JP5524397B2 - 樽形ねじ状工具の製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、内歯車の歯面を研削加工するために用いられる樽形形状をなす樽形ねじ状砥石を成形あるいはドレッシングする方法に関する。

歯車は自動車用トランスミッション等において多用されている。近年、トランスミッションの低振動化及び低騒音化を図ることを目的として、歯車の加工精度の向上が求められている。一般に、歯車加工法では、所定の歯車素材に対し歯切り加工を行って歯形を形成し、歯切り加工された歯車を熱処理した後に、この熱処理による歪等を除去するために仕上げ加工（研削加工）が行われている。従来から、熱処理後の被加工外歯車と砥石とを、軸交差角を与えた状態で噛み合わせ、被加工外歯車の歯面研削を行っている。これら研削方法に用いられる工具にも、研削する歯車の形状に応じて、外歯車形、内歯車形、ねじ（ウォーム）形等の各種形状の工具がある。

研削加工を行うに従い砥石は目詰まりや摩耗を生じ、砥石の切れ味が低下する。そのため、所定数量の歯車を研削した後に、研削面が摩耗した砥石に対して、ドレッシングやツルーイングを行って鋭い刃面を再生させることが必要となる。

ドレッシングやツルーイングを行う方法として、仕上げ加工された後の歯車とほぼ同じ歯車諸元に設定されたドレスギヤを用いて砥石をドレスすることが行われている。特許文献１には、熱処理後の歯車に対し内歯砥石を用いたハードギヤホーニング加工に関し、内歯砥石を高精度にドレッシングあるいはツルーイングを行うためにドレスギヤの歯数を被加工歯車（ワーク）歯数の１．５倍以上の歯数とするドレスギヤが開示されている。

特開平７−３２２１４号公報（例えば、明細書の段落［０００６］〜［０００８］など参照）

近年は外歯車のみならず内歯車についても、その加工精度の更なる向上が求められている。被加工内歯車を研削加工する際に用いる砥石として、砥石の回転軸方向中間部から軸方向両端部に向かうに従って、その径寸法が漸次小さくなるような樽形に形成された樽形ねじ状砥石がある。この樽形ねじ状砥石に対しドレッシングあるいはツルーイングを行うドレスギヤの形状は、樽形ねじ状砥石の形状を仕上げ加工後の被加工内歯車の形状に適した形状とするため、仕上げ加工後の被加工内歯車と同一の諸元で設計製作されることが一般的である。

しかし、熱処理後の被加工内歯車には研削加工のための加工代が設定されているため、内歯車と同一諸元で製作されたドレスギヤによりドレッシング／ツルーイングされた樽形ねじ状砥石を用いて被加工内歯車を仕上げ加工しようとする際、樽形ねじ状砥石の歯形が被加工内歯車の歯形に適切に噛合うことができないことがある。具体的には、図９および図１０に示すように、被加工内歯車２１１には歯形２２２の取代歯形（加工代）２２１が形成されている。そして、研削加工を始める際、樽形ねじ状砥石２１２と被加工内歯車２１１との位置を適切に噛み合わせるが、一般的には樽形ねじ状砥石２１２の中心位置を基準として噛み合わせを行っている。そのため、加工当初は樽形ねじ状砥石２１２の軸方向両端部２１２ｂ，２１２ｃにて樽形ねじ状砥石２１２の刃２１２ａが被加工内歯車２１１の取代歯形２２１にのみ接触することになり、樽形ねじ状砥石２１２の軸方向中心部よりも必要以上に喰い込むことになる。このような歯合わせ状態で研削加工を行うと、研削加工開始時においては、樽形ねじ状砥石２１２の両端部２１２ｂ，２１２ｃに対して、局所的な負荷がかかってしまい、変則的な研削負荷や偏摩耗が発生するおそれがある。

