歯車を機械加工する方法、システム及び装置

本発明は、数値制御フライス盤(numerical-control milling machine)、詳細には少なくとも5つの制御軸を有するフライス盤により、歯車を機械加工する方法、装置およびシステムに関する。

歯車の製造に関連する技術部門では、歯車の歯を切削する「旧来の」方法は、歯切り盤(gear-cutting machine)と呼ばれる専用機械上に取り付けられている特別な工具を使用することと考えられる。通常、歯切り盤は、歯車の歯を切削する第1のいわゆる前加工(prefinishing)作業工程と、第2のいわゆる仕上げ(finishing)作業工程を実施する。第1の作業工程と第2の作業工程との間に、通常、歯車の熱処理のための手順が実施される。

歯切り盤を使用する場合、前加工は、(回転同期されている)ホブ上で歯車を回転させることにより未完成品から歯を切削する、通常は荒加工用ホブ(roughing hob)と呼ばれる成形工具を使用して実施され、一方、仕上げ作業工程は、所望の表面仕上げを有する歯車の最終外形を形成するために最終外形上で仕上げ作業工程を実施する、通常は仕上げ用ホブ(finishing hob)と呼ばれる別の成形工具を使用して実施される。荒加工用工具と仕上げ用工具の間の径方向の食込み(penetration)の差は、通常、約十分の数ミリメートルに限定され、仕上げ作業工程がいかなる材料も除去しないことが好ましい歯の底部から離れている。これにより、完成歯車のより大きな強度が確実になり、ホブ歯の先端部と歯溝の底部との間の摩擦接触が防止され、それによりホブ歯の末端縁部上の応力および磨耗が大いに低減される。これにより、最終的に歯車の完成表面の精度と質が向上する。

例えば特許文献1が、歯間に得られる空間の底部まで到達する荒加工用カッタ(roughing cutter)、および既に機械加工されている底部に接触しないようにより小さい直径を有する仕上げ用カッタ(finishing cutter)と共に、2つの隣接した歯間に得られる空間のまさにその外形を備えて成形されているフライスカッタ(milling cutter)の使用を記載している。

特許文献2が、歯間に得られる空間に基づいて特別に成形されている単一フライスカッタにより歯車を切削する機械を記載している。センサが歯間の空間を感知し、訂正信号を生成することができる。

明らかに、前述の旧来の方法では、作製される歯車の幾何学的外形を作り出すのに使用されるラックの外形の数に対応する複数の歯切り工具を設ける必要がある。

当該システムは、大量生産の場合に非常に効率的であり、これらのシステムの市場は広範囲におよび、歯車を設計するための様々なコンピュータ化されたプログラムが存在し、それらは、歯切り工具の対によって辿られる機械加工曲線の計算、および例えば実際の製造前にその特性が正確に画定されるように歯車のシミュレーションを実施する。

しかし、ギアの小規模生産または極少数の生産では、専用切削工具によるその実現は過剰にコストがかかる。したがって、そのような場合には、かねて、5軸タイプであることが有利な数値制御工作機械により歯車を切削することが提案されてきた。慣習的手続きによれば、これらの機械の場合には、得られる表面の数学的表現が生成され、機械は自体の切削工具でこの表面を辿り、このように所望の部分を形成する。

しかし、歯車を製造する場合、かねて既に使用されておりかつ「旧来の」方法を用いる歯車メーカに周知である、歯切り盤により歯車を設計する多数のプログラムを有する利点は失われる。

特許文献3が、連続的な粗く形成された表面および連続的な仕上げ表面を機械加工することにより形成される歯車を記載している。この特許出願に記載されている、連続的な粗く形成された表面と比較した連続的な仕上げ表面の寸法は、ギアの噛合を向上させると言われている。しかし、計算された二面の機械加工をどのように最適化するかの問題は少しも考慮されていない。

