JP6150806B2 - かさ歯車を面取りするための方法 - Google Patents

Description

この出願は、その開示全体が参照されることによってここに組み入れられる２０１１年９月１５日に提出した米国仮特許出願第６１/５３４９８９号の利益を請求する。

本発明はかさ歯車を製造することに向けられ、特にかさ歯車を面取りするための方法に向けられる。

かさ歯車および特にまがりばかさ歯車やハイポイド歯車の如き歯車ならびに他の歯付き物品の切削において、切削工具が歯溝を出た歯端に鋭いぎざぎざの縁を有するまくれを生ずることが一般的である。まくれは、まがりば内歯かさ歯車およびまがりば外歯かさ歯車の窪んだ歯面の端で特に認められる。歯車での場所にかかわらず、まくれは噛み合い部材との連続的な回転の履行障害と同様、工作機械作業者に対するけがの危険性を有する。従って、まくれを除去することが不可欠である。

歯先端および歯元端を含む歯車の歯の一端または両端に面取りを施すことも望ましい可能性がある。切削後、歯の両側と、前面および／または後面との交差部分や、先端および／または歯元には、通常、鋭い角が存在し、この鋭い角を除去することは、歯車の取り扱いをより安全にし、熱処理後の容認できないほど高硬度の潜在的な領域を排除する。

歯付きの金属部品のまくれを除去するか、または面取りを施す多くの方法がある。まくれの除去における一般的な技術は、回転している歯車の端縁にブレードを位置決めすることを具えている。すでに存在するまくれは、このブレードによる掻き落とし動作を伴って除去される。このような方法は、通常非常に迅速であるが、歯の端縁に明確な面取りを作り出す可能性をほとんどもたらさない。まくれ除去ブレードを位置決めするための必要性は、この部分の外側でのより単純なブレード配列のため、真の切削処理におけるそれよりも低い。

面取り方法は、非接触式と接触式とに概ね分けることができる。非接触処理は、熱エネルギー機械加工（ＴＥＭ）と、電気化学機械加工（ＥＣＭ）とを含む。接触処理は、ブラシ，やすり，砥石，カッター（ホブ切り工具やエンドミルおよび切削インサート付きディスクカッターを含む），水噴射カッター，水腐食研削（ＨＥＧ）を用いた面取りを含む。しかしながら、現在、歯車切削業界において最も一般的な方法は、さらに以下に論じられるようなカッターを用いた面取りおよびまくれ除去ブレードを用いたまくれ除去である。

米国特許第７７９４１８６号 国際出願第ＷＯ２０１１/０３８２０１号

ディスクカッターを利用した面取りの一例が特許文献１に示され、その面取り器具は歯切り機械（例えば米国特許第６６６９４１５号または米国特許第６７１２５６６号に示すような機械）のコラムに取り付けられ、この機械のＸおよびＹ動作を利用してディスクカッターを歯面に対して位置決めする。加えて、この面取り器具は角度調整を与える旋回軸線を有する。この面取りユニットの設定は、工作機械の作業者により教示モードにてなされる。これは、作業者がカッターブレードを歯面の一部の２，３箇所に対して手作業で位置合わせし、工作機械がこれらの間の直線状経路を計算することを意味する。この手作業の設定は非常に細かな神経を使い、結果として得られる面取りが個々の作業者の技量に応じて異なる可能性がある。実際の面取り過程において、面取りユニットはある距離、例えばその基準位置に対しておよそ６インチ（１５２mm）離され、主歯車切削処理との干渉を回避する。代わりに、コンピューターによる５軸制御の面取りユニットを工作機械のコラムに配することができる。このようなユニットの設定は、工作機械の作業者により教示モードにて同様になされる。

特許文献２に示す如き、他の面取り構成は、すべてコンピューター（例えばＣＮＣ）制御による独立した６軸を具えた面取りユニットを含み、このユニットは独立した副軸に隣接して位置決めされ、切削した被加工物は面取りをするために工作機械の主軸から副軸へと移送される。非常に多くの自由度があるため、面取りをするための教示モードは作業者に過大な負担をかける可能性がある。

