歯車の製造工程

最近、私たちは非標準ギア主に自動化機械の分野で使用されているギアの製造工程をご存知ですか？

ギアの製造プロセスには、一般的に次の手順が含まれます。

1. 設計計画：

• パラメータの決定：歯車の具体的な要求条件と動作環境に応じて、歯車の伝達比、歯数、係数、インデックス円の直径、歯幅などのパラメータを決定します。これらのパラメータの計算は、機械伝動の原理と関連する設計公式に基づいて行う必要があります。例えば、運動伝達チェーンを通して伝達比を決定し、ピニオンにかかるトルクに基づいて歯車の歯にかかる円周方向の力を計算し、歯車の歯の曲げ疲労強度と歯面の接触疲労強度から歯車の係数とインデックス円の直径を計算します。

• 材料の選択：ギアの材質選択は、ギアの性能と寿命に大きく影響します。一般的なギア材質は、中炭素鋼（45鋼など）、低・中炭素合金鋼（20Cr、40Cr、20CrMnTiなど）です。より高度な要求が求められる重要なギアには、38CrMoAlA窒化鋼を選択できます。また、非力伝達ギアは鋳鉄、合板、ナイロンなどの材料で製造することもできます。

2. ブランクの準備：

• 鍛造：ギアに高い強度、耐摩耗性、耐衝撃性が求められる場合、通常は鍛造ブランクが使用されます。鍛造は金属材料の内部組織を改善し、密度を高め、ギアの機械的特性を向上させることができます。鍛造後のブランクは、等温焼ならし処理を施すことで、鍛造および荒加工によって生じた残留応力を除去し、材料の被削性を向上させ、総合的な機械的特性を向上させる必要があります。

• 鋳造：直径400～600mmを超える大型歯車の場合、ブランクを鋳造するのが一般的です。鋳造は複雑な形状の歯車を製造できますが、鋳造歯車の内部組織に気孔や空隙などの欠陥が生じる可能性があり、性能を向上させるには後工程で熱処理や機械加工が必要になります。

• その他の方法：小型で複雑な形状のギアの場合、精密鋳造、圧力鋳造、精密鍛造、粉末冶金、熱間圧延、冷間押し出しなどの新しいプロセスを使用して、ギアの歯を持つ歯ビレットを製造し、労働生産性を向上させ、原材料を節約できます。

3. 機械加工：

• 歯ブランクの加工：

• 荒加工：歯ブランクの荒旋削、荒フライス加工などの加工により、ほとんどのマージンを除去し、後工程の仕上げ加工のために0.5～1mmの加工代を残します。荒加工では、歯ブランクの寸法精度と表面粗さが設計要件を満たすことを確認する必要があります。

• 中仕上げ：中仕上げ旋削、中仕上げフライス加工などの加工により、歯形加工の準備として、歯ブランクの寸法精度と表面品質をさらに向上させます。中仕上げ加工では、加工代が過大または過小にならないように、加工代の均一性を管理することに注意する必要があります。

• 仕上げ：歯ブランクの寸法精度、形状精度、表面粗さが設計要件を満たすように、精密旋削、精密フライス加工、研削などの加工を行います。仕上げ加工においては、適切な加工技術と工具を選択し、加工効率と加工品質を向上させる必要があります。

• 歯形加工：

• フライス加工歯：ディスクモジュラスフライスカッターまたはフィンガーフライスカッターを用いたフライス加工歯は、成形加工に属します。カッター歯面形状は歯車の歯形状に対応しており、フライス加工歯は様々な形状の歯車を加工できますが、加工効率と加工精度が低いため、単品小ロット生産や修理に適しています。

• ホブ加工：創成加工に属し、動作原理は一対のヘリカルギアの噛み合いに相当します。ホブ加工の原型は、螺旋角の大きい螺旋歯車です。歯数が非常に少ない（通常は歯数）ため、歯が非常に長く、軸の周りに小さな螺旋角のウォームを形成し、その後、溝と歯を通して、切れ刃とバックアングルを備えたホブになります。ホブ加工は、あらゆる種類の大量生産に適しており、中品質の外歯車とウォームギアの加工に適しています。

• ギアシェーパ：これも開発工法の一種です。ギアシェーパを使用すると、ギアシェーパのカッターとワークピースは、一対の円筒歯車の噛み合いに相当します。ギアシェーパの往復運動がギアシェーパの主な動作であり、ギアシェーパとワークピースが一定の比率で円運動を行うことがギアシェーパの送り動作です。ギアシェーパは、あらゆる種類の量産加工に適しており、中品質の内外円筒歯車、多段カップリング歯車、小型ラックの加工に適しています。

シェービング：シェービングは、量産工程において未硬化歯面の仕上げに一般的に用いられる方法です。その原理は、シェービングカッターと被加工歯車を自由に噛み合わせ、両者の相対的な滑りを利用して歯面から微細な切削片を削り取ることで、歯面精度を向上させることです。また、シェービング歯はドラム歯を形成することで、歯面の接触面の位置を改善することもできます。

歯車研削：歯形仕上げ方法の一つで、特に硬化処理された歯車においては、唯一の仕上げ方法となる場合が多い。歯車研削は、ウォーム砥石、円錐砥石、またはディスク砥石を用いて行うことができる。歯車研削は加工精度が高く、表面粗さは小さいが、生産効率が低く、コストが高い。

4. 熱処理：

• ブランク熱処理：歯ブランクの加工の前後に焼き戻しや焼戻しなどの予熱処理を施します。主な目的は、鍛造や荒加工によって生じた残留応力を除去し、材料の加工性を向上させ、総合的な機械的特性を向上させることです。

• 歯面の熱処理：歯形加工後、歯面の硬度と耐摩耗性を向上させるために、浸炭焼入れ、高周波誘導加熱焼入れ、浸炭窒化、窒化熱処理工程が行われることが多い。

5. 歯端加工：歯車の歯端は、丸め、面取り、バリ取りなどの加工が施されます。歯端加工は、歯車の焼入れ前に行う必要があり、通常は歯の転造（補間）後、シェービング加工（歯端整列加工）の前に行います。

6. 品質検査：歯車の歯形、歯ピッチ、歯方向、歯厚、歯法線長、振れなど、歯車の様々なパラメータを検査し、歯車の精度と品質が設計要件を満たしていることを確認します。検査方法には、測定工具を用いた手動測定と、歯車測定器を用いた精密測定が含まれます。