JP2016093882A - 歯車加工装置及び歯車加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工用工具及び加工物を高速で同期回転させて切削加工により高精度な歯車を加工できる歯車加工装置及び歯車加工方法を提供すること。【解決手段】歯車加工装置（１）は、歯車（Ｇ）の歯（ｇ）の歯底（ｇｂ）の加工について、加工物（Ｗ）に対する加工用工具（４２）の工具状態を記憶する歯底工具状態記憶部（１０３ａ）と、歯車（Ｇ）の隣り合う歯（ｇ）の対向する第１側面及び第２側面のうち第１側面（ｓｌ）の加工について、加工物（Ｗ）に対する加工用工具（４２）の工具状態を記憶する第１側面工具状態記憶部（１０３ｂ）と、第２側面（ｓｒ）の加工について、加工物（Ｗ）に対する加工用工具（４２）の工具状態を記憶する第２側面工具状態記憶部（１０３ｂ）と、歯底加工状態記憶部（１０３ａ）及び第１、第２側面加工状態記憶部（１０３ｂ）に記憶された加工用工具（４２）の各工具状態で加工物（Ｗ）の加工をそれぞれ行う加工制御部（１０２）と、を備える。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、加工用工具及び加工物を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及び歯車加工方法に関する。

切削加工により内歯及び外歯を加工する有効な手法としては、例えば、特許文献１に記載の加工装置がある。この加工装置は、回転軸線回りに回転可能な加工物と、加工物の回転軸線に対して所定の角度で傾斜した回転軸線回り、すなわち交差角を有する回転軸線回りに回転可能な加工用工具、例えば複数枚の工具刃を有するカッタとを高速で同期回転させ、加工用工具を加工物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する加工装置である。

しかし、この加工装置では、複数枚の工具刃が加工物に同時に接触するため、切削抵抗が大きくなる傾向にある。よって、切削加工時に自励振動が発生し易く、歯車の歯すじ精度（歯すじのうねり）を悪化させるおそれがある。加工用工具の工具径を小さくすれば工具刃の加工物に対する接触枚数は少なくなるが、加工用工具の工具剛性が低下するおそれがある。

そこで、特許文献２には、加工用工具を加工物に対し変化する送り速度で歯の表面に沿った送り経路方向に移動する加工方法が記載されている。この加工方法によれば、加工の微細な掻き傷の間隔が歯の表面に沿って不規則になるので、噛み合い雑音、すなわち自励振動を低減することができる。

特開平１−１５９１２６号公報 特開２００５−３３５０６１号公報

上述の特許文献２に記載の加工方法では、加工用工具の送り速度を加工物に対し変化させる必要があるため、送り制御が複雑になり、歯車の歯形形状の高精度化が困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加工用工具及び加工物を同期回転させて切削加工により高精度な歯車を加工できる歯車加工装置及び歯車加工方法を提供することを目的とする。

本発明の歯車加工装置は、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を用い、前記加工用工具を前記加工物と同期回転させながら前記加工物の回転軸線方向に相対的に送り操作して歯車の歯の歯底及び両側面を加工する歯車加工装置であって、前記歯車の歯の歯底の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の相対的な位置又は姿勢である工具状態を記憶する歯底工具状態記憶部と、前記歯車の隣り合う歯の対向する第１側面及び第２側面のうち前記第１側面の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の工具状態を記憶する第１側面工具状態記憶部と、前記第２側面の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の工具状態を記憶する第２側面工具状態記憶部と、前記歯底加工状態記憶部及び前記第１、第２側面加工状態記憶部に記憶された前記加工用工具の各工具状態で前記加工物の加工をそれぞれ行う加工制御部と、を備える。

これにより、歯車の歯の加工は、歯底、一方の側面、他方の側面に分けて順に行うので、加工工具の工具刃は、歯の一部を切削することになり、切削抵抗を低減でき、切削加工時の自励振動の発生を抑え、歯車の歯すじ精度（歯すじのうねり）を向上できる。

本発明の歯車加工方法は、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を用い、前記加工用工具を前記加工物と同期回転させながら前記加工物の回転軸線方向に相対的に送り操作して歯車の歯の歯底及び両側面を加工する歯車加工方法であって、前記歯車の歯の歯底の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の相対的な位置又は姿勢である工具状態を演算する歯底工具状態演算工程と、前記歯車の隣り合う歯の対向する第１側面及び第２側面のうち前記第１側面の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の工具状態を演算する第１側面工具状態演算工程と、前記第２側面の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の工具状態を記憶する第２側面工具状態演算工程と、前記歯底加工状態演算工程及び前記第１、第２側面加工状態演算工程にて演算した前記加工用工具の各工具状態で前記加工物の加工をそれぞれ行う加工制御工程と、を備える。
これにより、上述した歯車加工装置における効果と同様の効果を奏する。

