JP5174933B2 - 歯車加工装置及び歯車加工条件設定装置 - Google Patents

Description

本発明は、歯車加工条件設定装置、特に、ホブカッタによりワーク歯車を切削加工する際の加工条件を出力する歯車加工条件設定装置及びそれを備えた歯車加工装置に関する。

歯車加工装置の一例として、ホブ盤が提供されている。ホブ盤は、ホブカッタを用いてワークに歯形を創成する装置であり、テーブル側にワークが支持され、工具ヘッドにホブカッタが支持されている。ホブカッタ及びワークはそれぞれの駆動機構によって一定の関係で回転させられる。また、ホブカッタは、送り機構によって、ワークに対して相対的に歯車軸方向に一定の送り量で送られるようになっている。

以上のようなホブ盤を含む工作機械では、加工能率を向上させるために、切削速度を各条件に適した速度にすることが望まれている。例えば特許文献１には、ワーク材料の硬度から切削速度を求める方法が示されている。また、特許文献２には、ホブ盤において、歯車のモジュールと切削速度との関係が示されている（例えば図１７）。

特開２００８−２１３０９７号公報 特開２００１−８７９４５号公報

特許文献１に記載された方法は、ワークがビッカース硬度で１００以上１７０以下の純鉄又は機械構造用炭素鋼に限定され、しかも刃先温度を６４０℃〜７００℃にするための切削速度算定方法である。したがって、一般的な歯車加工の条件を設定するために適用することができない。

ここで、ホブ盤で歯切り加工を行う場合は、切削速度に加えてホブカッタの１刃当たりの送り量も加工時間に直接的に影響する。しかし、特許文献２にも示されているように、従来の加工条件の設定方法では、単に歯車のモジュールによって切削速度を設定するようにしており、送り量についても同様である。そして、これらの設定については、明確な基準はなく、ホブカッタの刃の欠損や異常摩耗が生じないようなレベルで経験値によって決められているのが現状である。また、経験値によって適切な加工条件が設定できたとしても、ホブカッタ及び歯車の諸元が異なると、試し加工等によって新たに加工条件を見つけ出す必要がある。

本発明の課題は、ホブカッタやワーク歯車の諸元等を入力することにより、これらの諸元にとって好適な加工条件を容易に得ることができるようにすることにある。

第１発明に係る歯車加工条件設定装置は、ホブカッタによりワーク歯車を切削加工する際の加工条件を出力する装置であって、パラメータ受付手段と、第１記憶手段と、第２記憶手段と、送り量演算手段と、第３記憶手段と、切削速度演算手段と、を備えている。パラメータ受付手段は、ホブカッタ及びワーク歯車の諸元を含む送り量決定パラメータと、ホブカッタの刃先の加工中における目標温度と、を受け付ける。第１記憶手段は、ホブカッタのワーク歯車に対する相対的な送り量及び送り量決定パラメータから決まる特性値と、ホブカッタ１刃当たりの演算切込み量と、の関係を示す切込み量演算式が格納されている。第２記憶手段は、ワーク歯車の諸元及び材質によって予め設定されたホブカッタ１刃当たりの最大限界切込み量が格納されている。送り量演算手段は、切込み量演算式によって得られた演算切込み量と最大限界切込み量のうちのいずれかを選択し、選択された切込み量から、切込み量演算式を用いてホブカッタの送り量を求める。第３記憶手段は、ホブカッタの刃先温度を所定温度にした場合の切込み量と切削速度との関係を示す温度一定曲線のデータが格納されている。切削速度演算手段は、選択された切込み量に対応する切削速度を、温度一定曲線におけるホブカッタの刃先目標温度の曲線を参照して求める。

この装置では、送り量決定パラメータ及びホブの刃先の加工中における目標温度がオペレータ等によって入力される。送り量決定パラメータはホブカッタ及びワーク歯車の諸元を含んでいる。これらのパラメータが入力されると、切込み量演算式によって得られた演算切込み量と最大限界切込み量のうちのいずれかが切込み量として選択され、選択された切込み量から、切込み量演算式を用いて送り量が演算される。次に、選択された切込み量に対応する切削速度が、温度一定曲線におけるホブカッタの刃先目標温度の曲線を参照して求められる。温度一定曲線は、ホブカッタの刃先温度を所定温度にした場合の切込み量と切削速度との関係を示す曲線である。

