三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009) ものづくりを支える機械・技術特集

技 術 論 文7

世界初量産用内歯車研削盤 ZI20A の開発
The World’s First Gear Grinding Machine for
Grinding Internal Gears in Planetary Gear Systems
栁瀬 吉言

越智 政志

Yoshikoto Yanase

Masashi Ochi

中路 慶弘

西村 幸久

Yasuhiro Nakamichi

Yukihisa Nishimura

芦沢 祐二
Yuji Ashizawa

近年，遊星歯車装置の低騒音化・低振動化の要求により，歯車加工の高精度化のニーズが高まっている．遊星歯車装置の構成要素の一つであるリングギヤ(内歯車)については，主に熱処理前の歯切り加工の高精度化に取り組んできた．しかし，更なる高精度化のためには，熱処理ひずみを除去するため，熱処理後に高精度・高能率な歯車研削加工を行う必要がある．そこで当社は世界初の量産向けの内歯車研削盤を開発したので報告する．

|1. はじめに遊星歯車装置はコンパクトで大きな減速比が得られるので，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．これらの動力伝達装置の騒音や振動を抑えるため，近年はトランスミッションに組み込まれている外歯車だけでなく，内歯車に対する高精度化の要求が高まっている．それに伴い，熱処理後の内歯車を高精度かつ高能率に加工する方法が求められている．
量産用リングギヤ(内歯車)の製造工程を図１に示す．従来，リングギヤは熱処理後に仕上げ加工を行わずに歯車装置に組み込まれることが多かった．しかし，熱処理によってひずみが生じるために歯車精度が悪化し，さらに軽量化のためにリングギヤの薄肉化が進んでいることから，熱処理後の歯車の精度管理が難しくなっている．熱処理後の歯車仕上げ加工としては歯車研削加工が主流であり，一般に創成方式と成形方式がある．量産加工で求められる高能率かつ高精度な加工を実現するには，創成研削方式の機械が適している．しかしながら，従来の内歯車研削盤はホーニング方式もしくは成形方式の機械でかつ電着工具を使用していたため，サイクルタイムが長く，工具費が高いことから，自動車用などの量産ラインでは，あまり普及していない．
そこで当社では多条砥石による内歯車の高精度・高能率かつランニングコスト(工具費)が安い創成歯車研削盤を開発した．機械開発のコンセプトは以下の３点である．
(1) 砥石スピンドル，ワークスピンドルの高速・高精度同期による創成研削加工(2) 砥石軸とワーク軸の軸交差角を大きくし，樽形砥石を採用することで，すべり速度(研削速度)をアップ(3) 機上ドレッシング機能による，高精度なドレッシングを実現
本稿では加工方法，機械の構造について述べ，加工事例を示す．

図１ 量産用リングギヤ（内歯車）の製造工程
量産用リングギヤ（内歯車）の製造工程と内歯車研削加工の位置づけ

三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)8|2. 加工方法
2.1 加工原理
ねじ状(歯車状)砥石による内歯車研削加工は図２に示すように，砥石と被研削内歯車(ワーク)がかみ合い，創成運動を行う方式である． 研削性(切れ味)や研削比を上げるには研削速度を上げる必要があり，そのためには砥石軸とワーク軸を高速回転させ，同期制御を行う．また，砥石軸とワーク軸の軸交差角を大きくすると，研削点でのすべり速度が大きくなるので，軸交差角を20deg から 35deg と大きくしたことが本加工法の大きな特徴である．研削性の向上に伴い，歯面修正能力が高くなり，歯形や歯すじ形状の修正だけでなく，ピッチ精度も含めたすべての歯車精度を向上させることが可能となる．

2.2 砥石形状
軸交差角を大きくすると，円筒ねじ(歯車)の場合は砥石幅両端で干渉が生じるため，樽形ねじ状工具とする必要がある．そこで樽形ねじ状工具形状とそのドレッシング方法の理論解析と，あわせて内歯車とピニオンのかみ合いで見られるような歯面干渉の確認を行い，砥石形状を設計した．