本発明の実施の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１Ａの歯車加工装置の概略構成及び制御装置を示す図である。 図１Ｂの制御装置の処理を説明するためのフローチャートである。 加工用工具の概略構成を工具端面側から回転軸線方向に見た図である。 図３Ａの加工用工具の概略構成を径方向に見た一部断面図である。 図３Ｂの加工用工具の工具刃の拡大図である。 図３Ｃの工具刃のＡ−Ａ線矢視図及びＢ−Ｂ線矢視断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は図１Ａの歯車加工装置で歯車の歯底、左側面、右側面を加工するときの加工用工具の工具刃の加工状態をそれぞれ示す図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は図１Ａの歯車加工装置で歯車の歯底、左側面、右側面を加工するときの加工用工具と加工物との位置関係をそれぞれ示す図である。 加工用工具の回転軸線の方向の工具位置を変更するときの加工用工具と加工物との位置関係を示す図である。 軸線方向位置を変更したときの加工状態を示す第一の図である。 軸線方向位置を変更したときの加工状態を示す第二の図である。 軸線方向位置を変更したときの加工状態を示す第三の図である。 加工物の回転軸線に対する加工用工具の回転軸線の傾斜を表す交差角を変更するときの加工用工具と加工物との位置関係を示す図である。 交差角を変更したときの加工状態を示す第一の図である。 交差角を変更したときの加工状態を示す第二の図である。 交差角を変更したときの加工状態を示す第三の図である。 加工用工具の回転軸線方向位置及び交差角を変更するときの加工用工具と加工物との位置関係を示す図である。 軸線方向位置及び交差角を変更したときの加工状態を示す第一の図である。 軸線方向位置及び交差角を変更したときの加工状態を示す第二の図である。 図１Ｂの制御装置の別処理を説明するためのフローチャートである。 従来の加工用工具の研磨毎の加工状態を示す図である。 本実施形態の加工用工具の研磨毎の加工状態を示す図である。 従来使用される加工用工具を工具端面側から回転軸線方向に見た図である。 図１０Ａの加工用工具を軸方向に直角な方向から見たＡ−Ａ線断面図である。 図１０Ａの加工用工具の複数の工具刃によって加工物を加工している瞬間に、図１０ＡのＸ−Ｙ座標系において、複数の工具刃が加工物に接触している位置を示す図である。図１１は、５個の工具刃が加工物に接触している図である。 図１１において加工物に接触している複数の工具刃による切込量を示す図であり、横軸を図１１の横軸に一致させ、縦軸を切込量として示す。 歯車の歯形形状の誤差である歯すじ誤差を説明するための図である。

（歯車加工装置の機械構成）
本実施形態では、歯車加工装置１の一例として、５軸マシニングセンタを例に挙げ、図１Ａ及び図１Ｂを参照して説明する。つまり、当該歯車加工装置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）及び２つの回転軸（Ａ軸、Ｃ軸）を有する装置である。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、歯車加工装置１は、ベッド１０と、コラム２０と、サドル３０と、回転主軸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、加工物保持具８０と、制御装置１００等とから構成される。なお、図示省略するが、ベッド１０と並んで既知の自動工具交換装置が設けられる。

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、且つ、相互に平行に形成される。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、且つ、相互に平行に形成される。コラム２０がベッド１０に対してＸ軸線方向に移動可能となるように、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の上面に密接される。

さらに、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、且つ、相互に平行に形成される。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、且つ、相互に平行に形成される。サドル３０がコラム２０に対してＹ軸線方向に移動可能となるように、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に密接される。

回転主軸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、加工用工具４２を支持する。加工用工具４２は、工具ホルダ４３に保持されて回転主軸４０の先端に固定され、回転主軸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及びサドル３０の移動に伴ってベッド１０に対してＸ軸線方向及びＹ軸線方向に移動する。なお、加工用工具４２の詳細は後述する。

さらに、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、且つ、相互に平行に形成される。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が設けられる。そして、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る。ターンテーブル７０には、加工物Ｗを保持する加工物保持具８０が装着される。ターンテーブル７０は、加工物Ｗ及び加工物保持具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、工具状態演算部１０１と、工具状態記憶部１０３と、加工制御部１０２等とを備える。ここで、工具状態演算部１０１及び加工制御部１０２は、それぞれ個別のハードウエアにより構成することもできるし、ソフトウエアによりそれぞれ実現する構成とすることもできる。

工具状態演算部１０１は、詳細は後述するが、加工すべき歯車の歯の歯底の加工について、加工物Ｗに対する加工用工具４２の相対的な位置又は姿勢である工具状態を演算する歯底工具状態演算部１０１ａと、加工すべき歯車の歯の両側面の各加工について、加工物Ｗに対する加工用工具４２の相対的な位置又は姿勢である工具状態を演算する側面工具状態演算部１０１ｂとを備える。