ここでは、ホブカッタ及びワーク歯車の諸元等を入力することによって、好適な送り量と切削速度を容易に得ることができる。したがって、ホブカッタや歯車諸元が変わっても常に好適な送り量と切削速度とを設定して加工することができる。

第２発明に係る歯車加工条件設定装置は、第１発明の装置において、送り量決定パラメータは、ホブカッタのワーク歯車に対する相対的な指定送り量を含み、送り量演算手段は、指定送り量から切込み量演算式によって得られた演算切込み量と最大限界切込み量とを参照して得られる切込み量から送り量を求める。

ここで、面粗さを考慮して、オペレータによって送り量が指定される場合がある。この指定送り量から切込み量演算式により演算切込み量が求められ、演算切込み量と最大限界切込み量とから送り量が求められる。

ここでは、面粗さ及び最大限界切込み量を考慮して送り量が決定されるので、加工品質及びホブカッタの寿命を考慮した加工条件を容易に決定することができる。

第３発明に係る歯車加工条件設定装置は、第２発明の装置において、送り量演算手段は、演算切込み量及び最大限界切込み量のうちの小さい方を切込み量として選択する。

ここでは、第２発明と同様に、加工品質及びホブカッタの寿命を考慮した好適な加工条件を容易に決定することができる。

第４発明に係る歯車加工条件設定装置は、第１から第３発明のいずれかの装置において、切込み量演算式に含まれる特性値は、ワーク歯車のモジュール、ホブカッタのワーク歯車に対する送り量、及びホブカッタの条数の累乗に比例し、ワーク歯車の歯数及びホブカッタの溝数に反比例する値である。

第５発明に係る歯車加工条件設定装置は、第１から第４発明のいずれかの装置において、温度一定曲線は、ホブカッタの刃先温度が一定の場合は切込み量と切削速度とが反比例することに基づいて作成されている。

第６発明に係る歯車加工条件設定装置は、第１から第５発明のいずれかの装置において、切削速度演算手段は、切削速度から主軸回転数を演算する。

第７発明に係る歯車加工条件設定装置は、第６発明の装置において、主軸モータの許容出力が格納された第４記憶手段と、限界主軸回転数演算手段と、をさらに備えている。限界主軸回転数演算手段は、切削動力と許容出力とから最大限界主軸回転数を演算する。切削動力は、ホブカッタ及びワーク歯車の諸元と、主軸回転数と、ホブカッタのワーク歯車に対する送り量と、から求められる。そして、切削速度演算手段は、演算により求められた主軸回転数と最大限界主軸回転数とを比較し、低い回転数を制御用主軸回転数として出力する。

ここでは、まず、ホブカッタ及びワーク歯車の諸元、主軸回転数、及び送り量から、切削動力が求められ、この切削動力と許容出力とから最大限界主軸回転数が演算される。そして、第６発明で得られた主軸回転数と最大限界主軸回転数とが比較され、低い回転数が制御用主軸回転数として出力される。

第８発明に係る歯車加工装置は、創成歯切り加工を行う装置であって、先端にホブカッタが装着される主軸と、主軸をワーク歯車の軸方向に沿って移動させるための送り手段と、送り手段の送り量及び主軸の回転数を含む加工条件を設定するとともに加工を制御する数値制御部と、数値制御部に送り量及び主軸回転数の設定値を送る第１から第７発明のいずれかに記載の歯車加工条件設定装置と、を備えている。

以上のように本発明では、ホブカッタやワーク歯車の諸元等を入力することにより、好適な送り量と切削速度を容易に得ることができ、適切な加工条件によって効率の良い加工を行うことができる。

ホブカッタによる歯切り加工を説明するための模式図。 本発明の一実施形態によるホブ盤の全体ブロック図。 特性値ｑと切込み量との関係を示す図。 最大限界切込み量の一例を示す図。 温度一定曲線と切込み量と切削速度との関係を示す図。 加工条件演算装置の制御フローチャート。

