JP2017522194A - 焼入れされた歯車を仕上げ処理するための方法 - Google Patents

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Abstract

焼き入れされた歯車を仕上げ処理するための方法であって、当該方法は、カッティングエッジが形成された第1のカッティングツール(11、111)によって、第1のストック量(q1)を乾燥除去する第1の乾燥除去工程と、カッティングエッジが形成されていない第2のカッティングツール(12、112)によって、第2のストック量(q2)を乾燥除去する第2の乾燥除去工程とを有する。

Description

本願発明は、焼入れされた歯車を仕上げ処理するための方法に関し、特に、1.00から3.50mmの範囲のモジュールを有する歯車を乾燥仕上げするための方法に関する。
この種の歯車は、特に、動力伝達、低ノイズおよび効率に関連して、高いパフォーマンスを要求する自動車のトランスミッションに使用される。その効果は、焼入れされたグラウンド歯車(少なくとも54[HRC]の表面硬度を有する)によって達成される。実際、この種の歯車は、現在、最適な品質/価格比をもたらしている。
歯車のパフォーマンスは、主に、歯車フランクのジオメトリおよび表面構造によって決定される。歯の根の領域および歯の根とフランク(根の縁領域)との間の遷移領域は重要であるが、今日でも、ほとんどのトランスミッション歯車は、焼き入れ処理の後にこれらの領域において仕上げ処理されず、そのフランクの上のみが仕上げ処理されている。
上述した歯車は、歯を軟金(グリーン)から形成された円筒形状の被処理体にカッティングする工程(ひとつ以上の処理、特に、ホビング、または成形および研削処理によって実行される)、および、焼き入れ処理する工程によって製造することが知られている。
上述した操作を参照して、焼き入れ処理は歯車プロファイル、特に、リードおよびピッチに不可避的な変化をもたらす。それは、歯のマクロなジオメトリを変更する。したがって、歯車の歯のジオメトリおよび表面品質はそれが経験するプロセスのシーケンスに依存し、高いパフォーマンスでの使用を意図した焼入れ歯車は続く仕上げ処理操作、特に、可能な限りの表面品質および正確性を得るべく、研磨操作に不可避的に晒される。軟金のマシニング(グリーンマシニング)から、および、焼き入れ中の歪みによる、歯車ジオメトリのすべての不完全性の完全なレベリングのために、歯車のフランクに対して法線方向のトータルストックの除去は、最低でもq≧0.03×m[mm]が必要である。ここで、mは、歯車のモジュールである。
上述した焼入れされた歯車の研磨処理は、チップを生成しながら、大量の熱を発生させる。この熱のうち最小量のみがチップによって、そしてツールによって奪われる。したがって、高温の歯車が研磨処理中にダメージを受けることを避けるために、コンポーネントを冷却することを目的として潤滑オイルまたはエマルジョンが使用される。特に、歯車の温度が高くなりすぎる(バーン状態)と、焼入れ処理は崩壊し、歯車の表面はもはや要求された使用に適さなくなる。
しかし、潤滑オイルの使用は、以下のいくつかの欠点を伴う。例えば、
オイルをマシンに供給し、マシンからオイルを回収するための、オイルからチップを濾過するための、および、ある温度にオイルを冷却するための複雑かつ大きなシステムが必要であること、
マシンの周囲の領域をクリーンに保つための管理コスト、
グラウンド歯車からの残留オイルを浄化するための付加的なエクイップメント、
潤滑オイルを交換するためのメンテナンスコスト、
金属研削材と混合した使用済みオイルの廃棄コスト、
潤滑オイルと接触しかつ吸い込むことから、オペレータを守りかつ健康管理するコストが挙げられる。
潤滑オイルの使用を避けるために、焼入れされた歯車の乾燥ホビング処理が知られている。しかし、この処理によって得られる表面品質は、自動車のトランスミッション応用に対して十分ではない。また、乾燥研磨処理は、極端に長い製造時間を要することが知られている(例えば、このプロセスは、“Innovative Zahnradfertigung”, ed. Expert Verlag, 1986, ISBN-13: 978-3-8169-1871-4に記載されている)。このプロセスは、非常に短いマシニング時間での自動車のトランスミッション歯車の製造には適していない。
本願発明の目的は、乾燥仕上げ処理(すなわち、潤滑オイルなしで)によって高い表面仕上げを有する焼入れされた歯車を競争力のある時間(数秒間)で実現することである。特に、本願発明の目的は、潤滑オイルを使用せず、競争力のある時間で、焼入れされた歯車を研磨するための方法を与えることである。
