JP2016078188A - 歯車加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切削加工後の切屑の掃除が容易で、バリ取りの準備作業を不要とした作業効率の高い歯車加工装置を提供する。【解決手段】被加工物Ｗの回転軸線Ｌｗに対し傾斜した回転軸線Ｌｔを有する加工用工具４２と、加工用工具４２の後方に配置されて加工用工具４２を回転させる工具主軸４０を用い、加工用工具４２を被加工物Ｗと同期回転させながら被加工物Ｗの回転軸線方向Ｌｗに相対的に送り操作して歯車を加工する歯車加工装置であって、加工用工具４２の被加工物Ｗに対する相対的な送りの進行方向Ｖは、被加工物Ｗの回転軸線方向Ｌｗに工具主軸４０が被加工物Ｗから遠ざかる方向であり、加工用工具４２の工具刃４２ａは、歯車の歯に対応する形状に形成され、刃先４２ｆおよびすくい面４２ｃを進行方向Ｖの前面に備え、全体として工具主軸４０の前方に向かって縮径するテーパ状を形成する。【選択図】図５

Description

本発明は、加工用工具および工作物を高速で同期回転させて切削加工により歯車を加工する歯車加工装置に関する。

マシニングセンタ等の工作機械を用いて切削加工により歯車を加工する場合において、内歯および外歯を加工する有効な手法として、例えば、特許文献１に記載の加工方法がある。この加工方法は、図９に示すように、工作物の回転軸線Ｌｗに対し傾斜した回転軸線Ｌｔを有する加工用工具１０１と、加工用工具１０１の後方に配置されて加工用工具１０１を回転させる工具主軸１１０を用い、加工用工具１０１を工作物Ｗと高速で同期回転させ、工作物Ｗの回転軸線方向Ｌｗに相対的に送って切削加工することにより歯を創成する加工方法である。この加工用工具１０１の送り方向は、工作物Ｗの回転軸線方向Ｌｗに工具主軸１１０が工作物Ｗに近づく方向を進行方向としている。この方向は工具主軸１１０が工作物Ｗに向かって前進する方向でもある。加工用工具１０１は、例えば複数枚の工具刃１０２を有するカッターであり、工具刃１０２は、刃先およびすくい面を加工用工具１０１の進行方向の前面に備え、全体として工具主軸１１０の前方に向かって拡径するテーパ状を形成している。

この加工方法では、工具主軸１１０の前方に対向する工作物Ｗの上面１００ｂ側を開始点、上面１００ｂと反対側の下面１００ｃ側を送りの終了点としている。そして、工具主軸１１０の前方を進行方向として、加工用工具１０１を開始点から終了点に送ることにより切削加工をおこなう。この切削加工により発生した切屑は、加工用工具１０１の進行方向の前面に備えた工具刃１０２のすくい面によってすくいとられ、送りの終了点となる歯の下面１００ｃまで運ばれて落下する。また、送りの終了点となる工作物Ｗの端部（下面１００ｃ側）には、バリが生成されることが知られている。

特開２０１２−４５６８７号公報

上記の加工方法では、例えば、歯車の内歯の場合、歯車は円筒状の被加工物保持具によって保持されるので、切屑は送りの終了点となる下面１００ｃ側まで運ばれて落下し、加工用工具１０１の進行方向の奥側となる被加工物保持具の底部に溜まる。切削加工後に、次の切削加工のために、この切屑を除去する必要があるが、被加工物保持具の底部は掃除道具を入れにくく、掃除に手間がかかるという問題がある。

また、切削加工後に、歯の端部（下面１００ｃ側）に生成されたバリを除去する必要があるが、バリ取りをおこなうためにバリ取り用工具を所定の位置まで移動するとなると、切削加工時の保持状態のままでは、干渉して移動できない場合がある。この場合、例えば、加工物保持具に保持された歯車を軸方向に反転して保持し直すなどして、バリ取り用工具が移動できるようにする、バリ取りの準備作業が必要となる。これには、一旦被加工物保持具から歯車を取り外し、再度取り付ける必要があり、作業効率が低くなるという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、切削加工後の切屑の掃除が容易で、バリ取りの準備作業を不要とした作業効率の高い歯車加工装置を提供することにある。

