三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

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特集論文

高精度歯車の生産を支える歯車研削加工技術
Gear Grinding Processing Developed forHigh Precision Gear Manufacturing
西 村 幸 久＊1

芦 沢 祐 二＊2

Yukihisa Nishimura

栁 瀬 吉 言勝 間 俊 文＊3

Yuji Ashizawa＊3

増 尾 光 一Yoshikoto YanaseToshifumi Katsuma＊3

Koichi Masuo

近年，自動車用ミッションギヤの低騒音化及び建設機械，風車用増速機，印刷機械などの大型ギヤの高精度化のニーズが高まってきており，歯車研削盤の採用が進んでいる．当社では，これらのニーズに応えるために小型量産ギヤの加工に適した ZE シリーズ，中・大型ギヤの加工に適した ZG シリーズ歯車研削盤を開発，ラインアップしており，それぞれについて技術的特長を説明する．また，歯車研削の採用は今後増加するものと予想され，その展望についても述べる．

1．はじめに砥石軸
ねじ状砥石

近年，乗用車用ミッションギヤの振動や騒音の低減，また風力発電機用増速機の効率の改善やコンパクト化などのために，小型量産ギヤから中・大型ギヤに至るシフト送りまで，熱処理後の歯車仕上げ加工が求められている．
熱処理後の歯車仕上げ方法としては，超硬仕上げホブワーク

アキシャル送り切り加工やホーニング加工も採用されているが，歯車研削加工が一般的に用いられる．
当社では，お客様の様々な歯車研削加工ニーズに応えるため，小型量産ギヤ用の ZE シリーズ歯車研削盤，中･大型ギヤ用の ZG シリーズ歯車研削盤をライワーク軸ンアップしており，それぞれの特長を紹介する．

2．ZE シリーズ歯車研削盤の特長
2．1

図１

シフト研削

加工動作概念図

ワークと砥石の軸方向に砥石を送る．

乗用車用ミッションギヤ製造ラインでは加工精度だ
けでなく，生産性，工具コストを満足しないと設備とロータリードレッサにより自動ドレスした後，砥石のして導入されない．ZE シリーズ歯車研削盤ではそれ使用箇所を順次変えながらシフト研削を自動的に行うらを満足するために，多条ねじ状砥石による連続創成機能を有している．図２にドレス間で 40 個加工した加工を採用し，砥石軸とワーク軸の高速かつ高精度なときの歯形圧力角の変化を示す．左右歯面とも変化は同期制御に加え，シフト研削を適用することで高精度２μm 以下となっており，量産の歯車研削でも安定しかつ高能率な研削加工を実現している．

た精度を確保できることを示している．また，ドレス

図１に加工動作の概念図を示す．シフト研削は，砥インターバルを 40 個程度確保できるので，１個の砥石をシフト方向に送りながらアキシャル方向に研削送石で約 8 000 個のワークを加工可能であり，砥石コスりを行う加工法であり，常に新しい砥粒で研削加工すトを 12 〜 13 円／個程度に低く抑えることができる．

