JP2017064800A - 歯車加工機械及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高精度及び高効率に歯車の加工を行いつつ、工具の長寿命化を図る。【解決手段】ワーク回転軸まわりに回転可能なワークWと、カッタ回転軸まわりに回転可能な歯車状カッタ17とを、噛み合わせて回転させながら、歯車状カッタ17に対して切り込み及び送りを与えることで、ワークWを歯車状カッタ17によって歯切りする歯車加工であって、前記カッタ回転軸に軸交差角を与えて荒加工を行った後、前記ワーク回転軸を中心として前記カッタ回転軸を所定角度移動させることで、前記送り軸方向及び移動後の切り込み方向を含む平面において前記カッタ回転軸が前記ワーク回転軸に対し傾きを有するようにした上で、仕上げ加工を行う。【選択図】図1

Description

本発明は、歯車加工機械及び方法に関する。
現在、ホブ加工が実施できない段付歯車や内歯車の歯切り加工では、ピニオンカッタを用いたギヤシェーバ加工や、ヘリカルブローチを用いたブローチ加工が主流となっている。
しかしながら、ギヤシェーバ加工は、加工時間が長く生産性が低いという問題があり、ブローチ加工は、設備費用が高価であり、加工精度の調整が困難、さらには加工できる歯車形状が限られているという問題がある。
そこで、例えば下記特許文献1では、ピニオンカッタを往復運動ではなく回転運動させて切削を行い、高精度及び高能率な歯切り加工を実現する方法が開示されている。
特開2015−58505号公報
しかしながら、上記特許文献1に開示されるような歯切り加工では、同じ刃を繰り返し使用することから、工具寿命が短くなるという問題がある。
そこで、本発明では、高精度及び高効率に歯車の加工を行いつつ、工具の長寿命化を図ることを可能とする、歯車加工機械及び方法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は、
ワーク回転軸まわりに回転可能な被加工歯車と、カッタ回転軸まわりに回転可能な歯車状カッタとを、噛み合わせて回転させながら、前記歯車状カッタに対して切り込み及び送りを与えることで、前記被加工歯車を前記歯車状カッタによって歯切りする歯車加工機械であって、
前記ワーク回転軸に対する前記カッタ回転軸の軸交差角を与える旋回手段と、
前記歯車状カッタを、前記ワーク回転軸方向と直交する荒加工における切り込み方向に移動させるカッタ切り込み手段と、
前記歯車状カッタを、前記切り込み方向及び前記ワーク回転軸方向と直交する方向に移動させるカッタ移動手段と、
前記歯車状カッタを、前記ワーク回転軸方向と平行となる送り軸方向に移動させるカッタ送り手段と、
前記カッタ回転軸に軸交差角を与えて荒加工が行われた前記被加工歯車に対し、前記カッタ切り込み手段及び前記カッタ移動手段により、荒加工の状態から、前記カッタ回転軸を、前記ワーク回転軸に直交する平面に対して、前記ワーク回転軸を中心として所定角度平行移動させることで、前記送り軸方向及び移動後の切り込み方向を含む平面において、該平面に投影された前記カッタ回転軸が前記ワーク回転軸に対し傾きを有するようにした上で、仕上げ加工を行うように制御する制御手段とを備える
ことを特徴とする。
換言すれば、上記課題を解決する第1の発明に係る歯車加工機械は、
ワーク回転軸まわりに回転可能な被加工歯車と、カッタ回転軸まわりに回転可能な歯車状カッタとを、噛み合わせて回転させながら、前記歯車状カッタに対して切り込み及び送りを与えることで、前記被加工歯車を前記歯車状カッタによって歯切りする歯車加工機械であって、
前記ワーク回転軸に対する前記カッタ回転軸の軸交差角を与える旋回手段と、
前記歯車状カッタを、前記ワーク回転軸方向と直交する荒加工における切り込み方向に移動させるカッタ切り込み手段と、
前記歯車状カッタを、前記切り込み方向及び前記ワーク回転軸方向と直交する方向に移動させるカッタ移動手段と、
前記歯車状カッタを、前記ワーク回転軸方向と平行となる送り軸方向に移動させるカッタ送り手段と、