本願発明の目的は、請求項1および従属項に従う、焼入れされた歯車をマシニングするための方法によって達成される。
本願発明は、非制限的な実施形態を例示的に示す図面を参照して以下で詳細に説明される。
図1は、第1のマシニング工程中の焼入れされた歯車の平面図を示す。 図2は、第2のマシニング工程中の焼入れされた歯車を示す、図1と類似の図である。 図3は、本願発明の方法に従う代替的実施形態を示す、図1と類似の図である。 図4は、マシニング前の焼入れされた歯車の歯の略示図である。 図5は、図1の領域Iaの拡大図である。 図6は、図2の領域IIaの拡大図である。 図7は、ディスク形状のツールによる、第1マシニング工程中の焼入れされた歯車の略示図である。 図8は、ディスク形状のツールによる、第2マシニング工程中の焼入れされた歯車の略示図である。 図9は、図7の領域Ibの拡大図である。 図10は、図8の領域IIbの拡大図である。
図1および2において、符号1は、歯車を仕上げ処理するためのマシンツールを全体として示し、それば、支持面P1上に周知の略示された方法で載置された被処理体支持テーブル2と、被処理体支持テーブル2の上に(周知の略示された方法で)載置された回転軸線Cを有する被処理体支持スピンドル3、および、カッティングユニット4を有する。軸線Cは面P1に対して実質的に垂直である。
カッティングユニット4は、ガイド6、ガイド6の内側に摺動可能に載置された(周知かつ略示した方法で)案内路8を有するスライド7、および、ガイド6に沿ってスライド7の位置を読み取ることができる(周知かつ略示したタイプの)動作装置14を有する。図示されるように、スライド7は、被処理体支持スピンドル3の軸線Cに平行でかつ支持面P1に実質的に垂直な面P2上に摺動可能に載置されている。スライド7は、面P2に対して実質的に垂直な2つの支持エレメント15、16を有する。
カッティングユニット4は、軸線Bを有するシャフト9を有し、シャフトの端部が支持エレメント15、16上に(周知かつ略示した方法で)設置されている。シャフト9は、軸線Bの周りに回転可能である。
カッティングユニット4は、軸線Bの周りにシャフト9を回転させることができる(周知かつ略示したタイプの)モータ10を有する。好適には、軸線Bは面P2に対して平行である。
カッティングユニット4は、カッティングエッジが形成されたカッティングツール11と、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12を有し、それらは両方ともシャフト9の上に取り付けられ、かつ、軸線Bに沿って互いに離隔されている。
カッティングエッジが形成されたカッティングツール11は、周知のタイプのものであり、周知のカッティング角度、上方クリアランス角度および下方すくい角度を有する予め設定されたプロファイルを有する複数のカッティングエレメントを有する。この種のツールは、ほとんどのプロセス熱を除去することが可能なほど大きくかつ非均一に分布したストックおよびチップを除去するのに特に適している。したがって、これらのツールは、乾燥カッティング動作に好適である。
カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12は、周知のタイプのものであり、かつ、未形成形状および分布(概して負のすくい角度を有する)を有する複数のカッティングエレメントを有する。この種のツールは、マシン加工した製品の表面仕上げ用の研磨処理を実行する。カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12によってチップを取ることは、プラスチック変形および、カッティングツール12とマシン加工されるべき歯車Iとの間の摩擦に基づいており、したがって、除去されるストックの量に依存して大量の熱を生成する。
両方のカッティングツール、すなわち、カッティングエッジが形成されたカッティングツール11および、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12は、円筒形状のウォームであるか、円盤形状であってよい。
また、マシン1は、被処理体支持スピンドル3、スライド7の動作装置14、およびモータ10に(周知かつ略示した方法で)接続された制御ユニット13を有する。カッティングエッジが形成されたカッティングツール11が、続いて、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12が、被処理体支持スピンドル3に取り付けられた歯車Iと使用中に同期しかつ歯合するように、制御ユニット13は、面P2上でのスライド7の平行移動、シャフト9の回転、および、被処理体支持スピンドル3の回転を調節する(以下で詳細に説明する)。
