JP2012143821A

JP2012143821A - 歯車製造方法

Info

Publication number: JP2012143821A
Application number: JP2011002317A
Authority: JP
Inventors: Hidemichi Nagata; 英理永田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2012-08-02
Also published as: US8819936B2; US20120177457A1; EP2474379B1; EP2474379A1

Abstract

【課題】スカイビング加工において発生するバリを抑制する歯車製造方法を提供する。
【解決手段】歯車に加工されるワーク１０の回転軸Ａｗに対して傾斜した回転軸Ａｃを有するピニオン型のカッター１を用い、カッター１をワーク１０と同期回転させながらワーク１０の歯すじ方向に送り操作するスカイビング加工を利用した歯車製造方法において、スカイビング加工の前に、ワーク１０の加工面１０ａを表面硬化処理した表面硬化層１５を形成しておく。
【選択図】図１

Description

歯車に加工されるワークの回転軸に対して傾斜した回転軸を有するピニオン型のカッターを用い、前記カッターを前記ワークと同期回転させながら前記ワークの歯すじ方向に送り操作するスカイビング加工を利用した歯車製造方法に関する。

スカイビング加工とは、図１を参照して説明すると、ワーク１０の回転軸Ａｗに対して傾斜した回転軸Ａｃを有するピニオン型のカッター１を、ワーク１０と同期回転させつつ、ワーク１０の歯すじ方向に送り操作（ここでは回転軸Ａｗに沿って上方から下方への送り操作）を行い歯切りする加工法である。

このようなスカイビング加工においては、カッターとワークの回転運動により発生する滑りにより切削を行うので、カッターを単に往復運動させて切削する他の加工法と比べると滑らかな切削が可能である。又、カッターの回転速度を速くすることにより高速切削が容易に実現可能である。従って、例えば波動歯車のように多数の細かい歯を有する歯車の加工を行う場合に、スカイビング加工は特に有利な加工法といえる。

スカイビング加工では、上述のごとくカッターとワークとが同期回転しながら切削を行う。従って、図９に示すように、カッター１の切刃２がワーク１０の歯溝１２を形成する際に、切刃２はワーク１０に対してＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５のような軌跡をたどる。切刃２はＴ１からＴ２に回転する際にワーク１０と接触し、Ｔ４からＴ５に回転する際にワーク１０から離間する。そして、切刃２がワーク１０に接触して離間するまでの間、ワーク１０の切削を行うことになる。

この時、切刃２がワーク１０から離間する側においては、バリＢが発生する。スカイビング加工においては、図９に示したような切刃２の挙動が何度も繰り返されることによって歯溝１２が形成される結果、歯すじ方向に沿って多数のバリＢが発生することになる。又、カッター２の回転に伴うバリの発生だけでなく、送り操作によりカッターがワークから離間する際にも、送り方向下手側のワークの表面にバリが発生する。

一般的な歯車の製造工程では、歯切りをした後に仕上げ加工や熱処理が施され、この段階にてバリが除去される。しかし、スカイビング加工で波動歯車のような細かい歯を有する歯車の加工を行う際には、仕上げ加工や熱処理により歯の破損や変形が生じ得るので、仕上げ加工や熱処理が行われない場合が多い。このような場合には、バリの発生そのものを抑制する必要がある。

上記問題を鑑みて、本発明は、スカイビング加工において発生するバリを抑制する歯車製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る歯車製造方法の特徴手段は、歯車に加工されるワークの回転軸に対して傾斜した回転軸を有するピニオン型のカッターを用い、前記カッターを前記ワークと同期回転させながら前記ワークの歯すじ方向に送り操作するスカイビング加工を利用した歯車製造方法において、前記スカイビング加工の前に、前記ワークの加工面を表面硬化処理しておく点にある。

本特徴手段によれば、スカイビング加工の前に、ワークの加工面を表面硬化処理しておくので、加工面の表面が脆性を備えるようになる。表面硬化処理によりワークの加工面の表面が脆くなると、切削屑がワークから脱落しやすくなり、バリの発生そのものを低減することができる。このようにバリの発生そのものを抑えることにより、仕上げ加工や熱処理によるバリの除去を行う必要がなく、波動歯車のような細かい歯を有する歯車の加工にも適している。

