JP2023548019A - ０度近傍交差軸角度歯車カッタ及びそのような工具を使用する歯車切削方法 - Google Patents

Abstract

ワーク（３１２）に内歯を切削して歯車を形成するための歯車カッタ工具（３０８）が提供される。歯車カッタ工具は、長手方向歯車カッタ回転軸（３５４）を中心に回転するように構成される。ワークは、ワーク回転軸（３７４）を中心に回転するように構成される。歯車カッタ工具は、複数の切削歯（３３２）を有する歯車カッタを含む。複数の切削歯の各切削歯は、歯面（３４１）と長手方向歯車カッタ回転軸を横切る線（３５２）との間に画定される交差軸歯角度）３５０）を画定する歯面を有する。交差軸歯角度は、１～１５度である。長手方向歯車カッタ回転軸とワーク回転軸との間に画定される歯車カッタ工具の交差軸工具（３７２）角度は、実質的に０度に近い。【選択図】図５

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年１０月１４日に出願された米国特許出願第６３／０９１，６７５号の利益を主張する。上記出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、概して、ワークの内径に歯を形成する歯車カッタ、及び関連する冷却剤送達アセンブリに関する。

歯車製造業者は、歯車を製造するために様々な機械加工プロセス及び対応する工具を利用する。例示的なプロセスは、ホブ切り、成形、フライス削り、シャー切断及び研削を含むことができる。歯車製造業者によって選択されるプロセスは、機械加工される歯車のタイプ及び歯車が生産される公差に依存し得る。方法を選択する際の他の考慮事項は、歯車のサイズ、内部セクション又はフランジの構成、製造される歯車の量、並びに歯車対ピニオン比及びコストを含むことができる。

他の部品特徴に隣接する歯は、現在、成形又はラック転造などの製造方法に限定されている。内歯の場合、成形又はブローチ加工が従来の製造方法であるが、各プロセスは部品タイプに限定される。換言すれば、ブローチ加工は、工具が部品を完全に通過することができるように、完全に遮られない部品レイアウトを有さなければならない。歯車成形は、歯が干渉表面に対して切断されることを可能にするが、機械サイクル及び柔軟性に関して本質的に遅い。

歯車スカイブ加工は、従来の歯車成形サイクル時間を最大８０％短縮する歯車製造における最近の開発である。従来のスカイブ加工は、非常に高速であるが、カッタクリアランス及び部品構成に限定される。

ワークに内歯を切削して歯車を形成するための歯車カッタ工具が提供される。歯車カッタ工具は、長手方向歯車カッタ回転軸を中心に回転するように構成される。ワークは、ワーク回転軸を中心に回転するように構成される。歯車カッタ工具は、複数の切削歯を有する歯車カッタを含む。複数の切削歯の各切削歯は、歯面と長手方向歯車カッタ回転軸を横切る線との間に画定される交差軸歯角度を画定する歯面を有する。交差軸歯角度は、１～１５度である。長手方向歯車カッタ回転軸とワーク回転軸との間に画定される歯車カッタ工具の交差軸工具角度は、実質的に０度に近い。

追加の特徴によれば、交差軸工具角度は、１～６度である。他の特徴では、交差軸工具角度は、１～５度である。他の特徴では、交差軸工具角度は、１～４度である。更に他の特徴において、交差軸工具角度は３度である。更に他の特徴において、交差軸工具角度は２度である。更に他の特徴において、交差軸工具角度は１度である。いくつかの構成では、長手方向歯車切断軸は、ワークに対して横方向である。交差軸歯角度は、１０～１５度であり得る。他の構成では、交差軸歯角度は、１～１０度であり得る。

歯車カッタ工具を使用して歯車を形成するためにワークに内歯を切削する方法は、複数の切削歯を有する歯車カッタを提供することを含む。複数の切削歯の各切削歯は、歯面と長手方向歯車カッタ回転軸を横切る線との間に画定される交差軸歯角度を画定する歯面を有する。交差軸歯角度は、１～１５度である。ワークは、ワーク軸を中心に回転される。歯車カッタ工具は、長手方向歯車切断軸を中心に回転される。ワーク軸と長手方向歯車カッタ軸は、それらの間に交差軸工具角度を画定する。ワークは、複数の歯で切削される。交差軸工具角度は、実質的に０度に近い。

