JP2002046030A - 傘状歯車の製造方法，傘状歯車用素材および傘状歯車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハイポイドギヤの大歯車の製造能率を向上さ
せるとともに、疲労強度を向上させる。 【解決手段】 荒素材を鍛造して歯車用素材３０を成形
する。その際、歯車用素材３０の歯先面８４の端部９２
等に丸み部を設けるとともに、歯底部１１０を歯底面１
１４と凹曲面１１６と抜き勾配面１１２とを有するもの
とする。仕上げ加工において、取代１０４を切削除去す
れば、歯面１０２が凹曲面１１６に滑らかにつながり、
かつ、端部９２の丸み部の一部が残って面取りとして機
能するように各部の形状，寸法を選定する。凹曲面１１
６と歯底面１１４とが鍛造時に形成された表皮部を有
し、かつ、段部がないため、疲労強度が向上する。ま
た、端部９２等に専用の加工装置で面取りを施す必要が
なくなり、製造能率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハイポイドギヤ，
傘歯車等、傘状歯車の製造方法，傘状歯車用素材および
傘状歯車に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】傘状歯車を製造する際、荒歯切り，仕上
歯切り，歯端面の面取り，歯先面の面取り等、歯の周辺
は機械加工されるのが普通である。荒歯切りされた中間
製品に対応する形状の傘状歯車素材を鍛造等の成形によ
り製造することも提案されているが、この方法は、荒歯
切り工程をそのまま成形工程に変えたものであり、仕上
歯切り，歯端面の面取り，歯先面の面取り等は、従来通
り行うものである。このように、荒歯切りされた中間製
品や、成形された素材の歯端面や歯先面の面取りを機械
加工で行うためには、専用の加工機械や切削工程を必要
とし、傘状歯車の製造コスト上昇の一因となっていた。

【０００３】また、荒歯切りおよび仕上歯切りにより歯
面が形成された傘状歯車の歯底部には、荒歯切りにより
形成された歯底面と、仕上歯切りにより形成された歯面
との境界部に段部が残る。この点は、荒歯切り工程をそ
のまま成形工程に変えた製造方法においても同じであ
る。歯底部は、傘状歯車の使用時に大きな応力が作用す
る部分であり、その歯底部に存在する段部は傘状歯車の
強度に悪影響を及ぼす。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題，課題解決手段および効
果】本発明は、以上の事情を背景とし、傘状歯車の製造
方法を改良し、製造コスト低減と傘状歯車の強度増大と
の少なくとも一方を達成することを課題としてなされた
ものであり、本発明によって、下記各態様の傘状歯車の
製造方法および傘状歯車用素材および傘状歯車が得られ
る。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号
を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記
載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にする
ためであり、本明細書に記載の技術的特徴およびそれら
の組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解
釈されるべきではない。また、一つの項に複数の事項が
記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採
用しなければならないわけではない。一部の事項のみを
選択して採用することも可能なのである。

