歯車は今日でも関連性のある最も古い機械部品の XNUMX つであるため、歯車の概念はかなり前から存在しています。 自動車産業、航空宇宙産業、あらゆる産業機械、あるいは時計のような単純なものでも構いません。 歯車はあらゆるところで必要とされており、歯車の製造について学びたいと考えているかもしれません。
さて、問題は歯車がどのように製造されるかということです。
はじめに: 歯車の製造工程
歯車の製造には単一の工程はなく、種類や用途に応じて異なる工程が必要となります。
一般に、歯車は動力の伝達 (歯車の実際の目的) にいくつかの要件があるため、非常に激しい条件で動作します。 まず、ギアは完全に完璧な状態である必要があります。 そして、それらは常に信頼性が高く、残留応力が最小限であり、亀裂伝播の可能性がほとんどまたはまったくない必要があります。
当然のことながら、これらすべての要件を満たすのは非常に困難です。 しかし、その重要性を否定する人は誰もいません。 そのため、歯車の製造は公差が限られており、誤差が許容される高度に専門化された分野です。
この記事では、工業用歯車の一般的な材料、歯車を準備するプロセス、および歯車がどのようにしてすべての負荷に耐えて故障するかについて、歯車製造の基本に立ち返って説明します。
一般的な歯車の種類とその用途
歯車の切削と製造プロセスの詳細に進む前に、基本を確認することが重要です。 彼らです さまざまな種類の歯車 とその応用例と利点を説明します。
使用するギアの種類には、アプリケーション、性能パラメータ、その他の多数の要素が重要な役割を果たします。 歯車の種類を特徴付ける方法はいくつかありますが、歯車製造の観点から最も適切で最も適切なのは、歯の輪郭によるものです。
ここでは5種類のギアを紹介します。
平歯車
頭の中にギアがどのようなものかを大まかに描いてください。 まっすぐな歯を持つ歯車を思い浮かべている可能性が高いです。 まさに平歯車の見た目ですね。
平歯車は最も一般的なタイプの歯車であり、発電所でさまざまな用途に使用されます。 航空宇宙コンポーネント、産業機械など。 真っ直ぐな歯は、製造が最も簡単で、高速および高負荷に耐えることができます。 ただし、ノイズが多く、スムーズな動作も必要な用途には適していません。
さらに、平歯車は、同じタイプの他の歯車や内歯車、外歯車と噛合することができます。 平歯車は、単純なラック/ピニオン設定や遊星歯車システムなどの多くの歯車機構で使用されています。
そのシンプルさは、作るのが簡単であることを意味します。 したがって、歯車の製造時に精度を維持するのが容易になります。 また、平歯車には軸方向の負荷がほとんどないため、機械的損失を最小限に抑えたい歯車列にとって非常に効率的です。
はすば歯車
はすば歯車は平歯車によく似ていますが、円筒形の本体の周りにねじれた歯が付いています。 この品質により、平行シャフトと非平行シャフトの両方を簡単に扱うことができます。 ただし、それらのかみ合いは、同じねじれ角 (元の円筒からのねじれ角) の他のはすば歯車とのみ機能します。
はすば歯車の用途のほとんどは平歯車と同じです。 しかし、角度の付いた歯は衝撃荷重を軽減し、操作をよりスムーズにする上で大きな役割を果たします。 これはノイズも少なくなりますが、効率が犠牲になります。 ヘリカルギヤトレインは平歯車に比べて損失が大きく、形状上スラストベアリングも必要となります。
製造の観点から見ると、はすば歯車は平歯車よりも頑丈です。 許容許容範囲が低い場合、ねじれ角を再現するのは非常に困難です。 さらに、製造コストと他の軸要素の追加により、限定された操作に適したものになります。
かさ歯車
かさ歯車は、標準的な円筒歯車ではありません。 それらは円錐形の表面上にあり、交差するシャフトでトランスミッションの方向を変えることができます。 一般に、かさ歯車は 90 で動作します。0 角度。 ただし、他の構成でも同様に使用できます。
ここでは、さまざまな用途で使用できる一般的なタイプのかさ歯車をいくつか紹介します。
- ストレートベベルギア
- まがりばかさ歯車
- マイターギア
- クラウンギア
- ハイポイドギア
ウォームギア
ウォーム ギア システムは XNUMX つのコンポーネントの組み合わせです。 ウォームホイールとネジ状の歯車です。 主に航空宇宙、産業機械、エレベーター、自動車のステアリングなどに使用されています。
