JP2022099640A - 歯車加工方法及び歯車加工装置 - Google Patents

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。歯車加工方法は、刃先径差ΔＨに基づいて工作物Ｗ及び切削工具Ｔの少なくとも一方を、切削工具Ｔの回転軸線Ｃｔに直交する方向であって工作物Ｗの回転軸線Ｃｗと切削工具Ｔの回転軸線Ｃｔとを結ぶ軸間方向に直交する方向である第一方向に揺動させながら歯面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。

独国特許出願公開第１０３２９４１３号明細書 特開２０２０－１９０９６号公報

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）
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。

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を、刃先径差とする。切削工具の回転軸線に直交する方向であって、工作物の回転軸線と切削工具の回転軸線とを結ぶ軸間方向に直交する方向を、第一方向とする。歯車加工方法は、刃先径差に基づいて工作物及び切削工具の少なくとも一方を第一方向に揺動させながら歯面の加工を行う歯面加工工程を備える。

当該歯車加工方法によれば、刃先径差に基づいて、工作物及び切削工具の少なくとも一方を第一方向に揺動させながら歯面の加工を行う。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。

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を、刃先径差とする。切削工具の回転軸線に直交する方向であって、工作物の回転軸線と切削工具の回転軸線とを結ぶ軸間方向に直交する方向を、第一方向とする。制御装置は、刃先径差に基づいて工作物及び切削工具の少なくとも一方を第一方向に揺動させながら歯面の加工を行う。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。

工作機械を示す図である。 工作物及び切削工具を示す図である。 第一例の切削工具を示す斜視図である。 第二例の切削工具を示す斜視図である。 工作物に対して切削工具の工具刃の相対的な動作軌跡を示す図である。 工作物に対して切削工具の工具刃の刃先の相対的な動作軌跡を示す図である。 切削工具の工具刃の刃先が摩耗した状態を示す図である。 歯面の拡大図であって、加工前の歯面Ｗｂ１、加工後の目標歯面Ｗｂ２を示す図である。 歯面の拡大図であって、歯面Ｗｂ１，Ｗｂ２に加えて、刃先径差ΔＨがない場合における加工後の実歯面Ｗｂ３を示す図である。 刃先径差ΔＨが存在する場合における複数の加工条件Ａ－Ｅを示す図である。 加工条件Ｃ，Ｄ，Ｅにて適用するＸ軸位置の補正値を示すグラフである。図中の上欄には切削工具の位相に対応する切削工具の姿勢を示す。 加工条件Ｄにて適用するＹ軸位置の補正値を示すグラフである。図中の上欄には切削工具の位相に対応する切削工具の姿勢を示す。 歯面の拡大図であって、歯面Ｗｂ１，Ｗｂ２に加えて、加工条件Ａにおける加工後の実歯面Ｗｂ３を示す図である。 歯面の拡大図であって、歯面Ｗｂ１，Ｗｂ２に加えて、加工条件Ｂにおける加工後の実歯面Ｗｂ３を示す図である。 歯面の拡大図であって、歯面Ｗｂ１，Ｗｂ２に加えて、加工条件Ｃにおける加工後の実歯面Ｗｂ３を示す図である。 歯面の拡大図であって、歯面Ｗｂ１，Ｗｂ２に加えて、加工条件Ｄにおける加工後の実歯面Ｗｂ３を示す図である。 歯面の拡大図であって、歯面Ｗｂ１，Ｗｂ２に加えて、加工条件Ｅにおける加工後の実歯面Ｗｂ３を示す図である。 加工条件Ａ－Ｅについて、ピッチ円上及び歯先部における歯厚誤差を示す図である。 制御装置を示す機能ブロック図である。 基本加工条件決定部による処理を示すフローチャートである。 歯面加工部による処理を示すフローチャートである。

（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。

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。

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。

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。

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。

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－Ｅのそれぞれの場合について検討する。加工条件Ａ－Ｅは、基本加工条件に対して、軸間距離の補正、Ｘ軸揺動補正及びＹ軸揺動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。