請求項１に係わる発明は、被加工物の回転軸線に対し傾斜した回転軸線を有する加工用工具と、前記加工用工具の後方に配置されて前記加工用工具を回転させる工具主軸を用い、前記加工用工具を前記被加工物と同期回転させながら前記被加工物の回転軸線方向に相対的に送り操作して歯車を加工する歯車加工装置であって、前記加工用工具の前記被加工物に対する相対的な送りの進行方向は、前記被加工物の回転軸線方向に前記工具主軸が前記被加工物から遠ざかる方向であり、前記加工用工具の工具刃は、前記歯車の歯に対応する形状に形成され、刃先およびすくい面を前記進行方向の前面に備え、全体として前記工具主軸の前方に向かって縮径するテーパ状を形成することを特徴とする。

上記のように構成した請求項１の発明によれば、切削加工時において、被加工物の回転軸線方向に工具主軸が被加工物から遠ざかる方向を加工用工具の進行方向とする。これは、従来の被加工物の回転軸線方向に工具主軸が被加工物に近づく方向とは、逆方向である。なお、この方向は工具主軸が被加工物から後退する方向でもある。このため、切削加工時において、工具主軸の前方に対向する被加工物の上面側と反対側の下面側を開始点、上面側を送りの終了点としている。従来と進行方向が逆方向であるが、加工用工具の工具刃は、刃先およびすくい面を、進行方向の前面に備えているので、進行方向に送ることで切削加工をおこなうことができる。

この切削加工により発生した切屑は、加工用工具の進行方向の前面に備えた工具刃の刃先およびすくい面によってすくいとられ、送りの終了点となる、被加工物の上面側まで運ばれて落下する。このように、切屑が落下する位置が加工用工具の進行方向の奥側ではなく、工具主軸の前方になるので、周辺の空間に余裕があり、掃除を容易におこなうことができる。

請求項２に係わる発明は、被加工物の内歯を加工する請求項１に記載の歯車加工装置であって、前記被加工物の内歯を位置決め保持して回転可能な被加工物保持具を備えることを特徴とする。

上記のように構成した請求項２の発明によれば、被加工物保持具によって保持された被加工物の内歯を切削加工する場合、切屑は送りの終了点となる工具主軸の前方に対向する歯の上面側まで運ばれて落下する。切屑が落下する位置が被加工物保持具の外側になるので、周辺の空間に余裕があり、掃除を容易におこなうことができる。

また、バリが送りの終了点となる被加工物の端部（上面側）に生成されるが、この場所は工具主軸の前方であるので、被加工物保持具によって保持されていても、干渉を気にすることなく、バリ取り用工具を自由に移動することができる。したがって、バリ取りの準備作業を不要として、作業効率を高くすることができる。

本発明によれば、切削加工後の切屑の掃除が容易で、バリ取りの準備作業を不要とした作業効率の高い歯車加工装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る歯車加工装置の全体構成を示す斜視図である。 図１の歯車加工装置の概略構成および制御装置を示す図である。 加工用工具の概略構成を示す断面図である。 被加工物保持具の概略構成を示す断面図である。 歯車加工の動作を説明する図であって、本実施形態の切削開始時における被加工物と加工用工具との位置を示す図である。 図５のＢ方向（Ｘ軸方向）から見た図である。 歯車加工の動作を説明する図であって、本実施形態の切削終了時における被加工物と加工用工具との位置を示す図である。 歯車である被加工物の部分的な斜視図である。 従来の歯車加工装置を用いて内歯を創成する状態を示す斜視図である。

本実施形態では、本発明の実施形態に係る歯車加工装置１として、５軸マシニングセンタに適用した例を説明する。
図１および図２に示すように、歯車加工装置１は、駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）および２つの回転軸（Ａ軸、Ｃ軸）を有する装置である。

