JP2023104154A - 歯車加工用転造工具 - Google Patents

Abstract

【課題】小モジュールで高精度な内歯車，傘歯車，ハイポイドギア等の各種歯車を高能率で形成する歯車加工用の転造工具を提供する。【解決手段】複数の加工歯１５（１１，１２，１３，１４）を有した円筒状の歯車加工用転造工具１０において、複数の加工歯１５（１１，１２，１３，１４）を歯車加工用転造工具１０の回転軸Ｏ１０の方向に沿って螺旋状に形成する。また、これら複数の加工歯１５（１１，１２，１３，１４）は歯車加工用転造工具１０の回転軸Ｏ１０の方向と平行な同一直線状に配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、歯車を転造加工するための転造工具に関する。

従来、歯車状の断面を持つ円柱形状の工具の少なくとも一方に外径上がり、あるいは歯形上がりの円錐面を設けた工具と、内歯車を加工する円環状の被加工物とを５軸の工作機械で同期回転させ、被加工物の回転軸方向に工具を送ることによって内歯車を転造する、アキシャル送り（軸方向送り）の内歯車同期転造加工法がある。

この方法によれば、被加工物の内面を軸方向に歯車を順次形成できるので、工具と被加工物の接触する面積を小さくでき、合わせて加工荷重を低減することも可能である。一例として、従来の歯車加工用転造工具１００を用いた転造加工時の模式平面図を図４、模式正面図を図５にそれぞれ示す。このような転造加工方法では、特に小モジュールの内歯車を効率的に精度よく加工することができる。

これまでの歯車加工用転造工具１００は図４および図５に示す様に加工歯１０１（１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ）が回転軸Ｏ１００を中止とした円環状に設けられることで転造加工用転造工具１００と被加工歯車Ｗ１００は回転方向Ｒ１００に同期して１回転することで被加工歯車Ｗ１００が加工される。

また、被加工歯車Ｗ１００が歯車加工用転造工具１００の方向へ相対的に移動することで（転造加工時の被加工歯車Ｗ１００の移動方向Ｓ１００）加工荷重Ｔ１００が発生する。

一方、外歯車の転造仕上げ方法として、歯車形状のダイスの歯を歯幅方向に間欠にすることによって転造荷重を低減する方法やウオーム形状工具を用いて外歯車を仕上げ転造する方法も開示されている（特許文献１ないし３参照）。

特公昭５０－１４６２８号公報 特開昭６２－１７９８４２号公報 特開昭５３－４４４５５号公報

しかし、アキシャル送り同期転造を行うことによって歯幅方向に歯車を順次加工することができるので、転造荷重を大幅に軽減することができる。その反面、止まり穴やつば付き形状の工作物を加工する場合には十分な抜け代が確保できないため、アキシャル送り同期転造は適用できない場合がある。

この場合、ラジアル送り同期転造で歯車を形成する必要があり、歯幅方向に全面が接触するため、加工荷重が大きい場合や被加工物の硬度が高い場合、機械剛性が低い場合には加工できないという問題があった。

一方、従来の加工方法では、加工できる歯車は外歯の平歯車と斜歯歯車のみであり、内歯車や傘歯車の加工はできなかった。さらには、傘歯車、ベベルギアなどは歯すじ方向にピッチが変化しているため、アキシャル送りによる加工はもちろんのことホブ加工、シェーパー加工、スカイビング加工などのいわゆる歯切工具で加工することもできず、専ら１歯ずつ溝を形成する方法で製造されている。このため、特に歯数が増えた場合には生産効率が著しく低下し、製造コストも増大する要因となっていた。

そこで、本発明は、特に小モジュールで高精度な内歯車や傘歯車、ハイポイドギアを高能率で形成する歯車加工用の転造工具を提供することを課題とする。

発明者は鋭意研究した結果、以下の結論を得た。転造加工の加工荷重は転造加工工具と被加工物の同時加工面積、すなわち工具と被加工物との接触面積に依存するため、同時に転造加工する面積を減らし、歯幅全域を逐次加工することができれば、加工荷重が低減する。特に、アキシャル送りの同期転造において、円錐面を持つ工具を被加工物の軸方向、すなわち歯すじ方向に送ることによって、歯幅全域の逐次加工を実現し、加工荷重を低減できる。

一方、歯すじ方向に工具を送ることができない場合に、いかにして接触面積を減らし、歯幅全域を逐次加工するかを考えた結果、以下の結論に到達した。すなわち、転造加工工具と被加工歯車をお互いにかみ合う位置関係から被加工歯車の外周面の法線方向に被加工歯車の歯たけ以上の距離を転造加工工具から離した状態から、転造加工工具と被加工歯車を同期回転させたままお互いにかみ合う最終位置に順次移動させるラジアル送り同期転造加工に使用する転造加工工具であって、転造加工工具は被加工歯車の目的とする形状と互いにかみ合う形状を有し、この歯車形状工具にはネジ状の溝が設けられており、歯車形状工具の歯数は被加工歯車の歯数の約数では無いネジ溝付き歯車転造加工工具に想到した。