前記カッタ回転軸に軸交差角を与えて荒加工を行い、前記カッタ切り込み手段及び前記カッタ移動手段により、前記カッタ回転軸を、荒加工の位置から、前記ワーク回転軸に直交する平面に対して、前記ワーク回転軸を中心として所定角度平行移動させることで、前記送り軸方向及び移動後の切り込み方向を含む平面において、該平面に投影された前記カッタ回転軸が前記ワーク回転軸に対し傾きを有するようにした上で、仕上げ加工を行うように制御する制御手段とを備える
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は、
上記第1の発明に係る歯車加工機械において、
前記歯車状カッタの刃は、歯すじ方向に設けられた複数の切刃からなり、
前記制御手段は、前記荒加工と前記仕上げ加工とで、加工に関与する前記切刃又は前記切刃の組み合わせを変更するように、前記所定角度を設定する
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方法は、
ワーク回転軸まわりに回転可能な被加工歯車と、カッタ回転軸まわりに回転可能な歯車状カッタとを、噛み合わせて回転させながら、前記歯車状カッタに対して切り込み及び送りを与えることで、前記被加工歯車を前記歯車状カッタによって歯切りする歯車加工方法であって、
前記カッタ回転軸に軸交差角を与えて荒加工を行った後、前記ワーク回転軸を中心として前記カッタ回転軸を所定角度移動させることで、前記送り軸方向及び移動後の切り込み方向を含む平面において前記カッタ回転軸が前記ワーク回転軸に対し傾きを有するようにした上で、仕上げ加工を行う
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第4の発明に係る歯車加工方法は、
上記第3の発明に係る歯車加工方法において、
前記歯車状カッタの刃は、歯すじ方向に設けられた複数の切刃からなり、
前記荒加工と前記仕上げ加工とで、加工に関与する前記切刃又は前記切刃の組み合わせを変更するように、前記所定角度を設定する
ことを特徴とする。
本発明に係る歯車加工機械及び方法によれば、高精度及び高効率に歯車の加工を行いつつ、工具の長寿命化を図ることができる。
本発明の実施例に係る歯車加工機械の斜視図である。 本発明の実施例におけるカッタによりワークの切削加工を行う様子を示した斜視図である。 図2におけるワーク軸方向断面図である。 本発明の実施例の荒加工時におけるカッタ位置を説明する模式的斜視図である。 本発明の実施例の荒加工時におけるカッタ位置を説明する模式的上面図である。 本発明の実施例における仕上げ加工時のカッタ位置を説明する模式的斜視図である。 本発明の実施例における仕上げ加工時のカッタ位置を説明する模式的上面図である。 本発明の実施例におけるθ,η,γの関係を説明する概念図である。 本発明の実施例の荒加工時における切削部分の拡大断面図である。 本発明の実施例の仕上げ加工時における切削部分の拡大断面図である。
以下、本発明に係る歯車加工機械及び方法を実施例にて図面を用いて説明する。
[実施例]
図1に示すように、本実施例に係る歯車加工機械(歯車加工機械1)のベッド11上には、コラム(カッタ切り込み手段)12が、水平なX軸方向(切り込み方向(ただし、ここでの切り込み方向とは荒加工における切り込み方向を指す。本実施例では後述のごとく、仕上げ加工においては切り込み方向が変化する。))に移動可能に支持されている。また、コラム12の前面には、サドル(カッタ送り手段)13が、X軸方向と直交する鉛直なZ軸方向(送り軸方向)に昇降可能に支持されている。さらに、サドル13の前面には、旋回ヘッド(旋回手段、軸交差角設定手段)14が、X軸方向に延在するカッタ旋回軸Aまわりに旋回可能に支持されている。
また、旋回ヘッド14の前面には、スライドヘッド(カッタ移動手段)15が、歯車加工機械1の横方向となるY軸方向に移動可能に支持されている。さらに、スライドヘッド15の前部には、カッタヘッド16が該スライドヘッド15から半円状に膨出するように形成されている。そして、カッタヘッド16内には、主軸16aが、X軸及びY軸方向と直交するカッタ回転軸Bまわりに回転可能に支持されており、この主軸16aの先端には、歯車状カッタ17が着脱可能に装着されている。