［ホブカッタによる歯切り加工について］
まず、図１により、ホブカッタによる歯切り加工の概略を説明する。図１において、ホブカッタ１はホブ盤（歯車加工装置）の主軸に装着されて図のＲ１方向に回転する。また、ワークとしての歯車素材（以下、単に「ワーク歯車」と記す）２はホブ盤のテーブルに支持されて図のＲ２方向に回転する。このように、ホブカッタ１及びワーク歯車２は所定の関係で互いに回転しながら歯切り加工が行われる。また、ホブカッタ１は、ワーク歯車２の１回転当たり、歯車軸方向（図１の紙面垂直方向）に所定量だけ送られる。以下、この場合の歯車軸方向への所定の送り量を「送り量」と記す。

以下の説明では、ホブカッタ１の諸元は、条数Ｉ、溝数（刃数）Ｚｈであり、ワーク歯車２の諸元は、モジュールｍ、歯数Ｚｗとする。また、加工条件は、切削速度Ｖ（ホブカッタが装着された主軸の回転数に対応する）、ホブカッタ１の送り量ｆとする。さらに、図１に示すように、ホブカッタ１の１刃当たりの切込み量をａｐとする。

［全体構成］
図２に、本発明の一実施形態によるホブ盤の全体ブロック図を示している。このホブ盤は、ホブ盤本体５と、ホブ盤本体５の加工を制御する数値制御装置（NC装置）６と、数値制御装置６に対してホブカッタ１の送り量ｆと及び切削速度Ｖ（主軸回転数）を指令する加工条件演算装置７と、を有している。ホブカッタ１はホブ盤本体５の主軸に支持され、ワーク２はテーブルに支持される。

ホブ盤本体５には、主軸モータ５ａ及び送りモータ５ｂが設けられている。主軸モータ５ａはホブカッタ１が装着された主軸を回転駆動するためのモータである。また、送りモータ５ｂはホブカッタ１が装着された主軸をワーク歯車２の歯車軸方向に移動させるためのモータである。

数値制御装置６には、加工プログラムが格納された記憶装置（図示せず）や、加工条件を設定するための入力部１０が設けられている。この入力部１０からは、ホブカッタ１やワーク歯車２の諸元、指定送り量等の加工条件が入力パラメータとして入力される。

加工条件演算装置７は記憶部１１及び演算部１２を有している。加工条件演算装置７には、入力部１３を介して、制御用のしきい値として、ホブカッタの刃先の目標温度、主軸モータ５ａの許容出力等が入力される。記憶部１１には各種のデータベース及び切削動力計算式が格納されている。データベースについては後述する。また、切削動力計算式は、ホブカッタ及びワーク歯車の諸元、主軸回転数、及び送り量から切削動力を求めるための演算式である。演算部１２は、パラメータ受付機能と、加工条件演算機能と、条件出力機能と、を有している。パラメータ受付機能は、入力部１３から入力されるしきい値等のパラメータや数値制御装置６から与えられるパラメータを取り込む機能である。また、加工条件演算機能は、記憶部１１に格納されたデータベースを参照して、ホブ盤本体５で歯切り加工する際の好適な加工条件、すなわち、ホブカッタ１のワーク歯車２に対する好適な送り量ｆ（mm/t-rev）及び切削速度Ｖ（主軸回転数：m/min）を演算する機能である。条件出力機能は、演算によって得られた送り量ｆを数値制御装置６に出力するとともに、切削速度に対応する制御用主軸回転数を数値制御装置６に出力する機能である。

数値制御装置６は、加工条件演算装置７からの信号に基づいて、主軸モータ５ａ及び送りモータ５ｂに対して電流指令値を送る。これにより、ホブカッタ１は、各条件に適した回転数で回転しながら、かつ各条件に適した送り量で送られる。

［記憶部のデータベース］
前述のように、記憶部１１には、加工条件を演算するために、入力部１３から入力された制御用のしきい値等のパラメータが記憶され、また以下に示す各種のデータベースが格納されている。