Ｘ軸揺動補正とは、図１１に示す切削工具Ｔの刃数が１枚の例のように、工作物Ｗ及び切削工具Ｔの少なくとも一方を、Ｘ軸方向（本発明における「第一方向」に相当）に揺動させる補正である。ここで、Ｘ軸方向（第一方向）は、切削工具Ｔの回転軸線Ｃｔに直交する方向であって、工作物Ｗの回転軸線Ｃｗと切削工具Ｔの回転軸線Ｃｔとを結ぶ軸間方向に直交する方向である。

図１１に示すように、Ｘ軸揺動補正は、切削工具Ｔの回転位相に対して正弦波の関係を有する。具体的には、Ｘ軸揺動補正は、Ｘ軸方向における揺動周波数を、切削工具Ｔの回転周波数と切削工具Ｔの刃数との積に一致させる。つまり、図１１に示すように、切削工具Ｔが回転周期を切削工具Ｔの刃数で除した商と、Ｘ軸方向の揺動の周期とが一致する。また、Ｘ軸揺動補正は、Ｘ軸方向における揺動振幅Ａｘを刃先径差ΔＨに一致させる。また、Ｘ軸揺動補正は、切削工具Ｔの回転位相が０°、１８０°の場合に、Ｘ軸揺動の補正値がゼロとなるような正弦波の関係を有する。

Ｙ軸揺動補正とは、図１２に示す切削工具Ｔの刃数が１枚の例のように、工作物Ｗ及び切削工具Ｔの少なくとも一方を、Ｙ軸方向（本発明における「第二方向」に相当）に揺動させる補正である。ここで、Ｙ軸方向（第二方向）は、工作物Ｗの回転軸線Ｃｗと切削工具Ｔの回転軸線Ｃｔとを結ぶ軸間方向である。なお、Ｙ軸揺動補正を行わない加工条件においては、加工時における軸間距離は固定された状態となる。

図１２に示すように、Ｙ軸揺動補正は、切削工具Ｔの回転位相に対して余弦波の関係を有する。具体的には、Ｙ軸揺動補正は、Ｙ軸方向における揺動周波数を、切削工具Ｔの回転周波数と切削工具Ｔの刃数との積に一致させる。つまり、図１２に示すように、切削工具Ｔが回転周期を切削工具Ｔの刃数で除した商と、Ｙ軸方向の揺動の周期とが一致する。また、Ｙ軸揺動補正は、Ｙ軸方向における揺動振幅Ａｙを刃先径差ΔＨに一致させる。また、Ｙ軸揺動補正は、切削工具Ｔの回転位相が９０°、２７０°の場合に、Ｙ軸揺動の補正値がゼロとなるような余弦波の関係を有する。

加工条件Ａは、軸間距離の補正、Ｘ軸揺動補正及びＹ軸揺動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、Ｘ軸揺動補正及びＹ軸揺動補正を行わない条件である。加工条件Ｃは、Ｘ軸揺動補正のみを行い、軸間距離の補正及びＹ軸揺動補正を行わない条件である。加工条件Ｄは、Ｘ軸揺動補正及びＹ軸揺動補正を行い、軸間距離の補正を行わない条件である。加工条件Ｅは、軸間距離の補正及びＸ軸揺動補正を行い、Ｙ軸揺動補正を行わない条件である。

図１３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１３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１８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１４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１３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１８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１５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、Ｘ軸揺動補正のみを行っている。加工条件Ｃは、図１３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１８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、１３０μｍとなり、歯先部における歯厚誤差は、９０μｍとなる。

図１６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、Ｘ軸揺動補正及びＹ軸揺動補正を行っている。加工条件Ｄは、図１６に示すように、歯面Ｗｂ全体に亘って、実歯面Ｗｂ３が目標歯面Ｗｂ２に一致している。図１８に示すように、加工条件Ｄにおいて、ピッチ円上における歯厚誤差及び歯先部における歯厚誤差は、共に、０μｍとなる。