従って、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたものであって、偏摩耗することなく効率良く研削できる樽形ねじ状工具を容易に製作できる樽形ねじ状工具の製作方法を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係る樽形ねじ状工具の製作方法は、
軸方向端部から軸方向中間部に向かうに従って、その径が漸次大きくなるように形成され、被加工内歯車の歯車加工に用いられる樽形ねじ状工具に対して、ドレス工具を用いてドレッシングすることにより、樽形ねじ状工具を製作する方法であって、
前記ドレス工具として、前記被加工内歯車の歯の断面形状を輪郭とする形状をなすディスクドレッサが用いられ、
前記被加工内歯車の諸元データの歯数を少なくしてドレッシング動作データが演算され、
前記ドレッシング動作データと、前記被加工内歯車の歯数よりも少ない歯数のデータに基づき、前記ディスクドレッサと前記樽形ねじ状工具とが、前記樽形ねじ状工具による歯車加工時と同じ軸交差角にて噛み合わされ、互いに噛み合った状態で前記樽形ねじ状工具及び前記ディスクドレッサが移動されて、ドレッシングする
ことを特徴とする。

本発明に係る樽形ねじ状工具の製作方法によれば、従来の樽形ねじ状砥石と比べて、軸方向両端部における砥石ピッチ円直径が小さく、その箇所における曲率半径が小さい樽形ねじ状砥石を容易に製作することができる。このような樽形ねじ状砥石により、熱処理で歪んだり加工代が大きかったりする被加工内歯車を仕上げ加工する場合であっても、加工負荷及び偏摩耗の低減を図り、高精度に歯車加工を行うことができる。

内歯車研削盤の概略図である。 本発明の一実施形態に樽形ねじ状工具の製作方法を適用するドレッシング装置における砥石およびドレスギヤの支持構造を示した図である。 樽形ねじ状砥石の縦断面図である。 本発明の他実施形態に樽形ねじ状工具の製作方法を適用するドレッシング装置における砥石およびディスクドレッサの支持構造を示した図である。 樽形ねじ状砥石をディスクドレッサによりドレッシングするときの様子を示した図である。 ディスクドレッサのドレッシング動作を示した模式図である。 シミュレーション（１）の解析結果であって、図７（ａ）は各ドレスギヤ歯数に対する、ドレスギヤ歯底径（ｍｍ）、ドレスギヤ歯先径（ｍｍ）、軸方向中心部における砥石ねじれ角（ｄｅｇ）、軸角（ｄｅｇ）、軸方向中心部における砥石ピッチ円直径（ｍｍ）、軸方向端部における砥石ピッチ円直径（ｍｍ）、砥石ピッチ円半径変化量Δｒ（ｍｍ）を示した表であり、図７（ｂ）は砥石ピッチ円半径変化量Δｒ（ｍｍ）とドレスギヤ歯数との関係を示したグラフである。 シミュレーション（２）の解析結果であって、図８（ａ）は各ドレスギヤ歯数に対する、ドレスギヤ歯底径（ｍｍ）、ドレスギヤ歯先径（ｍｍ）、軸方向中心部における砥石ねじれ角（ｄｅｇ）、軸角（ｄｅｇ）、軸方向中心部における砥石ピッチ円直径（ｍｍ）、軸方向端部における砥石ピッチ円直径（ｍｍ）、砥石ピッチ円半径変化量Δｒ（ｍｍ）を示した表であり、図８（ｂ）は砥石ピッチ円半径変化量Δｒ（ｍｍ）とドレスギヤ歯数との関係を示したグラフである。 従来の砥石により被加工内歯車を研削加工するときの様子を示した図である。 図９の要部拡大図である。

本発明に係る樽形ねじ状工具の製作方法の各実施形態について、詳細に説明する。

［第一番目の実施形態］
第一番目の実施形態の樽形ねじ状工具の製作方法について、図１〜図３を参照して説明する。本実施形態では、ドレスギヤ（ドレス工具）を具備するドレッシング装置に適用した場合を説明する。

