「ギヤスカイビング加工の特徴」

Size: px

Start display at page:

Download "「ギヤスカイビング加工の特徴」"

えりかいりぐら
5 years ago
Views:

1 NACHI TECHNICAL REPORT Machining Vol.31A1 October/2016 マシニング事業 Introduction of Gear Skiving キーワードスカイビング加工有効すくい角オフセット角切りくず厚み交差角歯形修正精密工具製造所 / 技術部 Masayuki Tsuno

ギヤスカイビング加工の特徴要旨遊星歯車装置を構成する主要要素である内歯車の加工はブローチ盤やギヤシェーパなどの専用機で行なわれているが近年旋盤や穴明けも行なう複合加工機で加工可能なスカイビング加工が注目されている NACHI はこれまで培ってきた工具の設計技術や歯車製造技術表面処理技術を活かしスカイビングカッタを商品化している今回

2 ギヤスカイビング加工の特徴要旨遊星歯車装置を構成する主要要素である内歯車の加工はブローチ盤やギヤシェーパなどの専用機で行なわれているが近年旋盤や穴明けも行なう複合加工機で加工可能なスカイビング加工が注目されている NACHI はこれまで培ってきた工具の設計技術や歯車製造技術表面処理技術を活かしスカイビングカッタを商品化している今回内歯車だけでなく外歯車の加工も含めスカイビング加工の他の加工法に対するメリットデメリットについて述べる合わせて外歯のスカイビング加工が内歯の加工に比べ著しく工具摩耗が進行する理由やスカイビング加工の大きなメリットの一つである工作物の歯形修正方法について解説する Abstract Exclusive machines such as a broaching machine and a gear shaver have been used for the machining of internal gears which are the main components of a planetary gear drive. However, recently use of the skiving in a multi-functional machine that contains lathing and drilling processes has been drawing attention. NACHI has manufactured and introduced Skiving Cutter into the market by utilizing the developed technologies in cutting tool designing, gear manufacturing and surface treatment. In this article, comparisons in the internal gear as well as external gear processing among skiving and other machining methods are shown and the advantages and disadvantages of skiving are explained. 1. スカイビング加工方法の説明図 1 で工作物軸と工具軸が交差するようにセットし軸交差角を持たせる赤の矢印は工具が回転することによる工具切刃の移動方向を表わす青の矢印は工作物が回転することによる工作物の移動方向を表わす軸交差角を持たせることにより工具切刃の移動方向と工作物の移動方向に差異が生じ緑の矢印のようなすべり ( 相対速度 ) が生じるこのすべり ( 相対速度 ) によって歯溝が削られる工作物の回転に応じて工具を工作物の歯幅方向に送る ( 紫の矢印 ) ことにより工作物が歯切りされるスカイビング加工は 100 年以上前にドイツで考え出された加工法で, 70 年代前半に日本でもトライされたが加工機の剛性や工具寿命の問題で実用に至らなかった近年下記の技術的な進歩向上によってスカイビング加工が再評価されている材料コーティング技術の進歩工具製造技術の進歩高出力ダイレクトドライブモーターによる工作機械剛性向上 NC 技術の進歩 ( 高精度な同期が可能 ) シミュレーション活用による解析技術の向上スカイビングカッタ特長加工能率はピニオンカッタの2 倍以上今まで培ってきた歯車加工技術工具設計技術を活用し切削メカニズムの解析を実施加工工作物の高精度化や工具の長寿命化を実現膜の成分設計と成膜プロセスの最適化に表面改質をプラススカイビング加工に必要な表面処理技術を確立 1

3 NACHI TECHNICAL REPORT Vol.31A1 スカイビング加工の適用工程は歯車の生の歯切り工程と熱処理後の歯面仕上げ工程である 2. スカイビング加工の適用工程図 1 スカイビング加工の状態 2

スカイビング加工のメリット > イニシャル工具費がブローチに比べ安い止まり形状の加工可能

ブローチに比べランニング工具費が高い外歯の場合ホブギヤシェーパに比べ工具寿命が短い (

イニシャル工具費が安い複合加工機でも加工可能外歯のみ加工可能 [ ブローチ加工 ]

