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特集論

静粛・コンパクト・低コスト歯車を実現するZE15A

文

Gear Grinding Machine ZE15A for Low-noise,
Low-cost, and Compact Gears
橋 谷 道 明＊1

増 尾 光 一＊2

瀬 吉 言＊2

丸 山 和 孝＊2

Michiaki Hashitani

Kouichi Masuo

Yoshikoto Yanase

勝 間 俊 文＊2
Toshifumi Katsuma

Kazutaka Maruyama

近年，自動車用ミッションギヤの低騒音化・低振動化のために歯車の加工精度の要求がますます高まっている．従来，歯車の仕上げ加工は熱処理前のシェービング加工が主流であったが，さらなる高精度化のために熱処理歪みを除去可能なように熱処理後に高精度・高能率に加工する創成研削方式の歯車研削加工にユーザニーズが移行している．国内では欧州機がほぼ独占しているこの市場に，ユーザニーズに合致した量産ライン向け歯車研削盤として ZE15A を開発したので報告する．

1．はじめ高精度加工に（2）多条ねじ状砥石による高能率加工

歯車研削方式には大別して創成研削方式と成形研削（3）全軸 NC 化と対話型入力機能によるスキルレス化方式がある．量産加工において求められる高能率かつ本稿では加工の原理，制御方法について述べ，開発

高精度な加工を実現するには，ホブ切り加工と同じ原理でねじ状砥石を用いた創成研削方式の機械が適している．国内の創成研削方式の歯車研削盤市場は，欧州した ZE15A を紹介し，加工事例を示す．

2．加 工 原 理機がほぼ独占しており，対抗できる歯車研削盤の開発

2．1 加工原理が急務であった．

ねじ状砥石を用いる歯車研削加工は図１(a)に示す

当社では急速に拡大しつつある市場ニーズに対応すように，ホブ切り加工と同様，砥石のねじ筋が被研削るために創成研削方式による歯車研削盤として，歯車（ワーク）とかみ合い運動を行い，インボリュー

ZE15A を開発した．主要仕様を表１に示す．開発のト創成を行う研削方式である．本方式は，ラック歯形コンセプトは以下の３点である．の平形砥石や皿形砥石を用いる割り出しを必要とする（1）機上の自動ドレス機能による，一般砥石を用いた他の創成研削方法に比べて，ピッチ精度が良好で生産
主軸

ねじ状砥石

表１＊1＊2

創成歯車研削盤 ZE15A 主要仕様

No項

1

ワーク最大径目仕2加工可能モジュール

１〜４3

加工可能歯数５〜 1 000

4

砥石径 × 長さ（mm）

外径φ300 × 長さ1255

砥石最大回転数（min−1）

4 500

6

最大条数

7

テーブル最大回転数

8主軸モータ（連続定格）

9NC システム10

機械質量（mm）

（kW）

ワーク
シフト送り

シフト送り
ダイレクトドライブ
ドレス装置

最大ピッチ 32 mm

（b）

1 500
17テーブル軸

図１

ファナック160 iMB（kg）

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

主軸

φ150

7（min−1）様

ねじ切り動作

研削ストローク
アキシャル送り10 000（a）

加工動作ドレス動作
加工時とドレス時の移動方向と回転方向を示す．

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性が高く自動化が容易である．
2．2

3．機 械 の 開 発

多条砥石による高能率加工

砥石の回転数が同じ場合，多条砥石を使用すること

3．1

主軸・テーブル軸の構造と高精度な同期制御でテーブル軸を高速回転にでき，高能率加工が可能と多条砥石による高能率歯研を実現するためには，主なる．5 章の加工事例に紹介するワークの場合，１条軸・テーブル軸の高精度な同期制御が必要である．ギ砥石で加工すると加工時間は約 150 秒かかるが，３条ヤトレインやカップリングを有する構造では，ガタな砥石による加工では，テーブル軸の回転数を３倍に上

どの非線形要素により制御ゲインを十分上げられず，げることが出来るので，実加工時間 50.5 秒である．

必要な同期制御性能が得られない．また，ギヤトレイ

2．3

砥石の機上ドレスンそのものが加工ワークの騒音発生原因となり，静粛歯車研削用のねじ状砥石の場合も他の研削砥石と同様に，砥石整形と切れ味保持のためのドレスが必要である．ねじ状砥石の場合は，図１(b)に示すように主軸とシフト軸を同期動作させることでねじ切りの動作な歯車を加工するためにはなくす必要がある．
本機では図２に示すよう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．
本機の主軸・テーブル軸最大回転数はそれぞれ4 500 minを行いながらドレスを行う．
機上にドレス装置を設置することで，砥石を主軸から取り外すことなくドレスが可能で，高精度な砥石整−1，1 500 min−1である．本回転領域で十分な制御性能が期待できるモータとして，同期ビルトインモータを採用した．