図１に示すように、内歯車研削盤１は、ベッド２、コラム３、サドル４、旋回ヘッド５、砥石ヘッド６を具備する。コラム３はベッド２上にて水平なＸ軸方向に移動可能に支持されている。Ｘ軸方向は砥石回転軸Ｂ１とワーク回転軸Ｃ１との間の距離が調整されるよう移動する方向であり、内歯車研削盤１の前後方向に沿っている。サドル４は、コラム３に取り付けられ、Ｘ軸方向と直行する鉛直なＺ軸方向に昇降可能に支持されている。旋回ヘッド５はサドル４に取り付けられ、Ｘ軸と平行で水平な砥石旋回軸Ａ周りに旋回可能に支持されている。砥石ヘッド６は旋回ヘッド５に取り付けられ、砥石回転軸Ｂ１と直交するＹ軸方向に移動可能に支持されている。砥石ヘッド６には図示しない砥石主軸及び砥石主軸に取り付けられた砥石アーバ６ａが、砥石回転軸（工具回転軸）Ｂ１周りに回転可能に支持されている。砥石アーバ６ａの先端部には樽形ねじ状砥石１２が、着脱可能に装着されている。

上記のような軸構成の内歯車研削盤１では、コラム３を移動させることにより、このコラム３及びサドル４、旋回ヘッド５、砥石ヘッド６（砥石アーバ６ａ）とともに樽形ねじ状砥石１２が、矢印ａの如く、Ｘ軸方向に移動する。また、サドル４を移動させることにより、このサドル４及び旋回ヘッド５、砥石ヘッド６（砥石アーバ６ａ）とともに樽形ねじ状砥石１２が、矢印ｂの如く、Ｚ軸方向に（内歯車研削盤１の上下方向に）移動する。また、旋回ヘッド５を旋回させることにより、この旋回ヘッド５とともに樽形ねじ状砥石１２が、矢印ｃの如く、砥石旋回軸Ａ周りに旋回する。なお、このときＹ軸方向（砥石ヘッド６の移動方向）も、旋回ヘッド５とともに砥石旋回軸Ａ周りに旋回することになる。砥石ヘッド６を移動させることにより、この砥石ヘッド６（砥石アーバ６ａ）とともに樽形ねじ状砥石１２が、矢印ｄの如く、Ｙ軸方向に移動する。そして、砥石ヘッド６内の砥石主軸を駆動させることにより、砥石アーバ６ａとともに樽形ねじ状砥石１２が、矢印ｅの如く、砥石回転軸Ｂ１周りに回転する。

ベッド２上においてコラム３の正面には、回転テーブル７が鉛直なワーク回転軸Ｃ１周りに回転可能に設けられている。回転テーブル７の上面には、円筒状の取付治具８が設けられており、この取付治具８の上端内周面には、被加工内歯車（ワーク）Ｗが着脱可能に取り付けられている。従って、回転テーブル７を駆動すると、回転テーブル７とともに被加工内歯車Ｗが、矢印ｉの如く、ワーク回転軸Ｃ１周りに回転する。

樽形ねじ状砥石１２をドレスギヤ１１によりドレッシングする場合には、ドレスギヤ１１が取付治具８に取り付けられ、樽形ねじ状砥石１２とドレスギヤ１１が噛み合わされる。噛み合い状態において、ドレスギヤ１１をドレスギヤ回転軸（ワーク回転軸）Ｃ１周りに回転させるとともに、樽形ねじ状砥石１２を砥石回転軸Ｂ１周りに同期回転させながら、樽形ねじ状砥石１２を上下方向（Ｚ軸方向）に揺動させることにより、ドレスギヤ１１の刃面１１ａにより、樽形ねじ状砥石１２の刃面１２ａがドレッシングされる。

上述したドレスギヤ１１は、被加工内歯車Ｗの歯数よりも少ない歯数のデータに基づくものであり、その歯数が樽形ねじ状砥石１２により研削加工する被加工内歯車の歯数よりも少ない歯数にて形成されている。したがって、ドレスギヤ１１は、通常の被加工内歯車の歯数と同じ歯数で形成されたドレスギヤと比べ小さいピッチ円直径を有する。このデータを基にドレッシング動作演算部にて動作データが演算され、ドレッシング時の動作が制御される。そのため、通常の被加工内歯車の歯数と同じ歯数で形成されたドレスギヤと比べ小さいピッチ円直径を有するドレスギヤ１１により樽形ねじ状砥石１２のドレッシング／ツルーイングを行うと、樽形ねじ状砥石１２の形状は、図３に示すように、砥石幅（砥石の軸方向長さ）Ｈの方向にてその軸方向中間部（中心部）から軸方向両端部１２ｂ，１２ｃに向かうに従って、その径寸法が仕上げ加工後の被加工内歯車の形状に適した寸法よりもさらに漸次小さくなるような樽形の形状に形成される。