追加の特徴によれば、交差軸工具角度は、１～６度である。他の特徴では、交差軸工具角度は、１～５度である。他の特徴では、交差軸工具角度は、１～４度である。更に他の特徴において、交差軸工具角度は３度である。更に他の特徴において、交差軸工具角度は２度である。更に他の特徴において、交差軸工具角度は１度である。交差軸歯角度は、１０～１５度であり得る。他の構成では、交差軸歯角度は、１～１０度であり得る。

本開示は、「発明を実施するための形態」及び添付図面からより完全に理解されるであろう。

ブランク配向で内歯車を切削するように構成された歯車カッタを含む例示的な従来技術の歯車カッタシステムの概略斜視図である。 図１Ａのシステムの概略斜視図であり、最終配向において精密内歯車を生成したカッタを示す。 カッタの回転軸と内歯車の回転軸との間の中心距離を示す、図１Ａのシステムの概略端面図である。 図１Ａのカッタ及び内歯車の概略側面図であり、カッタの回転軸と内歯車の回転軸との間の交差軸角度を示す。 従来技術の歯車カッタの概略側面図である。 本開示の一例による歯車カッタの側面概略図である。 従来の歯先端面の上に重ねられた提案された歯面の概略図である。 図５及び図６の歯車カッタを比較する概略的な並列図である。 従来の歯車の断面図である。 ワークとの干渉を示す、６度の交差軸角度で示された従来の歯車カッタの断面図である。 従来の歯車の断面図である。 本開示に従って構成され、ワークとの干渉がないことを示す、実質的に０度近傍の交差軸角度で示される、歯車カッタの断面図である。

例示的なインボリュート歯車カッタシステム（以下、「システム」）は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械と、最終配向の精密歯車を生産するように複数のパスで歯車から削りくずを除去するためにブランク配向の歯車を切削するように構成された修正歯比率歯車カッタ（以下、「カッタ」）とを含む。ＣＮＣ工作機械は、チャックと、アクティブサブスピンドル、すなわち、ＣＮＣ制御による制御された回転運動とを含む。カッタはスピンドルに取り付けることができ、ブランク構成の歯車はチャックに取り付けることができる。より具体的には、カッタは、複数の切削歯を有することができ、切削歯の各々は、ギアをブランク配向で切削して最終配向の歯車を提供するように構成された一対の切削端を有することができる。

最終配向では、歯車は、複数の切断歯とそれらの間の複数の谷とを含むインボリュート歯形を有する。切削端は、ブランク配向の歯車を切削するように構成されてもよく、その結果、最終配向の歯車は、互いに離間したアクティブ輪郭セクション及び動作ピッチ円直径を含む。したがって、カッタは、歯車の表面に沿って単一方向又は一方向にほぼ一定の力を加えて、特別な切削工具又は切削システムを必要とせずに、例えば０．００１０インチの公差内で歯車を機械加工する精度を向上させることができる。

図１Ａ～図３を参照すると、例示的な従来技術のシステム１００は、部分的にチャック１０４及びスピンドル１０６を有するコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械１０２を含む。システム１００は、スピンドル１０６に取り付けられたカッタ１０８を更に含み、スピンドルは、ブランク配向（図１Ａ）で歯車１１４を切削し、最終配向（図１Ｂ）で歯車１１２を生成するように、切削軸１１０を中心にカッタ１０８を回転させるように構成される。この形態のカッタ１０８は、ブランク配向の内歯車１１２を切削して最終配向の内歯車１１４を生成するように構成された外歯車である。最終配向における内歯車１１４は、複数の切断歯１１６を有する。歯１１６は、噛み合う歯車の対向する歯と接触するように構成された各歯面の一部であるアクティブ輪郭セクション１２０を含むインボリュート歯形１１８を有する。

ブランク配向の歯車１１２はチャック１０４に取り付けられ、チャックは、切断軸１２２（図１Ａ）を中心に歯車１１２を回転させるように構成され、それにより、切断軸１２２及び切削軸１１０は中心距離ＣＤ_Ｗだけ互いから離間される。加えて、切断軸１２２及び切削軸１１０は、歯車１１４が最終配向にあるとき、互いに対して交差軸角度αで配置される。本明細書で使用される場合、「交差軸」という用語は、歯車ワーク及び切削工具の２つの回転軸間の差を画定する角度である。