一方、ベッド11上におけるコラム12の正面側には、回転テーブル(ワーク回転手段)18が、Z軸方向に延在するワーク回転軸Cまわりに回転可能に支持されている。そして、回転テーブル18の上面には、円筒状の取り付け治具19が取り付けられており、この取り付け治具19の上端内周面には、ワーク(被加工内歯車)Wが、着脱可能に装着されている。なお、ワークWを取り付け治具19に装着すると、該ワークWの中心は、回転テーブル18のワーク回転軸Cと同軸上となる。
したがって、歯車加工機械1は、コラム12及びサドル13を駆動させることにより、カッタ17に対して、X軸方向への切り込み及びZ軸方向への送りを与えることができる。また、スライドヘッド15を駆動させることにより、カッタ17をY軸方向に横移動させることができる。そして、カッタヘッド16の主軸16aを回転運動させることにより、カッタ17をカッタ回転軸Bまわりに回転させることができる一方、回転テーブル18を回転駆動させることにより、ワークWをワーク回転軸Cまわりに回転させることができる。
さらに、図1に示すように、旋回ヘッド14をカッタ旋回軸Aまわりに旋回させることにより、主軸16a及びカッタ17の回転中心となるカッタ回転軸Bの旋回角度を変更することができる。これにより、カッタ回転軸Bとワーク回転軸Cとの間の軸交差角を調整することが可能となっており、この軸交差角はワークWのねじれ角等に応じて調整されるようになっている。すなわち、軸交差角は、Y軸及びZ軸を含むYZ平面において、カッタ回転軸Bとワーク回転軸Cとによって形成される交差角度となっている。
なお、上述したように、旋回ヘッド14をカッタ旋回軸Aまわりに旋回可能としているため、その旋回ヘッド14の旋回動作に伴って、主軸16a及びカッタ17の回転中心となるカッタ回転軸Bだけでなく、その旋回ヘッド14に支持されるスライドヘッド15の移動方向も旋回する(傾く)ことになる。
また、歯車加工機械1は、NC制御部(制御手段)20を備えており、このNC制御部20によって、上述のコラム12、サドル13、旋回ヘッド14、スライドヘッド15、カッタヘッド16(主軸16a)、及び、回転テーブル18の駆動制御を行う。
ここで、図2は、カッタ17によりワークWの切削加工を行う様子を示した斜視図であり、図中には、カッタ回転軸B、ワーク回転軸C、及び、カッタ回転軸Bとワーク回転軸Cとによって形成される軸交差角が示されている。なお、図2の2つの矢印は、カッタ17及びワークWの回転方向をそれぞれ示している。図2に示すように、カッタ17は、刃が歯すじ方向に設けられた複数の切刃17aからなる、多刃形である。
図3は、図2のワーク軸方向断面図である。図3に示すように、カッタ17は、径の大きさがカッタ幅方向(カッタ回転軸方向)に変化した樽形となっている。
本実施例では、歯車加工機械1により、歯切り加工のうち前段階の荒加工、及び、後段階の仕上げ加工を行う。その際、荒加工パスと仕上げ加工パスとでカッタ17の傾きを変更することにより、カッタ17の下側の刃と上側の刃の役割を分担する。これによって、カッタ17の長寿命化を図ることができる。
図4は、荒加工時のカッタ17の位置を説明する模式的斜視図であり、図5は、荒加工時のカッタ17の位置を説明する模式的上面図である(図4は図5のa‐a方向から見た図に相当)。図4に示すように、荒加工時の軸交差角(カッタ回転軸Bとワーク回転軸Cとの交差角度)をθとする。図5の斜線部分は荒加工時の切削箇所を表しており、OBはカッタ回転軸Bの通るカッタ17の中心位置、OCはワーク回転軸Cの通るワークWの中心位置を表している。また、図4,5中のX,Y,Z軸は、図1のX,Y,Z軸に対応している。