ここで、表面硬化処理は窒化処理により行われると好適である。

窒化処理とは、金属の表面に窒素を浸み込ませ、表面に窒化物を形成することにより表面硬化を図る手法である。焼入れのように金属を急冷する必要がないので、処理による寸法変化がきわめて少なく、波動歯車のような細かい歯を有する歯車の加工にも適している。しかし、窒化処理で表面硬化処理を行うことは本発明の必須要件ではなく、他に浸炭焼入れ、高周波焼入れ、ショットピーニング等の処理方法を採用してもよい。

又、前記表面硬化処理により、前記ワークの表面の硬度を母材の硬度よりもビッカース硬さ（ＨＶ硬さ）で５０〜５００硬くしてあると好適である。

表面硬化処理によりワークの表面の硬度をある程度以上は硬くしないと、脆性化によるバリ低減の効果が得られない。一方、表面の硬度を硬くしすぎると、カッターの磨耗が速くなり、加工精度や加工速度に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、ワークの表面の硬度を母材の硬度よりもビッカース硬さで５０〜５００程度硬くしておくと、バリ低減の効果を奏しつつ、カッターの磨耗も抑制できるので好ましい。

又、前記表面硬化処理により硬化させる厚みを０．０１〜０．２ｍｍとしてあると好適である。

表面硬化処理により硬化させる厚みが小さすぎると、表面の脆性化による効果を享受できず、バリ低減を実現できないおそれがある。一方、厚みを大きくしすぎると、カッターの磨耗が速くなり、加工精度や加工速度に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、硬化させる表面の厚みを０．０１〜０．２ｍｍ程度としておくと、バリ低減の効果を奏しつつ、カッターの磨耗も抑制できるので好ましい。

さらに、前記表面硬化処理の前に行う前記ワークの切削加工により、前記表面硬化処理により硬化させる厚みよりも深い凹部が前記加工面の表面に形成されていると好適である。

ワークの加工面の表面に凹部が形成されていると、カッターの切刃が加工面から離間する際に、まずは凹部の深いところから切刃が離間し、徐々に凹部の浅いところにおいても切刃が加工面から離間するようになる。その結果、切削屑の形状や切削屑に作用する力が不均一となり、切削屑がワークから脱落しやすくなるので、バリの発生を抑制できる。尚、凹部の形態としては、溝状のものでも構わないし、穴が離散的に存在するようなものでも構わない。又、凹部を形成する切削加工の工程を、研磨加工の工程と兼ねてもよい。

特に、表面硬化処理により硬化させる厚みよりも深い凹部が加工面の表面に形成されていると、カッターの切刃は、母材のみが存在する位置、母材と表面硬化層とが混在している位置、母材と表面硬化層とワーク外空間とが混在している位置、表面硬化層とワーク外空間とが混在している位置を経て、加工面から離間することになる。その結果、切削屑の形状や切削屑に作用する力がより不均一となり、バリの発生を一層抑制できる。

スカイビング加工による歯車製造方法の概要を示す説明図である。スカイビング加工による切削加工を示す説明図である。歯溝形成の過程を示す平面図である。内歯歯車用のワークにおいて表面硬化処理をしておく部位を示した図である。表面硬化処理を施したワークのＨＶ硬さ分布を示すグラフである。切削加工により形成された微小溝を示した斜視図である。切刃が微小溝を有するワークから離間する際の過程を示した断面図である。外歯歯車用のワークにおいて表面硬化処理をしておく部位を示した図である。従来技術による歯溝形成の過程を示す平面図である。

