Herringbone gear teeth and a method of manufacturing the same

本発明は一般にギヤ歯に関し、特に、ヘリングボーンギヤ歯及びその改良された製造方法に関する。

はすば歯車（これは軸に対して鋭角に切削された歯を有する）は、回転のすべての点でかみ合う多数の歯を有し、圧力を各歯の全長に沿って均等に分配するように設計される。

したがって、この歯車は滑らかな作動と信頼性を提供し、動力の伝達に関して理想的である。 単はすば歯車（これは、また、ねじれ平歯車と呼ばれる）の歯の角度のために、軸方向スラストが生成されるが、２つの対向するらせんを使用することによって、誘発された軸スラストは除去される。

精密歯車の性能は主として歯の精度と表面特性で決定される。 多くの場合、歯車の表面は浸炭、窒化又は同様の処理によって堅くされ、その後、機械加工されつや出しされる。 表面硬化処理（はだ焼き）は摩耗と耐蝕性を改良し、表面の均一性と純度を高め、残留圧縮応力を生じさせて歯車の性能と寿命を顕著に改良することになる。 その上、表面硬化された鋼の物理特性は非常に良く、通し焼入れ鋼ギヤとして２倍のトルクを伝えることができる。

やまば歯車を一般に２つのタイプに分類することができる。 即ち、図１に示されるように２つのらせんが中央で合い連続した歯を形成するヘリングボーン歯車（ギヤ）と、図２に示されるように２つのらせんの間にリリーフギャップを有する従来のやまば歯車である。

ヘリングボーン歯車（図１）は、ポンプローター、及び、低速高トルクを必要とする伝動歯車、特に伝動歯車の歯幅が限定される歯車として使用される。 連続ばりのやまば歯車伝動装置は５０年間以上に渡り使用されているが、頂部で歯を機械加工することの製造の難しさにより、歯の一部を硬化させること、及び歯の寸法精度のよくすることには限度があった。 ヘリングボーン歯車は、２つの対向する螺旋を各マシン打撃により左側の螺旋、次に右側の螺旋を交互に切削する複数の往復動カッターにより同時に機械加工するサイクス（Ｓｙｋｅｓ）歯車形成機又はシェーパーで形成するように制限される。 これらのカッターは歯車の面の中心へストローク移動するときに歯の形状に切削する。 この処理の制限は大ピッチ高精度サイクスカッターの不足である。 さらに、これらのカッターが３５ロックウェルＣを超える硬度の金属を切ることができないので、仕上げ処理は通し焼入れ鋼ギヤに制限される。 歯の仕上げ処理は等しく不正確であり統計的な予測ができない。

反対に、図２で示される従来のやまば歯車はヘリングボーン歯車の制限を受けない。 リリーフギヤップはカッター中心線が螺旋の端部を超えることを許容するので、これらの歯車を切って仕上げるために、５８ロックウェルＣよりもはるかに硬い硬化鋼を旋削できるものを含めたさまざまな高精度工作ツールを使用することができる。 したがって、リリーフギヤップを有する従来のやまば歯車はヘリングボーン歯車よりも高い性能を必要とする場合に、より一般に使用される。

ポンプに使用する場合、あいにく、リリーフギヤップを備える歯車をポンプローターとして使用することは不適当であるので、硬度と表面硬化厚が制限されたヘリングボーン歯を使用しなければならない。 通常、これらの歯車に仕上げの切削がなされ、次に窒化されて、０.５０８ｍｍ乃至０.６３５ｍｍ（０.０２０インチ乃至０.０２５インチ）の表面硬化が付与される。 窒化は高温で行われるため、ひずみにより表面に不揃いが生じる。 この短所はポンプ性能に直接影響する。 例えば、塑性プラスチックの溶融ポンプに使用されるヘリングボーン歯車は、浅い焼き肌深さ、オーバロード圧又は旋削で生じうる歯の誤差のために歯面に表面硬化剥離を生じることがありる。 改良された硬度及び歯の品質を有するヘリングボーン歯車が望まれている。

発明の目的
発明の第一の目的は、円柱原材料から始まって、歯車の表面を横切る連続ばりを形成し、次に歯車を浸炭し、それに仕上げ加工を施して図２の従来のギャップを備える浸炭やまば歯車の高精度の特性をもたらすようにすることにより、図１の形態のやまばヘリングボーン歯車を提供することである。

