JP2017136684A - 歯車の製造方法、および歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】 凸状のギア歯のエッジ破壊部を提供する。
【解決手段】 歯車を製造する方法が提供される。この方法は、歯車の複数のギア歯を形成することを包含し、これらのギア歯は、歯のエッジフランク及び歯のエッジ頂面を有する歯のエッジを画定し、歯のエッジフランクと歯のエッジ頂面との少なくとも一方のエッジ破壊部に凸状外形を形成する。
【選択図】 図３

Description

（関連出願の相互参照）
本発明は、２０１６年２月４日付け米国仮出願番号第６２／２９１，４６９号の優先権を主張するものであり、参照することにより、その全体がここに包含される。

ここに開示する主題は、概して、歯のエッジ破壊（edge breaks）、特に、凸状エッジの破壊部を有するギア歯の形成に関する。

歯車は、種々の産業及び技術的用途に使用されており、回転または平行移動部材から他に動力を伝達することができる。各歯車は、他の歯車のギア歯とかみ合うギア歯の列を有し、第1歯車の回転または平行移動を第２歯車に伝達することができる。ギア歯の形状は、直線状に形成されたいくつかのギア歯、はす歯に形成されたいくつかのギア歯、やま歯またはヘリングボーンに形成された他のギア歯、更に、弧状（または、Ｃ歯車）に形成されたギア歯によって異なる。

歯車は、典型的には、ギア歯の端面に丸みまたは面取りを有し、鋭いエッジをなくしている。応力は、典型的には、鋭いエッジに集中する。したがって、歯の鋭いエッジを「破壊（break）」し、したがって、歯の面取りまたは角部の丸みを形成することが重要である。従来、ホブ切、形削り、または、研磨の後、歯のエッジの破壊は、独立した機械的に制御される機械での追加操作として実行される。これらの機械は、典型的には、十分に滑らかな仕上げを行うものではなく、その理由は、歯車がターンテーブル上で回転するときに、回転する研磨ホイールが典型的には、ギア歯のエッジを超えて案内されるためである。これらの機械は、歯のエッジにほぼ４５度の面取りを形成できるものであっても良い。更に、使用されている機械は伝統的に、プログラム可能またはコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）されたものではない。これは、歯のエッジ破壊部に、粗いまたは処理残し領域を仕上げるために、手によるタッチアップを必要とする。

本発明は、凸状のギア歯のエッジ破壊部（convex gear tooth edge break）を有する歯車およびその製造方法を提供する。

１つの実施形態によると、歯車の製造方法が提供される。この方法は、歯車の表面に複数のギア歯を形成し、これらのギア歯は、歯のエッジフランク（tooth edge flanks）と歯のエッジ頂面（tooth edge top land）とを有する歯のエッジを画定する歯面を有し、歯のエッジフランクと歯のエッジ頂面との少なくとも一方のエッジ破壊部に凸状外形（convex contour）を形成する。

上記の１つまたは複数の特徴に加え、または他の代替手段として、さらなる実施形態は、歯車を硬化することを包含しても良い。

上記の１つまたは複数の特徴に加え、または、代替手段として、さらなる実施形態は、歯車の表面仕上げを包含しても良い。

上記の１つまたは複数の特徴に加え、または、代替手段として、さらなる実施形態は、凸状外形を形成するために、形成が機械の多軸運動を有することを包含しても良い。

上記の１つまたは複数の特徴に加え、または、代替手段として、さらなる実施形態は、形成が電気化学的研磨機械の使用を有することを包含しても良い。

上記の１つまたは複数の特徴に加え、または、代替手段として、さらなる実施形態は、凸状外形が、湾曲、接線、先細、丸み付け及び平坦のうちの1つであることを包含しても良い。

上記の１つまたは複数の特徴に加え、または、代替手段として、さらなる実施形態は、凸状外形が、ギア歯のフランクに接する放射状曲線（radial curve）であることを包含しても良い。