＜第１データベース＞
第１データベースＤＢ１は、ある特性値ｑに対する演算切込み量ａｐ１を示すデータである。本件発明者は、ホブカッタ１やワーク歯車２の諸元等と切込み量とについて、種々の観点から検討した。その結果、特性値ｑを定義することによって、図３に示すように、特性値ｑと切込み量ａｐとに一定の関係があること、及び切込み量ａｐが以下の近似式で表されることを見出した。

ａｐ＝β×ｑ^γ −−−−（１）
なお、特性値ｑは、ワーク歯車２のモジュールｍ、ホブカッタ１のワーク歯車２に対する送り量ｆ（mm/t-rev）、ホブカッタ１の条数Ｉ、ワーク歯車２の歯数Ｚｗ、及びホブカッタ１の溝数Ｚｈによって定義される値であり、以下の式によって表される。

ｑ＝ｍ×ｆ×Ｉ^α／（Ｚｗ×Ｚｈ） −−−−（２）
すなわち、特性値ｑは、モジュールｍ、送り量ｆ、及び条数Ｉの累乗に比例し、歯数Ｚｗ及び溝数Ｚｈに反比例する値である。

そこで、第１データベースＤＢ１として、切込み量ａｐ１を演算するための近似式（１）と、特性値ｑと送り量ｆとの関係を示す式（２）が、記憶部１１に格納されている。以下では、近似式（１）によって得られる切込み量を「演算切込み量ａｐ１」と記す。

＜第２データベース＞
第２データベースＤＢ２は、ワーク歯車２の材質、モジュールｍ、ワーク歯車２の歯数Ｚｗから経験的に定められている最大限界切込み量ａｐ２のデータである。図４に、第２データベースＤＢ２の一例として、ワーク歯車２の材質がブリネル硬さ（ＨＢ）２００以下の場合の最大限界切込み量ａｐ２を示している。なお、最大限界切込み量以上の切込み量で加工を行うと、ホブカッタ１の刃が折損したり、あるいは異常摩耗が生じたりする可能性が高くなる。

＜第３データベース＞
本件発明者らの研究によれば、ホブカッタ１の刃先の現象と切削条件との関係について、以下のことがわかった。

すなわち、刃先の現象と切削条件との関係について、刃先の摩耗は加工中に生じる熱に、刃先の欠けは力に、微小チッピングは局所応力に、それぞれ大きく影響することが判明した。そして、熱は切削速度及び切込み量に関係があり、また欠け及び局所応力はともに切込み量に関係がある。

したがって、刃先の摩耗を抑えるためには、熱、すなわち刃先温度を抑えることが重要であることがわかる。そして、ある切込み量でかつ所定の切削速度で歯切り加工を行った場合の刃先の温度を解析した結果、切削速度×切込み量の値と刃先温度との間に所定の相関関係があることが判明した。この場合、刃先温度が一定の場合は、切削速度と切込み量とは、切込み量が増えるほど図５に示すａｐ軸に漸近し、切込み量が減るほどＶ軸に漸近する関係である。

以上の研究結果から、図５に示すように、ある刃先温度一定の曲線Ｔに対する切込み量ａｐと切削速度Ｖとの関係を得ることができる。この図５に示すようなデータが、第３データベースＤＢ３として記憶部１１に格納されている。

［制御処理］
図６に加工条件を設定するためのフローチャートを示している。なお、この図６では、フローチャートの左側欄に入力パラメータを、右側欄に記憶部１１に記憶されている制御用のパラメータ及び記憶部１１に予め格納されているデータベースの内容を示している。そして、各処理ステップにおいて使用する入力パラメータ及びデータベースを、破線で関連づけして示している。

まず、ステップＳ１では、入力部１３から入力された各種のパラメータや、数値制御装置６に入力された諸元等のパラメータを受け付ける。演算部１２に取り込まれるパラメータは、以下の通りである。

(a) ワーク歯車諸元：モジュールｍ、歯数Ｚｗ
(b) 指定送り量ｆ’
(c) ホブカッタ諸元：溝数Ｚｈ、条数Ｉ
ここで、指定送り量ｆ’は、ワーク歯車２の仕上げ面粗さ等を考慮して、オペレータが入力部１３から入力する値である。この場合の面粗さは、理論面粗さであり、送り量とホブカッタの外径で決まる値である。なお、面粗さの設計目標値によっては、ホブカッタの刃先の能力を超える場合があるので、指定送り量ｆ’を指定しない（入力しない）場合もある。

