JP2022092395A - 歯車加工方法及び歯車加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速の切削速度による加工において、切削工具の刃先位置が変化する場合において歯面の加工誤差を低減できる歯車加工方法を提供する。【解決手段】歯車加工方法は、工作物Wの回転軸線Cwと切削工具Tの回転軸線Ctとを平行に配置した状態で同期回転させることにより各歯溝Waにおける歯面Wbの一方を加工する。切削工具Tの刃先径についての所定の基準径と実径との差である刃先径差ΔHに基づいて、加工時における工作物Wの回転軸線Cwと切削工具Tの回転軸線Ctとの軸間距離を決定し、刃先径差ΔHに基づいて、同期回転開始時における工作物Wの回転位相及び切削工具Tの回転位相についての初期位相を決定し、決定した初期位相に位置決めした状態で工作物W及び切削工具Tの同期回転を開始し、決定した軸間距離にて歯面Wbの加工を行う。【選択図】図2
Description
本発明は、歯車加工方法及び歯車加工装置に関するものである。
特許文献1には、工作物の回転軸線と切削工具の回転軸線とを平行に配置した状態で工作物と切削工具とを同期回転させることにより、切削工具の刃先軌跡をサイクロイド曲線とし、インボリュート曲線の歯面を切削加工することが記載されている。特許文献2には、スカイビングカッタによる歯車加工を行うことが記載されている。
特許文献1に記載の切削加工方法は、特許文献2に記載のスカイビング加工に比べて、高速な切削速度を得ることができる。ところで、当該切削加工方法は、上述したように、切削工具の刃先軌跡をサイクロイド曲線とし、インボリュート曲線の歯面を切削加工する。そのため、サイクロイド曲線のうちインボリュート曲線に近似した部分を用いて、歯面の切削加工を行う。サイクロイド曲線のうち歯面の切削加工を行う部分は、切削工具の刃先位置によって決定される。
ところで、切削加工を繰り返すことにより、切削工具の刃先は摩耗する。つまり、切削工具の刃先位置が、初期状態から変化する。そして、摩耗により切削工具の刃先位置が変化することによって、歯面の加工誤差が生じる。また、例えば、切削工具の刃先をチップ部材により構成される場合において、チップ部材の取付誤差等により、切削工具の刃先位置が変化する。この場合にも、摩耗と同様に、歯面の加工誤差が生じる。
本発明は、高速の切削速度による加工において、切削工具の刃先位置が変化する場合において歯面の加工誤差を低減できる歯車加工方法及び歯車加工装置を提供することを目的とする。
(1.歯車加工方法)
歯車加工方法は、予め歯形が形成された歯車形の工作物に対して、歯形の歯溝における歯面を加工する歯車加工方法であって、工作物の回転軸線と切削工具の回転軸線とを平行に配置した状態で工作物と切削工具とを同期回転させることにより工作物に対して切削工具の刃先を所定軌跡に沿って移動させ、各歯溝における歯面の一方を加工する加工方法を適用する。
歯車加工方法は、予め歯形が形成された歯車形の工作物に対して、歯形の歯溝における歯面を加工する歯車加工方法であって、工作物の回転軸線と切削工具の回転軸線とを平行に配置した状態で工作物と切削工具とを同期回転させることにより工作物に対して切削工具の刃先を所定軌跡に沿って移動させ、各歯溝における歯面の一方を加工する加工方法を適用する。
歯車加工方法は、切削工具の回転軸線から切削工具の刃先までの距離である刃先径についての所定の基準径と実径との差である刃先径差に基づいて、加工時における工作物の回転軸線と切削工具の回転軸線との軸間距離を決定する軸間距離決定工程と、刃先径差に基づいて、同期回転開始時における工作物の回転位相及び切削工具の回転位相についての初期位相を決定する初期位相決定工程と、初期位相決定工程にて決定した初期位相に位置決めした状態で工作物及び切削工具の同期回転を開始し、軸間距離決定工程にて決定した軸間距離にて歯面の加工を行う歯面加工工程とを備える。
当該歯車加工方法によれば、刃先径差に基づいて決定された初期位相にて同期回転を開始し、刃先径差に基づいて決定された軸間距離にて歯面の加工を行っている。従って、例えば摩耗やチップ部材の取付誤差等によって刃先径差が生じた場合であっても、歯面の加工誤差を低減することができる。
(2.歯車加工装置)
歯車加工装置は、予め歯形が形成された歯車形の工作物に対して、歯形の歯溝における歯面を加工する歯車加工装置であって、切削工具と、工作物と切削工具とを制御する制御装置とを備える。歯車加工装置は、工作物の回転軸線と切削工具の回転軸線とを平行に配置した状態で工作物と切削工具とを同期回転させることにより工作物に対して切削工具の刃先を所定軌跡に沿って移動させ、各歯溝における歯面の一方を加工する加工方法を適用する。
歯車加工装置は、予め歯形が形成された歯車形の工作物に対して、歯形の歯溝における歯面を加工する歯車加工装置であって、切削工具と、工作物と切削工具とを制御する制御装置とを備える。歯車加工装置は、工作物の回転軸線と切削工具の回転軸線とを平行に配置した状態で工作物と切削工具とを同期回転させることにより工作物に対して切削工具の刃先を所定軌跡に沿って移動させ、各歯溝における歯面の一方を加工する加工方法を適用する。