図1および2において、11aは、カッティングエッジが形成されたカッティングツールを示し、12aは、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール(円筒形ウォームツールである)を示す。例えば、カッティングツール11aは、ホブであり、カッティングツール12aは、螺刻された研磨ホイールである。
図5および6に示すように、円筒型ウォームツール11aおよび12aは、直線プロファイルを有する。したがって、歯車インボリュートは、カッティングツール11aおよび12aの各々の回転に同期するマシン加工すべき歯車Iの連続的な回転運動である付加的なシネマチックによって生成される。ディスク型のカッティングツール11bおよび12bを有するマシニングに関して非生産性指数が存在しないため、カッティングツール11aおよび12aは有利に生産性を増加させ、それゆえ、大量生産における回転動作の付加的な複雑さが正当化される。特に、円筒ウォームツール11aおよび12aは、1.00と3.50mmの間のモジュール範囲mを有する小さい歯車の大量生産に有利である。
図7において、11bは、カッティングエッジが形成されたディスク形状のカッティングツールを示す。図8において、12bは、カッティングエッジが形成されていないディスク形状のカッティングツールを示す。
例えば、カッティングツール11bは、フライス盤であり、カッティングツール12bは研磨ディスクである。
図9および10からわかるように、ディスク型のカッティングツール11bおよび12bは、マシン加工されるべき歯車Iの歯のスペースの正確なプロファイルを有し、ひとつひとつの歯で動作する。
付加的なシネマチックが存在しないため(すなわち、マシニングすべき歯車Iの連続的な回転転がり動作が各ツール11aおよび12aの回転と同期しているため)、ディスク型のツール11bおよび12bは、より単純なシネマチックを要求するが、歯から歯へのカッティングツール11bおよび12bの付加的な非生産性時間指標を必要とする。したがって、ディスク型のカッティングツール11bおよび12bは、大きなマシンおよび大きな歯車の製造に特化するのが有利である。図3は、図1に示すマシンの代替例101を第1の動作構成で示す。マシン1と同じコンポーネントには百の単位を除き同じ符号を付している。
図3に示す実施形態に従い、カッティングユニット104は、ベース105の上に(周知かつ略示された方法で)摺動可能に載置された2つのスライド107aおよび107bを有する。各スライド107a(107b)は、ベース105のガイド106の内側に摺動可能に載置された案内路108a(108b)、および、ガイド106に沿ってスライド107a(107b)の位置を読み取ることができる動作装置114a(114b)を有する。スライド107aおよび107bは互いに独立に、ガイド106に沿って駆動される。
カッティングユニット104は、支持エレメント115aおよび116aに(周知かつ略示された方法で)端部が載置された、回転軸線Bを有するシャフト109aを有する。シャフト109aは軸線Bの周りに回転可能である。カッティングユニット104は、軸線Bの周りでシャフト109aを回転させることができる(周知かつ略示されたタイプの)モータ110aを有する。好適には、軸線Bは面P2に平行である。カッティングユニット104は、シャフト109aの周りに取り付けられたカッティングエッジが形成されたカッティングツール111を有する。
カッティングユニット104は、支持エレメント115bおよび116bに(周知かつ略示した方法で)端部が載置された、回転軸線Bを有するシャフト109bを有する。シャフト109bは、軸線Bの周りに回転可能である。カッティングユニット104は、軸線Bの周りでシャフト109bを回転させることができる(周知かつ略示したタイプの)モータ110bを有する。好適には、軸線Bは、面P2に平行である。カッティングユニット104は、シャフト109bの周りに取り付けられたカッティングエッジが形成されていないカッティングツール112を有する。
使用中、焼入れされた歯車Iは、被処理体支持スピンドル3(103)上に取り付けられる。好適には、歯車Iは54[HRC]より高い表面硬度および1.00と3.50mmの間のモジュールmを有する。
また、歯車Iは、歯車フランクfに対して法線方向に、除去すべきトータルストックq(図4に示すように)を有する。トータルストックqは、軟金のマシニング“グリーンマシニング”から、および、焼き入れ中の歪みのために、歯車ジオメトリのすべての不完全性の完全なレベリングに対して、0.03×m[mm](q≧0.03×m[mm])以上である。
