大分工業高等専門学校紀要

第 42 号(平成 17 年 11 月)

高硬度歯車材の直切りドライホブ加工：RGC加工

福 永 圭 悟1・井 上 俊 二

2・

米 倉 正 隆

3・

櫻 木功

4

1機械工学科，2三菱電機(株)，3元久留米工業高等専門学校，4久留米工業高等専門学校

生産性向上や加工費削減，あるいは歯車加工時の切り上げ長さを短くするために，歯車材を高周波熱処理によって高硬度にした後に直切りドライホブ加工する技術を開発した．まず，歯車用0.45%炭素鋼丸棒が高周波熱処理によって指定深さまでHRC53-56に硬化された．その後，超硬ホブによって切削油なしでホブ切り加工された．これをRGC(Round bar Gear Cutting)加工と呼ぶ。RGC加工がモジュール0.8から1.25，ねじれ角25°のはすば歯車に適用された．超硬ホブの長さを軸方向にほぼ2分割し，粗加工と仕上げ加工に用いた．RGC加工は高剛性ホブ盤で行った．367個加工後の歯車精度は，JIS B1702-1960ではJIS1-2級であった．歯面粗さは，最大高さ粗さRz≒１μであった．

Key Words : Dry Hobbing, Gear motor, High hardened Gear, High hardened Material, Direct Hobbing

１．緒

論にホブ加工する方法である．その結果，熱処理変形を考慮することなく，高精度歯車を経済的に得ることができギヤードモータへのユーザ要望は高負荷容量，小形，る．さらに，「方法B」は切削油を必要としないドライホ低騒音などである．高精度歯車加工がこれらの要求を満ブ加工なので，省資源ともなり，環境に配慮した加工技たす一つのポイントと考えられる．一般的に，高精度歯術とも言える．

車加工は研削加工によって行われてきたが，工作機械イ

本論文では「方法B」をRGC加工と呼ぶ．

ニシャルコストや高価な工具費用のために，製造コストが高かった 1)．最近注目されている切削油を使用しない超硬ホブによるドライ加工2)は環境に優しく，省エネルギー，高生産性のなどの特徴がある．1970年代に，筆者らは世界ではじめて高硬度歯車加工に超硬ホブを適用することに成功した3),4)．その後，高生産性と高精度加工を同時に満足させるために，高硬度丸棒から直接ドライホブ切りする加工方法にチャレンジしてきた 5) ．本論文では，切削油を使用せず，高硬度に熱処理された丸棒を直切りドライホブ加工ができる技術が確立されたので，その内容を 報 告 す る ． こ の 加 工 技 術 は RGC(Round bar GearCutting)加工と呼称され，ギヤードモータ減速機部はすば歯車の生産に適用された．

２．高硬度歯車製造方法
図1は高硬度小ピッチ歯車製造方法概要を示す．伝統的．
Method A
Traditional Method

Method B
RGC Method

Round bar blank turning (Roughing)↓Hobbing with Cutting oil−↓Heat Treatment↓
Turning (Finish)↓Hobbing
Grinding, Skiving, etc(without cutting oil)↓High hardened and accuracy gears

方法としての「方法A」はホブ切り後に熱処理を施すために，熱処理変形が避けられない．そこで，熱処理変形を取り除く歯研加工が必要であった．「方法B」は熱処理後−1−

Fig.1 High hardened gear manufacturing methods.
NOTE:RGC means Round bar Gear Cutting.

３．ギヤードモータ製造上の問題点
図2は代表的な2段減速ギヤードモータ構造図である．
ほとんどの騒音と振動はモータ軸端に加工される歯車(1st Pinion) と従動歯車 (1st Gear) に依存することがわかっている．1st Gearは円筒歯車のために，直径350ｍｍのようなねじ状研削ホイールを用いる創成歯車研削によっても容易に高精度加工ができる．他方，1st Pinionは小Fig.3 Profile accuracy after CBN grinding
mn=1.75, Z=11, β=25°L, B=17mm,ピッチ，小さな直径，軸付きなどのために，創成歯車研削は困難である．さらに，ギヤードモータでは構造上1stPinion近傍には，図2に示すようにオイルシールをとりつける必要がある．そのために，歯切り加工によって切り8µｍであることがわかる．ここで，歯面粗さが小さいほ上げ長さ“S”が長くなれば，モータ軸も長くなり，軸強度ど歯面強さが大きくなることが報告されている6)．したがが 低 下 す る ． 唯 一 の 1st Pinion 高 精 度 加 工 方 法 はって，歯車設計上は歯面粗さは小さいほうが良い．