特許文献4が、既に切削されているギアの単一面の仕上げを得るために平行線に沿って工具を動かす方法を記載している。

米国特許出願公開第2011/268524号明細書

米国特許第5,136,522号明細書

独国特許出願公開第10 2005 054513号明細書

欧州特許出願公開第2,314,404号明細書

本発明の概括的な目的は、前加工用ラックおよび仕上げ用ラックにより作り出される表面の定義に基づいて、少なくとも5つの軸を有する工作機械を使用して、歯車を機械加工する方法、装置およびシステムを提供することである。

この目的を考慮して、思い付いた構想は、本発明によれば、少なくとも5つの機械加工軸を有する数値制御工作機械を使用する材料の除去(stock removal)により、歯車を機械加工する方法であって、前記歯車の理論前加工表面および理論仕上げ表面を画定するステップと、前記理論前加工表面と前記理論仕上げ表面との間の交差線を計算するステップと、前記理論前加工表面を実際の前加工表面として、かつ前記歯の先端部と前記交差線との間にある前記理論仕上げ表面の部分を各歯のための実際の仕上げ表面として、使用するステップと、前記実際の前加工表面を形成するために、前記機械の工具が機械加工表面を辿る第1の歯車機械加工作業工程を実施するために前記機械を操作し、次いで前記実際の仕上げ表面を形成するために前記機械の工具が機械加工表面を辿る第2の歯車機械加工作業工程を実施するために前記機械を操作するステップとを含む、方法を提供することである。

さらに本発明によれば、思い付いた構想は、少なくとも5つの機械加工軸を有する数値制御工作機械を使用する材料の除去により歯車を機械加工するシステムにおいて、少なくとも5つの軸を有する数値制御工作機械と、所望の歯車のパラメータを入力する手段と、前記歯車の理論前加工表面および理論仕上げ表面を計算する計算モジュールと、これらの理論表面間の交差線、および歯の先端部と前記交差線との間にある前記理論前加工表面の部分により形成される、各歯のための少なくとも1つの実際の仕上げ表面の定義を計算する処理モジュールと、実際の前加工表面として前記理論前加工表面の幾何学的特性を、かつ前記実際の仕上げ表面の前記幾何学的特性を受信し、これら実際の前加工表面および実際の仕上げ表面に従って前記機械の工具が前記歯車の機械加工を実施するために機械加工表面を辿るように前記機械のためのコマンドを出力する制御モジュールとを、それが含むことを特徴とするシステムを提供することである。

さらに本発明によれば、思い付いた構想は、少なくとも5つの機械加工軸を有する数値制御工作機械を対象とした、歯車を機械加工するコマンドを生成する装置において、所望の歯車のパラメータを入力する手段と、前記歯車の理論前加工表面および理論仕上げ表面を計算する計算モジュールと、これら理論表面間の交差線、および歯の先端部と前記交差線との間にある前記理論仕上げ表面の部分により形成される、各歯のための少なくとも1つの実際の仕上げ表面の定義を計算する処理モジュールと、前記理論前加工表面の幾何学的特性を実際の前加工表面として、かつ前記実際の仕上げ表面の前記幾何学的特性を受信し、これら実際の前加工表面および実際の仕上げ表面に従って前記歯車の機械加工を実施するために、前記機械の工具がこれらのコマンドに基づいて機械加工表面を辿る機械を対象としたコマンドを出力する制御モジュールとを、それが含むことを特徴とする装置を提供することである。

本発明の革新的原理および先行技術と比較したその利点をより明確に例示するために、これらの原理を適用する実施形態の例が、添付図面を活用して以下に記載される。

歯車の理論仕上げ表面と理論前加工表面との間の交差の部分概略図である。

図1による表面から得られる歯車の最終表面の部分概略図である。

歯車を設計し、機械加工する、本発明によるシステムの概略図である。

本発明による方法およびシステムを用いて得られる歯車の概略図である。

図を参照すると、図1は、本発明に従って使用されて、少なくとも5軸の数値制御工作機械により歯車上で機械加工される表面を画定している理論表面の部分を示す。図1は、簡単にするために、歯車の歯の側面の近傍にある表面を示す。

