JP2021037597A - スカイビングカッタ - Google Patents

Abstract

【課題】仕上げ工程にも利用可能な超硬のスカイビングカッタを安価に提供し、様々な諸元の刃部を装着することで多様な加工物に対応可能なスカイビングカッタを提供し、及び脱着を繰り返した場合でも、前回加工（取付）時の歯の位相を常に維持することが可能なスカイビングカッタを提供する。【解決手段】超硬合金製の刃部２と超硬合金よりも熱膨張率の大きい鋼製カッタ本体３から構成されているスカイビングカッタ１であって、刃部２は複数の切れ刃４、円筒状の突起部５及び止まり部６を有し、カッタ本体３は円筒状の凹部７と保持部８を有している。刃部２とカッタ本体３は焼嵌めによって着脱可能に接合でき、両者の結合に際しては、カッタ本体３を温めて突起部５を凹部７に挿入し、両者の位置関係を調整した後、カッタ本体３を冷却する。【選択図】図２

Description

本発明は、歯車を加工する歯切工具であるスカイビングカッタに関するものである。

近年高精度・高能率な歯車加工実現のため、非特許文献１（小島昌一「内歯平歯車スカイビングに関する研究（第３報，カッタ歯形の設計）」日本機械学會論文集40巻339号）に示されるように歯車形状の工具を用いたスカイビング加工が実用化されている。
スカイビング加工は、被削物とスカイビングカッタの中心軸を所定の角度分交差させた食い違い軸に配置し、一方をワークの軸方向に送ることで、被削物とスカイビングカッタの間に生じるすべり運動を利用して加工するものである。
そして、スカイビング加工には、回転運動で連続加工ができ加工効率が高く生産性が良いこと、内歯・外歯双方の歯車が加工可能であること、ギヤシェーバやブローチなどの従来工法では難しかった歯面修正ができること、必ずしも専用の歯切り盤を必要とせず複合加工機でも加工が行えることなど数多くの特徴がある。

また、特許文献１（特開２０１６−１０８４７号公報）には、スカイビング加工部(3)を貫通する取付孔(3b)に、軸体(2)のカッタ取付部(2a)を挿入して嵌合させ、取付ナット(5) をカッタ取付部(2a)の先端部に形成されている雄ネジ部にねじ込んで固定する点が記載され（特に、段落００２７、００３６〜００３８及び図１を参照）、特許文献２（特開２０１８−１３４６９０号公報）には、スカイビング加工用のカッター(11)が加工ヘッド(B1)に対して係合部(11b)等を用いて位置ずれしない状態に固定される点が記載されている（特に、段落００３０、００３１及び図１、２を参照）。

小島昌一「内歯平歯車スカイビングに関する研究（第３報，カッタ歯形の設計）」日本機械学會論文集40巻339号,p3225-3231,1974-11-25

特開２０１６−１０８４７号公報 特開２０１８−１３４６９０号公報

しかしながら、スカイビング加工は従来工法と異なり、切削中の有効すくい角が負角となることに加え、工具歯先での切削量が多く負荷が集中するために、工具寿命が短くなるという問題がある。
そのため、工具母材を一般的な高速度工具鋼から超硬合金に変更するなどし、長寿命化の取組が行われているものの、超硬ソリッド式カッタは工具コストが格段に高くなる。
また、特許文献１、２に記載されているような、スカイビング加工用の刃部のみを着脱自在としたスローアウェイ式カッタは、カッタ本体に対する組付け精度を上げることが難しく、粗切りにしか用いることができないなど、スカイビング加工における超硬工具の実用化には様々な問題が生じていた。

本発明は、仕上げ工程にも利用可能な超硬合金製のスカイビングカッタを安価に提供し、かつ、様々な諸元の刃部を装着することで多様な加工物に対応可能なスカイビングカッタを提供することを第１の課題とし、脱着を繰り返した場合でも、前回加工（取付）時の歯の位相を常に維持することを第２の課題としている。

