JP2009125897A - 歯車加工機械の振動抑制機構 - Google Patents

歯車加工機械の振動抑制機構 Download PDF

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Abstract

【課題】はすば歯車の歯車加工時において、最適なバランスウエイトを選定して、機械振動を抑制することができる歯車加工機械の振動抑制機構と提供する。
【解決手段】クランク機構により往復運動する主軸２６に装着されるカッタＴによりワークＷに対して歯車加工を行う歯車加工機械の振動抑制機構であって、クランク軸１５に対して並設され、当該クランク軸１５と同期し、且つ、クランク軸１５と同一方向及び逆方向に同じ回転速度で回転するバランス軸１６，１７を備え、主軸２６の軸方向の振動を抑制する主バランスウエイト４１，４２をクランク軸１５に着脱可能に設けると共に、主軸２６の軸方向と直交する方向の振動を抑制する副バランスウエイト４３，４４及び４５，４６をバランス軸１６，１７に着脱可能に設け、各バランスウエイト４１〜４６を主軸２６のストローク幅及びワークＷのねじれ角に対応したリードに基づいて選定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、クランク機構により主軸を往復運動させて、当該主軸に装着される回転工具により被加工歯車に対して歯車加工を行う歯車加工機械の振動抑制機構に関する。
従来から、回転工具により被加工歯車に対して歯車加工するものとして、歯車形削盤等の歯車加工機械が提供されている。このような歯車加工機械においては、互いに回転させたカッタ（回転工具）とワーク（被加工歯車）とを噛み合わせた状態で、カッタをワーク軸方向に往復運動させることにより、ワークに対して歯車形状を成形することができる。
このようなカッタの往復運動は、当該カッタが装着される主軸を、クランク機構のクランク動作によって、その軸方向に移動させることにより行われている。このように主軸が往復運動すると、この主軸等の慣性力によって、機械に振動が発生してしまい、加工精度に悪影響を及ぼすおそれがあった。これにより、従来の歯車加工機械では、クランク機構のクランク軸の外周部に、バランスウエイトを設けることで、振動対策を行うようにしていた（特許文献１）。
また、上記歯車加工機械においては、歯車の厚さが異なるワークに対応するために、カッタの往復運動のストローク幅を変更することができるようになっている。このようにストローク幅を変更した場合には、主軸の往復運動による振動の大きさも当然のことながら変化することになる。そこで、このストローク幅に応じて、バランスウエイトの重さを容易に調整する振動抑制機構を備えた歯車加工機械が種々提供されている（特許文献２乃至４）。
実開昭６０−４５６４０号公報 実公昭５８−３５３８６号公報 実開昭６１−９７６４３号公報 実開昭６１−９７６４４号公報
ここで、加工するワークがはすば歯車である場合には、そのねじれ角に対応したリードで主軸をねじらなければならない。即ち、主軸は、ワークであるはすば歯車の諸元に対応した所定のリード角を有してねじれ（螺旋）動作を行うことになる。これにより、主軸は往復運動中において常にねじれ動作を行うことになるので、この主軸のねじれ動作による慣性力が発生することになる。
しかしながら、従来の振動抑制機構では、バランスウエイトによる力の釣り合いにおいて、主軸のねじれ動作について何ら考慮しておらず、加工するワークがはすば歯車である場合には、その振動を確実に抑制することができないおそれがある。
従って、本発明は上記課題を解決するものであって、はすば歯車の歯車加工時において、最適なバランスウエイトを選定して、機械振動を抑制することができる歯車加工機械の振動抑制機構を提供することを目的とする。
上記課題を解決する第１の発明に係る歯車加工機械の振動抑制機構は、
クランク機構により主軸を往復運動させて、当該主軸に装着される回転工具により被加工歯車に対して歯車加工を行う歯車加工機械の振動抑制機構であって、
前記クランク機構のクランク軸に対して並設され、当該クランク軸と同期し、且つ、前記クランク軸と同一方向及び逆方向に同じ回転速度で回転する第１及び第２バランス軸を備え、
前記主軸の軸方向の振動を抑制する主バランスウエイトを前記クランク軸に着脱可能に設けると共に、前記主軸の軸方向と直交する方向の振動を抑制する副バランスウエイトを前記第１及び第２バランス軸に着脱可能に設け、
前記主バランスウエイト及び前記副バランスウエイトは、前記主軸のストローク幅及び前記被加工歯車のねじれ角に基づいて選定されている