図１７は、加工条件Ｅの場合についての実歯面Ｗｂ３を太実線にて示す。加工条件Ｅは、軸間距離の補正に加えて、Ｘ軸揺動補正を行っている。加工条件Ｅは、図１７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に一致するが、歯先部においては、極めて僅かではあるが、実歯面Ｗｂ３が目標歯面Ｗｂ２からずれている。図１８に示すように、加工条件Ｅ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、５μｍとなる。

上記の検討の結果、Ｘ軸揺動補正を行うことを前提としつつ、加工条件Ｄのように、Ｙ軸揺動補正を行うことにより、高精度な歯面Ｗｂを加工することができる。加工条件Ｄの場合には、加工時における軸間距離は、変動している。また、Ｘ軸揺動補正を行うことを前提としつつ、加工条件Ｅのように、軸間距離の補正を行うことにより、高精度な歯面Ｗｂを加工することができる。加工条件Ｅの場合には、加工時における軸間距離は、固定されている。

（７．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１９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、補正条件決定部５２、加工条件記憶部５３、歯面加工部５４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。

補正条件決定部５２は、軸間距離の補正、Ｘ軸揺動補正及びＹ軸揺動補正のいずれの補正を適用するかによって異なるが、適用する補正についての補正条件（補正値）を決定する。例えば、加工条件Ｄの場合には、Ｘ軸揺動補正及びＹ軸揺動補正を行うため、図１１及び図１２に示すような切削工具Ｔの回転位相に対するＸ軸揺動補正値及びＹ軸揺動補正値を決定する。つまり、補正条件決定部５２は、刃先径差ΔＨ、切削工具Ｔの回転周波数及び切削工具Ｔの刃数に基づいて、Ｘ軸揺動補正における振幅Ａｘ及び揺動周波数を決定する。さらに、補正条件決定部５２は、刃先径差ΔＨ、切削工具Ｔの回転周波数及び切削工具Ｔの刃数に基づいて、Ｙ軸揺動補正における振幅Ａｙ及び揺動周波数を決定する。

また、加工条件Ｅの場合には、軸間距離の補正及びＸ軸揺動補正を行うため、刃先径差ΔＨに一致する軸間距離の補正値、及び、図１１に示すような切削工具Ｔの回転位相に対するＸ軸揺動補正値を決定する。つまり、補正条件決定部５２は、刃先径差ΔＨに基づいて、軸間距離の補正値を決定する。さらに、補正条件決定部５２は、刃先径差ΔＨ、切削工具Ｔの回転周波数及び切削工具Ｔの刃数に基づいて、Ｘ軸揺動補正における振幅Ａｘ及び揺動周波数を決定する。

加工条件記憶部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を記憶する。さらに、加工条件記憶部５３は、刃先径差ΔＨが存在する場合に、補正条件決定部５２により決定された各種補正値を記憶する。

歯面加工部５４は、加工条件記憶部５３に記憶された加工条件（基本加工条件、補正値）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５４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５４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。

（８．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２０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２０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。

（９．歯面加工処理）
歯面加工部５４による歯面加工処理（歯面加工工程）について図２１を参照して説明する。刃先径差ΔＨが存在するか否かによって加工方法が異なる。そこで、歯面加工部５４は、刃先径差ΔＨが存在するか否かを判定する（ステップＳ１１）。刃先径差ΔＨが存在しない場合には（Ｓ１１：Ｎｏ）、基本加工条件決定部５１にて決定された基本加工条件により歯面Ｗｂの加工を行う（ステップＳ１２）。

一方、刃先径差ΔＨが存在する場合には（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、基本加工条件決定部５１にて決定された基本加工条件に、補正条件決定部５２にて決定された補正条件を考慮した補正後の加工条件により、歯面Ｗｂの加工を行う（ステップＳ１３）。