[ シェーパ加工 ] 少量多種生産向きイニシャル工具費が安い止まり形状の加工可能

イニシャル工具費が安い止まり形状の加工可能歯形歯すじ修正が可能内歯も外歯も加工可能

4 ギヤスカイビング加工の特徴 3. スカイビング加工のメリットデメリット他の歯車加工法との比較表を表 1 に示す < スカイビング加工のメリット > イニシャル工具費がブローチに比べ安い止まり形状の加工可能内歯はギヤシェーパに比べ 2 倍以上の高能率で加工可能歯形歯すじ修正が可能内歯も外歯も加工可能複合加工機でも加工可能熱処理後の加工が可能 ( 工作物歯面にホブ切りのようなウロコ目が出ない ) <スカイビング加工のデメリット> ブローチに比べランニング工具費が高い外歯の場合ホブギヤシェーパに比べ工具寿命が短い ( 後で理由を説明する ) [ ホブ加工 ] 大量生産向き加工時間が短いランニング工具費が安いイニシャル工具費が安い複合加工機でも加工可能外歯のみ加工可能 [ ブローチ加工 ] 大量生産向き加工時間が短いランニング工具費が安いイニシャル工具費が高い内歯のみ加工可能 [ シェーパ加工 ] 少量多種生産向きイニシャル工具費が安い止まり形状の加工可能内歯も外歯も加工可能加工時間が長い [ スカイビング加工 ] 少量多種生産に適するイニシャル工具費が安い止まり形状の加工可能歯形歯すじ修正が可能内歯も外歯も加工可能複合加工機でも加工可能ランニング工具費が高い表 1 歯車加工法の特徴比較項目ホブ加工ブローチ加工シェーパ加工スカイビング加工生産性加工性加工精度段取り性熱処理後加工設備初期投資工具費イニシャルランニング止まり形状工作物歯形歯すじ修正内歯外歯 3

4. スカイビング加工の加工事例 1) 内歯用スカイビングカッタの加工精度 1 図 2 にスカイビング加工された内歯の歯形歯すじ測定結果の事例を示す新 JIS 6 級を満足している図 2 スカイビング加工された内歯の歯形歯すじ事例工作物諸元 : 内歯 m1.5 x PA20 x HA20 RH x 70T 歯幅 25 小径 φ110 歯丈 3.375 材質 SCM420 工具諸元 :m1.

5 4. スカイビング加工の加工事例 1) 内歯用スカイビングカッタの加工精度 1 図 2 にスカイビング加工された内歯の歯形歯すじ測定結果の事例を示す新 JIS 6 級を満足している図 2 スカイビング加工された内歯の歯形歯すじ事例工作物諸元 : 内歯 m1.5 x PA20 x HA20 RH x 70T 歯幅 25 小径 φ110 歯丈材質 SCM420 工具諸元 :m1.5 x PA20 x SPUR x 30T 刃幅 12 外径材質 FAX55 + Hyper DuAl GP( すくい面コーティング有り ) 加工条件 :2 回切りウェット加工加工数 200 個粗 : 工具回転数 1,600rpm(148m/min) 送り 0.05mm/rev 切込量仕上 : 工具回転数 1,600rpm(148m/min) 送り 0.10mm/rev 切込量 0.3 2) 内歯用スカイビングカッタの加工精度 2 図 3にスカイビング加工によって内歯の歯すじニングを付けることはできない歯すじにクラウにクラウニングを付けた事例を示すギヤシェーパニングを付けることで歯当たりを修正することが加工やブローチ加工では内歯の歯すじにクラウ可能となる図 3 m1.5 工作物歯すじクラウニング加工 NACHI TECHNICAL REPORT Vol.31A1 4

ギヤスカイビング加工の特徴 3) 内歯用スカイビング工具の摩耗事例図 4に内歯用スカイビングカッタの摩耗事例示す示すすくい面コーティング無しでは加工数 20 個でスカイビングカッタの摩耗は主に外周刃先エッジが外周刃先エッジの後退量が約 0.