制御装置は、切削工具の回転軸線から切削工具の刃先までの距離である刃先径についての所定の基準径と実径との差である刃先径差に基づいて、加工時における工作物の回転軸線と切削工具の回転軸線との軸間距離を決定する軸間距離決定部と、刃先径差に基づいて、同期回転開始時における工作物の回転位相及び切削工具の回転位相についての初期位相を決定する初期位相決定部と、初期位相決定部にて決定した初期位相に位置決めした状態で工作物及び切削工具の同期回転を開始し、軸間距離決定部にて決定した軸間距離にて歯面の加工を行う歯面加工部とを備える。当該歯車加工装置によれば、上記歯車加工方法と同様の効果を奏する。
(1.工作物W)
切削加工前の工作物Wは、外周面又は内周面に歯形が形成された歯車形である。つまり、切削加工前の工作物Wは、予め歯形が形成されている。そして、歯形の歯溝における歯面が切削加工部位である。切削加工後の歯面は、インボリュート曲線に形成されている。つまり、予め形成された歯面を切削加工することにより、歯厚を薄くしつつ、インボリュート曲線の仕上げ形状を形成する。なお、切削加工前の歯面は、インボリュート曲線としても良いし、インボリュート曲線でない形状としても良い。
切削加工前の工作物Wは、外周面又は内周面に歯形が形成された歯車形である。つまり、切削加工前の工作物Wは、予め歯形が形成されている。そして、歯形の歯溝における歯面が切削加工部位である。切削加工後の歯面は、インボリュート曲線に形成されている。つまり、予め形成された歯面を切削加工することにより、歯厚を薄くしつつ、インボリュート曲線の仕上げ形状を形成する。なお、切削加工前の歯面は、インボリュート曲線としても良いし、インボリュート曲線でない形状としても良い。
また、工作物Wの歯形は、歯すじ方向が工作物Wの回転軸線に平行としても良いし、歯すじ方向が工作物Wの回転軸線に対して角度を有するようにしても良い。前者の工作物Wの歯面は、平歯車の歯面となり、後者の工作物Wの歯面は、はすば歯車の歯面となる。
(2.工作機械1の例)
工作物Wである歯車の歯面を切削加工する歯車加工装置である工作機械1は、切削工具Tと工作物Wとを相対的に移動させることにより、切削工具Tによって歯面の切削加工を行う装置である。さらに、対象の工作機械1は、切削工具Tと工作物Wとを相対的に移動させるための複数の構造体により構成される。対象の工作機械1は、例えば、マシニングセンタを例にあげる。
工作物Wである歯車の歯面を切削加工する歯車加工装置である工作機械1は、切削工具Tと工作物Wとを相対的に移動させることにより、切削工具Tによって歯面の切削加工を行う装置である。さらに、対象の工作機械1は、切削工具Tと工作物Wとを相対的に移動させるための複数の構造体により構成される。対象の工作機械1は、例えば、マシニングセンタを例にあげる。
工作機械1の例について、図1を参照して説明する。本例においては、工作機械1は、工具交換を可能なマシニングセンタを例にあげる。特に、工作機械1としてのマシニングセンタは、本例における歯面の切削加工の他に、ギヤスカイビング加工やホブ加工等によって、工作物Wに予め歯形を切削加工するようにしても良い。工作機械1としてのマシニングセンタは、横形マシニングセンタを基本構成とする。なお、工作機械1は、上記構成を例にあげるが、立形マシニングセンタ等、他の構成を適用することができる。
図1に示すように、工作機械1は、例えば、相互に直交する3つの直進軸(X軸,Y軸,Z軸)を駆動軸として有する。ここで、切削工具Tの回転軸線(工具主軸の回転軸線に等しい)の方向をZ軸方向と定義し、Z軸方向に直交する2軸をX軸方向及びY軸方向と定義する。図1においては、水平方向をX軸方向とし、鉛直方向をY軸方向とする。さらに、工作機械1は、さらに、切削工具Tと工作物Wとの相対姿勢を変更するための2つの回転軸(B軸及びCw軸)を駆動軸として有する。また、工作機械1は、切削工具Tを回転するための回転軸としてのCt軸を有する。
つまり、工作機械1は、自由曲面を加工可能な5軸加工機(工具主軸(Ct軸)を考慮すると6軸加工機となる)である。ここで、工作機械1は、B軸(基準状態においてY軸回りの回転軸)及びCw軸(基準状態においてZ軸回りの回転軸)を有する構成に代えて、A軸(基準状態においてX軸回りの回転軸)及びB軸を有する構成としてもよいし、A軸及びCw軸を有する構成としてもよい。
工作機械1において、切削工具Tと工作物Wとを相対的に移動させる構成は、適宜選択可能である。本例では、工作機械1は、切削工具TをY軸方向及びZ軸方向に直動可能とし、工作物WをX軸方向に直動可能とし、さらに工作物WをB軸回転及びCw軸回転可能とする。また、切削工具Tは、Ct軸回転可能である。
工作機械1は、ベッド10と、工作物保持装置20と、工具保持装置30とを備える。ベッド10は、略矩形状等の任意の形状に形成されており、設置面に設置される。工作物保持装置20は、工作物Wをベッド10に対して、X軸方向に直動可能とし、B軸回転及びCw軸回転可能とする。工作物保持装置20は、X軸移動テーブル21と、B軸回転テーブル22と、工作物主軸装置23とを主に備える。
X軸移動テーブル21は、ベッド10に対してX軸方向に移動可能に設けられる。具体的に、ベッド10には、X軸方向(図1前後方向)へ延びる一対のX軸ガイドレールが設けられ、X軸移動テーブル21は、図示しないリニアモータ又はボールねじ機構によって駆動されることにより、一対のX軸ガイドレールに案内されながらX軸方向へ往復移動する。