図6は、仕上げ加工時のカッタ17の位置を説明する模式的斜視図であり、図7は、仕上げ加工時のカッタ17の位置を説明する模式的上面図である(図6は図7のb‐b方向から見た図に相当)。図7の斜線部分は仕上げ加工時の切削箇所を表しており、OBは(荒加工時における)カッタ回転軸Bの通るカッタ17の中心位置、OCはワーク回転軸Cの通るワークWの中心位置を表している。また、図6,7中のX,Y,Z軸は、図1のX,Y,Z軸に対応している。
図7に示すように、荒加工時におけるカッタ17の中心位置OBを、ワークWの中心位置OCを中心としてワークWのタンジェンシャル方向に角度α移動し、OB´の位置にした上で(このとき、図6に示すようにカッタ回転軸BがB´の位置に移動することになる)、仕上げ加工を行う。
換言すれば、(カッタ回転軸Bに軸交差角θを与えて)荒加工を行った後、カッタ回転軸Bを、XY平面(ワーク回転軸Cに直交する平面)に対して、ワーク回転軸Cを中心として角度α分平行移動した上で、仕上げ加工を行う。このとき軸交差角も変化する。この時の軸交差角をηとする。なお、図4からわかるように、図5において、カッタ17は上面が右側に傾いている。この場合、上記角度αは、図7に示すように、XY平面上において、荒加工時の位置から右回りの角度とする。すなわち、上記角度αは、XY平面上において、荒加工時の位置からカッタ17の上面が傾く方向へ向けた角度とする。
ところで、図8の概念図に示すように、θは角度成分γ及びηに分解することができる。よって、軸交差角をθからηに変化させると、自ずとカッタ17の傾きがγ(以下の図10の説明で詳述)となる。これによる切削加工の変化について、図9,10を用いて以下で説明する。なお、後述のごとく、本実施例ではθとηの角度差を僅かな値(許容誤差範囲)とするため、加工精度に問題はない。
図9は、荒加工時における切削部分の拡大断面図であり、図10は、仕上げ加工時における切削部分の拡大断面図である。図9,10中の六角形で囲われた数字は、カッタ17の切刃17aのカッタ幅方向(あるいは歯すじ方向)における順序を表している。例えば、図中の「1」はカッタ17の下面から第1段目の切刃17a、同じく「2」は第2段目の切刃17aである。
また、Rはラジアル切り込み(ワークWのラジアル方向への切り込み)量を指す。さらに、図9,10では、カッタ回転軸B,B´及びワーク回転軸Cを一点鎖線として付してある。ただし、図9,10中のカッタ回転軸B,B´及びワーク回転軸Cは、その角度を把握しやすくするために付したものであり、位置については正確でない。また、カッタ回転軸B,B´については、正確には、図9,10の平面(紙面)上に投影した線を示している(すなわち、カッタ回転軸B,B´は、実際には紙面に対して垂直方向に傾斜している)。なお、図10では、カッタ17が傾きγを有する前(荒加工時)の切刃17aの位置を二点鎖線で表している。
図9に示すように、まず、カッタ17により軸交差角θで荒加工すると、第1段目から順に第4段目までの切刃17aが加工に関与し、第5段目の切刃17aは加工に関与しない。このときの切り込み量はRとし、切り込み方向(ラジアル方向)はX軸方向である(図5参照)。そしてこのとき、X軸及びZ軸を含むXZ平面において、該平面に投影された(実際にはY軸方向に傾斜している)カッタ回転軸Bは、ワーク回転軸Cに対して平行となる。
ここで、カッタ17のカッタ回転軸Bをタンジェンシャル方向に角度α移動する(図7)ことで、軸交差角がθ→ηとなる(図6,8)。すると、図10に示すように、カッタ回転軸がB→B´となり、Z軸及びラジアル方向を含む平面において、該平面に投影された(実際には紙面に対して垂直方向に傾斜している)カッタ回転軸B´は、ワーク回転軸Cに対して傾くことになる。この傾きをγとする。なお、角度α移動後は、切り込み方向(ラジアル方向)が変化し、X軸方向と一致しなくなる(図7参照)。
この状態から、さらにΔR追加(R+ΔR)でラジアル切り込みして仕上げ加工を行うと、図10に示すように、第1〜3段目の切刃17aは加工に関与せず、第4,5段目の切刃17aが順に加工に関与することになる。