請求項１に係る発明は、外周に複数の切れ刃を有する刃部と、シャンク形状をなすカッタ本体を備えるスカイビングカッタであって、
前記刃部は耐摩耗性に優れた超硬合金製、前記カッタ本体は前記超硬合金よりも熱膨張率の大きい金属製であり、
前記刃部の裏面側には、前記刃部の中心軸に沿って伸びる突起部が設けられ、
前記カッタ本体の先端部には、前記突起部の全体を受け入れ可能な凹部が設けられ、
前記刃部と前記カッタ本体は、焼嵌めにより着脱可能に接合され、かつ、組付け後は前記刃部の裏面に前記カッタ本体の先端が接した状態で固定されることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のスカイビングカッタにおいて、
前記突起部の根元に、全周に亘って形成される溝からなる止まり部が設けてあることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のスカイビングカッタにおいて、
前記突起部の側面の少なくとも一部に、前記中心軸からの距離が前記突起部の根元側に向かって縮小する方向に傾斜しているテーパ面が全周に設けてあることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のスカイビングカッタにおいて、
前記突起部の後端面には、前記中心軸に沿う方向に延びる凸部又は挿入部が設けられ、
前記凹部の奥には、前記凸部に対応する凸部挿入孔又は前記挿入部に対応する突出部が設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、刃部は耐摩耗性に優れた超硬合金製、カッタ本体は超硬合金よりも熱膨張率の大きい金属製であり、刃部の裏面側には、刃部の中心軸に沿って伸びる突起部が設けられ、カッタ本体の先端部には、突起部の全体を受け入れ可能な凹部が設けられ、刃部とカッタ本体は、焼嵌めにより着脱可能に接合され、かつ、組付け後は刃部の裏面にカッタ本体の先端が接した状態で固定される。
そのため、従来のボルト等を用いてカッタ本体に刃部を組付けるタイプのスカイビングカッタと異なり組付け毎のばらつきが生じにくいので、仕上げ工程にも利用可能な超硬合金製のスカイビングカッタを提供することができる。
また、高価な超硬合金を必要最低限の使用に留めることができるため、従来の超硬ソリッド式カッタと比較すると工具コストを大きく低減させることが可能であり、工具寿命を超硬ソリッド式カッタと同程度まで伸ばすことが可能となる。
そして、刃部を繰り返し着脱できることから、摩耗した刃部を外し、摩耗した部位を研削した後に再度表面処理を施して、新品同様に再生することができる。
さらに、様々な諸元の刃部を装着することで多様な加工物に対応可能であり、カッタ本体を共用部品化して使用することができるので、鋼材の使用低減にも寄与できる。

請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る発明による効果に加えて、突起部の根元に、全周に亘って形成される溝からなる止まり部が設けてあるので、カッタ本体に刃部を焼嵌めにより接合固定する際に、刃部とカッタ本体の位置関係をわずかに変化させることができ、目視又は画像処理によって両者の位置関係を調整する、刃部の裏面とカッタ本体の先端が接する箇所を研磨する等の方法によって、使用時における刃部とカッタ本体との位置調整を行うことができる。
そのため、刃部の裏面と突起部の中心軸とのなす角度及びカッタ本体の先端面と凹部の中心軸とのなす角度が厳密に９０度になっていなくても、カッタ本体に刃部を組付ける時点で位置調整が可能となるので、高精度の歯車加工に適応できるという大きなメリットがある。

請求項３に係る発明によれば、請求項１又は２に係る発明による効果に加えて、突起部の側面の少なくとも一部に、中心軸からの距離が突起部の根元側に向かって縮小する方向に傾斜しているテーパ面が全周に設けてあるので、使用時における刃部とカッタ本体との固定状態をより強固にすることができる。

請求項４に係る発明によれば、請求項１〜３のいずれかに係る発明による効果に加えて、突起部の後端面には、中心軸に沿う方向に延びる凸部又は挿入部が設けられ、凹部の奥には、凸部に対応する凸部挿入孔又は挿入部に対応する突出部が設けられているので、刃部とカッタ本体との位相（回転方向の組付け位置）を固定化することができ、脱着を繰り返した場合でも、前回加工（取付）時の歯の位相を常に維持することができる。