14 回転方向内歯の推奨加工条件交差角 : 約 20 切削速度 :1 0 0 ~ 1 2 0( m / m i n ) 送り量 :0.1~0.

8 材質 SCM415 工具諸元 :m1.2 xpa18 xha 5 LHx50T 刃幅 12 外径 63.45 材質 FAX55 +Hyper DuAl GP( すくい面コーティング有り ) 加工条件 :2 回切りウェット加工加工数 200 個粗 : 工具回転数 1,410rpm(100m/min) 送り 0.10mm/rev 切込量 2.

35 材質 FAX38 +Hyper DuAl GP( すくい面コーティング有り ) 材質 FAX38 +DuAl EX( すくい面コーティング無し ) 加工条件 :2 回切りウェット加工粗 : 工具回転数 1,450rpm(89m/min) 送り 0.08mm/rev 切込量 3.0 仕上 : 工具回転数 1,450rpm(89m/min) 送り 0.

5 4) 外歯用スカイビングカッタの摩耗事例図 6 に外歯用スカイビングカッタの摩耗事例を示すため切りくず厚みも内歯の2 倍程度になっている外歯の加工条件を内歯と同程度の数値で設定す外歯加工の方が切刃の負担が著しく大きいとると加工数わずか3 個で異常摩耗してしまったいえる外歯を加工する場合は交差角を大きくし短寿命の原因として工具の有効すくい角 ( 図

6 ギヤスカイビング加工の特徴 3) 内歯用スカイビング工具の摩耗事例図 4に内歯用スカイビングカッタの摩耗事例示す示すすくい面コーティング無しでは加工数 20 個でスカイビングカッタの摩耗は主に外周刃先エッジが外周刃先エッジの後退量が約 0.5mmと大きくなって後退する摩耗形態である仕事量の少ないフランクいるがすくい面コーティング有りではほとんど摩耗部の摩耗は小さいが進行していないスカイビング加工は工具すくい図 5に内歯用スカイビングカッタのすくい面面コーティング有りが前提の加工法といえるコーティング有り無しで摩耗比較を行なった結果を約 0.5mm 0.14 回転方向内歯の推奨加工条件交差角 : 約 20 切削速度 :1 0 0 ~ 1 2 0( m / m i n ) 送り量 :0.1~0.3(mm/w rev) パス回数 :2 パス以上回転方向回転方向すくい面コーティング有り ( 加工数 2 0 個 ) すくい面コーティング無し ( 加工数 2 0 個 ) 図 4 スカイビングカッタ摩耗写真図 5 すくい面コーティング有り無しでの摩耗比較工作物諸元 : 内歯 m1.2 xpa18 xha17 RHx78T 歯幅 30 小径 φ95.5 歯丈 2.8 材質 SCM415 工具諸元 :m1.2 xpa18 xha 5 LHx50T 刃幅 12 外径材質 FAX55 +Hyper DuAl GP( すくい面コーティング有り ) 加工条件 :2 回切りウェット加工加工数 200 個粗 : 工具回転数 1,410rpm(100m/min) 送り 0.10mm/rev 切込量 2.5 仕上 : 工具回転数 1,410rpm(100m/min) 送り 0.10mm/rev 切込量 0.3 工作物諸元 : 内歯 m1.5xpa20 xha25 LHx68T 歯幅 25 小径 φ110 歯丈 3.5 材質 SCM420 工具諸元 :m1.5xpa20 xha 0 x30t 刃幅 12 外径材質 FAX38 +Hyper DuAl GP( すくい面コーティング有り ) 材質 FAX38 +DuAl EX( すくい面コーティング無し ) 加工条件 :2 回切りウェット加工粗 : 工具回転数 1,450rpm(89m/min) 送り 0.08mm/rev 切込量 3.0 仕上 : 工具回転数 1,450rpm(89m/min) 送り 0.10mm/rev 切込量 0.5 4) 外歯用スカイビングカッタの摩耗事例図 6 に外歯用スカイビングカッタの摩耗事例を示すため切りくず厚みも内歯の2 倍程度になっている外歯の加工条件を内歯と同程度の数値で設定す外歯加工の方が切刃の負担が著しく大きいとると加工数わずか3 個で異常摩耗してしまったいえる外歯を加工する場合は交差角を大きくし短寿命の原因として工具の有効すくい角 ( 図 7 ) とたりパス回数を増やすことによって有効すくい角切りくず厚みの違いが考えられるのネガ角度の絶対値を小さくし切りくず厚みを小さく外歯と内歯の工具の有効すくい角と切りくず厚みする必要がある交差角を大きくすると相対速度がを表 2 ~ 表 5 図 8に示す外歯の加工では有効大きくなるパス回数を増やすと切刃の接触回数がすくい角のネガ角度の絶対値が大きくなっている増えるいずれにしても外歯の加工では工具寿命また外歯加工の方が工具の作用刃数が少なくなるの低下や加工時間が長くなることは避けられない約 2mm 図 6 外歯用スカイビングカッタの摩耗状態工作物諸元 : 内歯 m1.5xpa20 xha15 RHx 90T 歯幅 25 外径 φ 歯丈材質 SCM420 工具諸元 :m1.5xpa20 xha 5 RHx56T 刃幅 18 外径材質 FAX55 +Hyper DuAl GP( すくい面コーティング有り ) 加工条件 :2 回切りウェット ( 水溶性 ) 加工加工数 3 個粗 : 工具回転数 1,100rpm(103m/min) 送り 0.20mm/rev 切込量仕上 : 工具回転数 1,100rpm(103m/min) 送り 0.10mm/rev 切込量 0.3 図 7 スカイビングカッタの有効すくい角 5