CBN(Cubic Boron Nitride)成形研削である．この方法によれば，直径30mm程度の小さな砥石によって歯を一枚ずつ歯研加工することができる．

Fig. 4(a) Surface roughness by generating grinding

Fig.2 Typical Gear Motor Construction
Drawing of Output 0.75kW andReduction Ratio 1/40.

Fig. 4(b) Surface roughness by CBN grinding

４．実験方法図 3 は，CBN 研削加工によって量産加工されたねじれ角 25°のモータ軸先端 1st Pinion 歯形精度である．左側（１）歯車材料の歯形は中高になっており，右側歯形は小さな圧力角を供試歯車材料は，市販 JIS G4051 機械構造用炭素鋼鋼持つ精度の悪い歯車であることを示している．筆者らが材 S45C (AISI 1045 相当 )である．表 1 に S45C 化学成分

よく経験することは，CBN 成形研削加工されたギヤードを示す．S45C はギヤードモータ減速機部歯車によく使用

モータは，出荷検査時に騒音と振動にばらつき大きいこされる材料の一つである．図 1「方法 B」に示すように，とである．

S45C 丸棒素材を旋削加工（粗加工）後，高周波焼入れ焼

図4(a)と(b)は，それぞれ創成研削とCBN研削による歯面粗さを示す．図4(a)から創成研削では，最大高さ粗さはき戻し熱処理がされ，指定深さまでが硬度 HRC53 から56 となる．その後，仕上旋削し，RGC 加工 を行う．

Rz≒2µｍである．図4(b)からCBN加工では，Rz=4からTable 1 S45C Nominal Chemical Composition Wt %CSiMnPS

Cu

Ni

Cr

0.42

0.15

0.60

max

max

max

max

max

to 0.35

to 0.90

to 0.480.03−2−0.035

0.03

0.02

0.02図 5 は高周波熱処理後，すなわち RGC 加工前焼き入れ

800

HRC64

組織例を示す．有効硬化深さは約 2mm であり，モジュー
HV Hardness

ル mn=0.8 の歯車歯底曲げ強さに要求される焼入れ深さを満たしていることを示している．また，図 5 から，外周部のみがマルテンサイト組織に硬化されていること,中心部は硬化していないこともわかる．したがって，RGC 加工された歯車は，用途が特定できないギヤードモータに必要な衝撃強さにも十分耐えうることがわかる．

700

HRC60600

HRC55500

HRC494000123456

Depth from Surface mm
Fig.6 Hardness Distribution

Fig.5 Gear material cross section before RGCmethod（２）硬度分布高周波熱処理後の代表的な硬度分布例を図 6 に示す．
図 2 に示す 1st Pinion を対象としたモジュール mn =1.0

Fig.7 Carbide hob for RGC methodである．図 6 から，表面からの有効硬化深さは，設計指
定硬度 HRC53-56 を満たす 3mm 以上であることがわかる．

（４）切削条件と歯車（３）ホブと歯車仕様削条件例である．超硬ホブは軸方向にほぼ 2 分割され，表 3 は，表 2 に示された歯車に適用される RGC 加工切
表 2 は，本研究のために開発された代表的な超硬ホブ

一方は粗加工，他方は仕上げ加工に適用される．切削油と歯車仕様である．歯車仕様は一般的なギヤードモータなしで高硬度材を精度良くホブ加工するために，歯車材でよく使われる諸元とほぼ同じである．

は特殊な加工治具で固定された後，高剛性ＣＮＣホブ盤

図 7 は表 2 に示す諸元を持つ超硬ホブ写真である．超によって加工された．

硬ホブの小さな外径 32mm によって，図 2 に示す軸方向切り上げ長さ”S”を短くすることができる．

図 8 上図はモータ軸先端に RGC 加工された代表的な
1st Pinion であり，下図は RGC 加工前である．

Table 2 Specification of the Hob and Gear
Solid HobMaterial
Normal module
Pressure angle
Thread Number
Outside diameter
Flute Number
Width
Lead Angle
Rake angle
Surface treatment

