(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物の回転軸線に対し、交差角だけ傾斜した回転軸線を有する加工用工具を用い、前記加工物に歯車を加工する歯車加工装置であって、
記憶部と工具設計部と加工制御部を有する制御装置を備え、
前記記憶部は、前記交差角、前記加工用工具の刃数及び前記歯車のねじれ角を記憶し、
前記工具設計部は、前記歯車のねじれ角に前記交差角を加えた角を前記加工用工具の工具刃の刃すじのねじれ角として算出し、前記刃数及び前記刃すじのねじれ角に基づいて、前記工具刃の刃先幅を求め、前記刃数、前記刃すじのねじれ角及び前記刃先幅に基づいて、前記加工用工具の形状を決定し、
前記加工制御部は、前記工具設計部で形状決定した前記加工用工具を前記加工物と同期回転させながら前記加工物の回転軸線方向に相対的に送り操作して前記歯車を加工する、歯車加工装置。
【請求項２】
加工物の回転軸線に対し、交差角だけ傾斜した回転軸線を有し、工具刃の刃すじが前記傾斜した回転軸線に対し、ねじれて形成される加工用工具を用いて歯車を加工する歯車加工方法であって、
前記工具刃の刃数を設定する刃数設定工程と、
前記歯車のねじれ角に前記交差角を加えた角を前記刃すじのねじれ角として算出するねじれ角演算工程と、
前記設定した刃数及び前記求めたねじれ角に基づいて前記工具刃の刃先幅を求める刃先幅演算工程と、
前記求めた刃先幅が所定値以上となったときの前記刃すじのねじれ角及び前記設定した刃数に基づいて、前記加工用工具の形状を決定する工具決定工程と、
前記決定した加工用工具を前記加工物と同期回転させながら前記加工物の回転軸線方向に相対的に送り操作して前記歯車を加工する加工工程と、
を備える、歯車加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工用工具及び加工物を同期回転させて切削加工により歯車を加工する歯車加工装置及び歯車加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工によりはすば歯車などの内歯及び外歯を加工する有効な装置としては、例えば、特許文献１に記載の加工装置がある。この加工装置は、回転軸線回りに回転可能な加工物と、加工物の回転軸線に対して所定の角度で傾斜した回転軸線回り、すなわち交差角を有する回転軸線回りに回転可能な加工用工具、例えば刃すじがねじれている複数枚の工具刃を有するカッタとを同期回転させ、加工用工具を加工物の回転軸線方向に送って切削加工することにより歯を創成する加工装置である。そして、特許文献２には、内歯車加工において、加工用工具の位置や回転を決定して交差角を設定することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−１５９１２６号公報
【特許文献２】特許第４４６８６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、上述した加工用工具の工具刃の刃すじのねじれ角は、歯車（加工物）のねじれ角と交差角との差で表される。通常、交差角は、１０度〜３０度の範囲内で設定されるので、例えば、歯車のねじれ角を２０度、交差角を１７度とした場合、工具刃の刃すじのねじれ角は、３度となる。そして、一般的に、図４Ｂに示すように、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗと平行な直線に対し、傾斜した歯車Ｇのねじれ角θと、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗと加工用工具９２の回転軸線Ｌとの交差角φとの差を、工具刃９２ａの刃すじ９２ｂのねじれ角β´（＝θ−φ）として加工用工具９２を設計する（図４Ｂのねじれ角β´は、加工物Ｗの図示手前側に位置する加工用工具９２の加工点における角度を表している）。