上記の１つまたは複数の実施形態に加え、または、代替手段として、さらなる実施形態は、ギア歯がスプラインであることを包含しても良い。

上記の１つまたは複数の特徴に加え、または、代替手段として、さらなる実施形態は、歯車の表面に複数のギア歯を形成し、少なくとも１つの歯のエッジのフランク及び歯のエッジの頂面のエッジ破壊部に凸状外形を形成するために同じツールを用いることを包含しても良い。

他の実施形態によると、歯車が提供される。歯車は、端面と複数のギア歯とを有し、これらのギア歯は、歯のエッジフランクと歯のエッジ頂面とを有する歯のエッジを画定する歯面を備える。少なくとも1つの歯のエッジフランクと歯のエッジ頂面とは、凸状の外形を有する歯のエッジ破壊部を備える。

上記の１つまたは複数の特徴に加え、または、代替手段として、さらなる実施形態は、歯のエッジフランクと歯のエッジ頂面との双方が凸状外形を有することを包含しても良い。

上記の１つまたは複数の実施形態に加え、または、代替手段として、更にさらなる実施形態は、凸状外形は、湾曲、接線、先細（pointed）、丸み付け（radiused）及び平坦（smooth）のうちの1つであることを包含しても良い。

上記の１つまたは複数の実施形態に加え、または、代替手段として、更にさらなる実施形態は、凸状外形が、ギア歯のフランクに接する半径曲線であることを包含しても良い。

上記の１つまたは複数の実施形態に加え、または、代替手段として、更にさらなる実施形態は、ギア歯がスプラインであることを包含しても良い。

本開示の実施形態の技術的効果は、ギア歯に平坦状のエッジ破壊部を設けることを包含する。他の技術的効果は、凸状、丸み付け、または、接線状のエッジ破壊部をギア歯の端面に有する。

ここに開示された主題は、特に、明細書の最後部の請求の範囲に指摘し、かつ、直接的に請求してある。ここに開示した実施形態の上記及び他の特徴及び利点は、添付図面を参照する以下の詳細な説明から明らかとなる。

先端間隙を有するやま歯歯車の周縁図の説明である。 実施形態による歯車を機械加工する機械の概略図である。 図２Ａに示す歯車を機械加工する機械の斜視図である。 本開示の実施形態による凸状エッジ破壊部を形成するための歯車の歯のエッジに作用するツールの例示的な実施形態である。 従来技術による歯のエッジ破壊部及びその形成の概略図である。 本開示の例示的な実施形態により形成される歯のエッジ破壊部及びその形成の概略図である。 図４Ｂに示すような歯のエッジ破壊部の他の概略図である。 本開示の例示的な実施形態による歯車形成プロセスである。

図１を参照すると、やま歯歯車等の歯車の実施例を示してある。歯車１００は、第１のはすば歯車のパターンを有する第１側１０２と、第１と反対側の第２のはすば歯車のパターンを有する第２側１０４と、第１側１０２と第２側１０４との間の頂部間隙１０６とを有する。歯車１００は、第１側１０２及び第２側１０４のはすば歯車パターンの存在により、比較的高いギア接触比を有しても良い。この結果、歯車１００の歯のかみ合いは、直線状の平歯車または他の形式の歯車と比較して、強度を増大し、ノイズ特性を低減する。頂部間隙１０６は、ギア歯１０８のギアフランク及び歯元を成形しかつ正確に研磨するために使用されるプロセスの結果として、形成される。

歯１０８は、第１側１０２及び第２側１０４の外向き部分と、第1側１０２及び第２側１０４の内向き部分とに形成された歯面１１０を有する。すなわち、歯車１００の外側と頂部間隙１０６に隣接する側に歯面がある。当業者であれば、歯車１００は、単に例示目的で表してあり、本開示の範囲から逸脱することなく、歯面を有する他のタイプの歯車が形成されても良いことは、明らかである。歯１０８は、歯面１１０を有し、かつ歯面１１０で画定され、これが鋭いエッジを形成される場所である。鋭いエッジにより、応力の集中が形成され、歯の疲労を生じることがある。

