JP5660713B2

JP5660713B2 - 歯車の製造方法

Info

Publication number: JP5660713B2
Application number: JP2010267167A
Authority: JP
Inventors: 康弘上西
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: JP2012115940A

Description

本発明は、歯車の製造方法に関し、特にギヤシェーパ加工により歯車素材に歯形を創成する歯切り工程を有する歯車の製造方法に関する。

歯車素材に歯形を創成する方法として、ギヤシェーパ加工（例えば特許文献１）やホブ加工（例えば特許文献２）等が知られている。ギヤシェーパ加工は、外周に切刃を有するピニオンカッタを歯車素材に対して軸方向に往復動させながら、ピニオンカッタと歯車素材とを同期して回転させることにより、歯車素材に歯形を創成するものである。ホブ加工は、外周に螺旋状の切刃を有するウォーム状工具と歯車素材とを同期して回転させながら、切刃で歯車素材の外周面に歯形を創成するものである。

特開平１０−１０９２２３号公報特開２００３−２６６２４１号公報

ギヤシェーパ加工やホブ加工により歯車素材に歯形を創成すると、歯面に縞状の加工痕が残る。この理由を、ギヤシェーパ加工の場合について詳しく説明する。ギヤシェーパ加工は、例えば図１に示すようなピニオンカッタ１０を用いて行われる。ピニオンカッタ１０は、外周に切刃１１が形成され、切刃１１の下面がすくい面１２となる。ピニオンカッタ１０は、図２に矢印Ｂで示すように、歯車素材２０に対して上下方向に往復動可能に設けられ、ピニオンカッタ１０が降下するときにすくい面１２で歯車素材２０を切削する。これと同時に、ピニオンカッタ１０と歯車素材２０とを同期して少しずつ回転させることにより（矢印Ｃ及びＤ参照）、歯車素材２０の外周面に順次歯形が形成される。

ピニオンカッタ１０により歯形が形成される様子を図４に示す。この図では、紙面と直交する方向がピニオンカッタ１０の軸方向であり、図中の一点鎖線は歯車素材２０の歯面Ａ’を示し、図中の二点鎖線は形成すべき歯形の理想的な歯面Ａ₀（インボリュートライン）を示す。ピニオンカッタ１０を軸方向に上下動させながら回転方向に送ることにより、１０₁で示す位置で歯車素材２０の歯面Ａ’を切削した切刃が、１０₂，１０₃，１０₄で示す位置を順に切削する。このように、ピニオンカッタ１０で不連続に切削が行われることにより、歯面Ａに微小な段差が形成され、この段差により図５に示すような縞状の加工痕Ｐが形成される。

このとき、ピニオンカッタ１０自体の加工誤差や、ピニオンカッタ１０の組付誤差による回転軸の偏心等の要因により、加工痕Ｐの山部の高さδ（図４参照）が周期的に変化し、歯面Ａに一定周期のうねりが形成されることがある。このような歯車を他の歯車と噛み合わせて回転させたときのノイズ波形には、図６に示すように、歯車同士が噛み合う時に発生する周波数ｆ₁のノイズピークとは別に、歯面の周期的なうねりに起因した周波数ｆ₂のノイズピークが生じることがある。例えば、自動車のトランスミッションに使用される歯車に対しては高い静粛性が求められているため、上記のような歯面のうねりに起因するノイズピークをできるだけ低減する必要がある。

例えば、歯形の創成加工の終期に、ピニオンカッタの歯車素材に対する切り込み量を０にしてギヤシェーパ加工を行うことにより、歯面の加工痕Ｐの山部を削って歯面Ａの平滑化を図る場合がある。しかし、特に歯車が薄肉である場合は、工具との接触により歯車素材が弾性変形してしまい、歯車素材が十分に切削されず、歯面に凹凸が残りやすい。よって、上記のような仕上げ加工を施しても、歯面に生じる周期的なうねりは解消されず、このうねりに起因したノイズピークを抑えることができない。

あるいは、ギヤシェーパ加工において、工具の軸方向の往復動に対する円周方向送り量を小さくし、１回あたりの切り込み量を小さくしてワークのスプリングバック量を小さくすることにより、歯面をなるべく平滑にする対策が考えられる。しかし、円周送り量を遅くすると、サイクルタイムが長くなって生産能力の低下を招く。

例えば、上記特許文献２には、ホブ加工により歯形を創成するにあたり、ウォーム状工具とワークとの位相をずらすことにより、研削により歯面に生じる凹凸を低減する方法が示されている。しかし、この方法では、ウォーム状工具とワークとが一定の周期で同期して回転しているため、歯面に形成される加工痕のピッチが一定となり、歯面に周期的なうねりが形成されることには変わりないため、このうねりに起因するノイズのピークを抑えることができるとは言えない。