Carbidemn=0.8α=20°
1R32mm
1544mm1°32’0°Non

Material
Normal module
Pressure angle
Helix angle
Outside diameter
Teeth Number
Face width
Whole depth
Heat Treatment
Hardness−3−Gear
S45C (equiv. AISI 1045)
mn=0.8α=20°
β=25°10.907mm
Z=10b=11 mm
2.25×mnHigh Frequency Induction Hardening
HRC 53-56

Table 3 Cutting Condition
Roughing

FinishCutting Speedm/min6080

Axial Feedmm/rev

1.00.7Cutting Depthmm−0.1

Cutting Method
Hob Shift

Conventionalmm

Coolant

0.03
Non (Dry cut)

図 9 は，歯車部拡大写真の例である．歯面は滑らかでFinishあることがわかる．

Fig.10 Hob wears after 367 pieces cutting

Upper is after RGC, lower is before.

Fig. 8 Before and after RGC method ofmotor shaft for gear motorRoughing

Fig.11 Hob wears after 367 pieces cutting
BottomTip．

Fig. 9 Tooth surface after RGC Method
Fig.12 (a)Profile accuracy after the first hobbing

図 10 と 11 はそれぞれ，RGC 加工による 367 個後の仕上げ加工部と粗加工部のホブ切り刃エッジ部である．図10 から，仕上げホブ切り刃エッジ部にはほとんど磨耗はないが，図 11 にからわかるように粗加工部には幾つかの損傷が認められる．

５．実験結果(1)歯車精度
図12と13は，RGC加工された歯車加工精度例を示している．図12(a)と(b)はそれぞれ，第1個目の加工後歯形と歯筋精度を示す．図13(a)と(b)はそれぞれ，367個加工後である．歯車諸元は表2参照．

−4−Fig.12 (b) Lead accuracy after the first hobbing図 12(a) から歯形誤差は約 2µｍ以下であることがわかる．図 3 に示した CBN 研削歯形表面はなめらかではなかったが，RGC 加工による図 12(a) はなめらかな歯形表面を示している．
図 13(a) は 367 個加工後歯形誤差は約 5 から 6µｍであることを示している．図 13(b) は予想されたようになめらかな歯筋曲線を示していることがわかる．

Fig.14

したがって，RGC 加工による歯形精度は JIS B1702-

Surface roughness by the Direct Dry
Hobbing method

1960 によれば，おおよそ 1-2 級 (AGMA 11-12 級相当)であることが結論付けられる．

６．RGC加工適用例
BottomTip

RGC 加工方法研究結果が M 社製ギヤードモータモー
タ先端の 1st Pinion および 1st Gear に適用された．モジ
ュ ー ル は 0.8 か ら 1.25 ， モ ー タ 容 量 は 100W か ら0.75kW，全減速比は 1/10 から 1/367 までである．
工場内出荷試験では，開発されたギヤードモータは，当初目的通りに安定した低騒音および低振動を示した．
したがって，CBN 研削加工のような伝統的な高硬度歯車加工方法による従来のギヤードモータよりも優れた品質を得ることができた．

Fig.13 (a) Tooth accuracy after 367pieces hobbing

図 15 は，RGC 加工によって開発されたモータ容量0.4kW，はすば歯車 2 段減速，減速比 1/30 のギヤードモータ概観写真である．

Fig.13 (b) Lead accuracy after 367pieces hobbing（２）表面粗さ
図 9，および図 12 と 13 から，歯面粗さもまた著しくなめらかであることが予想される．歯面粗さは RGC 加工後，歯形方向に測定した．図 14 は代表的な歯面粗さである．図 14 から，歯面最大高さ粗さはおおよそ Rｚ＝1µｍ

Fig.15 Developed Gear motorであることがわかる．このように，小さな歯面粗さを得ることができたのは，歯車材料，熱処理方法，歯面硬度，超硬ホブ仕様および切削条件などの組み合わせがよかったためと思われる．