本発明の目的は、本質的に自動的であって、教示ステップなしで実行することができる面取り方法を提供することにある。

本発明は、理論的データーを用いて歯端縁を規定することと、この理論的歯端縁データーを用いて実際の歯端縁を規定することと、面取り工具の移動経路を規定することと、前記実際の歯端縁を面取りするために前記面取り工具と前記実際の歯端縁とを前記移動経路に従って相互に動かすことにより前記実際の歯端縁を面取りすることとを具えた面取り方法を記述する。

歯形の２つの異なる場所に関するベクトル図である。 面取り処理のホブ切り角度（β）を例示する。 面取りカッターおよび被加工物の速度ベクトルを示す。 実際の面取り角（ＡＣＡ）を例示する。 工作機械の軸線位置Ａ_CalcおよびＢ_Calcを例示する。 歯元面取りのための歯元点Ｐの確定を例示する。

この明細書にて用いた「発明」および「この発明」ならびに「本発明」という用語は、この明細書のすべての内容および以下の特許請求の範囲のあらゆる請求項をあまねく参照することを意図している。これらの用語を含む陳述は、ここに記述した内容に限定するか、あるいは以下の任意の請求項の趣旨または範囲に限定するように解釈されるべきではない。さらにまた、この明細書は、この出願の任意の特定箇所，段落，陳述または図面において、何れかの請求項により保護される内容に記述または限定しようとはしていない。この内容は、明細書の全体および以下のすべての図面ならびにあらゆる請求項を参照することによって解釈されるべきである。この発明は、他の構成が可能であり、種々の方法で実施または行うことができる。また、ここで用いた表現および用語は説明の目的のためであって、限定するように見なされるべきではないと解釈される。

切削にて面取りを達成するため、歯面および面取りカッターの両方の形状が決定される。好ましい第１のステップは、特定の望ましい歯面形状および歯端位置の決定であり、これは CAGE および／または UNICAL の如き、かさ歯車の設計および解析のための既存の市販ソフトウェアーツールを用いて達成することができ、これらは両方共に知られており、ニューヨーク州 Rochester の The Gleason Works から容易に入手することができる。これらの設計および解析ツールは、歯面上の点のＸ，Ｙ，Ｚ座標をこれらの法線ベクトルのみならず歯端も含めて計算するために用いられる。歯車素材の形状が理論形状と異なっている場合、入手可能な歯車設計ソフトウェアーによっては、理論形状に対する素材の変更を完全に取り込めない可能性がある。従って、適合した素材の輪郭および端縁の場所を取得するため、歯車素材を例えば座標測定器（ＣＭＭ）にて測定することができ、任意の主背面角と副背面角との間の交点を含む複数の点を決定する。

カッター形状に関し、面取りカッターは、ブレード（隙間）の数と、呼び径と、カッターの回転方向と、カッター本体の内側のインサートのフレアー角の向きとによって特徴付けられる。右回転カッターは、その本体の外側を向く面を見た場合に右を向き、左回転カッターは左を向く。カッターのフレアー角の解釈はカッターの回転方向の場合と同様である。例えば、左フレアーカッターの先端は、ブレードの切削面を見た場合に左を向く。

かさ歯車の歯端縁を面取りするための本発明の方法は、公称上のデーターに基づいている。公称上のデーターは、内歯歯車および外歯歯車の突出する歯面および窪んだ歯面の両方に対して入手可能な傘歯車対の歯面の三次元的解説である。この発明の方法において、特定の歯端縁の点は、工作機械の作動を算出して規定した面取りを作成するために用いられる。これは、公称上のデーターが歯元点を含む限り、かさ歯車の歯元のみならず（外歯歯車ならびに内歯歯車の歯先および歯元の窪んだ歯面および突出する歯面の）８つの端縁のすべてに対して可能である。

