JP5132753B2 - 曲がり歯傘歯車の歯面加工方法 - Google Patents
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即ち、ギア、ピニオンの歯面加工には、特殊な技術と経験、及び高度な計算に基づき、基準の座標位置から微小調整(機械テーブルの前後移動による微調整、ワークの軸方向移動による微調整、それぞれの軸心をずらすオフセット調整等)してマシンセッティングを行ない、カッタの傾きや位置等を求める必要があった。
ギア(大歯車)の歯面は、梯形断面の切れ歯を有するカッタを基準位置に取り付け、カッタを回転させながら軸方向に送るというカッタの簡単な動きで加工する。
ピニオン(小歯車)の歯面は、ピニオン歯面加工用の専用カッタで加工するが、相手ギアとの適切な歯当たりを得るために必ず歯当たり修整を含めた加工を行う。
歯当たり修整方法は、カッタ、ピニオン歯車の取付位置を基準位置から単一項目又は複数項目移動させる「マシンセッティング修整」状態で加工を行い、目標とする「歯当たり」を得るのが一般的であるが、マシンセッティング修整仕様を決定するには、高度な経験と技術が要求される。
そして、目的に応じて設計者の意図する位置に歯当たりを確保するために、歯形及び歯筋に関して数回の修整トライを行なうこともあるが、その予測計算には高度な計算と経験と時間と費用を要するのが普通である。
上記従来の方法によれば、曲がり歯歯車用の歯切専用機を用いることなく、汎用の工作機械によって曲がり歯傘歯車の歯面を加工することができる。しかし、この方法は、適切な歯当たりを得るために、歯車の歯筋を修正する技術を備えていない。
一方の曲がり歯傘歯車となる前記被切削歯車の歯筋のみに、前記無負荷時歯当たりの無い領域を形成することができる。
前記切刃の回転中心軸の軌道を前記基準軌道として切削を行ない、前記被切削歯車に曲がり歯傘歯車対が全面歯当たりとなる歯面を形成した後、前記切刃の回転中心軸の軌道を修正軌道として切削を行ない、歯筋の両端部に無負荷時歯当たりの無い領域を形成しても良い。
断面梯形の切刃を有するカッタを用い、前記切刃の先端が歯底円錐面に達するまで前記カッタをZ軸方向に移動させることにより、全歯丈に亘って無負荷時歯当たりの無い領域を形成することがある。
また、側面の先端部に切削部が形成された切刃を有するカッタを用い、該カッタのZ軸方向への移動を制御することにより、歯丈の一部に無負荷時歯当たりの無い領域を形成することもある。
請求項2に係る発明によれば、歯筋の大径側端部及び小径側端部においても、歯底が正確に歯底円錐面と接するよう歯面を形成することができる。
請求項3に係る発明によれば、他方の曲がり歯傘歯車となる被切削歯車には歯筋修正を施さず、切刃の回転中心軸を基準位置に設定して切削するだけで、望ましい歯当たりを確保することができる。
図1に示すように、円盤2の外周部に複数の切刃3を配設して成るカッタ1を用いて、図2に示すような曲がり歯傘歯車対(歯数の多いギアG1と歯数の少ないピニオンG2)の歯面加工を行なう。
カッタ1は、互いに直交するX,Y,Z軸方向に移動可能で、Z軸と平行な工具軸(図示せず)の先端に取り付けられる。
被切削歯車4は、座標原点(O1)を通ってX−Z平面に含まれ、X軸との角度が可変なA軸上に配置した回転軸5の先端に取り付けられる。被切削歯車4は、その中心軸がA軸と一致し、周面に形成しようとする各歯の歯底を含む歯底円錐面がX−Y平面と平行になるよう、即ち、A軸とX軸との交差角度が歯底円錐角と同じくなるようセットされる。
そして、工具軸を回転させながらZ軸方向に移動させ、切刃3の先端が歯底円錐面に達するまでカッタ1を追い込むことにより、ギアG1及びピニオンG2の歯面を得る。
