(57)【要約】【課題】コストを抑制すると共に生産効率が高いギア金型を提供する。【解決手段】影響因子による変形を補正して所望の金型を成形するギア金型の補正成形方法において、前記ギアの寸法精度の要求を満たすように、該ギアを製造するための標準金型の歯型を有する標準金型を設計し、前記設計ステップで得られた該標準金型を用い、前記影響因子をもって弾性変形した前記変形金型の歯型を成形し、前記変形金型の歯型と前記標準金型の歯型を比較して、この比較の結果に基づいて、前記標準金型の歯型に対して補正して補正歯型を得る比較補正ステップと、前記変形金型の歯型及び前記補正歯型に対して、両歯型間の寸法差を求め、前記寸法差が前記精度の要求を満たすまで繰り返される対比検証ステップとを含むシュミレーションを行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギアの製造中による影響因子によって弾性変形をした変形金型に対して前記影響因子をもって補正して所望金型を成形するギア金型の補正成形方法において、
前記ギアの寸法精度の要求を満たすように、該ギアを製造するための標準金型の歯型を有する標準金型を設計するシュミレーションを行なう設計ステップと、
前記設計ステップで得られた該標準金型を用い、前記影響因子をもって弾性変形した前記変形金型の歯型を成形するシュミレーションを行なう成形ステップと、
前記変形金型の歯型と前記標準金型の歯型を比較して、この比較の結果に基づいて、前記標準金型の歯型に対して補正して補正歯型を得るシュミレーションを行なう比較補正ステップと、
前記変形金型の歯型及び前記補正歯型に対して、両前記歯型間の寸法差を求め、前記寸法差が前記寸法精度の要求を満たす場合には終了し、前記寸法精度の要求を満たさない場合には、該寸法差に基づいて、該補正歯型に対して幾何学的補正を行ってモデル歯型を成形するシュミレーションを行うと共に、該モデル歯型が前記寸法精度の要求を満たす場合には終了し、該モデル歯型が前記寸法精度の要求を満たさない場合には、該モデル歯型を前記標準歯型として前記成形ステップに戻る対比検証ステップとを含み、
該対比検証ステップは、前記寸法精度の要求を満たすまで繰り返されることを特徴とするギア金型の補正成形方法。
【請求項２】
該対比検証ステップにおいて、幾何学的補正を行なうとき、前記標準金型の歯形と前記変形金型の歯型の寸法差に基づいて、補正目標の歯型を設定し、前記補正目標の歯型に基づいて最小二乗法で最適化した係数を取得し、補正した幾何学的歯型の輪郭を構成し、補正修正を経て該幾何学的補正した前記モデル歯型を取得することを特徴とする請求項１に記載のギア金型の補正成形方法。
【請求項３】
該対比検証ステップにおいて、該標準金型は非螺旋状のギアを生成するのに適しており、該最適化した係数は圧力角及び移動係数であり、前記圧力角及び前記移動係数を調整することにより、該幾何学的補正した前記モデル歯型を前記補正目標の歯型に近づけさせることを特徴とする請求項２に記載のギア金型の補正成形方法。
【請求項４】
該対比検証ステップにおいて、該標準金型は螺旋状のギアを生成するのに適しており、該最適化した係数は圧力角、移動係数、及び螺旋角であり、前記圧力角、前記移動係数、及び前記螺旋角を調整することにより、該幾何学的補正した前記モデル歯型を前記補正目標の歯型に近づけさせることを特徴とする請求項２に記載のギア金型の補正成形方法。
【請求項５】
該対比検証ステップにおいて、該寸法精度の要求はベクトル精度の誤差が精密性の誤差より０．０２ミリ小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のギア金型の補正成形方法。
【請求項６】
該比較補正ステップにおいて、該変形金型の歯型及び該標準金型の歯型に対して、平面で位置決めした後の両者のＸ-Ｙ方向の位置を確認するように、それぞれの前記歯型を前端面の軸孔の位置を以って基準とする外観の対比をし、軸方向に位置決めした後の両者のＺ方向の位置を確認するように、軸孔内の平らな表面を以って基準とする平らな表面での対比をし、前記歯型の輪郭の対比を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のギア金型の補正成形方法。
【請求項７】