補正条件としては、図１０における加工条件Ｄのように、Ｘ軸揺動補正及びＹ軸揺動補正を行う条件とすることができる。この場合、歯面加工部５４は、工作物Ｗと切削工具Ｔを同期回転させながら、工作物Ｗ及び切削工具Ｔの少なくとも一方をＸ軸方向及びＹ軸方向に揺動させながら、歯面Ｗｂの加工を行う。このとき、Ｘ軸方向の揺動中心及びＹ軸方向の揺動中心は、基本加工条件決定部５１により決定された座標に一致する。

また、他の補正条件としては、図１０における加工条件Ｅのように、軸間距離の補正及びＸ軸揺動補正を行う条件としても良い。この場合、歯面加工部５４は、工作物Ｗと切削工具Ｔを同期回転させながら、Ｙ軸方向を軸間距離の補正値に応じた位置に固定した状態で、Ｘ軸方向に揺動させながら、歯面Ｗｂの加工を行う。このとき、工作物Ｗと切削工具ＴのＹ軸方向は固定されており、Ｘ軸方向の揺動中心は、基本加工条件決定部５１により決定された座標に一致する。

このように、刃先径差ΔＨに基づいて工作物Ｗ及び切削工具Ｔの少なくとも一方を少なくともＸ軸方向に揺動させながら歯面の加工を行うことにより、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：補正条件決定部、 ５３：加工条件記憶部、 ５４：歯面加工部、 ６０：駆動装置、 Ａｘ：振幅、 Ａｙ：振幅、 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 (9)

1. 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を、刃先径差とし、
   前記切削工具の回転軸線に直交する方向であって、前記工作物の回転軸線と前記切削工具の回転軸線とを結ぶ軸間方向に直交する方向を、第一方向とし、
   前記歯車加工方法は、前記刃先径差に基づいて前記工作物及び前記切削工具の少なくとも一方を前記第一方向に揺動させながら前記歯面の加工を行う歯面加工工程を備える、歯車加工方法。
2. 前記軸間方向を、第二方向とし、
   前記歯面加工工程は、前記刃先径差に基づいて、前記工作物及び前記切削工具の少なくとも一方を、前記第一方向及び前記第二方向に揺動させながら前記歯面の加工を行う、請求項１に記載の歯車加工方法。
3. 前記歯面加工工程は、前記刃先径差に基づいて決定された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に固定した状態で、前記刃先径差に基づいて前記工作物及び前記切削工具の少なくとも一方を前記第一方向に揺動させながら前記歯面の加工を行う、請求項１に記載の歯車加工方法。
4. 前記歯面加工工程は、前記第一方向における揺動周波数を前記切削工具の回転周波数と前記切削工具の刃数との積に一致させて、前記歯面の加工を行う、請求項１－３の何れか一項に記載の歯車加工方法。
5. 前記歯面加工工程は、前記第一方向における揺動振幅を前記刃先径差に一致させて、前記歯面の加工を行う、請求項４に記載の歯車加工方法。
6. 前記歯面加工工程は、前記第二方向における揺動周波数を前記切削工具の回転周波数と前記切削工具の刃数との積に一致させて、前記歯面の加工を行う、請求項２に記載の歯車加工方法。
7. 前記歯面加工工程は、前記第二方向における揺動振幅を前記刃先径差に一致させて、前記歯面の加工を行う、請求項６に記載の歯車加工方法。
8. 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１－７の何れか１項に記載の歯車加工方法。
9. 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を、刃先径差とし、
   前記切削工具の回転軸線に直交する方向であって、前記工作物の回転軸線と前記切削工具の回転軸線とを結ぶ軸間方向に直交する方向を、第一方向とし、
   前記制御装置は、前記刃先径差に基づいて前記工作物及び前記切削工具の少なくとも一方を前記第一方向に揺動させながら前記歯面の加工を行う、歯車加工装置。

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