B軸回転テーブル22は、X軸移動テーブル21の上面に設置され、X軸移動テーブル21と一体的にX軸方向へ往復移動する。また、B軸回転テーブル22は、X軸移動テーブル21に対し、B軸回転可能に設けられる。B軸回転テーブル22には、図示しない回転モータが収納され、B軸回転テーブル22は、回転モータに駆動されることでB軸回転可能となる。
工作物主軸装置23は、B軸回転テーブル22に設置され、B軸回転テーブル22と一体的にB軸回転する。工作物主軸装置23は、工作物主軸基台23a、工作物主軸ハウジング23b、及び、工作物主軸23cを備える。工作物主軸基台23aは、B軸回転テーブル22の上面に固定されている。
工作物主軸ハウジング23bは、工作物主軸基台23aに固定され、B軸中心線に直交するCw軸中心線を中心とする円筒内周面を有する。工作物主軸23cは、工作物主軸ハウジング23bに回転可能に支持される。工作物主軸23cには、工作物Wが着脱可能に保持される。つまり、工作物主軸23cは、工作物Wを工作物主軸ハウジング23bにCw軸回りに回転可能に保持し、工作物Wと一体的に回転する。
工作物主軸ハウジング23bの内部には、工作物主軸23cを回転させる回転モータ(図示せず)と、工作物主軸23cの回転角度を検出するエンコーダ等の検出器(図示せず)が設けられる。このように、工作物保持装置20は、工作物Wを、ベッド10に対して、X軸方向へ移動可能とし、且つ、B軸回りに回転可能及びCw軸回りに回転可能とする。
工具保持装置30は、コラム31と、サドル32と、工具主軸装置33とを主に備える。コラム31は、ベッド10に対してZ軸方向に移動可能に設けられる。具体的に、ベッド10には、Z軸方向(図1左右方向)へ延びる一対のZ軸ガイドレールが設けられ、コラム31は、図示しないリニアモータ又はボールねじ機構によって駆動されることにより、一対のZ軸ガイドレールに案内されながらZ軸方向へ往復移動する。
サドル32は、コラム31における工作物W側の側面(図1の左側面)であって、Z軸方向に直交する平面に平行な側面に配置される。このコラム31の側面には、Y軸方向(図1の上下方向)へ延びる一対のY軸ガイドレールが設けられ、サドル32は、図示しないリニアモータ又はボールねじ機構に駆動されることで、Y軸方向へ往復移動する。
工具主軸装置33は、サドル32に設置されると共に、サドル32と一体的にY軸方向へ移動する。工具主軸装置33は、工具主軸ハウジング33aと、工具主軸33bとを備える。工具主軸ハウジング33aは、サドル32に固定され、Z軸に平行なCt軸中心線を中心とする円筒内周面を有する。工具主軸33bは、工具主軸ハウジング33aに回転可能に支持される。工具主軸33bには、切削工具Tが着脱可能に保持される。つまり、工具主軸33bは、切削工具Tを工具主軸ハウジング33aにCt軸回転可能に保持し、切削工具Tと一体的に回転する。
工具主軸ハウジング33aの内部には、工具主軸33bを回転させる工具回転モータ(図示せず)と、工具主軸33bの回転角度を検出するエンコーダ等の検出器(図示せず)とが設けられる。このように、工具保持装置30は、切削工具Tを、ベッド10に対して、Y軸方向及びZ軸方向に移動可能とし、且つ、Ct軸回転可能に保持する。
(3.切削工具Tの詳細構成)
(3-1.第一例の切削工具Tの詳細構成)
切削工具Tの構成について、図2及び図3を参照して説明する。第一例の切削工具Tは、歯すじ方向が工作物Wの回転軸線に平行な工作物Wの歯溝Waにおける歯面Wbを切削加工する回転工具である。工作物Wの回転軸線Cwと切削工具Tの回転軸線Ctとが平行に配置される。この状態で、切削工具Tは、工作物Wに対して同期回転させることにより、工作物Wである歯車の歯面Wbを切削加工する。
(3-1.第一例の切削工具Tの詳細構成)
切削工具Tの構成について、図2及び図3を参照して説明する。第一例の切削工具Tは、歯すじ方向が工作物Wの回転軸線に平行な工作物Wの歯溝Waにおける歯面Wbを切削加工する回転工具である。工作物Wの回転軸線Cwと切削工具Tの回転軸線Ctとが平行に配置される。この状態で、切削工具Tは、工作物Wに対して同期回転させることにより、工作物Wである歯車の歯面Wbを切削加工する。
切削工具Tは、工具本体Taと、工具刃Tbとを備える。工具本体Taは、例えば、円柱状に形成され、中心軸線が工具主軸33bのCt軸中心線に一致するように工具主軸33bに保持される。工具本体Taは、例えば、鋼材により形成される。
工具刃Tbは、工具本体Taの先端に設けられ、工具本体Taの径方向外方に突出するように設けられている。工具刃Tbは、例えば、超硬により形成されている。工具刃Tbは、板状に形成されている。つまり、工具刃Tbは、切削工具Tの軸直角断面において、切削工具Tの径方向に延在する板状に形成されている。特に本例においては、工具刃Tbは、板状の面法線方向から見た場合に、台形に形成されている。ただし、工具刃Tbの当該形状は、台形に限られず、長方形に形成されるようにしても良い。
第一例の切削工具Tは、歯すじ方向が工作物Wの回転軸線Cwに平行な歯面Wbを切削加工する場合を対象とするため、切削工具Tの工具刃Tbは、板の延在方向が工具本体Taの中心軸線Ctに平行となるように設けられている。