ウォーム ホイールのセットアップでは、速度や効率があまり向上しません。 ただし、セルフロック機構に必要な独自の特性を備えています。 多くの場合、ウォームがホイールを回転させる可能性がありますが、ギア角度によりその逆は起こりません。 さらに、注意すべきもう XNUMX つの重要な点は、ウォーム ホイール ギアには多くの摩擦があり、適切に動作するには継続的な摩擦が必要な場合があるということです。
ラックアンドピニオン
ラック アンド ピニオン システムは、主に回転運動を直線運動に、またはその逆に伝達するために機能するもう XNUMX つの組み合わせです。 歯車の歯は平歯タイプとヘリカルタイプの両方の歯と噛合できるため、平行軸と斜めの両方で作業できます。 このシステムの最も一般的な用途には、自動車システム、重量計、その他の同様のシステムがあります。
歯車の製造に使用される材料
歯車に関しては材質の制限はありません。 最も初期のものは木製で、業界全体でさまざまな素材の歯車を見つけることができます。 鋼鉄や鉄製の工業規模の大きな歯車から、おもちゃに使用される小さなプラスチックの歯車まで。 素材の組み合わせは無限大です。
ただし、ギア製造およびギア成形プロセスでは、次のアイテムが最も一般的に使用されます。
- 鋳鉄： 耐久性があり、コスト効率が良く、耐摩耗性に優れています。低速から中速の用途に適しています。
- 鋼： 強度が高く、耐摩耗性に優れ、高荷重と高速度に対応できます。自動車や航空宇宙などの要求の厳しい用途でよく使用されます。
- ブロンズ： 耐摩耗性、耐腐食性に優れ、海洋や高温の用途でよく使用されます。
- プラスチック： 軽量でコスト効率が高く、低負荷、低速の用途に適しており、消費者向け製品によく使用されます。
歯車には、材料の選択に関して非常に具体的な基準があります。 用途に応じて、選択する材料は適切な引張強度と耐久性を備えている必要があります。
さらに、ギアは常に接触する必要があるため、摩擦係数も考慮する必要があります。 最後に、加工が容易な材料を選択する必要があります。 歯車の製造には極めて高い精度と精度が要求されるため、製造性が低くても強度の高い材料を扱うのはさらに難しくなります。
前述の材料は、用途に合わせてこれらの特性の完璧なバランスを備えています。 そのため、遭遇するほとんどのギアでそれらが一般的に見られます。
その アメリカギア製造者協会 (AGMA) ギア材料の選択に関する標準とガイドラインを提供します。
RapidDirect は、歯車製造プロセスで使用されるこれらすべての材料を提供できます。 設計ファイルをアップロードして、ギア プロジェクトの見積もりを取得します。
一般的な歯車の製造プロセス
ギアの生産は、要求される精度が高いため、非常に複雑です。今日、ギア製造は、コスト、品質、運用の適切なバランスを確保するために、最初のブランクの作成から最終製品の仕上げまで、伝統的および現代的な複数のプロセスに依存する産業です。
ここでは、一般的な歯車の切削および製造プロセスと、それらの明らかな長所と短所のリストを示します。
1 – キャスティング
鋳造はより単純なプロセスであり、主に歯車のブランクやシリンダーを準備するために使用され、歯は機械加工によって準備されます。 ただし、大量生産が可能で比較的容易であるため、多くの用途で全体として実行可能な歯車製造プロセスです。
ただし、業界では鋳造が最も好まれている製造方法である分野が XNUMX つあります。 それは非常に大きな歯車の製造です。 機械加工やその他の歯車形成方法は、大径の場合にはあまり有効ではありません。 一般に、大きな歯車はほとんどの場合平歯車タイプです。 したがって、比較的単純なため、キャストは非常に良い選択肢になります。
最も一般的な鋳造方法の中で、シェル鋳造、 ダイカスト、砂型鋳造と永久鋳型鋳造は、歯車の製造で最も一般的です。 他の方法は、一部のアプリケーションでは使用が制限されています。 ただし、上記は業界で最も一般的なものです。
2 – 鍛造
これは、要件に応じてブランクと準備済みギアの両方を提供できるもう XNUMX つの成形プロセスです。 比較的単純な歯車を使用する場合、鍛造は非常に有効です。