本発明の解決すべき課題は、生産能力を低下させることなく歯面の周期的なうねりを解消し、これに起因して発生するノイズのピークを抑えることにある。

前記課題を解決するためになされた本発明は、ピニオンカッタと歯車素材とを同期して回転させながら、ピニオンカッタを歯車素材に対して軸方向に往復動させて歯車素材に歯形を創成する歯切り工程と、歯切りされた歯車素材に熱処理を施す熱処理工程とを有し、前記歯切り工程の後に仕上げ加工を施さない歯車の製造方法であって、前記歯切り工程において、ピニオンカッタの軸方向の往復動の速度に対する回転方向の送り速度を不規則に変化させることを特徴とする。

このように、本発明に係る歯車加工方法では、ピニオンカッタの軸方向の移動速度に対する円周方向の送り速度を変化させることにより、歯面に形成される加工痕のピッチを不均一とし、歯面のうねりの周期性を崩している。これにより、図３に示すように、歯面の周期的なうねりに起因したノイズピーク（ｆ₂）を低減することができ、歯車の静粛性が高められる。

ところで、ピニオンカッタの回転方向の送り速度が速すぎると、ピニオンカッタの一回の切削による切り込み量が大きくなって、歯面が粗くなる。一方、ピニオンカッタの回転方向の送り速度が遅すぎると、サイクルタイムが長くなる。このため、通常、ピニオンカッタの軸方向の移動速度に対する回転方向の送り速度は、サイクルタイムの許容範囲内でなるべく歯面が平滑になるような最適値に設定される。この場合、上記のようにピニオンカッタの回転方向の送り速度を変化させると、上記の最適値から外れるため、歯面が粗くなったり、サイクルタイムが長くなったりする恐れがある。このため、従来は、ピニオンカッタの回転方向の送り速度は最適値で固定されていたが、本発者は、歯面が多少粗くなっても歯面の周期的なうねりがなくなることでノイズピークを低減できる点に着目し、上記の歯車加工方法を着想するに至った。

上記のような加工方法は、ピニオンギヤを軸方向に往復動させながら回転方向に送るギヤシェーパ加工だからこそ、簡単に実現できるものである。すなわち、ギヤシェーパ加工では、ピニオンカッタの軸方向の往復動と回転方向移動とを別個の駆動源で行うことができるため、ピニオンカッタの軸方向の移動速度に対する回転方向の送り速度を容易に変更することができる。従って、ピニオンカッタの制御プログラムを変更するだけで、設備の変更を要することなく簡単に歯面の周期的なうねりを解消することができる。特に、ピニオンカッタの軸方向の移動速度に対する円周方向の送り速度を、時間の経過に伴ってランダムに変化するようにすれば、歯面の周期的なうねりを確実に解消することができる。

以上のように、本発明の歯車加工方法によれば、歯面の周期的なうねりを解消することができるため、この周期的なうねりに起因して発生するノイズを大幅に低減し、歯車の静粛性を高めることができる。

ギヤシェーパ加工に用いるピニオンカッタの断面図及び斜視図、並びにピニオンカッタのすくい面の軌跡で構成された仮想歯車の斜視図である。ギヤシェーパ加工により歯車素材に歯形を創成する様子を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る加工方法で形成された歯車を駆動したときのノイズ波形を示し、横軸はノイズの周波数、縦軸はノイズレベルである。ギヤシェーパ加工により歯形が形成される様子を示す平面図である。ギヤシェーパ加工により加工痕が形成された歯面の正面図である。従来のギヤシェーパ加工で形成された歯車を駆動したときのノイズ波形を示し、横軸はノイズの周波数、縦軸はノイズレベルである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態では、鍛造等による歯車素材形成工程と、歯車素材に歯形を創成する歯切り工程と、歯切りされた歯車素材に熱処理（例えば浸炭焼き入れ）を施す熱処理工程とを経て歯車が製造される。このように、本実施形態では、歯切り工程の後に、シェービング加工やホーニング加工等による仕上げ工程は設けられていない。

上記の工程のうち、歯車素材に歯形を創成する歯切り工程において、本発明の一実施形態に係る歯車加工方法（ギヤシェーパ加工方法）が適用される。本実施形態のギヤシェーパ加工方法は、上述した従来品と同様のピニオンカッタ１０（図１参照）を用いて行われる。尚、本実施形態では、平歯車に外歯を創成する場合を示す。また、ピニオンカッタ１０の回転軸方向を上下方向として加工を行う場合を示す。

ピニオンカッタ１０は、外周に切刃１１が形成され、切刃１１の下面がすくい面１２となる。ピニオンカッタ１０は、図２に矢印Ｂで示すように上下方向に往復動可能に設けられ、ピニオンカッタ１０が降下するときに、すくい面１２で歯車素材２０（図２参照）を切削する。ピニオンカッタ１０は、上下動したときのすくい面１２の軌跡が、創成すべき歯形と噛み合う仮想歯車１０’（図１参照）と同一形状となるように設計される。尚、ピニオンカッタ１０が上昇時に歯車素材２０と干渉しないように、上昇時にはピニオンカッタ１０を歯車素材２０から離反するように半径方向に移動させてもよい。

ピニオンカッタ１０及び歯車素材２０は、図２に示すように、回転軸を平行（上下方向）にした状態で配される。この状態で、ピニオンカッタ１０を歯車素材２０に対して上下動させて歯車素材２０の外周面を切削すると共に（矢印Ｂ参照）、ピニオンカッタ１０と歯車素材２０とを同期して少しずつ回転させることにより（矢印Ｃ及びＤ参照）、歯車素材２０の外周面に順次歯形が形成される。また、歯車素材２０はピニオンカッタ１０に対して半径方向に移動可能とされ、これによりピニオンカッタ１０による歯車素材２０への切り込み量を調節している。

上記のようにして形成された歯形の歯面Ａには、図４及び５に示すように、ピニオンカッタ１０による加工痕Ｐが形成される。このとき、ピニオンカッタ１０の上下動の速度に対する回転方向の送り速度を変化させながら歯形を創成することにより、加工痕Ｐのピッチαが一定にならないようにしている。本実施形態では、ピニオンカッタ１０の上下動の速度を一定とし、上下動の１ストロークに対する回転方向の送り速度を所定時間毎にランダムに変化させている。これにより、歯面Ａに形成される加工痕Ｐのピッチαがランダムに変化するため、歯面Ａに形成されるうねりの周期性を崩すことができる。

上記の方法で歯形が創成された歯車の駆動時のノイズ波形を図３に示す。このノイズ波形には、歯車同士が噛み合う時に形成される周波数ｆ₁のピークは形成されるものの、歯面の周期的なうねりに起因したピークは形成されない。このとき、従来品において、歯面の周期的なうねりに起因したピークが形成されていた周波数ｆ₂付近では、ノイズレベルが全体的に若干高くなる可能性はあるが、ノイズピークが無くなることで、歯車を駆動したときの静粛性は大幅に向上する。

上記のギヤシェーパ加工により、周期的なうねりが形成されていない歯面が得られるため、例えば内歯ギヤの場合、ギヤシェーパ加工の後に、シェービング加工やホーニング加工等による仕上げ加工を必ずしも施す必要はない。

本発明の実施形態は上記に限られない。上記の実施形態では、ピニオンカッタの上下動の速度に対する回転方向の速度をランダムに変化させているが、これに限らず、歯形を創成する間に少なくとも複数回変化させれば、歯面の加工痕のピッチの周期性を崩して、この周期性に起因するノイズピークを低減する効果を得ることができる。ただし、上記の実施形態のように、ピニオンカッタの上下動の速度に対する回転方向の速度を、ランダムに、すなわち規則性が無いように変化させることで、歯面のうねりの周期性を確実に崩すことができ、この周期性に起因するノイズピークをより一層低減することができる。

さらに、ピニオンカッタの回転方向の速度を変化させる時間のピッチをランダムに変化させれば、歯面のうねりの周期性をより確実に崩すことができる。

また、上記の実施形態では、平歯車の外歯の歯切り工程に本発明に係る歯車加工方法を適用する場合を示したが、これに限らず、平歯車の内歯の歯切り工程に上記の歯車加工方法を適用することもできる。また、平歯車に限らず、段付き歯車やはすば歯車等の歯切り工程に上記の歯車加工方法を適用することもできる。

１０ピニオンカッタ
１０’ 仮想歯車
１１切刃
１２すくい面
２０歯車素材
Ａ歯面
Ａ’ 歯車素材の歯面
Ａ₀ 理想的な歯面
Ｐ加工痕
α ピッチ

Claims

ピニオンカッタと歯車素材とを同期して回転させながら、ピニオンカッタを歯車素材に対して軸方向に往復動させて歯車素材に歯形を創成する歯切り工程と、歯切りされた歯車素材に熱処理を施す熱処理工程とを有し、前記歯切り工程の後に仕上げ加工を施さない歯車の製造方法であって、
前記歯切り工程において、ピニオンカッタの軸方向の往復動の速度に対する回転方向の送り速度を不規則に変化させることを特徴とする歯車の製造方法。