ギアG1の歯面を加工するためのカッタ1の切刃3の断面形状と円盤2の半径(切刃3の軌道の半径)を決定する。切刃3の軌道の半径は、被切削歯車4の大径円錐距離(座標原点から被切削歯車4の大径側端部までの距離)と同じか、少し小さい値とする。
このカッタ1による加工で得られるギアG1の歯面を3次元歯面上の点群として、それぞれの点の座標、法線ベクトル、及び曲率半径を求める。
次いで、ギアG1と噛み合うピニオンG2の「共役歯面」を数学的手法で求める。計算で求めた「共役歯面」は、ギアG1とピニオンG2とを噛み合わせると、当然100%歯面当たりとなる。
この曲がり歯傘歯車対を実用に供するには、一方の曲がり歯傘歯車(通常は、歯数の少ないピニオンG2)の歯面に適切な修正を加え、上記したJIS規格(又は米国のAGMA規格390.03)に適合する歯当たりを確保しなければならない。
図3に示すように、X軸上において被切削歯車4の平均円錐距離(Mean Cone Distance)「md」にある位置を「D」、切刃3の中心の軌道であるカッタ円弧Sの半径を「rc」とする。
D点において、カッタ円弧SとX軸との交差角度が所定の捩れ角βになるようカッタ円弧Sの中心(切刃3の回転中心軸)O2D(X=H0,Y=V0)を決める。中心O2Dの極座標表示の腕の長さをL、腕とY軸との角度をΘとする。
大径側端部Cにおいて切刃3が被切削歯車4の歯底円錐面上にあるためには、図4に示すように、工具軸を制御してカッタ円弧Sの中心を「02C」[X=(H)FOR 02C,Y=(V)FOR 02C]に移動すると共に、大径側端部Cと座標原点とを結ぶ直線がX軸と平行になるまで、被切削歯車4をA軸周りに回転させる必要がある。
この時のカッタ円弧Sの中心「02C」を極座標で示すと、腕の長さLは変化せず、腕とY軸との角度Θ=(Θ)FOR 02Cとなる。
この時のカッタ円弧Sの中心「02B」を極座標で示すと、腕の長さLは変化せず、腕とY軸との角度Θ=(Θ)FOR 02Bとなる。
なお、実際の加工時には、被切削歯車4の回転角は、図4及び図5に示す範囲よりも大きくする。
図6に示すように、カッタ円弧Sの中心は半径Lの一つの円弧上を移動し、被切削歯車4に形成される歯底中心線はB,D,Cを通る。
このように、被切削歯車4の回転角度、及び、「Θ」を連続的に制御することにより、被切削歯車4の歯底円錐面上に正しく歯底を加工することができると共に歯形の創成を行なう。
図7に、歯面a上における無負荷時の歯当たり狙い領域bを示す。図7の(イ)は、四角形の歯当たり狙い領域bを、図7の(ロ)は、楕円形の歯当たり狙い領域bを、図7の(ハ)は、楕円形で傾斜した歯当たり狙い領域bをそれぞれ示す。
このように、E点から修正開始し、大径側端部Cで修正目標値δを得るためには、図8に示すように、カッタ円弧の中心を大径側基準位置「02C」から大径側修正位置「02C’」に移動させる。
大径側修正位置「02C’」をX,Y座標で示すと、
X(02C’)=X(02C)+ΔX
Y(02C’)=Y(02C)+ΔYとなる。
修正開始点Eの位置と大径側端部Cにおける修正目標値δから、カッタ円弧Sの中心の大径側修正値(ΔX,ΔY)を簡単に求めることができる。
この方法で大径側の歯筋修正を行なうと、修正円弧S’上では点BがB”へ移動すると共に、点DがD”へ移動するが、(B”−E)間には歯面が無いので切削されることはない。
また、カッタ円弧Sの中心を大径側基準位置「02C」から大径側修正位置「02C’」に移動させる経路によって、異なった修正曲線を得ることができ、E点付近の修正曲線をなだらかにするには、カッタ円弧Sの中心をなだらかに「02C」から「02C’」へ移動させる。