システム１００は、スピンドル１０６がカッタ１０８を回転させて歯車１１２を複数のパスで切削するときに、歯車１１２から削りくず、切り屑、又は塵を除去するために歯車１１２に流体を送達するように構成されたフラッシング装置１２４を更に含むことができる。流体は、システム１００から熱を除去することもできる。一例では、フラッシング装置１２４は、水、窒素ガス、又は別の流体を外歯車１１２に供給するためにリザーバ１２８と連通する流体ライン１２６である。最終配向では、歯車１１４は、複数の切断歯１１６とそれらの間の複数の谷とを含むインボリュート歯形を有する。インボリュート歯形１１８は、アクティブ輪郭セクション１２０を含み、動作ピッチ円直径は、歯車１１４がその最終配向にあるときにアクティブ輪郭セクションから離間される。従来技術のスカイブ加工工具の更なる説明は、同一出願人が所有する米国特許に見出すことができる。その内容が参照により本明細書に明示的に組み込まれる米国特許第１０，０１６，８２７号を参照されたい。

本開示は、特定のカッタ／ワーク干渉を排除しながらワークを正確に切断するその能力のために、現在の方法では以前は不可能であった歯のスカイブ加工を可能にする。従来のスカイブ加工方法は、ワークの軸と同じではない軸に取り付けられた回転歯車カッタからなる。従来のスカイブ加工方法は、切削工具をその回転交差軸角度で保持するときのワーククリアランスによって制限される。歯車カッタの交差軸角度は、切り屑を生成する切削動作を作り出す。より大きな交差軸角度は、より多くの切削動作及び増加した切り屑形成を可能にする。従来のシステムに対する所望の交差軸角度は、典型的には２０度であるが、１５度又は１２度などのより低い角度であってもよい。このような設計パラメータでは、工具のクリアランスを考慮しなければならず、スカイブ加工プロセスの用途を制限する。

本明細書で詳細に説明されるように、本開示は、ワークの軸及び工具の軸が同じ又は本質的に同じ（実質的に１～６度の範囲内）であることを可能にし、交差軸角度を完全に排除するか、又は大幅に低減する。カッタとワーク形状との間に小さなクリアランスが存在する状況では、より小さな交差軸角度が望ましい。提案された開示は、非常に小さい動作交差軸角度を依然として可能にしながら、より良好な切削動作を与える局所的な歯面角度修正を追加することによって、非常に小さい交差軸工具角度を可能にする。これに関して、工具の交差軸角度を最小化又は排除することにより、干渉点が排除される。交差軸角度を最小化又は排除することにより、工具が以前は不可能であった領域に到達することが可能になる。

従来の歯車スカイブ加工工具は、スカイブ加工機械の交差軸角度に等しい螺旋角度で製造される。この最新技術は、商業的に容易に入手可能である。切り屑の形成は、カッタの交差軸角度がワークの歯を横切ってスワイプし、材料を切り取るときに生じる。交差軸角度は、この切削動作を生成し、機械（歯車カッタ）の交差動作によって可能になる。本開示は、マクロレベルのワーク及び機械軸から、歯車カッタ自体の各歯に対して局所的なミクロレベルに交差角度を移動させる。これは、カッタの各歯上の局所的な交差軸角度を利用することによって切り屑形成に必要な交差軸を依然として提供しながら、カッタがほぼ０度の交差軸角度で保持されることを可能にする。本明細書で使用される場合、ほぼ０又は実質的にゼロは、１～６度の角度を指すために使用される。この利点は、以前は不可能であったワーク上の干渉位置に工具を近づけることができることである。この点に関して、本開示は、スカイブ加工をより多くのタイプのワーク、ショルダワーク、及びクリアランスが課題とされる用途に開放する。更に、本開示は、スカイブ加工プロセスを、ワークと切削工具軸との間に交差軸を有さない機械に開放する。工作機械のコストは、特注のスカイブ加工機に対して標準的な工作機械を利用することによって著しく低下する可能性がある。

