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12

高速加工が可能な完全ドライカットギヤシェーパ
SE15A の開発
Development of Gear Shaping Machine SE15A
with Dry Cutting and High Speed Strokes

丸山 和孝

西村 幸久

Kazutaka Maruyama

Yukihisa Nishimura

東川 隆英

神林 暁

Takahide Tokawa

Satoru Kambayashi

金安元 達昭洋行

Hiroyuki Kin

Tatsuaki Yasumoto

当社の歯切機械は“E シリーズ”として，ドライカット，高生産性等をコンセプトに展開している．
ホブ盤 GE シリーズはシリーズ化が完了したが，ギヤシェーパは SE25A のみであり，シリーズ強化のために，特に二輪車用などの小型ギヤを高速加工する能力に優れた小型ギヤシェーパ SE15Aを開発した．本機は，ギヤシェーパの高速ストローク動作時に発生しやすい振動を抑制することによる高能率加工，量産加工ラインにて採用しやすいレイアウト，ドライカット対応をすることで，小型ギヤの更なる生産性の向上をお客様に提案するものである．

|1. はじめに歯切機械，特にホブ盤は当社が世界に先駆けて実用化した完全ドライカットシステムなどにより，高速化，高生産性化している．歯切機械の主要顧客には，自動車，二輪車製造業向けがある
が，近年，装置本体やギヤトレインの小型化，コストダウンなどのために，複数部品の一体化などで部品が複雑形状になることがある．それにより段付き歯車形状などになるとホブ盤では加工できず，ギヤシェーパで加工する必要がある．また内歯ギヤはホブ盤では加工できない．よって，それらのギヤを加工するギヤシェーパにもホブ盤と同様に高速化，高生産性化が求められている．
このニーズに応えるべく，特に二輪車用などの小型ギヤを高速加工する能力に優れた小型ギ
ヤシェーパ SE15A を開発したので報告する．

|2. 開発のねらい
2.1 SE15A のターゲット
二輪車用などに代表される小径，小歯幅の歯車の加工ラインによる大量生産をターゲットとした．図１に代表的なギヤシェーパ用小型段付きワークを示す(歯車の下に段があり，ホブ盤では加工できず，ギヤシェーパによって加工)．また機械の主要仕様を表１に示す．開発に当たっては，①振動低減による小歯幅での高速ストロークの実現，②加工ラインに応じて選択可能な機械レイアウト，③ギヤシェーパに適したドライカット対応，の３点を重点課題として定め，検討を重ねた．
表 1 ドライカットギヤシェーパ SE15A 主要仕様
加工ワーク最大径
加工ワーク最大歯幅
最大主軸ストローク幅
主軸ストローク数
最大切削速度
間口
奥行
フロアスペース

図１ 代表的なギヤシェーパ
加工部品

高さ
メインモータ出力
機械質量(概略)

(mm)
(mm)
(mm)
(str/min)(m/min)
(m)
(m)
(m2)
(m)
(kW)
(kg)

外歯：φ150，内歯：φ60+カッタ PCD
3240
400～2,000
130(TypeⅠ) 1.78(TypeⅡ) 2.68
2.41
1.71（最狭部 1.28）
4.29

4.582.72
7.55,500

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2.2 振動低減による小歯幅での高速ストロークの実現
小型ギヤは直径だけでなく，歯幅も小さいことが多い．そのためドライカットに必要な 130 m/minといった高い切削速度を得るためには主軸ストロークを高速にする必要がある．
その際，ギヤシェーパは，主軸を上下させて加工するという構造上，高速ストロークさせるとどうしても振動が発生する．そこでギヤボックス内に新型サイレントシャフトを採用し，振動の抑制を図った．

2.3 加工ラインに応じて選択可能な機械レイアウト
E シリーズホブ盤，ギヤシェーパでは標準で２タイプのレイアウトを用意している．SE15A でのレイアウトを図２に示す．それぞれ以下のような特徴がある．
TypeⅠ：機械正面からの加工対象ワークの搬入出に対応．作業者やロボットなどでテーブル上に直接ワークを搬入出する．正面扉開口部を広く，テーブル中心までの距離を短くし，作業性を重視．
TypeⅡ：機械右側面からの加工対象ワークの搬入出に対応．作業者や，ガントリローダで機内に加工対象ワークを搬入出し，それをカウンタコラムに設置されたリングローダグリッパにてテーブル上に取り付け，加工を行う．搬入口となる機械右側を狭間口にし，加工ライン短縮と工具交換時の作業スペースを両立．
どちらのタイプも，加工対象ワーク搬入側の反対側に補器類の配置を集約し，メンテナンス箇所を集中させている．SE15A では，ターゲットのワークが小さく，それに合わせサイクルタイムが短くなるため，タイプⅡにて量産加工ラインに適するよう，搬入出側の幅が特に小さくなるような機器配置を行った（図２）．