詳細には、本方法によれば、第1に、理論前加工歯切り盤によりかつ理論仕上げ歯切り盤により作り出されるであろう理論前加工表面50および理論仕上げ表面51が計算される。

図1に明確に認められる通り、理論仕上げ表面51は、仕上げ作業工程がさらなる材料を除去しなければならない歯の部分に沿って(詳細には歯の先端部52から、側面に沿って底部に近接するまで)、理論前加工表面50の真下にあり、代わりに、仕上げステップの間に材料の除去が必要とされない歯の底部53では、理論前加工表面の上方にある。

歯の各側面のための理論仕上げ表面は、一般に、歯の先端部に向かって凸部により形成されており、それは歯基部において凹部に連結されている。

以下に明確にされる通り、理論前加工表面の作図は、機械がこの表面を直接当該部分に形成してもよいように、機械加工される第1の面(または前加工表面)の作図として用いられる。表面の幾何学的形態を考慮して、一般に、機械はまた、例えば機械加工区域が凹であるかまたは凸であるかに応じて、工具交換作業工程を計算する。詳細には、既知の円筒形または円錐形またはディスク形の適切な直径のフライスカッタが有利に使用されて空洞にされ、歯の側面を前加工し、適切な直径の、既知の球形または環状フライスカッタが、(図1に例えば概略的に示されている)底部区域に使用される。

機械加工される歯車の特定のタイプに応じて異なる工具が使用されてもよい。例えば、かさ歯車の場合には、ディスク形カッタは、有利に円錐ディスク形フライスカッタであってもよい。

図および後続の記載から分かる通り、機械の工具は、例えば実際の前加工表面を形成するためなど、機械加工表面を辿るように動かされる。

本方法によれば、また、2つの理論表面が互いに交差している、歯の側面上の理論仕上げ表面と理論前加工表面との接点が計算される。各歯上の2つの理論表面すなわち前加工表面50および仕上げ表面51の交差線54が、このように画定される。歯車歯の先端部52と計算された交差線54との間にある理論仕上げ表面の部分は、実際の仕上げ表面として画定される。

機械が前加工表面を用いて以前に切削された歯車を仕上げ、その上に、前段で画定されている実際の仕上げ表面に相当する表面を形成してもよいように、実際の仕上げ表面の作図は、機械による仕上げ機械加工に用いられる。

図および後続の説明から分かる通り、機械の工具は、例えば各歯のための実際の前加工表面を形成するためなど、機械加工表面を辿るように動かされる。

実際の前加工表面の機械加工と実際の仕上げ表面の機械加工の間で、歯車が既知の所望の熱処理を受けることが有利である。そのような熱処理は、浸炭処理などの表面硬化熱処理であることが有利である。さらに本発明の方法によれば、2つの理論前加工表面と理論仕上げ表面との間の交差線54が計算されたら、また、確認ステップが実施されて、歯車の有効半径(active radius)(すなわち、別の歯車との歯車の初期噛合の半径)より小さい、歯車の軸からの距離の所に、この線があることを確認してもよい。

このようにして、歯の底部53に向かって交差線54を越えて位置している歯の部分は仕上げ機械加工を必要としないことが確認される。さもなければ、例えば歯車の設計中に入力された不正確なパラメータに起因して、理論表面50および51の計算に誤りがあると考えられる。

また、本方法は、理論表面間の交差線54が、初期噛合接触点の幾何学的軌跡などの「有効直径(active diameter)」に基づいて作り出される「能動」回転面(active surface of revolution)(能動円錐(active cone)と呼ばれ、図1に55で概略的に示されている)により画定されている体積内に含まれることが確認される、さらなる確認ステップを含んでいてもよい。

実際の仕上げ表面は、各歯の側面上で、歯の先端径からその有効直径の所まで延在している第1の凸部と、有効直径から前に計算された交差線の所まで延在している凹/凸表面に分割されることが有利である。実際の仕上げ表面の第1の部分は、適切な直径の、(図2に例えば概略的に示されている)既知の円筒形フライスカッタまたは円錐形フライスカッタにより機械加工され、一方、実際の表面の第2の部分は、適切な直径の既知の球形または環状フライスカッタを使用して機械加工されることが有利である。