従って、工具刃Tbは、切削工具Tの径方向外方の先端面Tb1と、切削工具Tの周方向を向く側面Tb2とを備える。そして、工具刃Tbにおいて、工作物Wの歯面Wbの切削加工を行う部位は、先端面Tb1と側面Tb2との稜線部分Tb3(刃先)である。
ここで、図2においては、工作物Wは外歯車を例示するが、内歯車とすることもできる。この場合、切削工具Tは、内歯車である工作物Wの内側に位置し、切削工具Tの回転軸線Ctは、工作物Wの回転軸線Cwに対して偏心している。
(3-2.第二例の切削工具Tの詳細構成)
第二例の切削工具Tの構成について、図4を参照して説明する。第二例の切削工具Tは、歯すじ方向が工作物Wの回転軸線Cwに対して角度を有する歯面Wbを切削加工する回転工具である。つまり、第二例の切削工具Tは、はすば歯車の歯面を切削加工する工具である。
第二例の切削工具Tの構成について、図4を参照して説明する。第二例の切削工具Tは、歯すじ方向が工作物Wの回転軸線Cwに対して角度を有する歯面Wbを切削加工する回転工具である。つまり、第二例の切削工具Tは、はすば歯車の歯面を切削加工する工具である。
切削工具Tの工具刃Tbは、工作物Wの歯面Wbのねじれ角に対応する切削工具Tのねじれ角の線上に沿って設けられている。工具刃Tbは、工作物Wの歯面Wbのねじれ角に対応する切削工具Tの線上に沿った三次元状の曲面の側面Tb2を有する。
(4.基本加工方法)
切削工具Tによる工作物Wの歯面Wbの基本加工方法について、図5及び図6を参照して説明する。図5の二点鎖線は、図2に示すように、工作物Wが時計回りに回転し、切削工具Tが反時計回りに回転する場合において、工作物Wを固定したと仮定した場合の切削工具Tの工具刃Tbの動作軌跡を示す。
切削工具Tによる工作物Wの歯面Wbの基本加工方法について、図5及び図6を参照して説明する。図5の二点鎖線は、図2に示すように、工作物Wが時計回りに回転し、切削工具Tが反時計回りに回転する場合において、工作物Wを固定したと仮定した場合の切削工具Tの工具刃Tbの動作軌跡を示す。
つまり、工具刃Tbは、A1→A2→A3→A4→A5の順に移動する。切削工具Tは反時計回りに回転しているため(図2参照)、工具刃Tbの姿勢は、A1からA5に行くに従って、工具刃Tbの基端(図5の上端)に対して工具刃Tbの刃先Tb3が反時計回りに移動する。そして、切削工具Tは、工作物Wの回転に同期して回転するため、切削工具Tの回転軸線Ctが、工作物Wに対してほぼ公転することになる。従って、工具刃Tbの位置及び姿勢が、図5に示すように、工作物Wに対して変化する。
図6において、太実線が、工作物Wに対して切削工具Tの工具刃Tbの刃先Tb3の相対的な動作軌跡である。つまり、図6に示すように、工作物Wの回転軸線Cwと切削工具Tの回転軸線Ctとを平行に配置した状態で、工作物Wと切削工具Tとを同期回転させることにより、工作物Wに対して工具刃Tbの刃先Tb3を所定軌跡に沿って移動させている。所定軌跡は、サイクロイド曲線となる。
まず、A1→A2→A3に示すように、この動作の最中に、工具刃Tbの刃先Tb3は、歯溝Waにおける歯面Wbの一方を、歯面Wbの歯先から歯底に向かって加工する。A3にて、歯面Wbの加工終点に到達する。
続いて、A3→A4→A5に示すように、歯面Wbの加工終点に到達した後に、工具刃Tbの刃先Tb3を所定軌跡に沿った移動を継続させながら、刃先Tb3を歯面Wbに非接触とし、刃先Tb3を歯溝Waの内部空間から歯溝Waの外に退避させる。
ここで、工作物Wの歯面Wbは、インボリュート曲線であるのに対して、工具刃Tbの刃先Tb3の軌跡は、サイクロイド曲線である。そのため、工具刃Tbの刃先Tb3の軌跡であるサイクロイド曲線のうち、歯面Wbのインボリュート曲線に近似する部分を用いて、歯面Wbが切削加工される。このことは、工作物Wと切削工具Tの回転速度比、切削工具Tの工具刃Tbの刃先径、工作物Wに対する切削工具Tの回転位相調整量を設定することにより、実現される。
また、図5及び図6には、1つの歯溝Waにおける一方の歯面Wbを切削加工する場合を示した。この動作を、全ての歯溝Waにて行うことにより、全ての歯溝Waにおける一方の歯面Wbを切削加工することができる。さらに、他方の歯面Wbについては、工作物Wと切削工具Tの回転方向を逆転させることにより、実質的に同様に切削加工することができる。
(5.工具刃Tbの刃先径差の説明)
工具刃Tbの刃先径差について図7を参照して説明する。図7には、工具刃Tbにより加工を繰り返すことにより、工具刃Tbの刃先Tb3が摩耗した状態を示す。つまり、工具刃Tbの摩耗により、工具刃Tbの基準径(摩耗前の工具刃Tbの刃先径(半径))に対して、工具刃Tbの実径(摩耗後の工具刃Tbの実際の刃先径(半径))が異なる状態となる。
工具刃Tbの刃先径差について図7を参照して説明する。図7には、工具刃Tbにより加工を繰り返すことにより、工具刃Tbの刃先Tb3が摩耗した状態を示す。つまり、工具刃Tbの摩耗により、工具刃Tbの基準径(摩耗前の工具刃Tbの刃先径(半径))に対して、工具刃Tbの実径(摩耗後の工具刃Tbの実際の刃先径(半径))が異なる状態となる。
ここで、図7において刃先径差ΔHは、摩耗量に相当し、刃先径についての所定の基準径としての摩耗前の工具刃Tbの刃先径と、実径としての摩耗後の工具刃Tbの刃先径との差である。なお、工具刃Tbの刃先径とは、切削工具Tの回転軸線Ct(図2に示す)から刃先Tb3までの距離である。
