特開 2024-146642 歯車加工装置及び歯車加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024146642

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】歯車加工装置及び歯車加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23F 5/20 20060101AFI20241004BHJP

【ＦＩ】

B23F5/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023059669

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000125853

【氏名又は名称】株式会社 神崎高級工機製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100124039

【弁理士】

【氏名又は名称】立花 顕治

(72)【発明者】

【氏名】大西 洋一

(72)【発明者】

【氏名】黒川 泰浩

(57)【要約】

【課題】交差角が小さくても、被加工歯車を適切に加工することができる、歯車加工装置及び歯車加工方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る歯車加工装置は、被加工歯車を支持するワーク支持ユニットと、被加工歯車に噛合する内歯車状の工具を支持する工具支持ユニットと、を備え、前記ワーク支持ユニットは、環状のハウジングと、前記ハウジングの内周側に回転自在に配置される環状の工具支持体と、前記工具支持体の内周側に取り付けられる、前記工具と、前記工具の回転軸と前記被加工歯車の回転軸との交差角を形成するために、前記ハウジングを前記ワーク支持ユニットに対して相対的に回転させる回転機構と、を備え、前記工具の回転速度が１５００ｒｍｐ以上、前記交差角が８°未満で、前記被加工歯車の加工を行うように構成されている。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被加工歯車を支持するワーク支持ユニットと、
被加工歯車に噛合する内歯車状の工具を支持する工具支持ユニットと、
を備え、
前記ワーク支持ユニットは、
環状のハウジングと、
前記ハウジングの内周側に回転自在に取り付けられる、前記工具と、
前記工具の回転軸と前記被加工歯車の回転軸との交差角を形成するために、前記ハウジングを前記ワーク支持ユニットに対して相対的に回転させる回転機構と、
を備え、
前記工具の回転速度が１５００ｒｍｐ以上、前記交差角が８°未満で、前記被加工歯車の加工を行うように構成されている、歯車加工装置。

【請求項2】

前記工具の回転速度が２０００ｒｍｐ以上、前記交差角が６°以下で、前記被加工歯車の加工を行うように構成されている、請求項１に記載の歯車加工装置。

【請求項3】

前記工具と前記被加工歯車との相対すべり速度が、２．０ｍ／ｓ以上である、請求項１または２に記載の歯車加工装置。

【請求項4】

前記工具の外径が５００ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の歯車加工装置。

【請求項5】

被加工歯車を支持するワーク支持ユニットと、被加工歯車に噛合する内歯車状の工具を支持する工具支持ユニットと、を備える歯車加工装置による歯車加工方法であって、
前記工具の回転軸と前記被加工歯車の回転軸との交差角を８°未満に設定するステップと、
前記交差角における、前記工具と前記被加工歯車との相対すべり速度が所定速度以上となるように、前記工具の回転速度を１５００ｒｍｐ以上に設定するステップと、
前記被加工歯車を前記工具によって加工するステップと、
を備えている、歯車加工方法。

【請求項6】

前記工具の回転速度を２０００ｒｍｐ以上、前記交差角を６°以下に設定する、請求項５に記載の歯車加工方法。

【請求項7】

前記工具と前記被加工歯車との相対すべり速度が、２．０ｍ／ｓ以上となるように、前記工具の回転速度を１５００ｒｍｐ以上に設定する、請求項５または６に記載の歯車加工方法。

【請求項8】

前記工具の外径が５００ｍｍ以下である、請求項５または６に記載の歯車加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、歯車加工装置及び歯車加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、歯車に対する仕上げ加工として、例えばホーニング加工が知られている。これらの加工においては、加工対象となるワーク（被加工歯車）と砥石用歯車とを互いに噛み合わせた状態で、回転させて仕上げ加工を行っている。