実際の機械加工表面を画定するのに使用される、理論ラックの理論仕上げ表面または理論前加工表面の使用のお蔭で、歯車の機械加工の終端部に、交差線上の任意の残存する鋭い縁部が、一般に、既に完成歯車の許容性閾値(acceptability threshold)の範囲内にある。

いずれの場合でも、本明細書で、簡単にするために交差線が言及されているが、(より明確にするために、完成歯車の2つの隣接した歯の側面が部分的に示されている図2に認められる通り、図4に例として示されている通り)この線はまた、仕上げステップ後に歯車の歯の最終的な実際の表面全体を形成する理論表面51および50の2つの部分を連結している連続ストリップ56になるように、歯の側面上で拡張されてもよい。換言すれば、交差線は、本質的に、歯の底部上の実際の前加工表面と歯の側面上の実際の仕上げ表面とを連結しているストリップ56に拡張される。

明らかに、図4では、はすばを備えた(全般的に57で示されている)かさ歯車が例として示されているが、本発明による方法およびシステムは、任意の所望のタイプの歯車を作り出してもよい。

図3は、機械27と共に、本発明に従って設計されている機械加工システムまたはステーション10を形成している装置22を概略的に示す。当該装置22は、歯車定義パラメータまたは歯車設計データに基づいて理論前加工表面および理論仕上げ表面を計算する、第1のコンピュータ化された計算モジュール11を含む。設計パラメータまたはデータは、例えば、直接入力されるかまたは標準的な歯車画定システムに基づいて供給される、所望の歯車の寸法仕様であってもよい。全体的に概ね12で示されている、既知のデータベースおよび既知のユーザインターフェース手段(キーボード、マウス、ディスプレイ、グラフィックタブレット(graphical tablet)等)が、情報を入力するのに使用されてもよい。また、モジュール11は、歯車の特性のシミュレーションを備えた対話型設計システムを有利に含んでもよい。そのようなシステムそれ自体は先行技術の部分を本質的に形成し、したがってさらに記載されずまたは示されず、ここに与えられている記載に基づいて当業者により容易に想像され得る。本システムは、ユーザインターフェース手段12との組み合わせで、ユーザが所望の歯車を画定することを可能にする。

モジュール11は、前段で明示されている通り、理論前加工表面50および理論仕上げ表面51の幾何学的特性13および14を出力する。本明細書で幾何学的特性は、表面を空間的に画定する情報セットを意味すると理解される。詳細には、表面は、一般に、表面の空間画定のためにCAD/CAMシステムで使用される既知の方法によるそれらの数式および/または点により記載される。

計算された理論表面に基づいて、モジュール11はまた、2つの表面に関する測定点のグリッド座標15を出力してもよく、それは、実施される機械加工を機械上で確認するために、かつ仕上げ機械加工の前の熱処理後に機械上の歯車の幾何学的形態を確認するために、少なくとも5つの軸を有する数値制御フライス盤の測定手段により(それ自体既知の操作方法に応じて)使用される。また、この幾何学的形態の確認は、例えば実際のストック(stock)のより大きな均一性を確実にするためなど、仕上げ機械加工作業工程が、熱処理により変形させられた表面に関連付けられることを可能にする。

換言すれば、初期機械加工後に(かつ有利に熱処理後に)かつ仕上げ前に測定点グリッドを使用する機械測定は、実際に除去されるストックが有利に均一であることを確実にするために、変形部分において実施される機械作業工程のセンタリングを可能にする。

また、モジュール11は、様々な用途のために、ギア歯の数、冠歯の数、係数(modulus)、まがり角またはねじれ角、歯車の種類(かさ、円筒形等)、様々な歯横断面における有効直径等の、歯車設計に関連しかつユーザに有用な他の情報を出力してもよい。この情報は、後続のモジュールに転送されてもよくかつ/または例えばインターフェース手段12により表示されるかもしくはプリントされてもよい。

