JP7145133B2 - ウォームの製造方法および製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ウォームギアを構成するウォームを一般的な工具で製造するのに好適なウォームの製造方法および製造装置に関するものである。
従来、ウォームギアを構成するウォームには、形状や大きさが異なる様々な種類が存在しており、その種類に応じた製造方法が提案されている。例えば、特開昭64-78720号公報には、鼓形ウォームを製造する際、当該鼓形ウォームとほぼ同形の歯切り工具を創成し、当該歯切り工具によって歯切加工を行う方法が開示されている(特許文献1)。
特開昭64-78720号公報
しかしながら、特許文献1は、ウォームを製造するにあたって、上述した歯切り工具のように、ウォームごとに特殊な工具を用意しなければならない。このため、そのような特殊な工具を用意するのにコストや時間がかかる。
本発明に係るウォームの製造方法は、ウォームギアを構成するウォームの製造方法であって、
ウォームギアを構成するウォームの製造方法であって、
(1)軸線回りに回転しているワークに、前記ウォームの溝幅より小さい刃幅の刃先を有する工具を接触させ、第1歯面を形成するために、前記工具を回転させずに前記ワークを切削する第1切削工程と、
(2)前記ワークに前記工具を接触させ、前記第1歯面と対向する第2歯面を形成するために、前記工具を回転させずに前記ワークを切削する第2切削工程と、を有し、
(1-1)前記第1切削工程において、前記工具の刃先は、前記軸線に対して工具軸であるX軸回りに所定の角度をなし、かつ
(1-2)前記第1切削工程において、前記第1歯面を切削する際に、前記工具の刃先と前記ワークとの接触点が、(i)前記X軸に平行な線を通り前記軸線を含む平面と(ii)前記第1歯面とが交わる第1位置にあり、
(2-1)前記第2切削工程において、前記工具の刃先は、前記軸線に対して前記X軸回りに所定の角度をなし、かつ
(2-2)前記第2切削工程において、前記第2歯面を切削する際に、前記工具の刃先と前記ワークとの接触点が、(i)前記X軸に平行な線を通り前記軸線を含む平面と(ii)前記第2歯面とが交わる第2位置にあるように、前記工具の刃先を、前記平面と直交するY軸方向に移動させたうえで第2切削工程を実行する、ウォームの製造方法。
また、本発明に係るウォームの製造装置は、ウォームギアを構成するウォームの製造装置であって、
ウォームギアを構成するウォームの製造装置であって、
(1)軸線回りに回転しているワークに、前記ウォームの溝幅より小さい刃幅の刃先を有する工具を接触させ、第1歯面を形成するために、前記工具を回転させずに前記ワークを切削し、
(2)前記ワークに前記工具を接触させ、前記第1歯面と対向する第2歯面を形成するために、前記工具を回転させずに前記ワークを切削するウォームの製造装置であり、
前記工具の刃先は、前記軸線に対して工具軸であるX軸回りに所定の角度をなし、かつ
前記第1歯面を切削する際には、前記工具の刃先と前記ワークとの接触点が、(i)前記X軸に平行な線を通り前記軸線を含む平面と(ii)前記第1歯面とが交わる第1位置にあり、
前記第2歯面を切削する際には、前記工具の刃先と前記ワークとの接触点が、(i)前記X軸に平行な線を通り、前記軸線を含む平面と(ii)前記第2歯面とが交わる第2位置にあるように、前記工具の刃先を、前記平面と直交するY軸方向に移動させる、ウォームの製造装置。
本発明によれば、一般的な工具を用いてウォームを高精度に製造することができる。