【0003】

例えば、特許文献１には、ホーニング加工を行う歯車加工装置が記載されている。この装置では、加工対象となる歯車は、一対の固定具により軸方向の両端から挟むことで支持されており、この歯車を内歯車状の工具を有する環状の工具に噛み合わせる。そして、この状態で工具と歯車とを連れ周り回転させることにより、歯車の仕上げを行っている。

【0004】

また、ワークを加工するためには、ワークの回転軸と工具の回転軸とが交差するように交差角を形成する必要がある。そのために、工具は、直径方向に延びる軸周りに回転するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３－１８０８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、近年は、加工対象となる歯車が多岐に亘り、例えば、複数の歯車が共通の回転軸で連結された多段ギアの加工が行われている。このような多段ギアを加工する際には、一方の歯車を加工中に工具が他方の歯車に干渉しないようにしなければならない。そのためには、交差角を小さくする必要があるが、交差角を小さくすると、加工のために必要な相対すべり速度を得ることができないおそれがあり、それによって被加工歯車を適切に加工できない可能性があった。本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、交差角が小さくても、被加工歯車を適切に加工することができる、歯車加工装置及び歯車加工方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の観点に係る歯車加工装置は、被加工歯車を支持するワーク支持ユニットと、被加工歯車に噛合する内歯車状の工具を支持する工具支持ユニットと、を備え、前記ワーク支持ユニットは、環状のハウジングと、前記ハウジングの内周側に回転自在に配置される環状の工具支持体と、前記工具支持体の内周側に取り付けられる、前記工具と、前記工具の回転軸と前記被加工歯車の回転軸との交差角を形成するために、前記ハウジングを前記ワーク支持ユニットに対して相対的に回転させる回転機構と、を備え、前記工具の回転速度が１５００ｒｍｐ以上、前記交差角が８°未満で、前記被加工歯車の加工を行うように構成されている。

【0008】

本発明の第２の観点に係る歯車加工装置は、上記第１の観点に係る歯車加工装置において、前記工具の回転速度が２０００ｒｍｐ以上、前記交差角が６°以下で、前記被加工歯車の加工を行うように構成されている。

【0009】

本発明の第３の観点に係る歯車加工装置は、上記第１または第２の観点に係る歯車加工装置において、前記工具と前記被加工歯車との相対すべり速度が、３．５ｍ／ｓ以上である。

【0010】

本発明の第４の観点に係る歯車加工装置は、上記第１から第３のいずれかの観点に係る歯車加工装置において、前記工具の外径が５００ｍｍ以下である。

【0011】

本発明の第５の観点に係る歯車加工方法は、被加工歯車を支持するワーク支持ユニットと、被加工歯車に噛合する内歯車状の工具を支持する工具支持ユニットと、を備える歯車加工装置による歯車加工方法であって、前記工具の回転軸と前記被加工歯車の回転軸との交差角を８°未満に設定するステップと、前記交差角における、前記工具と前記被加工歯車との相対すべり速度が所定速度以上となるように、前記工具の回転速度を１５００ｒｍｐ以上に設定するステップと、前記被加工歯車を前記工具によって加工するステップと、を備えている。

【0012】

本発明の第６の観点に係る歯車加工方法は、上記第５の観点に係る歯車加工方法において、前記工具の回転速度を２０００ｒｍｐ以上、前記交差角を６°以下に設定する。

【0013】

本発明の第８の観点に係る歯車加工方法は、上記第５または第６の観点に係る歯車加工方法において、前記工具と前記被加工歯車との相対すべり速度が、２．０ｍ／ｓ以上となるように、前記工具の回転速度を１５００ｒｍｐ以上に設定する。

【0014】

本発明の第９の観点に係る歯車加工方法は、上記第５から第７のいずれかの観点に係る歯車加工方法において、前記工具の外径が５００ｍｍ以下である。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、交差角が小さくても、被加工歯車を適切に加工することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る歯車加工装置の斜視図である。