７．結論

したがって，RGC 加工は優れた高精度歯車加工技術であると考えることができる．さらに，RGC 加工による歯高精度で低コスト歯車を製造するために，高硬度に熱面粗さは，図 4(b)に示す CBN 成形研削よりも小さいこと処理された歯車材料を，高精度に切削油なしでホブ加工がわかる．
それゆえ，「ギヤードモータ製造上の問題点」で述べたように，我々は競争力のあるギヤードモータ開発が期待できる．これは，RGC 加工による歯車が小さな歯面粗さを持つためである．

できる技術開発に成功した．この加工技術は RGC 加工と呼称された．RGC 加工適用範囲は，モジュール mn=0.8から 1.25，歯車ねじれ角 25°のはすば歯車である．特殊
超硬ホブおよび高剛性 CNC ホブ盤も同時に開発された．
本研究で得られた主な成果は次の通りである．
(1)高周波熱処理によって HRC53-56 に硬化された歯車材−5−

を切削油なしでホブ加工できる RGC 加工技術が開発され

2) F.Klocke, Chr.Esher, M.Vullers,:Dry Hobbing −た．

Efficient and Ecological, VDI BERICHTE 1230, Int.

(2) RGC 加工による 367 個加工後の歯形誤差は約 5 から

Conf. ON GEARS (1996) ，pp.509-523.

6µm であった．

3) 相 浦 ， 米 倉 ,:A Research on Hobbing With the(3) RGC 加工された歯車の歯面粗さは，創成研削や CBN

Carbide Skiving Hob, Proceeding of 1st World Congress

成形研削よりも小さく，Rz≒1µｍであった．

on Gearing, France, Vol.1, 1977，pp.1099-1113.

(4) RGC 加工によって製造された歯車を組み込んだギヤ

4) 米倉，相浦，杉本,:Hobbing of Hardened Gears Usingードモータが市場に投入され，安定した低騒音と低振動

the finishing Hobs, MPT'91, Int. Conf. on Motion andPower Transmissions (1991)，pp. 175-180.

での評価を得ている．
結局，RGC 加工と呼称される高精度高硬度歯車製造技

5) 櫻木，広尾，米倉,:Study on Practical Application ofCarbide Hobbing -Full Depth Cutting of Hardened

術は，優れた歯車加工方法であると言える．

Gear Teeth:, MPT2001-FUKUOKA, Int. Conf. on
謝辞：最後に，本研究にご協力頂いた(株)カシフジおよMotion and Power Transmissions (2001), pp.321-326.

び(株)鈴木工機殿に厚く感謝します．なお、「RGC 加

6) 有 浦 ， ほ か 3 名 ,:Load-Carrying of Austempered工」は三菱電機（株）の商標登録済みであり、この加工

Ductile Iron Gears, MPT'91, Int. Conf. on Motion and技術は特許出願中です。

Power Transmissions (1991),pp.843-848.
(2005.9.30 受付)

参考文献1)

R.Newman,;HardFinishing

By

Conventional

Generating and Form Grinding, GEAR TECHNOLOGY,
MARCH/APRIL, (1991)，pp.36-41.

Direct Dry Hobbing of High Hrdness Material-RGC(Round bar Gear Cutting) MethodKeigo FUKUNAGA1・Syunji INOUE2・Masataka YONEKURA3・Isao SAKURAGI4
1Department of Mechanical Enginering, 2Mitsubishi Electric Corp.,
3Former Kurume National College of Technolory, 4Kurume National College of Technology

Abstract

To content high productivity and low manufacturing cost, it is believed that direct dry hobbing
after gear material heat treatment is the best manufacturing method. First, 0.45% carbon steel ofround bar gear material was hardened to HRC53-56 by high frequency induction heat treatment till
the specified depth. Next, the high-hardened material was directly hobbed by special carbide hob
installed on a highly rigid CNC hobbing machine without using cutting oils Thus, the authors havedeveloped Direct Dry Hobbing of High hardness Material, called the RGC (round bar Gear Cutting)method. The gears applying the RGC Method were module 0.8 to 1.25 and of helix angle 25°. The gearprofile accuracy was JIS Grade 1-2. Gear motors incorporating gears manufactured by the RGC
method are now receiving remarkable customer’s satisfaction as low noise and low vibration gear
motors.

−6−