本実施例では、カッタ17の下面から第5段目(カッタ17の最上段)の切刃17aと第1段目(カッタ17の最下段)の切刃17aとのラジアル切り込み量の差をδとし、カッタ17の上面側の切刃17aとカッタ17の下面側の切刃17aを、荒加工時と仕上げ加工時とで使い分けるために、所望のδを得るという観点より、上記角度αを決定する。
上記δは0.3mm前後あればよい。この場合、ηとθとの差は下記の計算の如く許容誤差範囲に収めることができるため、加工精度に問題はない。
なお、実際には、角度αの値を入力するのではなく、X軸方向の移動量x及びY軸方向の移動量yの値を入力することで、カッタ17に角度αの変化を与える。
例えば、ワークWの直径が160mm、カッタ17の直径が80mm、カッタ幅(軸方向長さ)が30mm、θ=25°,α=1°とすると、
η=atan(tan25°・cos1°)
=24.997°
γ=atan(tan25°・sin1°)
=0.466°
カッタ17の最上段の切刃17aと最下段の切刃17aとのラジアル切り込み量の差δは、カッタ幅30mmより、
δ=(30mm/cos24.997°)・sin0.466°
=0.269mm
なお、このときのカッタ17の中心位置移動量(x,y)は、
x=40mm・sin1°
=0.698mm
y=40mm・(1−cos1°)
=0.006mm
以上の計算より、δ=0.269mmを得るためには、α=1°(x=0.698mm,y=0.006mm)に設定すればよく、この場合、荒加工時の軸交差角θと仕上げ加工時の軸交差角ηとの差は僅か0.003°(=25°−24.997°)となる。
なお、上述の荒加工時と仕上げ加工時にそれぞれ関与する切刃17aの組み合わせは、あくまで一例であり、δを変更することでこの組み合わせを変更することができる。
以下では、歯車加工機械1の動作について説明する。なお、以下の動作はNC制御部20によって制御されているものとする。
まず、ワークWに対して荒加工を行う。初めに、カッタ17を図1のカッタ旋回軸Aまわりに旋回させて、カッタ回転軸Bに軸交差角θを与える。ついで、カッタ17をX,Y,Z軸方向に移動させて、図2,3のようにワークWと噛み合わせる。
そして、カッタ17とワークWとが噛み合った状態で、カッタ17をカッタ回転軸Bまわりに回転させるとともに、ワークWをワーク回転軸Cまわりに回転させ、カッタ17に対して、X軸方向への切り込みと、Z軸方向への送りとを与える。すなわち、カッタ17とワークWとを噛み合わせて回転させるとともに、カッタ17をX軸方向に切り込ませながら、Z軸方向に往復移動させる。
これにより、図9に示すように、カッタ17の下面から第1〜4段目の切刃17aのみによってワークWの荒加工を行う。
次に、ワークWに対して仕上げ加工を行う。荒加工終了後、図10に示す所望のδを得るタンジェンシャル方向の移動角度αを実現するように、コラム12及びスライドヘッド15によりカッタ17をX,Y軸方向に移動した上で、ワークWと噛み合わせ、回転させるとともに、カッタ17をラジアル切り込みしながら、Z軸方向に往復移動させる。なお、仕上げ加工時は、図10に示すようにR+ΔRでラジアル切り込みする。なお、カッタ17のラジアル切り込みは、コラム12及びスライドヘッド15の動作によって実現される。
これにより、図10に示すように、カッタ17の下面から第4,5段目の切刃17aのみによってワークWの仕上げ加工を行う。
なお、荒加工及び仕上げ加工時において、Z軸方向に往復移動するカッタ17は、下方に移動するときにワークWを歯切りする一方、上方に移動するときにはワークWからX軸方向に離間してワークWに接触しないようにしている。
このようにして、本実施例では、多刃形のカッタ17を用い、さらに、荒加工時と仕上げ加工とで加工に関与する切刃17a、又は、切刃17aの組み合わせを変えることで、摩耗が各刃に分散され、工具の長寿命化を図ることができる。
