JP6094093B2

JP6094093B2 - スカイビング加工用カッター

Info

Publication number: JP6094093B2
Application number: JP2012182500A
Authority: JP
Inventors: 友和立川; 信明栗田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: JP2014039971A

Description

本発明は、スカイビング加工用カッターに関し、詳しくは、スカイビング加工によりギヤを製造するカッターの改良に関する。

特許文献１には、リング状のワークを回転させ、このワークと同期回転するスカイビング加工用カッター（文献ではピニオンカッター）を、ワークに形成する歯の歯すじ方向に送ることにより歯切りする加工形態が示されている。

この特許文献１にも記載されるように、このようにワークとスカイビング加工用カッターとを同期回転させて加工を行うものでは、高速での加工が実現する。

また、特許文献２には、スカイビングに限らずカッターに用いられるスローアウェイチップ製の切刃においてすくい面と逃げ面とがなす切刃に面取領域を形成し、更に、窒化アルミニウム等のコーティングを施すことにより、摩耗を抑制し、強度を確保して寿命を高める構成が示されている。

特開２０１２‐４５６８７号公報特開平１０‐４３９１２号公報

スカイビング加工とは、「内歯平歯車スカイビングに関する研究（第１報，カッタ歯形について）」小島昌一，西嶋小巳雄日本機械学会論文集（Ｃ編）３９巻３２４号頁２５８０−２５８６に示されるように、「すべり」を利用して切削を実現する加工法である。

この論文に示されるように、スカイビング加工では、切削によりワークに形成される歯の歯溝に対して、ピニオンカッターの刃部が噛み合う形態で同期回転すると同時に、ワークに形成される歯の歯すじ方向にピニオンカッターの刃部が相対移動することで「すべり」を作り出して切削を実現しており、高速での加工も実現する。

しかしながら、このスカイビング加工により内歯平歯車を加工した場合には、トレーリング側のエッジの損傷と比較して、リーディング側のエッジの損傷が極めて大きい。

この損傷の原因を究明する一つの手段として、ピニオンカッターでの切削により発生する切粉の厚さが計測された。この計測によると、リーディング側（回転下手側）の切粉の厚さよりトレーリング側（回転上手側）の切粉の厚さが厚くなる現象を確認できる。この現象は、カッターのリーディング側がワークに接触する部位において擦れる（こすれる）状態で移動することや、接触する状態と離間する状態が短時間のうちに繰り返される、所謂、ビビリが原因として考えられる。このような現象から適正な切削が行われず、トレーリング側で発生する切粉の厚さが、リーディング側で発生する切粉との厚さより厚くなる傾向に結び付くと想像できる。
調査したところ、トレーリング側の切粉の厚さが〜７０μｍに対して、リーディング側の厚さが〜２０μｍであり、リーディング側の切粉の厚さが薄いことが分かっている。

つまり、スカイビング加工では、ピニオンカッターの回転が直接的に切削に結び付くものではないため、ピニオンカッターの刃部がワークに接触する際には、リーディング側がワークに対して強く接触し、これによりピニオンカッターに作用する応力負荷が局所的・瞬間的に上昇する。このため、ピニオンカッターやワークが変形したり、加工機械そのものが振動して前述した擦れや、ビビリの発生を招く。更に、発熱や応力がリーディング側のエッジに集中して、リーディング側のエッジの損傷を招いていたと説明できる。

このような不都合を解消するため、ピニオンカッターの刃部全体に対して、特許文献２に記載されるように面取領域を形成することや、耐摩耗性を向上させるためのコーティングを施すことも考えられる。このように、刃部全体に面取領域を形成した場合には、面取領域を形成するための工程を必要とするだけではなく、手間が掛かる点において改善の余地がある。

本発明の目的は、刃部の損傷を抑制して寿命が長いスカイビング加工用カッターを構成する点にある。

本発明の特徴は、複数の切削刃部を回転軸芯を中心にして放射状に配置することにより当該カッターが歯車状に形成されると共に、前記切削刃部のうち前記回転軸芯に沿う方向での突出端において刃先端部から刃底部に亘るエッジ領域に切刃が形成され、前記切刃のうち、切削対象物に先行接触するリーディング側にのみ前記刃先端部から前記刃底部までに面取部が形成され、前記面取部は、リーディング側における前記切刃の断面形状が円弧状である点にある。