また、工具刃Tbの摩耗の他に、切削工具Tの刃先がチップ部材により構成される場合において、チップ部材の取付誤差により、切削工具Tの刃先径が変化する。この場合において、切削工具Tの刃先径についての所定の基準径を定義しておくことで、チップ部材の取付状態に応じて所定の基準径と実径との差が生じる場合がある。刃先径差ΔHは、チップ部材において、所定の基準径と実径との差を表す。
(6.刃先径差ΔHが存在する時の歯面Wbの形状)
工具刃Tbの刃先Tb3に摩耗等によって基準径に対して刃先径差ΔHが存在する時の歯面Wbの形状について検討する。まず、図8に示す歯面Wbの拡大図において、Wb1が加工前の歯面を示し、Wb2が加工後の目標歯面(理想歯面)を示す。加工前の歯面Wb1及び加工後の目標歯面Wb2は、インボリュート曲線である。また、図8において、一点鎖線は、ピッチ円である。
工具刃Tbの刃先Tb3に摩耗等によって基準径に対して刃先径差ΔHが存在する時の歯面Wbの形状について検討する。まず、図8に示す歯面Wbの拡大図において、Wb1が加工前の歯面を示し、Wb2が加工後の目標歯面(理想歯面)を示す。加工前の歯面Wb1及び加工後の目標歯面Wb2は、インボリュート曲線である。また、図8において、一点鎖線は、ピッチ円である。
工具刃Tbの刃先Tb3が摩耗していない状態、すなわち刃先径差ΔHがゼロの状態において歯面Wbを加工すると、加工後の実歯面Wb3は、図9の太実線となる。つまり、刃先径差ΔHがゼロであれば、加工後の実歯面Wb3は、目標歯面Wb2に一致する。詳細には、加工後の実歯面Wb3は、目標歯面Wb2の歯先から歯底側の全範囲において一致する。つまり、加工後の実歯面Wb3は、歯先においても、ピッチ円上においても、歯面の歯丈中央部においても、目標歯面Wb2に一致する。
なお、工具刃Tbの刃先Tb3が摩耗していない状態、すなわち刃先径差ΔHがゼロの状態において、加工後の実歯面Wb3が加工後の目標歯面Wb2に一致するように、基本加工条件が決定されているため、上記のようになるのは、当然である。基本加工条件は、工作物Wの回転軸線Cwと切削工具Tの回転軸線Ctとの軸間距離、切削工具Tの回転軸線Ctと工具刃Tbの刃先Tb3との距離である刃先径、工作物Wの回転位相と切削工具Tの回転位相との関係を含む。
ここで、工具刃Tbの刃先Tb3が摩耗した状態の1つの例として刃先径差ΔHがゼロでない固定値の状態において、図10に示す加工条件A-Dのそれぞれの場合について検討する。加工条件A-Dは、基本加工条件に対して、軸間距離の補正及び初期位相の補正のそれぞれについて、行う場合と行わない場合とで異なる。
軸間距離の補正とは、刃先径差ΔHに基づいて、工作物Wの回転軸線Cwと切削工具Tの回転軸線Ctとの軸間距離を基本加工条件に対して補正することである。本例においては、軸間距離の補正値は、刃先径差ΔHに一致させる。初期位相の補正とは、工作物W及び切削工具Tの同期回転開始時における工作物Wの回転位相及び切削工具Tの回転位相についての初期位相を、基本加工条件に対して補正することである。
加工条件Aは、軸間距離の補正及び初期位相の補正を行わない条件、すなわち基本加工条件そのもので加工する場合である。加工条件Bは、軸間距離の補正のみを行い、初期位相の補正を行わない条件である。加工条件C,Dは、軸間距離の補正及び初期位相の補正を行う条件である。ただし、加工条件C,Dは、初期位相の補正値が異なる条件である。
図11は、加工条件Aの場合についての実歯面Wb3を太実線にて示す。図9に示す刃先径差ΔHが存在しない場合と比較すると、図11における実歯面Wb3は、刃先径差ΔHの分だけY軸プラス方向に平行移動していることが分かる。このとき、図15に示すように、加工条件Aにおいて、ピッチ円上における歯厚誤差は、140μmとなり、歯先部における歯厚誤差は、130μmとなり、両者共に大きな誤差を有している。
図12は、加工条件Bの場合についての実歯面Wb3を太実線にて示す。刃先径差ΔHの分だけ軸間距離を補正しているため、図11に示す補正なしの場合に比べると、実歯面Wb3は、目標歯面Wb2に近づいている。図15に示すように、加工条件Bにおいて、ピッチ円上における歯厚誤差は、40μmとなり、歯先部における歯厚誤差は、115μmとなる。刃先Tb3の軌跡であるサイクロイド曲線は、切削工具Tの刃先径(切削工具Tの回転軸線Ctと刃先Tb3との距離)に依存することから、歯厚誤差が生じる理由は、刃先径差ΔHの分だけ刃先径が変化したためであることが分かる。
図13は、加工条件Cの場合についての実歯面Wb3を太実線にて示す。加工条件Cは、軸間距離の補正に加えて、初期位相の補正を行っている。加工条件Cは、図13に示すように、ピッチ円上において、実歯面Wb3が目標歯面Wb2に一致するように、初期位相の補正値が決定されている。従って、図15に示すように、加工条件Cにおいて、ピッチ円上における歯厚誤差は、0μmとなり、歯先部における歯厚誤差は、75μmとなる。加工条件Cにおいては、歯先部が歯厚誤差の最大となる。加工条件Cは、ピッチ円上の歯厚誤差をゼロにできることに加えて、最大誤差を加工条件Bの最大誤差(115μm)よりも小さくできることが分かる。