2.3 ドレッシング方法
他の研削砥石と同様，砥石形状回復のためのドレッシングが必要である．本機では以下のドレッシング方式が可能である．
(1) ドレスギヤ方式
被研削内歯車と同形状のワークピース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．ドレッシング時には冶具にドレスギヤをクランプして，加工と同じ方式で砥石をドレッシングする．ドレスギヤと樽形砥石を図３に示す．
(2) ディスクドレッサ方式
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．ディスクドレッサによるドレッシング動作原理を図４に示す．砥石のドレッシング動作は，砥石軸の回転運動，ドレッサの上下運動，ドレッサの旋回運動により行う．本方式の場合は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形状の修正が比較的容易である．

図２ 加工方法
樽形ねじ状砥石による内歯車研削加工
方法

図４ ディスクドレッサとドレッシング動作
ディスクドレッサによる樽形ねじ状砥石のドレッシング動作

図３ ドレスギヤと樽形砥石
内歯車形ドレスギヤと成形された樽形ねじ状砥石
(a) ドレスギヤ(b) 樽形砥石三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)92.4 砥石寿命
外歯車研削とは異なり，内歯車研削加工の場合は，砥石径がワーク径よりも小さいために頻繁にドレッシングが必要となり，サイクルタイムや砥石寿命，工具費の点で不利となる．本機では一般砥石に対して研削比が大きいビトリファイド cBN ホィールを採用した．さらに砥石軸とワーク軸を高速同期回転し，軸交差角を 20 deg 以上とすることで研削速度 20m/s 以上を可能とした．これにより，ドレスインターバルを伸ばすことができ，サイクルタイムの短縮と工具費の低減を可能とした．

|3. 機械の開発
機械は当社の外歯車研削盤 ZE15A をベースに，内歯車加工機能を付加した．主要仕様を表１に示す．
表１ 機械仕様No.

項目

1

ワーク最大径（外径）2

加工可能モジュール3

磁石最高回転数

4

テーブル最高回転数No.

項目

φ2005最大軸交差角(deg)

40max.3

6主軸モータ(kW)

25(min-1)

15 0007NC 装置(min-1)6 000(mm)同時 5 軸制御

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・テーブル軸共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した．砥石軸は最高回転数 15 000 min-1 ，テーブル軸には6000min-1 のビルトインモータを採用した．砥石軸については，加工時は高速回転，ドレッシング時は低速回転となるために，低速領域と高速領域の両方で回転精度と剛性が求められる．さらに，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．そこで砥石軸の設計では当社の高速マシニングセンタの主軸の技術を適用し，目標性能を達成した．砥石軸とテーブル軸の構造を図５に示す．

3.2 ドレッシング装置
ドレスギヤ方式の場合はワークの代わりにドレスギヤを冶具にクランプして砥石をドレッシングするため，特別なドレッシング装置は不要である．一方，ディスクドレッサ方式用として，反作業者側に旋回式のドレッシング装置を設置した．ドレッシング時以外は退避しているが，ドレッシング時には砥石正面にドレッサを配置し，高精度カップリングでクランプする構造である．さらに樽形ねじ状
砥石は通常の円筒歯車とは異なる形状のため，複雑なドレッシング動作を行う必要がある．そこでドレッサには旋回軸を持たせ，同期ビルトインモータと高精度スケールを採用し，５軸同時制御プログラムを開発した．ワーク，砥石とディスクドレッサの位置関係を座標系で表す(図６)．

図５ 砥石軸とテーブル軸の構造
高速・高精度な回転同期を実現する砥石軸とテーブル軸の構造

図６ ワーク，砥石とディスクドレッサの位置関係
ワーク，砥石とディスクドレッサの位置関係を座標系で示す．

三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)10

ディスクドレッサをワーク歯面の一部と考え，砥石とワーク歯面の接触線に沿って動かすことによりドレッシングを行う．つまり，砥石は加工と同じ位置に配置し，ドレッサをワーク軸(Z1 軸)の周りに旋回し，ワーク軸方向に上下運動することにより行う．本機ではこのドレッシング動作を実現するために，砥石軸(ｌ 1 軸)を鉛直方向にセットし，砥石軸に対するドレッサ軸(ｌ 2 軸)とドレッサ中心(O3)の相対位置関係を座標変換により求め，ドレッシング動作のプログラムを作成する．ドレッシング装置とドレッシング動作軸を図７に示す．