この構成によると、切削加工時において切削対象物に先行接触するリーディング側の刃先端部から刃底部に亘って面取部が形成されるので、切削加工時には切削対象物に対して面取部が最も早く接触する。この面取部は、例えば、鋭角となるエッジのように鋭い形状と比較して鈍い角度に形成されるので、切削加工時に切削対象物に強く接触し、この接触状態が継続する場合にも、強い応力負荷が集中することはなく、損傷を抑制できる。
また、スカイビング加工用カッターでは、切削対象物に対してリーディング側の刃先端部から刃底部に亘る領域が、トレーリング側より強く接触する反面、切刃での切削量のうちリーディング側での切削量はトレーリング側より少ない。このような理由から、面取部を形成することにより切削に与える影響を低減しながら切削刃部の強度向上が実現する。
従って、刃部の損傷を抑制して寿命が長く、長期に亘って使用可能なスカイビング加工用カッターが構成された。

本発明は、前記面取部が、ブラスト処理により形成されても良い。

切削刃部は歯車の歯のように回転軸芯を中心にして放射状に突出する形状を有することから、切削や研磨に用いる装置類を用いる場合には、この切削刃部の先端部から基端部に亘って均等に面取部を形成する加工が困難である。これに対して、投射材を投射するブラスト処理では切削刃部の形状に拘わらず切削刃部の先端部から基端部に亘る領域のエッジを均等に表面処理して面取部を形成できる。

本発明は、前記面取部に、耐摩耗性を向上させる材料によるコーティング層が形成されても良い。

これによると、面取部に耐摩耗性を向上させる材料でコーティング層を形成することにより、面取部がワークに強く当接した場合の摩耗を抑制して寿命を一層長くする。特に、投射材を切削刃部の表面に吹き付けた場合には、投射材の衝突時の衝撃により圧縮残留応力を付与して切削刃部の母材の表層硬度を高めることが可能となる。このように表層硬度を高めた状態でコーティング層を形成した場合には、母材の表面硬度とコーティングを形成する材料との硬度差が小さくなり、コーティングの剥離が抑制される。

スカイビング加工装置での加工形態を示す斜視図である。スカイビング加工装置の構成を示すブロック図である。面取部を示すカッターの斜視図である。カッターによるワークの切削形態を模式的に示す図である。面取部とコーティング層とを示す断面図である。切削加工時におけるワークとカッターとの関係を示す底面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

〔スカイビング加工装置〕
図１及び図２には、本発明のスカイビング用カッターを備えたスカイビング加工装置による加工形態の一例と、スカイビング加工装置の構成とが模式的に示されている。この装置は、切削対象物としてリング状のワーク１を支持するテーブル２と、ワーク１を加工するピニオン型のカッター１０と、このカッター１０を移動させる作動部４と、テーブル２とカッター１０との回転を制御し、かつ、作動部４の移動を制御する制御ユニットＡとを備えて構成されている。

テーブル２は、加工対象となるワーク１を支持し縦軸芯Ｙを中心にして回転自在に備えられている。カッター１０は、作動部４に対して回転軸芯Ｘを中心にして回転自在に支持され、この回転軸芯Ｘは、縦軸芯Ｙと食い違う位置関係にあり、縦軸芯Ｙに対して傾斜角αだけ傾斜している。

カッター１０は、複数の切削刃部１１を回転軸芯Ｘを中心にして放射状に配置すると共に、夫々の切削刃部１１の刃すじ方向を斜め姿勢にすることにより該カッター全体がヘリカルギヤ状（はすば歯車状）に形成されている。このカッター１０の詳細は後述する。

作動部４は、カッター１０を、縦軸芯Ｙと平行する方向に案内するガイド体４Ａと、これに沿って移動自在なスライダ４Ｂとを備えると共に、スライダ４Ｂに対してジョイント４Ｃにより角度調節自在に連結するアーム４Ｄを備え、このアーム４Ｄの先端にカッター１０を回転自在に支持する軸受体４Ｅを備えて構成されている。