理論的には、鍛造は重負荷用途に最適な歯車製造プロセスです。その理由は簡単です。 鍛造には熱処理が必要であり、これは、得られる歯車の疲労特性が向上することを意味します。 しかし、鍛造プロセスには膨大な力が必要となるため、このプロセスのサイズと薄さには限界があります。
一般に、鍛造は直径 6 ～ 10 フィートのギアに適しています。 精密鍛造などの鍛造の種類によっては、最終的に歯車の機械加工が必要な場合と不要な場合があります。
3 – 押出および冷間引抜
これも、多用途かつ簡単な歯車成形プロセスです。 実際、押出成形は工具の支出が少なくなりますが、それが最も経済的なプロセスであるというわけではありません。
名前が示すように、押出成形は、加熱された金属プロファイルを、より小さい事前に決定された形状に通すプロセスです。 その結果、硬化して滑らかな外面を備えた希望の形状のバーが得られます。
冷間引抜プロセスは押出成形と非常によく似ています。 違いは XNUMX つあります。 押出はブランクをダイを通して押し出し、引き抜きます。 もう一つの違いは温度です。 冷間引抜ではビレットは加熱されません。 これにより、コストを犠牲にして機械的特性が向上します。
4 – 粉末冶金
粉末冶金は、近年大幅な進歩を遂げた高度なプロセスです。 現在では、歯車の製造を含む複数の製造プロセスに使用されています。
では、粉末冶金はどのように機能するのでしょうか? 外観から見ると、非常にシンプルです。 ただし、多くの複雑な問題が含まれています。
すべては金属粉から始まります。 最初のステップは、すべてのパウダーを取り、希望する最終形状を与えることです。 それが完了したら、次のステップで、機械的特性が向上するため、セットアップ全体が非常にコンパクトになるようにします。 セットアップ全体を注意深く加熱して完了です。
粉末冶金は非常に効率的かつシンプルで、大量生産が可能です。 後処理の手間もかからず、すぐにご使用いただけます。 ただし、結果として生じるギアは過度の負荷に耐えることができず、サイズにも制限があります。
さらに、粉末冶金のセットアップの初期コストは非常に高いため、少量生産には適していません。
5 – ブランキング
ブランキングは押し出しと非常によく似たプロセスですが、3 次元機能には制限があります。 この歯車成形プロセスでは、板金を使用して複数の金型を使用して目的の形状を作成します。 ブランキング加工により、さまざまなタイプの歯車を製造できます。 ただし、平歯車を使用すると最良の結果が得られます。
現在、歯車製造のブランキングプロセスは、軽量用途のために複数の業界で使用されています。 たとえば、オフィス機器、油圧機器、小型医療機器、その他低負荷要件のアプリケーションなどです。
6 – 歯車加工
機械加工は、その多用途性により、最も一般的な歯車製造プロセスの XNUMX つです。 従来の機械加工は歯車の切断と製造において非常に一般的でしたが、 CNC加工 その人気を押し上げてきました。
次の 4 つの歯車加工方法は、業界全体で最も一般的です。
ホブ切り
ホブ加工では、ホブと呼ばれる円錐形の切断装置を使用します。 ホブがギアブランクの周りを回転すると、ホブとワークピースの両方が回転します。 これまでのところ、ホブ加工で作成できる製品は外径平歯車とはすば歯車だけです。
このプロセスは非常に多用途かつ迅速です。 複数のスタックをまとめて処理することで、生産速度を高めることもできます。 ただし、より多くのスキルと精度が必要です。
整形
シェーピングは、ホブでは処理できない歯車を開発する高度な歯車の切断および製造プロセスです。 カッターの形状は、ピニオン、ラック、ワンポイントなど任意の形状にすることができます。 見た目は歯車に非常に似ており、必要な形状でブランクに切り込むことで機能します。 シェーピングプロセスを使用して、内歯車またはクラスター歯車を作成できます。
ブローチ
ブローチ加工は、おそらく歯車の形状を切断する最も迅速な方法です。 これは、以前の製品よりも深く掘削できる埋め込みカッターを備えた多歯ツールに依存しています。 これにより、より小さな段階的なカットが容易になり、精度を損なうことなく必要な形状を素早く得ることができます。
この歯車の製造プロセスは内歯車に一般的ですが、外歯の製造にも使用できます。 そのためには、同じ精度と効率を再現できるポットブローチ加工専用のツールが必要になります。