7 表 2 外歯用工具の切りくず厚み切りくず形状工作物歯底工具回転角外歯工作物の場合の切りくず厚み MAX 0.281mm 総切込量 3.075( 切込量 3.075) 送り 0.200mm/rev 90T m1.500 工具歯数 56T 交差角 20 すくい角 10 切りくず形状表 3 内歯用工具の切りくず厚み工作物歯底工具回転角図 8 工作物歯溝内歯工作物の場合の切りくず厚み MAX 0.137mm 総切込量 3.075( 切込量 3.075) 送り 0.200mm/rev 80T m1.500 工具歯数 56T 交差角 20 すくい角 10 有効すくい角表 4 外歯用工具の有効すくい角工作物歯底工具回転角外歯工作物の場合の有効すくい角 MIN 36.8 総切込量 3.075( 切込量 3.075) 送り 0.200mm/rev 90T m1.500 工具歯数 56T 交差角 20 すくい角 10 表 5 内歯用工具の有効すくい角有効すくい角工作物歯底工具回転角内歯工作物の場合の有効すくい角 MIN 17.0 総切込量 3.075( 切込量 3.075) 送り 0.200mm/rev 80T m1.500 工具歯数 56T 交差角 20 すくい角 10 NACHI TECHNICAL REPORT Vol.31A1 6

ギヤスカイビング加工の特徴 5) ハード加工用スカイビングカッタの加工事例図 9 図 10 で超硬スカイビングカッタによる熱処理示す工作物歯形歯すじ精度は新 JIS 5 級以上

歯車歯形精度向上による減速機の低騒音対策 NACHI が独自に開発した多元素配合のハード加工用 DuAl Hardコーティングを採用超硬材の最適選定によりすくい面コーティング無しでも安定した加工を実現歯形誤差 ( R

09 mm 工作物諸元 : 内歯 m1.05xpa20 xha17 RHx 96T 歯幅 30 外径 φ103.3 歯丈 2.47 材質 SCM420H 工具諸元 :m1.