方法は、カッティングエッジが形成されたカッティングツール11(111)によって歯車Iの初期ストックq(図5または9に示す)を最初に乾燥除去する工程(潤滑オイルなしで)と、続いて、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12(112)によって歯車Iの残りのストックq(図6または10に示す)を乾燥除去する工程を有する。
最初の除去工程に続き、歯車フランクfの幾何学的不完全性(マクロ的なジオメトリ)を修正し、かつ、トータルストックqのほとんどを除去する。最初の除去工程の間に、歯車Iは、カッティングエッジが形成されたカッティングツール11(111)と歯合する。カッティングエッジが形成されたカッティングツール11(111)の使用により、不均一に分布したストックのかなりの量が除去できる。最初はトータルストックの分布がわからないため、カッティングエッジが形成されたカッティングツール11(111)の使用は、最初の除去工程で有利である。また、カッティングエッジが形成されたカッティングツール11(111)により、焼き入れされた歯車Iのエッジから突起した焼き入れバリを簡単に除去することができる。
続く除去工程は、マイクロジオメトリの表面不完全性を修正する。続く除去工程中、歯車Iは、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12(112)と歯合する。カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12(112)による処理中の熱ダメージのリスクは、残存ストックq2の量に大きく依存する。
経済的製造のために、除去される金属の総量(体積V)およびこの除去工程にかかる時間(tc)は重要である。
カッティングおよび研磨処理の能力は、特定の体積Vおよび特定の除去速度Qwによって典型的に記述される。
除去される材料の特定の体積Vwi[mm/mm]は、(数1)の関係によって定義される。
Figure 2017522194
ここで、
iは、最初の除去工程では1であり、続く除去工程では2であり(図4参照)、
は、除去すべきストックであり[mm]、
zは、歯車の歯の数であり、
bは、歯車のフランクfの面幅であり[mm]、
βは、歯車のらせん角度[deg]である。
パラメータz、bおよびβは、加工される歯車Iのジオメトリによって定義される。
特定の体積Vwiを除去するためのカッティング時間tci[s]は、(数2)の関係によって定義される。
Figure 2017522194
ここで、
Δzは、過移動に関する処理であり、それはツールジオメトリ、特に、ツールの直径およびスタートの数の関数であり、[mm]、
ziは、技術およびツールジオメトリ、特に、ツールの直径およびスタートの数の関数である送り速度である。
上述したように、tc1およびtc2は、処理データ、特に、カッティング速度、送り速度、ツールの直径およびスタートの数(円筒ウォームツールに関する)によって調節可能である。
特定の体積Vwiおよびカッティング時間tciは、(数3)または(数4)の関係に従い、処理工程の生産性を定義する特定の除去速度Qwi[mm/(mm×s)]と組み合わせることができる。
Figure 2017522194
つまり、
Figure 2017522194
最初の乾燥除去工程および続く乾燥除去工程の特定の除去速度Qによって定義される全体の生産性は、(数5)または(数6)によって示される。
Figure 2017522194
つまり、
Figure 2017522194
潤滑オイルを使用する現行の歯車焼き入れに対抗するために、少なくともQ≧2.5[mm/(mm×s)]の特定の除去速度が達成されなければならない。
上述したように、組み合わされた特定の除去速度Q(生産性)は、最初の乾燥除去工程に対してq/tc1および続く乾燥除去工程に対してq/tc2の最適化された組みあわせによってのみ達成可能である。
特に、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール(例えば砥石)による続く乾燥除去工程の間に、グラウンド面の熱ダメージのリスクは残存ストックqの量に大きく依存する。したがって、残存ストックqの量をできるだけ少なくすることが有利である。
有利には、最初の乾燥除去工程の後、残存ストックqは、0.01×m[mm]以下(すなわち、q≦0.01×m[mm])で、かつ、最初の除去工程の初期ストックqは0.02×mより大きい(すなわち、q>0.02×m[mm])。