フライス加工
これは、個々のギアの歯を順番に製造する基本的なギア切削方法です。ただし、特に CNC フライス盤を使用する場合、非常に汎用性があります。フライス盤ではあらゆる種類のギアを作成できますが、この方法の精度にはまだまだ改善の余地があります。そのため、フライス加工は以前ほど一般的ではありません。
しかし、CNC ドメインと多軸の最近の発展により状況は変わりました。 フライス盤での歯車の製造はますます一般的になってきています。 したがって、時間の経過とともに状況はさらに良くなるでしょう。
歯車製造後加工
使用した歯車の製造方法に応じて、歯車が 100% 完成するまでに後処理が必要になります。 その後処理には次のようなものがあります。 熱処理 疲労特性を向上させるため、寸法修正と表面仕上げを行います。
ここでは、表面仕上げプロセスにおける最も一般的な 5 つのギア製造技術を紹介します。
- 研削： その名前が示すように、研削は一般的な表面仕上げプロセスであり、表面全体を滑らかに仕上げます。 断続的または継続的に実行でき、結果には影響しません。
- ラッピング： このプロセスは、極度の精度が必要な繊細なギアに適しています。 ラッピングでは、小さな砥粒を使用して低速または中速で表面を滑らかにします。
- ホーニング： これも表面を研磨して滑らかにする一般的なプロセスです。 さらに、歯の形状の小さな誤差を修正することもできます。
- シェービング： このプロセスでは、表面から非常に薄い層を除去し、滑らかなプロファイルを実現します。 削り出しは一般的に高価なため、歯車の製造に使用されることはほとんどありません。
- バニシング: 本質的に、バニシングとは、圧縮を使用して表面を滑らかにするプロセスです。
適切なギア製造プロセスの選択
最適な手順はさまざまな要素に依存します。
- ギアの種類とサイズ: 鋳造は大きなギアに適していますが、機械加工はリングギア製造方法やベベルギア製造プロセスなどの特殊なプロセスを含め、さまざまなサイズや種類に柔軟に対応できます。
- 材料： 特定の手順には、より適した材料もあります。
- 必要な精度と許容範囲: 一般的に言えば、機械加工は鋳造や粉末冶金よりも精度が高くなります。
- 生産量： 大量生産では、粉末冶金やブランキングなどの技術が好まれることが多いです。
- 費用： アプローチが異なればコスト構造も異なります。
最高の歯車製造サービスを実現する RapidDirect へのアプローチ
歯車製造は、極めて高い精度と精度が要求される高度に専門化された分野です。 ギアはあらゆる機械システムにとって不可欠なコンポーネントであり、製造上の最小の欠陥でさえ、多くの悲惨な結果をもたらす可能性があります。 したがって、サービスの選択には注意する必要があります。
RapidDirect は、最も競争力のある価格で最高のパフォーマンスを提供する最も経験豊富なチームによる ISO 認定サービスです。 当社は、歯車製造に関して最高のものをお届けする最先端のサービスを提供します。
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ギア製造に関するよくある質問
ギアの設計、製造、検査に関しては、アメリカギア製造業者協会 (AGMA) が、かなり一般的でよく遵守される標準を作成しました。この標準には、ギア製造材料、それらの許容範囲、一定で信頼できるパフォーマンスを保証するための品質管理など、プロセスのさまざまな側面が一般的に含まれています。
選択する材料は、強度、耐摩耗性、およびギアが動作する環境条件を考慮する必要があります。プラスチックは要求の厳しくない用途に使用され、鋼鉄は高い精度が求められる高応力の用途によく使用されます。AGMA は、適切な材料選択ガイドを提供しています。
一般的に、ギアホブ加工（ギア生成の特殊な形式）は、ギア製造のための最も正確な加工方法と見なされています。正確な許容差と細かい表面仕上げを実現するために、回転カッター（ホブ）からギアの歯を生成します。これにより、ロボットから車のギアボックスまで、要求の厳しい用途に適用される高精度ギアに適しています。用途に最適な方法を決定するには、経験豊富なギア製造業者に相談することをお勧めします。
