三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015) 工作機械特集

技 術 論 文14

高付加価値な歯車の加工を実現するギヤシェーパの最新技術－ヘリカルガイドレスギヤシェーパ ST シリーズの高機能化－
New Technology of Gear Shaping Machine That Can Manufacture High Added Value Gears-Improvement of Functions Helical Guide Less Type Gear Shaping Machine ST Series-

菊 池 寿 真 *1

丸 山 和 孝 *1

Toshimasa Kikuchi

Kazutaka Maruyama

金 澤 宏 幸 *2

能 勢 喜 博 *3

Hiroyuki Kanazawa

Yoshihiro Nose

当社ギヤシェーパ ST シリーズは，ヘリカルギヤを加工する際のカッタの螺（ら）旋運動を高速・高精度に NC 制御させた歯車加工機械であり，ヘリカルガイドと呼ばれる案内部品を交換することなく様々なねじれ角の歯車を加工できる画期的な機械として好評を得ている。さらに，最近ではギヤシェーパ加工においても，歯幅の中央部を円弧状に膨らませたクラウニングギヤなど高付加価値な歯車製造の要求が増えている。今回 ST シリーズの一つである ST40 のモデルチェンジに伴い，リリービング機構を NC 化した。これによりクラウニングギヤやテーパギヤなど，特殊な歯すじ形状の歯車を一台のギヤシェーパで加工することが可能となったので，これらの最新技術について紹介する。

|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である。これまで外歯加工を行うホブ盤やシェービング盤，歯研盤といった歯車加工機械では比較的容易にクラウニングやテーパといった特殊歯すじの加工が可能であったが，内歯歯車や段付き歯車の加工を行うギヤシェーパでは難しいとされてきた。そこで当社はこれらの歯車加工を実現すべく，他社に先駆けてギヤシェーパのリリービング機構における NC 化を考案した（特開2004-154921 号）。この NC リリービング機構を搭載した当社の新型ギヤシェーパ ST40A では，特殊な歯車を加工する際の段取替えを不要としただけではなく，作業者は操作画面上から自由にクラウニングの量やテーパの角度を指定し，加工できるようになった。

|2. ヘリカルガイドレスギヤシェーパについて
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 ST シリーズにおける螺旋運動（リード発生機構）について説明する（図１）。
図１(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替えが必要である。
*1 機械・設備システムドメイン工作機械事業部技術部*3 機械・設備システムドメイン工作機械事業部技術部 課長*2 技術統括本部総合研究所機械研究部 主席研究員

三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015)

15

一方で図１(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１ 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 ST シリーズにおける螺旋運動|3. 歯車における特殊な歯すじ形状
一般的に歯車の歯すじはストレートであるが，図２(b)，(c)のような特殊な歯車加工を要求される場合がある。
① クラウニングギヤ…歯車はかみ合い誤差などによる片当たりが原因で駆動時のノイズが問題になる場合がある。これを避けるために歯幅の中央部を円弧状に膨らませたクラウニングギヤを用いる場合がある。これにより歯当たりが歯幅の中央付近に集中し，安定した回転伝達が可能となる。
② テーパギヤ…歯車は加工を行った後，歯車の強度を確保するために熱処理を行うのが一般的である。その際，ギヤシェーパ工程直後では歯すじが精度良く加工されていても，熱処理によって歯すじが倒れるなどして完成品の品質が低下する場合がある。歯すじのひずみ量と方向がある程度予測できるのであれば，ギヤシェーパ工程で熱ひずみとは逆のテーパ形状に予め加工しておくことで，熱処理後でもストレートで高精度な歯すじを得ることが可能となる。

図２ 特殊な歯すじを持つ歯車

三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015)16|4. NC リリービング機構
最初にギヤシェーパの主軸ストローク動作について説明する。ギヤシェーパの主軸の動きは，スライダクランク機構によりメインモータの回転運動を往復直線運動に変換することで得ている。
図３に示すように，クランク一回転中のカッタの動きは切削工程と戻り工程に分けられ，“上死点→下死点”では加工（切粉を排出）を行い，“下死点→上死点”では加工は行わない。この戻り工程
ではワークに傷を付けないように，カッタは切込み方向からわずかに逃げながら上死点に戻る。これをギヤシェーパにおけるリリービング動作と呼ぶ。

図３ カッタ上下１ストローク中の軌跡

従来リリービング動作はカムによるものが一般的で，その場合はカムを交換しない限りその軌跡は固定されてしまう。またカムを交換できる場合でもかなりの手間と時間を要していた。
そこで新型のギヤシェーパ ST40A ではリリービング動作を NC 化した。これによって得られる利点は，以下のとおりである。
① 図４に示すように，主軸の切削工程中（上死点→下死点）の軌跡を円弧状や傾斜状となるようにモータを制御することで，クラウニングギヤやテーパギヤの加工が可能になる。
② 内歯加工時に問題となりやすいリリービング干渉が発生した場合，それを回避する目的でリリービングの量を自由に調整することができる。
③ リービングの向き（内歯加工と外歯加工）を自動的に切り替えることができる。