3.3 自動化対応
本機はリングギヤを高能率に量産加工するために以下の装置・機能を装備している．
(1) ワーク交換装置
ワークを高速で交換するため，ワーク交換装置に ATC(自動工具交換装置)などで用いられている高速カムユニットを採用し，ワーク交換時間の短縮を行った．ワーク交換装置を図８に示す．
(2) 位相合わせ機能
歯車研削では砥石とワークの位相合わせのためにワークの歯溝位置を検出する必要がある．本機では非接触センサを用いてワーク全周の歯溝位置を検出し，位相合わせを行っている．また，新ワークや新品砥石に段取り替えする時には砥石とワーク，又は砥石とドレッサの接触を作業者が確認する必要があるが，外歯車に比べて内歯車加工は目視による位相合わせが困難であるため，AE(Acoustic Emission)センサによる自動位相合わせ機能を装備している．
これにより段取り替え時のスキルレス化が可能となった．

図７ ドレッシング装置とドレッシング動作軸
ドレッシング装置とディスクドレッサによる５軸同時制御動作

図８ ワーク交換装置
自動化対応の高速ワーク交換装置

図９ 砥石とワークの接触線
砥石とワークの接触線の計算結果|4. 加工支援ソフト
歯車研削は歯面誤差の要因分析や誤差の補正が重要となる．本機の開発に当たり，数値解析による歯面形状の計算プログラムと，砥石とワークの干渉確認ツールの開発を行った．特に本機では，干渉が生じない砥石諸元・形状の決定方法や，歯面形状誤差があったときの加工・ドレッシング動作の修正方法など，事前検証やトラブル対策に有効なツールである．砥石とワークの接触線の計算結果を図９に示す．

三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)11|5. 加工事例
本機での加工事例を図１０，図１１に示す．モジュール２，ピッチ円径 120 mm，歯幅 30 mm のリングギヤを加工し，JIS N4 級の加工精度を得た．目標のサイクルタイムは 70 秒である．加工したリングギヤは薄肉のため，熱処理ひずみの影響で，加工前の歯すじ誤差，ピッチ誤差，歯溝の振れが大きかったが，加工後は歯形，歯すじ，ピッチ，歯溝の振れのすべての歯車精度が向上し，本加工が有効であることを確認した．

図１０ 加工精度（歯形、歯すじ）
本機での加工事例（歯形、歯すじ形状）

図１１ 加工精度（ピッチ）本機での加工事例（ピッチ精度）|6. まとめ
自動車用遊星歯車装置のリングギヤを高精度かつ高能率に加工する量産向け内歯車研削盤を開発した．本機による加工テストの結果より，熱処理後のワークを JIS N4 級の精度で加工し，すべての歯車精度を向上できることが確認できた．また砥石寿命・工具費についても，研削速度の高速化とビトリファイド cBN ホィールを採用することで解決し，自動車向けを始めとした量産加工に適用できると考えている．今後は更なる高精度化と生産性の向上を図り，段取り替えの容易化や最適な加工条件の設定などスキルレス化も重要な課題である．

参考文献(1) 橋谷道明ほか，静粛・コンパクト・低コスト歯車を実現する ZE15A，三菱重工技報 Vol.42 No.2 (2005)
p.56-59(2) 西村幸久ほか，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

執筆者紹介
栁瀬吉言
工作機械事業部
技術部
歯車機械設計課

越智政志
工作機械事業部
技術部
歯車機械設計課

西村幸久
工作機械事業部
技術部
歯車機械設計課課長

芦沢祐二
工作機械事業部
技術部
歯車機械設計課
主席

中路慶弘
工作機械事業部
技術部
歯車機械設計課