好ましい面取り処置は、ホブ切り動作（すなわち被加工物および面取りカッターの両方が共にこれらの比率に基づいて同期して回転すること）を含む。静的に算出された面取りの最初の角度は、被加工物および面取りカッターの両方の速度ベクトルに適合するように好ましくはその後、修正される。

異なる端縁点でのカッターの中心および向きと、この面取りの具体的設定に基づくいくつかの歯面でのこれらの場所間の経路とが決定される。このような決定は、入手可能な異なる種類の面取りカッターが異なる寸法の公称上のデーター網を含めて入手可能である限り、それ自体の（歯の数，ねじれ角，ピッチ角，歯底角，相違角の如き）部分のための基本的な情報に関係した情報をさらに考慮することができる。

完全に自動化した面取りの設定ならびに基本的な使用者パラメーターを特定の値に変更する機能のためには、六自由度が必要である。この方法は、２つの部分に好ましくは分けられる。これらは歯面の面取りおよび歯元の面取りである。

歯面を面取りするための本発明方法の基本的な点は、以下を含む。

複数の歯面端縁点がそれぞれの点の法線ベクトルと共に三次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）にて画成される。この特定の端縁点の情報が使用者パラメーターに基づくカッターの適切な位置を決定するために用いられる。

面取りカッターおよび空間におけるその切削方向を画成する３つの主ベクトルは、ベクトルの回転および変換を介して好ましくはそれぞれの端縁点のために個別に決定される。特定のカッター位置が分かった後、一方の端縁点から他方の端縁点までのカッターのホブ切り動作が全端縁を面取りするために決定される。

面取りカッターの正確な位置を３つの主ベクトルにて記述することができる。これらは、実際の切削点におけるカッター軸線ベクトル

と、（カッター中心から歯面上の切削点までの）動径ベクトル

と、速度ベクトル

である。

すべての端縁点のためのカッターの初期位置がベクトルの回転によるが如く決定される。実際の点が端縁の最初または最後の点はでない限り、実際の点（図１）に関して前の点と次の点とを取ることにより、滑らかな動作を確保することができる。これらの回転の角度量は、面取り角度と、カッター噛み合い角と、すきま角と、カッターの種類とを含む使用者パラメーターに基づく。

面取りカッターのホブ切り動作はまた、２つの理由に関して考察すべきである。第１に、カッターが明らかにしたブレード点以外の点に関して歯面を絶対に切削しないことである。第２に、歯面を切削（後退動作）中にこれが離れて移動するため、実際の面取り角度が望ましい角度よりも小さいかどうかを決定することである。面取りを部分的に抜け出る（後退する）ことは、まくれの除去中にブレードが歯を抜け出ることを意味する。この種の切削方向は、切削方向に入る部分が歯の内側に切り屑を押し出すことができるので、好ましい。面取りに入る部分は面取り後に追加の清掃を必要とする可能性があり、また歯車対の性能に悪影響を与える歯の内側の第２のまくれを除去することもできる。

第１の点は、切削インサートのブレード点が図２に示す歯面の前の点と同じ水平位置に達するまで、その初期位置にある架空のカッターを旋回することによって解決される。ホブ切り角度（β）は、インサートの端縁がホブ切り動作の結果として余りにも早く歯面に切り込んでしまうことを阻止する。

カッター旋回の結果として生ずる角度が被加工物に対するカッターの比率と掛け算され、ホブ切り動作のための必要な角度をもたらす。この角度の決定は、切削インサートの端縁が実際の切削点に達する前に歯面を切り込むのを阻止するために必要である。

全角度（α）は、すきま角（ＣＬＡ）と、ブレードの半菱形角（ｇ）と、ホブ切り角度（β）に対するブレード（ＢlＴi）の角度方向とを加えることにより決定される。

これは、異なるフレアーカッターおよび異なるすきま角のための一貫した速度ベクトルを保証する。ブレード点の半径およびブレード点のオフセットを考慮に入れると、カッター中心の初期位置を決定することができる。この方法により決定される実際の面取り角度は、歯車の後退する面取り動作のため、基本的な設定の公称面取り角度よりも小さくすることができる。面取り角度を望ましい値に調整するため、反復処理が好ましくは行われる。

