ギア切削とは：ギア加工のプロセスと種類

歯車切削は、機械間で運動と動力を伝達する歯車を製造するために不可欠な製造工程です。このガイドでは、歯車切削の仕組み、歯車の歯を成形する主な方法、そして製造可能な様々な歯車設計について説明します。

ギアカッティングとは何ですか?

歯車切削とは、歯車のブランクに歯を追加し、他の歯車と噛み合わせて運動を伝達できるようにする工程です。歯車ブランクは最終的な歯車の形状とほぼ同じですが、歯車がスムーズに噛み合うための隙間や突起がありません。歯車切削機は、フライス盤に取り付けられた特殊な切削工具を用いてブランクから材料を削り取ります。 旋盤ホブ盤、その他の歯車加工機で加工します。各歯車の歯は順番に形成され、切削パターンは必要な歯車の設計と一致します。

歯車切削工程はシンプルであるにもかかわらず、速度、精度、コストのバランスが取れています。製造業者は、中程度の生産速度で正確な歯形を求める場合に、歯車切削を選択します。鋳造や鍛造などの他の方法では、歯車をより粗く成形できますが、歯車切削ほどの精密さは得られません。

ギア切削を選択する理由

メーカーがギア切削を選択する理由:

• 現代の歯車切削機械は、数ミクロンをはるかに下回る許容誤差を実現します。
• 自動カッターは、大量生産時に 1 時間あたり数十個のギアを生産できます。
• スパー、ヘリカル、ベベル、ウォームなど、さまざまなギア タイプが可能です。
• 中規模から大規模の生産工程では、セットアップが完了すると部品あたりのコストは低くなります。

これらの利点にもかかわらず、歯車切削では金属片やスクラップが発生します。場合によっては、残った材料をリサイクルまたは再加工する必要があります。また、複雑な形状や非常に大きな歯車の場合は、次のような代替手法が必要になることもあります。 放電加工 （EDM）または 3D印刷.

工具と機械を使ってギアを切る方法

ギア切削は適切な工具を選ぶことから始まります。多くの工場では、ホブ盤が頼りになる工具です。エンジニアは、厳しい公差と短いサイクルタイムが求められる際に、CNCホブ盤を活用します。

ホブ盤や CNC 装置の他に、ワークショップでよく見られるギア切削機には次のものがあります。

• 研削盤
• フライス盤
• ブローチ盤
• シェービングツール
• 成形機
• ホーニング盤

各マシンは、特定のギアタイプ、生産工程、または表面仕上げの要件に最適です。

ギアカットの方法

ギア切削は、ギアの歯形とピッチに合ったホブを選択し、それを工具スピンドルに取り付け、ブランクをワークスピンドルに完全に位置合わせした状態でクランプする作業です。スピンドル回転数、送り速度、切削角度を材料に合わせて設定し、クーラントを流し続けることで熱を制御し、切削片を除去します。

機械が作動すると、ホブとブランクが一体となって回転し、歯を一つ一つ滑らかに削り出します。切削後、ギアをクランプから外し、軽くサンディングしたり、軽くバフがけをしたりといった簡単な仕上げ作業で、最終的な精度目標に到達します。

主な歯車切削工程

用途に応じて、適切な歯車切削技術は異なります。生産量、求められる精度、歯車のサイズ、予算などの要素に応じて、適切な技術を選択してください。以下は、最も広く使用されている方法です。

1. 歯車研削
2. ギア仕上げ
3. 歯車フライス加工
4. 歯車の成形
5. ギアブローチング
6. ギアホブ盤

次のセクションでは、各テクニックの仕組み、最適なギアの種類、一般的な使用例について説明します。

歯車研削

歯車研削では、研磨粒子を塗布したホイールを使用します。このホイールは高速で回転します。ホイールが歯車の素材に接触すると、粒子が微細な金属片を削り取ります。この粒子は、歯形を形成するのに十分な量の材料を除去します。研削された歯車は非常に滑らかな表面になります。この工程により、歯の形状と歯間隔において高い精度が得られます。多くのメーカーは、高速回転や高負荷がかかる歯車に研削加工を施しています。この方法は、初期成形後の硬化鋼素材に効果的です。

研削は他の方法よりも時間がかかります。砥石と機械のコストも高くなります。しかし、非常に厳しい公差と低騒音が求められる場合、歯車研削は最適な選択肢です。

ギア仕上げ

ギアが形を整えた後、より滑らかな表面や、より精密なエッジの輪郭が必要になる場合があります。ギア仕上げはまさにそれを実現します。極細の研磨ホイールがギアの歯をブラッシングします。このホイールは極めて微細な金属片を除去し、歯の表面を滑らかで精密なものにします。

仕上げ加工は、多くの場合、成形またはフライス加工の後に行われます。仕上げ加工は工程に時間とコストを追加しますが、その代わりに、最終的なギアの摩擦と騒音を低減し、負荷がかかった状態でのギアの寿命を延ばします。

