JP4618837B2

JP4618837B2 - グラインディングウォームの加工方法および加工装置

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Publication number: JP4618837B2
Application number: JP2000004500A
Authority: JP
Inventors: ヴィルツヴァルター
Original assignee: ライシャウァーアーゲー
Priority date: 1999-01-15
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2020-01-13
Also published as: US6302764B1; JP2000202754A; ITTO20000024A1; DE19901338C1; IT1319769B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グラインディングウォームの加工方法および加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ギアーにおける歯車を連続してグラインドする製造方法は、大量生産する場合においては優れた最終工程であることが明らかにされている。その理由は、本製造方法が高い生産効率を有しており、また本製造方法によりグラインドされたワークピースが極めて一定の正確性をもって生産されるからである。過去においては、大抵の場合、ギアーウォームの外周に、コランダムホイール、いわゆるグラインディングウォームを形成するグラインディングツールが用いられており、当該ツールは、ギアーウォームの外周において約４０ｍ／ｓ以上のかなり速い速度で回転するものであった。
【０００３】
このような製造方法の高い生産効率は、グラインディングツールの回転スピードをより一層速くすることにより、さらに向上させることが可能である。しかしながら、ここで、問題となるのはグライディングウォームが、高速による遠心力で変形してしまうという事実である。
この変形は、回転ディスクの場合であっても生じる複雑な負荷条件によって引き起こされるだけでなく、回転軸の周囲における各々の角度位置において異なる軸方向に位置し、力が不均一にかかるグライディングウォームの外形に起因しても引き起こされる。さらに、特定の重力やグラインディングホイールの弾性率が不均一であることもまた、増大するスピードによりグラインディングウォームの形が変形する要因となっている。
したがって、高速回転しているグラインディングウォームは、その直径が回転していないときの直径よりも大きくなっているだけでなく、また一般的に円形状ではなくなっている。そして、一度確定されたグラインディングウォームの外形についても、予め予測することができないような形状を呈することになる。
しかしながら、これは基本的にすべてのグラインディング装置のツールにおいて言えることであり、この変形現象が起こるというだけで、加工スピードにおけるグラインディングディスクの有効な形状を形成する場合の妨げとは必ずしもならない。すなわち、これは遠心力によって起こる変形が、加工工程においてある程度は除去可能であるということを意味している。
【０００４】
また、グラインディングウォームの形成は、明白な理由があり、グラインドディスクを形成するよりもはるかに困難であるため、一般的にグラインディングウォームの加工工程は、極低速で行う必要がある。そのため、効果的で、正確性を有した多くの公知の製造方法があるが、その中でも最も広く知られている一つの方法は、２つのプロファイリングディスクを用いる製造工程である。すなわちダイアモンド粒により層状になった、２つのプロファイリングディスクが、旋盤上のねじ筋のカッティング工程と同様の工程でグラインディングウォームにおけるフランクを加工する製造方法である。また、別の一般的な製造方法としては、グラインディングウォームにおけるフランクのラインに沿って、特定のポイントで回転し、かつ外周にダイアモンド粒の層を有した加工ツールを接触させることにより加工する製造方法である。この製造方法は、繰り返し、ライン同士を極めて密接に配置させることにより、フランク全体が形成されるまで加工するという方法で行われる。