例えば、上述した利点を得るために、カッティングツール11は、円筒ウォームツール11a(111)であり、最初の乾燥除去工程中にカッティングエッジが形成されたカッティングツール11a(111)の処理データは、70[m/min]以上のカッティング速度を有する。特に、カッティング速度Vc1は、250[m/min]以下である(すなわち、70≦Vc1≦250[m/min])。有利には、カッティングエッジが形成されたカッティングツール11a(111)は、50[mm]以上でかつ100[mm]以下のツール直径d01を有する(すなわち、50≦d01≦100[mm])。有利には、カッティングエッジが形成されたカッティングツール11a(111)は、1以上かつ5以下の数のスタートを有する(すなわち、1≦ns1≦5)。
例えば、上述した利点を得るために、カッティングツール12は円筒ウォーム12a(112)であり、続く乾燥除去工程中にカッティングエッジが形成されたカッティングツール12a(112)のプロセスデータは、30[m/s]以上のカッティング速度を有し、特にカッティング速度は、100[m/s]以下である(すなわち、30≦Vc2≦100[m/s])。有利には、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12a(112)は、100[mm]以上かつ320[mm]以下のツール直径d02を有する(すなわち、100≦d02≦320[mm])。有利には、カッティングエッジが形成されてないカッティングツール12a(112)は、1以上かつ7以下の数のスタートを有する(すなわち、1≦ns2≦7)。
上述した方法に従い、カッティングエッジが形成されたカッティングツール11(111)によって除去される最初のストックqは、除去すべきトータルストックqの大部分の割合を占める。カッティングエッジが形成されたカッティングツール11(111)によるカッティングにより、幾何学的不完全性の修正およびほとんどのストックqの迅速な除去が可能となる。
したがって、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12(112)による続く除去工程は、極端に少ない残存ストックqを有する歯車Iに対して為される。その結果、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12(112)による乾燥処理での熱は十分に低くなり、よって、焼き入れは崩壊せず、歯車面は要求される使用に適したものとなる。
したがって、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12(112)のカッティング時間は、カッティングエッジが形成されたカッティングツール11(111)によるカッティング時間より長くなるが、競争可能な時間(数秒)で、歯車Iの全体のマシニング処理を完了させるのに十分である。
残存ストックqは非常に少ないため(q≦0.01×m[mm])、ツール(112)と完全に噛み合うように、歯車Iの回転位置を決定するべく、マシンツール内で現在使用されているコントロールセンサは、このプロセスを十分に正確に調節するだけのストックqの残存量を検出することができない。すなわち、周知のコントロールシステムのエラーのマージンが除去すべき残存ストックqより大きいため、カッティングエッジが形成されていないカッティングツール12(112)の正しい調節/歯合が不可能となり、上述した工程は、2つの別々のマシン上では実行されない。
最初の除去工程(qを除去するためのホビング)および続く除去工程(qを除去するための研磨)は、トータルストックqおよび、制御ユニット13(113)によって検出されたプロセスパラメータに従って調節されるため、同一のマシン1(101)上において、最初の除去工程用のカッティングエッジが形成されたカッティングツール11(111)および続く除去工程用のカッティングエッジが形成されていないカッティングツール12(112)を用意することで、研磨処理を調節するコントロールセンサの正確性に関する問題を克服することができる。
また、同一のマシン1(101)上で両方のマシニング工程を計画することにより、被処理体支持スピンドル3(103)上へ歯車Iをロード/アンロードすることに関連する準備時間を減少させることができる。
上述した方法の工程は、乾燥式(潤滑オイルを使用しない)のため、マシン1(101)は、潤滑オイルを使用することにより生じるすべての経済的および環境的な欠点から完全に解放される。
"Innovative Zahnradfertigung", ed. Expert Verlag, 1986, ISBN-13: 978-3-8169-1871-4

Claims (14)

  1. (数7)に示す量のストックを有する焼き入れされた歯車を仕上げ処理するための方法であって、
    Figure 2017522194
    ここで、
    qは、歯車フランク(f)に対して法線方向の除去すべきトータルストック[mm]、
    mは、歯車モジュール[mm]であり、
    当該方法は、