スカイビング加工装置は、リング状のワーク１をスカイビング加工することによりワーク１の内周に複数の歯を形成して内歯平歯車、若しくは、内歯はすば歯車を形成する。また、このスカイビング装置では、ワーク１に形成される歯の歯すじ方向（縦軸芯Ｙと平行する方向）にカッター１０を移動させる形態で加工が行われる。

作動部４は、ガイド体４Ａの角度設定と、ジョイント４Ｃによる回転軸芯Ｘの角度設定（傾斜角α）を人為的に設定して固定するものを想定しているが、電動モータにより角度設定を行うものであっても良い。この作動部４は図示した構成に限るものではなく、例えば、多関節ロボットアームのように複数の関節によって傾斜角αの角度設定を行うと共に、ロボットアームの作動によりカッター１０を歯すじ方向（縦軸芯Ｙの方向）にカッター１０を移動させるように構成されるものでも良い。

制御ユニットＡは、テーブル２とカッター１０とを同期回転させる同期駆動機構５と、作動部４を歯すじ方向（縦軸芯Ｙと平行する方向）に移動させるシフト駆動機構６と、制御機構７とを備えている。同期駆動機構５は電動型の切削モータ５Ｍの駆動力が伝えられ、シフト駆動機構６は電動型のシフトモータ６Ｍからの駆動力が伝えられる。制御機構７は、マイクロプロセッサやＤＳＰ等を備えており、予め設定されたプログラムに従って切削モータ５Ｍとシフトモータ６Ｍとを制御する。

〔加工の概要〕
このスカイビング加工装置では、縦軸芯Ｙを鉛直方向にセットし、リング状のワークの軸芯を縦軸芯Ｙと一致させるようにテーブル２に対しチャックにより固定し、縦軸芯Ｙを基準にして傾斜角αだけ傾斜する姿勢に回転軸芯Ｘをセットする。このようにセッティングされた状態において制御ユニットＡが、切削モータ５Ｍを制御することで縦軸芯Ｙを中心にしてリング状のワーク１を主回転方向Ｒに回転させると共に、この主回転方向Ｒへの回転と同期してカッター１０を従回転方向Ｓに回転させる。

この同期回転状態において、制御ユニットＡが、シフトモータ６Ｍを制御してカッター１０を歯すじ方向に移動させる。この移動によりワーク１の内周にカッター１０が接触して切削が開始される。この切削では、カッター１０の切削刃部１１がワーク１の内周に形成される歯溝に噛み合う形態で切削が進み、歯すじ方向が縦軸芯Ｙと平行する複数の歯を有した平内歯車の製造が実現する。

特に、ワーク１とカッター１０とを同期回転させた場合には、縦軸芯Ｙに対して回転軸芯Ｘが傾斜しているため、カッター１０の回転に伴い、カッター１０の切削刃部１１は縦軸芯Ｙと平行する方向へ相対移動する。つまり、回転軸芯Ｘを中心にする回転に伴い縦軸芯Ｙに沿う方向への移動成分の作用により、切削刃部１１がワーク１に対し相対移動する。この縦軸芯Ｙに沿う方向への相対移動の移動成分が「すべり」であり、スカイビング加工装置は「すべり」によりワーク１に対して縦軸芯Ｙに沿う方向に切削刃部１１が食い込み、切削を行うのである。尚、シフトモータ６Ｍの駆動力によりカッター１０を縦軸芯Ｙに沿う方向に移動させる移動力の作用によっても切削は行われるが、この移動は、ワーク１に対して必要とする歯幅となる歯を形成するために行われる。

尚、カッター１０の切削刃部１１を、縦軸芯Ｙと平行する姿勢でワーク１の内周面に接触させるため、この切削刃部１１をヘリカル状に形成しており、このような相対姿勢を作り出すために傾斜角αが設定される。この加工時には、ワーク１の内周の移動方向と、カッター１０の切削刃部１１の外周における、ワーク１の移動方向に沿う方向の移動速度成分を一致させるように同期駆動が行われる。