本発明に係るウォームの製造装置の一実施形態を示す図である。 本実施形態におけるウォームの諸元(I2,I5,J1,J2,J4,K1,K2,K4)を示す図である。 荒加工におけるウォームの諸元(I6,J3,K5)を示す図である。 仕上げ加工におけるウォームの諸元(K5)を示す図である。 本実施形態におけるウォームの諸元(J6,K6)を示す図である。 本実施形態におけるウォームの諸元(I7,I8,I9,J7,J8,J9,K7,K8,K9)および基本的な加工動作を示す図である。 工具の背がウォームの歯面に接触する様子を示す図である。 本実施形態の工具主軸によってウォームを切削する様子を示す図である。 本実施形態におけるウォームの製造方法を説明する図である。 切削加工中における工具の刃先と歯面との位置関係を示す図である。 複リードウォームを説明する図である。 等リードウォームの切削動作を示す図である。 従来における複リードウォームの切削動作を示す図である。 本実施形態における複リードウォームの製造方法を説明する図である。
以下、本発明に係るウォームの製造方法および製造装置の実施形態について図面を用いて説明する。
本実施形態において、ウォームの製造装置1は、加工プログラムによって数値制御可能な工作機械の一つであるNC旋盤によって構成されている。そして、図1に示すように、主として、ワーク2を固定するチャック11と、このチャック11を介してワーク2を軸線周りに回転させる主軸12と、ワーク2の外周面に接触させてウォーム3を削り出す工具13と、この工具13の刃先13aを軸線に対して傾斜させる工具主軸14とを有している。また、本実施形態において、使用する工具13は、製造しようとするウォーム3の溝幅より小さい刃幅の刃先13aを有する一般的な工具である。なお、ウォーム3の溝幅とは、ウォーム3の歯底円上の歯面と歯面との距離である。
すなわち、本実施形態において、ウォーム3の製造方法は、軸線周りに回転されているワーク2の外周面に、ウォーム3の溝幅より小さい刃幅の刃先13aを有する工具13を接触させ、切削する切削工程を有している。なお、本実施形態では、主軸12の軸線周りにワーク2を回転させながら工具13を移動させているが、この構成に限定されるものではなく、ワーク2を移動させるようにしてもよい。
はじめに、本実施形態のウォーム3の製造方法および製造装置1における、加工動作について説明する。ウォーム3を製造するにあたっては、まず、使用する一般的な工具13の諸元として、以下に示すような項目を加工プログラムに設定する。
・工具13の種類(溝入れ,丸駒,剣先)
・刃先点の選択
・工具13の刃幅
・工具13のノーズ半径
・工具13の傾き
つぎに、製造しようとするウォーム3の諸元、加工方法、加工条件として、以下に示すような項目を加工プログラムに設定する。なお、各項目に付した符号は、図2から図6に示す符号に対応する。
・加工工程(荒加工,仕上げ加工(全領域,歯の左側,歯の左側))
・主軸回転方向(正回転(第1主軸,第2主軸),逆回転(第1主軸,第2主軸))
・モジュール(メトリックの場合),ダイヤメトラルピッチ(インチの場合)
・歯の右側の圧力角(J1)
・歯の左側の圧力角(K1)
・基準円直径(I2)
・刃先円直径(J2)
・歯丈(K2)
・ねじの条数(I3)
・仕上げ代(J3)
・歯の右側のリード(K3)
・歯の左側のリード(I4)
・歯厚(J4)
・歯底の面取り量(K4)
・歯先の面取り量(I5)
・切削速度(J5)
・X方向切込み量(K5)
・Z方向切込み量(I6)
・加工範囲の設定(J6:加工開始径)
・加工範囲の設定(K:加工終了径)
・位相基準となる位置(I7)
・位相基準となる位置でのC軸角度(J7)
・有効ねじ開始位置(K7)
・有効ねじ長さ(I8)
・切込み角度(J8)
・切上げ角度(K8)
・径方向におけるアプローチ/逃げのクリアランス量(I9)
・切込み開始距離(J9)
・途中切上げ位置(K9)
上述した各種の諸元等を設定した加工プログラムを用いて、以下に示す(1)から(8)までの工程を加工終了径に達するまで繰り返し、ウォーム3を削り出すようになっている。なお、加工中は、主軸12の回転と工具のZ軸に沿った移動とが同期する。また、各工程に付した番号は、図6中の丸付き数字に対応する。