なお、本実施例では、カッタ17が樽形であるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、カッタ17が例えば円筒形であってもよい。さらに、本実施例では、内歯車の加工として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、外歯車の加工に対しても適用可能である。
また、本実施例では、荒加工後にカッタ回転軸をワークWのタンジェンシャル方向に角度α移動させるものと説明したが、これはx、y軸方向の移動によって角度αを実現するものであるため、カッタ17の(タンジェンシャル方向の)旋回機構を別途新たに設ける必要がなく、余計なコストがかからない。ただし、このような旋回機構を設けても構わない。
これにより、本実施例では、高精度及び高効率に歯車の加工を行いつつ、工具の長寿命化を図ることが可能となる。
本発明は、歯車加工機械及び方法として好適である。
1 歯車加工機械
11 ベッド
12 コラム(カッタ切り込み手段)
13 サドル(カッタ送り手段)
14 旋回ヘッド(旋回手段、軸交差角設定手段)
15 スライドヘッド(カッタ移動手段)
16 カッタヘッド
16a 主軸
17 カッタ
17a 切刃
18 回転テーブル
19 取り付け治具
20 NC制御部(制御手段)
A カッタ旋回軸
B カッタ回転軸
C ワーク回転軸
W ワーク(被加工内歯車)

Claims (4)

  1. ワーク回転軸まわりに回転可能な被加工歯車と、カッタ回転軸まわりに回転可能な歯車状カッタとを、噛み合わせて回転させながら、前記歯車状カッタに対して切り込み及び送りを与えることで、前記被加工歯車を前記歯車状カッタによって歯切りする歯車加工機械であって、
    前記ワーク回転軸に対する前記カッタ回転軸の軸交差角を与える旋回手段と、
    前記歯車状カッタを、前記ワーク回転軸方向と直交する荒加工における切り込み方向に移動させるカッタ切り込み手段と、
    前記歯車状カッタを、前記切り込み方向及び前記ワーク回転軸方向と直交する方向に移動させるカッタ移動手段と、
    前記歯車状カッタを、前記ワーク回転軸方向と平行となる送り軸方向に移動させるカッタ送り手段と、
    前記カッタ回転軸に軸交差角を与えて荒加工を行い、前記カッタ切り込み手段及び前記カッタ移動手段により、前記カッタ回転軸を、荒加工の位置から、前記ワーク回転軸に直交する平面に対して、前記ワーク回転軸を中心として所定角度平行移動させることで、前記送り軸方向及び移動後の切り込み方向を含む平面において、該平面に投影された前記カッタ回転軸が前記ワーク回転軸に対し傾きを有するようにした上で、仕上げ加工を行うように制御する制御手段とを備える
    ことを特徴とする、歯車加工機械。
  2. 前記歯車状カッタの刃は、歯すじ方向に設けられた複数の切刃からなり、
    前記制御手段は、前記荒加工と前記仕上げ加工とで、加工に関与する前記切刃又は前記切刃の組み合わせを変更するように、前記所定角度を設定する
    ことを特徴とする、請求項1に記載の歯車加工機械。
  3. ワーク回転軸まわりに回転可能な被加工歯車と、カッタ回転軸まわりに回転可能な歯車状カッタとを、噛み合わせて回転させながら、前記歯車状カッタに対して切り込み及び送りを与えることで、前記被加工歯車を前記歯車状カッタによって歯切りする歯車加工方法であって、
    前記カッタ回転軸に軸交差角を与えて荒加工を行った後、前記ワーク回転軸を中心として前記カッタ回転軸を所定角度移動させることで、前記送り軸方向及び移動後の切り込み方向を含む平面において前記カッタ回転軸が前記ワーク回転軸に対し傾きを有するようにした上で、仕上げ加工を行う
    ことを特徴とする、歯車加工方法。
  4. 前記歯車状カッタの刃は、歯すじ方向に設けられた複数の切刃からなり、
    前記荒加工と前記仕上げ加工とで、加工に関与する前記切刃又は前記切刃の組み合わせを変更するように、前記所定角度を設定する
    ことを特徴とする、請求項3に記載の歯車加工方法。
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