【図2】図１の正面図である。

【図3】図１の平面図である。

【図4】図１の工具ユニットの側面図である。

【図5】図１の工具ユニットの斜視図である。

【図6】図４におけるハウジングの部分断面図である。

【図7】加工対象となる多段ギアの一例を示す側面図である。

【図8】相対すべり速度の算出方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明に係る歯車加工装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１、図２、及び図３は、それぞれ本実施形態に係る歯車加工装置の斜視図、正面図、及び平面図である。なお、以下の説明では、図１の左右をＸ軸方向または左右方向、図１の上下をＺ軸または上下方向、図２の上下をＹ軸方向または前後方向と称し、これを基準に説明をしていく。但し、本発明はこれらの方向に限定されるものではない。

【0018】

＜１．歯車加工装置の概要＞
図１～図３に示すように、本実施形態に係る歯車加工装置は、基台１上に配置された工具ユニット２及びワーク支持ユニット３を備えている。工具ユニット２は、環状に形成され工具４が固定された環状のハウジング２１を有しており、その軸方向が、概ねＸ軸方向に向くように配置されて、ワークＷである歯車と噛合するようになっている。ワーク支持ユニット３は、ワークＷを挟持する主軸台３１と心押し台３２とで構成されており、これらは、工具ユニット２を挟んで、基台１のＸ軸方向の両側に配置されている。

【0019】

まず、ワーク支持ユニット３について説明する。図１～図３に示すように、ワーク支持ユニット３は、上述した主軸台３１と、心押し台３２とで構成されており、これらは、Ｘ軸方向に互いに近接離間し、ワークＷを回転自在に挟持するようになっている。

【0020】

次に、主軸台３１について説明する。主軸台３１は、工具ユニット２を挟んで基台１上の左側に配置された第１支持フレーム３１１上に配置されている。第１支持フレーム３１１上には、両レール３１２に支持されＹ軸方向に傾斜して移動可能な第１支持ブロック３１３が配置されている。この第１支持ブロック３１３の下面にはナット（図示せず）が連結されており、このナットに、レール３１２と平行に延びるボールネジ（図示せず）が螺合している。このボールネジには、モータ３１６が連結されている。したがって、モータ３１６によりボールネジが回転すると、これによって、第１支持ブロック３１３が第１支持フレーム３１１の傾斜面３１０に沿ってＹ軸方向に移動する。

【0021】

第１支持ブロック３１３の上面には、Ｘ軸方向に平行に延びる一対のレール３１７が配置されており、これらレールに沿って主軸台３１がＸ軸方向に移動可能となっている。主軸台３１の下面にはナット（図示せず）が連結されており、このナットに、レール３１７と平行に延びるボールネジ（図示せず）が螺合している。このボールネジは、モータ３１９０が連結されている。したがって、モータ３１９０によりボールネジが回転すると、これによって、主軸台３１が、第１支持ブロック３１３上をＸ軸方向に移動する。

【0022】

主軸台３１の先端には、Ｘ方向に突出しワークＷを支持する軸部材３１０１が回転自在に設けられており、内蔵されているモータ（図示省略）によって回転駆動する。

【0023】

次に、心押し台３２について説明する。心押し台３２も主軸台３１と同様に構成されている。すなわち、心押し台３２は、工具ユニット２を挟んで基台１上の右側に配置された第２支持フレーム３２１上に配置されている。第２支持フレーム３２１上には、両レール３２２に支持されＹ軸方向に傾斜して移動可能な第２支持ブロック３２３が配置されている。この第２支持ブロック３２３の下面にはナット（図示せず）が連結されており、このナットに、レール３２２と平行に延びるボールネジ（図示せず）が螺合している。このボールネジは、モータ３２６が連結されている。したがって、モータ３２６によりボールネジが回転すると、これによって、第２支持ブロック３２３が第２支持フレーム３２１の傾斜面３２０に沿ってＹ軸方向に移動する。