8 ギヤスカイビング加工の特徴 5) ハード加工用スカイビングカッタの加工事例図 9 図 10 で超硬スカイビングカッタによる熱処理示す工作物歯形歯すじ精度は新 JIS 5 級以上後の内歯の歯形歯すじと工具の摩耗写真の事例をを確保できているハード加工用スカイビングカッタ特長今まで培ってきた歯車加工技術工具設計技術を活用し切削メカニズムの解析を行ない焼き後工作物の高精度化を実現歯車歯形精度向上による減速機の低騒音対策 NACHI が独自に開発した多元素配合のハード加工用 DuAl Hardコーティングを採用超硬材の最適選定によりすくい面コーティング無しでも安定した加工を実現歯形誤差 ( R )3μm 歯形誤差 ( L )2μm 歯すじ誤差 ( R )3μm 歯すじ誤差 ( L )2μm 図 9 超硬スカイビングカッタの焼き後内歯の歯形歯すじ ( すくい面コーティング無し ) 摩耗量 0.07mm 摩耗量 0.09 mm 工作物諸元 : 内歯 m1.05xpa20 xha17 RHx 96T 歯幅 30 外径 φ103.3 歯丈 2.47 材質 SCM420H 工具諸元 :m1.05xpa20 xspur x71t 刃幅 12 外径 77.2 材質 NF20S+DuAl Hard( すくい面コーティング無し ) 加工条件 :1 回切りウェット加工加工数 100 個仕上 : 工具回転数 1,589rpm(110m/min) 送り0.10mm/rev 取代 En 0.12mm 図 10 超硬スカイビングカッタの摩耗写真 7

9 5. 交差角やオフセット角の補正による工作物歯形修正図 11 にスカイビングカッタと工作物の位置関係を示す交差角を変えたりオフセット角を与えることにより工作物の歯形修正が可能となる図 11 工作物とスカイビングカッタの位置関係 ( 内歯工作物の場合 ) 1) 交差角の変更による内歯工作物歯形の変化 ( 切削シミュレーション ) 図 12 ~ 図 14に意識的に交差角を変えた場合の工作物歯形 ( シミュレーションによる計算値 ) を示す交差角を変えることで左右の工作物歯形が変化する内歯 m1.3xpa20 x75txha20 LH 工具 58T 交差角 20 工作物歯形送り 0.1mm/rev 工作物歯形送り 0.1mm/rev 工作物歯形送り 0.1mm/rev 図 12 シミュレーション歯形図 13 シミュレーション歯形図 14 シミュレーション歯形 NACHI TECHNICAL REPORT Vol.31A1 8

ギヤスカイビング加工の特徴 2) 交差角の変更による内歯工作物歯形の変化 ( 実加工による検証 ) 図 15 ~ 図 18 に意識的に交差角を変えた場合

5xpa20 xha15 LHx80T 工具 56T 送り0.1mm/rev 交差角 19.6943 交差角 20 (+0.

0 図 17 実測歯形図 18 実測歯形 3) オフセット角の設定による内歯工作物歯形の変化 ( 切削シミュレーション ) 図 19 ~ 図 24

3xpa20 x75txha20 LH 工具 58T 交差角 20 内歯工作物歯形送り 0.1mm/rev オフセット角 0 内歯工作物歯形送り 0.

10 ギヤスカイビング加工の特徴 2) 交差角の変更による内歯工作物歯形の変化 ( 実加工による検証 ) 図 15 ~ 図 18 に意識的に交差角を変えた場合のシミュレーション工作物歯形と実際に加工した工作物の歯形を示すシミュレーション工作物歯形と実加工工作物歯形の倒れの傾向は合っている内歯 m1.5xpa20 xha15 LHx80T 工具 56T 送り0.1mm/rev 交差角交差角 20 ( ) 図 15 シミュレーション工作物歯形図 16 シミュレーション工作物歯形歯元歯元歯元歯元図 17 実測歯形図 18 実測歯形 3) オフセット角の設定による内歯工作物歯形の変化 ( 切削シミュレーション ) 図 19 ~ 図 24 でオフセット角を与えたときの工作物の歯形を示すオフセット角を与えることによっても工作物の歯形が変化する内歯 m1.3xpa20 x75txha20 LH 工具 58T 交差角 20 内歯工作物歯形送り 0.1mm/rev オフセット角 0 内歯工作物歯形送り 0.1mm/rev オフセット角 ( 誤差 )1 0 内歯工作物歯形送り 0.1mm/rev オフセット角 ( 誤差 ) 1 0 図 19 シミュレーション歯形図 20 シミュレーション歯形図 21 シミュレーション歯形図 22 工具と工作物の位置関係図 23 工具と工作物の位置関係図 24 工具と工作物の位置関係 9