特に、切削加工が行われる際には、ワーク１に対してカッターの切削刃部１１の突出端が強く接触するため、破損によりカッター１０の寿命の短縮に繋がる。このような不都合を改善するためにカッター１０を以下のように構成している。

〔カッター〕
図１〜図６に示すように、カッター１０は、ＨＲＣ６５程度の硬度の高速度鋼製の円柱状の母材の外面にヘリカル状の溝を形成する加工により、複数の切削刃部１１を回転軸芯Ｘを中心に放射状に配置した、はすば歯車状に形成されている。切削刃部１１のうち回転軸芯Ｘに沿う方向での突出端（図４（ａ）、図５で下端）には、回転軸芯Ｘに直交する姿勢で、複数の切削刃部１１に連なる端面１２が形成されている。複数の切削刃部１１における端面１２において、回転軸芯Ｘから離れる位置の刃先端部１１Ａから回転軸芯Ｘに近接する刃底部１１Ｂに亘るエッジ領域に切刃Ｅが形成される。特に、本発明のカッター１０の母材は円柱状のものに限るものではなく、例えば、円筒状あるいは円錐状であっても良い。このような形状の母材を用いることで全体的に円筒状や円錐状となるカッター１０の形成も可能となる。

つまり、端面１２は回転軸芯Ｘに直交する姿勢の平坦、ないしは、すくい角を持たせるための円錐面に形成されるものであり、切削刃部１１における端面１２と、この端面１２から回転軸芯Ｘに沿う方向に切り込まれる形態で形成されることにより切削刃部１１の側面部分との境界部分のエッジ領域が切刃Ｅとして形成される。また、切刃Ｅは、切削加工時においてワーク１に対して先行接触するリーディング側（従回転方向Ｓの下手側）のリーディング領域Ｅａと、トレーリング側（従回転方向Ｓの上手側）のトレーリング領域Ｅｂとで構成される。

従って、切削時には、ワーク１の内周が縦軸芯Ｙを中心にして周方向に移動し、カッター１０の切削刃部１１が回転軸芯Ｘを中心にして周方向に移動する状態で、「すべり」により切削が実現する。特に、スカイビング加工の特性からリーディング領域Ｅａでの切削量は、前述の如く、トレーリング領域Ｅｂでの切削量と比較して少ない。尚、この傾向は後述する面取部１３を形成しても変化しない。

加工時にはリーディング領域Ｅａに対してワーク１から強い圧力が作用するため、切刃Ｅが鋭利な角度である場合には、この切刃Ｅが損傷する不都合を招く。この不都合を解消するためにこの切刃Ｅのうちリーディング領域Ｅａには面取部１３が形成されると共に、この面取部１３の表面に耐摩耗性を向上させる材料によるコーティング層１４が形成されている。尚、トレーリング領域Ｅｂは鋭利な切刃Ｅが残される。

また、面取部１３はブラスト処理により形成されている。このブラスト処理の一例として、粒径がφ０．００５〜φ０．５ｍｍ程度のジルコニア等の投射材を投射している。これにより、リーディング領域Ｅａにおける切刃Ｅの部位の断面形状を図５に示す如く円弧状に成形される。このブラスト処理としての具体的な技術として、ショットブラストやショットピーニングが存在し、投射材の衝突時の衝撃により面取部１３及びこの近傍の圧縮残留応力を付与して切削刃部の母材の表層硬度を高めることが可能である。

面取部１３を形成する場合には、所定の切削刃部１１のリーディング領域Ｅａに対して投射材を投射するようにセッティングし、投射材の投射と共に、カッター１０を回転軸芯Ｘを中心に低速で回転させることにより、全ての切削刃部１１のリーディング領域Ｅａに面取部１３を形成できる。

このようにブラスト処理により面取部１３を形成した後には、少なくとも面取部１３の表面に対してＴｉＣＮ（炭窒化チタン）やＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミ）等の耐摩耗性を向上させる材料を、ＰＶＤあるいはＣＶＤ等の蒸着技術により成膜してコーティング層を形成している。