歯車フライス加工

ギアフライス加工では、歯の形状に合わせたフォームカッターを使用します。フライス盤はカッターをブランクに挿入し、金属を削って歯を1つ形成します。その後、ブランクは歯間隔1つ分だけ回転します。カッターはすべての歯が揃うまでこのプロセスを繰り返します。

フライス加工では、歯車のサイズごとに専用のカッターを用意する必要はありません。同じカッターを使用して、歯形は同じで外径が異なる歯車を複数製作できます。フライス加工はブローチ加工やホブ加工よりも加工時間が遅くなります。少量生産や単発の歯車に適しています。フライス加工は、試作品製作において柔軟性が高く、コストも抑えられます。

歯車の成形

ギアシェーピングでは、ギアブランクの回転に合わせて上下に移動する往復切削工具を使用します。この工具は、製造するギアと同じ歯形をしています。切削中、工具は最終的な歯形が得られるまで、徐々に材料を削り取ります。

シェーピングは内歯車と外歯車に適しており、歯数を変えることができます。ただし、研削やホブ加工ほど精度は高くありません。

ギアブローチング

ブローチ加工は、多数の歯を持つ長い工具を用いる高速加工方法です。この工具はブローチと呼ばれ、それぞれの刃はわずかに異なる形状をしています。ブローチはブランクに一回で滑り込み、同時にすべての歯を一度に切削します。ブローチ加工機は、すべての歯を一直線に保持する必要があります。また、すべての歯を切削できるだけの十分な力で押し付ける必要があります。

それぞれのブローチは、特定の歯車形状とサイズにしか適合しません。ブローチの製造コストは高額になる場合があります。そのため、ブローチ加工は同一歯車の大量生産に適しています。生産量が多い場合、工具コストは複数の部品に分散されるため、費用対効果の高い方法となります。ブローチ加工では、内径を切削できます。 スプライン またはキー溝も同様です。

ギアホブ盤

ギアホビングでは、ホブと呼ばれる特殊な工具を使用します。ホブはウォームギアに似ています。 らせん切断 エッジ。ギアブランクとホブは一緒に回転します。ホブが回転すると、歯溝から材料が削り取られ、ブランクが成形されます。

ホブ盤は、ホブとブランク間の回転比を制御します。正確な回転比により、各歯が正しい位置に確実に配置されます。ホブ加工は、平歯車やはすば歯車に適しています。高速かつ高精度です。ホブ加工は外歯車のみを切削できます。内歯車やスプライン歯車は切削できません。

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最適な歯車切削方法の選択は、製造したい歯車と製造目標に関連するいくつかの要因に依存する重要な決定です。それぞれの歯車切削技術には、独自の利点、限界、そして理想的な用途があります。情報に基づいた選択を行うために、以下の重要なポイントを考慮してください。

歯車切削方法	以下のためにベスト	優位性	製品制限
歯車研削	高精度、仕上げ	優れた仕上がりと精度	遅い、高価
ギア仕上げ	表面の滑らかさ、ノイズの低減	ギア寿命の向上	処理時間が追加されます
歯車フライス加工	少量生産、試作品	低いツールコスト、柔軟性	遅い、精度が低い
歯車の成形	中程度の走行、さまざまなギアタイプ	中程度の速度、一貫性	研削よりも精度が低い
ギアブローチング	大量生産の特定のギアタイプ	非常に高速、高品質	金型コストが高く、柔軟性が低い
ギアホブ盤	中～高生産量	高速、正確、コスト効率に優れています	内歯車/スプライン歯車には使用不可

一般的なギアの種類と用途

歯車の種類によって機能は異なります。歯車切削方法によって、それぞれの種類の歯車を作ることができます。以下は最も一般的な歯車です。

ベベルギア

ベベルギアは、交差する軸間の運動方向を変えます。ギアの歯は円錐面上に配置されています。ストレートベベルギアは歯がまっすぐです。スパイラルベベルギアは歯が湾曲しており、より滑らかな動きを実現します。マイターギアは歯数比が1:1のサブタイプです。ハイポイドギアは軸が交差していません。これらのバリエーションはすべてベベルギアに分類されます。デファレンシャルギア、タービン、重機などで使用されています。

ウォームギア

A ウォームギア ねじのような軸を持つウォームギア。この軸はウォームホイールと噛み合います。ホイールには平歯車のように歯が巻かれています。ウォームが回転すると、ホイールの歯が1つずつ移動します。ウォームギアは、小さなスペースで高い減速比を実現します。また、ホイールがウォームを逆回転させることができないため、ブレーキのような働きもします。これらのギアは高い摩擦にさらされます。多くのウォームギアアセンブリでは、摩耗を抑えるため、スチール製のウォームギアに対してブロンズ製のホイールが使用されています。

