ｔを工作物軸線Ｌｗ方向に前進させ、径方向移動工程において切込方向に移動させ、復路加工工程において工作物軸線Ｌｗ方向に後退させる。つまり、図６Ａに示すように、加工用工具ＴのＺ軸方向の指令位置は、往路加工工程（ｔ０〜ｔ１）において、Ｚ１からＺ２へ向かって移動する。続いて、径方向移動工程（ｔ１〜ｔ２）においては、加工用工具ＴのＺ軸方向位置を一定とする。続いて、復路加工工程（ｔ２〜ｔ３）において、Ｚ２からＺ１へ向かって移動する。ここでは、往路加工工程における加工用工具Ｔの移動速度と、復路加工工程における移動速度とは、同一に設定している。

また、図６Ｂに示すように、加工用工具ＴのＸ軸方向の指令位置は、往路加工工程（ｔ０〜ｔ１）において、Ｘ１を保持され、径方向移動工程（ｔ１〜ｔ２）において、Ｘ２へ移動する。このときの指令位置としての移動量ΔＸは、（Ｘ１−Ｘ２）となる。そして、復路加工工程（ｔ２〜ｔ３）においては、Ｘ２を保持される。

ただし、径方向移動工程および復路加工工程において、工作物Ｗおよび加工用工具Ｔの少なくとも一方（本実施形態においては加工用工具Ｔ）がたわみ変形する。そこで、図６Ｃに示すように、加工用工具ＴのＸ軸方向の実位置は、往路加工工程（ｔ０〜ｔ１）において、Ｘ１を保持され、径方向移動工程（ｔ１〜ｔ２）において、Ｘ３へ移動する。つまり、たわみ量εの分だけ押し戻される。このときの実位置としての移動量ΔＸrealは、（Ｘ１−Ｘ３）となる。そして、復路加工工程（ｔ２〜ｔ３）においては、Ｘ３を保持される。

次に、図７を参照して、径方向移動工程において、加工用工具Ｔの切込方向への移動量の指令値の決定方法について説明する。まず、往路加工工程を終了した時の歯面２３の表面粗さの最大高さに応じて、押し潰し力を変化させる必要がある。また、径方向移動工程および復路加工工程においては、工作物Ｗおよび加工用工具Ｔの少なくとも一方がたわみ変形することは上述したとおりである。そのため、たわみ量を考慮して、切込方向への移動量が決定される。ここで、たわみ量は、工作物Ｗおよび加工用工具Ｔの剛性に応じて異なる。

従って、切込方向への移動量の指令値は、往路加工工程の終了時における歯面２３の表面粗さの最大高さ、および、工作物Ｗおよび加工用工具Ｔの剛性に基づいて決定される。工作物Ｗおよび加工用工具Ｔの剛性に対する、加工用工具ＴのＸ軸方向の移動量の指令値の関係は、図７に示すとおりである。つまり、表面粗さの最大高さＲｚ１よりも大きな移動量とする。さらに、剛性が高い場合には移動量が小さくなり、剛性が低い場合には移動量が大きくなるようにする。例えば、図７において、工作物Ｗおよび加工用工具Ｔの剛性がＰの場合には、加工用工具ＴのＸ軸方向の移動量の指令値は、ΔＸとなる。なお、ここでいう剛性とは、工作物Ｗおよび加工用工具ＴがＸ軸方向に対して力を受けた場合の変形しにくさを示す指標である。

上記実施形態によれば、復路における後退動作を利用して、工作物Ｗに対して押し潰し加工を行っている。従って、往路加工工程における前進速度を低下させることなく、歯面２３の面粗さを小さくすることができる。その結果、加工時間の短縮を図りつつ、歯面２３の面粗さを小さくすることができる。

さらに、各工具刃１０には、往路における切削負荷と復路における押し潰し負荷とが生じる。そして、工作物Ｗと加工用工具Ｔとを同期回転させているため、往路において切削する工具刃１０が順次移り変わっていくと共に、復路において押し潰す工具刃１０が順次移り変わっている。従って、各工具刃１０に対する負荷の集中を回避できる。

さらに、復路加工工程を往路加工工程により形成された歯車の歯面２３の歯すじ方向の全長に亘って行っている。これにより、歯面２３の歯すじ方向の全長に亘って面粗さを小さくできる。

また、復路加工工程の前に、径方向移動工程において加工用工具Ｔを切込方向に移動させている。これにより、復路加工工程における加工用工具Ｔによる歯面２３に対する押し潰し力を大きくできる。その結果、歯面２３の面粗さをより小さくできる。

また、径方向移動工程における切込方向の移動量の指令値は、工作物Ｗおよび加工用工具Ｔのたわみ量と、往路加工工程における歯面２３の面粗さを考慮して設定されている。従って、確実に、工作物Ｗの歯面２３の表面を工具刃１０により押し潰すことができる。その結果、面粗さを確実に小さくできる。