2.4 ギヤシェーパに適したドライカット対応
完全ドライカットのためには万全の切粉対策が必要となる．E シリーズホブ盤，ギヤシェーパでは機内に切粉が溜まらないように切粉カバーの設置，機内の急斜面化を行っている．また，落下した切粉は，加工点真下に配置されたチップコンベアで速やかに排出されるように考慮し，切粉の熱が機体に伝わることによる熱変形を最小限に抑える構造になっている．SE15A ではそれに加え，図３のように以下の２点を考慮した．
(1) ギヤシェーパ特有の内歯加工時に，テーブルの中央から切粉が抜けるように，テーブルの真下まで幅広のチップコンベアを配置した．
(2) 狭間口のレイアウトを実現するために，チップコンベアの２方向配置を可能とした．
①

ゴ

図２ ２タイプのレイアウト
正面からの搬入出に対応した TypeⅠと右側面からの搬入出に対応した TypeⅡの２タイプを用意している．

図３ ドライカット対応
タイプによってチップコンベアの向きが異なる．

|3. 高速ストロークを阻む要因とその解決方法
3.1 ギヤシェーパの振動要因
ギヤシェーパは，メインモータの回転運動をクランクモーションによって，主軸の直線運動に変えている．主軸上下動によって慣性力が発生するが，クランクピンの逆側に取り付けたバランスウ
ェイト①によって低減している．しかし，バランスウェイト①は回転動作をしており，上下方向の慣性力を低減させる効果以外に，横(X 軸)方向の慣性力を発生させるという副作用がある．

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そのため振動低減効果には限界がある．また各部には部品の厚みがあり，主軸とバランスウェ
イト①は同一平面に設置することは難しいため，モーメント力が発生する．これら振動の要因となる慣性力は主軸ストローク数の増加とともに大きくなるため，高速ストローク加工動作を行うと，機械本体の振動，付属機器の振動による故障，場合によっては加工精度にも悪影響を与える．
これらの問題を解決するために，新型サイレントシャフト構造を採用した．

3.2 新型サイレントシャフト構造(特許申請中)
図４に本機に採用した新型サイレントシャフト構造を示す．ギヤボックス内にバランス軸２本を追加し，それに取り付けたバランスウェイト②によって，バランスウェイト①によって発生する横(X 軸)方向の慣性力を低減させている．このとき，バランスウェイト②は逆回転する２本の軸それぞれに設置されることで，互いに上下方向の慣性力を相殺するようになっている．この構造により，バランスウェイト①の副作用である横方向の慣性力の増大が問題とならないため，バランスウェイト①は主軸上下動による慣性力のほとんどを相殺するように設定することが可能となる．またバランスウェ
イト③は，主軸，各バランスウェイトの慣性力が奥行(Y 軸)方向に釣り合うように設定している．以
上のような考えを基に図５に示すように主軸系をモデル化し，各バランスウェイトの配置，質量が最適となるように求めている．
新型サイレントシャフトと各バランスウェイトの効果を確認するために振動測定を行った結果を図６に示す．主軸回転数領域全体で，X,Y,Z の各方向ともに振動振幅が低く抑えられていることが分かる．従来機と比較し，約 1/6 の振動振幅となった．これにより小歯幅のワークに対して主軸を高速ストロークさせても，振動を抑制し，安定した加工が可能となった．

図４ 新型サイレントシャフト構造
複数のバランスウェイトを最適な位置に配置することで振動が抑制される．

図５ サイレントシャフトと振動解析
主軸系の模式図

図６ 主軸動作時の振動振幅
従来機と比較して振動振幅の最大値が 1/6 に低減している．

|4. 省スペース化と剛性の両立(1) お客様の加工ラインの形態に合わせ，２タイプのレイアウトを標準で用意(2) ドライカットでの切粉処理，内歯加工での切粉排出性を考え，テーブルの真下までチップコンベアを配置