歯車加工装置１は、ベッド１０と、コラム２０と、サドル３０と、工具主軸４０と、テーブル５０と、チルトテーブル６０と、ターンテーブル７０と、被加工物保持具８０と、制御装置１００等とから構成される。なお、ベッド１０と並んで自動工具交換装置（図示せず）が設けられている。この自動工具交換装置により、例えば、工具主軸４０に取り付けられた切削用工具をバリ取り用工具に交換することが可能である。

ベッド１０は、ほぼ矩形状からなり、床上に配置される。ただし、ベッド１０の形状は矩形状に限定されるものではない。このベッド１０の上面には、コラム２０が摺動可能な一対のＸ軸ガイドレール１１ａ，１１ｂが、Ｘ軸線方向（水平方向）に延びるように、かつ、相互に平行に形成されている。さらに、ベッド１０には、一対のＸ軸ガイドレール１１ａ，１１ｂの間に、コラム２０をＸ軸線方向に駆動するための、図略のＸ軸ボールねじが配置され、このＸ軸ボールねじを回転駆動するＸ軸モータ１１ｃが配置されている。

コラム２０の底面には、一対のＸ軸ガイド溝２１ａ，２１ｂがＸ軸線方向に延びるように、かつ、相互に平行に形成されている。コラム２０は、ベッド１０に対してＸ軸線方向に移動可能なように、一対のＸ軸ガイド溝２１ａ，２１ｂが一対のＸ軸ガイドレール１１ａ，１１ｂ上にボールガイド２２ａ，２２ｂを介して嵌め込まれ、コラム２０の底面がベッド１０の上面に密接されている。

コラム２０のＸ軸に平行な側面（摺動面）２０ａには、サドル３０が摺動可能な一対のＹ軸ガイドレール２３ａ，２３ｂがＹ軸線方向（鉛直方向）に延びるように、かつ、相互に平行に形成されている。さらに、コラム２０には、一対のＹ軸ガイドレール２３ａ，２３ｂの間に、サドル３０をＹ軸線方向に駆動するための、図略のＹ軸ボールねじが配置され、このＹ軸ボールねじを回転駆動するＹ軸モータ２３ｃが配置されている。

コラム２０の摺動面２０ａに対向するサドル３０の側面３０ａには、一対のＹ軸ガイド溝３１ａ，３１ｂがＹ軸線方向に延びるように、かつ、相互に平行に形成されている。サドル３０は、コラム２０に対してＹ軸線方向に移動可能なように、一対のＹ軸ガイド溝３１ａ，３１ｂが一対のＹ軸ガイドレール２３ａ，２３ｂに嵌め込まれ、サドル３０の側面３０ａがコラム２０の摺動面２０ａに密接されている。

工具主軸４０は、サドル３０内に収容された主軸モータ４１により回転可能に設けられ、工具ホルダ４３を介して加工用工具４２を支持している。加工用工具４２は、工具ホルダ４３に保持されて工具主軸４０の先端に固定され、工具主軸４０の回転に伴って回転する。また、加工用工具４２は、コラム２０およびサドル３０の移動に伴ってベッド１０に対してＸ軸線方向およびＹ軸線方向に移動する。

ベッド１０の上面には、テーブル５０が摺動可能な一対のＺ軸ガイドレール１２ａ，１２ｂがＸ軸線方向と直交するＺ軸線方向（水平方向）に延びるように、かつ、相互に平行に形成されている。さらに、ベッド１０には、一対のＺ軸ガイドレール１２ａ，１２ｂの間に、テーブル５０をＺ軸線方向に駆動するための、図略のＺ軸ボールねじが配置され、このＺ軸ボールねじを回転駆動するＺ軸モータ１２ｃが配置されている。

テーブル５０は、ベッド１０に対してＺ軸線方向に移動可能なように、一対のＺ軸ガイドレール１２ａ，１２ｂ上に設けられている。テーブル５０の上面には、チルトテーブル６０を支持するチルトテーブル支持部６３が設けられている。