該成形テップにおいて、該標準金型対して有限要素法で分析を行い、前記有限要素法の分析の結果により、成形的分析、応力分析、及び弾性変形分析を行い、該変形金型の歯型を取得することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のギア金型の補正成形方法。
【請求項８】
該設計ステップ、該成形ステップ、前記比較補正ステップ、及び該対比検証ステップはいずれもプログラムで計算及び分析を行なうことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のギア金型の補正成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形補正方法に関し、特にギア金型の補正成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギアは一般的に利用される駆動用部品であり、駆動する機械の性能に対して大きな影響をもたらすため、所望の寸法精度を有するギアを製造する歯型の精密性が要求される。多くの場合専門の工具を用いて、所望の標準ギアの歯面を形成するように、加工元となる所望の標準ギアを削ることによって所望の標準ギアを成形するための歯型が形成される。
また、鍛造方法によって最終的な歯型を直接生成する加工方法もある。この鍛造方法による加工は、標準ギアを削り取る作業が不要であり、所望の標準ギアに基づいて先ず金型を製造し、この金型から所望のギアを製造する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、専門の工具を用いて所望のギア寸法精度を満たす歯面を形成する方法は、歯型の精密性は比較的高いが、所望の標準ギアを削り取ることにより加工されるので、材料の利用効率が比較的低く、また歯面を形成するために削り取る作業は製造工程上多くの手間が必要となる。更に、上述した削り取るための専門の工具は使用工数につれて磨耗するため、専門の工具を繰り返し取り替える必要があり、ギアを製造するのにコスト高となると共に製造効率も低い。
【０００４】
一方、鍛造方法による加工は、加工工程で金型に圧力がかかるので、金型には製造中の応力が加わる上、鍛造用部品による反発の影響も相俟って、これらの影響因子によって弾性変形し、該弾性変形した金型を利用して成形した製品ギアも、標準ギアとは誤差（寸法差）が発生する原因となり、製品ギアと標準ギアとの間で誤差がどの程度あるか分析することが必要となる。また、分析の結果如何によっては、誤差がギア寸法精度を満たす許容範囲となるように金型を再度作り直す必要があり、作り直した後の金型を用いて再度上述した製造方法でギアを製造し、誤差がギア寸法精度を満たす許容範囲となるまでこれらの作業を繰り返す必要がある。このような金型を再度作り直す作業は、機械加工及び金型成形工程が煩雑となり、製造効率が低下しコスト高となり、金型の作り直しは材料資源の浪費を招くことにもなる。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、製造コストを抑制すると共に製造効率が高いギア金型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】
上述した問題を解決するため、本願発明は以下の工程を含む。
ギアの製造中の影響因子によって弾性変形をした変形金型に対して前記影響因子をもって補正して所望の金型を成形するギア金型の補正成形方法において、
前記ギアの寸法精度の要求を満たすように、該ギアを製造するための標準金型の歯型を有する標準金型を設計するシュミレーションを行なう設計ステップと、
前記設計ステップで得られた該標準金型を用い、前記影響因子をもって弾性変形した前記変形金型の歯型を成形するシュミレーションを行なう成形ステップと、
前記変形金型の歯型と前記標準金型の歯型を比較して、この比較の結果に基づいて、前記標準金型の歯型に対して補正して補正歯型を得るシュミレーションを行なう比較補正ステップと、
前記変形金型の歯型及び前記補正歯型に対して、両歯型間の寸法差を求め、前記寸法差が前記寸法精度の要求を満たす場合には終了し、前記寸法精度の要求を満たさない場合には、該寸法差に基づいて、該補正歯型に対して幾何学的補正を行ってモデル歯型を成形するシュミレーションを行うと共に、該モデル歯型が前記寸法精度の要求を満たす場合には終了し、該モデル歯型が前記寸法精度の要求を満たさない場合には、該モデル歯型を前記標準金型の歯型として前記成形ステップに戻る対比検証ステップとを含み、