しかし、その加工用工具９２では、工具刃９２ａのねじれ角β´が小さくなり、工具刃９２ａの刃先幅も小さくなるので、加工時に刃先が変形しびびり振動が発生して加工精度が低下する問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、工具刃を工具端面に形成した加工用工具を用いて切削加工により歯車を加工する際のびびり振動を抑制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】
【０００６】
本発明の歯車加工装置は、加工物の回転軸線に対し、交差角だけ傾斜した回転軸線を有する加工用工具を用い、前記加工物に歯車を加工する歯車加工装置であって、記憶部と工具設計部と加工制御部を有する制御装置を備え、前記記憶部は、前記交差角、前記加工用工具の刃数及び前記歯車のねじれ角を記憶し、前記工具設計部は、前記歯車のねじれ角に前記交差角を加えた角を前記加工用工具の工具刃の刃すじのねじれ角として算出し、前記刃数及び前記刃すじのねじれ角に基づいて、前記工具刃の刃先幅を求め、前記刃数、前記刃すじのねじれ角及び前記刃先幅に基づいて、前記加工用工具の形状を決定し、前記加工制御部は、前記工具設計部で形状決定した前記加工用工具を前記加工物と同期回転させながら前記加工物の回転軸線方向に相対的に送り操作して前記歯車を加工する。
【０００７】
これにより、工具刃の刃すじのねじれ角が大きくなるので、工具刃の刃先幅も大きくなる。よって、加工時に刃先が変形し難い易ため、びびり振動の発生を抑制して加工精度を向上できる。
【０００８】
本発明の歯車加工方法は、加工物の回転軸線に対し、交差角だけ傾斜した回転軸線を有し、工具刃の刃すじが前記傾斜した回転軸線に対し、ねじれて形成される加工用工具を用いて歯車を加工する歯車加工方法であって、前記工具刃の刃数を設定する刃数設定工程と、前記歯車のねじれ角に前記交差角を加えた角を前記刃すじのねじれ角として算出するねじれ角演算工程と、前記設定した刃数及び前記求めたねじれ角に基づいて前記工具刃の刃先幅を求める刃先幅演算工程と、前記求めた刃先幅が所定値以上となったときの前記刃すじのねじれ角及び前記設定した刃数に基づいて、前記加工用工具の形状を決定する工具決定工程と、前記決定した加工用工具を前記加工物と同期回転させながら前記加工物の回転軸線方向に相対的に送り操作して前記歯車を加工する加工工程と、を備える。
これにより、上述した歯車加工装置における効果と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る歯車加工装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１の歯車加工装置の制御装置による処理を説明するためのフローチャートである。
【図３Ａ】加工用工具の概略構成を工具端面側から回転軸線方向に見た図である。
【図３Ｂ】図３Ａの加工用工具の概略構成を径方向に見た一部断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｂの加工用工具の工具刃の拡大図である。
【図４Ａ】図３Ａの加工用工具で加工する際の加工用工具と加工物との位置関係を示す図である。
【図４Ｂ】一般的な加工用工具で加工する際の加工用工具と加工物との位置関係を示す図である。
【図５】加工用工具の刃先幅を求める際に使用する加工用工具の各部位を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（歯車加工装置の機械構成）