【０００５】（１）各歯の大端側鋭角部，小端側鋭角部
および歯先面両縁部の少なくとも一つに、丸み部を形成
した傘状歯車用素材を成形により製造する成形工程と、
その成形工程で製造された傘状歯車用素材に機械加工を
施し、前記丸み部の一部を加工しないまま残して、大端
側鋭角部の面取り，小端側鋭角部の面取り，歯先面取り
の少なくとも一つとして機能する傘状歯車を製造する機
械加工工程とを含む傘状歯車の製造方法（請求項１）。
このように、傘状歯車用素材の大端側鋭角部，小端側鋭
角部および歯先面両縁部の少なくとも一つを含む角部に
丸み部を形成し、機械加工工程において、その丸み部の
少なくとも一部を加工しないまま残して、大端側鋭角部
の面取り，小端側鋭角部の面取り，歯先面取りの少なく
とも一つとして機能させれば、面取りの少なくとも一部
の機械加工工程を省略することができ、傘状歯車の製造
コストを低減することができる。なお、各歯の両端部に
おける鈍角部に丸み部を形成し、面取りとして機能させ
ることも可能である。本発明は、歯面形状が複雑でかつ
高精度が要求されるハイポイドギヤや曲がり歯傘歯車の
製造に特に適しているが、歯が曲がっていない通常の傘
歯車の製造にも適用可能である。 （２）歯面に取り代を付けるとともに、その取り代が機
械加工により切除されることによって形成される歯面と
歯底面とを滑らかにつなぐこととなる曲面を形成した傘
状歯車用素材を成形により製造する成形工程と、その成
形工程で製造された傘状歯車用素材の前記取り代を機械
加工により切除して歯面を形成するととともに、前記曲
面および前記歯底面を加工しないまま残し、それら残さ
れた曲面および歯底面が、機械加工された歯面と滑らか
につながった傘状歯車を製造する機械加工工程とを含む
傘状歯車の製造方法（請求項２）。このように、傘状歯
車の歯底面の機械加工を省略し、かつ、その歯底面と機
械加工により形成される歯面とを滑らかにつなぐことと
なる曲面を傘状歯車素材に形成すれば、傘状歯車の製造
コスト低減と強度増大との両方を達成することができ
る。歯底面の機械加工の省略により製造コストを低減し
得、かつ、歯面と歯底面とが曲面により滑らかにつなが
れた歯底部は、前記段部を有する歯底部に比較して応力
集中が良好に回避され、傘状歯車の強度が向上するので
ある。また、歯底面と曲面とは機械加工されていないた
め、鍛造などの場合成形品の表面近傍の緻密な金属組織
がそのまま残されることとなり、機械加工されたものに
比較して疲労強度に優れた傘状歯車が得られる。前記
(1)項の特徴を本項の傘状歯車製造方法に適用すること
が可能である。 （３）前記成形工程が、前記傘状歯車用素材を鍛造する
工程である (1)項または(2)項に記載の傘状歯車の製造
方法。 （４）前記傘状歯車が、ハイポイドギヤの大歯車である
(1)項ないし (3)項のいずれか一つに記載の傘状歯車の
製造方法。 （５）成形によって製造され、機械加工により傘状歯車
とされる傘状歯車用素材であって、各歯の大端側鋭角
部，小端側鋭角部および歯先面両縁部の少なくとも一つ
に、製品となった場合にそのまま残されて、各歯の大端
側鋭角部の面取り，小端側鋭角部の面取りおよび歯先面
取りに変わる丸み部が形成された傘状歯車用素材。 （６）歯面に取り代が付けられる一方、歯底面には取り
代が付けられず、前記取り代が機械加工により切除され
ることによって形成される歯面と機械加工されないで残
された歯底面とを滑らかにつなぐこととなる曲面を備
え、かつ、成形により製造された傘状歯車用素材。上記
(5)項の特徴を本項の傘状歯車用素材に採用することが
可能である。 （７）歯底面と、その歯底面に滑らかにつながった凹曲
面と、その凹曲面に滑らかにつながるとともに抜き勾配
が付けられた抜き勾配面と、製品の歯面に取り代が付け
られた素材歯面であって前記抜き勾配面につながるもの
とを備え、成形により製造された傘状歯車用素材（請求
項３）。上記素材歯面を上記取り代分だけ機械加工して
歯面を形成すれば、その歯面は、機械加工されていない
曲面により、同じく機械加工されていない歯底面に滑ら
かにつながれた状態となる。また、抜き勾配面は、傘状
歯車用素材の成形時に、型からの素材の取り出しを容易
にする役割を果たし、その後、素材歯面の機械加工によ
り消滅する。本項の傘状歯車用素材は、前記 (2)項に記
載の傘状歯車の製造方法の実施に特に適したものであ
る。前記 (5)項の特徴を本項の傘状歯車用素材に採用す
ることが可能である。 （８）各歯の歯面は機械加工されているが、大端側鋭角
部，小端側鋭角部および歯先面両縁部の各面取りの少な
くとも一つが機械加工されていない傘状歯車（請求項
４）。 （９）歯面と歯底面とそれら歯面と歯底面とを滑らかに
つなぐ曲面とを備え、歯面が機械加工されており、歯底
と曲面とが機械加工されていない傘状歯車（請求項
５）。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１および図２に、本発明の一実
施形態である歯車加工方法を実施するのに好適な歯車加
工システムを示す。本歯車加工システムは、荒素材を鍛
造して歯車用素材を製造する鍛造装置１０と、成形され
た歯車用素材に切削加工を実施することにより仕上げを
行う仕上げ加工装置１２とを含む。この歯車加工システ
ムは、ハイポイドギヤの大歯車であって右ねじれの曲が
り歯を有するものを加工するものである。鍛造装置１０
により製造される歯車用素材は、本発明に係る傘状歯車
用素材の一例であり、仕上げ加工装置１２により仕上げ
加工され、さらに熱処理やラップ加工などが施されたハ
イポイドギヤ（大歯車）は、本発明に係る傘状歯車の一
例である。