また、この製造方法によれば、上述した製造方法よりも一般に低速で実施しなければならないが、グラインディングウォームにおいて、フランクをある程度自在に形成することが可能である。そして、この製造方法により形成されるグラインディングウォームに対しては、フランク上の特定のポイントでグラインドされるべき歯車のフランクの各ポイントが前もって明確に割り当てられており、続いて行われるグラインディングにおいては、各ポイントが実際に接触するということ、または通常において、かみ合うポイント若しくは製造ポイントであるということが、ツールとワークピースとの間の相対運動によって保証されるものでなければならない。そして、このような製造方法を通して、連続式グラインディングプロセスにより、正確な幾何配列形状を有するギアー歯車を製造することが可能となる。
【０００５】
さらに、ドイツ特許１９６１９４０１Ｃ１には、高速でグラインディングウォームを幾何形状に加工できる製造方法が開示されている。しかしながら、この製造方法には、特定の機械装置、必要なサーボドライブの品質向上、および制御システム設計に関して多大な投資費用が必要であるという問題があった。加えて、この製造方法で用いられる仕上げツール（加工ツール）は、１つのグラインディングウォームについて、１つの特定のモジュール（ピッチ係数）を有したものしか使用できないという問題が見られた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、高速〜極高速のスピードで加工されるにもかかわらず、すなわち、遠心力による負荷がかかる加工スピードにおいて、グラインディングウォームの外形を、従来公知の低速での加工工程および試験的な加工工程において得られる正確な幾何形状の状態に加工することが可能なグラインディングウォームの加工方法、およびその加工装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、連続グラインディングするためのグラインディングウォームの加工方法において、グラインディングウォームの外形を、当該グラインディングウォームにより形成されるワークピースの必要性に応じて加工する第１工程と、前記加工により得られた前記グラインディングウォームを前記加工のときと同じスピードで回転させ、このときの遠心力によって変形した前記グラインディングウォームの外形データを、距離センサーを用いることにより非接触状態で測定する第２工程と、変形したグラインディングウォームにおけるフランク（歯型の側面）を修正および再加工するために、当該測定した外形データをコントロールデータに変換する第３工程と、グラインディング中の影響因子によって引き起こされる成形誤差を、グラインディングウォームの外形を機械処理する際の修正因子として用いてグラインディングウォームにおけるフランクを再加工する第４工程と、を含むグラインディングウォームの加工方法が提供される。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明によれば、第１工程において、修正していない状態のグラインディングウォームの外形であって、グラインドされるワークピースの形成の際に必要とされるグラインディングウォームの外形とは異なる外形を、グラインディングウォームにおけるフランクに対して適用することを特徴とするグラインディングウォームの加工方法が提供される。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の加工方法を実施するためのグラインディングウォームの加工装置であって、下記（ａ）〜（ｄ）の構成部品を含むことを特徴とするグラインディングウォームの加工装置が提供される。
（ａ）回転可能なグラインド軸であって、第１の軸の周囲を回転することが可能であり、その上にグラインディングウォームが固定されており、角度センサーを有する第１のモーターと結合しているグラインド軸、（ｂ）回転可能な加工軸であって、第２の軸の周囲を回転することが可能であり、第１の軸を中心とするグラインド軸よりも相対的に前方に出ており、第１の軸に対して、平行方向にスライド可能であり、その上に加工ディスクが固定されており、第２のモーターにより始動することが可能な加工軸、（ｃ）グラインディングウォームが加工のときと同じスピードで回転しているときに、該グラインディングウォームの外形データを非接触状態で測定するための測定装置、（ｄ）測定装置により得られる外形データを、グラインド軸と加工ディスクとの間の相対運動を制御するための修正因子へと変換するためのＮＣ制御装置。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明によれば、測定装置が、スライド可能かつ非接触測定可能な距離センサーを含み、当該距離センサーは、グラインド軸と相対関係にある第１の軸に対して平行方向に移動可能であって、グラインディングウォームの加工全長にわたって両側のフランクを測定することを特徴とするグラインディングウォームの加工装置が提供される。