チルトテーブル支持部６３には、チルトテーブル６０が水平方向のＡ軸回りで回転（揺動）可能に設けられている。チルトテーブル６０は、テーブル５０内に収容されたＡ軸モータ６１により回転（揺動）される。

チルトテーブル６０には、ターンテーブル７０がＡ軸に直角なＣ軸回りで回転可能に設けられている。ターンテーブル７０には、被加工物Ｗを保持する被加工物保持具８０が装着されている。ターンテーブル７０は、被加工物Ｗおよび被加工物保持具８０とともにＣ軸モータ６２により回転される。

制御装置１００は、主軸モータ４１を制御して、加工用工具４２を回転させ、Ｘ軸モータ１１ｃ、Ｚ軸モータ１２ｃ、Ｙ軸モータ２３ｃ、Ａ軸モータ６１およびＣ軸モータ６２を制御して、被加工物Ｗと加工用工具４２とをＸ軸線方向、Ｚ軸線方向、Ｙ軸線方向、Ａ軸回りおよびＣ軸回りに相対移動することにより、被加工物Ｗの切削加工をおこなう。

次に、加工用工具４２の構成について説明する。
歯車加工装置１は、加工用工具４２と被加工物Ｗとを高速で同期回転させ、加工用工具４２を被加工物Ｗの回転軸線方向に送って切削加工することにより歯を創成している。このため、加工用工具４２の工具刃４２ａは、加工される歯車と噛み合う歯の形状と同一形状に形成されている。加工用工具４２は、工具刃４２ａを工具端面に形成している。

図３に示すように、加工用工具４２は、工具ホルダ４３に保持されている。加工用工具４２の工具刃４２ａは、外周の全周にわたって等間隔に設けられ、歯車の歯に対応する形状に形成されている。加工用工具４２は、全体として、従来の歯車加工用の加工用工具のテーパ状とは反対の逆テーパ状をなしている。

工具刃４２ａは、刃先４２ｆおよびすくい面４２ｃを工具ホルダ４３側、すなわち工具主軸４０側に備えている。工具刃４２ａの刃先４２ｆは、すくい角αおよび逃げ角γを有して、工具刃の全体形状がテーパ状をなしている。すくい面４２ｃと逃げ面４２ｅとの間は、鋭角な刃物角βとなっている。

加工用工具４２には、回転軸線方向に貫通するボルト穴４２ｂが穿設されており、加工用工具４２は、ボルト穴４２ｂを通るボルト９０のオネジ部９１を工具ホルダ４３の先端に設けられたメネジ部４４に螺合することにより締結固定されている。

次に、被加工物保持具８０の構成について説明する。
図４に示すように、被加工物保持具８０は、内歯が切削加工される中空円筒状の被加工物Ｗを保持する治具である。被加工物保持具８０は、第一保持具８１と、第一保持具８１に対し軸線方向に被加工物Ｗを挟むように配置される第二保持具８２と、第一保持具８１に対し径方向の外側に配置される第三保持具８３とで構成される。

第一保持具８１および第二保持具８２は、被加工物Ｗをターンテーブル７０に対し軸線方向に位置決めして保持するための治具である。第三保持具８３は、被加工物Ｗをターンテーブル７０に対し径方向に位置決め（芯出し）して保持するための治具である。

第一保持具８１は、被加工物Ｗの外径より若干大径の円筒状の台座８４と、被加工物Ｗの外径より若干小径で台座８４と同軸に配置されるリング状の天板８５とで構成される。

台座８４は、ターンテーブル７０に対し同軸で左端面８４ｌをターンテーブル７０のテーブル面７０ａに密着させ、ターンテーブル７０にボルト等により締結固定される。天板８５の右端面８５ｒには、被加工物Ｗの左端面Ｗｌが密接される。

第二保持具８２は、被加工物Ｗの外径より大径のリング状に形成され、一端面側に被加工物Ｗの外径より若干大径のリング状の凹部８２ａが形成されている。第二保持具８２は、凹部８２ａの底面８２ｂに被加工物Ｗの右端面Ｗｒを密接させた状態で第三保持具８３の右端面８３ｒにボルト等により締結固定される。これにより、被加工物Ｗは、第一保持具８１の天板８５の右端面８５ｒと第二保持具８２の凹部８２ａの底面８２ｂとの間に挟持固定されるので、ターンテーブル７０に対する軸線方向位置が位置決めされる。