本実施形態では、歯車加工装置の一例として、５軸マシニングセンタを例に挙げ、図１を参照して説明する。つまり、当該歯車加工装置１は、駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）及び２つの回転軸（Ａ軸、Ｃ軸）を有する装置である。
【００１１】
図１に示すように、歯車加工装置１は、ベッド１０と、コラム２０と、サドル３０と、回転主軸４０と、テーブル５０と、チルトテーブル６０と、ターンテーブル７０と、加工物保持具８０と、制御装置１００等とから構成される。なお、図示省略するが、ベッド１０と並んで既知の自動工具交換装置が設けられる。
【００１２】
ベッド１０は、ほぼ矩形状からなり、床上に配置される。このベッド１０の上面には、コラム２０をＸ軸線方向に駆動するための、図略のＸ軸ボールねじが配置される。そして、ベッド１０には、Ｘ軸ボールねじを回転駆動するＸ軸モータ１１ｃが配置される。
【００１３】
コラム２０のＹ軸に平行な側面（摺動面）２０ａには、サドル３０をＹ軸線方向に駆動するための、図略のＹ軸ボールねじが配置される。そして、コラム２０には、Ｙ軸ボールねじを回転駆動するＹ軸モータ２３ｃが配置される。
【００１４】
回転主軸４０は、加工用工具４２を支持し、サドル３０内に回転可能に支持され、サドル３０内に収容された主軸モータ４１により回転される。加工用工具４２は、図略の工具ホルダに保持されて回転主軸４０の先端に固定され、回転主軸４０の回転に伴って回転する。また、加工用工具４２は、コラム２０及びサドル３０の移動に伴ってベッド１０に対してＸ軸線方向及びＹ軸線方向に移動する。なお、加工用工具４２の詳細は後述する。
【００１５】
さらに、ベッド１０の上面には、テーブル５０をＺ軸線方向に駆動するための、図略のＺ軸ボールねじが配置される。そして、ベッド１０には、Ｚ軸ボールねじを回転駆動するＺ軸モータ１２ｃが配置される。
【００１６】
テーブル５０の上面には、チルトテーブル６０を支持するチルトテーブル支持部６３が設けられる。そして、チルトテーブル支持部６３には、チルトテーブル６０がＸ軸線と平行なＡ軸線回りで回転（揺動）可能に設けられる。チルトテーブル６０は、テーブル５０内に収容されたＡ軸モータ６１により回転（揺動）される。
【００１７】
チルトテーブル６０には、ターンテーブル７０がＡ軸線に直角なＣ軸線回りで回転可能に設けられる。ターンテーブル７０には、加工物Ｗを保持する加工物保持具８０が装着される。ターンテーブル７０は、加工物Ｗ及び加工物保持具８０とともにＣ軸モータ６２により回転される。
【００１８】
制御装置１００は、工具設計部１０１と、加工制御部１０２と、記憶部１０３等とを備える。ここで、工具設計部１０１、加工制御部１０２及び記憶部１０３は、それぞれ個別のハードウエアにより構成することもできるし、ソフトウエアによりそれぞれ実現する構成とすることもできる。
【００１９】
工具設計部１０１は、詳細は後述するが、加工用工具４２の工具刃４２ａのねじれ角β（図３Ｃ参照）等を求めて加工用工具４２を設計する。
加工制御部１０２は、主軸モータ４１を制御して、加工用工具４２を回転させ、Ｘ軸モータ１１ｃ、Ｚ軸モータ１２ｃ、Ｙ軸モータ２３ｃ、Ａ軸モータ６１及びＣ軸モータ６２を制御して、加工物Ｗと加工用工具４２とをＸ軸線方向、Ｚ軸線方向、Ｙ軸線方向、Ａ軸回り及びＣ軸回りに相対移動することにより、加工物Ｗの切削加工を行う。
【００２０】
記憶部１０３は、加工用工具４２を設計する際に入力される工具刃４２ａの刃数Ｚ及び交差角φを記憶する。また、記憶部１０３には、加工用工具４２に関する工具データ、すなわち刃先円直径ｄａ、基準円直径ｄ、刃末のたけｈａ、モジュールｍ、転位係数λ、圧力角α、正面圧力角αｔ及び刃先圧力角αａ、及び加工物Ｗの切削加工を行うための加工データは予め記憶される。
【００２１】
（加工用工具）