ることにより，砥石摩耗を防ぎ，安定した精度で加工2．2能率を上げることができる．本機は，ねじ状砥石をZE シリーズでは高精度の歯形を得るため加工時と＊1

工作機械事業部技術部歯車機械設計課長
工作機械事業部技術部歯車機械設計課主席＊3
工作機械事業部技術部歯車機械設計課＊2歯形圧力角修正機能

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修正結果 A5圧力角誤差（μm）

53：右歯面ばらつき：１.6μm：左歯面ばらつき：１.7μm

0

右歯面
左歯面0.5μm0.5μm

計測結果

修正結果 B右歯面 −2.7μm
左歯面 −0.9μm

右歯面 −14.0μm
左歯面 −12.3μm−5補正入力値−10

右歯面＋3μm−15補正入力値
右歯面−10μm

補正16111621263136

左歯面−10μm

左歯面＋1μm

加工個数

図２補正

図４

ドレス間の歯形圧力角誤差変化

ドレス間 40 個連続加工したときの圧力角変化．

圧力角の補正事例

精度の測定結果から補正量を入力．

同一の位置姿勢で砥石のドレスを行うようワークとほ2．3

ぼ同じ位置にロータリードレッサを固定し，機上ドレ機械の開発に当たり，ねじ状砥石とワークのかみ加工シミュレーション技術スを行う．ドレッサの姿勢は作業者が取付け調整する合い理論やシミュレーション技術を応用して，加工ので，取付誤差があると圧力角誤差を生じる．他社機シミュレーションプログラムを作成した．シミュレー

ではドレッサの位置を人手により微調整して圧力角のション例を図５に示す．本図は歯すじにクラウニング修正を行っているが，本機は非熟練者でも容易に微調修正を付けたときの歯幅方向３箇所の歯面形状を表整ができるよう，NC データ入力のみで調整する機能し，歯幅方向で歯形圧力角が変化するバイアス歯面形を開発した．ドレッサの微調整作業は，砥石との相対状となっている．実機での加工データとよく一致して的な位置関係を変化させることであり，ドレッサを固おりシミュレーションで種々検討が可能となった．

定し砥石側の各軸を NC で補正することで本機能を実（a）現している．図３はこの機能の概念図である．図３

歯形クラウニングは圧力角修正前の砥石軸とドレッサ軸の相対位置，図３（b）は圧力角修正後の相対位置を表しており，圧力10μ角修正時の２軸の相対位置関係を解析することにより，本機能を実現した．

歯すじ

要求する両歯面それぞれの圧力角補正量を NC に入力し，修正加工した例を図４に示す．ほぼ入力値どおりの修正結果が得られていることが分かる．熟練作業者が減少しつつある国内のお客様や全く熟練者のいな：研削点（接触点）の軌跡

い海外生産拠点では，この機能は必須となっている．

図５2．4（a）圧力角修正前
z
平面π1m

m：砥石軸
γyo1z yx（砥石側）

平面π2y→o2 I
I：ドレッサ軸Dx
平面π1平面π2：yz平面γ：軸角（ドレッサ側）
z，z ，
平面π1m

yo1γ+θ，m : 砥石軸
θ : 旋回角x（砥石側）

図３，
平面π2zo2，Iαyx（ドレッサ側），，m は平面π1 上，，
I は平面π2 上は平行とπ2，平面π1，（同じ法線ベクトル）

圧力角の修正方法

乗用車用ミッションギヤの加工例（ZE24A）

モジュール 2.5，歯数 74，歯幅 25 mm のファイナ
ルギヤを 1.5 分で加工し，歯形・歯筋 JIS N １級，ピッチ JIS N ３級の精度を得た．図６に加工結果を示す．

3．ZG シリーズ歯車研削盤の特長
3．1（b）圧力角修正後創成研削シミュレーション

歯形・歯筋修正

本機はビトリファイド砥石を使用し，機上で砥石を任意の形状に成形することで複雑な歯形修正が可能である．また砥石のラジアル方向の切込みを制御することにより歯すじ修正も可能である．本機では図７に示す歯形・歯すじ修正パターンを標準で準備しており，対話入力により簡単に歯形・歯筋の指定ができる．

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ZE24 加工事例

歯形修正パターン

歯形精度歯筋精度25

歯筋修正パターン

φ124

図６3．2

φ220

ワーク諸元
2.5モジュール
歯数74
歯幅25mm
圧力角
20°
30°RH
ねじれ角

図７

1. Straight

2. Crowning

3. Relief

4. Side crowning

歯形・歯筋パターン

対話入力方式により入力・修正が容易にできる．

被加工物（歯車）
C

加工結果

自動車用ファイナルギヤを 1.5 分で加工し，JISN ３級の精度が得られた．

Z

歯筋
歯形

機 上 計 測測定子

ワークの脱着や測定に時間のかかる中・大型歯車のX

歯車研削盤では，機上計測装置の要求が強い．本機は機上計測機能に加えて，測定結果から補正量を自動計算する機能を備えており，熟練作業の自動化を図っている．機上計測装置の外観及び測定結果例を図８に示
す．
3．3