次に、ステップＳ２では、第１データベースＤＢ1を用いて、指定送り量ｆ’から演算切込み量ａｐ１を求める。すなわち、
演算切込み量：ａｐ１＝β×ｑ^γ
特性値：ｑ＝ｍ×ｆ×Ｉ^α／（Ｚｗ×Ｚｈ）
の各式を用いて、指定送り量ｆ’と、ホブカッタ及びワーク歯車の各諸元から演算切込み量ａｐ１を求める。

ステップＳ３では、ステップＳ２で求められた演算切込み量ａｐ１と第２データベースＤＢ２の最大限界切込み量ａｐ２とから、切込み量ａｐを求める。具体的には、ステップＳ３では、演算切込み量ａｐ１が最大限界切込み量ａｐ２より小さい場合は、切込み量ａｐとして演算切込み量ａｐ１を設定し、演算切込み量ａｐ１が最大限界切込み量ａｐ２より大きい場合は、切込み量ａｐとして最大限界切込み量ａｐ２を設定する。すなわち、２つの切込み量のうちの小さい方を切込み量ａｐとする。なお、指定送り量ｆ’が指定されていない場合は、最大限界切込み量ａｐ２を切込み量ａｐとする。

そして、ステップＳ４では、第１データベースＤＢ１の近似式及び特性値の式を利用して、切込み量ａｐから送り量ｆを求める。なお、２つの切込み量が同じ場合は、いずれの切込み量を用いてもよい。

次に、ステップＳ５では、記憶部１１に記憶されているホブカッタ１の刃先の目標温度Ｔと、第３データベースＤＢ３とを参照し、目標温度Ｔの曲線を用いて、切込み量ａｐに対応する切削速度Ｖ１を演算する。そして、ステップＳ６において、ステップＳ５で得られた切削速度Ｖ１を主軸モータ５ａに接続される主軸回転数ｓ１に換算する。

一方、ステップＳ７では、記憶部１１に記憶されている主軸モータ５ａの許容出力及び切削動力から最大限界回転数ｓ２が求められる。切削動力は、ホブカッタ及びワーク歯車の諸元、主軸回転数及び送り量から求められるものである。

そして、ステップＳ８では、これらの回転数ｓ１及び最大限界回転数ｓ２から切削速度に対応する制御用の主軸回転数ｓを求める。具体的には、回転数ｓ１が最大主軸回転数ｓ２より小さい場合は、主軸回転数ｓとして回転数ｓ１を設定し、回転数ｓ１が最大限界回転数ｓ２より大きい場合は、主軸回転数ｓとして最大限界回転数ｓ２を設定する。すなわち、２つの回転数のうちの小さい方を制御用の主軸回転数ｓとする。なお、２つの回転数が同じ場合は、いずれの回転数を用いてもよい。
そして、ステップＳ９では、以上の処理によって求められた送り量ｆと主軸回転数ｓを数値制御装置２に送信し、処理を終了する。

なお、数値制御装置２では、送られてきた主軸回転数ｓを基にして、主軸モータ５ａから主軸への動力経路の減速比等を考慮し、主軸モータ５ａへの指令電流を決定する。

［特徴］
（１）ホブカッタ及びワーク歯車の諸元や面粗さを入力することによって、好適な送り量ｆと切削速度Ｖ（主軸回転数）を容易に得ることができる。したがって、ホブカッタやワーク歯車の諸元が変わっても、試し加工をすることなく、常に好適な加工条件を容易に得ることができる。

（２）各条件に適した送り量を決定するために、ホブカッタ及びワーク歯車の各諸元や面粗さにより求めた指定送り量から得られた演算切込み量に加えて、経験値として得られている最大限界切込み量をも参照するので、加工品質及びホブカッタの寿命を考慮した加工条件を容易に決定することができる。

（３）ホブカッタの刃先温度が目標温度になるように、送り量から切削速度を求めているので、ホブカッタの異常摩耗を防止しつつ、効率の良い条件で加工を行うことができる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