図14は、加工条件Dの場合についての実歯面Wb3を太実線にて示す。加工条件Dは、軸間距離の補正に加えて、初期位相の補正を行っている。加工条件Dは、図14に示すように、歯先部において、実歯面Wb3が目標歯面Wb2に一致するように、初期位相の補正値が決定されている。従って、図15に示すように、加工条件Dにおいて、歯先部における歯厚誤差は、0μmとなり、ピッチ円上における歯厚誤差は、95μmとなる。加工条件Dにおいては、歯面Wbにおける歯底に近い位置、例えばピッチ円上付近が歯厚誤差の最大となる。加工条件Dは、歯先部の歯厚誤差をゼロにできることに加えて、最大誤差を加工条件Bの最大誤差(115μm)よりも小さくできることが分かる。
上記の検討の結果、軸間距離の補正を行うことに加えて、初期位相の補正を行うことで、歯面Wbの特定の位置の歯厚誤差をゼロにできると共に、最大誤差を小さくすることができる。初期位相の補正値に応じて、歯厚誤差をゼロにする位置は適宜選択できる。また、初期位相の補正を行うことで、歯面Wb全体における誤差平均を最小にすることもできる。
(7.刃先径差ΔHと初期位相の補正値の関係)
次に、刃先径差ΔHと初期位相の補正値との関係について図16を参照して説明する。初期位相の補正値は、例えば、図13に示したように、ピッチ円上の歯厚誤差をゼロにするような補正値とする。
次に、刃先径差ΔHと初期位相の補正値との関係について図16を参照して説明する。初期位相の補正値は、例えば、図13に示したように、ピッチ円上の歯厚誤差をゼロにするような補正値とする。
図13に示すように、刃先径差ΔHがゼロの場合には、初期位相の補正値はゼロとなる。この場合の初期位相は、基本加工条件にて決定された初期位相となる。刃先径差ΔHが大きくなるにつれて、初期位相の補正値が大きくなる。本例では、初期位相の補正値は、刃先径差ΔHに対して比例する。
このように、刃先径差ΔHに応じて初期位相の補正値を決定し、決定された初期位相(基本加工条件の初期位相に補正値を加算した値)にて加工を行うことで、ピッチ円上の歯厚誤差をゼロにすることができる。なお、歯先部の歯厚誤差をゼロにする場合には、刃先径差ΔHと初期位相の補正値との関係が異なる関係となる。ただし、この場合も、ほぼ比例の関係になる。
ここで、刃先径差ΔHと初期位相の補正値との関係は、実加工による結果から求めても良いし、シミュレーションにより求めても良い。当該関係は、比例に限られるものではなく、曲線近似により表すようにしても良い。
(8.制御装置50の構成)
上述した工作機械1の制御装置50の機能ブロック構成について、図17を参照して説明する。制御装置50は、基本加工条件決定部51、軸間距離決定部52、初期位相決定部53、加工条件記憶部54、歯面加工部55を備える。
上述した工作機械1の制御装置50の機能ブロック構成について、図17を参照して説明する。制御装置50は、基本加工条件決定部51、軸間距離決定部52、初期位相決定部53、加工条件記憶部54、歯面加工部55を備える。
基本加工条件決定部51は、工具刃Tbの刃先Tb3が所定の基準径である場合において、目標歯面を加工することができる基本加工条件を決定する(基本加工条件決定工程)。基本加工条件は、工具刃Tbの刃先Tb3が図6の太実線の軌跡(サイクロイド曲線)の一部がインボリュート曲線である歯面Wbに一致するような加工条件である。基本加工条件には、工具刃Tbの刃先Tb3の基準径、加工時における工作物Wの回転軸線Cwと切削工具Tの回転軸線Ctとの軸間距離、同期回転開始時における工作物W及び切削工具Tの初期位相が含まれる。基本加工条件決定処理については後述する。
軸間距離決定部52は、刃先径差ΔHが存在する場合において、刃先径差ΔHに基づいて、加工時における軸間距離を決定する(軸間距離決定工程)。軸間距離決定部52は、切削工具Tの刃先Tb3の位置が摩耗によって変化した場合には、摩耗によって変化した刃先径差ΔHに基づいて軸間距離を決定する。軸間距離決定部52は、チップ部材の取付誤差が生じる場合には、取付誤差によって生じた刃先径差ΔHに基づいて軸間距離を決定する。
本例では、軸間距離決定部52は、基本加工条件決定部51により決定された基本加工条件における軸間距離に、取得した刃先径差ΔHを減算することにより、軸間距離を決定する。
初期位相決定部53は、刃先径差ΔHが存在する場合において、刃先径差ΔHに基づいて、同期回転開始時における工作物W及び切削工具Tについての初期位相を決定する(初期位相決定工程)。初期位相決定部53は、切削工具Tの刃先Tb3の位置が摩耗によって変化した場合には、摩耗によって変化した刃先径差ΔHに基づいて初期位相を決定する。軸間距離決定部52は、チップ部材の取付誤差が生じる場合には、取付誤差によって生じた刃先径差ΔHに基づいて初期位相を決定する。
本例では、初期位相決定部53は、図16に示す刃先径差ΔHと初期位相の補正値との関係から、取得した刃先径差ΔHに対応する初期位相の補正値を決定する。続いて、初期位相決定部53は、基本加工条件決定部51により決定された基本加工条件における初期位相に、決定した初期位相の補正値を加算することにより、初期位相を決定する。