理論表面の幾何学的特性13および14は、前述の通り交差線および実際の仕上げ表面の幾何学的特性17を得るために、モジュール11から、これらの理論表面の交差の計算のために理論表面を処理する第2のモジュール16の入力部へ転送される。

これらの幾何学的特性17は、(実際の前加工表面の定義として用いられる)前加工表面の幾何学的特性13と共に、それ自体既知のタイプのかつ本システムを使用して作製される歯車のタイプ(大きさ、材料硬度、精密さ等)に応じた寸法を有する、少なくとも5つの軸を有する数値制御機械19を制御するCAMモジュール18へ送信される。機械は、(有利に既知の補間および機械制御モジュール20経由で)コマンド21を受信し、それを用いて実際の機械加工表面を辿るために工具の移動を実施する。

CAMモジュール18は、種々の機械加工区域のための適切な工具を選択するためのデータも機械に通信する。当該選択は、完全に自動であってもよいか、またはユーザに選択肢を提供して(例えば、ユーザがそこから選択し得る工具リストを提供して)実施されてもよい。また、ユーザは、例えば歯車に使用されている材料に応じて、切削およびパラメータの供給を選択してもよいことが有利である。システムは、例えば機械加工される表面の幾何学的特性によって得られる可能性のリストを提供することによる選択でユーザの役に立つことができる。

CAMモジュールが必要な設定を処理したら、幾何学的特性および機械加工のために事前設定されているパラメータに基づいて、(例えば、前述の通り、機械加工される区域に応じてフライスカッタを交換しながら)前加工機械加工を実施するために、機械19が始動される。

前加工機械加工が完了したら、CAMモジュールは、前加工測定点のグリッド15を使用して機械加工された表面の確認測定を実施するために、機械19を操作してもよい。

(歯車の分解およびその後の機械上での再組立てを含む)任意の熱処理後、CAMモジュール18は、単数または複数の工具が機械加工区域間での工具移動のためのそれ自体既知の内部ルーチン(機械の補間および制御モジュール20に有利に含まれているルーチン)に従って最適な方法で1つの表面から別の表面へ通過し得るように、例えば幾何学的特性17により画定されている実際の仕上げ表面に基づいて歯車を機械加工するためなど、工具が機械加工表面を辿るように、(やはり制御モジュール20経由で)機械19を操作する。

本発明の原理のお蔭で、通常の歯切り盤により作り出されると考えられる理論表面であり、現在確立されていると共に歯車のシミュレーションを備えた対話型設計にも有用な技術を用いて処理することが容易な理論表面を得るために、機械加工される表面の計算が最適化され得ることに留意すべきである。同時に、やはり本発明の原理のお蔭で、数値制御機械は、(例えば歯の底部に近接して据えられている理論仕上げ表面に沿って起こる)いかなる材料機械加工にも該当しない理論表面に沿ってその工具で移動しながら時間を無駄にしない。これらの区域では、機械は、不要な損失時間なしに1つの実際の機械加工表面から別の表面へ通過するために、工具移動のそれ自体既知の最適化された方法を自由に用いてもよい。

同時に、理論表面を使用して実際の機械加工表面を計算することにより、例えば熱処理後に歯底部上でこの表面のさらなる仕上げを実施する必要なく、歯の底部の表面に適切に連結されている、歯の側面上の完成表面を得ることができる。このことは、得られる歯車の質を向上させることが分かっている。

モジュール11、16および18は、ここに与えられている記載に基づいて当業者により容易に想像され得る通り、1または複数の適切にプログラムされたマイクロプロセッサシステムの1つにより容易に形成され得る。そのようなマイクロプロセッサシステムには、例えば、手段12およびモジュール11、16および18を実現するパーソナルコンピュータならびに(一般に機械上に取り付けられる)モジュール20を実現する産業用マイクロコントローラ制御システムが有利に含まれ得る。このように、装置22はまた、例えば別個の工作機械を使用して、将来使用するために記憶され得るコマンドを生成するために、機械とは別々に使用されてもよい。また、装置22は、手段12を含むか、またはそれに組み込まれていて、例えばコマンド21および随意に15を生成する単一パーソナルコンピュータを形成し得る。