三菱重工技報 Vol.46 No.3 (2009)15

省スペース化と剛性の両立という２つの課題を同時に解決するためには，ベッド内に縦横２方向にチップコンベアを配置できる空間を確保し，必要な剛性を持たせることが必要となる．従来でも同様の構造を検討したことはあったが，剛性の確保が困難で，チップコンベアを長手側に配置するレイアウトは不可能であった．
この問題を解決するために，ベッドの基本構造設計段階から FEM 解析を使用し，チップコンベアスペースを確保した上でベッド内主要リブの配置を決定した．同時に，加工エリアの切粉処理，テーブル下部のメンテナンス窓の拡大といった，その他のベッドに要求される性能も考慮して，省スペース化と従来機同等以上の剛性を実現することができた(図７)．
上記チップコンベア配置と同じ位置に補器類も集約することで，設置面積の最少スペース化と給油などの定期メンテナンスの容易化を行った．また，本機に補器類を張り付けることで，お客様の工場内レイアウト変更時に一括で搬送可能といった利点もある．

|5. 加工事例
これまで説明してきた技術によって得られた高速ストローク加工，機械剛性を背景に，従来 サ
イクルタイム 40 秒程度であったワーク(図１)を，サイクルタイム 30 秒(リングローダによるワーク搬入出時間含む)で加工した事例を図８に示す．仕上げ加工時の切削速度は 1.3 倍に，サイクルタイムは 0.75 倍と加工効率が向上している．高速ストロークを行っても，加工中振動は低く抑えられ，図９に示すように JIS N7 級の加工精度を得ることができた．

■ 従来機 加工条件
工具諸元

加工条件 2 回切（粗/仕上）

外径 (mm)φ200.88

刃長 (mm)30

材質

主軸ストローク数(str/min)

被削歯車諸元1,100/1,500モジュール(mm）1.75

切削速度 (m/min)

48.4/66

歯数21ハイス
円周送り (mm/str)（MAC B）

2.749/0.55

圧力角
(度)

20

コーティング

PVD

ラジアル送り (mm/str)

0.017/0.007

ねじれ角

スパー

インフィード量 (mm)3.66/0.2

外径 (mm)

φ41.2

切削油剤

ウェット

歯幅 (mm)

加工時間 (s)40.2

材質

10SCM415■ SE15A 加工条件
工具諸元

加工条件 2 回切（粗/仕上）

外径 (mm)φ200.88

刃長 (mm)30

主軸ストローク数(str/min)
切削速度 (m/min)

2,000/2,000→ 従来機に対し 30％増加

88/88

材質

ハイス
円周送り (mm/str)（MAC S）

2.741/1.1

コーティング

スーパー
ドライⅢ

0.015/0.015

ラジアル送り (mm/str)
インフィード量 (mm)3.66/0.2

切削油剤

完全ドライ

加工時間 (s)→ 従来機に対し 25％減少

30

図７ ベッド剛性解析結果

図８ 加工条件とサイクルタイムの比較例

ベッド内構造と FEM 解析結果

仕上げ加工の切削速度は 1.3 倍，サイクルタイムは 0.75 倍となる.

単位(μm)
Left
5645670-24444
7.1
3.8
23.9
18.4
20.5

Right

ピッチ 歯すじ歯形歯形形状誤差
歯形圧力角誤差
歯形総合誤差歯すじ角度誤差
歯すじ形状誤差
歯すじ総合誤差
単一ピッチ誤差
累積ピッチ誤差
歯溝の振れ

f fα
f HαFαf Hβｆ fβ
Fβfp
FpFt

図９ 加工事例
完全ドライ加工時の歯車加工精度

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また連続加工の事例を図１０に示す．ドライカット時の切粉高速排出により，熱変形も低く抑えられ，またぎ歯厚も安定した結果が得られている．同一の加工条件でウェットカットによる連続加工でも同様に安定した結果が得られている．

図１０ 加工事例連続加工時（ドライ，ウェット）のまたぎ歯厚の変化|6. まとめ
高速ストロークによる量産加工が可能なギヤシェーパ SE15A の開発により，自動車，二輪メーカ向け小型サイズの“E シリーズ”歯車加工機のラインナップが揃い，これによりホブ盤，ギヤシェーパ，シェービング盤，歯車研削盤から円筒研削盤まですべて E シリーズコンセプトで統一した提案が可能となった．また当社は歯切機械，工具の両方を行う国内唯一のメーカであり，SE15Aと同時期にスーパードライⅢコーティングピニオンカッタも開発しており，相乗効果でより付加価値の高い歯切加工を提案していきたい．

参考文献(1) 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(2) 勝間俊文ほか，次世代ドライ加工対応 SE25A ギヤシェーパ及びスーパードライⅡコーティング，三菱重工
技報 Vol.42 No.1 (2005) p.46～47

執筆者紹介
丸山 和孝
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

東川 隆英
工作機械事業部
技術部
歯車機械設計課
主席

神林 暁
工作機械事業部
技術部
歯車機械設計課
主席

金 洋行
工作機械事業部
技術部
歯車機械設計課

安元 達昭
工作機械事業部
技術部
歯車機械設計課