【0024】

第２支持ブロック３２３の上面には、Ｘ軸方向に平行に延びる一対のレール３２７が配置されており、これらレール３２７に沿って心押し台３２がＸ軸方向に移動可能となっている。心押し台３２の下面にはナット（図示せず）が連結されており、このナットに、レール３２７と平行に延びるボールネジ（図示せず）が螺合している。このボールネジは、モータ３２９０が連結されている。したがって、モータ３２９０によりボールネジが回転すると、これによって、心押し台３２が、第２支持ブロック３２３上をＸ軸方向に移動する。

【0025】

また、心押し台３２の先端には、ワークＷを支持する軸部材３２０１が回転自在に設けられており、主軸台３１の軸部材３１０１との間で、ワークＷを挟持するようになっている。主軸台３１と心押し台３２とは、一体的にＸ軸方向及びＹ軸方向に移動するように制御されており、両者がワークＷを狭持した状態でＸ軸方向及びＹ軸方向に移動し、ワークＷを工具ユニット２の工具に対して近接離間するようになっている。

【0026】

次に、工具ユニット２について、図４及び図５を詳細に説明する。図４は図１の工具ユニットの側面図、図５は図１の工具ユニットの斜視図である。図４及び図５に示すように、工具ユニット２のハウジング２１は、環状に形成されており、ワークＷに対して交差角を形成したりクラウニングを施すために、Ｙ軸方向に移動可能で、且つＹＺ平面内でＹ軸と傾斜する回転軸Ｓ周りに回転可能となっている。そのため、工具ユニット２は、基台１上に配置され、上述したハウジング２１を支持する支持体２３を備えている。また、ハウジング２１は、上述した回転軸Ｓの両端で、支持体２３によって回転可能に支持されている。すなわち、ハウジング２１の回転軸Ｓの両端には、前端側に第１軸端部材４１が取り付けられ、後端側に第２軸端部材４２が取り付けられている。そして、これら第１及び第２軸端部材４１，４２が支持体２３によって、支持されている。以下、支持体２３について詳細に説明する。

【0027】

図４に示すように、この支持体２３は基台１上をＹ軸方向に移動可能な基部２３１と、この基部２３１の前端部に設けられ、ハウジング２１の第１軸端部材４１を支持する第１支持部２３２と、基部２３１の後端部に設けられ、ハウジング２１の第２軸端部材４２を支持する第２支持部２３３と、を備えている。基部２３１は、側面視において、上方に向かって傾斜した前端面２３１１、この前端面２３１１に連続し円弧状に形成された中央面２３１２、及び中央面２３１２の後端に連続し上方に向かって傾斜した後端面２３１３を有しており、これらの面が、前方から後方へこの順で並んでいる。前端面２３１１と後端面２３１３の傾斜角度は、ワーク支持ユニット３の傾斜面と同じである。この構成において、後端面２３１３は、前端面２３１１よりも高い位置にあり、前端面２３１１には第１支持部２３２が取り付けられ、後端面２３１３に第２支持部２３３が取り付けられる。

【0028】

そして、ハウジング２１の第１軸端部材４１が第１支持部２３２によって回転可能に支持されるとともに、第２軸端部材４２が第２支持部２３３によって回転自在に支持される。これにより、ハウジング２１は、上記傾斜角度で延びる回転軸Ｓ周りに回転可能となっており、ハウジングを回転軸Ｓ周りに回転させることで、工具４の回転軸とワークＷの回転軸とが交差する交差角を形成することができる。なお、中央面２３１２の円弧形状は、ハウジング２１に外周面に沿うようにしたものである。

【0029】

次に、ハウジング２１を含む、工具ユニット２における工具の取付構造等について、図６を参照しつつ説明する。図６は図４におけるハウジングの部分断面図である。

【0030】

図６に示すように、工具ユニット２は、全体として環状のハウジング２１と、このハウジング２１の内周側に一対のベアリング２４１、２４２を介して回転自在に設けられた工具支持体２５と、この工具支持体２５の内周面に取り付けられた、内歯車状の工具４と、を備えている。また、工具ユニット２には、工具支持体２５をハウジング２１に対して回転させるためのモータ(図示せず)が設けられている。したがって、工具支持体２５がモータによって回転することで、工具４がハウジング２１内で回転する。以下、各部材について、詳細に説明する。