(1)Z軸を切削開始位置(Z=K7+(J2+J9)*tan(90-J8))へ位置決めする。工具の刃先をY軸方向にシフトさせるときは、この工程でY軸の位置決めも行う。
(2)X軸をアプローチ位置(X=J2+2*I9)へ位置決めする(G0)。
(3)X軸を切込み開始位置(X=J2+2*J9)へ位置決めする(G1)。
(4)切込み角度(J8)で有効ねじ開始位置(K7)に向かってZC軸を同期させながら切削する(G1)。
(5)有効ねじ長さ(I8)の距離だけZC軸を同期させながら切削する(G1)。
(6)込み開始位置(X=J2+2*J9)までZC軸を同期させながら切り上げ切削する(G1)。
(7)アプローチ位置(X=J2+2*I9)まで退避する(G1)。
(7’)途中切上げ位置(K9)を指定している場合、Z=K9の位置からアプローチ位置(X=J2+2*I9)まで退避する(G1)。
(8)Z軸を切削開始位置へ戻す。
上述した加工動作において、荒加工を設定した場合、図3に示すように、はじめに歯溝の中央部をX方向切込み量(K5)分だけ加工し、次に右側、左側とZ方向切込み量(I6)分だけ位置をずらし、そのX位置での歯溝の幅に広がるまで加工する。その後、X方向切込み量(K5)分だけ下がり、再び同じように、Z軸方向に中央部から溝を広げて加工する動作を歯底に達するまで繰り返すようになっている。
一方、仕上げ加工を設定した場合、図4に示すように、歯溝の右側を仕上げ加工ピッチ(K5)で形状に沿って歯先から歯底に向かって切削する。その後、歯溝の左側を仕上げ加工ピッチ(K5)で歯先から歯底に向かって切削する。最後に、歯底を仕上げ加工ピッチ(K5)で切削するようになっている。
以上のとおり、基本的な加工動作においては、ワーク2の切削部分を複数の微少領域に分割し、図6のXZ平面内において、ウォーム3の溝幅より小さい刃幅の刃先13aを有する工具13の位置を定めて加工する。しかしながら、工具13の刃先13aが取り付けられている土台部分が、刃先13aと刃面に対して垂直であるため、図7に示すように、工具13を正面(刃先13aをZ軸に沿わせた向き)に向けて加工した場合、ウォーム3は一般的なねじよりもねじ溝が深いため、工具13の背13bがウォーム3の歯面に接触してしまう場合がある。
そこで、本実施形態では、上述した切削工程において、工具13の刃先13aを軸線に対して傾斜する位置にある状態で加工する。具体的には、工具13の刃先13aは、図8に示すように、工具主軸14に設けられている。また、本実施形態において、工具主軸14は、任意の角度でクランプ可能なブレーキ機構を備えている。このため、工具主軸14をX軸周りに回転させ、所定角度でクランプすることにより、刃先13aが軸線に対して傾斜するようになっている。
別の表現をすると、工具主軸14をX軸周りに回転させると、工具13の刃先13aは、YZ平面上で回転することになる。本実施形態のギアの加工においては、工具13の刃先13aをYZ平面上の軸線を跨ぐように回転させることで、軸線に対して所定の角度傾ける。軸線に対して所定の角度傾けた状態で工具13の刃先13aをYZ平面上で回転しないように固定して工具13の刃先13aの位置決めを行う。位置決め後に、本実施形態の方法でワーク2を加工してウォームギアを構成するウォーム3を製造するものである。
刃先13aの傾斜角度は、図9に示すように、平面(YZ平面)視において、工具13の刃先13aとワーク2との接触点によって構成される刃先直線と軸線とがなす角度であり、本実施形態では、ウォーム3のリード角と同じ角度に設定されている。なお、リード角とは、図9に示すように、軸平面と直交する直交方向に対して歯面がなす角度である。