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明によれば、測定装置における距離センサーが、光学レーザーセンサーであることを特徴とするグラインディングウォームの加工装置が提供される。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明によれば、測定装置における距離センサーが、加工ディスクに隣接して取り付けられていることを特徴とするグラインディングウォームの加工装置が提供される。
【００１３】
【発明の実施形態】
［第１の実施形態］
第１の実施形態におけるグラインディングウォームの加工方法は、順次に実施される以下の４つの工程（第１〜第４工程）を含んでいる。
（１）第１工程グラインドされるギアー歯車についてのフランクの形成に関する公知方法によって、グラインディングウォームを加工する工程である。
【００１４】
（２）第２工程加工スピードにおいて回転しているグラインディングウォームの外形全体を測定する工程である。この工程での外形データの測定は、例えば、光学レーザー距離スキャニング法、もしくはそれに類似するような非接触の測定系による直接的な測定によって行うことが好ましい（第１の方法と称する場合がある。）。またサンプル（見本）としてのワークピースをグラインドし、その外形について測定を行う間接的な方法によっても行うことも好ましい（第２の方法と称する場合がある。）。なお、いずれの測定の場合でも、すべての測定結果について、表あるいは一連のデータとなり、かかるデータは、グラインディングウォームのフランクの表面ポイントにおいて、十分な微小距離でお互いに分散しており、すなわち、正確な座標データを含んでいることになる。
【００１５】
（３）第３工程グラインディングウォームの外形を修正、再加工する加工装置のために、外形に関する測定データをコントロールデータへと変換する工程である。ここで変換されたデータは、データ変換の第１段階において、ワークピースである歯車の特定の幾何形状に基づいて、グラインディングウォームにおけるフランクの幾何形状を決定するものでなければならない。また、データ変換の第２段階において、グラインディングウォームにおけるフランクの特定データと測定の実測値との間の差を決定するものでなければならない。さらに、データ変換の第３段階において、加工装置が必要とする動作をするための修正されたコントロールデータを、上記差を用いて決定しなければならない。
【００１６】
（４）第４工程グラインディングウォームの外形を、第３工程で新たに算出したコントロールデータを用いて再加工（仕上げ）する工程である。ここでは新たに算出したデータとして、以前に決定された形態の誤差を、グラインディングウォームを仕上げる際の修正因子として用いることにより、加工スピードにおける望ましい形状のグラインディングウォームを得ることができる。
【００１７】
第１の実施形態において、加工スピードにおけるグラインディングウォームの外形データを測定することは、この加工方法を実施する上で、大変な重要性を有している。
そして、上述したように、グラインディングウォームの外形データを直接的に測定する第１の方法の場合には、例えば、レーザーのような光学的な手法を用いて測定することが好ましい。かかる測定によれば、比較的早く終了させることが可能であり、ここで得られるデータは、その後の製造工程において容易に利用することが可能である。
なお、鋭敏に反応する測定装置を用いて、グラインディングウォームにおけるフランクが比較的粗く、測定値を注意深く選別する必要があるグラインディングウォームを直接的に測定する場合には、多少の困難性が生じる場合がある。
【００１８】
一方、若干コストが多くかかるものの、サンプルとしてのワークピースを用いる間接的な第２の方法を採用し、ワークピースの測定データをフィードバックしてグラインディングウォームのフランクを測定することも好ましい。したがって、適切かつ十分に幅広のサンプルとしての歯車ホイールを、当該歯車ホイールの歯車の弾性率、歯車数、かみ合わせの角度およびピッチ角度に対応したワークピ−スとして、連続シフトグラインディング法を用いてグラインドして形成することが好ましい。その結果、グラインディングウォームの外形全体が、サンプルとしての歯車ホイール上に、完成したギアー歯車の幅に基づいて正確に複製されることになる。
