JP6643087B2 - スパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、創成加工を用いたスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法に関する。

スパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法として、例えば米国特許第４９８１４０２号公報に開示されているギヤ製造装置を用いた方法が知られている。当該製造方法では、スパイラルベベルギヤカッタ等と称される切削加工用の刃を備えるツールと、ワークとを同期して回転させながら接触させ、１度のツールの送り動作によって複数の歯溝を形成する。

また、特表平８−５０８２０９号公報には、前述のツールを用いたギヤの製造方法において、ワーク水平面（ワーク回転軸に直交する面）およびツール回転軸に平行な２成分を有するベクトルでツールを送ることによって、歯溝の両側面を切削する一対の刃の切り込み量の差を無くし、一対の刃にかかる負荷を均一化することで工具寿命を延ばす方法が開示されている。

米国特許第４９８１４０２号公報 特表平８−５０８２０９号公報

しかしながら、特表平８−５０８２０９号公報に開示されているように、歯溝の両側面を切削する一対の刃の切り込み量の差を無くしたとしても、一対の刃のすくい角が切削加工の開始から終了までの期間中において変化するため、実際には一対の刃にかかる負荷に差が生じてしまい、一対の刃の片方が先に損耗する場合がある。

本発明は前述した問題を解決するものであり、工具寿命を延ばすことが可能なスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様のスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法は、円錐状の被加工面を有するワーク、および内刃と外刃とからなる刃群を複数有するスパイラルベベルギヤカッタであるツール、の双方を同期回動させながら前記ツールの回動軸を前記ワークの回動軸に対して相対的に移動させることによって、前記被加工面にスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの歯を前記刃群による切削加工によって歯切りするスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法であって、前記切削加工の開始から終了までにおける、前記内刃による切削におけるすくい角である第１すくい角と、前記外刃による切削におけるすくい角である第２すくい角と、の変化を算出するすくい角算出工程と、前記第１すくい角および前記第２すくい角の算出結果に基づき、前記切削加工の開始から終了までにおける、前記内刃による切削におけるせん断角である第１せん断角と、前記外刃による切削におけるせん断角である第２せん断角とが略等しく、かつ変動幅が小さくなるように、前記切削加工中における前記ツールの回動軸の前記ワークの回動軸に対する相対移動を示す送りベクトル定める送りベクトル算出工程と、
を備える。

本発明によれば、工具寿命を延ばすことが可能なスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法を提供可能である。

スパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの歯を、創成加工により被加工物であるワークに形成する方法の概略を示す図である。 スパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの歯を、創成加工により被加工物であるワークに形成する方法の概略を示す図である。 ワークの歯幅方向に直交する平面による断面を示し、歯溝の形成位置に対する刃群の移動の様子を示す図である。 送りベクトルの決定方法のフローチャートである。 切削加工の２次元切削モデルを示す図である。 すくい角算出工程によって得られる、第１すくい角および第２すくい角の一例を示すグラフである。 刃幅方向に平行な断面における、刃群の移動軌跡の変化の様子を示す図である。

以下に、本発明の好ましい形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、構成要素毎に縮尺を異ならせてあるものであり、本発明は、これらの図に記載された構成要素の数量、構成要素の形状、構成要素の大きさの比率、及び各構成要素の相対的な位置関係のみに限定されるものではない。

本実施形態に係るスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法（以下、単に「ギヤの製造方法」と称する）は、スパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤ等の略弧状の歯形を有する傘歯車の歯を、創成加工により被加工物であるワークに形成する方法である。

図１および図２は、スパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの歯を、創成加工により被加工物であるワーク１０に形成する方法の概略を示す図である。

本実施形態のギヤの製造方法では、切削加工用の刃を備えるツール１１と、ワーク１０とを同期して回転させながら接触させ、ツール１１が備える刃によってワーク１０に複数の歯溝１０ｂを形成する。以下では、本実施形態のギヤの製造方法によってワーク１０に複数の歯溝１０ｂを形成する工程を歯切り工程と称する。

歯切り工程が行われる前のワーク１０には、円錐形状の被加工面１０ａが設けられている。被加工面１０ａは、歯切り工程の実行によって歯溝１０ｂが彫設される面である。すなわち、被加工面１０ａは、歯切り工程実行後にワーク１０に形成されるギヤの歯先となる面である。

ツール１１は、スパイラルベベルカッタ、スパイラルベベルギヤカッタ等と称される公知の歯切り用工具である。ツール１１は、歯切り工程を実行する図示しないギヤ製造装置に固定される円盤状のホルダ１１ａを備えている。ギヤ製造装置は、例えば米国特許第４９８１４０２号に開示されているように公知であるため、説明を省略する。