【０００７】鍛造装置１０は歯車用素材を製造するため
のものであり、その構造自体はよく知られたものである
ため簡単に説明する。鍛造装置１０は互いに共同して鍛
造型１４を構成する上型１６および下型１８と、それら
上型１６と下型１８とを必要な型打荷重で作動させる型
打装置２０とを備えている。上型１６と下型１８とに
は、歯車用素材に成形すべき荒素材を鍛造により加工す
べき形状がインプレッションとして彫り込まれている。
歯車用素材の形状が中心軸に直角な一平面により２分割
され、分割された各形状が上型１６と下型１８とにそれ
ぞれ彫り込まれているのである。鍛造は熱間，温間およ
び冷間のいずれでも行うことができる。

【０００８】このように構成された鍛造装置１０におい
ては、まず、上型１６と下型１８とが開かれている状態
でそれらの内部に荒地形状を有する荒素材がセットされ
る。次に、上型１６と下型１８とが型打装置２０により
繰り返し接近，離間させられることにより、荒素材が適
当な塑性変形を受けて歯車用素材に成形される。なお図
示は省略するが、型打装置２０には、上型１６と下型１
８との接近、離間を案内するガイド部が設けられ、上型
１６と下型１８との心ずれ防止される。

【０００９】次に、図２に基づいて仕上げ加工装置１２
を説明する。仕上げ加工装置１２は、鍛造装置１０によ
り成形された歯車用素材３０の歯面を機械加工して歯車
を作成する。この仕上げ加工装置１２は、特願２０００
−１０５１８５号に記載されているものとほぼ同じであ
るので、簡単に説明する。仕上げ加工装置１２において
は、装置本体３２に工具主軸台３４と工作物主軸台３６
とがそれぞれ相対移動可能に支持されている。工具主軸
台３４は、装置本体３２上に形成された水平面に平行な
第一方向（以下、Ｘ軸方向と称する）に移動する第一移
動台３８を備えている。その第一移動台３８にコラム４
０が立設され、コラム４０の側面に形成され垂直方向
(Ｙ軸方向）に延びる一対のガイドレール４２と、昇降
モータ４４とにより工具主軸４６を支持するハウジング
４８がＹ軸方向に移動させられる。ハウジング４８は、
工具主軸４６を軸線まわりに回転可能に、かつ、軸方向
(Ｘ軸方向) に相対移動可能に支持しており、工具主軸
４６を回転させる回転駆動モータ５０と軸方向に移動さ
せる軸方向駆動モータ５２とが設けられている。それら
昇降モータ４４と回転駆動モータ５０と軸方向駆動モー
タ５２とが、図示しない制御装置により制御されて、工
具主軸４６が軸線まわりに回転しつつ、Ｘ軸方向とＹ軸
方向とに移動することができる。