ここで、初期位相決定部53は、図13に示すように、歯面Wbのピッチ円上における目標値に対する誤差を最小値とするように初期位相を決定しても良い。また、初期位相決定部53は、図14に示すように、歯面Wbの歯先部における目標値に対する誤差を最小値とするように初期位相を決定しても良い。また、初期位相決定部53は、歯面Wbの全体における誤差平均値を最小値とするように初期位相を決定しても良い。
加工条件記憶部54は、基本加工条件決定部51により決定された基本加工条件を記憶する。さらに、加工条件記憶部54は、刃先径差ΔHが存在する場合に、軸間距離決定部52により決定された補正後の軸間距離、及び、初期位相決定部53により決定された補正後の初期位相を記憶する。
歯面加工部55は、加工条件記憶部54に記憶された加工条件(基本加工条件、補正後の軸間距離、補正後の初期位相)に基づいて、モータ等の駆動装置60を制御する。歯面加工部55は、上述したように、所定軌跡に沿って工具刃Tbを歯溝Waに進入させながら、歯面Wbを歯先から歯底に向かって加工する制御を行う。さらに、歯面加工部55は、歯面Wbの加工後に、所定軌跡に沿って移動させることにより、歯溝Waの外に退避させる制御を行う。
(9.基本加工条件決定処理)
基本加工条件決定部51による基本加工条件決定処理(基本加工条件決定工程)について、図18を参照して説明する。上述したように、工具刃Tbの刃先Tb3のサイクロイド曲線のうち、歯面Wbのインボリュート曲線に近似する部分を見つける必要がある。さらに、サイクロイド曲線のうち、工具刃Tbの刃先Tb3が、歯面Wbの歯先から歯底に向かって切削加工するような工作物Wと切削工具Tの位置関係とする必要がある。さらに、工作物Wにおいて複数の歯溝Waの全てについて、歯面Wbを切削加工する必要がある。これらのことを実現するために、以下に説明するような基本加工条件決定処理にて、基本加工条件が決定される。
基本加工条件決定部51による基本加工条件決定処理(基本加工条件決定工程)について、図18を参照して説明する。上述したように、工具刃Tbの刃先Tb3のサイクロイド曲線のうち、歯面Wbのインボリュート曲線に近似する部分を見つける必要がある。さらに、サイクロイド曲線のうち、工具刃Tbの刃先Tb3が、歯面Wbの歯先から歯底に向かって切削加工するような工作物Wと切削工具Tの位置関係とする必要がある。さらに、工作物Wにおいて複数の歯溝Waの全てについて、歯面Wbを切削加工する必要がある。これらのことを実現するために、以下に説明するような基本加工条件決定処理にて、基本加工条件が決定される。
図18に示すように、切削工具Tの刃数を決定する(ステップS1)。例えば、図2に示す切削工具Tは、1個の刃数である。刃数は、例えば、1個、2個、3個が好適である。次に、工作物Wと切削工具Tとの回転速度比を決定する(ステップS2)。つまり、工具刃Tbが全ての歯面Wbを切削加工できる条件を決定する。工具刃Tbにより、全ての歯面Wbを1回ずつ切削加工するための回転速度比を決定する。
次に、工具刃Tbの刃先径の任意の初期値を入力する(ステップS3)。次に、工作物Wを固定した条件で、回転速度比、工具刃Tbの刃先径を用いて、工具刃Tbの刃先Tb3をサイクロイド運動軌跡として算出する(ステップS4)。
次に、工具刃Tbの刃先Tb3の軌跡であるサイクロイド曲線が、インボリュート曲線である歯面Wbに一致するか否かを判定する(ステップS5)。一致しなければ(S5:No)、工具刃Tbの刃先径を変更する(ステップS6)。そして、ステップS4,S5を繰り返す。
ステップS5にて一致する場合には(S5:Yes)、そのときの工具刃Tbの刃先径(基準径)を決定する(ステップS7)。決定された工具刃Tbの刃先径(基準径)、且つ、回転速度比を用いれば、歯面Wbが存在する工作物Wの径方向範囲において、工具刃Tbの刃先Tb3のサイクロイド曲線の一部分と、インボリュート曲線である歯面Wbとが近似することになる。
次に、工具刃Tbの刃先Tb3の軌跡が、歯面Wbの歯先から歯底に向かって切削加工するように、回転位相調整量を決定する(ステップS8)。工作物Wの回転位相と切削工具Tの回転位相との関係によっては、工具刃Tbが、歯溝Waの内部空間に歯面Wbを加工しながら進入した後、歯面Wbに非接触で歯溝Waの内部空間から退避する場合がある。また、回転位相によっては、工具刃Tbが、歯溝Waの内部空間に進入する際に歯面Wbに非接触で、歯溝Waの内部空間から退避する際に歯面Wbに接触する場合がある。さらには、回転位相によっては、工具刃Tbが歯溝Waに進入できずに、歯に衝突する場合がある。そこで、図5及び図6にて示したような動作を実現するような回転位相調整量を決定する。このようにして、加工条件が決定される。
上述した歯車加工方法によれば、歯面Wbの一方面のみの切削加工ではあるが、スカイビング加工やホブ加工に比べて、切削速度を高速とすることができる。従って、小径の切削工具Tを用いたとしても、高精度に歯面Wbを切削加工することができる。特に、内歯車の切削加工においては、切削工具Tの外径に制約があるため、効果的である。
(10.歯面加工処理)
歯面加工部55による歯面加工処理(歯面加工工程)について図19を参照して説明する。まず、初期位相決定部53(初期位相決定工程)により決定された初期位相に、工作物Wの回転位相及び切削工具Tの回転位相を位置決めする(ステップS11)。続いて、工作物W及び切削工具Tの同期回転を開始する(ステップS12)。