ホルダ１１ａは、ギヤ製造装置によってＴ軸周りに回動可能に保持される。なお、図１および図２において示した座標系Ｏ−ＸＹＺは、ギヤ製造装置に固定された座標系であり、Ｔ軸はＺ軸と平行である。

ホルダ１１ａには、１つの内刃（インサイド・ブレード）１１ｉおよび１つの外刃（アウトサイド・ブレード）１１ｏからなる刃群１１ｇが複数設けられている。複数の刃群１１ｇは、Ｔ軸を中心とした円周上に配置されている。

図１では、説明のため、ツール１１が有する複数の刃群１１ｇのうちの１つの刃群１１ｇのみを示している。刃群１１ｇにおいて、内刃１１ｉは、Ｔ軸を中心とした径方向内側に切削刃を有し、外刃１１ｏは、径方向外側に切削刃を有する。

ギヤ製造装置は、前述のワーク１０を、円錐形状である被加工面１０ａの中心軸周りに回動可能に保持する。ギヤ製造装置においてワーク１０が回動する軸をＷ軸と称するものとする。Ｗ軸は、Ｔ軸に直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）と、所定の角度である交差角度θで交差する。

ギヤ製造装置は、Ｔ軸を、Ｘ軸およびＹ軸に平行に移動させることが可能である。また、ギヤ製造装置は、Ｗ軸を、Ｚ軸に平行に移動させることが可能であるとともに、Ｗ軸とＴ軸に直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）との交差角度θを変更することが可能である。

歯切り工程では、ワーク１０をＷ軸周りに回動させ、ツール１１をＴ軸周りに回動させる。図１に示す例では、ワーク１０を矢印Ａの方向にＷ軸周りに回動させ、ツール１１を矢印Ｂの方向にＴ軸周りに回動させる。ここで、ワーク１０の回転数とツール１１の回転数とは、歯切り工程によって創成するギヤの歯数と、ツールが備える刃群１１ｇの数によって定められる比の関係にある。

そして、ワーク１０の回動軸（Ｗ軸）に対して、ツール１１の回動軸（Ｔ軸）を後述する所定の送りベクトルＶに沿って相対的に移動させ、刃群１１ｇを被加工面１０ａに押し付ける方向に移動させる。ワーク１０とツール１１の双方の回動によって、刃群１１ｇは被加工面１０ａに対して相対移動していることから、刃群１１ｇが被加工面１０ａと接触すると、被加工面１０ａに刃群１１ｇによって溝が彫設される。

被加工面１０ａのＷ軸周りの回動運動と刃群１１ｇのＴ軸周りの回動運動の合成によって、刃群１１ｇは被加工面１０ａに対して外サイクロイド曲線に沿った軌跡で相対移動している。このため、刃群１１ｇの通過によって被加工面１０ａに彫設される溝は弧状となる。

この後、ワーク１０とツール１１は、所定の比率の回転数で同期して回転しており、かつツール１１が送りベクトルＶに沿って進行していることから、複数の刃群１１ｇのうちのいずれかが、前回の刃群１１ｇの通過時よりも溝の底面側にシフトした軌跡で溝内を通過し、溝の両側面および底面を切削する。このように、ツール１１をワーク１０に対して送りベクトルＶに沿って相対的に移動させることによって、刃群１１ｇが溝内を複数回通過し、被加工面１０ａに形成される溝の深さが増していく。そして、ツール１１のワーク１０に対する相対移動が送りベクトルＶの終端に達すると、歯切り工程によって創成するギヤの弧状の歯溝１０ｂが形成される。

図３は、歯切り工程によって切削加工される歯溝１０ｂの、歯幅方向に直交する平面による断面を示し、歯溝１０ｂの形成位置に対する刃群１１ｇの移動の様子を示す図である。図３において、紙面に直交する方向が歯幅方向Ｃであり、紙面に正対して左右方向が歯厚方向Ｄであり、紙面に正対して上下方向が歯たけ方向Ｅである。

図３に示すように、歯溝１０ｂに対して固定された断面に着目すると、当該断面を所定の時間間隔で繰り返し通過する刃群１１ｇは、通過する度に送りベクトルＶを当該断面に投影した成分に沿った方向に進行する。

ワーク１０とツール１１は、所定の比率の回転数で同期して回転しており、かつツール１１にはＴ軸周りに複数の刃群１１ｇが所定の間隔で設けられていることから、被加工面１０ａには、複数の歯溝１０ｂが周方向に所定の間隔で形成される。そして、被加工面１０ａの隣接する歯溝１０ｂに挟まれた部位が、歯切り工程によって創成するギヤの弧状の歯１０ｃとして残される。

