三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012) 工作機械特集

技 術 論 文22

内・外・段付き歯車を１台で研削可能にする新加工法
New Processing Method Allowing for
Grinding Internal, External, and Shoulder Type Gears in a Single Machine

越 智 政 志 *1

栁 瀬 吉 言 *2

Masashi Ochi

Yoshikoto Yanase

中 路 慶 弘 *1

山 嵜 健 一 *1

Yasuhiro Nakamichi

Kenichi Yamasaki

西 村 幸 久 *3

芦 沢 祐 二 *2

Yukihisa Nishimura

Yuji Ashizawa

自動車のトランスミッションをはじめとした歯車装置では，燃費の向上や低騒音化・低振動化，伝達誤差低減のために高精度化のニーズがますます高まっている．近年は熱処理後の歯車研削加工が普及し，歯車の高精度化が進んでいるが，軽量化・低コスト化に対応して加工するワークの形状が複雑化している．そこで当社では，先に開発した量産用内歯車研削盤 ZI20A に外歯車加工用の砥石と治具を取り付け，従来は加工が困難であった軸付ギヤなどの外歯車を高精度かつ高能率に研削加工をする方法を開発したので，紹介する．

|1. はじめに自動車のトランスミッションやロボット用減速機などに使われる歯車では，歯車装置の静粛化・高精度化のため熱処理後の歯車研削加工が広まっている．一方，歯車装置の軽量化・低コスト化に対応して，自動車の自動変速装置（AT）やハイブリッド車（HV）の動力分配装置などに広く使用されている遊星歯車装置のリングギヤ（内歯車）や多段ギヤのように加工が困難なワークが増えている．内歯車を研削する方法としては，歯溝を一溝ずつ加工する成形研削方式があるが，加工能率が良くないため量産現場ではあまり使われていない．そこで当社では，2009 年に世界初の量産向け内歯車研削盤 ZI20A を開発した．
一方，外歯車に関しては，ねじ状砥石による連続創成方式の歯車研削加工が普及しており，当社も ZE シリーズを発表している．この方式ではφ200～300 の多条のねじ状砥石と被研削歯車を噛み合わせ，高能率に加工を行うことができる．しかし，多段ギヤや軸付のピニオンギヤ（切れ上がりワーク）の場合には，砥石とワークが干渉するため，歯面を研削することが困難である（図１）．

図１ 従来のねじ状砥石では加工が困難なワークの例（多段ギヤ）径が異なるギヤが隣接した多段ギヤでは，大径の砥石では加工が困難*1 工作機械事業本部技術部*3 工作機械事業本部技術部次長*2 工作機械事業本部技術部主席技師

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そこで当社では，歯車研削盤 ZI20A に外歯車加工用の鼓形砥石と治具を取り付け，従来は歯車研削加工が困難であったワークを高精度かつ高能率に研削加工をする方法を開発した．
本機で外歯車の加工を可能とした主な技術は以下の３点である．
(1) 低速から高速回転まで高剛性で安定した回転を実現する砥石軸(2) 鼓形ねじ状砥石の採用，及び高精度な機上ドレッシング方法(3) 研削動作に補正運動を与えることによる，歯面形状修整量（クラウニング量）の制御方法
本稿では加工方法，機械の特徴について述べ，加工事例を示す．

|2. 加工方法
2.1 加工原理
歯車研削盤 ZI20A による内歯車研削加工を図２に示す．円筒形状の砥石では軸交差角により砥石幅両端で干渉が生じるため，樽形ねじ状形状とする必要がある．樽形ねじ状砥石と被研削内歯車（ワーク）が噛み合い，創成運動を行うことで内歯車の研削加工を行う．一方，外歯車加工は図３に示すように，鼓形ねじ状砥石と被研削外歯車（ワーク）が噛み合い，創成運動を行う．