工具状態記憶部１０３は、工具状態演算部１０１により演算された工具状態を記憶する。すなわち、工具状態記憶部１０３は、歯底工具状態演算部１０１ａにより演算された歯底加工についての工具状態を記憶する歯底工具状態記憶部１０３ａと、側面工具状態演算部１０１ｂにより演算された側面加工についての工具状態を記憶する側面工具状態記憶部１０３ｂとを備える。なお、側面工具状態記憶部１０３ｂは、加工すべき歯車の隣り合う歯の対向する側面（以下、第１側面、第２側面という）のうち第１側面の加工について、加工物Ｗに対する加工用工具４２の工具状態を記憶する第１側面工具状態記憶部と、第２側面の加工について、加工物Ｗに対する加工用工具４２の工具状態を記憶する第２側面工具状態記憶部とを有する。

加工制御部１０２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及びＣ軸モータ６２を制御して、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軸回り及びＣ軸回りに相対移動することにより、加工物Ｗの切削加工を行う。すなわち、加工制御部１０２は、円筒状の加工物Ｗの外周面にはすば歯車を加工する場合、歯底加工状態記憶部１０３ａ及び側面加工状態記憶部１０３ｂに記憶された加工用工具４２の各工具状態を保ったまま、加工用工具４２と加工物Ｗとを歯数比に応じて同一方向に同期回転させる。そして、加工用工具４２を加工物Ｗの回転軸線Ｃ（図４Ｂ等に示すＬｗ）方向に送りつつ、当該回転軸線Ｃ方向の送りにつれてはすば歯車のねじれ角に応じて回転させつつ、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗ及び加工用工具４２の工具端面４２Ａの回転軸線Ｌ（図４Ｂ等参照、以下、工具軸線Ｌという）の軸間距離を徐々に縮めて加工物Ｗの加工をそれぞれ行う。この加工物Ｗの切削加工は、先ず歯車の歯の歯底を加工し、次に歯の一方の側面を加工し、最後に歯の他方の側面を加工する。なお、円筒状の加工物Ｗの内周面にはすば歯車を加工する場合も同様である。

（加工用工具）
上述の歯車加工装置１では、加工用工具４２と加工物Ｗとを高速で同期回転させ、加工用工具４２を加工物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する。ここで、図１０Ａに示すように、歯車加工装置１での従来の切削加工時においては、加工すべき歯車Ｇの歯ｇ（図１３参照）と同形状の工具刃４２０ａが等ピッチで配列された加工用工具４２０が使用される。図１１に示すように、各工具刃４２０ａは、加工物Ｗとの接触位置に関して、加工物Ｗの位置によって工具刃４２０ａの略全体で接触する工具刃４２０ａ（図示一点鎖線で囲まれたＡ部）と、工具刃４２０ａの先端付近で接触する工具刃４２０ａ（図示二点鎖線で囲まれたＢ部）に分類される。

そして、図１２に示すように、加工用工具４２０の各工具刃４２０ａによる加工物Ｗの切込量は、工具刃４２０ａの略全体で接触する工具刃４２０ａ（図示一点鎖線で囲まれたＡ部）よりも工具刃４２０ａの先端付近で接触する工具刃４２０ａ（図示二点鎖線で囲まれたＢ部）の方が大きい。すなわち、先端付近で接触する工具刃４２０ａの切削抵抗は、略全体で接触する工具刃４２０ａの切削抵抗より大きくなる。よって、切削加工時に自励振動が発生し易く、歯車の歯すじ精度（歯すじのうねり）、すなわち図１３に示すように、歯車Ｇの歯ｇの周方向ｄ１の両側面ｓｒ，ｓｌにおける軸線方向ｄ２の表面粗さの平均値（歯すじ誤差）は、悪化するおそれがある。

また、図１０Ｂに示すように、加工用工具４２０の各工具刃４２０ａの刃先面の外径は、加工用工具４２０の基端側ほど小さい。つまり、各工具刃４２０ａの刃先面は、前逃げ角βを有する。さらに、加工用工具４２０の各工具刃４２０ａの側面４２０ｂ間の刃幅は、加工用工具４２０の基端側ほど小さい。つまり、各工具刃４２０ａの側面４２０ｂは、側逃げ角（図示せず）を有する。ただし、前逃げ角βに比べて、側逃げ角は非常に小さい。つまり、工具刃４２０ａの側面４２０ｂは、工具軸線Ｌに対する傾斜角が小さい形状、すなわち切削加工時における加工物Ｗとのクリアランスが小さい形状であるため、切削抵抗により工具刃４２０ａが変形したときは加工物Ｗと干渉し易い。よって、歯車の歯すじ精度は、さらに悪化するおそれがある。

そこで、歯車加工装置１での本実施形態の切削加工時においては、図３Ａに示すように、加工すべき歯車の歯幅よりも小さい幅の工具刃４２ａが等ピッチで配列された加工用工具４２が使用される。この加工用工具４２の工具軸線Ｌ方向から見た形状は、加工される歯車と噛み合う歯の形状、本例ではインボリュート曲線形状と同一形状に形成される。そして、図３Ｂに示すように、加工用工具４２の工具刃４２ａには、工具端面４２Ａ側に工具軸線Ｌと直角な平面に対し角度α傾斜したすくい角が設けられ、工具周面４２Ｂ側に工具軸線Ｌと平行な直線に対し角度β傾斜した前逃げ角が設けられる。さらに、図３Ｃに示すように、工具刃４２ａの側面側に工具軸線Ｌと平行な直線に対し角度γ傾斜した側逃げ角が設けられる。つまり、工具刃４２ａの歯幅は、加工用工具４２の基端側ほど小さい。