次に図４を参照すると、１つの従来技術の例に従って構成された歯車カッタ又は切削工具が示されており、一般的に参照番号２０８で識別されている。歯車カッタ２０８は、複数の歯２３２を含む。各歯２３２は、ワーク２１２に対して歯面角度２４２を有する歯面２４１を画定する。交差軸角度２５０は、歯車カッタ２０８の長手方向回転軸２５２と、ワーク２１２を通る横軸２５４（本明細書ではワーク２１２の回転軸とも呼ばれる）との間に画定される。歯車カッタ２０８の交差軸角度２５０は、ワーク２１２の特定の位置２５８に小さなクリアランス距離を作り出す。最大交差軸角度は、ワーク形状及びクリアランスに依存する。図４に示すように、歯面角度２４２は、ワーク２１２の面に平行である。ワーク２１２は、歯２３２によって２７０で切断される。切削中、歯車カッタ２０８とワーク２１２の両方が回転している（歯車カッタ２０８は長手方向切削軸２８２を中心に、ワーク２１２は回転軸２５４を中心に）が、毎分回転数（ＲＰＭ）は異なる。

図５及び図６を参照すると、本開示の一例に従って構成された歯車カッタ工具が示されており、参照番号３０８で一般的に識別されている。歯車カッタ３０８は、複数の歯３３２を有する。各歯３３２は、歯面３４１を画定する。各歯３３２は、カッタ３０８全体ではなく、各歯３３２に局所化された交差軸歯角度３５０を有する。交差軸角度３５０は、０ではなく、歯面３４１と、歯車カッタ３０８の長手方向軸（又は回転軸）３５４を横切る線３５２との間の角度として定義される。本開示によれば、１～１５度の歯角度３５０を提供することにより、歯車カッタ工具３０８は、以前は不可能であったワークの領域に到達するように、（ワークに対して）改善された角度で配置され得ることが示されている。

各歯３３２において局所的な交差軸歯角度３５０を生成することによって、歯車カッタ３０８の長手方向軸３５４とワーク３１２の回転軸３７４との間に画定される交差軸工具角度３７２は、０度近くまで大幅に低減され得る。この場合も、１～６度の角度を使用して、切削の成功及び工具のリーチの改善を達成することができることが示されている。この点に関して、歯車カッタ３０８の長手方向軸３５４は、ワーク３１２の回転軸３７４と平行な関係に、又はその近くに配置することができる。歯車カッタ３０８全体を傾斜させる必要があるのではなく（図４、従来技術参照）、各歯面３４１は、それ自体の局所的な交差軸角度３５０である。したがって、ワーク３１２の肩部までうまくスカイブ加工を行うことができる。更に、切削工具３０８の経路は、部品形状によって以前に制限されたワーク３１２の領域内に更に侵入することができる。ワーク３１２は、歯３３２によって３７０（図５のワークの内部スプライン）で切削される。切削中、歯車カッタ３０８とワーク３１２の両方が回転しているが（歯車カッタ３０８は長手方向切削軸３７２の周りに、ワーク３１２は回転軸２７４の周りに）、異なるＲＰＭである。

図７は、従来技術の歯車カッタ２０８及びワーク２１２と、本開示による歯車カッタ３０８及びワーク３１２との比較を示す。図７において、交差軸工具角度３７２は、１～６度の間でより正確に示されている（図５における同じ角度の誇張された描写と比較して、見るのがより困難である）ことが理解されるであろう。注目すべきことに、追加のクリアランス３８０は、ワーク３１２と干渉する前に歯車カッタ３０８に設けられる。図８Ａは、従来の歯車４１２の断面図である。図８Ｂは、歯車カッタ４０８が送り軸４３８に沿って前進するときのワーク４１２との参照番号４３４における干渉を示す６度の交差軸角度で示される従来の歯車カッタ４０８を示す。図示のように、歯車カッタ４０８とワーク４１２との間の干渉４３４により、スカイブ加工は不可能である。図９Ａに、従来の歯車５１２の断面図を示す。図９Ｂは、本開示に従って構成された歯車カッタ３０８の断面図であり、歯車カッタ３０８が送り軸５３８に沿って前進するときに実質的に０度に近い交差軸角度で示され、ワークと干渉しないことを示している。