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第２の発明に係る歯車加工機械の振動抑制機構は、
第１の発明に係る歯車加工機械の振動抑制機構において、
前記主バランスウエイトは、
前記クランク軸の軸心に対して偏心支持される前記主軸と１８０°位相をずらして設けられる前側バランスウエイトと、
前記前側バランスウエイトと１８０°位相をずらして設けられ、クランク軸方向における前記主軸の重心位置と前記前側バランスウエイトの重心位置とのずれによる不釣り合いを解消する後側バランスウエイトとから構成される
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第３の発明に係る歯車加工機械の振動抑制機構は、
第１または第２の発明に係る歯車加工機械の振動抑制機構において、
クランク軸方向における前記副バランスウエイトの設置位置を、当該クランク軸方向における前記主軸の重心位置と同じにする
ことを特徴とする。
従って、本発明に係る歯車加工機械の振動抑制機構によれば、被加工歯車のねじれ角に応じた主軸のねじれ動作を加味して各バランスウエイトを選定することにより、機械振動を確実に抑制することができる。
以下、本発明に係る歯車加工機械の振動抑制機構について図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例に係る歯車加工機械の振動抑制機構の正面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は振動抑制機構の概略構成図、図４は振動抑制機構の基本原理を示した正面図、図５は振動抑制機構の基本原理を示した平面図である。
図１乃至図３に示す振動抑制機構を備えた歯車加工機械は、例えば、はすば歯車であるワークＷを形削り（シェーピング）する歯車形削盤である。なお、図中に示す、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、それぞれが直交する３軸であって、Ｘ軸方向は機械水平幅方向、Ｙ軸方向は機械水平長さ方向、Ｚ軸方向は鉛直方向を示している。
図１乃至図３に示すように、歯車加工機械にはコラム１１が設けられている。コラム１１の上面には、主軸モータ１２がブラケット１３を介して取り付けられており、この主軸モータ１２に対向するようにギヤボックス１４が設けられている。
ギヤボックス１４内には、クランク軸１５及びバランス軸１６，１７が平行に、且つ、回転可能に支持されている。クランク軸１５及びバランス軸１６，１７には、ギヤ１８，１９，２０が設けられており、クランク軸１５のギヤ１８とバランス軸１６のギヤ１９とが噛み合い、同時に、バランス軸１６のギヤ１９とバランス軸１７のギヤ２０とが噛み合っている。
なお、ギヤ１８とギヤ２０とは、Ｙ軸方向においてずれて配置されているので、回転時においてこれらが互いに干渉することはない。また、ギヤ１８，１９，２０の互いのギヤ比は、いずれも１：１に設定されているので、クランク軸１５及びバランス軸１６，１７は全て同一速度で回転する。即ち、クランク軸１５が回転すると、その回転はバランス軸１６に伝達された後、このバランス軸１６からバランス軸１７に伝達される。このとき、クランク軸１５とバランス軸１６とは逆方向に回転し、クランク軸１５とバランス軸１７とは同じ方向に回転する。そして、クランク軸１５が角度θに回転した場合には、バランス軸１６，１７も角度θに回転することになる。
主軸モータ１２の出力軸にはモータプーリ２１が設けられる一方、クランク軸１５の後端にはプーリ２２が設けられている。そして、これらモータプーリ２１とプーリ２２との間には、タイミングベルト２３が掛け回されている。
クランク軸１５の前端には、クランクピン２４を介して、コネクティングロッド２５が当該クランク軸１５の軸心より距離Ｓだけ偏心して支持されている。コネクティングロッド２５の下端は、主軸２６の基端に設けられる図示しない球面軸受に支持されており、この主軸２６の先端には、カッタＴが着脱可能に装着されている。
なお、主軸２６は、円筒状のガイド部材２７を貫通し、その内周面に摺動可能に支持されている。ガイド部材２７の内周面には、はすば歯車であるワークＷのねじれ角に対応した溝（図示省略）が形成されており、主軸２６の外周面に形成される係合部（図示省略）がその溝と係合している。即ち、主軸２６がガイド部材２７内を摺動することにより、当該主軸２６はワークＷのねじれ角に応じたねじれ（螺旋）動作を行うようになっている。
また、コラム１１と対向する位置には、回転テーブル２８が回転可能に支持されており、この回転テーブル２８の上面には、図示しない取付治具を介してワークＷが着脱可能に取り付けられている。