すなわち、図３Ｄに示すように、加工用工具４２の工具刃４２ａを工具端面４２Ａ側から工具軸線Ｌ方向に見た図示実線で示す工具端面形状（図３ＣのＡ−Ａ線矢視形状）は、加工用工具４２の工具刃４２ａを例えば工具端面４２Ａから工具軸線Ｌ方向にｈの位置での工具軸線Ｌ方向に直角な方向の図示一点鎖線で示す断面形状（図３ＣのＢ−Ｂ線矢視形状）と比較すると、インボリュート曲線形状及び歯丈Ｈは一定となるように形成され、刃先幅Ｗｅａ，Ｗｅｂ及び刃底幅Ｗｂａ，Ｗｂｂは変化するように形成される。以上の形状は、上述した従来の切削加工時において使用する加工用工具４２０も同様であるが、本実施形態の切削加工時において使用する加工用工具４２の工具刃４２ａの刃先幅Ｗｅａ，Ｗｅｂ及び刃底幅Ｗｂａ，Ｗｂｂは、加工すべき歯車の歯幅よりも小さい幅に形成される点で、従来とは相違する。

そして、図４Ａに示すように、制御装置１００は、歯車Ｇの歯ｇの異なる部位を順に加工する。すなわち、制御装置１００は、図４Ａ（ａ）に示すように、先ず歯車Ｇの歯ｇの歯底ｇｂを加工し、次に、図４Ａ（ｂ）に示すように、歯ｇの一方の側面（図では左側面ｓｌ（第１側面））を加工し、最後に、図４Ａ（ｃ）に示すように、歯ｇの他方の側面（図では右側面ｓｒ（第２側面））を加工する。なお、歯ｇの右側面ｓｒを加工してから左側面ｓｌを加工するようにしてもよい。これにより、工具刃４２ａは、歯車Ｇの歯ｇの一部を切削することになるので、切削抵抗を低減でき、切削加工時の自励振動の発生を抑え、歯車Ｇの歯すじ精度（歯すじのうねり）を向上できる。

制御装置１００は、歯ｇの歯底加工、左側面加工及び右側面加工を行うとき、予め設定記憶している各加工での工具状態、すなわち加工用工具４２の工具軸線Ｌの方向の工具位置（以下、加工用工具４２の軸線方向位置という）、及び加工される歯車Ｇの歯ｇの捩れ角と加工用工具４２の工具刃４２ａの捩れ角との差で表される交差角（以下、加工用工具４２の交差角という）に加工用工具４２の位置などを変更する。なお、工具状態としては、工作物Ｗの回転軸線Ｌｗ回りの方向の加工用工具４２に対する相対位置の工具位置も対象となる。制御装置１００は、歯車加工を行うとき、上述の加工用工具４２の軸線方向位置、及び工作物Ｗの回転軸線Ｌｗ回りの方向の加工用工具４２に対する相対位置の工具位置の少なくとも一方の工具位置を変更する。

すなわち、歯底加工においては、制御装置１００は、図４Ｂ（ａ）に示すように、加工用工具４２の軸線方向位置、すなわち加工用工具４２の工具端面４２Ａと工具軸線Ｌとの交点Ｐが、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗ上に位置するように（オフセット量０）、且つ加工用工具４２の交差角が、角度θｐとなるように加工用工具４２の位置などを変更する。
また、左側面加工においては、制御装置１００は、図４Ｂ（ｂ）に示すように、加工用工具４２の軸線方向位置が、加工用工具４２の工具軸線Ｌ方向に距離＋ｃだけオフセットし（オフセット量＋ｃ）、且つ加工用工具４２の交差角が、角度θｑとなるように加工用工具４２の位置などを変更する。

また、右側面加工においては、制御装置１００は、図４Ｂ（ｃ）に示すように、加工用工具４２の軸線方向位置が、加工用工具４２の工具軸線Ｌ方向に距離−ｃだけオフセットし（オフセット量−ｃ）、且つ加工用工具４２の交差角が、角度θｒとなるように加工用工具４２の位置などを変更する。
しかし、加工用工具４２の工具刃４２ａの形状は、設計値に対し誤差を含むため、予め設定記憶している工具状態に加工用工具４２を変更しても、加工状態が悪化、すなわち形状誤差が大きくなる場合がある。そこで、加工状態は、工具状態を変更したときどのように変化するかについて検討した。

例えば、図５Ａに示すように、加工用工具４２の軸線方向位置が、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗ上に位置する場合（オフセット量０）、加工用工具４２の工具軸線Ｌ方向に距離＋ｄだけオフセットした場合（オフセット量＋ｄ）、及び加工用工具４２の工具軸線Ｌ方向に距離−ｄだけオフセットした場合（オフセット量−ｄ）で加工物Ｗを加工した。その結果、加工物Ｗの加工状態は、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄに示すようになった。なお、図中、太い実線Ｅは、設計上の歯車の歯ｇのインボリュート曲線を直線に変換して表したもので、ドット部分Ｄは、加工物Ｗの切削除去部分を表す。

