三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012) 工作機械特集

技 術 論 文27

お客様の生産性向上に貢献する最新歯切技術（ヘリカルガイドレスギヤシェーパ ST シリーズの高速化）
New Technology of Gear Cutting that Contributes to Customer’s Productivity Improvement(Speed-up of Helical Guide Less Type Gear Shaping Machine ST Series)

菊 池 寿 真 *1

能 勢 喜 博 *2

Toshimasa Kikuchi

Yoshihiro Nose

矢 部 勝 英 *3

東 川 隆 英 *4

Katsuhide Yabe

Takahide Tokawa

当社はこれまで，歯車加工中に切削油剤を一切使用しないことで，クリーンな作業環境と高い生産効率の実現が可能なドライカットシステムを世界に先駆けて確立するなど，現在もお客様のニーズを満足するための新技術を積極的に提案し続けている．近年，自動車などの量産ラインのみならず，ジョブショップと呼ばれる多品種少量生産型の歯車製造現場からも加工時間の短縮など更なる生産性向上のニーズが高まっている．ここでは当社歯切機械の中から，ヘリカルガイドレ
スギヤシェーパ ST シリーズを例に最近の歯切機械の生産性向上に関する技術を紹介する．

|1. はじめにギヤシェーパとは内歯歯車や段付き歯車を加工する際に一般的に用いられる歯切機械の一つである．図１に示すようにカッタとワークを同期回転させながら，カッタを軸方向に往復運動させる加工法である．またギヤシェーパに特有の機能として，歯すじにねじれを持ったヘリカルギヤを加工する場合，カッタのリードに合わせて螺旋運動を行う必要があり，これを実現するためにヘリカルガイドと呼ばれる案内を使用する．このヘリカルガイドはカッタのリードが変われば交換をする必要があり，高価である上に段取り替えには多くの時間と熟練を要す．そこでこの螺旋運動を高速・高精度に NC 制御することで，ガイドの交換を不要としたものが当社のヘリカルガイドレスギヤ
シ ェ ー パ ST シ リ ー ズ で あ る ． こ こ で は そ の 中 で も 特 に 生 産 性 向 上 の ニ ー ズ が 高 い 機 種
ST40CNC において更なる高機能化を行った．

図１ ギヤシェーパ加工法*1 工作機械事業本部技術部*2 工作機械事業本部技術部主席チーム統括*3 工作機械事業本部技術部課長*4 工作機械事業本部技術部主席技師

三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012)28|2. ヘリカルガイドレスギヤシェーパの駆動原理
一般のギヤシェーパとヘリカルガイドレスギヤシェーパにおける螺旋運動（リード発生機構）について説明する．
図２(a)に示すように一般的なギヤシェーパは，カッタのリードと同一のリードを持つメス・オス一対のヘリカルガイドにより螺旋軌道を創成する．さらにヘリカルガイド（メス）はウォームホイールと直結され，モータによりワーク全周に歯を創成させるための一定円周送りが付加される．この機構では異なるリードを持つカッタを使用する場合，機械内部のヘリカルガイドの段取り替えが必要である．
一方で図２(b)に示すヘリカルガイドレスギヤシェーパでは，メス・オス一対のストレートガイドによりカッタの軸方向直線往復運動を行わせている．その運動に対して所望の螺旋運動となるようにカッタの回転運動を同期させることで，一般的なヘリカルガイドを用いたギヤシェーパと同様の軌道創成を実現している(1) (2)．

図２ ガイドの構造およびヘリカル動作発生機構|3. 生産性向上のための高機能化
上述の通り，当社 ST シリーズギヤシェーパはガイドの交換を不要にしたことで，ヘリカルギヤを加工する際の段取り性を飛躍的に向上させた．これにより，例えばロットごとにワークのねじれ角が異なるような混流生産などにも容易に対応することが可能となり，多品種少量生産型の歯車製造現場などで多く用いられるようになった．
ここでは表１に示すように，昨今の更なる生産性向上のニーズに応えるため，ST シリーズのST40CNC について高機能化を図った．ST40CNC の主要仕様については表２に示す．
表１ ジョブショップにおけるニーズと必要な技術（ギヤシェーパ）
量産ライン

ジョブショップ

生産形態

少品種大量生産

多品種少量生産

段取り少ない多い生産性高い

低い

ニーズ
段取性の向上
生産性の向上（例）必要技術
ヘリカルガイドレス化
主軸早戻し・高ストローク化
データ転送時間短縮

三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012)29
表２ ヘリカルガイドレスギヤシェーパ ST40CNC の主要仕様
ST40CNC
外歯外径
ワーク最大径

内歯内径(mm)(mm)

φ400
φ250＋カッタ PCD(Max. φ400)

最大モジュール-

8

最大加工歯幅(*)

(mm)

115

カッタストローク幅(*)

(mm)

0～135

最大ねじれ角(*)

(deg)

±36°
60～500（標準仕様）

主軸ストローク数(*)(str/min)

主軸早戻し機構-

円周送り速度(mm/min)2.5～3 200

ラジアル切削送り(mm/str)0.001～0.1

メインモータ出力(kW)3060～800（オプション）

新設

無し（標準仕様）有り（オプション）

新設(*) 加工するワークや使用するカッタの諸元による．

3.1 主軸早戻し制御ギヤシェーパではクランク機構を用いることで，回転運動から直線往復運動（上下）を発生させている．クランク１回転中の動きは切削工程と戻り工程に分けられる．図３に示すように上死点→下死点の間では加工を行い，下死点→上死点の間では切粉を排出しないため非加工時間となる．主軸早戻し制御とは，加工に関係のない戻り工程の速度を上げることでサイクルタイムの短縮を図るものである．
図４に示すようにギヤシェーパのクランク機構におけるピストン運動の速度は，おおよそ正弦曲線に近似される．通常の加工では切削工程と戻り工程が対称的な等倍戻しとなっているが，早戻しの場合は戻り速度のピークがオリジナルの正弦曲線より増大するような曲線を与えている．この図に示すように，一周期のサイクルタイムは早戻り速度に応じて短縮することができる．

