ギア部品の加工技術がこの記事でわかる

 

発売日：[2023/12/14]
 

歯車は互いにかみ合うことができる歯のある機械部品であり、歯車伝動は減速、増速、変向などの機能を果たすことができる。それは機械伝動及び機械分野全体において極めて広く応用されている。本文は歯車類部品の加工技術についてまとめた。

1.歯車の機能、構造

歯車は、機械での機能が異なるために異なる形状と寸法に設計されているが、歯車と輪体の2つの部分に分割することができる。一般的な円筒歯車には、ディスク歯車、スリーブ歯車、内歯車、軸歯車、扇形歯車、ラックギアなどの種類があります（下図）。その中でディスクギアの応用が最も広い。
円筒歯車の構造形式
円筒歯車は1つまたは複数のリングギヤを有することができる。普通の単歯リング歯車は技術性が良い、一方、二連歯車や三連歯車の小歯車は肩の影響を受けることが多く、一部の加工方法の使用を制限しており、一般的には歯を挿すことしかできない。歯車の精度が高いことが要求され、剃毛や歯磨きが必要な場合は、多歯車を単歯車の組み合わせ構造にするのが一般的です。
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円筒歯車の精度要件
歯車自体の製造精度は、機械全体の作業性能、積載能力及び使用寿命に大きな影響を与える。歯車の使用条件に基づいて、歯車伝動に対して以下のいくつかの方面の要求を提出する：
1.運動精度
歯車が正確に運動を伝達でき、伝達比が一定であること、すなわち歯車が1回転中に回転角誤差が一定範囲を超えないことが要求される。
2、仕事の安定性
歯車の伝達運動は安定しており、衝撃、振動、騒音は小さいことが要求されている。これには、歯車の回転を制限する瞬間速度比の変化が小さく、つまり短周期内の回転角誤差を制限することが求められている。
3.接触精度
歯車は動力を伝達する時、荷重分布の不均一により接触応力を過大にし、歯面の早期摩耗を引き起こすため、歯車の動作時の歯面接触は均一にし、一定の接触面積と要求に合致する接触位置を保証することが要求される。
4.歯側隙間
歯車伝動時、非作動歯面間に一定の隙間を残して、潤滑油を貯蔵し、温度、弾性変形による寸法変化と加工、組立時の誤差を補償することが要求される。
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歯車の材料
歯車は使用する作業条件に応じて適切な材料を選択しなければならない。歯車材料の選択は歯車の加工性能と寿命に直接的な影響を与える。
一般的な歯車は中炭素鋼（例えば45鋼）と低炭素合金鋼、例えば20 Cr、40 Cr、20 CrMnTiなどを選択する。要求の高い重要な歯車は38 CrMoAlA窒化鋼を選択することができ、非伝達歯車は鋳鉄、布クランプ木材、ナイロンなどの材料を使用することもできる。
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歯車の熱処理
歯車加工では、目的に応じて2つの熱処理工程を手配します。
1.ブランク熱処理
歯ブランク加工の前後に事前熱処理の焼鈍または調質を手配し、その主な目的は鍛造と粗加工による残留応力を解消し、材料の切削可能性を改善し、総合力学性能を高めることである。
2.歯面熱処理
歯形加工後、歯面の硬度と耐摩耗性を高めるために、浸炭焼入れ、高周波誘導加熱焼入れ、炭素窒素共浸と窒素浸漬などの熱処理工程をよく行う。
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はぐるまブランク
歯車のブランク形式には主に棒材、鍛造品、鋳造品がある。ロッドは、小型で構造が簡単で強度に対する要求が低い歯車に使用されます。歯車に強度が高く、耐摩耗性と耐衝撃性が要求される場合、鍛造品を多用し、直径が400〜600 mmより大きい歯車は、よくブランクを鋳造する。
機械加工量を減らすために、大寸法、低精度歯車に対して、直接歯車歯を鋳造することができる、小サイズ、形状が複雑な歯車に対して、精密鋳造、圧力鋳造、精密鍛造、粉末冶金、熱間圧延、冷間押出などの新技術を用いて歯車歯を有する歯片を製造し、労働生産性を高め、原材料を節約する。