図５Ｂに示すように、オフセット量０では、加工された歯車の歯は、設計上のインボリュート曲線に近い形状で加工される。一方、図５Ｃに示すように、オフセット量＋ｄでは、加工された歯車の歯は、設計上のインボリュート曲線に対し、図示右方向（点線矢印方向）、すなわち時計回りのピッチ円方向にずれた形状で加工され、図５Ｄに示すように、オフセット量−ｄでは、加工された歯車の歯は、設計上のインボリュート曲線に対し、図示左方向（点線矢印方向）、すなわち反時計回りのピッチ円方向にずれた形状で加工される。よって、歯車の歯の形状は、加工用工具４２の工具軸線Ｌ方向位置を変更することにより、ピッチ円方向にずらすことができる。

また、例えば、図６Ａに示すように、加工用工具４２の交差角が、角度θａ、θｂ、θｃの各場合で加工物Ｗを加工した。なお、各角度の大小関係は、θａ＞θｂ＞θｃである。その結果、加工物Ｗの加工状態は、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄに示すようになった。
図６Ｂに示すように、交差角θａでは、加工された歯車の歯は、設計上のインボリュート曲線に近い形状で加工される。一方、図６Ｃに示すように、交差角θｂでは、加工された歯車の歯は、設計上のインボリュート曲線に対し、歯先の幅がピッチ円方向（実線矢印方向）に狭まり、歯元の幅がピッチ円方向（実線矢印方向）に拡がった形状で加工され、図６Ｄに示すように、交差角θｃでは、加工された歯車の歯は、設計上のインボリュート曲線に対し、歯先の幅がピッチ円方向（実線矢印方向）にさらに狭まり、歯元の幅がピッチ円方向（実線矢印方向）にさらに拡がった形状で加工される。よって、歯車の歯の形状は、加工用工具４２の交差角を変更することにより、歯先のピッチ円方向の幅及び歯元のピッチ円方向の幅を変更できる。

また、例えば、図７Ａに示すように、加工用工具４２の軸線方向位置、すなわち加工用工具４２の工具端面４２Ａと工具軸線Ｌとの交点Ｐが、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗ上に位置し（オフセット量０）、且つ加工用工具４２の交差角が、θａの場合、及び加工用工具４２の工具軸線Ｌ方向に距離＋ｄだけオフセットし（オフセット量＋ｄ）、且つ交差角θｂの場合で加工物Ｗを加工した。その結果、加工物Ｗの加工状態は、図７Ｂ、図７Ｃに示すようになった。

図７Ｂに示すように、オフセット量０且つ交差角θａでは、加工された歯車の歯は、設計上のインボリュート曲線に近い形状で加工される。一方、図７Ｃに示すように、オフセット量＋ｄ且つ交差角θｂでは、加工された歯車の歯は、設計上のインボリュート曲線に対し、図示右方向（点線矢印方向）、すなわち時計回りのピッチ円方向にずれ、且つ歯先の幅がピッチ円方向（実線矢印方向）に狭まり、歯元の幅がピッチ円方向（実線矢印方向）に拡がった形状で加工される。よって、歯車の歯の形状は、加工用工具４２の軸線方向位置、及び加工用工具４２の交差角を変更することにより、ピッチ円方向にずらし、歯先の周方向の幅及び歯元のピッチ円方向の幅を変更できる。
以上の結果から、制御装置１００は、歯ｇの歯底加工、左側面加工及び右側面加工での良好な加工状態を得るために最適な加工用工具４２の工具状態を求める処理を行っており、その処理について以下説明する。

（制御装置の工具状態演算部による処理）
次に、歯ｇの歯底加工、左側面加工及び右側面加工において最適な加工用工具４２の工具状態を求めるときの制御装置１００のシミュレーション処理について、図２を参照して説明する。このシミュレーションは、公知の歯車の創成理論に基づいて、工具刃４２ａの軌跡を演算している。すなわち、このシミュレーションは、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗに対し傾斜した回転軸線Ｌを有する加工用工具４２を用い、加工用工具４２を加工物Ｗと同期回転させながら加工物Ｗの回転軸線Ｌｗ方向に相対的に送り操作して歯車の歯を加工する動作に相当する。

制御装置１００の歯底工具状態演算部１０１ａは、予め記憶している歯底加工を行うときの加工用工具４２の工具状態を読み出し（図２のステップＳ１）、シミュレーション回数ｎとして１回目であることを記憶し（図２のステップＳ２）、当該工具状態に加工用工具４２の工具状態を設定する（図２のステップＳ３）。そして、歯底工具状態演算部１０１ａは、予め記憶している加工用工具４２の形状に基づいて、加工物Ｗを加工するときの工具軌跡を算出し（図２のステップＳ４）、加工後の歯車の歯の形状を算出する（図２のステップＳ５）。そして、歯底工具状態演算部１０１ａは、算出した加工後の歯車の歯の形状と、設計上の歯車の歯の形状とを比較し、形状誤差を算出して記憶し（図２のステップＳ６）、シミュレーション回数ｎに１を加算する（図２のステップＳ７）。