形が可能となる．さらに NC 軸で全てドレス動作・ドねじ状砥石による歯車研削加工の場合，加工前ワーレス歯合わせ動作を行うことで，完全自動ドレスが可クの歯車精度に起因する負荷変動が加工中に発生す能となり，ドレス時間の短縮が計れる．

る．加工前ワークの累積ピッチ誤差が主な原因で，加2．4

シフト研削と砥石の寿命

工中にワーク回転周期の研削取代の変動が起こり，負高能率でワークを加工するために本機ではシフト研荷が変動する．そのためワーク回転周期の同期誤差変削を採用した．シフト研削とは，図１(a)でシフト送動が発生し，加工後の歯車精度に大きく影響する．本りを行いながらアキシャル方向に研削送りを行う加工機では，この負荷変動が一定の周期性を持つことに注法である．この加工法では常に砥石の新しい切れ刃面目し，当社ギヤシェーパで採用している フィードフォを使用しながら加工できるので重研削が可能である．

ワード補正方式(1)（周期的な誤差量から制御補正量

通常，砥石の端から順にシフト研削を行い，砥石全を逐次求めながら制御する方式）の適用により，同期幅を使用するとドレスを行う．ドレスインターバルは誤差量を約 15 ％まで抑えることに成功し，機械要求

表２のワークの場合で 30 〜 40 個である．

精度を大幅にクリアした．

１回のドレスによる砥石の減少量は，直径で 0.4 mm程度である．本機で使用可能な砥石径は 300 mm 〜3．2

ドレス装置の機構（特許出願中）

本機では，図３に示すように，省スペース化のため約 220 mm であるので，１個の砥石で 8 000 個ワークが加工可能である．砥石の価格を約 10 万円とすると，ワーク１個当り 12 〜 13 円程度の砥石費用となり，客主軸先要求を充分満足できる．
エンコーダ

表２
被削歯車緒元

加工ワーク諸元と加工条件
砥石緒元

テーブル軸

加工条件

モジュール

3

外径

φ300 mm

粗仕上歯車31

砥石幅125 mm

砥石回転数
2 850（min−1）

3 800

圧力角

20° 条数

研削速度（m/sec）

4560

ねじれ角（方向）

20° 使用砥石
アキシャル送りCXY120I8V104
右（mm/rev）

0.80.4３

ねじ状砥石

同期ビルトインモータ

エンコーダ

材質
SCM 415
表面硬度 HRC 60

ラジアル
切込み量（mm）

外径φ105 mm

送り方向クライム コンベ

歯幅40 mm

研削油剤

不水溶性0.250.08

図２

主軸・テーブル軸の構造図
ビルトイ
ンモータによるダイレクトドライブ構造．
三菱重工技報 Vol.42 No.2（2005-3）

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妨げにはならず，ローダによるワークの搬入搬出時にねじ状砥石 ドレス装置
ドレス位置も，退避位置側で旋回するのみである．
3．3 高速歯合わせ装置
リングローダ

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．本機では非ドレス装置
退避位置

接触式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位置を割出しているが，専用の高速信号処
理回路を開発することで検出時間を約１秒に短縮し加工時
ドレス装置
旋回範囲

テーブル軸

図３ ドレス装置の機構

リングローダ上にドレス装置を設置した．

た．

4．加工支援ソフト
4．1 加工シミュレーション
歯車加工においては加工後の歯面形状を予想する加工シミュレーションが重要なツールとなっている．特ドレス装置をリングローダ上に設置した．ドレス時にに負荷がかかった状態で騒音や振動が生じないようなは砥石正面に配置され，高精度カップリングを用いてかみ合いを実現するために単純なインボリュート歯形高精度にクランプする構造である．