そして、クランク軸１５の前端側には、質量ｍB2の主バランスウエイト４１が着脱可能に取り付けられる一方、その後端側には、質量ｍB1の主バランスウエイト４２が着脱可能に取り付けられている。主バランスウエイト４１は、略半円状に形成されており、コネクティングロッド２５のＹ軸方向内側において、クランクピン２４に対して１８０°位相をずらして配置されている。また、主バランスウエイト４２も、略半円状に形成されており、プーリ２２のＹ軸方向外側において、クランクピン２４と同じ位相、即ち、主バランスウエイト４１に対して１８０°位相をずらして配置されている。
また、バランス軸１６の前端には、質量ｍS2の副バランスウエイト４３が着脱可能に取り付けられる一方、その後端には、質量ｍS1の副バランスウエイト４４が着脱可能に取り付けられている。更に、バランス軸１７の前端には、質量ｍS2の副バランスウエイト４５が着脱可能に取り付けられる一方、その後端には、質量ｍS1の副バランスウエイト４６が着脱可能に取り付けられている。これら副バランスウエイト４３〜４６は、略半円状に形成されており、副バランスウエイト４３，４４と副バランスウエイト４５，４６とは、１８０°位相をずらして配置されている。
従って、ワークＷをカッタＴにより切削する場合には、主軸モータ１２を回転させることにより、タイミングベルト２３を介してクランク軸１５を回転させる。そして、クランク軸１５の回転によりコネクティングロッド２５が回転されて、主軸２６がＺ軸方向においてストローク幅２Ｓで往復運動を行う。このとき、主軸２６がガイド部材２７内を摺動するため、回転するカッタＴは、回転するワークＷと噛み合った状態で、その歯幅以上の長さのストローク幅で往復運動すると共に、そのねじれ角に応じたねじれ動作を行うことになる。これにより、カッタＴによるワークＷに対する切削加工が行われる。
また同時に、クランク軸１５が回転すると、バランス軸１６，１７も回転されることになる。ここで、主軸２６のストローク調整用可動質量をｍrevとし、往復部相当質量をＭとすると、往復部相当質量Ｍ及びストローク調整用可動質量ｍrevのＺ軸方向における併進アンバランスは、質量ｍB2の主バランスウエイト４１及び質量ｍB1の主バランスウエイト４２を取り付けることにより、解消されるようになっている。また、質量ｍB2の主バランスウエイト４１及び質量ｍB1の主バランスウエイト４２のＸ軸方向における併進アンバランスは、ストローク調整用可動質量ｍrevに比べて大きなものとなっているが、質量ｍS2の副バランスウエイト４３，４５及び質量ｍS1の副バランスウエイト４４，４６を取り付けることにより、解消されるようになっている。更に、クランク軸１５の軸方向（Ｙ軸方向）において、主軸２６と主バランスウエイト４１との間には、取付構造上、重心位置にずれが生じてしまうが、主バランスウエイト４１の反対側に主バランスウエイト４２を取り付けることにより、クランク軸１５の軸方向における釣り合いが成り立っている。
次に、バランスウエイト４１〜４６の選定方法、即ち、質量ｍB1，ｍB2，ｍS1，ｍS2の設定方法においては、ワークＷのねじれ角に応じた主軸２６のねじれ動作を加味することにし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の力の釣り合いと、Ｘ軸周り及びＺ軸周りの回転モーメントの釣り合いとを考えることにする。つまり、往復部相当質量Ｍとしては、コネクティングロッド２５及び主軸２６の単純質量だけでなく、主軸２６のねじれ動作による相当質量を含めて、釣り合いを考える。
そこで、図３乃至図５に示すように、
ｍB1，ｍB2：主バランスウエイトの質量
ｍS1，ｍS2：副バランスウエイトの質量
Ｍ：往復部相当質量
ｍrev：主軸ストローク調整用可動質量
θ：回転角度［ｒａｄ］
ω：回転角速度［ｒａｄ／ｓ］＝（ｄ／ｄｔ）θ
Ｓ：主軸ストローク幅／２
Ｌ：主軸重心のＹ軸方向ずれ量
ｈ1：Ｙ軸方向におけるＸ軸から主バランスウエイトまでの距離
ｈS1，ｈS2：Ｙ軸方向におけるＸ軸から副バランスウエイトまでの距離
ＲB1，ＲB2：主バランスウエイトの回転半径（重心までの距離）
ＲS1，ＲS2：副バランスウエイトの回転半径（重心までの距離）
ｈ：コンロッド長さ
Ｇ：コンロッド重心
ａ，ｂ：コンロッド重心の配合長さ
とする。
また、往復部相当質量Ｍについては、下記の式（１）で表すことができる。
Figure 2009125897
 但し、 ｍg：主軸往復部分の質量（カッタＴ等を含む）
ｍgr：はすば歯車加工時における主軸ねじれ動作による相当質量
ｍgc：コネクティングロッド質量のうち併進部分に寄与する部位
Ｉ：Ｚ軸周りにおける主軸の回転慣性モーメント