＜変形態様＞
上記実施形態の変形態様について以下に説明する。上記実施形態において、加工用工具Ｔの外面１２は、工具軸線Ｌｔに対して傾斜している。この他に、図８に示すように、加工用工具Ｔの外面１２は、後退方向に対して、−９０°に近いすくい角に設定される。例えば、外面１２を、工具軸線Ｌｔにほぼ平行な面とする。つまり、加工用工具Ｔにおいて、端面１１と外面１２とは、ほぼ直交する。この場合、復路加工工程において外面１２が歯面２３を押し潰す際に、一度に押し潰す範囲を広くできる。その結果、歯面２３の面粗さをより小さくできる。

特に、加工用工具Ｔの外面１２を図８に示すように工具軸線Ｌｔに平行な面とした場合には、図９に示すように、復路加工工程（ｔ２〜ｔ１３）における後退速度を、往路加工工程（ｔ０〜ｔ１）における前進速度より速くする。上述したように、加工用工具Ｔの外面１２を工具軸線Ｌｔに平行な面とすることで、一度に押し潰す範囲を広くすることができる。そのため、後退速度を前進速度より速くしたとしても、十分に復路における押し潰し加工を行うことができる。これにより、加工時間の短縮を図ることができる。なお、図１Ａに示す加工用工具Ｔを適用した場合であっても、外面１２の後退方向のすくい角が−４５°未満であれば、後退速度を前進速度より早くした場合に上記効果を奏する。

また、後退速度を前進速度に対して速くする場合に限られず、前進速度と後退速度を異なるようにすることも適用できる。この場合も、加工用工具Ｔは、図１Ａに示す構成でも、図８に示す構成でもよい。

前進速度と後退速度とを異ならせることで、歯すじ方向ｄにおいて、往路における切削の周期と復路における押し潰しの周期を確実に不一致にすることができる。その結果、各歯面２３において、歯すじ方向ｄの全長に亘って、復路における押し潰し力を受けない状態になることはない。従って、全ての歯面２３における面粗さを小さくすることができる。

また、上記実施形態においては、径方向移動工程において加工用工具Ｔを切込方向へ移動させた。この他に、径方向移動工程を適用せずに、往路加工工程に続いて、復路加工工程を行うようにしてもよい。この場合には、径方向移動工程により復路加工工程における押し潰し力を大きくするという効果を奏しない。ただし、復路加工工程において、加工用工具Ｔの切込方向が往路加工工程と同一であっても、押し潰し加工を行うことができるため、往路加工工程の終了時に比べると面粗さを小さくすることはできる。

また、上記実施形態においては、工作物Ｗの外周面に歯車を形成する場合、すなわち外歯の加工方法について説明した。この他に、本発明は、工作物Ｗの内周面に歯車を形成する場合、すなわち内歯の加工方法について適用することもできる。また、上記実施形態においては、歯車加工方法を適用する装置として汎用のマシニングセンタを用いる場合を例に挙げたが、専用の加工機を用いることもできる。

１０：工具刃、１１：端面（前進すくい面）、１２：外面（前進逃げ面、後退すくい面）、２３：歯面、ｄ：歯すじ方向、Ｌｔ：工具軸線、Ｌｗ：工作物軸線、Ｓ１：往路加工工程、Ｓ２：径方向移動工程、Ｓ３：復路加工工程、Ｔ：加工用工具、Ｗ：工作物、 ΔＸ：切込方向への移動量、 ε：たわみ量

Claims

外周に複数の工具刃を有する加工用工具を用いた歯車加工方法であって、
工作物を工作物軸線回りに回転させ、かつ、前記加工用工具を前記工作物軸線に対して傾斜した工具軸線回りに前記工作物と同期回転をさせながら、前記工作物に対して前記加工用工具を前記工作物軸線方向に前進させることで、前記工具刃の前進すくい面による切削加工を行う往路加工工程と、
前記往路加工工程の後に、前記工作物と前記加工用工具とを前記往路加工工程における前記同期回転をさせながら、前記工作物に対して前記加工用工具を前記工作物軸線方向に後退させることで、前記往路加工工程における前記工具刃の逃げ面である前記工具刃の後退すくい面により押し潰し加工を行う復路加工工程と、
を備え、
前記復路加工工程は、前記往路加工工程にて形成された前記歯車の歯すじ方向の全長に亘って加工する、歯車加工方法。
前記歯車加工方法は、前記往路加工工程の後であって前記復路加工工程の前に、前記加工用工具を前記工作物に対して切込方向に移動させる径方向移動工程、を備える請求項１の歯車加工方法。
前記径方向移動工程における切込方向への移動量は、前記工作物および前記加工用工具の少なくとも一方のたわみ量に基づいて設定される、請求項２の歯車加工方法。
前記復路すくい面は、前記復路加工工程において負のすくい角に設定される、請求項１〜３の何れか一項の歯車加工方法。
前記復路加工工程における後退速度を前記往路加工工程における前進速度より速くする、請求項４の歯車加工方法。
前記往路加工工程における前進速度と前記復路加工工程における後退速度とは異なる、請求項１〜５の何れか一項の歯車加工方法。