バイアス修整成形研削では砥石とワークは線接触し創成研削の接触点の軌跡とは方向が異なり，それが歯面形状の違いにも現れる．特にヘリカルギヤのクラウニング加工時には，創成研削と成形研削ではバイアス歯面形状の傾向が逆になる．多くのユーザでバイアス歯面形状を任意に修整したいというニーズがあり，成形研削では接触線や機械動作をコントロールして歯面形状の修整を

図８

機上計測装置と測定結果歯形，歯筋，ピッチの測定が可能．

することが可能である．ZG シリーズは加工時に砥石シフト軸の動作を加えることにより，バイアス修整をやドレス条件の設定が重要である．特に成形研削法で実現している．バイアス修整の加工事例とシミュレー

は加工中にドレスサイクルが数回入り，ドレスインション結果を図９に示す．

ターバルを適切に設定する必要がある．ZG シリーズ

3．4

加工支援ソフトワーク歯面を高精度に研削するためには，加工条件では，以下の内容で加工条件の自動計算が可能となっており，作業者のスキルレス化が実現できている．

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3．5

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加 工 事 例

ZG1000 による大型歯車の加工事例を図 11 に示す．
モジュール５分（取代歯数 162

歯幅 95 mm を 3 時間 45

歯厚 0.45 mm）で加工し，加工精度 JISN2 級（累積ピッチは JIS N ０級）を得ている．

leftJISTip

バイアス修整前バイアス修整後

right

PROFILE20μm

歯形誤差
左歯面 2.9μ右歯面 2.4μ（JIS N1級）

Va500:1

成形研削シミュレーション

Vb2:1
5mm
Rootleft

Topright

LEAD

20μm

バイアス修整前

図９バイアス修整後

歯スジ誤差
左歯面 1.7μ右歯面 2.5μ（JIS N1級）

Va500:1
Vb0.5:1

バイアス修整事例

歯幅の上中下で歯形をほぼ揃えることができた．

20mm
HottomJIS

加工条件については，研削除去量 Qw' と取代からTooth to tooth spacing fp lett

20μm
500:1

Tooth to tooth total accumulative Fp

推奨加工条件を自動計算する．
2Qw'（mm /s）= ΔX（mm）× F（mm/min）/ 60
ここで，：ラジアル方向切込量
ΔX（mm）
F（mm/min）：アキシャル方向送り速度
これにより，各サイクルで最適な切込量・送り速度

累積ピッチ誤差
左歯面 5.0μ（JIS N0級）

20μm
500:1

Tooth to tooth spacing fp right

20μm
500:1

Tooth to tooth total accumulative Fp

使用する砥石に応じて限界研削量を設定し，加工条件ワーク諸元／歯面除去量（mm3/mm）
研削限界量（mm3/mm）
これにより，砥石とワーク諸元から最適なドレスイ単一ピッチ誤差
右歯面 1.9μ（JIS N1級）
累積ピッチ誤差
右歯面 5.9μ（JIS N0級）