歯面加工部55による歯面加工処理(歯面加工工程)について図19を参照して説明する。まず、初期位相決定部53(初期位相決定工程)により決定された初期位相に、工作物Wの回転位相及び切削工具Tの回転位相を位置決めする(ステップS11)。続いて、工作物W及び切削工具Tの同期回転を開始する(ステップS12)。
続いて、工作物Wの回転軸線Cwと切削工具Tの回転軸線Ctとの軸間距離を軸間距離決定部52(軸間距離決定工程)により決定された軸間距離に一致させる状態となるように、工作物W及び切削工具Tの少なくとも一方を平行移動させる。そして、軸間距離決定部52にて決定された軸間距離にて、工具刃Tbにより歯面Wbの加工を行う(ステップS13)。続いて、軸間距離を初期状態に戻すことにより、切削工具Tを工作物Wから退避させる(ステップS14)。続いて、工作物W及び切削工具Tの回転を停止し、歯面加工処理を終了する(ステップS15)。
上述した歯車加工方法によれば、刃先径差ΔHに基づいて決定された初期位相にて同期回転を開始し、刃先径差ΔHに基づいて決定された軸間距離にて歯面Wbの加工を行っている。従って、例えば摩耗やチップ部材の取付誤差等によって刃先径差ΔHが生じた場合であっても、歯面Wbの加工誤差を低減することができる。
1:工作機械、 10:ベッド、 20:工作物保持装置、 23:工作物主軸装置、 30:工具保持装置、 33:工具主軸装置、 50:制御装置、 51:基本加工条件決定部、 52:軸間距離決定部、 53:初期位相決定部、 54:加工条件記憶部、 55:歯面加工部、 60:駆動装置、 Ct:切削工具の回転軸線、 Cw:工作物の回転軸線、 T:切削工具、 Ta:工具本体、 Tb:工具刃、 Tb1:先端面、 Tb2:側面、 Tb3:刃先、 W:工作物、 Wa:歯溝、 Wb:歯面、 Wb2:加工後の目標歯面、 Wb3:加工後の実歯面、 ΔH:刃先径差
Claims (6)
- 予め歯形が形成された歯車形の工作物に対して、前記歯形の歯溝における歯面を加工する歯車加工方法であって、
前記工作物の回転軸線と切削工具の回転軸線とを平行に配置した状態で前記工作物と前記切削工具とを同期回転させることにより前記工作物に対して前記切削工具の刃先を所定軌跡に沿って移動させ、各前記歯溝における前記歯面の一方を加工する加工方法を適用し、
前記切削工具の回転軸線から前記切削工具の刃先までの距離である刃先径についての所定の基準径と実径との差である刃先径差に基づいて、加工時における前記工作物の回転軸線と前記切削工具の回転軸線との軸間距離を決定する軸間距離決定工程と、
前記刃先径差に基づいて、同期回転開始時における前記工作物の回転位相及び前記切削工具の回転位相についての初期位相を決定する初期位相決定工程と、
前記初期位相決定工程にて決定した前記初期位相に位置決めした状態で前記工作物及び前記切削工具の同期回転を開始し、前記軸間距離決定工程にて決定した前記軸間距離にて前記歯面の加工を行う歯面加工工程と、
を備える、歯車加工方法。 - 前記軸間距離決定工程は、前記切削工具の刃先の摩耗によって変化した前記刃先径差に基づいて前記軸間距離を決定し、
前記初期位相決定工程は、前記切削工具の刃先の摩耗によって変化した前記刃先径差に基づいて前記初期位相を決定する、請求項1に記載の歯車加工方法。 - 前記初期位相決定工程は、前記工作物の前記歯面のピッチ円上における目標値に対する誤差を最小値とするように前記初期位相を決定する、請求項2に記載の歯車加工方法。
- 前記初期位相決定工程は、前記工作物の前記歯面の歯先部における目標値に対する誤差を最小値とするように前記初期位相を決定する、請求項2に記載の歯車加工方法。
- 前記所定軌跡は、サイクロイド曲線であり、
前記歯面は、インボリュート曲線であり、
前記歯面加工工程は、前記サイクロイド曲線のうち前記インボリュート曲線に近似する部分を用いて、前記歯面を加工する、請求項1-4の何れか1項に記載の歯車加工方法。 - 予め歯形が形成された歯車形の工作物に対して、前記歯形の歯溝における歯面を加工する歯車加工装置であって、
切削工具と、
前記工作物と前記切削工具とを制御する制御装置と、
を備え、
前記歯車加工装置は、前記工作物の回転軸線と前記切削工具の回転軸線とを平行に配置した状態で前記工作物と前記切削工具とを同期回転させることにより前記工作物に対して前記切削工具の刃先を所定軌跡に沿って移動させ、各前記歯溝における前記歯面の一方を加工する加工方法を適用し、
前記制御装置は、
前記切削工具の回転軸線から前記切削工具の刃先までの距離である刃先径についての所定の基準径と実径との差である刃先径差に基づいて、加工時における前記工作物の回転軸線と前記切削工具の回転軸線との軸間距離を決定する軸間距離決定部と、
前記刃先径差に基づいて、同期回転開始時における前記工作物の回転位相及び前記切削工具の回転位相についての初期位相を決定する初期位相決定部と、
前記初期位相決定部にて決定した前記初期位相に位置決めした状態で前記工作物及び前記切削工具の同期回転を開始し、前記軸間距離決定部にて決定した前記軸間距離にて前記歯面の加工を行う歯面加工部と、
を備える、歯車加工装置。
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