実施例１に係るスカイビングカッタ１の斜視図。 実施例１に係るスカイビングカッタ１の長手方向断面図。 実施例１に係る刃部２の長手方向断面図。 実施例１に係るカッタ本体３の長手方向断面図。 実施例２に係るスカイビングカッタの刃部１２の長手方向断面図。 実施例３に係るスカイビングカッタ２１の刃部２２の斜視図。 実施例３に係るスカイビングカッタ２１の長手方向断面図。

以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施例１に係るスカイビングカッタ１について、図１〜４を用いて説明する。
図１及び２に示すように、実施例１に係るスカイビングカッタ１は、刃部２とカッタ本体３から構成されている。
刃部２は、外周に複数の切れ刃４を有するとともに、裏面側には刃部２の中心軸に沿って伸びる円筒状の突起部５を有しており、突起部５の根元には、全周に亘って形成され、その深さ方向が突起部５の中心軸に対して直交する溝からなる止まり部６が設けてある。
また、カッタ本体３はシャンク形状をなしており、先端部には突起部５の全体を受け入れ可能な円筒状の凹部７が設けられ、後端部にはカッタ本体を機械側の加工ヘッド（図示せず）に取り付けるための保持部８が設けられている。
そして、凹部７及び保持部８は、カッタ本体３の中心軸線を基準として精密研削を行うことで形成されており、凹部７の底面は円錐状に削られ、さらに凹部７の底面付近の側面には細孔９が形成されている。

刃部２とカッタ本体３は、焼嵌めによって着脱可能に接合できるようになっている。
そのため、刃部２は耐摩耗性に優れた超硬合金製、カッタ本体３は超硬合金よりも熱膨張率の大きい時効硬化型の鋼（以下、単に「鋼」という。）製としてある。
また、突起部５は、常温（使用時の温度範囲）において凹部７に挿入できないよう、凹部７に対して数μｍ大きく仕上げる必要があり、凹部７及び保持部８と同様に、突起部５の中心軸線を基準として精密研削が行われる。
そして、刃部２とカッタ本体３の結合に際しては、カッタ本体３の先端部側を温め（通常は３００℃程度）、凹部７の内径を膨張させた後、突起部５を凹部７に挿入し、刃部２の裏面にカッタ本体３の先端が接する状態になるまで押し込む。
ここで、突起部５の根元には止まり部６が設けてあることにより、突起部５を凹部７に押し込んだ後においても、刃部２とカッタ本体３の位置関係をわずかに変化させることができるので、目視又は画像処理によって両者の位置関係を調整する（場合によっては、刃部の裏面とカッタ本体の先端が接する箇所を研磨しても良い）。
その後、カッタ本体３を冷却すると、刃部２がカッタ本体３に対して位置関係が調整された状態で固定されることとなる。
なお、凹部７に形成されている細孔９は、突起部５を凹部７に押し込む際に、凹部７内部の空気が抜けるようにするためのものである。

刃部２をカッタ本体３に固定して完成したスカイビングカッタ１は、保持部８により機械側の加工ヘッドに取り付けられ、被削物に対するスカイビング加工に使用される。
そして、スカイビングカッタ１を使用した後、刃部２を保守又は交換する場合には、刃部２に用いた超硬合金と、カッタ本体３に用いた鋼の膨張率の違いを利用し、刃部２とカッタ本体３を結合する時と同様にカッタ本体３の先端部側を温めると、凹部７の内径が突起部５の径より大きくなり、カッタ本体３から刃部２を離脱させることができる。
離脱させた刃部２については、摩耗した部位を研削した後に再度表面処理を施して再生することができ、新たな刃部に交換しても良い。
また、刃部２とは異なる諸元の刃部をカッタ本体３に装着することにより、多様な加工物に対応することも可能である。