ただし、単に、刃先13aを傾斜させただけでは、図9に示すように、ウォーム3の歯面に対してわずかに食い込みが発生し、正確に切削できない場合がある。そこで、本実施形態では、上述した切削工程においてウォーム3の歯面を切削する際、図9に示すように、工具13の刃先13aとワーク2との接触点のうち軸線と交差する歯面を切削するための歯面接触点が、軸線を含む軸平面(Y=0のXZ平面)と歯面とが交わる位置になるように、工具13の刃先13aをシフトする。
なお、図9に示すとおり、軸平面と直交する直交方向における刃先13aのシフト量は下記式(1)によって表される。
ΔY=(W/2)・sin(T) ・・・式(1)
ただし、各符号は以下を表す。
ΔY:前記直交方向における刃先のシフト量
W:工具の刃幅
T:刃先の傾斜角度
以上のように、工具13の刃先13aを軸線に対して傾斜させるとともに、歯面接触点を軸線を含む軸平面と歯面とが交わる位置にシフトさせることにより、工具13の刃先13aがウォーム3の歯面に食い込んでしまうことが防止されるため、ウォーム3の加工精度が向上する。
例えば、図10に示すように右側の歯面の加工を行うために位置決めをする際には、Z軸を右側の歯面の加工開始位置に位置決めすると共に、工具13の刃先13aをY軸のプラス方向へシフトさせる。その状態でワーク2を軸線周りに回転させると、歯面は左方(Z軸のマイナス方向)へ移動するため、その移動に合わせて工具13の刃先13aも左方へ移動させる。同様に、左側の歯面の加工を行うために位置決めをする際には、Z軸を左側の歯面の加工開始位置に位置決めすると共に、工具13の刃先13aをY軸のマイナス方向へシフトさせる。その状態でワーク2を軸線周りに回転させると、歯面は左方(Z軸のマイナス方向)へ移動するため、その移動に合わせて工具13の刃先13aも左方へ移動させる。
なお、図9および図10では、軸平面と直交する直交方向にのみシフトしているが、この構成に限定されるものではなく、軸平面と歯面とが交わる位置に歯面接触点を位置させるのに必要な範囲において、軸線方向に沿ってシフトさせてもよい。すなわち、軸平面と直交する直交方向および軸線方向のうち、少なくとも一方に沿ってシフトさせればよい。
また、上述した本実施形態では、軸平面と直交する直交方向として、Y軸方向を選択しているが、X軸方向であってもよい。ウォーム3は、円筒に歯の山が螺旋状に巻き付いたような3次元形状を有している。このため、YZ平面視において、刃先13aが歯面に接しているように見えていても、実際には刃先13aが歯面から浮いている。そこで、刃先13aを軸線方向に少し移動させるとともに、Y軸方向やX軸方向にシフトさせることで刃先13aが歯面に接触するようになっている。ただし、上記式(1)と比較して、X軸方向における刃先13aのシフト量は、複雑な計算を必要とする。
以上のような本実施形態のウォーム3の製造方法およびウォーム3の製造装置1によれば、工具13の背13bがウォーム3の歯面に接触するのを防止するとともに、工具13の刃先13aがウォーム3の歯面に食い込むのを防止することができる。したがって、一般的な工具13を用いてウォーム3を高精度に製造することができる。
つぎに、本実施形態における複リードウォーム4の製造方法について説明する。複リードウォーム4とは、歯溝を構成する一方側の歯面と他方側の歯面とでリードが異なるものである。そして、当該リードの相違によって、図11に示すように、溝幅が徐々に変化するように構成されている。なお、リードとは、軸線方向における1回転あたりの進み量であり、図11では、一方側(左側)の歯面のリードをL1とし、他方側(右側)の歯面のリードをL1よりも大きなL2としている。
しかしながら、両歯面のリードが等しい等リードウォーム5については、図12に示すように、溝幅に合う歯切りカッター6で切削すると一工程で加工が完了するのに対し、複リードウォーム4については、図13に示すように、一方側の歯面を当該歯面のリードL1で切削した後、他方側の歯面を当該歯面のリードL2で切削する必要がある。このため、従来、複リードウォーム4の加工時間は、等リードウォーム53の加工時間と比較して、少なくとも2倍以上かかっている。