11 4) 交差角変更オフセット角設定による外歯工作物歯形の変化 ( 切削シミュレーション ) 外歯も内歯と同様に交差角変更とオフセット角設定によって工作物歯形を補正することができる図 25 図 27 の設定値で設計したスカイビングカッタを用い図 2 8 の設定値で加工すると図 2 6 に示す通り片フランクの歯形のみを補正できる外歯 m1.5xpa20 xha15 RHx90T 工具 56T 交差角送り 0.1mm/rev 外歯 m1.5xpa20 xha15 RHx90T 工具 56T 交差角 ( 0.9 ) 送り 0.1mm/rev 図 25 シミュレーション歯形図 26 シミュレーション歯形図 27 工具と工作物の位置関係図 28 工具と工作物の位置関係 NACHI TECHNICAL REPORT Vol.31A1 10

12 6. スカイビング加工のまとめと課題再度スカイビング加工のメリットとデメリットをまとめると以下の通りであるメリット加工能率はシェーパ加工の2 倍以上イニシャル工具費がブローチ加工に比べ安い交差角オフセット角を変更し工作物の歯形歯すじ修正が可能熱処理後の仕上げ加工が可能複合加工機でも加工可能複合加工機によるスカイビング加工では工具摩耗の進行が早い外歯を加工したいとの要望も多い外歯加工での工具短寿命の推定理由は先に述べた通りである NACHIが長年培ってきた歯車加工解析技術を活かし工具仕様 ( 交差角すくい角逃げ角オフセット角など ) を設定し内歯加工外歯加工それぞれに最適な加工条件を提案していきたいと考えているデメリットブローチ加工に比べ加工能率加工精度ランニング工具費が劣る外歯を生加工する場合に工具寿命が短くなる ( 内歯はシェーパ加工と工具寿命同等 ) 参考文献 Ichiro Moriwaki, Morimasa Nakamura, Tomohiro Hasegawa, Masami Funamoto, Kouichiro Uriu, Takanori Murakami, Tomokazu Tachikawa, Eiri Nagata, Nobuaki Kurita, Yoshinori Kobayashi Tooth Geometry Design of Cylindrical Skiving Cutter for Internal Gears,VDI-Berichte ,pp NACHI TECHNICAL REPORT 発行 2016 年 10 月 12 日 Vol.31A1 October / 2016 株式会社不二越技術開発本部富山市不二越本町 Tel Fax

円筒歯車の最適歯面修整の設計例適正な歯面修整で負荷容量の増大を目指すー目次 1. はじめに 2 2. ` 解析例 ( はすば歯車の例 ) 歯車諸元 (C 面取り ) 歯車諸元 (R 面取り ) 最適歯面修整歯先修整 + 歯先

円筒歯車の最適歯面修整の設計例適正な歯面修整で負荷容量の増大を目指すー目次 1. はじめに 2 2. ` 解析例 ( はすば歯車の例 ) 歯車諸元 (C 面取り ) 歯車諸元 (R 面取り ) 最適歯面修整歯先修整 + 歯先円筒歯車の最適歯面修整の設計例適正な歯面修整で負荷容量の増大を目指すー 2019.02.25 目次 1. はじめに 2 2. ` 解析例 ( はすば歯車の例 ) 2 2.1 歯車諸元 (C 面取り ) 2 2.2 歯車諸元 (R 面取り ) 7 2.3 最適歯面修整 9 2.4 歯先修整 + 歯先 C 12 2.5 歯先修整 + 歯先 R 14 2.6 解析結果の比較 16 3. 修整歯形 + 歯先