図10に示すように、点Eは、オリジナル円弧S及び修正円弧S’に共通する点であり、点C’は、大径側基準位置「02C」及び点Cを通る直線L1上において、点Cからδの位置にある。
また、点Eを中心とした半径rcの円S1、点C’ を中心とした半径rcの円S2を定義すると、大径側基準位置「02C」は円S1上にある。
なお、円S1と円S2とは二つの交点を有するが、図示する点(02C’)ではない他の交点は、カッタ1の移動距離が大きくなって現実的ではないので、無視すればよい。
カッタ円弧Sの中心の移動量であるΔX,ΔYの値は、上記の方法を数式化し、又は、CAD上に求めることができる。
なお、修正目標値δを「−」にすれば、凸歯面に対しても同様の方法で歯筋修正を行なうことができる。
図11に示すように、点C’と点Eを直線L2で結び、直線L2の方程式を求める。点C’と点Eとの中点をGとし、点Gを通って直線L2に直交する直線L3の方程式を求める。
直線L3と円S1との交点を求めると、この点(02C’)は直線L3と円S2の交点とも一致するので、求めた点(02C’)は修正円弧S’の中心であるといえる。
即ち、切刃3の回転中心の移動量は、修正目標値δ及び修正開始点Eの位置に対して一義的に求めることができる。
先に示した具体例と同じく、rc=50.8mm、X(02C)=20.9218mm、Y(02C)=38.6148mmとする。
カッタ1は、図12に示すような断面梯形状の切刃3を有し、切刃3を歯底まで追い込んだ状態で歯面形成及び修正加工を行なう。なお、切刃3のカッタ外周側の側面が凹歯面を加工し、カッタ中心側の側面が凸歯面を加工する。
まず、カッタ円弧Sの中心が基準軌道(02B,02D,02C)を通るようカッタ1を往復回転させて、凹凸歯面にそれぞれ仕上げ代を残して凹凸歯面を荒加工する。実際には、仕上げ代の分だけ薄い切刃を用いて切削することによって荒加工する。
(E−C)間の距離を10.4mmとし、大径側端部Cでδ=100μの修正を行なうためには、図13に示すように、カッタ円弧Sの中心を大径側基準位置「02C」から大径側修正値(ΔXC=421μ,ΔYC=226μ)だけ修正した大径側修正位置「02C’」に移動する。
即ち、カッタ円弧Sの中心を基準軌道(02B→02D→02C)から修正軌道(02B’ →02D→02C’)へ微小移動させるだけで、図14に示すように、「B’−F−D−E−C’」の歯筋形状に仕上げることが可能となる。
なお、修正開始点E,FをD点に一致させると、フルクラウニング修正を施した歯筋が得られる。
また、荒加工した凸歯面についても、同じ方法で歯筋無修正の凸歯面を形成した後、歯筋修正を行なうことが可能である。
例えば、凹歯面を形成する際に、初めからカッタ円弧Sの中心が修正軌道(02B’ →02D→02C’)を通るよう制御しながら、カッタ1をZ軸方向に移動させて往復回転させることにより、歯筋形状が「B’−F−D−E−C’」の凹歯面を創成することができる。
凹歯面を形成した時に自動的に凸歯面も形成されてしまうが、切刃3の厚みは歯溝の幅よりも薄いので、この凸歯面は正しい歯面ではない。即ち、この凸歯面には仕上げ代が残り、歯厚が目標値より厚い状態となっているので、カッタ1を凸歯面側へ移動して切削することにより、正規の凸歯面を形成する。この時、凸歯面の創成と同時に歯筋修正を行なうことができる。
従って、ポイント式のカッタ1’を用いれば、歯面を斜めに修正することも、楕円形の歯当たりを形成することも可能である。
断面梯形の荒加工用の切刃を有するカッタを用いて、歯面に仕上げ代を残した荒加工を行なってから、ポイント式のカッタ1’で修正して仕上げることもできる。