以下、本発明に係る歯車製造方法を内歯歯車の切削加工に適用した実施形態について図面に基づいて説明する。

図１は、スカイビング加工を利用した本発明の実施形態に係る歯車製造方法の概要を示す説明図である。スカイビング加工とは、ワーク１０の回転軸Ａｗに対して傾斜した回転軸Ａｃを有するピニオン型のカッター１を、ワーク１０と同期回転させつつ、ワーク１０の歯すじ方向に送り操作（ここでは回転軸Ａｗに沿って上方から下方への送り操作）を行い歯切りする加工法である。円環状のワーク１０の内周面は、スカイビング加工により歯１１が形成される加工面１０ａである。加工面１０ａと直交する上下面のうち、カッター１の送り方向の上手側の面を上面１０ｂ、下手側の面を下面１０ｃと称する。

図２は、カッター１の切刃２が加工面１０ａを切削し、歯溝１２を形成している様子を示す説明図である。ａ図はワーク１０の加工面１０ａを正面から見た正面図、ｂ図は加工面１０ａを横から見た側面図、ｃ図はワーク１０を上から見た平面図である。又、図３は切刃２による歯溝１２の形成の過程を示す平面図である。カッター１がワーク１０と同期回転することにより、各切刃２がワーク１０に対して図３のＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５の順に移動して歯溝１２を形成していく。その結果、図２のａ図及びｃ図に示されるように、加工面１０ａに複数の歯溝１２が形成される。

１つの切刃２が加工面１０ａと接触してから離間するまでの一回の切削では、歯すじ方向にはわずかな長さの歯溝１２を形成するのみである。カッター１とワーク１０とが同期回転しながら、さらにカッター１が送り操作されることにより、徐々に歯溝１２が歯すじ方向に連なり、最終的には上面１０ｂから下面１０ｃに亘る歯溝１２が形成される。図２のｂ図における鎖線は、このようにして形成される歯溝１２の深さを示す。下面１０ｃのうち加工面１０ａから歯溝１２の深さまでの領域を、下面切削領域１０ｄと称する。

図９に示すように、従来技術によるスカイビング加工を行うと、ワーク１０の加工面１０ａのうち歯溝１２の回転下手側においては、切刃２が離間する際にバリＢが発生する。又、カッター１が送り操作され、ワーク１０の下面１０ｃからカッター１が離間する際には、下面１０ｃのうち切削領域に関わる下面切削領域１０ｄにバリが発生する。そこで、これらの部位におけるバリの発生を抑制するため、スカイビング加工の前に加工面１０ａと下面切削領域１０ｄとを含む領域に表面硬化処理を施し、図１〜図４に示すような表面硬化層１５を形成しておく。このような処理を施しておくと、表面硬化層１５が脆くなり、切削屑がワーク１０から脱落しやすくなり、バリの発生そのものを低減することができる。

図５のグラフは、ワーク１０としてクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）を用い、これに窒化処理による表面硬化処理を施した場合のＨＶ硬さ分布を示したものである。ａ図はイオン窒化処理により４００℃、５Ｈｒの処理サイクルを施した場合、ｂ図は同じくイオン窒化処理により４００℃、１Ｈｒの処理サイクルを施した場合、ｃ図はラジカル窒化処理により３９０℃、２Ｈｒの処理サイクルを施した場合の硬さ分布を示す。

図５によれば、表面硬化層１５の硬度が、硬化されていない母材の硬度よりも、ビッカース硬さ（ＨＶ硬さ）において５０〜５００程度硬くなっていることが分かる。又、表面硬化層１５の厚みはいずれも０．１ｍｍ程度となっている。表面硬化層１５の硬度及び厚みを上記程度とすれば、スカイビング加工の際にバリの発生が抑制されるとともに、表面硬化層１５によるカッターの磨耗を低減することができる。表面硬化処理としては上記以外の他の窒化処理を採用してもよいし、浸炭焼入れ、高周波焼入れ、ショットピーニング等の処理方法を採用してもよい。又、ワーク１０の材料についても、上記のクロムモリブデン鋼に限らず、他のものを用いてもよい。さらに、表面硬化層１５の厚みは０．１ｍｍ程度に限らず、０．０１〜０．２ｍｍ程度であればよい。