【００１０】これに対して工作物主軸台３６は、装置本
体３２上に、水平面内においてＸ軸方向と直交するＺ軸
方向に相対移動可能に設けられた第二移動台６０と、そ
の第二移動台６０に設けられ垂直軸線まわりに相対回転
可能な旋回台６２とを含み、装置本体３２に設けられた
駆動モータ６４と、 旋回台６２上に設けられた旋回モー
タ６６とによりそれぞれが運動させられる。工作物主軸
６８がその旋回台６２に水平な軸線まわりに回転可能に
支持され、主軸回転モータ７０により回転させられる。
以上の結果、工作物主軸６８は、水平な軸線まわりの回
転と、Ｚ軸方向移動と、垂直軸線まわりの旋回とが可能
となっている。この仕上げ加工装置１２によれば、上記
４つの運動要素と、各主軸４６，６８の軸線まわりの回
転とを組み合わせることにより、成形歯切加工と創成歯
切加工との両方を実施することができる。前述の鍛造装
置１０により成形された歯車用素材３０を工作物主軸６
８に取り付けて、機械加工を実施し、歯車の歯面を切削
加工するのである。

【００１１】次に、鍛造装置１０により成形される歯車
用素材３０の形状について詳細に説明する。図３には、
理解を簡単にするために歯車用素材３０の歯が１つだけ
示されている。歯車用素材３０の形状は、完成品である
ハイポイドギヤの大歯車とほぼ一致しており、そのよう
な大歯車の形状については、一般に良く知られているの
で、図示および詳細な説明を省略する。

【００１２】歯車用素材３０の歯７８は、図３に示すよ
うに、回転方向（図において、歯の奥に位置する回転中
心に対して時計回り方向）の前側（図において歯の左
側）に位置する中凹の凹側歯面８０と、後ろ側の中凸の
凸側歯面８２とを備え、それら２つの歯面８０，８２の
間において、各歯面８０，８２の先端部に連続する歯先
面８４を有する。歯７８はさらに、歯車用素材３０の回
転中心側（図において奥側）に面する小端側端面８６と
回転の外側（図において手前側）に面する大端側端面８
８とを有する。本歯車用素材３０においては、上記のよ
うに形成される歯７８の各面８０〜８８の境界部に丸み
を有する丸み部が形成されている。具体的には、歯先面
の幅方向の両端部９０，９２と、凹側歯面８０と大端側
端面８８との境界部である大端側鋭角部９４と、凸側歯
面８２と小端側端面８６との境界部である小端側鋭角部
９６とに丸み部が形成されている。また、大端側端面８
８と凸側歯面８２との境界部である大端側鈍角部９８
と、小端側端面８６と凹側歯面８０との境界部である小
端側鈍角部１００とにも丸み部が形成されている。これ
ら丸み部の横断面形状は、一定の半径を有する円弧で画
定され、各丸み部の両側に位置する歯面８０，８２と歯
先面８４、大端側端面８８と凹側歯面８０、小端側端面
８６と凸側歯面８２、大端側端面８８と凸側歯面８２、
および小端側端面８６と凹側歯面８０の各々を滑らかに
つなぐように形成されている。これら丸み部は、後に仕
上げ加工により取代が取り除かれた後であっても、丸み
部の一部が残り、ハイポイドギヤの大歯車の面取りとし
て機能する大きさで形成されている。

【００１３】図４および図５に示すように、歯車用素材
３０の凹側歯面８０は製品である歯車の歯面１０２に、
取代１０４が付けられたものであって、仕上げ加工装置
１２により成形される歯面１０２の傾きα₁ と平行に傾
斜して形成されている。取代１０４の厚さは、鍛造によ
り成形される凹側歯面８０全体の表皮部を切削により除
去するのに十分な厚さとされている。なお、図には、製
品である歯車の歯面１０２が二点鎖線で示されている

【００１４】次に、歯車用素材３０の歯底部１１０の形
状を説明する。歯底部１１０は、図５に拡大して示すよ
うに、凹側歯面８０に連続して形成されて抜き勾配α₂
で傾斜する抜き勾配面１１２と、歯底面１１４と、それ
ら抜き勾配面１１２と歯底面１１４とを滑らかにつなぐ
凹曲面１１６とを有している。抜き勾配α₂ は、歯車用
素材３０を鍛造後に鍛造型１４から取り出すことを可能
にするために付けられる勾配である。歯底部１１０の形
状は、歯底部１１０の長手方向に対してほぼ対象であ
り、歯底部１１０の凸側歯面８２側の部分と凸側歯面８
２とも実質的に同様に形成されている。抜き勾配面１２
０と歯底面１１４とが凹曲面１２２によって滑らかにつ
ながれており、大歯車の歯面１２４に取代１２６が付け
られて凸側歯面８２とされているのである。

