研究開発された技術紹介

本研究開発課題では、スカイビング加工における課題の解決策として、計算機シミュレーションによる完成後の歯形評価システムを導入し、要求する歯形を創成するために歯面の各部をそれぞれ異なる軸交差角・工具相対位置によって加工する多軸制御スカイビング加工法を開発した。歯面の各部分に対して、工具刃先の通過軌跡が合致する軸交差角・工具相対位置を導出する専用のCAMシステムを開発し、これを用いて複数回の工具送りで任意の歯面形状を創成する。従来工法に比べ各段に短い準備期間で量産加工を実現することを目標とする。従来の準備期間に比べ、効率と短納期を両立することが可能なことが期待される。

・スカイビング加工プロセスの事前予測技術の開発
- 任意の加工条件およびスカイビング工具切れ刃形状を与えて加工を行った場合に製造される歯車の歯面形状の推定システム
- 各工具経路での切削において切れ刃各部がワーク表面を除去する際の切込み深さの分布および変化を予測するシミュレーションシステム

・任意歯形形状創成のための加工条件探索システムの開発
- 歯形を構成する各部位ごとに異なる工具姿勢を適用することで任意の形状を持つ歯形を一般的なスカイビング工具を用いて生成する加工条件を探索するシステム

・特殊歯面形状の試作および加工条件修正システムの開発
- 切削工具の切れ刃稜線の摩耗状態を計測し、歯面形状との関係から加工条件を工具の状態に合わせて修正するシステム

・Z-Map形式の離散形状表現によるワーク形状記述システムの開発により、スカイビング工具の切れ刃通過軌跡によって除去される領域との間で各工具通過ごとの形状変化を追跡することで、歯面形状の推定を実現した

・左右の圧力角が異なる非対称歯形を加工するための諸元を探索的に探索するシステムを開発し、任意の歯形形状に対して加工用の諸元を自動的に導出することが可能となった

・直線刃を有する特殊スカイビング工具によって左右の圧力角を任意に変更した歯面を実加工する実験を実施し、左右の歯面はそれぞれ旧JIS7級および旧JIS8級の基準を満たす精度でのスカイビング加工を実現した

・自動車パワートレーン向け特殊歯車の量産加工
- 電動車の低速回転からの高トルク伝達を可能にする歯車の製造
- 惰性走行時の騒音低減を実現する特殊歯面形状歯車の製造
- パワートレーン小型化のための高強度歯車の製造

・産業用ロボット向けRV減速機用歯車の製造
- 高減速比かつ高トルクでかつコンパクトな減速機構を多関節ロボットのアーム等に提供する歯車の製造

・一般的な形状を有する歯車の量産技術への応用
- 工作機械の位置決め精度、各軸の同期精度の向上によりスカイビング加工への注目が集まる中、工具摩耗の抑制を目的とした取り組みへの応用

・多品種少量生産への対応
- 近年の自動車向け部品量産において、汎用のスカイビングカッタで様々な形状の歯形を製造

2025年度内に、中里歯車における試作歯車の迅速生産に適用し、切削後の研削工程における加工時間評価を併せて、従来のギアミル加工による試作と比べてのコスト、および加工時間の低減効果を比較し、国内自動車会社への歯形提案の準備資料を作成する予定としている。現在、産業機器および輸送機器において試作品を用いた性能の検証が進行しており、数年後の実用化を目指した研究開発がトヨタ自動車、ナブテスコ、三笠産業等の自動車会社、精機メーカー、建設機械製造業者において進んでいる。

・汎用スカイビング工具による特殊歯形向け加工条件の自動計画(想定形状精度±1μm以内)
・加工中の工具切込状態の推定による工具摩耗低減(歯面精度3級確保)
・幾何シミュレーション技術による加工準備時間の大幅な削減(1回の評価サイクルを数十分に短縮)
・事前評価結果と試験加工結果の比較による加工条件の修正および加工精度の向上(歯面精度3級確保)
・従来工法に比べ各段に短い準備期間で量産加工を実現し、効率と短納期を両立する革新的な加工技術

アドバイザーによる講評において、「加工のさらなる高精度化」「多様な歯形形状への対応」「非インボリュート歯形への対応」が各社が本研究の今後に期待する内容として挙げられ、次の段階における技術開発の目標になると考えられる。
DMG森精機からは「今後、歯車加工への要求精度はμmオーダーからサブμmオーダーに移行していく」との見解が示された。
トヨタ自動車からは「高効率・低騒音・小型化が求められており、より多様な歯形形状の実現が要求されている」との評価を得た。
ナブテスコからは「新型減速機の歯形においては、インボリュート歯形から非インボリュート歯形が主流になりつつある」との指摘があり、本プロジェクトの実現内容が今後の加工のトレンドになる可能性が高いと評価された。

・加工条件修正システムの高機能化
-工具に作用する切削抵抗および工具摩耗の加工諸元による変化を予測する機能は開発したが、これを加工条件に反映し、工具寿命の延長や加工精度の向上、加工コストの低減を実現するための工具状態計測、および計画システムの開発が必要

・切削抵抗計測システムの高精度化
-実加工と同じ加工条件下において、予測結果と計測結果との乖離が生じる場合があり、工具側の弾性変形や強制振動による切込状態の変化といった切削時現象の詳細な考慮が必要

・最適工具形状計画システムの開発
-左右で圧力角が異なるような特殊歯形の歯車においては、加工諸元と砥石形状を同時に決定する計画法が必要