小径のピニオンG2に対する加工とは異なり、ギアG1は歯数が多くて径が大きいので、歯面加工を行なう際にA軸(中心軸)周りに回転させなくても良い。しかし、径が大きいとはいえ、ギアG1を回転させずに歯面を形成すると、歯筋の小径側端部B及び大径側端部Cでは、歯底が歯底円錐面から少し離れてしまう。従って、歯底を正確に歯底円錐面と一致させるために、ギアG1を中心軸周りに僅かに回転させながら歯面加工を行なう場合もある。
また、ギアG1の歯筋修正を行なう場合に、ピニオンG2の修正と比べて、修正する歯数は多いが、カッタ円弧Sの中心の移動量は少なくて済む。
なお、上記した説明では、大径側修正値及び小径側修正値をX,Y座標で示したが、極座標において、腕とY軸との角度Θを変えず、腕の長さLの修正値ΔLとして得ることもできる。
2 円盤
3,3’ 切刃
3a 切削部
4 被切削歯車
5 回転軸
a 歯面
b 歯当たり狙い領域
G1 ギア
G2 ピニオン
Claims (7)
- 切刃を有するカッタを、互いに直交するX,Y,Z軸方向に移動可能に、且つ、前記切刃の回転中心軸がZ軸と平行になるよう設け、被切削歯車を、その中心軸が座標原点を通るよう、且つ、該被切削歯車に形成する歯の歯底円錐面がX−Y平面と平行になるよう設置し、前記カッタを回転させながらZ軸方向に移動すると共に、前記切刃の回転中心軸を座標原点を中心とする円弧に沿ってX,Y軸方向に移動させて前記被切削歯車の周面を切削し、曲がり歯傘歯車対の歯面を加工する方法であって、前記切刃の回転中心軸の軌道を、曲がり歯傘歯車対の歯面が全面歯当たりとなる大径側基準位置及び小径側基準位置を通る基準軌道から、前記歯面の大径側端部及び小径側端部における修正目標値並びに歯面の修正開始位置に基づいて換算した大径側修正値及び小径側修正値だけX,Y軸方向に移動した大径側修正位置及び小径側修正位置を通る修正軌道とすることにより、歯筋の両端部に無負荷時歯当たりの無い領域を形成することを特徴とする曲がり歯傘歯車の歯面加工方法。
- 前記切刃が前記歯底円錐面と一致するよう、前記被切削歯車をその中心軸周りに回転させて、前記被切削歯車の周面を切削する請求項1に記載した曲がり歯傘歯車の歯面加工方法。
- 一方の曲がり歯傘歯車となる前記被切削歯車の歯筋のみに、前記無負荷時歯当たりの無い領域を形成する請求項1又は2に記載した曲がり歯傘歯車の歯面加工方法。
- 前記切刃の回転中心軸の軌道を前記基準軌道として切削を行ない、前記被切削歯車に曲がり歯傘歯車対が全面歯当たりとなる歯面を形成した後、前記切刃の回転中心軸の軌道を修正軌道として切削を行ない、歯筋の両端部に無負荷時歯当たりの無い領域を形成する請求項1〜3のいずれかに記載した曲がり歯傘歯車の歯面加工方法。
- 前記切刃の回転中心軸の軌道を修正軌道として切削を行ない、歯筋の両端部に無負荷時歯当たりの無い領域を有する歯面の創成を行なう請求項1〜3のいずれかに記載した曲がり歯傘歯車の歯面加工方法。
- 断面梯形の切刃を有するカッタを用い、前記切刃の先端が歯底円錐面に達するまで前記カッタをZ軸方向に移動させることにより、全歯丈に亘って無負荷時歯当たりの無い領域を形成する請求項1〜5のいずれかに記載した曲がり歯傘歯車の歯面加工方法。
- 側面の先端部に切削部が形成された切刃を有するカッタを用い、該カッタのZ軸方向への移動を制御することにより、歯丈の一部に無負荷時歯当たりの無い領域を形成する請求項1〜5のいずれかに記載した曲がり歯傘歯車の歯面加工方法。
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