なお、このような複製は、グラインディングしている間に、グラインディングウォームにおける全可動経路が、サンプルホイールとしての歯車ホイール上のギアー歯車の歯巾に、グラインディングと同時に実施される場合に達成される。したがって、このような複製を実施する場合に、複製条件として、グラインディングツールにおける加工スピードと同様である特定の加工スピードを維持しなければならない。
【００１９】
また、間接的に測定する第２の方法において、グラインドされて得られたサンプルとしてのホイールが有する歯車のフランク部分は、変形した形状中に、グラインディングウォームの実際の幾何形状を含んでいる。これは、遠心力によって起こるグラインディングツールの予測不可能な形状が、サンプルとしてのギアー歯車に複製されることを意味している。そして、これにより、グラインディングウォームにおいて、歯車のフランク部分を測定する機械により測定が可能となる。
【００２０】
また、サンプルとしてのワークピースを用いて間接的に測定する第２の測定方法は、グラインディングウォームの外形を直接的に測定する第１の測定方法よりもコスト的に若干高くなったとしても、遠心力によるグラインディングウォームの幾何形状の歪み、非円形状態のグラインディングウォーム、グラインディングウォームの外形の歪み、ピッチ角度の変化等への対応を考慮すれば、優れた利点を有していると言える。
また、第２の測定方法は、かみ合わせ時の衝撃、グラインディングする他の歯車のルート部分、冷却用の潤滑油、または機械誤差のような技術的要因に基づく、グラインドされた歯車のフランク表面の本来の状態からのばらつきをも考慮していることからすれば、さらに優れた利点を有しているとも言える。
換言すると、第２の測定方法では、考えられる全ての誤差がグラインディングの過程で起こるが、それに対応して望ましくないこれらの誤差やばらつきを補填および除去することが可能であるということである。したがって、第２の測定方法によれば、上述した第３の工程を経て、第４の工程において、グラインディングウォームを低速で仕上げしなければならなかったとしても、次工程としてのギアー歯車の生産においては、得られたグラインディングウォームを用いて高速で処理することができ、結果として、高い生産効率と正確性とを備えた状態でギアー歯車を仕上げることが可能である。
【００２１】
［第２の実施形態］
次ぎに、図面を参照しながら、上述した加工方法を実施するための新機軸のグラインディングウォームの加工装置に関する第２の実施形態を説明する。ここで、図１および図２は、それぞれグラインディングウォームの直接的および間接的な測定に関する実施形態について示すものである。
【００２２】
まず、図１は、グラインディングウォーム１１の加工装置１０を示すものである。この加工装置１０については、例えば、ドイツ特許197 06 867.7の記載内容に準じて設計することが可能である。
そして、この加工装置１０は、クロススライド（ＸＹ方向スライド）を含んでおり、第１のスライド１２が、グラインディング軸１６の軸（軸方向）１５に対して垂直方向に設けてあるガイド１３であって、支持台（マシーンベース）１４上に設けてあるガイド１３に沿って移動可能としてある。また、グラインディングウォーム１１は、グラインディング軸１６に対して固定されている一方、このグラインディング軸１６は、モーター１７により駆動可能としてあり、さらに角度センサー１８と結合してある。
また、クロススライドにおける第２のスライド２０は、この例では、第１のスライド１２の上方に位置しており、軸１５に対して平行に設けてあるガイド１９に沿って移動可能としてある。
これら第１のスライド１２および第２のスライド２０は、それぞれモーター２１および２２によって移動が可能であり、さらに、両モーター２１および２２は、それぞれストロークセンサー２３および２４を具備している。また、加工用モーター２５が、第２のスライド２０上に取りつけられており、加工ディスク２７が固定された加工軸２６を駆動することができるように構成してある。そして、この加工軸２６は、ガイド１３および１９に対して垂直方向に位置している軸２８に対して回転可能としてある（ドイツ特許１９７０６８６７．７参照）。
【００２３】
また、最大のグラインディングスピードにおいて、グラインディングウォーム１１の両方のフランク（側面）３６を、非接触下で測定することが可能な測定装置３５が、さらに第２のスライド２０に取りつけられている。この測定装置３５は、対応する光学系とともに、パルスレーザー３７および光トランジスター３８を含んで構成することが好ましい。例えば、図１には、光学的精度が極めて高い測定装置３５に含まれるパルスレーザー３７および光トランジスター３８の２つがお互いに隣り合わせの位置関係になるように配置されている。