これにより、樽形ねじ状砥石１２を用いて熱処理後の被加工内歯車を仕上げ加工する際、樽形ねじ状砥石１２の軸方向端部の刃が被加工内歯車の歯溝に必要以上に食い込むことを防止できる。よって、加工負荷及び偏摩耗の低減を図ることができる。さらには、樽形ねじ状砥石１２全体が被加工内歯車の歯面と一様に接触することもでき、高精度に歯車加工を行うことができる。

なお、ドレスギヤ１１の歯数の下限値は、被加工内歯車の加工代や樽形ねじ状砥石１２により被加工内歯車を研削するときの樽形ねじ状砥石１２と被加工内歯車との接触幅（長さ）から研削性（研削加工時間）が考慮され設定される。

次に、被加工内歯車が熱処理により歪んでいたり加工代が大きかったりするものであっても、加工負荷及び偏摩耗の低減を図り、高精度に歯車加工を行うことができる樽形ねじ状砥石を製作できることを目的とした、被加工内歯車の歯数に基づくドレスギヤの歯数の設定方法について、図７および図８を用いて具体的に説明する。

ここで、外歯状のドレスギヤの歯数と樽形ねじ状砥石の砥石ピッチ円半径変化量との関係を明らかにするため、後述するシミュレーション（１）、（２）の解析を行なった。なお、樽形ねじ状砥石の砥石ピッチ円半径変化量は、樽形ねじ状砥石の軸方向中心部におけるピッチ円半径と樽形ねじ状砥石の軸方向端部におけるピッチ円半径との差の値である。

先ず、シミュレーション（１）について、図７（ａ），図７（ｂ）を用いて説明する。

このシミュレーション（１）にて、ドレスギヤ諸元を下記の（Ｄ１）、樽形ねじ状砥石諸元を下記の（Ｔ１）、ワーク（被加工内歯車）諸元を下記の（Ｗ１）にそれぞれ設定した。
（Ｄ１）ドレスギヤ諸元
モジュール ：２
圧力角 ：２０°
ねじれ角 ：２０°
歯幅 ：３０ｍｍ
（Ｔ１）砥石諸元
歯数 ：２３
砥石外径（中心部） ：７５．６ｍｍ
砥石幅 ：３０ｍｍ
砥石ねじれ角（中心部） ：５０°
（Ｗ１）ワーク諸元
モジュール ：２
歯数 ：６０
圧力角 ：２０°
ねじれ角 ：２０°
歯底径 ：１３１．７ｍｍ
ワークピッチ円直径 ：１２７．７ｍｍ
歯先径 ：１２３．７ｍｍ
歯幅 ：３０ｍｍ

被加工内歯車の歯数より少ない歯数のドレスギヤにより樽形ねじ状砥石をドレッシングすることで（図７（ａ）における１〜５）、被加工内歯車の歯数と同じ歯数を有するドレスギヤにより樽形ねじ状砥石をドレッシングした場合（図７（ａ）における６）と比べて、砥石ピッチ円半径変化量Δｒが大きくなることが分かった。すなわち、樽形ねじ状砥石の軸方向端部における砥石ピッチ円直径が変化すること、具体的には、ドレスギヤの歯数を被加工内歯車の歯数よりも少なくしていくにしたがって砥石ピッチ円半径変化量Δｒが増加していくことが分かった。よって、被加工内歯車の歯数より少ない歯数のドレスギヤにより樽形ねじ状砥石をドレッシングすることにより、被加工内歯車の歯数と同じ歯数を有するドレスギヤにより樽形ねじ状砥石をドレッシングした場合と比べて、樽形ねじ状砥石の端部における直径を小さくすることができる。