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歯素材の機械加工スキームの選択
軸歯車とスリーブ歯車の歯ブランクについて、その加工過程は一般の軸、スリーブと基本的に類似しており、ここでは主にディスク歯車ブランクの加工過程を討論する。歯ブランクの加工方法案は主に歯車のホイール構造と生産タイプに依存する。
1.大量生産されたブランク歯加工
大量に中寸法の歯片を加工する場合、「ドリルして1台以上の刃物車を引く」という技術方案を採用することが多い。
（1）ブランク外周及び端面位置決めによる穴あけ又は拡孔。
（2）引抜き穴。
（3）多刃半自動旋盤に穴をあけて位置決めする粗仕上げ車外円、端面、切り込み及び面取りなど。
このプロセススキームは、高効率工作機械を使用してパイプラインまたは自動ラインを構成することができるため、生産効率が高い。
2.バッチ生産の歯片加工
歯のブランクを一括生産する場合、常に「車を引くと車を引く」という技術方案を採用する
（1）歯のブランクの外円または輪毅で位置決めし、精車外円、端面と内孔。
（2）引張孔（またはスプライン孔）を端面で支持する。
（3）精車外円及び端面等を穴で位置決めする。
このスキームは、横型旋盤またはタレット旋盤およびドローダウンによって実現することができる。その特徴は加工品質が安定しており、生産効率が高いことである。
歯ブランク孔に段差や端面に溝がある場合は、タレット旋盤上のマルチカッターを十分に利用してマルチステーション加工を行い、タレット旋盤上で一度に歯ブランクの加工を完了することができる。
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歯車加工方法
歯車リングの歯形加工は歯車加工全体の核心である。歯車加工には多くの工程があり、これらは歯形加工のためのものであり、最終的に精度の要求に合った歯車を得ることを目的としている。
加工原理によれば、歯形は成形法と展成法に分けることができる。成形法は、切削歯、引張歯、成形研磨歯など、被切削歯車の歯溝形状に合った成形工具を用いて歯面を切り出す方法である。
エキスパンド法は、歯車工具とワークとが歯車対の噛合関係に基づいて運動して歯面を切り出す方法であり、例えば、転歯、挿歯、剃歯、研磨歯、ホーニング歯などがある。
歯形加工方案の選択は、主に歯車の精度等級、構造形状、生産タイプ及び生産条件に依存し、異なる精度等級の歯車に対して、よく使われる歯形加工方案は以下の通りである：
（1）8段精度以下の歯車
調質歯車は転歯や挿歯で要求を満たすことができる。焼き入れ歯車には、歯―歯端加工―焼き入れ―補正穴の加工方案を採用することができる。しかし、焼入れ前歯形加工の精度は1段向上しなければならない。
（2）6−7段精度歯車
硬化焼入歯車には、粗転歯−精転歯−歯端加工−精剃歯−表面焼入れ−補正基準−ホーニング歯を採用することができる。
（3）5段精度以上の歯車
一般的に採用されている：粗転歯−精転歯−歯端加工−焼入れ−補正基準−粗磨歯−精磨歯。研磨歯は現在の歯形加工の中で最も精度が高く、表面粗さ値が最も小さい加工方法であり、最高精度は3-4級に達することができる。
1.フライス歯
歯車精度レベル：9段以下
歯面粗さRa：6.3 ~ 3.2μm
適用範囲：単品修理生産中、加工低精度の外円筒歯車、ラック、ベベル歯車、ウォームホイール
2.歯を引っ張る
歯車精度レベル：7段
歯面粗さRa：1.6 ~ 0.4μm
適用範囲：大量に7段内歯車を生産し、外歯車ブローチの製造が複雑であるため、少ない使用
3.歯転がり
歯車精度レベル：8 ~ 7段
歯面粗さRa：3.2 ~ 1.6μm
適用範囲：各種量産中、加工中の中質量外円筒歯車及びウォームホイール
4.差込歯
歯車精度レベル：8 ~ 7段
歯面粗さRa：1.6μm
適用範囲：各種量産中、加工中の中品質の内、外円筒歯車、多連歯車及び小型ラック
5.転（または挿し）歯−焼入れ−ホーニング歯
歯車精度レベル：8 ~ 7段
歯面粗さRa：0.8 ~ 0.4μm
適用範囲：歯面焼入れ用歯車
6.ホブ―シェービング
歯車精度レベル：7 ~ 6段
歯面粗さRa：0.8 ~ 0.4μm
適用範囲：主に大量生産用
7.ホブ−シェービング−焼入れ−ホーニング
歯車精度レベル：7 ~ 6段