このように投射材の投射により面取部１３の表層硬度を高めた状態でコーティング層１４を形成することにより、面取部１３の表面硬度とコーティング層１４との硬度差が小さくなり、コーティング層１４の剥離を抑制する。

図５には面取部１３の近傍にコーティング層１４を形成した断面を示しているが、ＰＶＤあるいはＣＶＤ等の技術では、面取部１３の部位にだけコーティング層１４を形成することは困難であるため、面取部１３以外に、端面１２の比較的広い領域にコーティング層１４が形成される。

また、カッター１０の母材として高速度鋼を例に挙げているが、この母材は高速度鋼に限るものではなく、超硬合金、サーメット、セラミックス、ＣＢＮ等の硬質材料を使用することも可能である。また、面取部１３を形成するための投射材としては、粒径の小さい鋼や鋳鉄、ガラスやセラミックス等の使用が可能である。この投射材の粒径は単一である必要はなく、複数種の粒径の投射材を混合して用いることも可能である。

更に、面取部１３を形成する場合と、コーティング層１４を形成する場合とに、マスクを利用することにより、局部的に投射材を投射し、局部的にコーティング材を形成する処理形態を採用しても良い。

尚、コーティング材料としてＴｉＣＮ（炭窒化チタン）やＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミ）以外に、セラミックス系等の硬質材料の使用が可能である。

〔実施形態の作用・効果〕
このような構成により、加工時にワーク１とカッター１０とが同期回転する場合には、回転に伴いカッター１０の切削刃部１１の刃先端部１１Ａがワーク１の内周に食い込むと同時に、前述した「すべり」によりカッタ１０が移動する。この移動時に切削刃部１１の切刃Ｅがワーク１の内周面に接触することで切削が実現する。

しかしながら、スカイビング加工の特性からリーディング側（リーディング領域Ｅａ）での切削量は、前述の如く、トレーリング側（トレーリング領域Ｅｂ）での切削量と比較して少ない。従って、加工時にはリーディング領域Ｅａに強い圧力が作用することになり、切刃Ｅが鋭利な角度である場合には、この切刃Ｅが損傷する不都合を招く。これに対して、切刃Ｅのうちリーディング領域Ｅａに面取部１３を形成し、この表面に高い硬度の（耐摩耗性の高い）コーティング層１４を形成することにより、強い圧力が作用した場合には面取部１３が圧力を分散させ、コーティング層１４が摩耗を抑制する。これにより、切削量に与える影響を低減しながらリーディング領域Ｅａの変形を抑制し損傷を回避し、結果としてカッター１０の寿命を長くする。

また、切刃Ｅのうちリーディング領域Ｅａでは、少しは切削が行われるため、このリーディング領域Ｅａに面取部１３を形成した場合には、その部位の応力が低減する。従って、面取部１３とコーティング層１４とで切刃Ｅのリーディング領域Ｅａを保護して寿命を延ばせるのである。

本発明は、内歯車を切削加工するためのスカイビング加工用カッターに利用することができる。

１切削対象物（ワーク）
１０カッター
１１切削刃部
１１Ａ刃先端部
１１Ｂ刃底部
１３面取部
１４コーティング層
Ｅ切刃
Ｘ回転軸芯

Claims

複数の切削刃部を回転軸芯を中心にして放射状に配置することにより当該カッターが歯車状に形成されると共に、前記切削刃部のうち前記回転軸芯に沿う方向での突出端において刃先端部から刃底部に亘るエッジ領域に切刃が形成され、
前記切刃のうち、切削対象物に先行接触するリーディング側にのみ前記刃先端部から前記刃底部までに面取部が形成され、
前記面取部は、リーディング側における前記切刃の断面形状が円弧状であるスカイビング加工用カッター。
前記面取部が、ブラスト処理により形成されている請求項１記載のスカイビング加工用カッター。
前記面取部に、耐摩耗性を向上させる材料によるコーティング層が形成されている請求項１又は２記載のスカイビング加工用カッター。