そして、歯底工具状態演算部１０１ａは、シミュレーション回数ｎが予め設定した回数ｎｎに達したか否かを判断し（図２のステップＳ８）、シミュレーション回数ｎが設定回数ｎｎに達していないときは、加工用工具４２の工具状態のうち加工用工具４２の交差角を変更し（図２のステップＳ９）、ステップＳ４に戻って上述の処理を繰り返す。一方、シミュレーション回数ｎが設定回数ｎｎに達したときは、歯底工具状態演算部１０１ａは、記憶した形状誤差のうち最小の誤差となる交差角を選択する（図２のステップＳ１０）。以上の処理により、歯底加工を行うときの最適な加工用工具４２の交差角を含む工具状態を決定できる。そして、歯底工具状態演算部１０１ａは、歯底加工を行うときの加工用工具４２の工具状態を歯底工具状態記憶部１０３ａに記憶する。

そして、側面工具状態演算部１０１ｂは、左側面加工を行うときの最適な加工用工具４２の交差角を決定したか否かを判断する（図２のステップＳ１１）。側面工具状態演算部１０１ｂは、左側面加工の工具状態を決定していないと判断したときは、予め記憶している左側面加工を行うときの加工用工具４２の工具状態を読み出し（図２のステップＳ１２）、ステップＳ２に戻って上述の処理を繰り返す。そして、側面工具状態演算部１０１ｂは、左側面加工を行うときの加工用工具４２の工具状態を側面工具状態記憶部１０３ｂに記憶する。

一方、ステップＳ１１において、側面工具状態演算部１０１ｂは、左側面加工の工具状態を決定したと判断したときは、右側面加工を行うときの最適な加工用工具４２の工具状態を決定したか否かを判断する（図２のステップＳ１３）。側面工具状態演算部１０１ｂは、右側面加工の工具状態を決定していないと判断したときは、予め記憶している右側面加工を行うときの加工用工具４２の工具状態を読み出し（図２のステップＳ１４）、ステップＳ２に戻って上述の処理を繰り返す。そして、側面工具状態演算部１０１ｂは、右側面加工を行うときの加工用工具４２の工具状態を側面工具状態記憶部１０３ｂに記憶する。一方、ステップＳ１３において、側面工具状態演算部１０１ｂは、右側面加工の工具状態を決定したと判断したときは、全ての処理を終了する。

なお、ステップＳ９においては、加工用工具４２の交差角を変更する代わりに、加工用工具４２の軸線方向位置を変更し、もしくは加工用工具４２の軸線回り方向位置を変更し、又は、交差角、軸線方向位置、軸線回り方向位置の任意の組み合わせを変更するようにしてもよい。また、上述の処理では、複数回のシミュレーションを行って最小の誤差となる交差角を選択するようにしたが、予め許容形状誤差を設定しておき、ステップＳ６において算出した形状誤差が許容形状誤差以下となったときの交差角を選択してもよい。

本実施形態の歯車加工装置１によれば、歯車Ｇの歯ｇの加工は、歯底、一方の側面、他方の側面に分けて順に行うので、加工工具４２の工具刃４２ａは、歯ｇの一部を切削することになり、切削抵抗を低減でき、切削加工時の自励振動の発生を抑え、歯車Ｇの歯すじ精度（歯すじのうねり）を向上できる。

また、歯底工具状態演算部１０１ａ及び側面工具状態演算部１０１ｂは、工具状態として、加工用工具４２の工具軸線Ｌ方向位置、加工用工具４２の工具軸線Ｌ回り方向位置、及び加工用工具４２の交差角の少なくとも一つ、又はこれらの組み合わせに対して加工物Ｗの加工状態を演算するので、高精度な歯車を得ることができる。また、歯底工具状態演算部１０１ａ及び側面工具状態演算部１０１ｂは、加工状態をシミュレーションによって演算するので、実加工は不要であり、低コストな歯車を得ることができる。

（制御装置の工具状態演算部による別処理）
加工用工具４２の工具刃４２ａの刃先が摩耗した場合は、摩耗した加工用工具４２の刃先４２ａを研磨して再利用する。しかし、加工用工具４２は前逃げ角βを有することにより、研磨前における加工用工具４２の工具刃４２ａの端面形状は、研磨後における加工用工具４２の工具刃４２ａの端面形状と異なる形状となる。すなわち、加工用工具４２の工具刃４２ａは、図３Ｄに示すように、加工用工具４２の工具刃４２ａの研磨量が所定量ｈに達すると、加工用工具４２の工具刃４２ａの刃先幅Ｗｅｂが研磨前の刃先幅Ｗｅａと比べて大きくなり、加工物Ｗの加工精度が低下する。このような場合でも、制御装置１００は、加工用工具４２の工具刃４２ａの研磨状態に基づいて、本実施形態の処理を行って最適な加工用工具４２の工具状態を決定することにより、高精度な加工が可能となる。