上述の歯車加工装置１では、加工用工具４２と加工物Ｗとを同期回転させ、加工用工具４２を加工物Ｗの回転軸線方向に送って切削加工することにより歯を創成する。図３Ａに示すように、加工用工具４２を工具端面４２Ａ側から回転軸線Ｌ方向に見たときの工具刃４２ａの形状は、加工される歯車と噛み合う歯の形状、本例ではインボリュート曲線形状と同一形状に形成される。
【００２２】
そして、図３Ｂに示すように、加工用工具４２の工具刃４２ａには、工具端面４２Ａ側に回転軸線Ｌと直角な平面に対し、角度γ傾斜したすくい角が設けられ、工具周面４２Ｂ側に回転軸線Ｌと平行な直線に対し、角度δ傾斜した前逃げ角が設けられる。そして、図３Ｃに示すように、工具刃４２ａの刃面に対し略直角な方向に延びる刃すじ４２ｂは、回転軸線Ｌと平行な直線に対し、角度β傾斜したねじれ角を有する。
【００２３】
ここで、背景技術で説明したように、一般的に、図４Ｂに示すように、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗと平行な直線に対し、傾斜した歯車Ｇのねじれ角θ（以下、「加工物Ｗのねじれ角θ」という）と、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗと加工用工具９２の回転軸線Ｌとの交差角φとの差を、工具刃９２ａの刃すじ９２ｂのねじれ角β´（＝θ−φ）として加工用工具９２を設計する（図４Ｂのねじれ角β´は、加工物Ｗの図示手前側に位置する加工用工具９２の加工点における角度を表している）。しかし、その加工用工具９２では、工具刃９２ａのねじれ角β´が小さくなり、工具刃９２ａの刃先幅も小さくなるので、加工時に刃先が変形しびびり振動が発生して加工精度が低下する問題がある。
【００２４】
そこで、本実施形態では、工具刃４２ａの刃すじ４２ｂのねじれ角βを大きくして、工具刃４２ａの刃先幅も大きくする。このため、図４Ａに示すように、加工物Ｗのねじれ角θと交差角φとの和を工具刃４２ａの刃すじ４２ｂのねじれ角β（＝θ＋φ）として加工用工具４２を設計する（図４Ａのねじれ角βは、加工物Ｗの図示手前側に位置する加工用工具４２の加工点における角度を表している）。なお、図４Ａ，Ｂは、加工物Ｗの手前側に加工用工具４２，９２が位置している状態で加工物Ｗの加工点を通る径方向から見た図、すなわち加工物Ｗの回転軸線Ｌｗと直角であって加工点を通る直線方向から見た図であり、交差角φは、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗと加工用工具９２の回転軸線Ｌとを上記直線に直角な平面上に投影したときの角である。
【００２５】
以下に、刃先幅を求めるための演算例を説明する。
図５に示すように、工具刃４２ａの刃先幅Ｓａは、刃先円直径ｄａ及び刃先円刃厚の半角Ψａで表される（式（１）参照）。
【００２６】
【数１】
0006500486.tif 000002
【００２７】
刃先円直径ｄａは、基準円直径ｄ及び刃末のたけｈａで表され（式（２）参照）、さらに、基準円直径ｄは、工具刃４２ａの刃数Ｚ、工具刃４２ａの刃すじ４２ｂのねじれ角β及びモジュールｍで表され（式（３）参照）、刃末のたけｈａは、転位係数λ及びモジュールｍで表される（式（４）参照）。
【００２８】
【数２】
0006500486.tif 000003
【００２９】
【数３】
0006500486.tif 000004
【００３０】
【数４】
0006500486.tif 000005
【００３１】
また、刃先円刃厚の半角Ψａは、工具刃４２ａの刃数Ｚ、転位係数λ、圧力角α、正面圧力角αｔ及び刃先圧力角αａで表される（式（５）参照）。なお、正面圧力角αｔは、圧力角α及び工具刃４２ａの刃すじ４２ｂのねじれ角βで表すことができ（式（６）参照）、刃先圧力角αａは、正面圧力角αｔ、刃先円直径ｄａ及び基準円直径ｄで表すことができる（式（７）参照）。
