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GCX Linear で AA クラスを実現

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ANCA のトータルソフトウェアとハードウェアのスカイビング研削ソリューション


 製造責任者 Xiaoyu Wang - ギヤツール
ANCA 社製 CNC マシン

 
 


需要に合わせたスカイビング


世界レベルでの歯車需要の動向に関する業界予測と研究によると、2019年の終わりには6%上昇し、2,110億ドルに達すると言われています。自動車のトランスミッションだけで、歯車市場全体の 45% を占めています[3]。車両の電化の波は、歯車産業に大きな影響を与えると言われています。これまでのドライブトレインには、25 から 30 のギヤが使用されています。9 段や 10 段のギヤの代わりに、電動エンジンはシンプルなトランスミッションが搭載されており、 1 速もしくは 2 速が主になっています。

電気自動車 (EV) でのエンジン回転数が 20,000 rpm に達すると、トランスミッションのギヤホイールにはより厳しい幾何公差を満たさなければならないことを意味するのです。  最新のドライブトレイン設計では、遊星歯車装置の内歯車が広く使用されています。製造工程の効率と精度を向上させるため、歯車業界では、スカイビングがソリューションとして注目されています。スキビングは、シェーパーよりも 5 ~ 10 倍、効率的で、ブローチ削りよりもフレキシブルで、内歯車と外歯車の両方を製造できます [4]。スカイビングの認知度が高まるにつれて、スカイビングカッターの需要が急増しました。しかし、この業界では現在、最大 20 週間のリードタイムが発生しており、スカイビング用カッターが技術の幅広い採用に制約をもたらしています。

 

スカイビングカッター設計


繊細で複雑な幾何学的計算が、スカイビングカッター設計の基本です。その基礎となるのが、スカイビングカッターと従来のシェーパーカッターの違いであるスカイビングの動きです。


スカイビングの動き


スカイビング加工は1910年、Wilhelm von Pittler 氏によって開発、特許が取得されたのが期限です [2]。スカイビングの動きは、回転する動きと削る動きを組み合わせたもので、カッターと加工材を高速で同期させる必要があります。1960年代から90年代にかけて、必要な同期性と剛性を兼ね備えたスカイビングマシンの開発を目指し、試行錯誤が繰り返されました。やっと、この10〜15年でマシンが使用できるレベルに達し、スカイビングが実用的な解決策となってきたのです。 
 

図 1スカイビングの動き出典元:König著 Fertigungsverfahren Band 1

 

スカイビングカッター vs シェーパーカッター


スカイビングカッターは、新しいピニオンタイプの歯車式カッターで、その見た目は従来のシェーパーカッターと大きな違いはありません。歯車 (加工材) とカッターの相対的な動きを見ると、シェーパーカッターが、対になっている平行軸歯車を基本としていることがわかります。一方、スカイビングカッターは、対になっている交差軸を基本としています。対になっている交差軸の歯車は1点でしか接触しないため、スカイビングカッターの形状は、シェーパーカッターよりも複雑になります。加工材の形状に加え、スカイビングカッターの形状を決めるには、ギヤ比に応じた回転サイクルと中心距離、軸角、そして傾斜角の生成ボックスの動きが必要となります。

DIN 1829 規格の原則に従い、スカイビングカッターの刃先は、仮想円筒歯車に合う鼓形歯車の観点から見ることができます。スカイビングカッターの場合、鼓形歯車の形状には、シェーパーカッターの場合のようなインボリュートはありません。

 

要求される精度


スカイビングカッターはピニオンタイプのカッターですが、現時点でそのようなカッターに特化した工業規格はありません。このため、業界では、デフォルトの測定規格として、DIN 1829 – part 2 を広く適用しています。この DIN 1829 – part 2 では、その特長と各品質クラスを認定するための許容差が規定されています。例えば、基準直径が 50 mm 以下でモジュールサイズが 1 mm 以下のカッターが、DIN AA として認定されるには、形状誤差 ff は 2 ミクロン以下でなければなりません。

 

図 2測定基準表 3出典元: DIN 1829 – part 2
 

スカイビングカッターが珍しいことから、多くの産業用ベンチマーク測定マシンには、カッター形状をチェックする数理モデルが標準装備されていません。これによって、製造と品質管理に大きな課題をもたらしています。 