つまり、工具状態演算部１０１は、摩耗した加工用工具４２の工具刃４２ａの研磨状態に基づいて、加工用工具４２の工具状態を演算する。すなわち、工具状態演算部１０１は、工具刃４２ａの研磨前の工具状態、研磨の都度に研磨後の工具状態をそれぞれ演算する。工具刃４２ａの研磨前の工具状態は、上述したシミュレーション処理により演算する。

つまり、制御装置１００は、加工用工具４２の工具刃４２ａの研磨状態に応じた加工用工具４２の工具状態で加工物Ｗの加工を行う。具体的な工具状態の変更方法としては、加工用工具４２の軸線方向位置の変更、工作物Ｗの回転軸線Ｌｗ回りの方向の加工用工具４２に対する相対位置の工具位置の変更、加工用工具４２の交差角の変更、もしくはこれらの組み合わせがある。これにより、加工物Ｗは、高精度に加工される。

以下に、工具刃４２ａを研磨したとき、最適な加工用工具４２の工具状態として交差角を求めるときの制御装置１００の工具状態演算部１０１によるシミュレーション処理について、図８を参照して説明する。なお、図８においては、図２のステップＳ１の前にステップＳ０１，Ｓ０２，Ｓ０３が追加されている点のみが異なるため、同一のステップは同一番号を付して説明を省略する。

制御装置１００の歯底工具状態演算部１０１ａ及び側面工具状態演算部１０１ｂは、研磨後であるか否かを判断する（図８のステップＳ０１）。研磨後でなければ、工具状態演算部１０１ａ，１０１ｂは、予め設計して記憶している研磨前の加工用工具４２の形状を読み出す（図８のステップＳ０２）。一方、研磨後であれば、工具状態演算部１０１ａ，１０１ｂは、研磨後の加工用工具４２の形状を研磨設定量に合わせて算出する（図８のステップＳ０３）。

そして、工具状態演算部１０１ａ，１０１ｂは、ステップＳ１以降の処理を、前述した図２の処理と同様に行う。ただし、図８のステップＳ１において、歯底工具状態演算部１０１ａは、研磨状態に応じて、歯底加工用の加工用工具４２の交差角を含む工具状態を読み出す。また、図８のステップＳ１２，Ｓ１４において、側面工具状態演算部１０１ｂは、研磨状態に応じて、側面加工用の加工用工具４２の交差角を含む工具状態を読み出す。ここで読み出される工具状態は、研磨前においては、予め記憶している交差角を含む工具状態とし、研磨後においては、例えば、当該研磨直前に選択されていた交差角を含む工具状態とする。

従って、図８のステップＳ２〜ステップＳ１０においては、研磨前及び研磨後のそれぞれについての処理が行われる。つまり、図８のステップＳ１０において、歯底工具状態演算部１０１ａは、歯底加工において、研磨前における最適な加工用工具４２の工具状態を求めると共に、研磨の都度に研磨後における最適な加工用工具４２の工具状態を求めることができる。また、側面工具状態演算部１０１ｂは、側面加工において、研磨前における最適な加工用工具４２の工具状態を求めると共に、研磨の都度に研磨後における最適な加工用工具４２の工具状態を求めることができる。

なお、ステップＳ９においては、加工用工具４２の交差角を変更する代わりに、加工用工具４２の軸線方向位置を変更し、もしくは工作物Ｗの回転軸線Ｌｗ回りの方向の加工用工具４２に対する相対位置を変更し、又は、交差角、加工用工具４２の軸線方向位置、工作物Ｗの回転軸線Ｌｗ回りの方向の加工用工具４２に対する相対位置の任意の組み合わせを変更するようにしてもよい。また、上述の処理では、複数回のシミュレーションを行って最小の誤差となる交差角を選択するようにしたが、予め許容形状誤差を設定しておき、ステップＳ６において算出した形状誤差が許容形状誤差以下となったときの交差角を選択してもよい。

上述のシミュレーション処理は、工具刃４２ａを研磨する度に行う。これにより、研磨毎の最適な加工用工具４２の工具状態を求めることができ、研磨回数が増加しても加工精度を維持できる。例えば、図９Ａ、図９Ｂは、図５と同様に、図中の太い実線Ｅは、設計上の歯車の歯ｇのインボリュート曲線を直線に変換して表したもので、ドット部分Ｄは、加工物Ｗの切削除去部分を表す。図９Ａに示すように、従来は、研磨回数が４回までは、加工後の歯車の歯ｇの形状は、設計上の歯車の歯の形状に対し形状誤差は許容範囲内であるため、加工用工具４２の使用は可能である。そして、研磨回数が５回以上になると、加工後の歯車ｇの歯の形状は、設計上の歯車の歯の形状に対し形状誤差が許容範囲を超えるので、加工用工具４２の使用は不可となる。しかし、図９Ｂに示すように、本実施形態では、研磨回数が６回になっても、加工後の歯車ｇの歯の形状は、設計上の歯車の歯の形状に対し形状誤差は許容範囲内であるため、加工用工具４２の使用は可能であり、加工用工具４２の長寿命化を図ることができる。よって、高精度且つ低コストな歯車を得ることができる。