そこで、本実施形態では、一般的な工具13を用いて、リードを変化させながら切削することにより、一工程で複リードウォーム4を製造することとした。すなわち、本実施形態における複リードウォーム4の製造方法は、軸線周りに回転されているワーク2の外周面に、複リードウォーム4の溝幅より小さい刃幅の刃先13aを有する工具13を接触させ、切削する切削工程を有している。
そして、上記切削工程において、一方側の歯面から切削位置までの距離と他方側の歯面から切削位置までの距離とに応じて変化する可変リード値を用いて歯溝を加工するようになっている。すなわち、図14に示すように、リードがL1である一方側の歯面から、リードがL2である他方側の歯面にかけて切削する場合、工具13の切削位置に応じてリードをL1からL2に徐々に変化させながら切削する。これにより、等リードウォーム53と同様、一工程で加工が完了するため、加工時間が短縮される。
なお、上述した可変リード値は下記式(2)によって表される。
L=(aL1+bL2)/(a+b) ・・・式(2)
ただし、各符号は以下を表す。
L:可変リード値
L1:一方側の歯面のリード
L2:他方側の歯面のリード
a:他方側の歯面から切削位置までの距離
b:一方側の歯面から切削位置までの距離
以上のような本実施形態の複リードウォーム4の製造方法によれば、一般的な工具13を用いて複リードウォーム4を短時間かつ高精度に製造することができる。
つぎに、本発明に係るウォーム3の製造方法の具体的な実施例について説明する。
本実施例では、上述した本実施形態のウォーム3の製造方法において、基本的な加工動作を実行するための加工プログラム例を以下に示す。
<工具諸元>
荒加工:剣先工具、刃先点:8、ノーズ:R0.4、リード角:5°
仕上げ加工:剣先工具、刃先点:8、ノーズ:R0.4、リード角:5°
なお、実際の工具は幅や厚さがある三次元的な形状であるため、プログラムの座標を指令するときには工具上のどこかの点を基準に指令する必要がある。そこで、そのような指令点を工具のどこに持ってくるかを「刃先点」として指定する。上記のとおり、刃先点を8に設定すると、図9に示すように、工具の下端部の中央が指令点となる。
<ウォーム諸元>
モジュール:3、条数:1、基準円直径:φ44mm、リード:9.424mm、右圧力角:20°30'12"、左圧力角:20°30'12"、歯底の面取量:1.14mm、歯先の面取り半径:0.4mm、歯幅:4.712mm、有効ねじ長さ:60mm
<加工プログラム>
O100(WORM GEAR CYCLE)
N10(ROUGH)
G99G140
G54 G0 G28 U0 V0 M05
G53 Z-200. M69
G0T0202
(TOOL DEFINITION)
G937 A0B3.C8.W9999.R0.4H5.
(CUTTING ROUGH)
G937A10.B-1.C3.I3.J2030.12K2030.12I44.J9999.K9999.I1.J0K9999.I9999.J9999.K9999.I0.4J120.K0.5I0.6J9999.K9999.I0J0K10.I60.J45.K45.I20.J10.K9999.
M01
N20(FINISH OD)
G99G140
G54 G0 G28 U0 V0 M05
G53 Z-200. M69
G0T0404
(TOOL DEFINITION)
G937A0B3.C8.W9999.R0.4H5.
(CUTTING FINISH)
G937A10.B1.C3.I3.J2030.12K2030.12I44.J9999.K9999.I1.J0K9999.I9999.J9999.K9999.I0.4J120.K0.2I9999.J9999.K9999.I0J0K10.I60.J45.K45.I20.J10.K9999.