第三保持具８３は、第一保持具８１の外径より若干大径の中空円筒状に形成されている。第三保持具８３は、ターンテーブル７０に対し同軸で左端面８３ｌをターンテーブル７０のテーブル面７０ａに密着させ、ターンテーブル７０にボルト等により締結固定される。

第三保持具８３の周壁には、第一保持具８１の天板８５の右端面８５ｒと第二保持具８２の凹部８２ａの底面８２ｂとの間に挟持固定される被加工物Ｗに対応する位置に４個のメネジ穴８３ａが穿孔され、各メネジ穴８３ａには、ボルト８９が螺合される。これにより、被加工物Ｗは、ボルト８９に押されて径方向に移動可能となるので、ターンテーブル７０に対する径方向位置が位置決め（芯出し）される。

次に、本実施形態の歯車加工方法について、被加工物である歯車の内歯の切削加工を例に説明する。
図５、図６は、切削開始時における被加工物と加工用工具との位置を示す図であり、図７は、切削終了時における被加工物と加工用工具との位置を示す図である。

図５に示すように、被加工物Ｗは中空円筒状に形成され、その内周面に内歯が切削加工される。また、被加工物Ｗは、図略の被加工物保持具を介して、工作物回転軸線Ｌｗ回りに回転可能に支持される。

加工用工具４２は、図略の工具ホルダおよび工具主軸に介して、工具回転軸線Ｌｔ回りに回転可能に支持される。各工具刃４２ａは、工具回転軸線Ｌｔ方向の前側の端面４２ｄと、後側の刃先４２ｆおよびすくい面４２ｃと、外周面側の逃げ面４２ｅとを有する。逃げ面４２ｅは、工具回転軸線Ｌｔに対して傾斜している。

工具回転軸線Ｌｔは、工作物回転軸線Ｌｗに対して傾斜している。切削加工において、工作物回転軸線ＬｗをＺ方向に平行とし、工具回転軸線ＬｔをＺ方向に傾斜させている。

切削開始時において、図６に示すように、工具主軸の前方に対向する被加工物Ｗの上面と反対側の下面側を開始点ＣＳ、工具主軸の前方に対向する被加工物Ｗの上面側を送りの終了点ＣＥとして、加工用工具４２を開始点ＣＳに位置決めする。

続いて、被加工物Ｗの工作物回転軸線Ｌｗ方向に工具主軸が被加工物Ｗから遠ざかる方向を加工用工具４２の進行方向Ｖとして、加工用工具４２を被加工物Ｗと同期回転をさせながら、進行方向Ｖへ送ることにより、内歯が切削加工される。切削終了時において、図７に示すようになる。

このようにして、切削加工されると、図８に示すように、歯先ｇ１、歯底ｇ２および歯面ｇ３を有する歯車の内歯が形成される。

この切削加工により発生した切屑は、加工用工具４２の進行方向の前面に備えた工具刃４２ａのすくい面４２ｃによってすくいとられ、送りの終了点ＣＥとなる工具主軸の前方に対向する歯の端部まで運ばれて落下する。切屑が落下する位置は、図４の被加工物保持具８０の外側、すなわち第二保持具８２の下方になるので、周辺の空間に余裕があり、掃除を容易におこなうことができる。

また、バリＲ（図７）が送りの終了点ＣＥとなる被加工物の端部に生成される。この場所は工具主軸の前方であるので、被加工物保持具によって保持されていても、干渉を気にすることなく、バリ取り用工具を自由に移動することができる。したがって、切削加工後に自動工具交換装置によって、工具をバリ取り用工具に交換すれば、被加工物は切削加工時の保持状態のままで、バリ取りをおこなうことができるので、作業効率が高い。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、本実施形態では、被加工物保持具８０は、ターンテーブル７０にボルト等により締結固定する構成としたが、チャックにより把持する構成としてもよい。