図２ ZI20A による内歯車研削加工

図３ ZI20A による外歯車研削加工

樽形ねじ状砥石による内歯車の研削加工

鼓形ねじ状砥石による外歯車の研削加工

いずれも研削性（低い研削抵抗，高い研削比）を上げるためには研削速度を上げる必要がある（図４）．研削速度は砥石軸とワークの同期回転と軸交差角による歯面の滑りから得られる．したがって砥石軸とワークの回転を高速化すること，砥石軸とワークの軸交差角を大きくすることで滑り速度（研削速度）を上げることができる．高速で同期回転可能な砥石軸，ワークを固定するテーブル軸の開発と，軸交差角から決まる鼓形ねじ状形状砥石の設計，そのドレッシング方法の開発により本加工が可能となった．

図４ 研削速度と研削性
研削速度と研削性の関係

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2.2 鼓形ねじ状砥石のドレッシング方法
他の研削砥石と同様，砥石の整形と目立て（ドレッシング）が必要である．本機ではドレスギヤ方式とディスクドレッサ方式が可能である．ドレスギヤ方式は被研削外歯車と同形状の台金の歯面にダイヤモンドを電着したドレスギヤで砥石をドレッシングする方式である．一方，ディスクドレッ
サ方式は被研削ワークの１歯の断面形状（砥石との接触線）を輪郭とするディスクドレッサで，砥石ねじ面を１溝ずつドレッシングする方式である．ドレスギヤとディスクドレッサによるドレッシング動作を図５に示す．砥石と噛み合わせてドレッサ形状を転写させるドレスギヤ方式に対して，ディスクドレッサ方式では，条数が多い砥石の場合にはドレッシングに時間を要するが，砥石とドレッサの相対位置関係に自由度があり，ドレッシング動作の補正による歯面性状の修整が比較的容易である．

2.3 加工動作と歯面修正量（クラウニング量）の制御方法
シェービング加工と同様に，ラジアル方向に切り込みを与えるプランジ加工や，ワークの軸方向（アキシャル方向）に砥石の送り動作を与えるコンベンショナル加工で歯面を研削する．また鼓形
砥石の歯面形状を利用し，砥石の送り動作に適当なダイヤゴナル角を与えることで，歯すじ方向に所望のクラウニングを付加することが可能である．クラウニングを付加するダイヤゴナル加工動作を図６に示す．

図５ 砥石のドレッシング方法

図６ 加工動作

ドレスギヤとディスクドレッサ方式による鼓形ねじ状と砥石のドレッシング動作

外歯車の研削加工（ダイヤゴナル動作）|3. 機械の特徴と性能
当初は内歯車専用であった ZI20A に外歯車加工機能を付加し，１台で内歯・外歯車両方の研削加工を可能とした．

3.1 砥石軸・テーブル軸
ねじ状（歯車状）砥石による高能率な研削加工を実現するためには，砥石軸とテーブル軸の高速・高精度な同期制御が必要である．本機では砥石軸・テーブル軸ともにビルトインモータを用いたダイレクトドライブ構造 を採用とし ， 砥石軸は最 高回転数 15000min-1 ，テーブル 軸 には6000min-1 のビルトインモータを採用した．
砥石軸の常用の回転速度範囲は，内歯車加工時の 10000 から 15000min-1 の高速回転に対し，砥石とワークの歯数比の関係から，外歯車加工時は 1000 から 6 000min-1 となる．またドレッシング時は 1 000min-1 以下となり，低速から高速まで広い回転速度範囲で使用する．したがって，使用回転速度の全域で高精度化と高剛性化を行う必要がある．
一般に主軸の剛性を上げるには，軸受けの予圧を大きくする．しかし予圧が大きいと高速回転時に軸受の発熱が大きくなり，内輪と外輪との間の温度差による予圧の増加が生じ焼き付き損傷を起こす危険性が高まる．また温度上昇により軸受けの疲労寿命が短くなることや，軸方向の熱変位が大きくなるなどの問題が発生する．高精度な歯車を安定して研削加工するためには熱変位を抑える必要があり，特にドレッシング時の低速回転から加工時の高速回転に切り替えたときの熱変位が課題となる．