M01
G28 U0 V0
G28 W0 M05
M30
上記加工プログラムにおいては、「(CUTTING ROUGH)」の1行目にあるG937の指令でマクロプログラムが呼び出され、このマクロプログラムの中で本発明に係るシフト補正が実行されている。
なお、上述した実施形態や実施例の説明は、全ての点で例示であって制限的なものではなく、当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述した実施形態や実施例ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
1 ウォームの製造装置
2 ワーク
3 ウォーム
4 複リードウォーム
5 等リードウォーム
6 歯切りカッター
11 チャック
12 主軸
13 工具
13a 刃先
13b 背

Claims (5)

  1. ウォームギアを構成するウォームの製造方法であって、
    (1)軸線回りに回転しているワークに、前記ウォームの溝幅より小さい刃幅の刃先を有する工具を接触させ、第1歯面を形成するために、前記工具を回転させずに前記ワークを切削する第1切削工程と、
    (2)前記ワークに前記工具を接触させ、前記第1歯面と対向する第2歯面を形成するために、前記工具を回転させずに前記ワークを切削する第2切削工程と、を有し、
    (1-1)前記第1切削工程において、前記工具の刃先は、前記軸線に対して工具軸であるX軸回りに所定の角度をなし、かつ
    (1-2)前記第1切削工程において、前記第1歯面を切削する際に、前記工具の刃先と前記ワークとの接触点が、(i)前記X軸に平行な線を通り前記軸線を含む平面と(ii)前記第1歯面とが交わる第1位置にあり、
    (2-1)前記第2切削工程において、前記工具の刃先は、前記軸線に対して前記X軸回りに所定の角度をなし、かつ
    (2-2)前記第2切削工程において、前記第2歯面を切削する際に、前記工具の刃先と前記ワークとの接触点が、(i)前記X軸に平行な線を通り前記軸線を含む平面と(ii)前記第2歯面とが交わる第2位置にあるように、前記工具の刃先を、前記平面と直交するY軸方向に移動させたうえで第2切削工程を実行する、ウォームの製造方法。
  2. 前記所定の角度は、前記ウォームのリード角と同じ角度である、請求項1に記載のウォームの製造方法。
  3. 前記Y軸方向における前記刃先の移動量ΔY×2は下記式(1)によって表される、請求項1に記載のウォームの製造方法;
    ΔY×2=W・sin(T) ・・・式(1)
    ただし、各符号は以下を表す。
    W:工具の刃幅
    T:刃先の傾斜角度
  4. 前記工具は、任意の角度でクランプ可能なブレーキ機構を備えた工具主軸に取り付けられ、
    前記工具主軸が、前記軸線に対して前記所定の角度をなすように前記工具を前記X軸回りに回転させる、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のウォームの製造方法。
  5. ウォームギアを構成するウォームの製造装置であって、
    (1)軸線回りに回転しているワークに、前記ウォームの溝幅より小さい刃幅の刃先を有する工具を接触させ、第1歯面を形成するために、前記工具を回転させずに前記ワークを切削し、
    (2)前記ワークに前記工具を接触させ、前記第1歯面と対向する第2歯面を形成するために、前記工具を回転させずに前記ワークを切削するウォームの製造装置であり、
    前記工具の刃先は、前記軸線に対して工具軸であるX軸回りに所定の角度をなし、かつ
    前記第1歯面を切削する際には、前記工具の刃先と前記ワークとの接触点が、(i)前記X軸に平行な線を通り前記軸線を含む平面と(ii)前記第1歯面とが交わる第1位置にあり、
    前記第2歯面を切削する際には、前記工具の刃先と前記ワークとの接触点が、(i)前記X軸に平行な線を通り前記軸線を含む平面と(ii)前記第2歯面とが交わる第2位置にあるように、前記工具の刃先を、前記平面と直交するY軸方向に移動させる、ウォームの製造装置。
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Citations (4)

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