発明の別の目的は、プラスチック溶融ポンプ用ローターとして使用するために特に製造される歯車であって、５８−６２ロックウェルＣ硬度になるように熱処理され、１つ以上のより正確なギヤ製造カッターによってアメリカギヤメーカー協会（ＡＧＭＡ）品質に従う以前の連続ばり歯よりほぼ６倍正確な歯に仕上げられる歯車を製造する方法を提供することである。

上記目的及び他の特徴と利点は、円柱原材料から始まるヘリングボーン歯車を製造する方法において提供される。 円柱原材料において２つの螺旋が合うところに各歯のリリーフノッチが確立される。 次に、二重螺旋状の歯（やまば歯車）が粗形成され、歯車は表面硬化を施される。 浸炭法を使用することによって、０.５０８ｍｍ乃至０.６３５ｍｍ（０.２００乃至０.０２５インチ）のより深い表面硬化を得ることができる。 歯は、次に、高精度の立方体ボルゾン窒化物（Cubic Borzon Nitride:ＣＢＮ）面を備えるカッターを使用して該カッターの振れを許容するリリーフノッチを備えるものとして仕上げられる。

添付図面に概略的に示す実施の形態に基づいて発明を以下に詳細に説明する。

図３を参照して、発明に従った方法は硬化されていない高品質の鋼原材料１０を機械加工して歯車部品としての円柱形を形成することに始まる。 次に、歯車の各歯１３に一連のリリーフノッチ１２が機械加工される。 リリーフノッチ１２はその後の仕上げ処理におけるツール振れを許容する。 サイクスカット（Ｓｙｋｅｓカット）ヘリングボーン歯車は歯車形成機の切削動作から形成された２つの螺旋の鋭角交点においてわずかな溝を有するが、この溝は本発明の仕上げ加工のための十分なクリアランスを提供しない。

リリーフノッチ１２は、機械加工により、部分１０の円周の周りで各２つの隣接する歯１３の間の頂部１４（ここで２つの螺旋が合う）において一連のインボリュートカットとして作られる。 リリーフノッチ１２は初めに、歯車表面のセンター、即ち頂部１４に機械加工される。 この部分１０は所定量だけ回転され、フライス削りヘッド１５が軸方向にある量だけ割り出され、歯のねじれ角を繰り返して付ける。 フライス削りヘッド１５は、次に、面のセンターライン１４の反対側の点に動かされて同様のツール経路を機械加工する。 ここでもその部分は回転され、さらに２つのツール経路が歯車表面のセンターライン１４から次第に遠くなる位置で機械加工される。 この処理は適切な１つのリリーフノッチ１２が形成されるまで繰り返される。 リリーフノッチ１２は、ギヤ歯の内角１７にツールが必要に振れて入ることを許す。 図３が示すように、最初にすべてリリーフノッチ１２を形成し、その後にギヤ歯を粗形成してもよいし、あるいは、１つのリリーフノッチ１２を機械加工したすぐ後に、その対応する歯１３を粗形成することとしてもよい。

図４と５は各リリーフノッチ１２の形状とプロフィールについて説明する。 リリーフノッチ１２は、２つの隣接する歯１３のトップランド（top lands）１６間の頂部１４に位置される。 両方の螺旋のボトムランド（Bottom lands）１８と各歯面２０を示す。 リリーフノッチ１２はインボリュート歯プロフィール２４と同様であるが、わずかに大きくかつ深いプロフィール２２を有する。 ノッチ底ランド１８'と表面２０'が示されている。

リリーフノッチプロフィール２２は仕上げられた歯のプロフィール２４よりもわずかに大きいので、後の仕上げ処理の間に、仕上げカッターがリリーフ１２内にストローク移動するとき、原材料を削ることない。

図６に示すように、ギヤ歯の粗形成はミル（製作機械）を使用してなされ、階段の段に似たギヤ歯インボリュートプロフィールとされる。 次に、階段の段の体裁は、マアーグ（Ｍａａｇ）カッター及び／又はラックタイプの粗形成シェーパーカッターによって取り除かれ、図７に示すように、必要な仕上げプロフィール２４（図５参照）の約０.５０８ｍｍ（約０．０２０インチ）内側の滑らかなギヤ歯をもたらす。

ヘリングボーン歯車は粗形成された後に約５８−６２ロックウェルＣの表面硬度に浸炭される。 適した方法は２段階浸炭処理を使用することである。 ギヤ歯１３は最初に浸炭され掃除される。 次に、ギヤ歯１３とジャーナル(軸くび)２６の両方が浸炭雰囲気にさらされる。 最小焼き肌深さは歯の領域で５.０８ｍｍ乃至７.６２ｍｍ(０.２００〜０.３００インチ)、支承ジャーナル領域で、１.０６ｍｍ（０.０４０インチ）であるべきである。 これは浸炭サイクルの一部の間に支承ジャーナルをマスキングすることによって達成される。

