Variable speed method for machining the gear

本発明は、歯車を機械加工するための方法に関し、特に噛み合い雑音の低減のような動作特性を改良するために、平歯車およびはすば歯車を研削するための方法に関する。

本出願は、２００４年５月２６日出願の米国仮特許出願番号６０／５７４，４４５の利益を主張する。

噛み合い雑音の低減は、すべてのタイプの歯車（例えば、平歯車、はすば歯車、かさ歯車、ハイポイド歯車、クラウン歯車）の製造の際の従来からの目的である。 Ｐｒａｅｇ他の米国特許第２，９４２，３８９号に開示されているように、熱処理の後でホーニング加工を行うことにより、噛み合って稼働している歯車の雑音を低減する方法がすでに提案されている。 Ｔｅｒｓｃｈの米国特許第３，９０９，９９０号に、表面仕上げを改良するために、ホーニングの後でさらに研磨ステップを行う方法が開示されている。

Ｋｌｉｎｇｅｌｎｂｅｒｇの米国特許第６，４８１，３０７号は、歯車の雑音を低減するために異なる仕上げ加工により、歯車のペアの各部材を仕上げる方法を開示している。 この場合、ある部材はホーニングにより仕上げられ、他の部材は、各歯車のペア部材の歯の面上の異なる方向を向いている掻き傷状の機械加工痕または微細な条痕を生成するために研削により仕上げる。 ドイツ特許ＤＥ３８２６０２９号は、同様に、歯車のペアの１つの部材を研削し、他の部材をスカイビングすることにより噛み合い雑音を低減するために、同じ表面構造を避ける方法を開示している。

米国特許第２，９４２，３８９号

米国特許第３，９０９，９９０号

米国特許第６，４８１，３０７号

ドイツ特許ＤＥ３８２６０２９号

本発明は、歯車または他の歯を有する物品を機械加工するための方法に関する。 この場合、歯の表面上に不規則な表面パターンを形成するために、加工物の送り速度および／または工具のシフト動作を変化させ、それにより噛み合い雑音を低減する。

本発明を示す好ましい実施形態を参照しながら本発明について説明するが、これは単に例示としてのものに過ぎない。 砥石ウォームにより平歯車およびはすば歯車を研削する好ましい実施形態を参照しながら本発明のプロセスを説明するが、本発明の上記態様により他の機械加工方法も使用することもできるし、他のタイプの歯車も処理することができる。

歯車の機械加工、特に研削は、このような歯車を噛み合わせて稼働した場合、ある動作条件の下で雑音を発生すると考えられている通常縦方向の歯車の歯の側面上に微視的な正確な規則正しい表面パターンを形成する傾向がある。 本発明の方法は、加工物の歯の表面を横切る工具（例えば、砥石ウォームとも呼ばれるねじ付き砥石車）の相対的な送り、および／または砥石車に沿った加工物の相対的シフト動作を制御することができる任意の機械上で実行することができる。 このようなタイプの機械は、ニューヨーク州ロチェスター所在のＧｌｅａｓｏｎ Ｗｏｒｋｓ社および他の供給業者が市販している。 図１はこのタイプの機械を示す。

図１は、平歯車およびはすば歯車を研削するための機械を示す。 この機械は、Ｘ方向に移動することができる半径方向のスライド２、およびＹ方向に移動することができる接線方向のスライド３を配置することができるベッド１を備える。

軸方向のスライド４はＺ方向に移動することができる。 軸方向のスライド４は、その直線ガイドにより旋回台（ｓｗｉｖｅｌ ｓｌｉｄｅ）５に接続している。 軸方向のスライド４は、この旋回台によりＡ方向に旋回することができ、旋回台５は接線方向スライド３と接続しているので、Ｙ方向に移動することができる。

加工物スピンドル６およびその駆動装置は、軸方向スライド４に内蔵されている。 加工物スピンドル６は加工物（図示せず）を保持する。

半径方向スライド２は、工具スピンドル（図示せず）、円筒形砥石ウォームの形をしている工具７、および工具駆動装置８を備える。 半径方向スライド２は、さらに従来のドレッシング・デバイスを収容するためのベースを備える。 このようなドレッシング・デバイスは、例えば、ベアリングおよび駆動装置を含む１つまたは複数のダイヤモンドでコーティングされたドレッシング・ディスク（図示せず）からなる。 都合のよいことに、ドレッシング・ディスクの軸は、砥石ウォーム７の回転軸に平行に延びる。