【００１５】このように形成された歯車用素材３０の歯
切基準面，基準穴等が旋盤によって切削加工された後、
仕上げ加工装置１２によって仕上げ加工される。歯車用
素材３０が工作物主軸６８に取り付けられ、歯切工具と
しての正面フライス型カッタ１３０が工具主軸４６に取
り付けられて、歯車用素材３０とカッタ１３０とに歯切
に必要な相対運動が付与され、前記取代１０４，１２６
が切削除去されて歯面１０２，１２４が形成される。そ
の際、取代１０４，１２６が除去されれば、抜き勾配面
１１２，１２０と、凹曲面１１６，１２２の抜き勾配面
１１２，１２０につながる部分とが消滅し、歯面１０
２，１２４が丁度凹曲面１１６，１２２に滑らかにつな
がる状態となる。取代１０４，１２６，抜き勾配面１１
２，１２０および凹曲面１１６，１２２がそのように選
定されているのである。なお、歯面１０２，１２４と凹
曲面１１６，１２２との境界に僅かでも段部が形成され
ることは望ましくないため、歯車用素材３０の寸法公差
は、凹曲面１１６，１２２の抜き勾配面１１２，１２０
につながる部分が僅かに残るように決定されることが望
ましい。

【００１６】本発明に従った上記ハイポイドギヤの大歯
車の製造方法と比較するために、第６図に従来の製造方
法を示す。従来は、荒加工時に取代２０２を有して傾き
α₁で傾斜する荒歯面２００が形成され、仕上げ加工時
に、取代２０２だけ荒歯面２００が機械加工されて歯面
２０４が形成されていた。この加工方法においては、荒
加工時には、歯底部２０６が、歯底面２０８と、その歯
底面２０８を荒歯面２００に滑らかにつなぐ凹曲面２１
０とにより形成されるが、仕上げ加工時には荒歯面２０
０にのみ切削加工が施されて、歯底部２０６は荒加工時
の状態のままとされる。そのため、仕上げ加工が実施さ
れた部分と荒加工のままの部分との境界部に取代２０２
分の大きさを有する段部２１２が形成されることとな
り、その段部２１２がハイポイドギヤ（大歯車）の強度
（特に、疲労強度）に悪影響を及ぼしていた。段部２１
２の隅に応力集中が生じ、疲労強度が低下させられるの
である。

【００１７】それに対し、本実施形態の製造方法によっ
て製造されたハイポイドギヤ（大歯車）には、上記段部
２１２が存在しないため、ハイポイドギヤ（大歯車）の
疲労強度（耐久性）が著しく向上する。また、歯底部１
１０の歯底面１１４と凹曲面１１６とが切削加工され
ず、鍛造により成形されたままとされるので、その点か
らも疲労強度が向上し、かつ、切削加工に要する時間が
短縮される。さらに、図５に歯先面の一端部９２を代表
的に示すように、歯先面８４の両端部９０，９２と、大
端側鋭角部９４と、小端側鋭角部９６と、大端側鈍角部
９８と、小端側鈍角部１００とに形成された丸み部が仕
上げ加工時に部分的に残されて鍛造により成形されたま
まとされて、面取りとして機能させられるため、切削加
工に要する時間が短縮される。従来は、専用の加工装置
により加工することが必要であったのに比較して、ハイ
ポイドギヤ（大歯車）の仕上げ加工時間が著しく短縮さ
れ、かつ、設備コストが低減させられるのである。