    カッティングエッジが形成された第1のカッティングツール(11、111)によって、第1のストック量(q)を乾燥除去する第1の乾燥除去工程と、
    カッティングエッジが形成されていない第2のカッティングツール(12、112)によって、第2のストック量(q)を乾燥除去する第2の乾燥除去工程と
    を備える方法。
  2. 前記第1の工程および前記第2の工程は、同一のマシン(1、101)上で実行される、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1のストック量(q)、前記第1の乾燥除去工程中の前記第1のカッティングツール(11、111)用のプロセスデータ、および、前記第2の乾燥除去工程中の前記第2のカッティングツール(12、112)用のプロセスデータは、少なくとも2.5[mm/(mm×s)]の組み合わされた特定の除去速度(Q)を得るべく調節される、ことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記焼き入れされた歯車(I)は、少なくとも54[HRC]の表面硬度を有する、ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記モジュールmの値は、1.00≦m≦3.50[mm]である、ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記第1の乾燥除去工程の後、前記第2のストック量(q)は、0.01×m[mm]以下であり、ここで、mは、歯車(I)のモジュールの値であり、特に、前記第1のストック量(q)は、0.02×m[mm]以上である、ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記第1の工程および前記第2の工程は、同一の歯車(I)に対して、直接連続して実行される、ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 仕上げ処理されるべき前記歯車(I)は、前記第1の工程および前記第2の工程の間に、同じ被処理体支持スピンドル(3、103)上にクランプされ、前記歯車(I)は、前記第1の工程および前記第2の工程の間に単一のワークステーション上に固定される、ことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記第1のツール(11、111)および前記第2のツール(12,112)は同一のシャフト(9)上に設置されている、ことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記第1のツール(111)は、第1のシャフト(109a)上に設置され、前記第2のツール(112)は第2のシャフト(109b)上に設置され、前記第1のツール(111)および前記第2のツール(112)は独立に動作する、ことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記第1のカッティングツール(11,111)および前記第2のカッティングツール(12,112)は、ディスク型のツールであり、特に、前記カッティングエッジが形成された第1のカッティングツール(11、111)はフライス盤(11b)であり、前記カッティングエッジが形成されていない第2のカッティングツールは研磨ディスク(12b)である、ことを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記第1のカッティングツール(11、111)および前記第2のカッティングツール(12、112)は円筒ウォームツールであり、特に、前記カッティングエッジが形成された第1のカッティングツールはホブ(11a)であり、前記カッティングエッジが形成されていない第2のカッティングツールは螺刻された研磨ホイール(12a)である、ことを特徴とする請求項に記載の請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記カッティングエッジが形成された第1のカッティングツール(11a、111)のプロセスデータは、70[m/min]以上のカッティング速度を有する、ことを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記第2の乾燥除去工程の間に、前記カッティングエッジが形成されていない第2のカッティングツール(12a、112)のプロセスデータは、30[m/s]以上のカッティング速度を有する、ことを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
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