【００３２】
【数５】
0006500486.tif 000006
【００３３】
【数６】
0006500486.tif 000007
【００３４】
【数７】
0006500486.tif 000008
【００３５】
本実施形態の加工用工具４２の刃先円直径ｄａが、従来の加工用工具９２の刃先円直径と同一であるとした場合、式（５）〜式（７）から明らかなように、工具刃４２ａの刃すじ４２ｂのねじれ角βが大きくなるとｃｏｓβは小さくなるので、刃先円刃厚の半角Ψａが大きくなる。よって、式（１）から明らかなように、工具刃４２ａの刃先幅Ｓａは大きくなる。
【００３６】
具体的には、例えば、従来の加工用工具９２及び本実施形態の加工用工具４２の刃数Ｚ、転位係数λ及びモジュールｍを同一とし、加工物Ｗのねじれ角θを２０度、交差角φを１７度とした場合、従来の加工用工具９２の工具刃９２ａの刃すじ９２ｂのねじれ角β´は３度となるので、式（１）〜（７）により、工具刃９２ａの刃先幅Ｓａは、０．１６ｍｍとなる。一方、本実施形態の加工用工具４２の工具刃４２ａの刃すじ４２ｂのねじれ角βは３７度となるので、式（１）〜（７）により、工具刃４２ａの刃先幅Ｓａは、０．３ｍｍとなり、従来の加工用工具９２の工具刃９２ａの刃先幅０．１６ｍｍよりも大きくなる。
【００３７】
（制御装置による処理）
次に、制御装置１００の処理について、図２を参照して説明する。なお、加工用工具４２に関するデータ、すなわち刃先円直径ｄａ、基準円直径ｄ、刃末のたけｈａ、モジュールｍ、転位係数λ、圧力角α、正面圧力角αｔ及び刃先圧力角αａは、記憶部１０３に予め記憶されているものとする。
【００３８】
制御装置１００の工具設計部１０１は、作業者により入力される加工用工具４２の工具刃４２ａの刃数Ｚを記憶部１０３に記憶する（図２のステップＳ１、刃数設定工程）。そして、工具設計部１０１は、作業者により入力される加工物Ｗの回転軸線Ｌｗと加工用工具４２の回転軸線Ｌとの交差角φを記憶部１０３に記憶し、この交差角φに基づいて加工用工具４２の工具刃４２ａの刃すじ４２ｂのねじれ角βを求める（図２のステップＳ２、ねじれ角演算工程）。
【００３９】
工具設計部１０１は、記憶した刃数Ｚ及び求めたねじれ角βに基づいて、工具刃４２ａの刃先幅Ｓａを求める（図２のステップＳ３、刃先幅演算工程）。そして、工具設計部１０１は、記憶部１０３から予め記憶されている刃先幅Ｓａの閾値ＳＳを読み出し、求めた刃先幅Ｓａが閾値ＳＳ以上になったか否かを判断する（図２のステップＳ４）。
【００４０】
工具設計部１０１は、求めた刃先幅Ｓａが閾値ＳＳ未満のときは、ステップＳ１に戻って上述の処理を繰り返し、求めた刃先幅Ｓａが閾値ＳＳ以上になったら、求めたねじれ角β及び記憶した刃数Ｚに基づいて、加工用工具４２の形状を決定する（図２のステップＳ５、工具決定工程）。
【００４１】
この決定した加工用工具４２の形状のデータは、例えば制御装置１００の図略の表示部に表示される。そこで、作業者は、この表示データに基づいて加工用工具４２を製作し、製作した加工用工具４２を回転主軸４０に取り付け加工物Ｗに対し交差角φを付ける。加工制御部１０２は、加工用工具４２を加工物Ｗと同期回転させながら加工物Ｗの回転軸線Ｌｗ方向に相対的に送り操作して加工物Ｗを加工して歯車を製作する（図２のステップＳ６、加工工程）。
【００４２】
（効果）
本実施形態の歯車加工装置１は、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗに対し、傾斜した回転軸線Ｌを有する加工用工具４２を用い、加工用工具４２を加工物Ｗと同期回転させながら加工物Ｗの回転軸線Ｌｗ方向に相対的に送り操作して歯車を加工する。そして、加工用工具４２の工具刃４２ａの刃すじ４２ｂは、加工用工具４２の回転軸線Ｌに対し、ねじれて形成され、刃すじ４２ｂのねじれ角βは、歯車のねじれ角θに、加工用工具４２の回転軸線Ｌと加工物Ｗの回転軸線Ｌｗとの交差角φを加えた角に形成される。