【0031】

＜２．加工条件の設定＞
次に、加工条件の設定について説明する。本実施形態においては、例えば、図７に示すような複数の歯車が一体化された多段ギアを加工対象とする。図７に示す多段ギアは、第１ギア８１と、この第１ギア８１よりも外径の小さい第２ギア８２が共通の回転軸８３によって、所定間隔をおいて連結されている。そのため、例えば、第２ギア８２を加工する際には、図７に示すように、ワークＷと第２ギア８２との交差角θが大きいと、工具４が第１ギア８１と干渉するおそれがある。したがって、交差角θは、工具ユニット２の設置スペースを考慮すると、できるだけ小さいことが好ましい。

【0032】

しかしながら、交差角θが小さいと、工具４ねじれとワークＷねじれとの相対すべり速度が小さくなり、適切な加工を行えないおそれがある。図８に示すように、相対すべり速度Ｖｓは、工具速度Ｖｃとワーク速度Ｖｇのベクトルの差から算出される。以下の表１は、工具４の回転速度が一般的な１０００ｒｐｍである場合の加工条件の例である。この例では、交差角θが１１°、相対すべり速度が３．７０ｍ／ｓであり、適切な加工を行えることが確認されている。しかしながら、この条件における交差角θ（１１°）では、工具４と第１ギア８１とが干渉してしまうため、交差角θを小さくする必要があるが、交差角θが小さくなると相対すべり速度（以下の表の加工すべり速度）が小さくなってしまう。例えば、交差角を４°に設定すると、相対すべり速度が１．２６ｍ／ｓになり、十分な加工が行えないことが確認されている。そこで、本実施形態では、工具４の回転速度を大きくすることで、加工に必要な相対すべり速度が得られるようにしている。

【表1】

【0033】

加工に際しては、まず、多段ギアにおいて第２ギア８２の加工中に工具４が第１ギア８１に干渉しないように、交差角θを決定する。このような交差角θとしては、例えば、８°未満が好ましく、６°以下がさらに好ましく、４°以下が特に好ましい。そして、決定された交差角θにおいて、所定の相対すべり速度が得られるような工具４の回転速度を算出する。工具４の回転速度は、所定の相対すべり速度が得られれば特には限定されないが、交差角θが小さい場合には、１５００ｒｐｍ以上が好ましく、２０００ｒｐｍ以上がさらに好ましく、２５００ｒｐｍ以上がより好ましく、３０００ｒｐｍ以上が特に好ましい。すなわち、工具の回転速度が高くなるほど、すべり速度を大きくすることができる。所定の相対すべり速度は、ワークＷを適切に加工できる限りは特には限定されないが、例えば、２．０ｍ／ｓ以上が好ましく、３．０ｍ／ｓ以上であることがより好ましく、４．０ｍ／ｓ以上であることがさらに好ましく、５．０ｍ／ｓ以上であることが特に好ましい。

【0034】

こうして、交差角θと工具４の回転速度が決定すれば、後述するように、ワークＷの加工を行う。なお、工具４の回転速度は、工具４の外径（工具径）が小さいほど、歯車加工装置への負荷が小さくなるため、高く設定しやすい。したがって、工具径は５００ｍｍ以下が好ましく、４００ｍｍ以下がさらに好ましく、３５０ｍｍ以下がより好ましい。

【0035】

以下、工具径毎の加工条件の例を挙げる。表２～表５は工具径が４００ｍｍ、表６は工具径が３５０ｍｍ、表７は工具径が３００ｍｍのときの加工条件の設定の例を示している。

【表2】

【0036】

なお、加工滑り速度は、図８を参照とし、以下の式で算出することができる。
Ｖｓ＝Ｖｇ＊ｓｉｎθ－Ｖｃ＊ｓｉｎθ

【0037】

【表3】

【表4】

【表5】

【表6】

【表7】

【0038】

例えば、表１と表２とを比べると、工具４の回転速度を３０００ｒｐｍにすると、交差角が４°であっても、回転速度が１０００ｒｐｍである場合と同程度の相対すべり速度が得られていることが分かる。