該対比検証ステップは、前記寸法精度の要求を満たすまで繰り返される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、影響因子による変形を補正して所望の金型を成形するギア金型の補正成形方法において、前記ギアの寸法精度の要求を満たすように、該ギアを製造するための標準金型の歯型を有する標準金型を設計し、前記設計ステップで得られた該標準金型を用い、前記影響因子をもって弾性変形した前記変形金型の歯型を成形し、前記変形金型の歯型と前記標準金型の歯型を比較して、この比較の結果に基づいて、前記標準金型の歯型に対して補正して補正歯型を得る比較補正ステップと、前記変形金型の歯型及び前記補正歯型に対して、両歯型間の寸法差を求め、前記寸法差が前記精度の要求を満たすまで繰り返される対比検証ステップとを含むシュミレーションを行うので、従来より実際の金型を作り直す回数を減らすことができ、加工元となる部品と標準品の間の誤差を小さくでき、コストを抑制することができると共に生産効率が高いギア金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のギア金型の補正成形を説明するためのフローチャートである。
【図２】歯形の輪郭の対比を説明する図面である。
【図３】輪郭補正前の歯型を説明する幾何学的図面である。
【図４】輪郭補正後の歯型を説明する幾何学的図面である。
【図５】対比検証ステップにおいて歯形の輪郭の補正を説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施例）
図１を参照して本発明のギア金型の補正成形方法を説明する。図１は本発明のギア金型の補正成形を説明するフローチャートである。フローチャートは設計ステップＳ１１と、成形ステップＳ１２と、比較補正ステップＳ１３と、対比検証ステップＳ１４を含む。
【００１０】
設計ステップＳ１１においては、ギアの寸法精度の要求を満たすように、該ギアを製造するための標準金型の歯型を有する標準金型を設計するシュミレーションを行なう。具体的には、コンピュータプログラムを利用して、標準金型をシュミレーションによって設計する。本実施例において、該標準金型は螺旋状のギアを成形するためのものである。上述したコンピュータプログラムはＳｏｌｉｄｗｏｒｋｓ若しくはＤｆｏｒｍ  ３Ｄであり、例えばこれらのプログラムはコンピュータのハードディスクにインストールされ、用いられる。なお、標準金型は一般的な非螺旋状のギアを形成するたものものでも差し支えなく、上述したプログラム以外のものを用いても差し支えない。
【００１１】
成形ステップＳ１２では、例えば上述したプログラムをＣＰＵを用いて、標準金型のデータに対して有限要素法（FEM、Finite  Element  Method）によって鍛造成形を行うシュミレーションを行ない、シュミレーションの結果に基づいて成形的分析、応力分析、及び弾性変形分析を行い、反発後の弾性変形した歯型、即ち変形金型の歯型（対応するギア金型の空洞部分）を取得してコンピュータの記憶装置に記憶する。本実施例において、それはＤｆｏｒｍ  ３Ｄによって出力される有限要素法のギアのモデルＳＴＬ（Standard Template Library）となり、材質パラメータはクロムモリブデン鋼（SCM415）であり、加工元となる部品の材料のメッシュの数は１５万個であり、金型のメッシュの数は２０万個〜３０万個であり、上パンチ速度は１５０ｍｍ／ｓであり、下パンチ速度は１ｍｍ／ｓであり、下パンチの角速度は１．１９２ｒａｄ／ｓであり、摩擦係数は０．０８である。
【００１２】
該比較補正ステップＳ１３においては、該設計ステップＳ１１において設計された標準金型の歯型と、該成形ステップＳ１２において取得された変形金型の歯型のデータを記憶装置からバスを介して取得して、ＣＰＵでこれらの比較を行う。まず、平面で位置決めした後の両者のＸ-Ｙ方向の位置を確認するために、外観の比較を行い、上述した２個のモデルの歯型を前端面の軸孔の位置を以って基準とする。続いて、軸方向に位置決めした後の両者のＺ方向の位置を確認するために、平らな表面で比較を行い、２個の歯型を軸孔内の平らな表面を以って基準とする。ここで、平らな表面とはバリや凹凸等の障害物が両者の比較の障害とならない程度に少ない平面を言う。