歯幅方向に弧状である歯１０ｃは、歯たけ方向から見た場合に凸形状の歯面である凸面１０ｄと、凹形状の歯面である凹面１０ｅを有する。凸面１０ｄは、内刃１１ｉによる切削により形成される面であり、凹面１０ｅは、外刃１１ｏによる切削により形成される面である。

このように、ワーク１０に対するツール１１の送り移動を１度行うことで、ワーク１０に所定のギヤが創成される。

次に、本実施形態のギヤの製造方法における、送りベクトルＶの決定方法について説明する。図４は、本実施形態のギヤの製造方法における、送りベクトルＶの決定方法のフローチャートである。

本実施形態では、前記歯切り工程における切削加工の開始から終了までにおける、内刃１１ｉによる切削によって生じる切りくずの厚さと、外刃１１ｏによる切削によって生じる切りくずの厚さと、が略等しくかつ変動幅が小さくなるように、送りベクトルＶを定める。

具体的には、まずステップＳ０１において、送りベクトルＶとして、仮の送りベクトルＶｔを定める。仮の送りベクトルＶｔは、例えば、Ｔ軸と平行な直線形状である。

次に、ステップＳ０２において、すくい角算出工程を実行する。すくい角算出工程では、現在設定されている送りベクトルＶによって前記歯切り工程を行う場合における、切削加工の開始から終了までの、内刃１１ｉが凸面１０ｄを切削する際のすくい角である第１すくい角α１と、外刃１１ｏが凹面１０ｅを切削する際のすくい角である第２すくい角α２と、を算出する。すくい角αとは、図５に示すような２次元の切削モデルにおいては、ワーク２０の切削加工が行われる表面２０ａの法線と、切削工具２１のすくい面２１ａとの間の角度である。

第１すくい角α１および第２すくい角α２の算出は、現在設定されている送りベクトルＶ、製造するギヤの諸元および前記ギヤの製造に用いるツール１１の諸元の情報に基づいて行われる。

すくい角算出工程によって得られる、第１すくい角α１および第２すくい角α２の算出結果の一例を図６に示す。図６は、送りベクトルＶをＴ軸と平行な直線形状とした場合の一例を示している。図６において、横軸は時間ｔを示し、ｔ＝０が切削加工の開始時刻、ｔ＝ｔ１が切削加工の終了時刻である。また、図６において、縦軸はすくい角αを示す。

図６に示す例では、内刃１１ｉの第１すくい角α１は、切削加工が開始から終了に向かうにつれて、徐々に大きくなる。言い換えれば、刃群１１ｇによる被加工面１０ａへの切り込み量が増えるほど、内刃１１ｉの第１すくい角α１は大きくなる。一方、外刃１１ｏの第２すくい角α２は、切削加工が開始から終了に向かうにつれて、徐々に小さくなる。言い換えれば、刃群１１ｇによる被加工面１０ａへの切り込み量が増えるほど、外刃１１ｏの第２すくい角α２は小さくなる。

次に、ステップＳ０３において、切り込み量算出工程を実行する。切り込み量算出工程では、現在設定されている送りベクトルＶによって前記歯切り工程を行う場合における、切削加工の開始から終了までの、内刃１１ｉの凸面１０ｄへの切り込み量ｈ１と、外刃１１ｏの凹面１０ｅへの切り込み量ｈ２と、を算出する。切り込み量ｈとは、図５に示すように、ワーク２０の表面２０ａから、切削工具２１によって切削する深さである。

次に、ステップＳ０４において、せん断角算出工程を実行する。せん断角算出工程では、現在設定されている送りベクトルＶによって前記歯切り工程を行う場合における、切削加工の開始から終了までの、内刃１１ｉによる切削におけるせん断角である第１せん断角φ１と、外刃１１ｏによる切削におけるせん断角である第２せん断角φ２と、を算出する。

せん断角φは、図５に示す２次元の切削モデルにおいては、せん断角φは、次式によって算出される。次式において、ｆは切りくず厚さ、ｈは切り込み量、αはすくい角である。
ｃｏｔφ＝（ｆ／ｈ）・ｓｅｃα−ｔａｎα
なお、切りくず厚さｆは、切削加工のシミュレーションソフトをコンピュータによって実行することによって得られる。また、切りくず厚さｆは、実際に切削加工を行うことによって取得してもよい。