カッターおよび被加工物の角速度ベクトルは、それぞれ両方の軸線成分に毎分回転数の２π倍を掛けることにより決定される。特定の速度ベクトルは、角速度とそれらの個々の動径ベクトルとの外積にて決定される。

結果として得られる速度ベクトルは、図３に示すようにその正しい符号に関し、速度ベクトルを加ることにより決定される。

実際の面取り角度（ＡＣＡ）は、（特定の速度ベクトルの全部で計算される）面取り角度ΔＣＡを公称上の面取り角度（ＮＣＡ）から減算することによって決定される。速度ベクトルの両方の成分は、例示したような被加工物のピッチ円錐に対して接線方向の平面に突出する。図４の図面における紙面は、接線方向の平面を表す。
実際の面取り角度ＡＣＡは次の式で決定される。

初期位置の実際の面取り角度が分かると、この実際の面取り角度が最初の公称面取り角度に匹敵するまで、公称面取り角度を増大させる反復処理がなされる。この点でのカッターの速度ベクトルは、初期位置の速度ベクトルである。

Ａ_CalcおよびＢ_Calc（図５参照）の如き残りの工作機械の軸線位置は、面取りカッターの軸線方向に従って決定される。Ａ_Calcの角度は被加工物の角度であり、Ｂ_Calcの角度は被加工物の軸線と垂直位置にあるカッターの軸線との間の角度である。

角度Ａ_Calcは、最初の歯の向きにおけるカッターと垂直位置におけるカッターとの間の角度として画成される。垂直位置において、カッター軸線のＸ座標はゼロに等しく、軸線ベクトルは図５の左に表示されるように正のＹ方向を向く。

Ａ_Calcの計算後、カッター軸線および動径ベクトルを垂直位置へとＺ回りに回転し、角度Ｂ_Calcを次の式により計算することができる。

速度ベクトル法によるかさ歯車の面取りが６自由度の作業であるので、残りの角度はＥ角である。Ｅ角はカッター自体の角度である。この計算方法において、ブレードの先端がカッターの中心と同じＺ座標を有する場合、Ｅはゼロ度に等しい。これは、動径ベクトルのゼロＺ成分に対応する。このベクトルは、垂直位置における動径ベクトルの成分の手助けにより決定される。

歯元を面取りするための本発明の方法の基本的な点は、以下を含む。

かさ歯車の歯元を面取り処理するため、歯底に加えられる歯面方法が高いＢ角をもたらすと共に干渉が反対の歯面で生ずるので、異なる方法が必要である。さらにまた、ブレードの有効な切削領域をブレードの点から先端まで移行させる必要があり、さもなければこの先端は金属へと余りにも深く切り込んでしまう。規定した歯元面取りを得るため、歯元の端縁点が特定される。歯元端縁点を特定する一つの方法は、切削周期の基本的な設定に基づいて歯元の点を計算することができる The Gleason Works から周知の商業的に入手可能な製品「歯元ＣＭＭ」と共にある。これらの点およびそれらの法線ベクトルもまた、公称上のデーターファイルに保存される。

歯元面取り計算のため、カッター軸線ベクトルと動径ベクトルと速度ベクトルとが歯面の（歯元に最も近い）最後の点から取得される。アンダーカットの場合に歯面への切削を回避するため、歯元のためのすきま角をおよそ１０度まで増大させることができる。カッター係合角もまた、歯元での望ましい面取り角度に適合させるために計算し直される。これを達成するため、歯面の最後の点の角度Ｅと被加工物の歯底角ＧＡＦＲとが考慮される。動径ベクトルはカッター軸線回りにδ_Rootの量だけ旋回され、歯元に望ましい面取り角度を達成する。