 

ANCA 社のスカイビングソリューション


市場の需要に応えてるため、ANCA 社では、カッターの正しい設計と効率の最適化を実現する包括的なソフトウェアおよびハードウェアソリューションを開発しました。2019年、見本市 EMO ハノーバーで発表された最新 GCX Linear は、スカイビングカッター製造における標準を打ち立てることになりました。すべてをリニア軸とすることで正確な駆動をもたらす GCX Linear は、全ての作業を 1 回のセットアップで仕上げることが可能です。最高品質 DIN AA に従い、スカイビングカッターとシェーパーカッターを製造するために特別に設計された機能が搭載されています。 

 

図 3ANCA 社製 GCX Linear マシン
 

包括的なソフトウェアパッケージ


GCX ソフトウェアパッケージには、ピニオンタイプの歯車切削ツールを製造および再形成するための複数のソフトウェアコンポーネントが含まれています。設計、シミュレーション、研削シーケンスプログラミング、砥石編集および砥石ドレッシングが含まれ、製造工程の完全な視覚化をサポートするのでセットアップ時間とスクラップの可能性を低減します。

スカイビングカッターやピニオンカッターなどの歯車切削工具は複雑な形状をしています。設計プロセスの基本は、最適化の反復です。干渉するコンポーネントや衝突条件といった限界的な加工条件の下では非常に重要となります。設計ステーションでは、基本歯車ワークピースデータからカッターを設計することが可能です。

スカイビングの動きをシミュレーションし、カッター設計を検証し、衝突の可能性を事前に修正できます。
iGrind ソフトウェアは、段付きすくい面と円錐すくい面の両方をサポートしており、デジタル化、みぞ削り、円筒研削、個別のチップレリーフ研削など、さまざまな機能が付いています。研削工程は、CIMulator3D でシミュレーションできるので、パラメータをチェックすることが可能です。 
 
 

正確なホイールドレッシング


複雑な形状のホイールのドレッシングは、スカイビングカッターの歯形形状の高い精度を実現するにはとても重要です。最新のアコースティックエミッションモニタリング (AEMS) 技術により、 GCX Linear に「耳」を追加して、ホイールドレッシングの小さなピッチ (音) の違いに合わせてチューニングします。AEMS は、高度な教師あり機械学習アルゴリズムで構築されているため、「聞く」だけでなく「学習」もします。このシステムは、うるさい生産環境でもしっかりとドレッシングの音を拾うように学習させることができます。これにより、ミクロン単位でホイール形状が正確に、短時間でドレッシングされ、ホイールサイズの低下を抑えます。
 

熱安定性の向上


厳しい精度を可能にするには、マシンの熱安定性が大切です。ANCA 社では、GCX Linear マシンの電動スピンドルの温度を積極的に管理・維持するモータ温度制御 (MTC) 技術を開発しました (特許申請中)。

マシンのウォームアップ時間を大幅に削減し、生産性と機械の稼働率を向上させるだけではなく、MTC は、スピンドルの負荷や速度、またはスピンドルの冷却剤温度の変化に関係なく、時間がたっても、スピンドルの熱安定性を一定に保ちます。こうして、研削結果の寸法安定度が改善するのです。

 

図 4GCX Linear で行われたスカイビングカッターのピッチ測定レポート例。単一ピッチ誤差 (fp) は約 1 µm、隣接ピッチ誤差 (fu) は 2 µm 以下で測定されています。
 
参照
  1. Wilfried König. (n.d.). Fertigungsverfahren Band 1. ISBN 978-3-662-07205-9 - 1997
  2. Pittler von, W. Verfahren zum Schneiden von Zahnrädern mittels eines zahnrad-artigen, an den Stirnflächen der Zähne mit Schneidkanten versehen-en Schneidwerkzeuges, Patent Application, Germany, March, 1910.
  3. World Gears Industry study with Forecasts for 2019 & 2024 The Freedonia Group
  4. Dr. H.J. Stadtfeld Power Skiving of Cylindrical Gears on Different Machine Platforms, American Gear Manufacturers Association Fall Technical Meeting, 2013
 
 
 
 

19 8月 2020