Ｌg：はすば歯車のねじれ角に対応した主軸のリード
ｍc：コネクティングロッドの質量
そして、Ｚ軸方向の力の釣り合い、Ｘ軸方向の力の釣り合い、Ｚ軸周りの回転モーメントの釣り合い、及び、Ｘ軸周りの回転モーメントの釣り合いは、下記の式（２）〜（５）で表すことができる。
Figure 2009125897
更に、上記の式（２）〜（５）は、下記の式（２）'〜（５）'と表すことができる。
Figure 2009125897
以上の結果より、式（２）'〜（５）'を満たすような、ｍB1，ｍB2，ｍS1，ｍS2を決定すればよい。
なお、Ｙ軸方向における副バランスウエイト４３，４５の設置位置を、当該Ｙ軸方向における主軸２６の重心位置と同じにする、即ち、ｈS2＝Ｌ としても構わない。これにより、副バランスウエイト４４，４６の質量ｍS1が恒久的にゼロにできるので、当該副バランスウエイト４４，４６を設ける必要がなくなる。この結果、振動抑制機構の構成が簡素になるだけでなく、バランスウエイト選定を容易に行うことができる。
従って、本発明に係る歯車加工機械の振動抑制機構によれば、加工するワークＷがはすば歯車である場合におけるバランスウエイト４１〜４６の選定では、そのワークＷのねじれ角に応じた主軸２６のねじれ動作を加味することにし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の力の釣り合いと、Ｘ軸周り及びＺ軸周りの回転モーメントの釣り合いとを考えるようにした。即ち、加工するワークＷがはすば歯車である場合には、主軸２６はそのワークＷのねじれ角に対応したリード（角）Ｌgを有して往復運動をすることになるが、主軸２６のねじれ動作による相当質量（ｍgr）を考慮して、質量ｍB1，ｍB2，ｍS1，ｍS2を設定（算出）し、各バランスウエイト４１〜４６を選定することにより、機械に発生する振動を確実に抑制することができる。
本発明は、主軸ストローク幅の変更時においてバランスウエイトの取付位置を微調整することができる歯車加工機械の振動抑制機構に適用可能である。
本発明の一実施例に係る歯車加工機械の振動抑制機構の正面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 振動抑制機構の概略構成図である。 振動抑制機構の基本原理を示した正面図である。 振動抑制機構の基本原理を示した平面図である。
符号の説明
１１ コラム
１２ 主軸モータ
１３ ブラケット
１４ ギヤボックス
１５ クランク軸
１６，１７ バランス軸
１８，１９，２０ ギヤ
２１ モータプーリ
２２ プーリ
２３ タイミングベルト
２４ クランクピン
２５ コネクティングロッド
２６ 主軸
２７ ガイド部材
２８ 回転テーブル
４１，４２ 主バランスウエイト
４３〜４６ 副バランスウエイト
Ｔ カッタ
Ｗ ワーク

Claims (3)

  1. クランク機構により主軸を往復運動させて、当該主軸に装着される回転工具により被加工歯車に対して歯車加工を行う歯車加工機械の振動抑制機構であって、
    前記クランク機構のクランク軸に対して並設され、当該クランク軸と同期し、且つ、前記クランク軸と同一方向及び逆方向に同じ回転速度で回転する第１及び第２バランス軸を備え、
    前記主軸の軸方向の振動を抑制する主バランスウエイトを前記クランク軸に着脱可能に設けると共に、前記主軸の軸方向と直交する方向の振動を抑制する副バランスウエイトを前記第１及び第２バランス軸に着脱可能に設け、
    前記主バランスウエイト及び前記副バランスウエイトは、前記主軸のストローク幅及び前記被加工歯車のねじれ角に基づいて選定されている
    ことを特徴とする歯車加工機械の振動抑制機構。
  2. 請求項１に記載の歯車加工機械の振動抑制機構において、
    前記主バランスウエイトは、
    前記クランク軸の軸心に対して偏心支持される前記主軸と１８０°位相をずらして設けられる前側バランスウエイトと、
    前記前側バランスウエイトと１８０°位相をずらして設けられ、クランク軸方向における前記主軸の重心位置と前記前側バランスウエイトの重心位置とのずれによる不釣り合いを解消する後側バランスウエイトとから構成される
    ことを特徴とする歯車加工機械の振動抑制機構。
  3. 請求項１または２に記載の歯車加工機械の振動抑制機構において、
    クランク軸方向における前記副バランスウエイトの設置位置を、当該クランク軸方向における前記主軸の重心位置と同じにする
    ことを特徴とする歯車加工機械の振動抑制機構。
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