一度決定されると、実際の単位動径ベクトルおよびカッター軸線ベクトルおよび速度ベクトルは、すべての歯元点に関して同じままである。歯面面取りと歯元面取りとの間の相違の１つは、ブレードの有効切削点である。さて、ブレードの実際の切削点は、歯面面取りのためのブレードの点に固定された残りの代わりに、移動中にあるインサートの丸みをつけた先端に沿って存在する。面取りの深さはまた、 歯面面取りおよび歯元面取りに関して別々に決定される。歯面面取りにおける被加工物のセットオーバー（Ａ角）が所定の面取り深さを達成するために用いられるのに対し、歯元面取りにおける面取り深さは、実際の点に対して直交方向に決定される。カッターの中心は、それぞれの点での法線ベクトルと、インサートの先端の丸みＲＥと、規定した面取り深さＣＤと、図６に示すようなブレードの先端の中心点ＢＭＰとを用いて決定される。

機械加工の作業において、歯車切削設備のブレード形状におけるわずかな誤差のため、歯車の歯元部をその理論的な深さよりも深く切削する可能性がある。これに対応するため、歯面の面取り深さに悪影響を与えることなく、歯元の面取りの独立した調整を可能にするように、歯面および歯元の面取り深さを相互に分けることが好ましい。上述した「歯元ＣＭＭ」を用いたとしても、結果として得られる公称上のデーターファイルは歯元を完全に反映しない場合がある。従って、歯元全体が面取りされることを確実にするため、公称上のデーターファイルに好ましくは保存された異なる角度と、反対歯面の最後の歯元点とを用いて歯元の追加の中間点を決定することができる。

好ましい実施形態を参照してこの発明を記述したけれども、本発明がこれらの事項に限定されないことを理解すべきである。本発明は、関連する内容が添付した請求項の精神および範囲から逸脱することなく、当業者らにとって明白であるような変更を含むように意図される。

Claims (6)

1. 複数の歯を有するかさ歯車における歯の少なくとも一端縁を、複数の切れ刃を有する回転可能な面取りカッターを用いて面取りする方法であって、
   少なくとも１つの歯端縁を面取りするために選択することと、
   前記少なくとも１つの歯端縁を前記少なくとも１つの歯端縁に沿って設定した複数の端縁点によって規定することと、
   前記端縁点のそれぞれでの前記面取りカッターの向きを決定することと、
   前記端縁点のそれぞれの間での面取りカッター移動の経路を決定することと、
   前記面取りカッターを回転すると共に前記面取りカッターを前記少なくとも１つの歯端縁に対し前記面取りカッター移動の経路に沿って移動し、前記少なくとも１つの歯端縁に望ましい面取りを作り出し、前記面取りカッター移動の経路に沿ったすべての端縁点に関し、ある点にて決定された向きから次の点にて決定された向きへと前記面取りカッターを移行することであって、前記面取りカッターの切れ刃が刃先および丸みをつけた先端を含み、１つの歯の前記少なくとも１つの端縁の面取りが前記刃先によって処理され、前記面取りカッターの切削点が前記刃先の一定位置に留まっていることと、
   前記かさ歯車の次の歯との間の歯元部の一端縁を面取りすることであって、前記歯元部の面取りが前記丸みをつけた先端によって処理され、前記先端上の前記面取りカッターが前記歯元部の面取り中に前記丸みをつけた先端に沿って移動することと
   を具え、前記面取り方法が教示ステップなしで実行されることを特徴とする方法。
2. 前記面取り中、前記面取りカッターおよび前記かさ歯車は、前記面取りカッターの切れ刃の数と前記かさ歯車の歯数との比によって規定されるホブ切り動作に従って回転することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記歯元部の端縁がこの歯元部の一端縁に設定した複数の端縁点によって規定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記かさ歯車が内歯歯車および外歯歯車の一方または両方を具えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記面取りカッターは回転軸線回りに回転可能であり、前記かさ歯車は回転軸線回りに回転可能であり、これら面取りカッターおよびかさ歯車は、直交する３方向に直線状に相互に移動可能であると共に旋回軸線回りに相互に旋回可能であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記面取りカッターが一方向に回転し、これによって面取り中に前記切れ刃が歯を出ることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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