歯車の特別な実施例を図１に示してあるが、当業者であれば、ここで使用されかつ形成される方法、プロセス及び装置は、任意のタイプの歯車であっても良いことが認められる。図１の歯車１００は、単なる例として、例示目的で示すものである。他の歯車には、制限するものではないが、はすば歯車、やま歯歯車、へリングボーン歯車、平歯車または任意のタイプの歯車を包含しても良い。

ここで使用されるように、歯車研削機械は、高速研磨スピンドルを使用し得るものが採用される。電気化学研磨（ＥＣＧ）、及び、立方晶ホウ素（ＣＢＮ）等の超砥粒をクリープフィード、深切り研磨プロセスで使用し、ほとんどあらゆる考えられる歯車デザインを可能としても良い。歯車研磨機械は、いくつかの実施形態では、低熱生成の１マイクロインチＲａ未満の超平滑研磨面、バリ無しエッジに形成可能としても良く、更に、新規の高硬度導電体を研削する能力を有しても良い。ＥＣＧは、極めて工具摩耗が少ない非常に小さな研磨ホイールを使用可能とする。

図２Ａ及び２Ｂを参照すると、機械２００は、ワークピース２０２を機械加工するために設けられる。ワークピース２０２は、第１中心軸２０４を有する実質的に円筒状の初期形状を有しても良い。機械２００は、ワークピース２０２を上に配置するチャックまたは固定具２０６と、研磨スピンドル２０８とを有する。研磨スピンドル２０８は、ワークピース２０２から材料を除去するように構成される。研磨スピンドル２０８は、第２中心軸２１０を有する細長い形状を画定する。研磨スピンドル２０８は、チャック２０６及びワークピース２０２に対し、第１長手方向軸２０４及び第２中央長手方向軸２１０が、互いに交差しまたは交差しないように配置しても良い。機械２００は、更に、電気化学的研磨（ＥＣＧ）部材２１２を有し、これは、研磨スピンドル２０８及びワークピース２０２上でＥＣＧ処理を実行するように構成される。

図２Ａに示すように、研磨スピンドル２０８は、ホイール２１４、スピンドルボディ２１６及び絶縁体２１８を有しても良い。ホイール２１４は、研磨スピンドル２０８の第２中央長手方向軸２１０の回りを回転可能に構成または配置され、図示のように、主ホイール部２２０を有し、これは、スピンドルボディ２１６の端部から軸方向外方に延び、更に、主ホイール部２２０の先端部２２４に画定されかつ先端２２６を画定する先端部分２２２を有する。いくつかの実施形態では、研磨材は、先細部分２２２の先端２２６の回りに取付けまたは形成しても良い。スピンドルボディ２１６は、研磨スピンドル２０８の第２中央長手方向軸２１０の回りでホイール２１４を回転駆動するように配置される。絶縁体２１８は、スピンドルボディ２１６からホイール２１４を電気的に絶縁するように配置及び構成される。

実施形態によると、研磨材は、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、ダイアモンド等の超砥粒であっても良い。いくつかの実施形態では、先端２２６は、他の外形及び形状も考えられるが、実質的に鉛筆状、実質的に円錐状、または、インボリュート外形を有しても良い。インボリュート外形を有する実施形態では、先端２２６の外面は、主ホイール部２２０のエッジから内方に湾曲しても良く、主ホイール部２２０のエッジから軸方向距離が増大するにつれて減少する曲率半径を有する。先端２２６の軸方向端部では、曲率半径は、先端２２６の最端部が鈍く、丸められた表面を有するように方向を反転され得る。