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そこで砥石軸の設計では軸内部，軸受け内輪近傍に冷却溝を設け，軸受け内輪の冷却性能を向上させることによりこの問題を解決し，目標性能を達成した．砥石軸の構造を図７に示す．

図７ 砥石軸の構造
砥石軸の断面形状を示す。
軸受け内輪の冷却溝を配置した．

本砥石軸の回転試験を行い，従来の設計に対し本機の開発で追加した砥石軸の軸受け内輪の冷却溝による冷却効果並びに熱変位の低減効果について調べた．各主軸回転速度における軸受け内外輪の温度を測定した結果を図８に示す．内外輪ともに温度は回転速度とともに上昇しているが，本機で採用した冷却溝有りの砥石軸では，従来の内輪冷却溝無しに対し１／５に低減した．また内外輪の温度差についても従来の冷却溝無しに対して１／５に低減し，軸内部の内輪冷却溝の効果が確認できた．

図８ 主軸回転数と軸受け温度の変化
各回転数で測定した軸受けの内輪と外輪温度を示す．

図９に，軸方向の変位を測定した結果を示す．試験は暖機運転無しの状態より実施した．本機で採用した冷却溝有りでは変位は，従来の冷却溝無しに対し１／３の５μm 以下に抑えられている．冷却溝による冷却効果と熱変位の抑制効果が確認できた．また，主軸剛性についても広い回転速度範囲で必要剛性が確保できたことにより，後述の加工事例の通り，所望の加工精度が得られた．

図９ 主軸回転数と主軸軸方向変位の変化
各回転数で測定した主軸の軸方向変位を示す．

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3.2 段取り替えの容易化・自動化対応
本機は砥石とワークの治具を交換するだけで，内歯車から外歯車の加工に簡単に段取り替えをすることができる．また砥石はφ120 以下で，砥石アーバは主軸に自動クランプされるため，砥石の交換作業が容易である．さらに，砥石交換後に砥石とドレッサ，ワークの歯溝の位置を自動で検出する AE (Acoustic Emission）センサを装備しているため，スキルレス化が可能になった．

|4. 加工事例
本機での外歯車の加工事例を図 10 に示す．モジュール 1.7，歯数 10，外径 23mm で切れ上がり形状のピニオンギヤを，一般砥石を用いて加工した．加工時間は 70 秒で，JIS N4 級の加工精度を得た．
次にダイヤゴナル加工動作により歯すじ方向にクラウニングを付加して加工した事例を図 11 に示す．加工動作に適切なダイヤゴナル角を与えることで所望のクラウニング量を得た．

図 10 加工結果

図 11 加工結果

本機での加工事例（歯形、歯すじ、ピッチ）

本機での加工事例（歯すじにクラウニングを付与）|5. まとめ
従来のねじ状砥石による歯車研削方式では加工が困難であった外歯車を，高精度かつ高能率に加工する方法を開発した．当初は内歯車専用の歯車研削盤であった当社の ZI20A に，外歯車用の砥石と治具を取り付けるだけで外歯車の加工が可能となり，機械の汎用性を高めることができた．今後も更なる高精度・高能率加工と工具寿命の延長に取り組み，ユーザニーズに応えていきたい．

参考文献(1) 栁瀬吉言他，世界初量産用内歯車研削盤 ZI20A の開発，三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009) p.7-11(2) 西村幸久他，高精度歯車の生産を支える歯車研削加工技術，三菱重工技報 Vol.45 No.3 (2008) p.52-56(3) Yanase, Y. et al., Gear Grinding Machine for Internal Gears of Planetary Gear System, Proceedings of theInternational Conference on Motion and Power Transmission, MPT2009 (2009), p.159-162