（ａ）切込み量の近似式を作成するために、ワーク歯車のモジュールｍ及び歯数Ｚｗ、指定送り量ｆ’、ホブカッタの溝数Ｚｈ及び条数Ｉをパラメータとしたが、これら以外のパラメータを加えて近似式を作成するようにしてもよい。

（ｂ）加工条件演算装置をホブ盤の数値制御装置と別に設けたが、加工条件演算装置を数値制御装置の内部に組み込んでもよい。

１ ホブカッタ
２ ワーク歯車
５ ホブ盤本体
６ 数値制御装置
７ 加工条件演算装置
１１ 記憶部
１２ 演算部

Claims (8)

1. ホブカッタによりワーク歯車を切削加工する際の加工条件を出力する歯車加工条件設定装置であって、
   ホブカッタ及びワーク歯車の諸元を含む送り量決定パラメータと、ホブカッタの刃先の加工中における目標温度と、を受け付けるパラメータ受付手段と、
   ホブカッタのワーク歯車に対する相対的な送り量及び前記送り量決定パラメータから決まる特性値と、ホブカッタ１刃当たりの演算切込み量と、の関係を示す切込み量演算式が格納された第１記憶手段と、
   ワーク歯車の諸元及び材質によって予め設定されたホブカッタ１刃当たりの最大限界切込み量が格納された第２記憶手段と、
   前記切込み量演算式によって得られた演算切込み量と前記最大限界切込み量のうちのいずれかを選択し、前記選択された切込み量から、前記切込み量演算式を用いてホブカッタの送り量を求める送り量演算手段と、
   ホブカッタの刃先温度を所定温度にした場合の切込み量と切削速度との関係を示す温度一定曲線のデータが格納された第３記憶手段と、
   前記選択された切込み量に対応する切削速度を、前記温度一定曲線における前記ホブカッタの刃先目標温度の曲線を参照して求める切削速度演算手段と、
   を備えた歯車加工条件設定装置。
2. 前記送り量決定パラメータは、ホブカッタのワーク歯車に対する相対的な指定送り量を含み、
   前記送り量演算手段は、前記指定送り量から前記切込み量演算式によって得られた演算切込み量と前記最大限界切込み量とを参照して得られる切込み量から前記送り量を求める、
   請求項１に記載の歯車加工条件設定装置。
3. 前記送り量演算手段は、前記演算切込み量及び前記最大限界切込み量のうちの小さい方を前記切込み量として選択する、
   請求項２に記載の歯車加工条件設定装置。
4. 前記切込み量演算式に含まれる特性値は、ワーク歯車のモジュール、ホブカッタのワーク歯車に対する送り量、及びホブカッタの条数の累乗に比例し、ワーク歯車の歯数及びホブカッタの溝数に反比例する値である、請求項１から３のいずれかに記載の歯車加工条件設定装置。
5. 前記温度一定曲線は、ホブカッタの刃先温度が一定の場合は切込み量と切削速度とが反比例することに基づいて作成されている、請求項１から４のいずれかに記載の歯車加工条件設定装置。
6. 前記切削速度演算手段は、前記切削速度から主軸回転数を演算する、請求項１から５のいずれかに記載の歯車加工条件設定装置。
7. 主軸モータの許容出力が格納された第４記憶手段と、
   ホブカッタ及びワーク歯車の諸元と主軸回転数とホブカッタのワーク歯車に対する送り量とから求められる切削動力と、前記許容出力と、から最大限界主軸回転数を演算する限界主軸回転数演算手段と、
   をさらに備え、
   前記切削速度演算手段は、前記演算により求められた主軸回転数と前記最大限界主軸回転数とを比較し、低い回転数を制御用主軸回転数として出力する、
   請求項６に記載の歯車加工条件設定装置。
8. 創成歯切り加工を行う歯車加工装置であって、
   先端にホブカッタが装着される主軸と、
   前記主軸をワーク歯車の軸方向に沿って移動させるための送り手段と、
   前記送り手段の送り量及び前記主軸の回転数を含む加工条件を設定するとともに加工を制御する数値制御部と、
   前記数値制御部に送り量及び主軸回転数の設定値を送る請求項１から７のいずれかに記載の歯車加工条件設定装置と、
   を備えた歯車加工装置。

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