ではなく複雑な歯形・歯すじ形状を要求される場合にドレス装置の配置としては，主軸の回転振れ誤差などの砥石の形状誤差要因を減らすために，砥石から見てワークを加工する側に配置した．また，ワーク加工時に用いる NC 軸を使用してドレス動作が可能なのでドレス用に NC 軸を追加する必要もない．
ワーク加工時には図３の退避位置に移動し，加工のは不可欠である．
例として，はすば歯車の歯すじ方向にクラウニングを施す場合の加工シミュレーションを説明する．
通常歯すじ修整は，砥石をワークのアキシャル方向に送るときに，砥石とワークの中心間距離に補正運動を与えることで行う．このときのシミュレーション結果を図４に示す．
本結果は補正運動により目標値通りのクラウニング量が得られることを示している．また歯幅方向で中央部の歯形は変化しないが，砥石が切り込む歯幅端では歯形圧力角（傾き）が変化していることを表している．
また，本加工シミュレーションを用いることで創成運動に同期誤差がある場合や位置決めに誤差がある場合の歯面の形状誤差を予測・解析することができ，事前検証やトラブル対策にも有効である．
4．2 スキルレス化（特許出願中）
従来のねじ状砥石による歯車研削盤の圧力角の調整
方法を図５に示す．作業者は修整したい圧力角に応じスケールやゲージを用いてドレッサの旋回角度を調整
砥石YX
ドレッサ旋回角度

ドレッサ

図４ シミュレーション結果

はすば歯車の歯すじ方向にクラウニングを施す場合の加工シミュレーションを示す．

図５

従来の圧力角修整方法
ドレッサの取付け角を手動で調整する．

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測定位置

測定位置

ROOT

右歯面

上上中中下下

測定位置

左歯面

TIP
隣接ピッチ
左歯面

単一ピッチ
累積ピッチ

バイアス

バイアス

上

ピッチ精度測定結果

ROOT

TIP

TIP

上ROOT

中中下下バイアス

バイアス

020 μm0−2020 μm
0−2020 μm

隣接ピッチ

測定位置

ROOTμm
20TIP

右歯面単一ピッチ累積ピッチ

020 μm0−2020 μm
0−2020 μm

歯みぞの振れ10μm10μm

修 整 前圧力角修整後

図８ピッチ精度

0FTU-L1.6μm

10FPT-L

201.4μm

1020FPK-L

7.3μm

1020FTU-R
10FPT-R

0.8μm
201.0μm

1020FPK-R

6.2μm

10204.7μm

fr1020

JIS 13030

JIS 33030
JIS 030
JIS 230
JIS 230

加工したワークのピッチ精度を示す．

図６ 圧 力 角 の 自 動 修 整 結 果

右歯面を歯先下がり10 μm，左歯面を歯先上がり 10 μm 補正した．

工時間 50.5 秒（歯合わせ時間，ワーク搬入搬出時間を除く）で，JIS ３級の加工精度を得た．本加工例の歯 形 ・ 歯 す じ 精 度 測 定 結 果
右 歯 面
歯形
誤ROOT

左 歯 面
TIP

ROOT

10μm

ワークであれば自動車用ミッションギヤとして充分な静粛性，耐久性及び歯研コストを満足できると考える．

TIP

6．まとめ差Fa（歯形形状誤差）−1μm

1μm

JIS 1

JIS 0

右 歯 面

左 歯 面

BOTTOMTOP

今後拡大が予想される量産歯車研削盤市場に対応し，10μm

BOTTOM

TOP

歯すじ
誤差

（1）多条ねじ状砥石の機上ドレス機能（2）全軸 NC 化，対話型入力機能によるスキルレス化を実現した，高精度・高能率歯車研削盤を開発した．

fHβ（ねじれ角誤差）−1μm
JIS 01μm
JIS 1※修整歯形につき，歯すじ誤差はクラウニング量を除いた値

図７

歯形歯すじ精度

加工したワークの歯形歯すじ精度を示す．

参 考 文 献（1）興野文人他，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）する必要があった．この方法では作業者のスキルやノウハウが必要で，調整に多大な時間を要した．
本機では歯形圧力角修整量を入力するだけで，自動で砥石形状を修整する方法を開発した．当社では，ドレッサの取付け角を手動で調整することなく，圧力角の修正量に応じたドレス動作と加工動作を解析的に求

橋谷道明

増尾光一

|瀬吉言

丸山和孝

勝間俊文

め，左右歯面の圧力角を独立に修正する方法を確立した．本手法による圧力角修整結果を図６に示す．

5．加工事

例

本機での加工事例を表２，図７，図８に示す．実加三菱重工技報 Vol.42 No.2（2005-3）