【００４３】
これにより、工具刃４２ａの刃すじ４２ｂのねじれ角βが大きくなるので、工具刃４２ａの刃先幅Ｓａも大きくなる。よって、加工時に刃先が変形し難い易ため、びびり振動の発生を抑制して加工精度を向上できる。特に、加工物Ｗの歯底幅が狭いときには、従来の装置では工具刃４２ａの刃先幅Ｓａが狭くなるが、本実施形態の装置では工具刃４２ａの刃先幅Ｓａを大きくすることが可能となる。
【００４４】
また、加工用工具４２は、工具刃４２ａの刃数Ｚを設定し、交差角φを設定して刃すじのねじれ角βを求め、設定した刃数Ｚ及び求めたねじれ角βに基づいて、工具刃４２ａの刃先幅Ｓａを求めることにより形成される。これにより、刃先幅Ｓａの大きな工具刃４２ａを有する加工用工具４２を得ることができる。
【００４５】
また、本実施形態の歯車加工方法は、加工物Ｗの回転軸線Ｌｗに対し、傾斜した回転軸線Ｌを有し、工具刃４２ａの刃すじ４２ｂが傾斜した回転軸線Ｌに対し、ねじれて形成される加工用工具４２を用いて歯車を加工する歯車加工方法である。そして、工具刃４２ａの刃数Ｚを設定する刃数設定工程（図２のステップＳ１）と、加工用工具４２の回転軸線Ｌと加工物Ｗの回転軸線Ｌｗとの交差角φを設定して刃すじ４２ｂのねじれ角βを求めるねじれ角演算工程（図２のステップＳ２）と、設定した刃数Ｚ及び求めたねじれ角βに基づいて工具刃４２ａの刃先幅Ｓａを求める刃先幅演算工程（図２のステップＳ３）と、を備える。
【００４６】
さらに、求めた刃先幅Ｓａが所定値ＳＳ以上となったときの刃すじ４２ｂのねじれ角β及び設定した刃数Ｚに基づいて、加工用工具の形状を決定する工具決定工程（図２のステップＳ４）と、決定した加工用工具４２を加工物Ｗと同期回転させながら加工物Ｗの回転軸線Ｌｗ方向に相対的に送り操作して歯車を加工する加工工程（図２のステップＳ６）と、を備える。これにより、工具刃４２ａの刃すじ４２ｂのねじれ角βが大きくなるので、工具刃４２ａの刃先幅Ｓａも大きくなる。よって、加工時に刃先が変形し難い易ため、びびり振動の発生を抑制して加工精度を向上できる。また、刃先の剛性が高いので、磨耗が少なく、寿命を向上することができる。
【００４７】
（その他）
上述した実施形態では、５軸マシニングセンタである歯車加工装置１は、加工物ＷをＡ軸旋回可能とするものとした。これに対して、５軸マシニングセンタは、縦形マシニングセンタとして、加工用工具４２をＡ軸旋回可能とする構成としてもよい。また、本発明をマシニングセンタに適用する場合を説明したが、歯車加工の専用機に対しても同様に適用可能である。また、加工物Ｗとして、ねじれ角度を有する歯車（はすば歯車）などがよいが、その他の歯車でも加工可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１：歯車加工装置、  ４２：加工用工具、  ４２ａ：工具刃、  ４２ａ：工具刃、  ４２ｂ：刃すじ、  １００：制御装置、  １０１：工具設計部、  １０２：加工制御部、  １０３：記憶部、  Ｗ：加工物、β：刃すじのねじれ角
【図１】
0006500486.tif 000009
【図２】
0006500486.tif 000010
【図３Ａ】
0006500486.tif 000011
【図３Ｂ】
0006500486.tif 000012
【図３Ｃ】
0006500486.tif 000013
【図４Ａ】
0006500486.tif 000014
【図４Ｂ】
0006500486.tif 000015
【図５】
0006500486.tif 000016