次に、ステップＳ０５において、合否判定工程を実行する。合否判定工程では、所定の判定基準に基づいて、ステップＳ０４の結果において、第１せん断角φ１および第２せん断角φ２が略等しく、かつ変動幅が十分に小さい場合に、現在設定されている送りベクトルＶが、実際のギヤの製造に用いることが可能であると判定する。

具体的には、合否判定工程では、まず、ステップＳ０４の結果に基づいて、現在設定されている送りベクトルによって前記歯切り工程を行う場合における、第１せん断角φ１の平均値φ１aveと、第２せん断角第２の平均値φ２aveと、を算出する。そして、第１せん断角φ１の平均値φ１aveと、第２せん断角第２の平均値φ２aveとの差の絶対値が、所定の第１の閾値以下であれば、第１せん断角φ１および第２せん断角φ２が略等しいと判定する。

また、合否判定工程では、まず、ステップＳ０４の結果に基づいて、現在設定されている送りベクトルＶによって前記歯切り工程を行う場合における、第１せん断角φ１の最大値と最小値との差である第１変動幅Δφ１と、第２せん断角φ２の最大値と最小値との差である第２変動幅Δφ２と、を算出する。そして、第１変動幅Δφ１および第２変動幅Δφ２の双方の値が、所定の第２の閾値以下であれば、第１せん断角φ１および第２せん断角φ２の変動幅が十分に小さいと判定する。

もし、ステップＳ０５において第１せん断角φ１および第２せん断角φ２が略等しく、かつ変動幅が十分に小さいと判定した場合には、ステップＳ０７に移行して、現在設定されている送りベクトルＶを、実際のギヤの製造に用いる送りベクトルとして採用する。

一方、ステップＳ０５において第１せん断角φ１および第２せん断角φ２が略等しくない、または、変動幅が十分に小さくないと判定した場合には、ステップＳ０６に移行する。

ステップＳ０６では、送りベクトル変更工程を実行する。送りベクトル変更工程では、現在設定されている送りベクトルＶに修正を加える修正ベクトルＶｃを算出し、送りベクトルＶに修正ベクトルＶｃ合成して得られたベクトルを新たな送りベクトルＶとして設定する。

ここで、修正ベクトルＶｃとは、第１せん断角φ１の平均値φ１aveと、第２せん断角第２の平均値φ２aveとの差の絶対値が小さくなる傾向、および／または、第１変動幅Δφ１および第２変動幅Δφ２の値が小さくなる傾向を、現在設定されている送りベクトルＶに含ませるものである。

例えば、切削加工中に、ワーク１０の回動軸（Ｗ軸）に対して、ツール１１の回動軸（Ｔ軸）をＴ軸に直交する平面に沿って移動させることによって、切削加工の開始から終了までにおいて、内刃１１ｉの切り込み量ｈ１および外刃１１ｏの切り込み量ｈ２を変動させることができる。

内刃１１ｉの第１すくい角α１が、図６に示すように切削加工の開始から終了までにおいて、徐々に大きくなる傾向である場合には、内刃１１ｉの切り込み量ｈ１を切削加工の開始から終了までにおいて徐々に大きくすることによって、第１せん断角φ１の第１変動幅Δφ１を小さくすることができる。また、外刃１１ｏの第２すくい角α２が、図６に示すように切削加工の開始から終了までにおいて、徐々に小さくなる傾向である場合には、外刃１１ｏの切り込み量ｈ２を切削加工の開始から終了までにおいて徐々に小さくすることによって、第２せん断角φ２の第２変動幅Δφ２を小さくすることができる。

また、内刃１１ｉの切り込み量ｈ１と外刃１１ｏの切り込み量ｈ２の比率を変更することによって、第１せん断角φ１の平均値φ１aveと、第２せん断角第２の平均値φ２aveとの差を変化させることができる。

そして、ステップＳ０６において新たに設定した送りベクトルＶを用いて、前述のステップＳ０２からステップＳ０５を繰り返す。このように、本実施形態では、Ｓ０２からステップＳ０６を繰り返すことによって、第１せん断角φ１および第２せん断角φ２が略等しく、かつ変動幅が十分に小さい送りベクトルＶを算出する。そしてこの送りベクトルＶを用いて、ギヤを製造する。

歯切り工程における切削加工の開始から終了までにおいて、内刃１１ｉの第１せん断角φおよび外刃１１ｏの第２せん断角φ２を略等しく、かつ変動幅が十分に小さくすることによって、内刃１１ｉによる切削によって生じる切りくずの厚さと、外刃１１ｏによる切削によって生じる切りくずの厚さと、を略等しくかつ変動幅を小さくすることができる。