これにより、樽形ねじ状砥石の曲率半径は、軸方向中心部と比べて軸方向端部にて小さくなった。その結果、樽形ねじ状砥石を用いて熱処理後の被加工内歯車を仕上げ加工する際、軸方向端部の刃が被加工内歯車の歯溝に必要以上に喰い込むことが防止できる。よって、加工負荷及び偏摩耗の低減を図ることができる。さらには、樽形ねじ状砥石１２全体が被加工内歯車の歯面と一様に接触することもでき、高精度に歯車加工を行うことができる。このような樽形ねじ状砥石を容易に製作できることが分かった。

次いで、シミュレーション（２）について、図８（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

このシミュレーション（２）にて、ドレスギヤ諸元を下記の（Ｄ２）、樽形ねじ状砥石諸元を下記の（Ｔ２）、ワーク（被加工内歯車）諸元を下記の（Ｗ２）にそれぞれ設定した。
（Ｄ２）ドレスギヤ諸元
モジュール ：１．２
圧力角 ：２０°
ねじれ角 ：２０°
歯幅 ：３０ｍｍ
（Ｔ２）砥石諸元
歯数 ：３１
砥石外径（中心部） ：６０．３ｍｍ
砥石幅 ：３０ｍｍ
砥石ねじれ角（中心部） ：５０°
（Ｗ２）ワーク諸元
モジュール ：１．２
歯数 ：９０
圧力角 ：２０°
ねじれ角 ：２０°
歯底径 ：１１７．３ｍｍ
ワークピッチ円直径 ：１１４．９ｍｍ
歯先径 ：１１２．５ｍｍ
歯幅 ：３０ｍｍ

図８（ａ）に示すように、シミュレーション（１）と比べて、異なる諸元の被加工内歯車を研削加工する場合であっても、シミュレーション（１）の場合と同様に、被加工内歯車の歯数と異なるドレスギヤを用いて樽形ねじ状砥石をドレッシング／ツルーイングした際、樽形ねじ状砥石の軸方向端部における砥石ピッチ円直径が変化すること、具体的には、ドレスギヤの歯数を被加工内歯車の歯数よりも少なくしていくにしたがって、樽形ねじ状砥石の軸方向端部におけるピッチ円直径が軸方向中心部のピッチ円直径と比べて小さくなっていくことが分かった。

これにより、樽形ねじ状砥石の曲率半径は、軸方向中心部と比べて軸方向端部にて小さくなった。その結果、樽形ねじ状砥石を用いて熱処理後の被加工内歯車を仕上げ加工する際、軸方向端部の刃が被加工内歯車の歯溝に必要以上に喰い込むことが防止できる。よって、加工負荷及び偏摩耗の低減を図ることができる。さらには、樽形ねじ状砥石１２全体が被加工内歯車の歯面と一様に接触することもでき、高精度に歯車加工を行うことができる。このような樽形ねじ状砥石を容易に製作できることが分かった。

［第二番目の実施形態］
第二番目の実施形態の樽形ねじ状工具の製作方法について、図４〜図６を参照して説明する。本実施形態では、ディスクドレッサ（ドレス工具）を具備するドレッシング装置を適用した場合について説明する。

内歯車研削盤（図示せず）には、図４に示すように、ディスクドレッサ２１を備えたドレッシング装置２０が設けられている。すなわち、ドレッシング装置２０が内歯車研削盤のベッド上の回転テーブルに設けられた取付治具に取り付けられる。これにより、ディスクドレッサ２１は、鉛直方向に対して所定の取付角（例えばワークのねじれ角）Ａ２をなすドレッサ回転軸（工具回転軸）Ｃ１３周りに回転可能に支持されるとともに、鉛直なドレッサ旋回軸（ワーク回転軸）Ｃ１周りに旋回可能に支持される。ディスクドレッサ２１はドレッサ旋回軸Ｃ１から所定の距離に配置され、Ｃ１軸周りに旋回される。

ディスクドレッサ２１は、被加工内歯車Ｗの１歯の断面形状（砥石との接触線）を輪郭とした形状となっており、その周面に沿う縁部に刃面２１ａが形成され、樽形ねじ状砥石（樽形ねじ状工具）１２をディスクドレッサ２１によりドレッシング可能になっている。