ＥＣＧ部材２１２は、第１電気リード２２８、第２電気リード２３０及びディスペンサ２３２を有する。第１電気リード２２８は、ワークピース部材（アノード）２０２を正に荷電するように構成され、第２電気リード２３０は、研磨スピンドル（カソード）２０８を負に荷電するように構成され、ディスペンサ２３２は電解流体２３４をワークピース２０２に向けて放出するように構成される。電解流体２３４をワークピース２０２に向けて放出または適用すると共に、ワークピース２０２と研磨スピンドル２０８とを反対に荷電することにより、ワークピース２０２の材料を柔らかくさせる。ワークピース材料を柔らかくすることで、研磨スピンドル２０８によりワークピース２０２から材料を除去可能とする。いくつかの実施形態では、柔らかくすることは、研磨スピンドルによりワークピース２０２から所要の深さまで、一回のパスでのみ除去するのが容易となり、柔らかくすることなく実行するよりも、より迅速にする。

機械２００は、更に、機械本体２３６とコントローラ２３８とを有する。いくつかの実施形態では、図２Ｂに示すように、機械本体２３６は、例えば１つまたは複数のサポート構造２４０と、チャック２０６と研磨スピンドル２０８とＥＣＧ部材２１２のうちの１つまたは複数に連結され、種々の部材を互いに位置決めし、ワークピース２０２等の内歯車または外歯車を研磨するロボットアーム２４２とを有する。コントローラ２３８は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）部材として設けても良い。コントローラ２３８がＣＮＣ部材として設けられる場合、機械本体２３６は４つの軸（例えば、図２Ｂに示すように、回転軸Ｂ、及び、空間軸Ｘ，Ｙ，Ｚ)を画定するように形成され、多軸同期運動を実行することができる。軸は、ワークピース２０２の割り出しを行う回転軸Ｂと、ワークピース２０２（すなわち、カッター通路）の第１中央長手方向軸２０４に平行に延びる垂直軸Ｙと、研磨スピンドル２０８のホイール２１４とワークピース２０２との間で中央に配置するための水平軸Ｘと、研磨スピンドル２０８の切削深さを制御するための前後方向軸Ｚとを有する。いくつかの実施形態にしたがって、ＥＣＧ部材２１２は、機械本体２３６とコントローラ２３８とに一体としても良い。代替的に、ＥＣＧ部材２１２は、機械本体２３６及び／またはコントローラ２３８とは別に形成及び構成しても良い。

特別なＥＣＧ機械について示しかつ説明したが、当業者であれば、ここに記載のプロセス及び方法は、他の機械及び／または構成、または、その変形例で実行しても良いことが認められる。

図３に移ると、ギア歯に適用する研磨スピンドル及び先端（ツール３００）の例示的実施形態を示してある。ツール３００は、図２Ａ及び２Ｂに関して説明した機械２００と同様に構成しても良く、歯車３０２の歯のエッジ破壊部（edge break）を形成するために、電気化学的研磨を実行するように構成しても良い。

示すように、ツール３００は、スピンドルボディ３０４と先端３０６とを有する。先端３０６は、電気化学的に研磨または歯車３０２から材料を除去するように構成される。歯車３０２の製造または形成中、先端３０６が操作され、歯車３０２の材料を除去し、ギア歯３０８を形成する。歯車３０２は、端面３１０を有し、端面３１０で、歯３０８は、歯のエッジフランク３１４と歯のエッジ頂面３１６とを包含する歯のエッジを画定する歯面３１２を有する。

端面３１０に歯３０８、特に歯３０８のエッジ破壊を形成するためにツール３００の作動中、先端３０６は凸状エッジ破壊３１８を形成するために使用しても良い。すなわち、歯のエッジフランク３１４は、図示のように、凸状（例えば、湾曲、接線カット、先細、丸み付け及び／または平坦）の外形に形成しても良い。これは、図４Ａに示すように、従来技術の凸状エッジ破壊と対照的である。

操作中、凸状エッジ破壊３１８を達成するため、先端３０６が端面３１０に到達したときに、多軸運動を実行しても良い。多軸運動は、図２Ａ及び２Ｂの機械２００と同様な機械で可能とし、更に、例えば、図２Ｂに示すように回転軸Ｂ及び空間軸Ｘ，Ｙ，Ｚを採用しても良い。