【００１３】
最後に、回転軸の方向で位置決めした後の両者の径方向の位置を確認するために、両者の歯型の比較を行い、両者の歯型を各歯の歯型の外輪郭を以って基準とする。
【００１４】
該対比検証ステップＳ１４においては、補正歯型が寸法の精度の要求を満たすか否か確認するために、変形金型の歯型と補正歯型を変形させて、ＣＰＵを用いて歯面の幾何学的な比較を行なうことにより、寸法差を求めて、寸法の精度の要求を満足する場合には、該対比検証ステップＳ１４を終了すると共に、モデル歯型のデータとしてコンピュータの記憶装置に記憶する。寸法の精度の要求が満たされていない場合には、補正歯型に対して幾何学的補正を行う。幾何学的補正を行う方法は以下の通りである。
【００１５】
（１）補正歯型を設定する。補正歯型の設定は、変形金型の歯型及び補正歯型に対して、両歯型間の寸法差を得るものであり、この寸法差はコンピュータの記憶装置に記憶される。図２を参照すると、寸法差はギアのピッチ差と歯面の寸法差を含む。ＤＥＦＯＲＭ３Ｄシュミレーションで集められた物をＳＴＬ（Standard  Triangulated  Language）ファイルとして出力し、再び歯面の幾何学的誤差の仮想測定を行う。ＳＴＬ歯面は、仮想測定比較のドイツのクリンゲルンベルグ(Klingelnberg)のP４０のギア専用測定機の測定方法を行い、Ｐ４０の測定解析は２つの部分からなり、ギアのピッチ差と歯面の寸法差の測定を含み、Ｐ４０のギア測定はまず図２の標準歯型Ｅの幾何学的な点の位置と各幾何学的な点における単位ベクトルを定義する。まず、補正歯型の歯面Ａの幾何学的な点の位置及び各幾何学的な点の単位ベクトルＢは、測定の最初にギア軸線Ｃに対してある角度ΔＴａに旋回し、幾何学的な点の集合における中点Ｄを標準の歯面Ｅの参考点Ｆに貼り付けるようにさせ（このため後述する図３において中点Ｄ、参考点Ｆは基準となるので、これらに相当する図３のＦ６はゼロを示している。）、この旋回角度を即ちピッチ誤差の計算の根拠として、歯面誤差の測定は、定められた各幾何学的な点に対して歯面の間の形状の誤差を測定してＣＰＵを用いて計算する。本実施例において、得られた最も大きな歯型誤差の値は０．０３７ｍｍ（図３の歯面前端より下側のＡ１に３６．９７４６（なお、図３の単位はμｍである。）と記載されており、約０．０３７である。）である。
【００１６】
（２）幾何学的補正を行うときの必要な制限的条件は２つあり、第１にギア端面の輪郭は軸方向に一致するように保持されるものであり、第２に端面の輪郭は標準的な徐々に線が広がる歯型であり、このため補正後のギア金型はなおも正規の円柱のヘリカルインターナルギア（内歯車）である。
【００１７】
（３）上述した（２）における制限的条件に基づいて、前記補正目標の歯型は最小２乗法によって曲面に戻され、その誤差関数は標本点と再帰関数の最短距離の二乗和であり、そして補正目標の歯型に近い最適化された係数を計算する。本実施例においては、生成したいギアはヘリカルインターナルギアなので、最適化された係数は圧力角、移動係数、及び螺旋角であり、生産したいギアが一般の螺旋ギアでない場合には、最適化係数は圧力角、及び移動係数である。図２、図３、及び図４を参照すると、図３は変形金型の歯面Ａの各点における誤差値であり、図４は補正金型の歯面Ｇの各点における誤差値であり、図３及び図４における数値は標準値との間でどれだけの距離が離れているかを表すものであり、マイナス（−）は標準値より低いことを意味する。
【００１８】
本実施例において、第１回目の輪郭補正は圧力角２０度を１９．９０２９度に変更することであり、等価移動係数０．４１８６９は０．４７５０６９に変更する。螺旋角２０度は左に旋回させるように２０．０６４５６度に修正して、補正歯面Ｇを得て、図３と図４を比較すると、補正歯型の歯面Ｇは変形金型の歯面Ａに比べて標準の歯面Ｅに近いことが分かる。
【００１９】