歯面粗さRa：0.4 ~ 0.2μm
適用範囲：主に大量生産用
8.ホブ歯―焼入れ―研磨歯
歯車精度レベル：6 ~ 3段
歯面粗さRa：0.4 ~ 0.2μm
適用範囲：高精度歯車の歯面加工に用いられ、生産性が低く、コストが高い
9.ホブ―歯磨き
歯車精度レベル：6 ~ 3段
歯面粗さRa：0.4 ~ 0.2μm
適用範囲：高精度歯車の歯面加工に用いられ、生産性が低く、コストが高い
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歯先の加工
歯車の歯端加工には、逆円、逆尖、面取り、バリ取りなどの方式があり、下図に示す。逆円、逆尖後の歯車はシフト時に人の噛合状態に入りやすく、衝突現象を減少させる。面取りは歯端の尖ったエッジとバリを除去することができる。
歯先加工
a）逆円b）逆尖c）面取り
下図は、フィンガーフライスを用いて歯端を逆円にする加工の模式図である。逆円時、フライスは高速回転し、円弧に沿って揺動し、1つの歯を加工した後、ワークはフライスから退出し、分割を経てさらに高速にフライスに次の歯の歯端を加工する。歯端加工は歯車の焼入れ前に行わなければならず、通常は歯を転がし（挿し）た後、歯を剃る前に歯端加工を手配しなければならない。
歯端逆円
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直歯円筒歯車加工プロセス
こうせいどはぐるま
1.ブランク鍛造
2.正火熱処理
3.粗車の外形、各所の加工残量2 mm
アンカーデータム:外側の円と端面
4.精車各所、内孔至Φ84.8 H 7、長さは研削残量0.2 mmを残し、残りは寸法まで
アンカーデータム:外側の円と端面
5.検査
6.歯面を転がして切り、歯残り0.25～0.3 mm
位置決め基準：内穴と端面A
7.面取り
位置決め基準：内穴と端面A
8.仕上げバリ取り
9.歯面高周波焼入れHRC 52
10.キー溝を挿す
位置決め基準：内穴と端面A
11.研磨による大端面A
位置決め基準：内側穴
12.B面から全長に研削する
位置決め基準：端面A
13.内孔を研磨するφ85H5
位置決め基準：内穴と端面A
14.歯面研削
位置決め基準：内穴と端面A
15.検査
10.歯車加工プロセスの分析
1.位置決め基準の選択
歯車位置決め基準の選択は、歯車の構造形状によって異なることが多い。シャフト付き歯車は主にトップ位置決めを採用し、孔径が大きい場合はテーパプラグを採用する。トップ位置決めの精度が高く、基準の統一が可能です。穴付き歯車は加工歯面において常に以下の2種類の位置決め、クランプ方式を採用している。
（1）内孔と端面の位置決めはワーク内孔と端面を結合して位置決めし、歯車中心と軸方向位置を確定し、位置決め端面に面するクランプ方式を採用する。この方式は位置決め基準、設計基準、組立基準と測定基準を一致させることができ、位置決め精度が高く、量産に適している。しかし、治具の製造精度には高い要求がある。
（2）外円と端面位置決めワークと治具マンドレルの嵌合隙間が大きく、ダイヤルゲージで外円を補正して中心の位置を決定し、端面で位置決めする、他端面からクランプを施す。この方式はワークごとに校正しなければならないので、生産効率が低い、それは歯ブランクの内、外円同軸度に対して高い要求があり、治具の精度に対する要求が高くないので、単品、小ロット生産に適している。
2.歯車ブランクの加工
歯面加工前の歯車ブランク加工は、歯車加工技術全体の過程で重要な地位を占めている。歯面加工と検査に用いられる基準はこの段階で加工しなければならないからである。生産性を高めることからも、歯車の加工品質を保証することからも、歯車ブランクの加工を重視しなければならない。
歯車の技術要求の中で、歯厚の検出は歯頂円を測定基準としているため、歯頂円の寸法精度要求に注意しなければならない。歯頂円の精度が低すぎて、測定された歯厚値は歯側隙間の大きさを正確に反映できない。
したがって、このプロセスでは、次の3つの問題に注意してください。
（1）歯先円直径を測定基準とする場合、歯先円の寸法精度を厳格に制御すること
（2）位置決め端面と位置決め穴または外円の相互の垂直度を保証する
（3）歯車内孔の製造精度を高め、治具マンドレルとの嵌合隙間を小さくする