浸炭の後に、図８で示されるように、その部分は、立方体ボルゾン窒化物（Cubic Borzon Nitride:ＣＢＮ）の面を有する高精度往復差し込みカッター３０を使用して仕上げられる。 歴史的に、この仕上げ技術は、ツール振れのために、螺旋間で約２５.４ｍｍ（約１インチ）幅のギヤップを必要とするが、特別なカッター３０を使用することによって、このツール振れは最小にされる。 また、ＣＢＮカッター３０はレーキ角低減のための特殊ツールポスト３２によって保持される。 原材料１０が回転割り出しされ、一方、カッター３０は歯車を削って、表面硬化された材料を約０.５０８ｍｍ（約０.０２０インチ）取り除く。 リリーフノッチ１２はカッター３０の振れを許容し、ノッチ１２内の材料はカッター３０によって取り除かれない。 上で説明したように、リリーフノッチ１２は歯１３間に機械加工されるので、２つの螺旋が接合され、仕上げツールの振れのために必要なクリアランスをまだ残すことができる。

ＣＢＮ刃タイプのカッター３０は例外的な仕上げを提供し、長期間の摩耗が可能であり、切削力を減少させ、かつ、容易に利用可能である。 さらに、カッター３０の平坦な切断面とマアーグ（Ｍａａｇ）歯切りカッターの運動学のためにインボリュートが形成され、歯車インボリュート精度は割り出しやツール精度に依存しない。

図９は、発明に従って製造されたヘリングボーン歯車（ギヤ）を示す。 上で説明された方法は、ヘリングボーンギヤ歯が硬化され、かつ、改良されたＣＢＮカッターを備えたより近代的なツールによって形成されるので、ヘリングボーンギヤ歯をより高精度に機械加工することができる。 歯の精度は、硬化されたツールで歯を仕上げることによって大いに高められる。 従来技術の機械加工により比較的軟質の鋼を加工した場合、０.６０９ｍｍ（０.００２４インチ）以内のプロフィール精度が提供され、ねじれ角は０.００４度以内（０.１０１ｍｍ（０.００８インチ）のリード変動）である。 発明を使用するとき、達成可能な歯の寸法精度は約１０倍良く、プロフィール誤差は０.０１２５４ｍｍ（０.０００２６インチ）未満であり、リード変動は０.０１１１７ｍｍ（０.０００４４インチ）である。 さらに、歯の精度を犠牲にしないで、歯面仕上げは２０〜２４ＲＭＳに達することができる。 さらに、この処理に従って製造された歯車は、浸炭歯車に関する許容接触圧と曲げ応力に関する増大されたＡＧＭＡ荷重補正係数及び等級を満たす。 特に、ＡＧＭＡの「接触応力数（Contact Stress Number）」は２２５０００ｐｓｉに達することができ、「曲げ応力数（Bending Stress Number）」は６５０００ｐｓｉに達することができる。

その結果、この発明で生産されたヘリングボーン歯車の品質はリリーフギヤップを備える従来のやまば歯車のものと同等となった。 発明はより高速かつより正確な製造のためのより近代的な工作機の使用を可能にする。

発明の好ましい実施の形態について詳細に説明したが、この実施の形態を変更、変形することが可能であることは当業者にとって明らかである。 そのような変更と変形は、特許請求の範囲記載された発明の技術的思想及び範囲内にあることが明白に理解される。

約３５ロックウェルＣ以下の硬度の比較的軟らかい鋼から作られた従来技術のヘリングボーン歯車の斜視図である。

３５ロックウェルＣを超える硬度の浸炭硬化鋼から作られた従来技術のやまば歯車であって、２つの螺旋の間にギヤップを備えるやまば歯車の斜視図である。

発明に従って硬化されていない円柱原材料の初期削りを示す図である。

図３の拡大図であり、発明に従ったリリーフノッチを示す図である。

図４の５−５線に沿って見た断面図である。

本発明に従ったヘリングボーン歯車のミルによる粗削りを示す図である。

すべての粗削り作業が完了した後の歯車を示す図である。

立方体ボルゾン窒化物カッターを使用する仕上げ作業を示す図である。

発明に従ってリリーフノッチを備える表面硬化され仕上げられた歯車歯を示す図である。