図４ ST40A における歯車加工バリエーション

三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015)17

また当然ながら NC 制御としていることで，クラウニング量，テーパ角度などは機械の仕様内であれば作業者は容易に操作画面上から指定することができる。
ST40A では，従来までの歯すじにねじれ角のあるヘリカルギヤ加工に加え，先述のクラウニングギヤやテーパギヤはさることながら，これら両方を持ち合わせた“クラウニングテーパギヤ”や，内歯歯車におけるクラウニング，テーパ加工など種々の歯車加工について，カッタヘッドやギヤボックスの段取替えをすることなく一台の機械で加工することができる。

|5. ＳＴ40A の主要仕様
今回開発したギヤシェーパ ST40A の主要仕様を表１に示す。
表１ ギヤシェーパ ST40A の主要仕様
ワーク最大径(mm)（外歯） Φ400（内歯） Φ250＋カッタ PCD
最大Φ400（*2）

最大モジュール(mm)

8

最大加工歯幅（*1）

(mm)

115

カッタストローク幅（*1）

(mm)

0～135

カッタストローク数（*1）(strokes/min)

30～600

最大ねじれ角（*1）

(deg)

±45

円周送り速度(mm/stroke)

2.5～3 200

ラジアル送り速度(mm/stroke)

0.0001～0.1

メインモータ出力(kW)

30

最大クラウニング量（*2）

(mm)

0.07

最大歯底テーパ角度（*2）

(deg)

±0.3

（*1）加工するワークや使用するカッタの諸元により制限される。
（*2）オプションで NC リリービング機構を付属した場合を示す。

|6. 高精度解析技術の確立と加工精度例
一般にギヤシェーパの構造は非常に複雑で，これまで機械の動きを正確にシミュレーションすることは難しいとされてきた。しかし当社ではこのたび，マルチボディダイナミクス（MBD）を用いたギヤシェーパの高精度解析システムを構築した。これは対象とする加工条件下における工具の先端挙動，つまり被削歯車の加工精度を高精度にシミュレーションするものである。このシステムでは工具周辺（主軸系）のみではなくベッドやコラムを含めた機械全体の挙動を模擬できていることから，現在ではその解析精度も向上している。
図５は MBD モデルと加工シミュレーションの様子を示している。シミュレーションでは加工中のカッタ切れ刃面の動きを時々刻々変化させたときに創成される歯車（この場合は内歯歯車）の様子を示している。カッタの軌道には，リリービングなどの主軸系の動きのみではなく，MBD 解析によって求められたカッタ先端での機械挙動が総合的に加味されたものであるため，高精度な加工シミュレーションを実現している。

図５ MBD（マルチボディダイナミクス）モデルと加工シミュレーション

三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015)18

これら最新の解析技術を取り入れて開発した ST40A における加工事例を表２及び図６に示す。
特殊な歯すじ形状を施さない通常の歯車では，歯すじ精度 JIS-N３級を得ている。クラウニング加工及びテーパ加工においても狙い通りの歯すじ形状を得ている。
表２ ST40A における加工条件一例【ワーク諸元（外歯）】モジュール(mm)

歯数【加工条件（ウエット・３回切り）】
2.5

ストローク幅(mm)2028

ストローク数(stroke/min)

420／500／500

圧力角(deg)20

円周送り速度(mm/stroke)

1.963／0.561／0.561

ねじれ角(deg)

0

ラジアル送り速度(mm/stroke)

0.004／0.008／0.008

歯幅(mm)

15

インフィード量(mm)4.93／0.5／0.2

SCM415

加工時間

(min)

5

材質

図６ ST40A における加工精度一例|7. まとめ
最新のギヤシェーパ ST40A ではリリービング機構を NC 化した。これによりこれまでギヤシェーパでは難しいとされてきたクラウニングギヤやテーパギヤなど特殊な歯車を，段取替え無しで柔軟に加工することが可能となった。
ヘリカルガイドの交換が不要ということでこれまで好評を得てきた ST シリーズに NC リリービング機能が新たに加わったことで，一台のギヤシェーパで多様かつ高付加価値な歯車の加工が可能となった。
今後は ST40A を用いることで実現できる新しい歯車加工を提案し，歯車を用いた駆動システムにおける高効率・省エネルギー化に貢献したい。またこれからもギヤシェーパに限らず，歯車加工機械における新技術の開発に尽力していく所存である。

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