ギア伝動：歯車加工における成形切り削り法と創成加工法の原理と応用

01 創成法の基本原理

1.1 数学的基礎

• 包絡原理 ：ホブやギアシェーパーなどの切削刃の運動軌跡が一連の連続曲線を形成し、それらの曲線の包絡線が理論上のギア歯面形状（例えばインボリュート、サイクロイド）を構成します。
• 噛み合い方程式 ：工具と被加工物の相対運動関係を満たし、歯面形状の精度を確保します。

1.2 主な特徴

• 高精度 ：複雑な歯面形状（インボリュート、円弧歯車など）の加工が可能です。
• 高効率 ：連続切削により大量生産が可能です。
• 汎用性が高い ：一つの工具で、異なる歯数を持つギアを加工できる（同じモジュールの場合）。

1.3 代表的な創成法プロセス

1.3.1 ホブ切り

• 原則 ：ホブ（ねじ状の形状を持つ工具）と被削ギアとの噛み合い運動を利用して、軸方向への送り運動により切削を完成させる。
• 運動関係 ：ホブの回転（主切削運動）＋被削材の回転（創成運動）＋軸方向送り。
• 利点 ：高効率で大量生産に適している（例：自動車用ギア）；直歯ギア、斜歯ギア、ワームギアなども加工可能。
• アプリケーション例 ：風力発電用ギアボックス内の遊星ギアおよび太陽ギアの加工。

1.3.2 リーマー切り

• 原則 ：ギアシェイパー・カッター（ギアに似た形状）を用い、噛み合い比で回転させながら被削材に対して往復切削運動を行う。
• 運動関係 ：歯車の形状工具による垂直往復切断＋被削材と工具の生成運動回転。
• 利点 ：内歯車や二重歯車などの複雑な構造を加工可能。ラックカッタ加工（ホブビング）に比べて優れた歯面粗さ（Ra 0.8–1.6 μm）を実現。
• 制限 ：ラックカッタ加工（ホブビング）より効率が低い。工具コストが高い。
• アプリケーション例 ：ギアボックス内の内歯車リングおよび小型精密歯車の加工。

1.3.3 歯面仕上げヤスリ（シェービング）

• 原則 ：シェービングカッタと被削材がわずかな圧力で噛み合いながら回転し、カッタ刃の摺動作用によって歯形精度を向上させる。ホブビングまたは歯車成形後のトリミングに用いられる仕上げ工程である。
• 利点 ：歯形誤差を修正でき、歯車伝達の滑らかさを高められる。加工精度はDIN 6～7グレードに達する。
• アプリケーション例 ：自動車用ギアボックス歯車の最終加工。

1.3.4 歯車研削

• 原則 ：成形砥石またはワーム砥石を使用し、発生運動によって歯面を研削する。主に焼入れ後の歯車の仕上げに用いられる。
• 利点 ：極めて高い精度（DIN 3～4グレードまで可能）；歯面硬度が高硬度（HRC 58～62）のギアも加工可能。
• 制限 ：コストが高く、効率が低い。通常、高精度が要求される分野で使用される。
• アプリケーション例 ：航空宇宙エンジン用ギアや風力発電ギアボックスの高速段ギアなど。

02 成形切削の基本原理

• 工具への依存度が高い ：歯面精度は、工具輪郭の精度に直接依存する。
• 生成運動なし ：加工プロセスではギアのかみ合いを模倣せず、工具と被削材との相対運動のみに依存する。
• 柔軟性 ：非標準歯形（例：円弧歯、矩形歯など）の加工が可能。

2.1 数学的基礎

• 成形原理 ：工具の切削刃の幾何学的形状がギアの歯間と完全に一致している。
• 分度運動 ：インデックス装置（例：分度台）を使用して、1歯ずつの加工を行い、均一な歯節ピッチを確保する。

2.2 長所と短所

利点

• シンプルな設備 ：一般的なフライス盤でも加工が可能である。
• 単品・小ロット生産または修理に適している ：カスタマイズやメンテナンス用途に最適である。
• 超大モジュールギアの加工が可能 鉱山機械に使用されるギアなど。

欠点

• 低精度 通常DIN 9～10グレード。
• 低効率 歯ごとの加工が必要。
• 工具の汎用性が低い 各モジュールごとに専用工具が必要。

2.3 代表的な成形切削工程

2.3.1 ギヤフライス加工

• 原則 ディスクフライスカッタまたはエンドミルを使用。カッタが回転して切削し、ワークは分度頭によって歯ごとにインデックス送りされる。
• 運動関係 カッタの回転（主切削）＋ワークの軸方向送り＋インデックス回転。
• アプリケーションシナリオ ：スパーギアおよびヘリカルギアの単品・小ロット生産。大モジュールギア（モジュール≥20 mm）または修理用ギア。
• ケーススタディ ：マリンリデューサーの低速段ギア（モジュール30、材質：42CrMo）をエンドミル＋CNCインデックスで加工し、歯面粗さをRa 3.2 μmまで達成。

2.3.3 ホブ研削

• 原則 ：ブローチ（多刃段付き工具）を使用して、一工程で歯間全体をブローチ加工する。
• 運動関係 ：ブローチの直線運動（切削）＋固定されたワーク。
• 利点 ：極めて高い効率（ストローク1回で1つの歯間を完成）；比較的高い精度（DIN 7級まで可能）。
• 制限 ：内部ギアまたは外部ギアの大量生産にのみ適している。ブローチ自体の製造コストが高いため、同一仕様の大量注文に最適。
• アプリケーション例 ：自動車シンクロメッシュリングの量産（サイクルタイム＜10秒／個）。

2.3.3 成形研削

• 原則 ：歯間形状と一致する輪郭を持つ成形砥石を使用して焼入れ済みギアを研削する。
• 運動関係 ：砥石の回転＋被削材のインデックス送り。
• 利点 ：高硬度ギア（HRC >60）を加工可能。精度はDIN 4級まで（歯面誤差 <5 μm）。
• 応用分野 ：航空宇宙エンジン用ギアおよび精密減速機ギアの仕上げ加工。

03 両方式の比較と工業的応用

創成法と成形法の比較

創成法の産業用途

3.1 風力発電用ギアボックス

• 要求事項 ：高トルク、長寿命（≥20年）。
• 工程の組み合わせ ：ホブ切り（荒加工）→ 熱処理 → 歯面研削（仕上げ）。