500:1

ドレスインターバル＝right20μmが設定される．次にドレスインターバルについては，からドレスインターバルを自動計算する．

leftピッチ誤差
単一ピッチ誤差
左歯面 2.6μ（JIS N2級）

モジュール
歯数圧力角

図 11516220°mm

ねじれ角
外径
歯幅15.4°850
95mmmm

大型歯車の加工事例（加工結果）

JIS N ２級の加工精度が得られている．

ンターバルが設定される．加工条件の自動設定例を図10 に示す．

3．6

加工事例（2）

歯車研削では，歯形・歯すじといった歯形形状の精度だけでなく，他の研削盤と同様，面粗さも重要とな（設定値）

る．歯車の潤滑においては，油膜パラメータλ（＝油研削限界量
Q'w（mm3/mm s） （mm3/mm）

粗加工

5.0600中仕上

2.0300仕上

1.5300膜厚さ／表面粗さ）が潤滑の効果や歯面の損傷に大き総切込量0.826（mm）（ラジアル方向の切込量）

く関連するため，面粗さの向上は歯車の性能向上・寿命向上と深く関わる．当社の ZG1000 では大型歯車の加工で Ra 0.3μmを達成した．
加工事例を図 12 に示す．

4．今後の歯車研削加工技術の展開（加工条件）
ドレスインターバル
切込量 加工回数 送り速度
加工パス（mm） （回） （mm/min）
（歯数）
粗加工

0.121

62479

コンベ/クライム

15

中仕上

0.06

12000

コンベ

30

仕上

0.04

12250

コンベ

45

図 10

加工条件の自動計算機能

4．1

ZE15/24A（1）バイアス加工
前述のとおり創成研削においてもクラウニング加工をすると歯形にバイアスが付くが，バイアスをコントロールすることが望まれている．

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左歯面
Ra

0.24μm
粗さ曲線
評価長さ
4.0mm
λc＝0.8mm×5×2K

Ra（4）芯だし容易化

0.21μm
粗さ曲線
評価長さ
4.0mm
λc＝0.8mm×5×2K

大型ギヤでは，ワークの芯だし作業が難しく時間を要するので芯だし容易化は重要な技術である．
（5）生産支援システム

×20×20縦横る．

右歯面

5.0μm/cm
500.0μm/cm

縦横

歯形形状のシミュレーション，加工精度の予測，5.0μm/cm
500.0μm/cm

加工条件の自動計算など生産支援システムの重要性が高まっている．

5．まとめ

自動車，建機，風車ほか一般産業機械に使用されている歯車の高精度化ニーズが高まってきており，高精度でランニングコストが低くかつ使い易い歯車研削盤が望まれている．自動車用の比較的小径（φ250 mm以下）の歯車の研削に対しては，従来からある創成歯車研削方式にシフト研削などを採用することで，高能図 12率，高精度かつランニングコストの低い歯車研削盤

大型歯車の加工事例（面粗さ）を開発した．この結果，本機は自動車用歯車ラインへの採用が進みつつある．一方，建機，風車などの（2）高速化

φ500 mm 以上の歯車研削に対しては，成形歯車研削生産性を向上し，コストダウンを図る上で高速加操作性を改善することで，歯車加工現場への採用が進程度まで実用化のみつつある．今後ともさらに高能率・高精度でランニ−1

ングコストが低く操作性のよい歯車研削盤の提供を目−1段階に来ている．将来は 90 m・s盤に歯形・歯筋修正機能や機上計測機能などを付加し，程工の要求が強い．従来の研削速度 V は 60 m・s度であったが，現在は 75 m・s−1程度まで高速化すると思われる．また，加工サイクル中の非加工時指していく．

間の短縮も必要である．
4．2

ZG400/1000（成形歯車研削盤）（1）大型歯車加工機のラインアップ
風車用増速機市場では対象ワークの直径は 1.5 〜2.5 m 程度であり，φ1 000 mm 以上の加工機のラインアップが必要となってきている．
（2）機上計測の高精度化，高速化
大型の歯研機ではワークの取付・取外しに時間を西村幸久

芦沢祐二

栁瀬吉言増尾光一要することから機上計測装置の高精度化，高速化が重要になると考える．
（3）ダイレクトドライブ化
各軸のクリアランスがあると高精度制御ができないので，今後はダイレクトドライブ化が必要と考え

勝間俊文