実施例２に係るスカイビングカッタの刃部１２の長手方向断面図を図５に示す。
実施例２は、実施例１の突起部５を除く構成（刃部２の複数の切れ刃４、止まり部６及びカッタ本体３の凹部７、保持部８、細孔９）については、実施例１とほぼ同様である。
そのため、実施例２の構成に関しては、刃部１２の突起部１５のみについて説明することとし、刃部１２の複数の切れ刃１４、止まり部１６及びカッタ本体の凹部、保持部、細孔についての説明は省略する。

図５に示すように、実施例２に係る刃部１２の突起部１５は、刃部１２の裏面側に、その中心軸に沿って伸びている点では実施例１と共通しているが、その形状は完全な円筒状ではなく、中心軸からの距離が突起部１５の根元側に向かって縮小する方向に傾斜しているテーパ面２０が全周に設けられている点で実施例１とは異なっている。
なお、テーパ面２０の傾斜角度は非常に小さく、例えば、０．０１〜０．０３度程度で良い。

実施例２の突起部１５は、上記のように構成されているので、突起部１５をカッタ本体の凹部に押し込み、カッタ本体を冷却して刃部１２をカッタ本体に対して固定された後は、その固定状態をより強固にすることができる。

実施例３に係るスカイビングカッタ２１の刃部２２の斜視図を図６に、同スカイビングカッタ２１の長手方向断面図を図７に示す。
実施例３は、実施例１の突起部５と凹部７を除く構成（刃部２の複数の切れ刃４、止まり部６及びカッタ本体３の保持部８、細孔９）については、実施例１と同様である。
そのため、実施例３の構成に関しては、刃部２２の突起部２５及びカッタ本体２３の凹部２７について説明することとし、刃部２２の複数の切れ刃２４、止まり部２６及びカッタ本体２３の保持部２８、細孔２９についての説明は省略する。

図６に示すように、実施例３に係るスカイビングカッタ２１は、刃部２２とカッタ本体２３から構成されている。
そして、刃部２２の突起部２５は、刃部２２の裏面側に、その中心軸に沿って伸びている点では実施例１と共通しているが、その形状は完全な円筒状ではなく、突起部２５の後端面に中心軸に沿う方向に延びる凸部３０が設けられている点で実施例１とは異なっている。
また、カッタ本体２３の凹部２７は、カッタ本体２３の先端部に設けられ、突起部２５の全体を受け入れ可能な点では実施例１と共通しているが、凹部２７の奥に凸部３０に対応する凸部挿入孔３１が設けられている点で実施例１とは異なっている。
なお、凸部３０は図６に示すように、突起部２５より径が小さい円筒体の側面を切り取った形状であるため、刃部２２をカッタ本体２３に組付ける際には、両者の位相を合わせないと突起部２５を凹部２７に完全には押し込めないようになっている。

実施例３の突起部２５、凹部２７、凸部３０及び凸部挿入孔３１は、上記のように構成されているので、突起部２５を凹部２７に押し込み、凸部３０の平面部を凸部挿入孔３１の平面部に沿わせて挿入するだけで、刃部２２とカッタ本体２３との位相（回転方向の組付け位置）を固定化することができ、脱着を繰り返した場合でも、前回加工（取付）時の歯の位相を常に維持することができる。
また、図７に示すように、凸部３０の側面部と凸部挿入孔３１の側面部には微小な隙間が生じるようになっているので、刃部２２とカッタ本体２３との組付けに際して、両者の位置関係をスムーズに調整できる。

実施例１〜３の変形例を列記する。
（１）実施例１〜３においては、カッタ本体を時効硬化型の鋼製としていたが、これに限らず、刃部を構成する超硬合金よりも熱膨張率の大きい鋼材や合金等の金属製であれば良い。
（２）実施例１〜３においては、突起部の根元に止まり部を設けていたが、刃部の裏面と突起部の中心軸とのなす角度及びカッタ本体の先端面と凹部の中心軸とのなす角度を精度良く９０度にすることができれば、止まり部は設けなくても良い。
また、実施例２においては、カッタ本体の凹部の内径を膨張させた後、突起部１５を凹部に押し込んだ後において、突起部１５の根元側と凹部１７との間に微小な隙間が形成され、刃部１２とカッタ本体の位置関係をわずかに変化させることができるので、刃部の裏面と突起部の中心軸とのなす角度等を精度良く９０度としなくても良い。