内刃１１ｉによる切削によって生じる切りくずの厚さと、外刃１１ｏによる切削によって生じる切りくずの厚さと、が略等しくかつ変動幅が小さいということは、歯切り工程を実行する際に内刃１１ｉおよび外刃１１ｏに加えられる負荷が略同等であるということである。したがって、本実施形態のギヤの製造方法によれば、内刃１１ｉおよび外刃１１ｏの損耗の進行を均一化し、刃群１１ｇの寿命を延ばすことが可能となる。

なお、切削加工の開始時の内刃１１ｉの切り込み量ｈ１および／または外刃１１ｏの切り込み量ｈ２を大きくすると、切削時に内刃１１ｉおよび／または外刃１１ｏに加わる負荷が、ワーク１０やツール１１の剛性に比して大きくなってしまい、内刃１１ｉおよび／または外刃１１ｏとワーク１０との間に生じる摩擦が過大となる場合がある。内刃１１ｉおよび／または外刃１１ｏとワーク１０との間に生じる摩擦が過大となると、刃群１１ｇの寿命を短くする原因となる。

そこで、本実施形態のギヤの製造方法では、図７に示すように、歯切り工程における切削加工の開始から終了までにおいて、Ｔ軸に直交する平面とＷ軸との交差角度θを変更する。図７は、本実施形態のギヤの製造方法において、歯溝１０ｂの形成位置の刃幅方向に平行な断面における、刃群１１ｇの移動軌跡の変化の様子を示す図である。前述のように、Ｔ軸とはツール１１の回動軸であり、Ｗ軸とはワーク１０の回動軸である。

図７に示す例では、切削加工の開始から所定の時刻が経過するまでの期間における刃群１１ｇの移動軌跡を、被加工面１０ａに対して所定の角度だけ傾斜させることによって、刃群１１ｇがワーク１０を切削する距離を、歯溝１０ｂの長さよりも短くしている。図７において、二点鎖線が、切削加工時の刃群１１ｇの移動軌跡示しており、符号Ｌ１を付した被加工面１０ａから最も浅い位置を通る二点鎖線が、切削加工の開始時の刃群１１ｇの移動軌跡である。切削加工の開始から時間が経過して刃群１１ｇが歯溝１０ｂとなる部分を通過する回数が増すにつれて、刃群１１ｇの移動軌跡は徐々に被加工面１０ａから深い位置を通り、かつ歯溝１０ｂの歯底と平行となる。

このように、切削加工の開始時点における刃群１１ｇによる切削距離を短くすることによって、切削加工の開始時に刃群１１ｇとワーク１０との間に生じる加工負荷を低減することができる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うギヤの製造方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１０ ワーク、
１０ａ 被加工面、
１０ｂ 歯溝、
１０ｃ 歯、
１０ｄ 凸面、
１０ｅ 凹面、
１１ ツール、
１１ｇ 刃群、
１１ｉ 内刃、
１１ｏ 外刃、
２０ ２次元切削モデルにおけるワーク、
２１ ２次元切削モデルにおけるツール（切削工具）、
ｆ 切りくず厚さ、
ｈ 切り込み量
Ｖ 送りベクトル、
α すくい角、
θ 交差角度、
φ せん断角。

Claims (2)

1. 円錐状の被加工面を有するワーク、および内刃と外刃とからなる刃群を複数有するスパイラルベベルギヤカッタであるツール、の双方を同期回動させながら前記ツールの回動軸を前記ワークの回動軸に対して相対的に移動させることによって、前記被加工面にスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの歯を前記刃群による切削加工によって歯切りするスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法であって、
   前記切削加工の開始から終了までにおける、前記内刃による切削におけるすくい角である第１すくい角と、前記外刃による切削におけるすくい角である第２すくい角と、の変化を算出するすくい角算出工程と、
   前記第１すくい角および前記第２すくい角の算出結果に基づき、前記切削加工の開始から終了までにおける、前記内刃による切削におけるせん断角である第１せん断角と、前記外刃による切削におけるせん断角である第２せん断角とが略等しく、かつ変動幅が小さくなるように、前記切削加工中における前記ツールの回動軸の前記ワークの回動軸に対する相対移動を示す送りベクトル定める送りベクトル算出工程と、
   を備える
   ことを特徴とするスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法。
2. 前記切削加工の開始から終了までにおいて、前記ツールの回動軸に直交する平面と前記ワークの回動軸との交差角度を変化させることによって、前記切削加工の開始から所定の期間は、前記刃群の移動軌跡を前記被加工面に対して傾斜させて前記刃群による切削距離を短くすることを特徴とする請求項１に記載のスパイラルベベルギヤまたはハイポイドギヤの製造方法。

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