ドレッシング・デバイスは、Ｕ字型スライド９によりＵ方向（Ｘに平行）に移動することができ、Ｖ字型スライド１０によりＶ方向（Ｙに平行）に移動することができる。

図１の機械は、例えば、ファナック・モデル１６０ｉ−Ｂまたはシーメンス・モデル８４０Ｄ（図示せず）のようなコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）システムのような機械コントローラへの命令入力により上記構成要素の動作を規制するコンピュータ制御システムを含む。

図２は、本発明の一実施形態である。 この実施形態の場合、加工物（図１のＺ軸に沿った送り方向）に対する砥石車の送り速度は、歯の表面の面の幅に沿って通過する場合、砥石車のストローク長さに沿って変化する。 図２は、ストローク長さに沿った送り速度の正弦波を示す。 この場合、所与の歯車の通常の（一定の）送り速度（水平ライン）と比較した場合、変化した送り速度は、最初、変化量だけ増大し、次に変化量だけ減少することがわかる。 正弦波の振幅および周波数はストローク長さに沿って変化することができる。 図２は１つの波を示す。 このような送り速度の影響は、研削の微細な掻き傷の間隔が歯の表面の面の幅に沿って不規則になるというものである。 送り速度は、正弦波の軌跡に制限されないで、図２に示す水平方向の通常の送り速度ラインに対して、ストローク長さに沿った方向に変化する任意のラインによって描くことができることを理解されたい。

本発明のもう１つの実施形態は、面の幅に対して砥石車のストローク長さを、所定の数（１〜ｎ）のセグメントに分割するステップと、各セグメント内の送り速度（ＦＲ）を調整または変更するステップとを含む。 例えば、図３の場合、ストローク長さは、６つのセグメント（ＦＲ _１ 〜ＦＲ _６ ）に分割されている。 図４は、各セグメント（ＦＲ _１ 〜ＦＲ _６ ）内の送り速度が、前のセグメントの量とは異なる量だけ変化するプロセスを示す。 例えば、セグメントＦＲ _１の送り速度は、特定のジョブに対して通常の一定の送り速度ＦＲ _Ｃに対して＋５％である。 セグメントＦＲ _２の送り速度はＦＲ _Ｃの−５％に調整することができる。 残りのセグメントにおいて同じパターンを反復して使用することができる。 しかし、調整した送り速度は規則正しい変化のパターンに従う必要はない。 代わりに、送り速度を任意の百分率でセグメント毎に増大または低減することができる。

図５はより好ましい実施形態を示す。 この場合、各セグメントＦＲ内の送り速度は正弦波で示してある。 この図は一定の振幅を有する正弦波を示しているが（例えば、各セグメント内のＦＲ _Ｃに対して±５％）、各セグメント内の正弦波の振幅は同じである必要はない。 歯の面の全幅についての上記説明のように（図２）、各セグメント内の送り速度は、正弦波の軌跡に従う必要はなく、水平方向の通常の送り速度ラインＦＲ _Ｃに対して各セグメント内でストローク長さに沿った方向に変化する任意のラインにより描くことができる。

図６、図７および図８は、各セグメント内で変化する送り速度の他の例を示す。 図６は、例えば、各セグメント内のＦＲ _Ｃに対して±５％の最大／最小を含むランプ関数で描いた各セグメント内の送り速度を示す。 図７は、ステップ関数により描いた各セグメント内の送り速度を示す（例えば、各セグメント内のＦＲ _Ｃに対して±５％）。 図８は、各セグメントにおいて異なるタイプの変化する送り速度が適用されるプロセスを示す。 図８の例の場合には、ステップ関数、正弦波およびランプ関数は、連続している各セグメントに適用され、他のセグメントに対して同じパターンが反復して使用される。 また例えば、ステップ関数、正弦波およびランプ関数のうちの１つまたは複数で描いた変化した送り速度を、全体として歯の面の全幅を横切って適用することができる。 すなわち、セグメントは使用されない。

本発明は、また加工物を研削中に加工物に対して（図１のＹ軸に沿ったシフト方向に）砥石車のシフト速度を変更するステップを含む。 シフト動作は加工物を砥石車の新しいまたはそれほど使用していない部分にあてがうために使用される。 これにより金属除去速度をさらに速めることができ、そのため機械サイクル時間をさらに短縮することができる。 シフト動作中、シフト動作の速度を送り速度の変更のところで説明したこれらの変化に従って調整することができる。 図９は、ホイールのシフト部分に沿ったシフト速度の正弦波を示す。 この場合、通常の（一定の）シフト速度（水平ライン）と比較した場合、変化したシフト速度は、最初変化量だけ増大し、次に変化量だけ減少することが分かる。 正弦波の振幅および周波数は、指定のホイール・シフト部分に沿って変化することができる。 図９は１つの波を示す。 すでに説明したように、このようなシフト速度の影響は、歯の表面の面の幅に沿って研削の微小な掻き傷の間隔が不規則になるというものである。 この場合も、シフト速度は正弦波の軌跡に制限されないで、図９の水平方向の通常のシフト速度に対してシフトの全量に沿った方向に変化する任意のラインにより描くことができることを理解されたい。