図６は、スカイビング加工により形成された歯溝１２と、スカイビング加工の前に行われる切削加工により形成された微小溝１３とを示した拡大図である。加工面１０ａを切削して歯溝１２を形成する際に、加工面１０ａに微小溝１３のような凹部が形成されていると、カッター１の切刃２が加工面１０ａから離間する際に、まずは微小溝１３の深いところから切刃２が離間し、徐々に微小溝１３の浅いところにおいて切刃２が加工面１０ａから離間するようになる。その結果、切削屑の形状や切削屑に作用する力が不均一となり、切削屑がワーク１０から脱落しやすくなるので、バリの発生を抑制できる。尚、凹部の形態としては、溝状のものに限らず、穴が離散的に存在するようなものでも構わない。

図７は、歯溝１２がまだ形成されていない状態の加工面１０ａの表面を拡大した断面図である。このように、微小溝１３の深さＤ１が表面硬化層１５の厚みＤ２よりも大きいとさらに好適である。カッター１が回転して切刃２が加工面１０ａを切削し、加工面１０ａから離間する過程において、離間の直前には切刃２は順にＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５と推移する。即ち、カッター１の切刃２は、母材１４のみが存在する位置Ｌ１、母材１４と表面硬化層１５とが混在している位置Ｌ２、母材１４と表面硬化層１５とワーク外空間Ｓとが混在している位置Ｌ３、表面硬化層１５とワーク外空間Ｓとが混在している位置Ｌ４を経て、加工面１０ａから完全に離間しワーク外空間Ｓのみが存在する位置Ｌ５に移動する。このように、切刃２が加工面１０ａから離間する際に、切削屑の形状や切削屑に作用する力がより不均一となり、バリの発生を一層抑制できる。

尚、本実施形態においては、ワーク１０の加工面１０ａだけでなく、下面１０ｃのうち下面切削領域１０ｄを含む領域にも表面硬化処理を施した。しかし、カッター１の送り操作の形態等によっては、下面切削領域１０ｄにバリが発生しないことも考えられる。このような場合には、下面切削領域１０ｄを含む領域を表面硬化処理しておくことは必ずしも必要ではなく、加工面１０ａのみに表面硬化処理を施しておけば十分である。

［別の実施形態］
本発明に係る歯車製造方法は、スカイビング加工により多数の細かい歯を有する波動歯車を加工するのに特に適しているが、これに限らず外歯歯車等の加工に適用することも可能である。例えば、外歯歯車の加工の際に本発明を適用した例を図８に示す。外歯歯車の場合は、ワーク１０の外周面が加工面１０ａとなる。従って、加工面１０ａと、ワーク１０の下面１０ｃのうち歯溝が形成される領域を含む範囲とに表面硬化処理を施し、表面硬化層１５を形成すればよい。

本発明に係る歯車製造方法は、スカイビング加工において発生するバリを抑制する場合に利用することが可能である。

１カッター
２切刃
１０ワーク
１０ａ加工面
１３微小溝（凹部）
１４母材
１５表面硬化層
Ａｗワークの回転軸
Ａｃカッターの回転軸

Claims

歯車に加工されるワークの回転軸に対して傾斜した回転軸を有するピニオン型のカッターを用い、前記カッターを前記ワークと同期回転させながら前記ワークの歯すじ方向に送り操作するスカイビング加工を利用した歯車製造方法において、
前記スカイビング加工の前に、前記ワークの加工面を表面硬化処理しておく歯車製造方法。
前記表面硬化処理は窒化処理により行われる請求項１に記載の歯車製造方法。
前記表面硬化処理により、前記ワークの表面の硬度を母材の硬度よりもビッカース硬さ（ＨＶ硬さ）で５０〜５００硬くしてある請求項１又は２に記載の歯車製造方法。
前記表面硬化処理により硬化させる厚みを０．０１〜０．２ｍｍとしてある請求項１〜３の何れか１項に記載の歯車製造方法。
前記表面硬化処理の前に行う前記ワークの切削加工により、前記表面硬化処理により硬化させる厚みよりも深い凹部が前記加工面の表面に形成されている請求項１〜４の何れか１項に記載の歯車製造方法。