次に、図５および図６を用いてドレッシング装置２０によるドレッシング動作を説明する。

図５および図６に示すように、樽形ねじ状砥石１２とディスクドレッサ２１とが噛み合わされた後、樽形ねじ状砥石１２の砥石回転軸Ｂ１周りの回転、ディスクドレッサ２１のドレッサ回転軸Ｃ１３周りの回転と共に、樽形ねじ状砥石１２の刃溝にディスクドレッサ２１が沿うよう樽形ねじ状砥石１２をＸ軸、Ｙ軸へ移動させながらディスクドレッサ２１をドレッサ旋回軸Ｃ１周りに旋回させて、ｄ１の位置から、樽形ねじ状砥石２１の中間部と噛み合うｄ２の位置、次いで、ｄ２の位置から、樽形ねじ状砥石２１の他端部と噛み合うｄ３の位置に移動させドレッシング／ツルーイングが行われる。

ここで、上述したディスクドレッサ２１の動作や樽形ねじ状砥石１２の動作は、入力された被加工内歯車の諸元データにおける歯数を所定の数量少なく想定し、歯数以外のねじれ角などを被加工内歯車の諸元データと同一に想定した砥石形状に基づきドレッシング動作演算部にて動作データが演算され制御される。これにより、樽形ねじ状砥石１２の形状は、砥石幅（砥石の軸方向長さ）の方向にてその軸方向中間部（中心部）から軸方向両端部１２ｂ，１２ｃに向かうに従って、その径寸法が仕上げ加工後の被加工内歯車の形状に適した寸法よりもさらに漸次小さくなるような樽形の形状に形成される。

したがって、樽形ねじ状砥石１２を用いて熱処理後の被加工内歯車を仕上げ加工する際、樽形ねじ状砥石１２の軸方向端部の刃が被加工内歯車の歯溝に必要以上に喰い込むことが防止できる。よって、加工負荷及び偏摩耗の低減を図ることができる。さらには、樽形ねじ状砥石１２全体が被加工内歯車の歯面と一様に接触することができ、高精度に歯車加工を行うことができる。

なお、ディスクドレッサ２１によりドレッシング／ツルーイングを行う際に想定する被加工内歯車の歯数の下限値は、被加工内歯車の加工代や樽形ねじ状砥石１２により被加工内歯車を研削するときの樽形ねじ状砥石１２と被加工内歯車との接触幅（長さ）から研削性（研削加工時間）が考慮され設定される。

本発明によれば、加工負荷及び偏摩耗の低減を図り、高精度に歯車加工を行うことができる樽形ねじ状砥石を容易に作製できるため、工作機械産業などで有益に利用することができる。

１１ ドレスギヤ
１２ 樽形ねじ状砥石
２０ ドレッシング装置
２１ ディスクドレッサ
Ａ１ 軸交差角
Ａ２ ドレッサ取付角
Ｂ１ 砥石回転軸
Ｃ１ ワーク回転軸（ドレスギヤ回転軸）
Ｃ１３ ドレッサ回転軸

Claims (1)

1. 軸方向端部から軸方向中間部に向かうに従って、その径が漸次大きくなるように形成され、被加工内歯車の歯車加工に用いられる樽形ねじ状工具に対して、ドレス工具を用いてドレッシングすることにより、樽形ねじ状工具を製作する方法であって、
   前記ドレス工具として、前記被加工内歯車の歯の断面形状を輪郭とする形状をなすディスクドレッサが用いられ、
   前記被加工内歯車の諸元データの歯数を少なくしてドレッシング動作データが演算され、
   前記ドレッシング動作データと、前記被加工内歯車の歯数よりも少ない歯数のデータに基づき、前記ディスクドレッサと前記樽形ねじ状工具とが、前記樽形ねじ状工具による歯車加工時と同じ軸交差角にて噛み合わされ、互いに噛み合った状態で前記樽形ねじ状工具及び前記ディスクドレッサが移動されて、ドレッシングする
   ことを特徴とする樽形ねじ状工具の製作方法。

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