ここで、当業者により容易に想像され得るように、少なくとも5つの軸を有する工作機械は、やはり作製される歯車の寸法および特性に応じて、このタイプの機械のための、それ自体既知の様々な構造の1つを有していてもよい。

例えば、図3に認められる通り、それは、工作物26を担持する回転テーブル25と、3つのデカルト軸に沿ったキャリッジ28の電動変位のための構台様構造物27とを有利に含んでいてもよい。例えば、ヘッド30により既知の自動工具貯蔵部32から直接除去されてもよい工具31のための5軸位置決めシステムを形成するために、キャリッジ28は、(一般に実質的に垂直な)第1の軸を中心に配向されることが可能であり、かつ第1の軸に対して横方向の(垂直なまたは傾斜した)第2の軸を中心に傾けられることが可能であり、かつチャック30を担持している電動ヘッド30を担持している。

あるいは、やはり図3に概略的に示されている通り、機械は、回転傾動テーブルを形成するために、制御された回転を実施することができるばかりでなく、少なくとも1つの電動傾斜(有利に直径方向の)軸33を有することもできるテーブル25を有していてもよい。5軸システムの傾斜軸はこの場合テーブル25に移されているので、したがって、電動式ヘッド30は、工具の回転のための横方向傾斜軸を有さず、(図3では垂直の)軸のみを有する。

この時点で、所定の目的がどのように達成されたかが明らかである。

明らかに、本発明の革新的な原理を使用している実施形態の上記の記載は、これらの革新的原理の例として与えられており、したがって、本明細書において請求されている権利の範囲を限定していると見なされてはならない。例えば、種々のモジュール間のデータの転送は、モジュールの実践的実施形態に応じて、同一プログラムのモジュール間のデータ伝送接続および/またはデータ転送インターフェースにより実施されてもよい。また、データの転送は、1つのモジュールにより書き込まれかつ次のモジュールにより読み出されることが可能である物理的媒体にデータを保存することにより実施されてもよい。例えば、CAMモジュール18は、次に機械制御モジュール20により読み出される適切な媒体にファイルを保存してもよい。

これは、例えば、いくつかの工作機械19により(後でまた)用いられる幾何学的特性ならびにコマンド15および21を作り出す装置22、またはそれどころか、幾何学的特性ならびにコマンド15および21を作り出し、次いで、単一機械19により使用されて異なる歯車の機械加工を順に実施する、(各々が例えば異なるユーザ/設計技術者により使用される)いくつかの装置22を、(特定の設計および製造要件に応じて)有することが可能であることを意味する。

3次元表面により作図される、本体間の接触および係合に関する数的モデリングシステムを備えた、CAD−CAM機械アセンブリを含むシステムである、本発明によるシステムの結果として、歯車の幾何学的特性におけるいかなる将来の進化も辿ることが可能である。換言すれば、当業者に容易に理解されるであろうように、インボリュート歯車に加えて、これまで真に特別な用途に限定されてきたサイクロイド外形等を有するホイールを構成することが可能である。

当業者により想像され得る通り、本発明によるCAD−CAM機械システムを用いれば、内歯を有するホイールも切削することができるが、表面全てが凹状であり(歯の側面および底部の両方)、かつ球形またはディスク形であるが湾曲した側面を備えた工具が使用されてもよい場合である。

計算モジュール11、表面を処理するモジュール16、および制御モジュール18で構成されているアセンブリは、工作機械を制御するコマンド生成モジュール全体を形成していてもよい。(手段12により入力される)所望のホイールのパラメータを受信する(モジュール11の)入力部が設けられているこのモジュールは、それを用いて装置22を有利に形成するために、パーソナルコンピュータにインストールされるプログラムの形で実現されてもよい。