また、本実施形態では、内歯歯車の加工について説明したが、外歯歯車の加工に対しても同様に適用可能である。また、５軸マシニングセンタである歯車加工装置１は、被加工物ＷをＡ軸旋回可能とした。これに対して、５軸マシニングセンタは縦形マシニングセンタとして、加工用工具４２をＡ軸旋回可能とする構成としてもよい。また、本発明をマシニングセンタに適用する場合を説明したが、歯車加工の専用機に対しても同様に適用することも可能である。

１ 歯車加工装置、 １０ ベッド、 １１ａ，１１ｂ Ｚ軸ガイドレール、
１１ｃ Ｘ軸モータ、 １２ａ，１２ｂ Ｙ軸ガイドレール、 １２ｃ Ｚ軸モータ、
２０ コラム、 ２０ａ 側面（摺動面）、 ２１ａ，２１ｂ Ｘ軸ガイド溝、
２２ａ，２２ｂ ボールガイド、 ２３ａ，２３ｂ Ｙ軸ガイドレール、
２３ｃ Ｙ軸モータ、 ３０ サドル、 ３１ａ，３１ｂ Ｙ軸ガイド溝、
４０ 工具主軸、 ４１ 主軸モータ、 ４２ 加工用工具、 ４２ａ 工具刃、
４２ｂ ボルト穴、 ４２ｃ すくい面、 ４２ｄ 端面、 ４２ｅ 逃げ面、
４２ｆ 刃先、 ４３ 工具ホルダ、 ４４ メネジ部、 ５０ テーブル、
６０ チルトテーブル、 ６１ Ａ軸モータ、 ６２ Ｃ軸モータ、
６３ チルトテーブル支持部、 ７０ ターンテーブル、 ７０ａ テーブル面、
８０ 被加工物保持具、 ８１ 第一保持具、 ８２ 第二保持具、 ８２ａ 凹部、
８２ｂ 底面、 ８３ 第三保持具、 ８３ａ メネジ穴、 ８３ｌ 左端面、
８３ｒ 右端面、 ８４ 台座、 ８４ｌ 左端面、 ８５ 天板、 ８５ｒ 右端面、
８９ ボルト、 ９０ ボルト、 ９１ オネジ部、 １００ 制御装置、
１０１ 加工用工具、 １０２ 工具刃、 １００ａ 加工面、 １００ｂ 上面、
１００ｃ 下面、 １００ｄ テーパ面、１１０ 工具主軸
ＣＥ 終了点、 ＣＳ 開始点、 ｇ１ 歯先、 ｇ２ 歯底、 ｇ３ 歯面、
Ｌｔ 工具回転軸線、 Ｌｗ 工作物回転軸線、 Ｒ バリ、 Ｖ 進行方向、
Ｗ 被加工物、 Ｗｌ 左端面、 Ｗｒ 右端面、 α すくい角、 β 刃物角、
γ 逃げ角

Claims (2)

1. 被加工物の回転軸線に対し傾斜した回転軸線を有する加工用工具と、前記加工用工具の後方に配置されて前記加工用工具を回転させる工具主軸を用い、前記加工用工具を前記被加工物と同期回転させながら前記被加工物の回転軸線方向に相対的に送り操作して歯車を加工する歯車加工装置であって、
   前記加工用工具の前記被加工物に対する相対的な送りの進行方向は、前記被加工物の回転軸線方向に前記工具主軸が前記被加工物から遠ざかる方向であり、
   前記加工用工具の工具刃は、前記歯車の歯に対応する形状に形成され、刃先およびすくい面を前記進行方向の前面に備え、全体として前記工具主軸の前方に向かって縮径するテーパ状を形成することを特徴とする歯車加工装置。
2. 被加工物の内歯を加工する請求項１に記載の歯車加工装置であって、
   前記被加工物を位置決め保持して回転可能な被加工物保持具を備えることを特徴とする歯車加工装置。

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