図４Ａ〜４Ｃに移ると、従来技術のエッジ破壊と、本開示の例示的実施形態によるエッジ破壊との比較を示す。図４Ａは、ディスクグラインダでギア歯に形成したエッジ破壊の構成及び形状を示す。図４Ｂは、ここに開示した実施形態にしたがって形成したギア歯に形成したエッジ破壊の構成及び形状を示す。図４Ｃは、図４Ｂに示すエッジ破壊のより詳細な図を示す。

図４Ａに示すように、研磨ディスク４００は、歯車４０２の歯の端面を切削または研磨するために使用される。歯車４０２の歯の端面は、ギア歯の端面のある程度凹状の面取り４０４を形成される。

対照的に、図４Ｂ及び４Ｃに示すように、複合機械運動を有する研磨ポイント４１０は、歯車４１４の歯の端面に凸状エッジ４１２を形成することができる。凸状エッジ４１２は、湾曲、接線カット、先細、丸み付け及び／または平坦であっても良いが、全ての実施形態では、例えば図４Ａに示す従来の研磨形成エッジ破壊のように、内方ではなく、歯の表面から外方に延びる。

図５に移ると、本開示の例示的実施形態による凸状エッジ破壊を形成するプロセス５００を示してある。図示のように、上述のギア歯等のギア歯を機械加工する方法が提供される。更に、プロセス５００は、歯車の表面にスプラインのエッジ破壊または他のエッジ破壊を形成するために使用しても良い。

図５に示すように、方法は、最初に、ワークピース等の固体から、ＥＣＧ研磨機械などのＥＣＧ機械及び上述のプロセス（操作５０２）を使用して、ギア歯を研磨することを包含する。操作５０２でＥＣＧが実行されると、凸状エッジ破壊操作が実行され、歯車の歯の端部に凸状エッジ破壊部を形成する（操作５０４）。操作５０４の際、機械は、多軸動作または運動で作動し、凸状歯のエッジ破壊部を形成する。例えば、ＥＣＧ機械の先端は、歯の間隙の軸から接線方向外方に移動するように構成しても良い。これは、図４Ｂ及び４Ｃに示すような、丸み付けエッジ破壊を形成することがある。

操作５０２及び５０４が完全にまたは部分的に完了すると、この方法は、更に、ワークピースを硬化すること（操作５０６）、並びに、ＥＣＧ機械及び上述のプロセス（操作５０８）を使用してギア歯のオプションである仕上げ研磨することを包含する。もちろん、ＥＣＧ研磨方法５００は、ＥＣＧ研磨方法及び上述の機械に制限する必要はなく、任意の歯の形状、幾何学形状及び／または構成（例えば、インボリュート外形を有する研磨スピンドルの先端を反映する歯形状、例えば、スプライン）を形成するため、任意のＥＣＧ研磨方法、プロセス及び／または設計された機械により、置換え可能なことが理解される。

有利なことに、本開示の実施形態は、ギア歯フランクの接線である半径を有する外形（contour）に形成された凸状エッジ破壊部を設けたギア歯が提供される。凸状外形は、ギア歯上の応力集中を除去し、したがって、歯車寿命を延長することができる。

更に、ここに開示した実施形態によると、ここに記載の方法及びプロセスは、有益にも従来の歯車形成プロセスに使用される種々のステップを省略することが可能である。例えば、別個の歯のエッジ破壊研磨プロセスを省略しても良く、これは、ここに記載の実施形態にしたがう歯のエッジ破壊の形成は、歯を形成するために使用されるものと同じツールで実行しても良いためである。更に、粗いまたは未加工領域を仕上げる手動操作は、ここに開示した実施形態で省略しても良い。

更に、有益なことは、歯車形成は、電気化学的研磨プロセスを使用しても良いため、複雑な多軸運動を可能とするコンピュータ数値制御機械を使用しても良い。これらの運動は、したがって、ここに示しかつ説明するように、凸状の歯のエッジ破壊を形成することができる。