従来のスカイブ加工機械では、機械は、交差軸を提供する能力を有しなければならない。この点に関して、単に水平フライス盤の代わりに、スカイブ加工機械はまた、所望の交差軸を達成するために、５軸テーブル又は他の傾斜軸を提供する能力をユーザに提供しなければならない。本開示は、追加の調整軸を提供しないはるかに安価な機器で最終結果を達成することができるように、この要件を除去する。

前述の説明の例は、多くの例示及び説明のために提供されている。包括的であること、又は開示を限定することを意図するものではない。特定の態様の個々の要素又は特徴は、一般にその特定の例に限定されないが、適用可能な場合には、具体的に図示又は説明されていなくても、交換可能であり、選択した例で使用することができる。同じことが、多くの方式において変更されてもよい。このような変更は、本開示からの逸脱とみなされるべきではなく、全てのこのような修正が、本開示の範囲内に含まれることが意図される。

Claims (19)

1. ワークに内歯を切削して歯車を形成するための歯車カッタ工具であって、前記歯車カッタ工具は、長手方向歯車カッタ回転軸を中心に回転するように構成され、前記ワークは、ワーク回転軸を中心に回転するように構成され、前記歯車カッタ工具は、
   複数の切削歯を有する歯車カッタであって、前記複数の切削歯の各切削歯は、歯面と前記長手方向歯車カッタ回転軸を横切る線との間に画定される交差軸歯角度を画定する前記歯面を有し、前記交差軸歯角度は１～１５度であり、前記長手方向歯車カッタ回転軸と前記ワーク回転軸との間に画定される前記歯車カッタ工具の交差軸工具角度は実質的に０度に近い、歯車カッタ、
   を備える、歯車カッタ工具。
2. 前記交差軸工具角度は、１～６度である、請求項１に記載の歯車カッタ工具。
3. 前記交差軸工具角度は、１～５度である、請求項２に記載の歯車カッタ工具。
4. 前記交差軸工具角度は、１～４度である、請求項３に記載の歯車カッタ工具。
5. 前記交差軸工具角度は、３度である、請求項４に記載の歯車カッタ工具。
6. 前記交差軸工具角度は、２度である、請求項４に記載の歯車カッタ工具。
7. 前記交差軸工具角度は、１度である、請求項４に記載の歯車カッタ工具。
8. 前記長手方向歯車切断軸は、前記ワークに対して横方向である、請求項１に記載の歯車カッタ工具。
9. 前記交差軸歯角度は、１０～１５度である、請求項１に記載の歯車カッタ工具。
10. 前記交差軸歯角度は、１～１０度である、請求項９に記載の歯車カッタ工具。
11. 歯車カッタ工具を使用して歯車を形成するためにワークに内歯を切削する方法であって、前記方法は、
    複数の切削歯を有する歯車カッタであって、前記複数の切削歯の各切削歯は、歯面と長手方向歯車カッタ回転軸を横切る線との間に画定される交差軸歯角度を画定する前記歯面を有し、前記交差軸歯角度は１～１５度である、歯車カッタを提供することと、
    ワーク軸を中心に前記ワークを回転させることと、
    前記歯車カッタ工具を長手方向歯車切断軸を中心に回転させることであって、前記ワーク軸及び長手方向歯車切断軸は、それらの間に交差軸工具角度を画定する、ことと、
    前記複数の歯を使用して前記ワークを切削することであって、前記交差軸工具角度は実質的に０度に近い、ことと、
    を含む、方法。
12. 前記交差軸工具角度は、１～６度である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記交差軸工具角度は、１～５度である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記交差軸工具角度は、１～４度である、請求項１３に記載の方法。
15. 前記交差軸工具角度は、３度である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記交差軸工具角度は、２度である、請求項１４に記載の方法。
17. 前記交差軸工具角度は、１度である、請求項１４に記載の方法。
18. 前記交差軸歯角度は、１０～１５度である、請求項１１に記載の方法。
19. 前記交差軸歯角度は、１～１０度である、請求項１１に記載の方法。