そこで、本発明の歯車加工用転造工具は、複数の加工歯を有した円筒状の歯車加工用転造工具として、これら歯車加工用転造工具の外周側にて複数の加工歯を螺旋状に形成する。同時に、これらの複数の加工歯は、歯車加工用転造工具の端面視で歯車加工用転造工具の軸方向と平行な同一直線状に配置する。

本発明の歯車加工用転造工具は、前述したとおり、複数の加工歯を有した円筒状の歯車加工用転造工具として、これら歯車加工用転造工具の外周側にて複数の加工歯を螺旋状に形成した。同時に、これらの複数の加工歯は、歯車加工用転造工具の端面視で歯車加工用転造工具の軸方向と平行な同一直線状に配置した。結果として、転造加工時における被加工材への加工荷重を低減することにより小モジュールの高精度な内歯車や傘歯車、ハイポイドギアを高能率で形成できるという効果を奏する。

本発明の歯車加工用転造工具１０の斜視図である。 本発明の歯車加工用転造工具２０を用いた転造加工時の模式平面図である。 本発明の歯車加工用転造工具２０を用いた転造加工時の模式正面図である。 従来の歯車加工用転造工具１００を用いた転造加工時の模式平面図である。 従来の歯車加工用転造工具１００を用いた転造加工時の模式正面図である。

本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。本発明の一実施形態である歯車加工用転造工具１０の斜視図を図１、歯車加工用転造工具２０の転造加工時の状態の平面図を図２、正面図（被加工歯車は断面図である）を図３に示す。

歯車加工用転造工具１０には図１に示す様にネジ状の加工歯１５（１１，１２，１３，１４）を回転軸Ｏ１０の方向に沿って設けることで転造加工用転造工具１０と図示しない被加工歯車は加工歯１５のネジの頂点部分でのみ接触するので、転造加工時に発生する荷重を低減できる。

また、図２および図３に示す様に歯車加工用転造工具２０の回転軸Ｏ２０の方向の任意の断面において、転造加工用転造工具２０の外周側に形成されている加工歯２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）は一部のみであるので、転造加工用転造工具２０が被加工歯車Ｗ２０と回転方向Ｒ２０に同期して１回転しても被加工歯車Ｗ２０は一部のみが加工される。

さらに、本発明の歯車加工用転造工具２０のようにネジ状（らせん状）の加工歯２１を設けることによって、歯車加工用転造工具２０と被加工歯車Ｗ２０はネジの頂点部分でしか接触しないので、被加工歯車Ｗ２０が歯車加工用転造工具２０の方向へ相対的に移動しても（転造加工時の被加工歯車Ｗ２０の移動方向Ｓ２０）加工荷重Ｔ２０を低減することができる。

つまり、回転軸Ｏ２０方向の任意の断面において、歯車加工用転造工具２０には一部しか歯が形成されていないため、歯車加工用転造工具２０が被加工歯車Ｗ２０と同期して１回転しても被加工歯車Ｗ２０は一部のみが加工されるにとどまる。

しかし、歯車加工用転造工具の歯数が被加工歯車の歯数の約数でない場合には、歯車加工用転造工具が回転するたびに歯車加工用転造工具の一部の歯は被加工歯車の異なる歯を順次加工する。歯車加工用転造工具と歯車が十分な回数同期回転すると、歯車加工用転造工具の一部の歯は順次歯車のすべての歯を形成する。

歯車加工用転造工具は被加工歯車の歯幅全域を残さずするためには、歯車を形成する最終形状の幅、すなわち歯車加工用転造工具の加工歯の頂点の幅は、下記の計算式（１）を満足する必要がある。
Ｗｐ≧Ｐ／ｎ／Ｎｔ×ｇｃｄ （Ｎｔ，Ｎｇ）・・・・・（１）
Ｗｐ：加工歯の頂点の幅
Ｐ：加工歯のピッチ
ｎ：加工歯の条数
Ｎｔ：歯車加工用転造工具の歯数
Ｎｇ：被加工歯車歯数
ｇｃｄ（ａ，ｂ）：ａとｂの最大公約数

例えばＰ＝５ｍｍ、ｎ＝１、Ｎｔ＝１０２、Ｎｇ＝２００のときは、ｇｃｄ（１０２、２００）＝２であり、Ｗｐ≧５ｍｍ／１／１０２×２＝０．０９８ｍｍであるが、Ｎｔ＝１０５、Ｎｇ＝２００であれば、ｇｃｄ（１０５、２００）＝５であるので、Ｗｐ≧５ｍｍ／１／１０５×５＝０．２３８ｍｍとなり、加工歯の頂点の幅を大きくしなければならない。