（３）実施例１〜３においては、突起部及び凹部の基本的な形状を円筒状としていたが、突起部の基本的な形状を断面が多角形状又は楕円形状の柱状体としても良い。
そうした場合、凹部の基本的な形状は少なくとも先端側の断面が突起部の断面と同形状の柱状体とし、焼嵌めするに際して突起部の全体を受け入れ可能なものとすれば良い。
（４）実施例１〜３においては、止まり部は、深さ方向が突起部の中心軸に対して直交する溝からなっていたが、これに限らず、突起部の根元に空間が形成させる溝であれば、断面が三角形状、台形状、五角形状等の溝であっても良い。
（５）実施例１〜３においては、凹部に細孔が形成されていたが、凹部の内径を十分に膨張させ、突起部を凹部に挿入する際に、突起部と凹部との間に凹部内部の空気が抜ける隙間ができるようにすれば、凹部に細孔を形成する必要はない。

（６）実施例２においては、刃部１２の突起部１５の側面全体が、中心軸からの距離が突起部１５の根元側に向かって縮小する方向に傾斜しているテーパ面２０となっていたが、突起部１５の側面の一部に、同様のテーパ面が全周に設けられていても良い。
（７）実施例３においては、突起部２５の後端面に中心軸に沿う方向に延びる凸部３０が設けられ、凹部２７の奥に凸部３０に対応する凸部挿入孔３１が設けられていたが、凹部２７の奥に凸部３０と同様の形状の突出部を設け、突起部２５の後端面に中心軸に沿う方向に延び、突出部に対応する挿入部を設けても良い。
（８）実施例３及び上記変形例（７）においては、凸部３０及び突出部は、円筒体の側面を切り取った形状となっていたが、このような形状に限らず、断面が回転対称でない柱状体であっても良い。

１、２１ スカイビングカッタ ２、１２、２２ 刃部
３、２３ カッタ本体 ４、１４、２４ 切れ刃
５、１５、２５ 突起部 ６、１６、２６ 止まり部
７、２７ 凹部 ８、２８ 保持部 ９、２９ 細孔
２０ テーパ面 ３０ 凸部 ３１ 凸部挿入孔