【００１８】本実施形態においては、大端および小端の
鋭角部９４，９６と鈍角部９８，１００と歯先面８４の
両端側９０，９２との全てに丸み部が形成されている
が、それらのうち少なくとも１つに丸み部を形成すれ
ば、その部分において本発明の効果が得られる。例え
ば、大端側鋭角部９４と小端側鋭角部９６とにのみ丸み
部を形成し、それ以外の部分であって端面と歯面とが鈍
角で交差する鈍角部９８，１００については特に丸み部
を形成しないのである。これらの部分は、鍛造型１４の
製造上、あるいは使用上必要な丸みを形成すれば十分で
あり、特に面取りとして機能させるための丸み部を形成
しなくてもよいのである。

【００１９】また、各丸み部の形状は、半径が一定の円
弧により画定されるものに限らず、例えば、半径が徐変
する曲線の集合であってもよいし、２以上の異なる半径
を有する円弧の集合として形成されてもよい。後者の代
表的な一例は、曲率半径が大きい円弧により画定される
中央部と、その両側の曲率半径の小さい円弧により画定
される両側部とから成る曲面である。

【００２０】以上説明した実施形態は本発明の例示に過
ぎず、本発明は、前記〔発明が解決しようとする課題，
課題解決手段および効果〕の項に記載された態様を始め
として、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施
した形態で実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における歯車用素材を製造
する鍛造装置を簡略に示す断面図である。

【図２】上記歯車用素材に仕上げ加工を実施して歯車を
製造する仕上げ装置を簡略に示す平面図である。

【図３】上記歯車用素材の一部を示す斜視図である。

【図４】上記歯車用素材の別の一部を示す側面断面図で
ある。

【図５】図４に示す歯車用素材の要部を拡大して示す側
面断面図である。

【図６】従来の歯車製造方法を説明するための側面断面
図である。

【符号の説明】

１０：鍛造装置 １２：仕上げ加工装置 １
４：鍛造型 ８０：凹側歯面 ８２：凸側歯面
１０２，１２４：歯面 １０４，１２６：取
代 １１０：歯底部 １１２，１２０：抜き勾
配面 １１４：歯底面 １１６，１２２：凹曲
面

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Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各歯の大端側鋭角部，小端側鋭角部およ
   び歯先面両縁部の少なくとも一つに、丸み部を形成した
   傘状歯車用素材を成形により製造する成形工程と、 その成形工程で製造された傘状歯車用素材に機械加工を
   施し、前記丸み部の一部を加工しないまま残して、大端
   側鋭角部の面取り，小端側鋭角部の面取り，歯先面取り
   の少なくとも一つとして機能する傘状歯車を製造する機
   械加工工程とを含むことを特徴とする傘状歯車の製造方
   法。
2. 【請求項２】 歯面に取り代を付けるとともに、その取
   り代が機械加工により切除されることによって形成され
   る歯面と歯底面とを滑らかにつなぐこととなる曲面を形
   成した傘状歯車用素材を成形により製造する成形工程
   と、 その成形工程で製造された傘状歯車用素材の前記取り代
   を機械加工により切除して歯面を形成するととともに、
   前記曲面および前記歯底面を加工しないまま残し、それ
   ら残された曲面および歯底面が、機械加工された歯面と
   滑らかにつながった傘状歯車を製造する機械加工工程と
   を含むことを特徴とする傘状歯車の製造方法。
3. 【請求項３】 歯底面と、その歯底面に滑らかにつなが
   った凹曲面と、その凹曲面に滑らかにつながるとともに
   抜き勾配が付けられた抜き勾配面と、製品の歯面に取り
   代が付けられた素材歯面であって前記抜き勾配面につな
   がるものとを備え、成形により製造された傘状歯車用素
   材。
4. 【請求項４】 各歯の歯面は機械加工されているが、大
   端側鋭角部，小端側鋭角部および歯先面両縁部の各面取
   りの少なくとも一つが機械加工されていないことを特徴
   とする傘状歯車。
5. 【請求項５】 歯面と歯底面とそれら歯面と歯底面とを
   滑らかにつなぐ曲面とを備え、歯面が機械加工されてお
   り、歯底面と曲面とが機械加工されていないことを特徴
   とする傘状歯車。