図４ ギヤシェーパにおけるカッタ上下速度変化曲線
図３ カッタの上下１ストローク中の軌跡

早戻し行う場合，主軸モータやカッタ回転軸モータの負荷増加や，ギヤシェーパで問題となりやすい振動など考慮に入れ，加工精度に影響を与えないような制御をする必要がある．そのためST40CNC ではモータの追従性を良くするために，早戻し区間の加減速指令についても正弦曲線状の指令にしており，切削工程の正弦曲線と滑らかにつながるような速度曲線としている．また早戻し中でも主軸とカッタ回転軸の同期を高精度に維持できるよう工夫をしている．

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30以上により，作業者が指定した荒・仕上切削速度の各々に対して最適な戻り速度が自動計算されるようになっており，早戻し比（戻り工程と切削工程の主軸ストローク数の比率）は最大２倍まで可能である．なお，加工するワークや使用するカッタの諸元によっては早戻しの速度に制限が出る場合もある．
次に具体的な事例を示した上で，主軸早戻し制御を行った場合の時間効果を紹介する．表３，
図５のように，ほぼ２倍の早戻し比で加工できた場合にはサイクルタイムを 16％程度低減することが可能である．
表３ ST40CNC における加工事例
対象ワーク-モジュール-

2歯数-

100

ねじれ角(deg)15

歯幅(mm)

45

カッタのリード(mm)1 650.793

ワーク材質-SCM415(str/min)180/260/260

加工時ストローク数 (*)
早戻し比率 (*)

内歯ギヤ-サイクルタイム(min)

時間効果(%)

2.0/1.6/1.6
早戻し無し

早戻し有り

1916--16(*)荒・中仕上げ・仕上げの３回きり

図５ 表３条件下におけるカッタ回転軸の速度指令曲線

3.2 主軸高ストローク化
ST40CNC では更なる生産性向上のため，主軸の最大ストローク数を標準仕様 500str/min に加え，オプションで 800str/min 仕様を準備した（表１）．これには図６に示すように，主軸モータの駆動ギヤ比を変更し，振動抑制を目的としたバランスウェイトを追加することにより達成した．これは当社高速ギヤシェーパ SE シリーズで実績のある制振技術を応用したもので，バランスウェイトの配置・重量は最適なものとなっている．図７は任意のストローク幅で主軸を動作させたときの振動を測定し，切込軸方向の振幅をプロットしたものである．バランスウェイトを追加することによって，特に高ストローク域での振動が抑制されていることが分かる．
現在はマルチボディダイナミクス（MBD）などの三次元シミュレーションを使用することで，更なる高速化と高精度加工に向けた解析を進めている．

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図６ 主軸 800ｓｔｒ仕様における変更点

図７ バランスウェイトによる制振効果

3.3 データ転送時間短縮
ST シリーズでは，同期加工に必要な３軸（主軸，カッタ回転軸，ワーク回転軸）各々の位置データを 0.5msec の分配周期であらかじめ NC に附属された PC で計算している．それを NC に転送，内部メモリに記憶し，これをモータに高速分配することで目標とする動作を実現させている．
従来は計算した全ての軌道データを一度に NC に転送する方式を採用していた．しかしこの場合はデータ量が膨大で転送に時間がかかるため，作業者の待ち時間によるムダが生じていた．
そこで作業性の向上を図るため従来方式のメモリ運転をやめ，扱うデータ量を少なくするための新しい方法を採用した．

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例として ST40CNC におけるカッタ回転軸の制御について説明する．この軸は図８に示すように，①上下往復ストロークごとの繰り返しヘリカル動作と，②加工中の回転方向送り（円周送り）を重ね合わせた制御となっている．新方式では，加工サイクルの各領域（例えば図８では荒加工・中仕上げ加工・仕上げ加工の３領域）ごとに繰り返し１サイクル分の点群データ①を作成し NC へ転送，NC でそれを高速高精度に繰り返す．さらに NC プログラム指令による円周送り動作②を重ね合わせることで目的の指令値を作る．これにより計算量や転送するデータ点数を大幅に削減することができた．

図８ カッタ回転軸の位置指令曲線

得られた効果の一例を表４に示す．このようにデータサイズの削減と，それに伴う転送時間の大幅な短縮を実現することができた．
表４ 転送時間の短縮効果
作成データ容量（４回きり加工の場合）
転送時間

従来方式

新制御方式

(MB)

85

1(sec)

約 240

約4|4. まとめヘリカルガイドの交換が不要で段取り性に優れた当社ギヤシェーパ ST シリーズ（ST40CNC）において，昨今の生産性向上のニーズに応えるための高機能化を行った．これによりサイクルタイムの短縮や作業者の操作性向上を実現することができた．現在は高精度加工を追求し，段取り性・操作性・メンテナンス性などに優れる，より付加価値の高いギヤシェーパの開発を進めている．
今後も，ギヤシェーパに限らず，ホブ盤，シェービング盤など，より高精度で生産性の高い歯切機械を提供していく．

参考文献(1) 興野文人ほか，三菱 NC ガイド式ギヤシェーパの開発，三菱重工技報 Vol.34 No.2 (1997) p.108～111(2) 鍋倉正和ほか，自動車用ミッションギヤの生産を支える歯車加工機と精密切削工具，三菱重工技報
Vol.43 No.3 (2006) p.41～47