例えば、上述した最大誤差であるＡ１は３６．９７４６であるが、図４の補正歯型の歯面ＧにおけるＡ１は−１５．３６６８であり、絶対値が標準の歯面Ｅに近い（つまり、誤差が小さい）ことが分かる。一方、図３の歯面後端の下側におけるＫ１１は２．５４５４６であり、図４の補正歯型の歯面ＧにおけるＫ１１は１４．３５３なので、部分的には標準の歯面Ｅからの距離が却って離れてしまっている（つまり、誤差が大きくなる）ものも存在するが、全体としてみれば、図３と図４を比較すると、最大誤差及び平均誤差は図４の方が標準金型の歯形に近いことが分かる。
【００２０】
（４）モジュラス、歯数、歯面幅、歯底円(dedendum  circle,  root  circle)直径等の最適化係数以外の設計パラメータを固定値とし、圧力角、移動係数、及び螺旋角を調整することにより、該補正歯型を該補正目標の歯型に近づけさせる。補正最小二乗法に基づいてピーク値を求め、誤差関数を圧力角、移動係数、及び螺旋角の三者の関数とみなすと共に、答えを求めるこれら三者のパラメータの偏微分はいずれもゼロのピーク値であり、その答えは、誤差関数に最小の最適化係数の組み合わせを達成させることができるものである。
【００２１】
（５）図１及び図５を参照すると、補正された値に基づいて、ＣＰＵで標準のギアの輪郭のパラメータ２１をギア金型の歯型の湾曲した輪郭２２上に逆補正して対応させ、フィッティングさせた後に補正後の歯型曲線２３を取得して記憶装置に記憶する。ここで、補正後の歯型曲線２３は収縮するので最終的には標準ギアの輪郭パラメータ２１に近い値となる。なお、図５では、シュミレーションの結果を踏まえて、補正後の歯型曲線２３が予め収縮されることを前提として所望の金型の輪郭パラメータ２１よりも補正後の歯型曲線２３が大きく形成されている。一方、シュミレーションの結果を踏まえて、補正後の歯型曲線２３が予め膨張されることが予想されるときは、所望の金型の輪郭パラメータ２１よりも補正後の歯型曲線２３小さく形成することが必要である。
【００２２】
寸法の精度の要求を満足するか否か確定するように、例えばＣＰＵで該幾何学的補正したモデル歯型に対して検証し、寸法の精度の要求が満足していたら、該対比検証ステップＳ１４を終了すると共に、該幾何学的補正された歯形をモデル歯型として記憶装置に記憶する。寸法の精度の要求を満足しない場合には、該幾何学的補正したモデル歯型を標準金型の歯型に置き換え、寸法の精度の要求を満足するまで、該成形ステップＳ１２から該対比検証ステップＳ１４を複数回に繰り返す。
【００２３】
本実施例において、該寸法の精度の要求は精密性の誤差が０．０２ミリより小さく、前記ステップを経ることにより多大な時間とコストをかけずに、モールド及び加工を行ない、精度がＪＩＳ４級で要求されるものより優れた螺旋ギア金型を取得することができ、材料の浪費を抑制してコスト安とすることができ、製品の精密性が高いという優れた効果を得ることができる。
【００２４】
以上のように、該成形補正方法は、各シュミレーションを例えばプログラミング化して、例えばコンピュータで実行することにより行うことができるので、寸法の精度の要求を満たす所望の金型のデータを取得する前に、大量の標準金型を実際に製造すると共に加工元となる部品を複数回鍛造する必要がなく、標準金型を生産する準備のプロセスを簡略化することができ、生産効率を高め、材料の消費を減少できるので、本発明の目的を確実に達成できる。
【００２５】
なお、上述したものは本発明の実施例にすぎず、本発明の範囲はこれに限られず、本発明の明細書及び特許請求の範囲に基づいて簡単な変化を加えてなし得るようなものは、均等の範囲に含まれるものであり、本発明の技術的範囲に属するものである。
【符号の説明】
【００２６】
Ｓ１１    設計ステップ
Ｓ１２    成形ステップ
Ｓ１３    比較補正ステップ
Ｓ１４    対比検証ステップ
２２    ギア金型の歯型の湾曲した輪郭
２３    補正後の歯型曲線
Ａ    ギア金型の歯面
Ｂ    単位ベクトル
Ｃ    ギア軸線
Ｄ    中点
Ｅ    標準の歯面
Ｆ    参考点
Ｇ    補正歯面
ΔＴａ    角度
【図１】
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【図２】
2017111778.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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