しかしながら、光学系については、例えば、半分が透明の鏡（ハーフミラー）を介して、透過インパルスと、受容インパルスとが同軸となるような様式で設計してあることも好ましい。
【００２４】
また、加工モーター２５および加工装置３５と同様に、サーボモーター１７、２１、２２、ストロークセンサー２３、２４および角度センサー１８のすべてが、コントロール装置３９に対して電気的に連結されている。
なお、加工装置１０、およびこの加工装置１０に含まれる測定装置３５の機能や内容については、第１の実施形態であるグラインディングウォームの加工方法における内容と同様とすることができる。
【００２５】
また、図１に示した内容と若干異なるものの、グラインディングウォーム１１と加工ディスク２７とが相対的な運動を行えるように、グラインディング軸１６および加工軸２６を、それぞれクロススライド上に強固に取りつけておくことも好ましい。このように構成すると、ワークピースのグラインディング中に、グラインディングウォーム１１を軸１５に対して、平行方向および垂直方向にそれぞれ移動することが可能であり、上述したすべての利点を有することができる。
したがって、このように構成すると、ドイツ特許196 25 370.5において述べられているように、装置における同一のＮＣ軸を、グラインディングウォームの仕上げだけでなく、グラインディング自体を目的として使用することが可能である。
【００２６】
また、図２は、グラインディングウォーム１１を間接的に測定する装置（測定ユニット）４８を示している。この測定装置４８において、サンプルとしての歯車ホイール(以下、ホイールと称する。)４５が、最初にグラインディングウォーム１１によって最大のグラインディングスピードでグラインドして形成される。なお、このホイール４５は、グラインディングウォーム１１により最終的にグラインドされて形成されるワークピースよりも幅広のものであることが好ましい。
【００２７】
そして、このホイール４５は、ワークピースを形成するのと異なる状態でグラインドされることになる。例えば、ワークピースをグラインディングして形成する場合には、そのグラインディングが行われている間、グラインディングウォーム１１における幅全体４６の部分について、粗いグラインディングが施される。また、別の部分については、いくつかのワークピースにおいて、より細やかなグラインディングを施すために使用される。さらにそれ以外の部分（第３の部分と称する場合がある。）については、さらに別のいくつかのワークピースにおいて、細やかなグラインディングを施すために使用される。
【００２８】
それに対して、ホイール４５をグラインディングして形成する場合には、グラインディングする間、ホイール４５の連続移動がグラインド軸の軸方向１５に対して平行方向およびグラインディングウォーム１１の幅全体４６と交差する方向にそれぞれ行われ、同時に、ホイール４５は、グラインディングウォーム１１に対して相対的位置にある軸に沿って移動し、さらにホイール４５の幅全体をグラインディング加工することになる。
したがって、このようにして、グラインディングウォームのフランク３６の各ポイントにおいて、ホイール４５の歯車のフランク部分４７に対して、正確にかみ合うポイントを有することになる。
【００２９】
また、ホイール４５の測定装置４８としては、一般的に公知のものを使用することが可能である。例えば、かかる測定装置としては、容易に入手が可能であって、歯車のフランク部分を測定する機械であるホフラー社（Hofler Company）製のＺＰ２５０が一例として挙げられる。図２に例示した測定装置４８において、ホイール４５は、測定軸４９上に固定されている。この測定軸４９は、角度センサー５１を有するサーボモータ５０により、測定軸５２の周囲を回転することが可能としてある。
【００３０】
また、測定装置４８は、トレーサーピン５４を有する測定トレーサー５３を含んでおり、この測定トレーサー５３は、歯車のフランク部分４７のすべてをポイントごとにトレースすることが可能に構成してある。また、測定トレーサー５３は、スライド５５の上部に取りつけられており、このスライド５５は、測定軸５２に対してガイド５６の範囲内での移動が可能としてある。また、スライド５５は、ストロークセンサー５８を有したサーボモーター５７により駆動することが可能としてある。なお、サーボモーター５０、５７、角度センサー５１、ストロークセンサー５８、および測定トレーサー５３についても、図１に示す構成と同様に、それぞれコントロール装置３９に対して電気的に連結してある。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、加工スピードにおける極めて正確な歯車におけるフランクのグラインディングを可能とし、コスト的にも有効なグラインディングウォームの加工方法および加工装置を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】グラインディングウォームの直接的測定に関する実施形態を説明するための図である。