本発明のもう１つの実施形態は、砥石車のシフト部分の長さを所定の数（１〜ｎ）のセグメントに分割するステップと、各セグメント内のシフト速度（ＳＲ）を調整または変更するステップとを含む。 図１０は、部分Ｐ _１ 、Ｐ _２およびＰ _３を砥石車の図に示すシフト領域として示した砥石車Ｗを示す。 シフト動作領域は、加工物を研削している間にそれに沿ってシフトが行われるホイールの幅の一部である。 各部分のシフト速度は変えることができる。 ホイール部分Ｐ _１の分解図を見れば、Ｐ _１が４つのセグメントに分割されていること（任意の数のセグメント１〜ｎを含むことができるが）、また各セグメント（ＳＲ _１ 〜ＳＲ _４ ）内のシフト速度を変えることができることが分かる。

図４〜図８と同じような方法で、特定のセグメント内の変化したシフト速度も、図９または図１０に示す水平方向のシフト速度ライン、ＳＲ _Ｃに対してシフト部分の長さに沿った方向に変化する任意のラインで描くことができる。 好適には、例えば、シフト速度は、図１０に示す正弦波で描くことができることが好ましい。 別の方法としては、シフト速度を前のセグメントの量とは異なる量だけ変えることができる。 例えば、セグメントＳＲ _１のシフト速度を、特定の歯車に対する通常の一定のシフト速度ＳＲ _Ｃに対して＋５％とすることができる。 セグメントＦＲ _２内のシフト速度はＳＲ _Ｃの−５％に調整することができる。 そうしたい場合には、残りのセグメントにおいて同じパターンを反復して使用することができる。 しかし、特定のパターンに従う必要はない。 シフト速度は、またランプ関数またはステップ関数で描くこともできる。 異なるタイプの変化する送り速度を各セグメント内で使用する場合に、上記組合わせも使用することができる。 また例えば、ステップ関数、正弦波およびランプ関数のうちの１つまたは複数が描く変化したシフト速度を全体として歯の表面の全幅を横切って適用することができる。 すなわちセグメントを使用しない。

送り速度の変化およびシフト速度の変化を別々に使用することもできるし、相互に組み合わせて使用することができることを理解されたい。 また、例えば、変化する送り速度は正弦波で表すことができ、一方、変化するシフト速度は、一定のシフト速度の変化する百分率により表すことができる。 またその反対もできる。 それにより変化が起こる方法が何であれ、機械加工を実行するのに必要な時間の長さは、既知の一定の送り速度および／またはシフト速度プロセスにより機械加工するのに要する時間の長さを超えないことがもう１つの目的である。

砥石ウォームによる平歯車およびはすば歯車の研削の好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明はこれに限定されない。 本発明の方法は、ホビング（前熱処理または後熱処理）のような平歯車およびはすば歯車に対する他の仕上げ加工、およびホブ・タイプの工具を使用する硬質スカイビングにも適用することができる。 送り速度を変更するこの方法は、フレア状のカップ・タイプの砥石車による研削による、またはカップ状の砥石車を使用する派生の方法によるようなかさ歯車、ハイポイド歯車およびクラウン歯車の研削にも適用することができる。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明はこの特定の例に限定されないことを理解されたい。 本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなしに、本発明の主題に関連する当業者であれば容易に思い付く種々の変形例を含む。

本発明の方法を実行することができる研削盤の１つのタイプの略図である。

可変送り速度のグラフである。

複数のセグメントに分割されたストローク長さである。

図３に示す研削ストローク長さの連続セグメント内で異なる送り速度を供給する一例である。

変化を正弦波で描いている図３の各セグメント内の送り速度の変化を示す。

変化をランプ関数で描いている図３の各セグメント内の送り速度の変化を示す。

変化をステップ関数で描いている図３の各セグメント内の送り速度の変化を示す。

変化を各セグメントの異なる関数で示す図３の各セグメント内の送り速度の変化を示す。

可変シフト速度のグラフである。

砥石車シフト動作領域の各セグメント内のシフト速度の変化の一例である。

符号の説明

１ ベッド ２，３，４ スライド ５ 旋回台 ６ 加工物スピンドル ７ 砥石ウォーム ８ 工具駆動装置 ９ Ｕ字型スライド １０ Ｖ字型スライド