すなわち、加工荷重を低減するには被加工歯車の歯数と公約数が小さな歯車加工用転造工具の歯数を選択することが好ましい。なお、Ｎｔ＝１００、Ｎｇ＝２００の場合、ｇｃｄ（１００、２００）＝１００、Ｗｐ≧５ｍｍ／１／１００×１００＝５ｍｍ となり、ピッチと同じ頂点幅となるのでネジ状の溝は形成できず、荷重を低減することはできない。

また、送り完了位置（歯車の噛みあい位置）で加工歯の歯車加工用転造工具は少なくとも下記の回転数、あるいは時間保持されなければならない。
ｍ＝Ｎｇ／ｇｃｂ（Ｎｔ，Ｎｇ）
ｔ＝ｍ／Ｓｔ＝Ｎｇ／Ｓｔ／ｇｃｂ（Ｎｔ，Ｎｇ）
ｍ：送り完了位置での加工歯の歯車加工用転造工具の回転保持回数
ｔ：送り完了位置での保持時間
Ｓｔ：加工歯の歯車加工用転造工具の時間当たり回転数

加工歯のピッチは被加工歯車の歯幅の整数ｎ分の１（１／ｎ）であることが好ましい。これは、被加工歯車と接触するネジ頂点の数が加工中に変化すると、接触面積が変化して押し付け荷重が急激に変動し、歯すじの誤差が大きくなるためである。

なお、荷重の変化量を少なくするには加工歯のピッチを小さくして、接触する加工歯の頂点の数を多くすることが好ましいが、この場合は加工荷重が増大する。加工荷重を小さくするには加工歯の頂点の幅を小さくすればよいが、加工歯の頂点の幅が小さすぎると加工歯の歯車加工用転造工具の耐久性が低くなる。

以上の３要素、すなわち加工歯のピッチ（荷重の安定性）、１つの加工歯の頂点の幅（工具耐久性）、加工歯の頂点の幅の和（荷重の大きさ）はそれぞれ背反するので、転造加工する歯車形状，歯車材質，工具材質，工作機械等の条件によって最適化できる。

なお、歯車の加工歯に対して高精度の加工が要求される場合には、歯車加工用転造工具の溝幅を被加工歯車の歯幅よりも大きくすることが有効である。本発明の歯車加工用転造工具を用いた同期転造加工法では、転造加工ができる被加工歯車の歯幅が有限であるため、歯車加工用転造工具のねじ溝が歯車の端部にかかる際に作用している歯の数が変化する。

この時、歯車加工用転造工具による被加工歯車に対する押し付け荷重が変化するので、転造加工時に作用している他の歯がより強く押し付けられることになる。その結果、被加工歯車における歯すじの特定箇所、具体的には歯幅の端からねじ溝のピッチ分だけ入った部分に凹みが生じる場合がある。

そこで、歯数が変化する瞬間に作用している歯が無い状態にするため、歯車加工用転造工具における歯溝の幅が被加工歯車の歯幅よりも大きく（広く）することが有効である。

例えば、前述の特許文献３ に示す供回り（ 連れまわり）方式による転造加工方法では歯車加工用転造工具と被加工歯車のかみ合いが行われない時間が発生すると、歯車加工用転造工具と被加工歯車のそれぞれの位相がずれるので、前述した転造加工方法を行うことはできないが、本発明の歯車加工用転造工具を用いた転造加工方法は同期転造であるため、歯車加工用転造工具の溝幅を被加工歯車の歯幅よりも大きくすることで転造加工時に歯車加工用転造工具と被加工歯車のかみ合いが行われない時間が発生しても前述した転造加工方法が実現可能となる。

また、前述した本発明の歯車加工用転造工具を用いて傘歯車やハイポイドギアを転造加工する場合にも、転造加工しようとする歯車（被加工歯車）とかみ合う歯車の形状をした歯車加工用転造工具をかみ合いの同期を保ったまま、かみ合う状態になるまで歯車材料（被加工歯車の素材）に押し当てることで歯車を転造加工することができる。この時、歯車加工用転造工具にらせん状の溝を設けることで、歯車加工用転造工具と歯車材料との接触面積を減らし、歯車を順次部分的に加工することで転造荷重を低減することができる。

１０，２０ 歯車加工用転造工具
１１～１５ 加工歯
２１（２１Ａ～２１Ｃ） 加工歯
Ｏ１０，Ｏ２０ 回転軸
Ｒ２０ 回転方向
Ｓ２０ 被加工歯車の移動方向
Ｔ２０ 加工荷重
Ｗ２０ 被加工歯車

Claims (2)

1. 複数の加工歯を有した円筒状の歯車加工用転造工具であって、前記複数の加工歯が前記歯車加工用転造工具の軸方向に沿って螺旋状に形成されていることを特徴とする歯車加工用転造工具。
2. 前記複数の加工歯は、前記歯車加工用転造工具の軸方向と平行な同一直線状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の歯車加工用転造工具。
   
   

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