請求項１に係る発明は、外周に複数の切れ刃を有する刃部と、シャンク形状をなすカッタ本体を備えるスカイビングカッタであって、
前記刃部は耐摩耗性に優れた超硬合金製、前記カッタ本体は前記超硬合金よりも熱膨張率の大きい金属製であり、
前記刃部の裏面側には、前記刃部の中心軸に沿って伸びる突起部が設けられ、
前記カッタ本体の先端部には、前記突起部の全体を受け入れ可能な凹部が設けられ、
前記刃部と前記カッタ本体は、焼嵌めにより着脱可能に接合され、かつ、組付け後は前記刃部の裏面に前記カッタ本体の先端が接した状態で固定され、
前記突起部の根元に、全周に亘って形成され、その深さ方向が前記突起部の中心軸に対して直交する溝からなる止まり部が設けてあることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のスカイビングカッタにおいて、
前記突起部の側面の少なくとも一部に、前記中心軸からの距離が前記突起部の根元側に向かって縮小する方向に傾斜しているテーパ面が全周に設けてあることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のスカイビングカッタにおいて、
前記突起部の後端面には、前記中心軸に沿う方向に延びる凸部又は挿入部が設けられ、
前記凹部の奥には、前記凸部に対応する凸部挿入孔又は前記挿入部に対応する突出部が設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、刃部は耐摩耗性に優れた超硬合金製、カッタ本体は超硬合金よりも熱膨張率の大きい金属製であり、刃部の裏面側には、刃部の中心軸に沿って伸びる突起部が設けられ、カッタ本体の先端部には、突起部の全体を受け入れ可能な凹部が設けられ、刃部とカッタ本体は、焼嵌めにより着脱可能に接合され、かつ、組付け後は刃部の裏面にカッタ本体の先端が接した状態で固定される。
そのため、従来のボルト等を用いてカッタ本体に刃部を組付けるタイプのスカイビングカッタと異なり組付け毎のばらつきが生じにくいので、仕上げ工程にも利用可能な超硬合金製のスカイビングカッタを提供することができる。
また、高価な超硬合金を必要最低限の使用に留めることができるため、従来の超硬ソリッド式カッタと比較すると工具コストを大きく低減させることが可能であり、工具寿命を超硬ソリッド式カッタと同程度まで伸ばすことが可能となる。
そして、刃部を繰り返し着脱できることから、摩耗した刃部を外し、摩耗した部位を研削した後に再度表面処理を施して、新品同様に再生することができる。
さらに、様々な諸元の刃部を装着することで多様な加工物に対応可能であり、カッタ本体を共用部品化して使用することができるので、鋼材の使用低減にも寄与できる。
その上、突起部の根元に、全周に亘って形成され、その深さ方向が前記突起部の中心軸に対して直交する溝からなる止まり部が設けてあるので、カッタ本体に刃部を焼嵌めにより接合固定する際に、刃部とカッタ本体の位置関係をわずかに変化させることができ、目視又は画像処理によって両者の位置関係を調整する、刃部の裏面とカッタ本体の先端が接する箇所を研磨する等の方法によって、使用時における刃部とカッタ本体との位置調整を行うことができる。
そのため、刃部の裏面と突起部の中心軸とのなす角度及びカッタ本体の先端面と凹部の中心軸とのなす角度が厳密に９０度になっていなくても、カッタ本体に刃部を組付ける時点で位置調整が可能となるので、高精度の歯車加工に適応できるという大きなメリットがある。

請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る発明による効果に加えて、突起部の側面の少なくとも一部に、中心軸からの距離が突起部の根元側に向かって縮小する方向に傾斜しているテーパ面が全周に設けてあるので、使用時における刃部とカッタ本体との固定状態をより強固にすることができる。

請求項３に係る発明によれば、請求項１又は２に係る発明による効果に加えて、突起部の後端面には、中心軸に沿う方向に延びる凸部又は挿入部が設けられ、凹部の奥には、凸部に対応する凸部挿入孔又は挿入部に対応する突出部が設けられているので、刃部とカッタ本体との位相（回転方向の組付け位置）を固定化することができ、脱着を繰り返した場合でも、前回加工（取付）時の歯の位相を常に維持することができる。

Claims (4)

1. 外周に複数の切れ刃を有する刃部と、シャンク形状をなすカッタ本体を備えるスカイビングカッタであって、
   前記刃部は耐摩耗性に優れた超硬合金製、前記カッタ本体は前記超硬合金よりも熱膨張率の大きい金属製であり、
   前記刃部の裏面側には、前記刃部の中心軸に沿って伸びる突起部が設けられ、
   前記カッタ本体の先端部には、前記突起部の全体を受け入れ可能な凹部が設けられ、
   前記刃部と前記カッタ本体は、焼嵌めにより着脱可能に接合され、かつ、組付け後は前記刃部の裏面に前記カッタ本体の先端が接した状態で固定される
   ことを特徴とするスカイビングカッタ。
2. 前記突起部の根元に、全周に亘って形成される溝からなる止まり部が設けてある
   ことを特徴とする請求項１記載のスカイビングカッタ。
3. 前記突起部の側面の少なくとも一部に、前記中心軸からの距離が前記突起部の根元側に向かって縮小する方向に傾斜しているテーパ面が全周に設けてある
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスカイビングカッタ。
4. 前記突起部の後端面には、前記中心軸に沿う方向に延びる凸部又は挿入部が設けられ、
   前記凹部の奥には、前記凸部に対応する凸部挿入孔又は前記挿入部に対応する突出部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスカイビングカッタ。