JP7046920B2 - 工具形状の変更を伴わないパワースカイビングの圧力角補正 - Google Patents

Description

本発明は、パワースカイビングプロセスによる歯車の製造に関し、特に、ブレードの形状を変更することを必要とせずに、パワースカイビング工具の切断ブレードの圧力角を調整または補正する方法に関する。

円筒ホブは、外円筒歯車、クロスヘリカル歯車およびウォーム歯車の製造に使用される。内歯車の製造は、中心線に対して左右に切断されているため、円筒状ホブ工具を使用することは不可能である。円筒ホブの輪郭は、製造される部品の圧力角とモジュール（深さと間隔）を反映する台形である。このいわゆる基準輪郭は、図１に示すように、軸平面（例えば水平面）内のホブの中心を通る平面内で観察され得る。平歯車製造の場合、ホブ軸Ｈの方向と工作物軸Ｗの方向とは、互いに垂直であるか、またはホブ歯のリード角と同じまたは類似の大きさである角度を中心にわずかに傾斜している。

図１は、円筒ホブおよび仮想生成ラックの三次元図を示す。ホブは水平面（図はラックの上面輪郭面を示す）における生成ラックの輪郭をシミュレーションし、図１に示す単純な場合は、ホブの回転軸を含む。ホブが（「Ｆ」で示されるように）回転すると、生成ラックは方向「Ｇ」に移動するだろう。ワンスタートのホブの場合、１回転するとラックはＧ方向に１ピッチシフトするだろう。図１のラックの歯幅で歯車を切断するためには、水平面（ホブ軸を含む）がラックの底部輪郭平面に達するまで、ホブが方向「Ｅ」に移動する必要がある。したがって、前面が軸方向平面と一致する場合、ホブ歯はその前面にラックの輪郭を示す。ラックを１ピッチシフトさせる、各ホブ回転も、工作物を１ピッチ回転させる必要がある（回転Ｃ）。そのような場合、すべての主な切断力はホブに対して接線方向であり、ホブを回転させるのに必要なトルクに直接変換される。

ヘリカル歯車の場合には、ホブ軸は、ホブリード角の可能な加減算（リード方向に応じて）を伴って、らせん角度の値だけ作業軸に対して傾斜している。１回のホブ回転（単一のスタートホブの場合）は、仮想生成ラックＮの「Ｇ」方向への１ピッチのシフトを必要とする。例えば、外円筒作業歯車がホブとは反対側のラックに配置され、この作業歯車が仮想生成ラックと「係合する」場合、ホブは、インボリュート歯が回転している間（方向Ｆ）、これを作業歯車ブランク上で切断する。作業歯車は、各ホブの回転（１つのスタートホブ）中に、１ピッチ回転する必要がある。ホブが回転している間、生成ラックは「Ｇ」方向にシフトしなければならないので、インボリュート輪郭を生成し、さらには作業歯車の周りを動き回って作業し、作業歯車の円周上のすべての歯（スロット）を切断するために、作業歯車も「Ｃ」方向に回転しなければならない。

図２は、シェーパーカッターおよび仮想生成ラックの三次元図を示す。シェーパーカッターがその軸の周りを回転する間（Ｓｋで示すように）、生成ラックは方向「Ｇ」にシフトし、シェーパーカッター歯のインボリュート輪郭はラックの台形基準輪郭を形成する。記載されたカッター回転およびラックシフトはラックの輪郭を形成するであろうが、それはいかなる切断作用も提供しないであろう。シェーパーカッター歯は、（シェーパーカッターの軸に対して垂直な）半径方向平面内でラック歯の真っ直ぐな輪郭を形成するために必要とされるインボリュート輪郭を有する。シェーパーカッターの軸方向へのストローク運動「Ｖ」は、切断作用を導入するために必要であり、歯車の歯幅を切断するためにも必要である。ストロークの長さがラックの幅と等しい場合は、図２の左側に示すように、同じ歯幅で円筒歯車を切断することが可能である。生成ラックが方向「Ｇ」に例えば１ピッチだけシフトする間に、ラックと係合している工作物も１ピッチ（回転Ｃ）だけ回転しなければならない。この場合、図２に示すように、すべての主要な切断力は軸方向シェーパーカッター方向に向けられる。

成形は、円筒ピニオン形カッターが外部または内部の工作物と係合している間に軸方向（図２のＶ）にストロークする方法である。ストロークと同時に、シェーパーカッターと工作物との間の連続的なインデックス回転が実行されている間、すべての前進ストロークが材料を除去する。シェーパーカッターが１ピッチ回転（回転Ｓ_k）する間、生成ラックは方向「Ｇ」に１ピッチシフトし、作業歯車は回転方向「Ｃ」に１ピッチ回転する（図２）。すべての逆ストロークは、非生産的であり、これは、成形を、かなり遅いプロセスにする。成形は、内歯車の機械加工（ホブでは不可能）、または機械加工される歯の端部の後ろにオーバートラベルクリアランスを許容しない歯車の機械加工（ホブでも不可能なことが多い）に強みがある。

図３は、パワースカイビングカッターと内歯車の配向を示す正面図と上面図である。カッターが回転する間、その歯のインボリュート輪郭は、仮想生成ラック（図３には示されていない）の直線輪郭を形成する。カッターの回転により、（図２のように）生成ラックが横にシフトする。生成ラック歯の幅（切断されるべき円筒歯車の歯幅に等しい）を被覆することは、軸方向作業歯車方向（Ｙ４、Ｚ４）へのカッターの送り運動を必要とする。

図２のシェーパーカッターとは対照的に、パワースカイビングにおける切断作用は、軸方向のストロークによってではなく、単にスカイビングカッターと作業歯車との間の相対運動（両方の同期回転中）によって生じ、これは作業歯のリード方向に方向付けられる。相対運動は、工作物とカッターとの間の傾斜角で生じる（図３のシャフト角Σを参照）。図３に示すように、カッターと工作物が回転して速度Ｖ_toolおよびＶ_workを生み出しながら、切断歯が工作物のスロットに係合する。２つの周速度間の差が、切断速度Ｖ_cutとして利用される。したがって、切断速度Ｖ_cutは、カッターＲＰＭ（または角速度ω_tool）および傾斜角度Σの関数である。
Ｖ_cut＝ω_tool＊ｓｉｎΣ

パワースカイビングでは、工具は、複雑な形状をしており、その形状は、１つの特定の作業歯車形状に対して決定および製造されている。図４に示されるような中実の高速鋼カッター１は、パワースカイビングプロセスにおいて利用される最も一般的な種類の工具である。カッターディスク１は、例えば高速鋼材料から製造される。カッターディスク１は、前面３、２つの刃先４および５、２つの刃先４および５の後ろ側の２つの側面逃げ面６および７、ならびに頂部逃げ面８を有する、複数の切断歯（またはブレード）２を有する。

そのような工具が圧力角誤差を有する歯を生成する場合、圧力角変化の補正方法は、最新の当該技術において知られている。そのような補正方法は、以下を含む。
Ａ．カッターディスクのすべての歯（ブレード）２を正しい圧力角で再研磨する。
Ｂ．切断プロセスにおいて、実際の前面輪郭３の代わりに工具前面３の輪郭の投影を利用する三次元カッターの傾斜。

方法Ａは、高価で、かつ時間がかかる。カッターディスク１のブレード輪郭４および５を再成形および再コーティングするために、数週間の所要時間が必要な場合がある。ほとんどの場合、そのような再工作は、補正された輪郭がディスク１の直径および／または厚さを変更することを必要とするので、不可能でさえある。直径の変更は、製造された作業歯車１５の付加的な歯の輪郭の歪みを引き起こすので許容可能ではない。カッターディスク１の厚さを変更することは、前面切断輪郭（表面６および７）の後ろの側面の逃げが、製造された歯車に歯厚誤差を生じさせる切断歯の厚さを低減することから、ほとんどの場合不可能である。

方法Ｂは、非常に小さい限度内で適用することができる。カッターディスクの３次元配向を変更すると（図３）、圧力角誤差が補正される可能性があるが、インボリュート輪郭が歪むため、作成されたワーク歯車に２次輪郭誤差が生じる。そのような補正に必要とされる付加的な工具の傾斜はまた、横すくい角（表面３）、サイド逃げ角（表面６および７）、および上部逃げ角（表面８）のような技術的ブレード角を減少または増加させ、これは、工具寿命および製造された表面仕上げに悪影響を及ぼし得る。

パワースカイビングカッターにおける切断ブレードの圧力角の変更および／または補正は、工具形状の変更を必要とせずに実現することができる。ブレード基準点の軸方向のシフトは、ブレード輪郭上の既存のインボリュートを異なる半径方向位置にシフトさせる。同じ量だけ、かつ同じ方向に基準インボリュート輪郭を付随的にシフトさせると、作業歯車とカッターとの間の関係が再確立される。結果として得られる作業歯車の幾何学的形状は、スロットの半径方向位置が同じであり、同じスロット幅および同じ歯厚を有するが、圧力角が変化している。

特に、本発明の方法は、周囲および切断工具の周囲に配置された複数のスティック形状の切断ブレードを有する、切断工具を用いた、パワースカイビングによって生じる歯車の歯の圧力角を変更することを含む。本方法は、切断ブレードの初期半径方向位置を有する切断工具を提供することと、初期圧力角、歯スロットの半径方向位置、歯スロット幅、および歯厚を有する、第１の歯車を提供することと、を含む。第１の歯車（理論的基準歯車であってもよい）は、切断ブレードの初期半径方向位置を有する工具を用いたパワースカイビングによって形成され、パワースカイビングは、第１の歯車と切断工具との間の第１の中心距離で行われる。切断ブレードの初期半径方向位置は、調整された半径方向位置へと、量（Ｙ）だけ変更され、第１の歯車と切断工具との間の第１の中心距離は、調整された中心距離へと、量（ΔＲ）だけ変変更される。第２の歯車（第１の歯車の工作物ブランクと同一の工作物ブランクを使用する）は、切断ブレードの調整された半径方向位置を有する工具を用いたパワースカイビングによって形成され、パワースカイビングは、第２の歯車と切断工具との間の調整された中心距離で行われる。第２の歯車は、第１の歯車の初期圧力角とは異なる圧力角を有する歯を含み、第２の歯車は、第１の歯車と同じ歯スロットの半径方向位置、歯スロット幅、および歯厚を有する。

円筒ホブ、仮想生成ラック、および作業歯車の三次元図を示す。 シェーパーカッター、仮想生成ラック、および作業歯車の三次元図を示す。 パワースカイビングカッターと内歯車の配向を示す正面図と上面図である。 中実の高速鋼パワースカイビングカッターを示す。 周辺スティックブレードカッターを示す。 補正半径方向シフトの前後の基準輪郭と切断ブレードの１つのインボリュートを示す。 半径方向とブレードシフト方向との間の関係を示す。

本明細書で使用される「発明」、「本発明（ｔｈｅ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ）」、および「本発明（ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ）」という用語は、本明細書のすべての主題および以下のいかなる特許請求の範囲をも広く指すことを意図している。これらの用語を含む記載は、本明細書に記載の主題を限定すること、または以下の特許請求の範囲の意味または範囲を限定するように理解すべきではない。さらに、本明細書は、本願のいかなる特定の部分、段落、文、または図面においても、いずれかの請求項によって包含される主題を説明または限定しようとするものではない。主題は、明細書全体、すべての図面、および以下のいずれかの請求項を参照することによって理解されるべきである。本発明は、他の構成も可能であり、様々な方法で実施または実行することができる。また、本明細書で使用されている表現および用語は説明を目的としており、限定とみなすべきではないことを理解されたい。

本発明の詳細は、単なる例として本発明を説明する添付の図面を参照して説明される。図面において、同様の特徴または構成要素は、同様の参照番号によって参照される。

本明細書における「含む」、「有する」、および「含む」、ならびにそれらの変形の使用は、その後に列挙される項目およびそれらの同等物、ならびに追加の項目を包含することを意味する。方法またはプロセスの要素を識別するための文字の使用は、単に識別のためのものであり、要素が特定の順序で実行されるべきであることを示すことを意味するわけではない。

図面の説明において、上、下、上方、下方、後方、底部、上部、前、後などのような方向について以下に言及することがあるが、これらの言及は、（通常見られるように）便宜上、図面に関してなされる。これらの方向は、文字通りに解釈されること、またはいかなる形でも本発明を限定することを意図しない。さらに、「第１」、「第２」、「第３」などの用語は、説明の目的で本明細書に使用されており、重要性または重要性を示すまたは暗示することを意図するものではない。

図５は、パワースカイビングプロセスを含むプロセスのための切断工具として個々のブレードスティック２１を利用する最近のタイプの周辺切断工具２０（例えば、ＵＳ２０１６／０１７５９５０）を示す。各ブレードスティック２１は、前面２５と、２つの刃先２２および２３と、計算点またはピッチ点２４とを有する。スティックブレード２１の刃先輪郭２２および２３は、同等の中実カッター１のインボリュート輪郭を複製または近似するために形成される（例えば図４）。組み立てられたブレードのピッチ直径は、ブレード計算点またはピッチ点２４の軸方向位置によって調整される。周辺スティックブレードカッター２０のピッチ直径は、周辺スティックブレードカッター２０が同等の中実ディスクカッター１と同じ工作物形状を確実に作り出すようにするために、同等の中実カッター１のピッチ直径（図３の２_*Ｒｗ）を複製する。ピッチ点２４を正しい半径方向位置に位置決めするために、ブレードスティックをスティックブレード２１の長手配向方向である方向２６にシフトさせることができる。

図６は、基礎円３９から仮想コード１＊_bを広げることによって、それぞれ基準輪郭３４および基準輪郭３４によって生成されたインボリュート３０を示す。インボリュート三角形ｌ＊_b→Ｒ＊_b→（Ｄ_0tool／２－ΔＲ）は、次の式を用いて点３２での圧力角の決定を可能にする。α＋Δα＝ａｒｃｃｏｓ＼［Ｒ_b＊／（Ｄ_0tool／２－ΔＲ）］。

本発明者らは、ブレード基準点２４（図５）の軸方向のシフトがブレード輪郭２２および２３上の既存のインボリュートを異なる半径方向位置にシフトするだろうということを発見した。インボリュート輪郭３０上の点３２が、位置３１（シフトされたインボリュート３５上に位置する）内へ量Ｙだけ、方向２６において、インボリュート３０と共にシフトすると、点３２におけるインボリュート３０の圧力角は、インボリュート３５の点３１に位置するようになる。基準輪郭３４は、同じ量Ｙ（中心距離調整ΔＲにほぼ等しい）だけシフトして輪郭３６となる。インボリュート三角形ｌ_b→Ｒ_b→Ｄ_0tool／２が異なるため、点３１における正しい圧力角はα＝ａｒｃｃｏｓ＼［Ｒ_b／（Ｄ_0tool／２）］となる。換言すれば、点３１における圧力角の変化は、ブレード上の既存のインボリュートがより大きい半径にシフトしたという事実に起因して、Δαに等しい。ブレード点３２は、輪郭３４上に、中心距離補正済み輪郭３６上のブレード点３１と同じフランク点を製造する。これは、（同じ元の基準輪郭を製造するために必要なインボリュートを再開発することなく）既存のブレード輪郭がより大きな半径にシフトしたためである。前述のことは輪郭３６に沿った各点に当てはまるという事実のために、観察された点３１だけでなく、製造された輪郭全体がそれに応じてその圧力角を変更するであろう。

インボリュート３０が位置３５にシフトすると、基準輪郭３４も位置３６に同じ量だけ同じ方向にシフトする。作業歯車１５とカッター２０との間の関係を再確立するために、生成基準輪郭３４を同じ方向２６に同じ量Ｙだけシフトさせなければならず、それによって、半径方向のスティックブレードがシフトする前に製造された作業歯車１５と同じ歯厚および同じ歯の深さが生じる。位置３６への基準輪郭３４のシフトは、量ΔＲの切断工具２０と作業歯車１５との間の中心距離補正を必要とする。結果として得られる作業歯車の形状は、スロットの同じ半径方向位置を有し、同じスロット幅および同じ歯厚を有するが、Δαだけ変化する圧力角を有する。

中心距離は、２つの平行な軸または交差する軸の歯車間の距離である。中心距離は、２つの軸を結ぶ線の長さであり、それらの各々に対して垂直である。それはまた、平行軸または交差軸間の最短距離である。中心間距離は、２つの平行軸歯車部材の作動ピッチ半径の合計として計算される。歯車製造機では、工具および工作物を互いに離れるように移動させることによって、中心距離が増加する。

上述のように、作業歯車製造に関連する点３２における元のインボリュート位置３０の圧力角は、次式によって計算することができる。
α＋Δα＝ａｒｃｏｓ＼［Ｒ_b＊／（Ｄ_0tool／２－ΔＲ）］（１）
シフトしたインボリュート３５上の点３１での圧力角は、次式で計算することができる。
α＝ａｒｃｏｓ＼［Ｒ_b／（Ｄ_0tool／２）］（２）
ここで、Ｒ_b＝Ｒ_b＊であり、
ここで、Δαは、シフト後の圧力角の変化量または補正量である。

図７は、半径方向シフト方向２６とインボリュート基準線方向３７との間の角度γを計算するための幾何学的関係を示す。ブレード厚Ｔ_Bは、歯の理論的な歯数に基づいて、大きな円３３の円弧長として、または２γの円セグメントの割線として計算され、ピッチ円（または基準円）３３の円周を、ブレード厚および先行する２つのブレード間の間隙の等間隔に分割する。理論的な歯数は、図４のカッター１に表されている。半径方向ブレードシフト方向とインボリュート基準線との間の角度γは、式４に従って計算される。

シフト方向と半径方向との間の角度は、図７に示す関係から計算される。
図７の関係から、次の式が導き出される。
Ｔ_B＝（π＊Ｄ_0tool）／（２＊Ｚ_tool）（３）
γ＝ａｒｃｔａｎ＼［（Ｔ_B／２）＊（１／（Ｄ_0tool／２））］
または
γ＝ａｒｃｔａｎ＼［π／（２＊Ｚ_tool）］（４）
これは、
ΔＲ＝Ｙ＊ｃｏｓγ（５）

例：
作動歯車歯数＝６９
作業歯車のピッチ径＝１７５ｍｍ
作業歯車の圧力角α＝２０°
カッター歯数＝３５
カッターのピッチ径Ｄ_0tool＝８８．７７ｍｍ
カッターのベース半径Ｒ_b＝Ｒ＊_b＝（８８．７７ｍｍ／２）＊ｃｏｓ＼［２０°］＝４１．７０８ｍｍ
ΔＲ＝０．２５ｍｍ
Δα＝ａｒｃｏｓ＼［Ｒ＊_b／（Ｄ_0tool／２－ΔＲ）］－ａｒｃｏｓ＼［Ｒ_b／（Ｄ_0tool／２）］
Δα＝ａｒｃｏｓ＼［４１．４１ｍｍ／（４４．３８５ｍｍ－．２５ｍｍ）］－ａｒｃｏｓ＼［４１．７０８ｍｍ／４４．３８５］
Δα＝１９．０８９°－２０．０００°＝０．９１°

圧力角を補正する本発明の方法は、やはり再コーティングを必要とするブレード輪郭の再研磨（従来技術の方法Ａ）の必要性を回避する。再研磨および再コーティングは、時間がかかり、かつ高価である。本発明の方法はまた、従来技術の方法Ｂによる三次元カッターの傾斜を回避する。方法Ｂ（技術的な工具角度の変更）の副作用は、これらの角度が良好な工具寿命と良好な表面仕上げを達成するために最適化されている場合、特に許容可能ではない。技術的に最適化されたブレード角度は、ハードスカイビングプロセス（ソフト機械加工され焼きを入れて固くした歯車のハード仕上げ）において特に重要である。技術的なブレード形状を維持するために、本発明の方法が適用可能である。ハードスカイビングの場合、本発明の方法は、ブレード輪郭を再研削および再コーティングすることを必要とせずに、すべての技術的ブレード角度を維持する圧力角度変化および／または補正方法を提示する。

本発明を好適な実施形態を参照して説明したが、本発明はその詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなく、主題が関係する当業者に明らかであろう補正を含むことを意図している。

Claims (6)

1. 切断工具の周囲に配置された複数のスティック形状の切断ブレードを有する、切断工具を用いた、パワースカイビングによって生じる歯車の歯の圧力角を変更する方法であって、
   前記切断ブレードの初期半径方向位置を有する前記切断工具を提供することと、
   初期圧力角、歯スロットの半径方向位置、歯スロット幅、および歯厚を有する、第１の歯車を提供することであって、前記第１の歯車が、切断ブレードの前記初期半径方向位置を有する前記切断工具を用いたパワースカイビングによって形成され、前記パワースカイビングが、前記第１の歯車と前記切断工具との間の第１の中心距離で行われることと、
   前記切断ブレードの前記初期半径方向位置を、調整された半径方向位置へと、量（Ｙ）だけ変更することと、
   前記第１の歯車と前記切断工具との間の前記第１の中心距離を、調整された中心距離へと、量（ΔＲ）だけ変更することと、
   切断ブレードの前記調整された半径方向位置を有する前記切断工具を用いたパワースカイビングによって、第２の歯車を形成することであって、前記パワースカイビングが、前記第２の歯車と前記切断工具との間の前記調整された中心距離で行われることと、を含み、
   前記第２の歯車が、前記第１の歯車の前記初期圧力角とは異なる圧力角を有する歯を含み、前記第２の歯車が、前記第１の歯車と同じ歯スロットの半径方向位置、歯スロット幅、および歯厚を有する、方法。
2. 前記中心距離の変化（ΔＲ）が、半径方向位置の前記変化（Ｙ）にほぼ等しい、請求項１記載の方法。
3. 前記パワースカイビングが、ハードパワースカイビングを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記切断ブレードの前記初期半径方向位置を変更することが、前記複数の切断ブレードの各々の位置をその長手方向においてシフトさせることを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の歯車が、理論的基準歯車である、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の歯車が、第１の工作物ブランクから形成され、前記第２の歯車が、第２の工作物ブランクから形成され、前記第１および第２の工作物ブランクが、同一である、請求項１に記載の方法。

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