【0039】

＜３．歯車加工装置の動作＞
次に、上記のように構成された歯車加工装置の動作について説明する。まず、図２に示すように、ワークＷを主軸台３１の軸部材３１０１に取り付けた後、主軸台３１及び心押し台３２を互いに近接させ、ハウジング２１の内方でワークＷを挟持する。また、設定した交差角を形成するように、ハウジング２１を回転軸Ｓ周りに回転させる。この状態で、主軸台３１の軸部材３１０１をワークＷとともに回転させる。これと並行して、モータ(図示せず)を駆動し工具ユニット２の工具４をワークＷと同期するように、回転させる。続いて、主軸台３１及び心押し台３２を一体的にＹ軸方向に移動させ、ワークＷを工具４に近接させる。そして、ワークＷと工具４とを噛み合わせ、連れ廻りさせることで、ワークＷの加工を行う。なお、ワークＷと工具４とを同期して回転させることもできる。また、必要に応じて支持体２３とともにハウジング２１をＹ軸方向に移動させるとともに、主軸台３１及び心押し台３２をＸ方向に移動させることで、ワークＷにクラウニングを施す。また、このような加工作業と同時に、工具４とワークＷとの噛み合わせ部分に切削油を噴射し、加工部位の冷却、潤滑、切り屑除去を行う。こうして、所定時間加工を行った後、各モータの駆動を停止し、加工されたワークＷを取り外す。なお、クラウニングの方法は、歯車加工装置の構成によって相違し、例えば、工具ユニットを垂直方向の軸周りに揺動させながら、主軸台３１及び心押し台３２をＸ方向に移動させることでもね行うことができる。

【0040】

＜４．特徴＞
以上のように、本実施形態によれば、ワークＷの形状による制限から、交差角θを小さくしなければならない場合であっても、工具４の回転速度を高くすることで、所望の相対すべり速度を得ることができるため、ワークＷを適切に加工することができる。また、工具４の回転速度が高くなると、加工時間が短くなるという利点もある。

【0041】

＜５．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。なお、以下の変形例は適宜、組合せ可能である。

【0042】

上記実施形態では、多段ギアを加工対象としているが、これに限定されるものではなく、多段ギア以外の通常のギアを加工することもできる。例えば、歯車加工装置が設置された環境により、回転軸Ｓ周りのハウジング２１の回転角度に制限があり、交差角を大きくできない場合にも、本発明を適用することができる。

【0043】

上記実施形態で示した歯車加工装置は、一例であり、少なくとも交差角を形成できるような回転機構が設けられていれば，特には限定されない。例えば、ワーク支持ユニット３においては、主軸台３１と心押し台３２とでワークＷを狭持しているが、主軸台３１のみでワークＷを支持するような形態であってもよい。

【0044】

また、上記実施形態で説明した工具ユニットの構成は一例であり、内歯車状の工具を支持する工具支持体、ハウジングが設けられていればよく、その他の構成は適宜変更可能である。例えば、モータ以外の駆動部で工具を回転させてもよい。上述した工具ユニット２のハウジング２１は、回転軸Ｓの両端で支持体２３によって回転自在に支持されているが、回転軸の片側の端部でのみ回転自在に支持されていてもよい。

【0045】

また、工具ユニット２及びワーク支持ユニット３の少なくとも一方が移動し、歯車を加工できればよいため、これらの移動機構についても特には限定されない。

【符号の説明】

【0046】

２ 工具ユニット
２１ ハウジング
３ ワーク支持ユニット
４ 工具
Ｗ ワーク（被加工歯車）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】