ここに開示した実施形態を、このような限られた数の実施形態との関係で詳細に説明してきたが、本開示はこのような開示した実施形態に制限されないことが容易に理解される。逆に、本開示の実施形態は、任意数の変化、修正、置換、組合わせ、部分的組合わせ、または、ここに記載されていないが開示の精神及び範囲に対応する等価な機構を包含するように、変更することができる。更に、本開示の種々の実施形態について説明してきたが、本開示の態様は、記載の実施形態のいくつかのみを包含しても良いことが理解される。

例えば、電気化学研磨の１つの特定の用途及び操作に関してここでは説明してきたが、他のＥＣＧプロセス及び操作を採用し、同じ結果を達成してもよく、したがって、本開示は上述の実施例で制限されるものではない。更に、歯車の限られた数のタイプで示しかつ説明してきたが、当業者であれば、この方法、プロセス及びここで使用されかつ形成される歯車は、任意のタイプの歯車であっても良いことが認められる。例えば、歯車は、制限するものではないが、はすば、やま歯、ヘリボーン、平歯車または他の任意のタイプの歯車を包含しても良い。更に、エッジ破壊を設けた他のタイプの歯車表面は、スプライン、空隙の内部のスプライン等を意図している。更に、ここに、例示的な機械を示し説明してきたが、当業者であれば、他のタイプの機械または構成も、ここに詳細に示すように歯車表面のエッジ破壊を形成するために意図しても良いことが認められる。したがって、ここに記載のプロセス及び方法は、上述のタイプの歯車および／または機械に制限されない。

したがって、本開示は、上述の説明で制限されると理解されるべきものではなく、添付の請求の範囲の範囲で制限されるだけである。

３００…ツール
３０２…歯車
３０４…スピンドルボディ
３０６…先端
３０８…ギア歯
３１０…端面
３１２…歯面
３１４…エッジフランク
３１６…エッジ頂面
３１８…凸状エッジ破壊部（convex edge break）

Claims (14)

1. 歯車の表面に複数のギア歯を形成することであって、歯のエッジフランク及び歯のエッジ頂面を含む歯のエッジを画定する歯面を有する、複数のギア歯を形成し、
   前記歯のエッジフランクと前記歯のエッジ頂面の少なくとも一方のエッジ破壊部に凸状外形を形成する、
   ことを備えた歯車の製造方法。
2. 更に、歯車を硬化することを備えた、請求項1に記載の方法。
3. 更に、歯車の表面を仕上げ処理することを備えた、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記凸状外形を形成することは、該凸状外形を形成するために、機械の多軸運動を備える、請求項1に記載の方法。
5. 前記凸状外形を形成することは、電気化学的研削機械を使用することを備える、請求項1に記載の方法。
6. 前記凸状外形は、湾曲輪郭、接線輪郭、先細輪郭、丸み付け輪郭、及び、平坦状輪郭の１つである、請求項１に記載の方法。
7. 前記凸状外形は、ギア歯フランクに接する放射状曲線である、請求項1に記載の方法。
8. 前記ギア歯は、スプラインである、請求項1に記載の方法。
9. 前記歯車の表面に複数のギア歯を形成し、かつ前記歯のエッジフランクと前記歯のエッジ頂面の少なくとも一方のエッジ破壊部に前記凸状外形を形成するように、同じ工作機械を用いる、請求項１に記載の方法。
10. 端面と、
    複数のギア歯であって、歯のエッジフランクと歯のエッジ頂面とを含んだ歯のエッジを画定する歯面を有する複数のギア歯と、
    を備え、
    前記歯のエッジフランクと前記歯のエッジ頂面のうち少なくとも一方が、凸状外形を有する歯のエッジ破壊部を有する、歯車。
11. 前記歯のエッジフランクと前記歯のエッジ頂面の両方が、凸状外形を有する、請求項１０に記載の歯車。
12. 前記凸状外形は、湾曲輪郭、接線輪郭、先細輪郭、丸み付け輪郭、及び、平坦状輪郭の1つである、請求項９または１０に記載の歯車。
13. 前記凸状外形は、ギア歯フランクに接する放射状曲線である、請求項１０に記載の歯車。
14. 前記歯車は、スプラインである、請求項１０に記載の歯車。

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