【図２】グラインディングウォームの間接的測定に関する実施形態を説明するための図である。
【符号の説明】
１０加工装置
１１グラインディングウォーム
１５第１の軸
１６グラインド軸
１７第１のモーター
１８角度センサー
２５第２のモーター
２６加工軸
２７加工ディスク
３６フランク（歯型の側面）
３５測定装置
３９ＮＣ制御装置（コントロール装置）
４５サンプルホイール
４８測定ユニット（測定装置）
５３測定トレーサー
５４トレーサーピン

Claims

ワークピースを連続グラインディングするためのグラインディングウォームの加工方法において、
前記グラインディングウォームの外形を、当該グラインディングウォームにより形成される前記ワークピースの形状に応じて加工する第１工程と、
前記加工により得られた前記グラインディングウォームを前記加工のときと同じスピードで回転させ、このときの遠心力によって変形した前記グラインディングウォームの外形データを、距離センサーを用いることにより非接触状態で測定する第２工程と、
前記ワークピースの形状に基づいて、変形した前記グラインディングウォームにおけるフランクを修正および再加工するために、当該測定した外形データをコントロールデータに変換する第３工程と、
グラインディング中の影響因子によって引き起こされる成形誤差を、前記グラインディングウォームの外形を機械処理する際の修正因子として用いて、前記グラインディングウォームにおけるフランクを再加工する第４工程と、
を含むグラインディングウォームの加工方法。
前記第１工程において、修正していない状態のグラインディングウォームの外形であって、グラインドされるワークピースの形成において必要とされるグラインディングウォームの外形とは異なる外形を、グラインディングウォームにおけるフランクに対して適用することを特徴とする請求項１に記載のグラインディングウォームの加工方法。
請求項１に記載の加工方法を実施するためのグラインディングウォームの加工装置であって、下記（ａ）〜（ｄ）の構成部品を含むことを特徴とするグラインディングウォームの加工装置。
（ａ）回転可能なグラインド軸（１６）であって、第１の軸（１５）の周囲を回転することが可能であり、その上にグラインディングウォーム（１１）が固定されており、角度センサー（１８）を有する第１のモーター（１７）と結合しているグラインド軸（１６）、
（ｂ）回転可能な加工軸（２６）であって、第２の軸の周囲を回転することが可能であり、第１の軸（１５）を中心とするグラインド軸(１６)よりも相対的に前方に出ており、第１の軸（１５）に対して、平行方向にスライド可能であり、その上に加工ディスク（２７）が固定されており、第２のモーター（２５）により始動することが可能な加工軸（２６）、
（ｃ）グラインディングウォーム（１１）が加工のときと同じスピードで回転しているときに、該グラインディングウォーム（１１）の外形データを非接触状態で測定するための測定装置（３５）、
（ｄ）前記測定装置（３５）により得られる外形データを、前記ワークピースの形状に基づいて、グラインド軸（１６）と加工ディスク（２７）との間の相対運動を制御するための修正因子へと変換するためのＮＣ制御装置（３９）。
前記測定装置（３５）が、スライド可能かつ非接触測定可能な距離センサーを含み、当該距離センサーは、グラインド軸（１６）と相対関係にある第１の軸（１５）に対して平行方向に移動可能であって、グラインディングウォーム（１１）の加工全長にわたって両側のフランク（３６）を測定することを特徴とする請求項３に記載のグラインディングウォームの加工装置。
前記測定装置（３５）における距離センサーが、光学レーザーセンサーであることを特徴とする請求項４に記載のグラインディングウォームの加工装置。
前記測定装置（３５）における距離センサーが、加工ディスク（２７）に隣接して取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のグラインディングウォームの加工装置。