平歯車

平歯車は、歯車軸と平行な歯を持ちます。切断と検査が最も簡単です。これらの歯車は、平行な軸間で動力を伝達します。平歯車は、高速回転時に各歯が急激に接触するため、騒音を発生します。中程度の速度と負荷で最も効果的に機能します。

ヘリンボーンギア

ヘリンボーンギア、またはダブルヘリカルギアは、2つの対称的なヘリカルギアを組み合わせたものです。この設計により、軸方向のスラスト力が相殺されます。これらのギアは、滑らかな動作と高い負荷容量を実現します。切削が複雑で、多くの場合、セクションごとに製造されます。

はすば歯車

ヘリカルギアは、ギアの周囲に螺旋状の歯を持つ角度付き歯車です。歯同士が徐々に噛み合うため、よりスムーズな動力伝達が実現します。ヘリカルギアは平歯車よりも高い荷重に耐えることができます。しかし、軸に軸方向のスラスト荷重が発生します。この荷重を支えるためにスラストベアリングが必要です。また、ヘリカルギアは平歯車よりも静音性に​​優れています。

歯車切削における材料選定

ギアの素材を選択する前に、次の質問を自問してください。

1. ギアは何に使用されますか?
2. どの程度の摩耗や摩擦に遭遇するでしょうか?
3. 動作環境はどのようなものですか？
4. パフォーマンスの期待値はどのくらいですか?
5. どのような製造方法を採用していますか?

以下は、一般的に使用されるギアの材質、その特性、および理想的な使用例の内訳です。

• 炭素鋼
• 合金鋼
• ステンレス鋼
• 鋳鉄
• 真鍮
• ブロンズ
• プラスチック（例：ナイロン、アセタール、PEEK）

材料の選択は、どのギア切削方法が最も適しているかに直接影響します。

材料	推奨される切断方法	Notes
炭素鋼	ホブ加工、シェービング加工、フライス加工	切断後に硬化が必要な場合があります
合金鋼	研削、ブローチング、ホブ切り	浸炭処理に適しており、後熱処理により強度が向上
ステンレス鋼	成形、研磨	機械加工が難しいため、低速の切削速度が推奨されます
鋳鉄	フライス加工、成形	脆いので、高速または高力のプロセスは避けてください
黄銅/青銅	ホブ盤、フライス盤	加工が容易で、低負荷ギアに適しています
プラスチック	フライス加工、成形	低速、低負荷アプリケーションに最適

ギア切削と他の方法の比較

側面	ギアカット	歯車研削	歯車フライス加工
サイクルタイム	中速～高速（ホブ）	遅く	遅く
精度	高（ホブ切り）から中（フライス加工）	すごく高い	低〜中
表面仕上げ	グッド	素晴らしい	フェア
ツーリングコスト	中（ホブ、​​ブローチ）	高（研磨ホイール）	低（フォームカッター）
ボリューム適合性	中から高	低（仕上げ）	低（プロトタイプ、少量生産）
廃棄物の発生	中程度（チップス）	低（細粒度）	中程度（チップス）

歯車切削と研削

歯車研削は歯車切削に比べて精度と表面仕上げが向上しますが、時間とコストがかかります。速度と費用対効果が優先される場合は歯車切削が好まれます。 研削 最終仕上げや厳しい公差のギアに選ばれています。

ギア切削とフライス加工

ギアミリングは歯車切削の一種です。しかし、ミリングという用語は、一般的に スロッティング または成形。フライス加工は様々な形状を切削できますが、歯車切削は歯の切削に重点を置きます。フライス加工ではフォームカッターを使用し、一度に1つの歯を切削します。ブローチやホブなどの歯車切削工具は、複数の歯、または歯車全体を少ないパスで切削できます。

ギア切削を成功させるためのヒント

1. ギアの仕様（サイズ、材質、許容差）を切断プロセスに合わせてください。
2. ツールにはメーカーの送り速度チャートを使用してください。
3. 熱とチップの溶着を減らすために、切削ゾーンに冷却剤を満たし続けます。
4. 複数のサイズを作成する場合は、パラメータを微調整する必要がある場合にスクラップを減らすために、最初に小さなギアをカットします。
5. ゴー/ノーゴーゲージまたは座標測定機を使用する（CMM) を実行して、エラーを早期に検出します。
6. 重い荒削りパスにより材料の除去が高速化され、軽い仕上げパスにより最終的な精度が実現されます。

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まとめ：

少量のカスタムギアから大量生産まで、ギア切削は高品質なギアを製造するための最も効率的かつ効果的な方法の一つです。切削工程を選択する前に、ギアの仕様、生産規模、予算を必ず考慮してください。適切な工具と技術を用いることで、ギアは今後何年にもわたってスムーズで信頼性の高い性能を発揮し続けることができます。

よくある質問