（その他）
上述した実施形態では、シミュレーション処理は、歯車の歯の歯底の加工、歯の一方の側面の加工及び歯の他方の側面の加工についてそれぞれ行う構成としたが、歯の歯底の加工は加工誤差が小さいことから省略し、歯の一方の側面の加工及び歯の他方の側面の加工のシミュレーション処理についてそれぞれ行う構成としてもよい。また、加工用工具４２として、捩れ角の無い工具を例に説明したが、捩れ角を有する工具であっ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、加工物ＷをＡ軸旋回可能とするものとした。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可能である。

１：歯車加工装置、 ４２：加工用工具、 ４２ａ：工具刃、 １００：制御装置、 １０１ａ：歯底工具状態演算部、 １０１ｂ：側面工具状態演算部、 １０２：加工制御部、 １０３ａ：歯底工具状態記憶部、 １０３ｂ：側面工具状態記憶部、 Ｗ：加工物

Claims (9)

1. 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を用い、前記加工用工具を前記加工物と同期回転させながら前記加工物の回転軸線方向に相対的に送り操作して歯車の歯の歯底及び両側面を加工する歯車加工装置であって、
   前記歯車の歯の歯底の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の相対的な位置又は姿勢である工具状態を記憶する歯底工具状態記憶部と、
   前記歯車の隣り合う歯の対向する第１側面及び第２側面のうち前記第１側面の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の工具状態を記憶する第１側面工具状態記憶部と、
   前記第２側面の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の工具状態を記憶する第２側面工具状態記憶部と、
   前記歯底加工状態記憶部及び前記第１、第２側面加工状態記憶部に記憶された前記加工用工具の各工具状態で前記加工物の加工をそれぞれ行う加工制御部と、
   を備える、歯車加工装置。
2. 前記歯底工具状態記憶部及び前記第１、第２側面工具状態記憶部は、前記工具状態として、前記加工物の回転軸線に対する前記加工用工具の工具端面の回転軸線の傾斜を表す交差角を記憶する、請求項１の歯車加工装置。
3. 前記歯底工具状態記憶部及び前記第１、第２側面工具状態記憶部は、前記工具状態として、前記加工用工具の工具端面の回転軸線の方向位置及び前記工作物の回転軸線周りの方向の前記加工用工具に対する相対位置の少なくとも一方の方向の工具位置を記憶する、請求項１又は２の歯車加工装置。
4. 前記第１、第２側面工具状態記憶部は、前記工具状態をシミュレーションによって演算した結果に基づいて得られる前記工具状態を記憶する、請求項１〜３の何れか一項の歯車加工装置。
5. 前記歯底工具状態記憶部は、前記工具状態をシミュレーションによって演算した結果に基づいて得られる前記工具状態を記憶する、請求項４の歯車加工装置。
6. 研磨前における前記加工用工具の工具端面形状と研磨後における前記加工用工具の工具端面形状は、異なる形状であり、
   前記歯底工具状態記憶部は、前記研磨後の加工用工具の工具端面形状に基づいて求めた前記研磨後の加工用工具の歯底工具状態を記憶し、
   前記第１、第２側面工具状態記憶部は、研磨後の前記加工用工具の工具端面形状に基づいて求めた前記研磨後の加工用工具の第１、第２側面工具状態をそれぞれ記憶し、
   前記加工制御部は、
   前記加工用工具の工具刃の研磨後は、前記歯底工具状態記憶部及び前記第１、第２側面工具状態記憶部に記憶された前記研磨後における前記加工用工具の工具状態で前記加工物の加工を行う、請求項１〜４の何れか一項の歯車加工装置。
7. 前記加工用工具は前逃げ角を有することにより、研磨前後における前記加工用工具の工具刃の端面形状は、異なる形状となる、請求項６の歯車加工装置。
8. 前記加工用工具の工具刃は、インボリュート歯形を有する、請求項７の歯車加工装置。
9. 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を用い、前記加工用工具を前記加工物と同期回転させながら前記加工物の回転軸線方向に相対的に送り操作して歯車の歯の歯底及び両側面を加工する歯車加工方法であって、
   前記歯車の歯の歯底の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の相対的な位置又は姿勢である工具状態を演算する歯底工具状態演算工程と、
   前記歯車の隣り合う歯の対向する第１側面及び第２側面のうち前記第１側面の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の工具状態を演算する第１側面工具状態演算工程と、
   前記第２側面の加工について、前記加工物に対する前記加工用工具の工具状態を記憶する第２側面工具状態演算工程と、
   前記歯底加工状態演算工程及び前記第１、第２側面加工状態演算工程にて演算した前記加工用工具の各工具状態で前記加工物の加工をそれぞれ行う加工制御工程と、
   を備える、歯車加工方法。

Images