近年、さまざまな業界で製品の小型化や高性能化が求められており、構成部品のひとつである歯車に求められる精度も向上しています。また、用途ごとに最適な機能・性能を実現するために、オーダーメイドの要求も高まっています。
一方で歯車の製造では、複数の工程を経る必要があり製造に時間がかかるため、高精度な歯車の生産性向上が必要不可欠です。そこで、歯車の精密加工向けに3Dプリンタの導入が進められています。
この記事では、一般的な歯車の加工方法や歯車のニーズの変化、3Dプリンタによる精密歯車の造形例について紹介します。
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歯車の一般的な製造方法
歯車の製造方法には旋盤で行うもの以外にも、低コストで量産が可能な鋳造が採用される場合もありますが、ここでは、歯車の一般的な製造方法である旋盤加工による製造工程を紹介します。
歯車の製造では以下のように、複数の工程・設備が必要です。
旋盤加工
歯車の製造工程において、まずは材料となる金属や樹脂を旋盤加工により歯車の歯すじがない形状まで加工します。旋盤加工によって、歯車の内径と外形が決まった状態となります。
旋盤加工では、回転させている材料にバイトとよばれる切削工具をあてることで削り取りながら加工を行うため、この段階で歯すじを加工することはできません。
歯すじの成形
旋盤加工で歯車の内径と外形が決まり、歯すじがない状態まで加工できたら、次は歯すじの成形を行います。歯すじの代表的な成形法としては、「歯車創成法」と「歯車成形法」があります。
また、創成法の一部であるギアスカイビングについても簡単に解説します。
| 歯車創成法 | もっとも一般的な加工法です。 製造したい歯車の種類に応じた切削工具を、歯車と同じように動かしながら加工物に押し付けることで、少しずつ溝を作り歯すじを加工します。 加工精度が高く、ある程度の生産性も両立できる点が歯車創成法の特徴です。 |
|---|---|
| ギアスカイビング | ギアスカイビングは、切削工具と加工対象のワークを同期させながら高速で回転させ、全体の歯の溝を少しずつ切削していく加工法です。 他の加工法と比較して加工速度が早いことから導入が進められています。 マシニングセンタなどの複合加工機を用いることで段取りを減らすことができ、複雑な形状の歯車や少量多品種生産にも対応できる点がメリットです。 |
| 歯車成形法 | 歯車全体を少しずつ削りだしていく創成法に対して、歯車の歯をひとつずつ切削していく製造方法が歯車成形法です。 歯の形状に成形された切削工具を準備すれば汎用のNC工作機械で歯すじの加工が可能なため、設備導入コストを抑えられます。歯車の精度としては、歯車創成法の方が優れています。 |
熱処理
歯車の材料や用途に応じて、元の材料特性から強度を高める必要がある場合には、焼き入れを行います。焼き入れの種類にはさまざまなものがあるため、歯車の材料特性に合わせた焼き入れ方法の選定が必要です。
また、歯車に焼き入れを行うことで熱収縮による寸法変化が生じる可能性があります。
焼き入れが必要な材料で歯車を製造する際には、あらかじめ焼き入れによる寸法変化を想定した設計・加工を行っておく必要があります。
研磨
高い精度が要求される歯車の製造において、研磨は歯車の性能を決める重要な工程です。歯車の歯すじに合わせて、複数の加工機を用いて加工を行うことで高い精度を実現します。
歯車の精度が不十分だと、その歯車を組み込んだ製品を駆動させた際に、振動や異音が生じます。また、故障の原因にもなってしまうリスクがあるため、研磨工程は高い精度が求められる歯車の製造において欠かせない工程です。
歯車加工における課題
ここまで紹介した歯車の一般的な加工工程では、以下のような課題が生じます。
工程が多く加工に時間がかかる
上記で紹介したように、歯車の製造には複数の工程・複数の設備が必要です。使用する設備によっては、加工方向を変更するために、複数回の段替えが必要な場合もあります。
また、製造したい歯車の種類が変われば設備や切削工具を変更しなければならない可能性もあります。複数の設備や切削工具の導入、また製品に応じた切り替えには大きな導入コストや切り替え時間が必要です。
精度の高い加工が難しい
歯車はその用途から高い精度を必要とする場合が多く、高い精度で加工を行うためには加工中の寸法変化を想定した設計に加え、歯車加工に適した専用の設備・切削工具が必要です。
また、研削加工などの精度を高める加工をする際に、加工機の切削工具に摩耗やピッチングが生じていると、歯車の精度低下に繋がります。常に高い精度で加工が行えるように、定期的なメンテナンスは必要不可欠です。
精密な歯車のニーズが増大
近年は、さまざまな業界で精密な歯車のニーズが増大しています。
例えば、産業用ロボットでは人間の手に近い動きが可能なきめ細やかな作業が求められており、高い精度での作業を実現するために小型で高精度な歯車の需要が高まっています。産業用ロボット以外の製造業でも、製品の小型化や高性能化のニーズは高く需要は大きい状況です。
また近年では、オーダーメイドのような多品種少量生産への対応が求められることも多くあります。
精密な歯車の製造においても、標準品では対応が難しい細かなニーズに応えられる歯車の製造体制整備が必要となっています。
3Dプリンタを用いた歯車の製造方法
需要の高まる精密歯車、および多品種少量生産への対応を実現するために、歯車への製造に3Dプリンタを採用する機会が増えています。
歯車の最終形状を3Dプリンタだけで造形できる場合もあれば、必要な精度を実現するために研磨を3Dプリンタで歯車を造形した後に後加工として行う場合もあります。
歯車に求められる精度や機能によって、採用される材料や3Dプリンタの造形方式は異なるため、用途に合わせて使い分けることが重要です。
樹脂や金属など、さまざまな種類の材料に対応し精度の高い加工も実現できます。今後も精密な歯車の加工法として、3Dプリンタの採用は拡大していくでしょう。
3Dプリンタを用いた歯車の製造方法
BMFでは高い造形精度が求められるなか、PµSL（Projection Micro-Stereolithography）と呼ばれる、独自の光造形技術を開発。PµSL技術は、高い精度が求められる歯車製造でも活躍しています。
BMFの超高解像度3Dプリンタによる、精密歯車のアプリケーションをご紹介します。
超小型歯車
microArch®S130で一体成型された、超小型歯車です。
最小サイズ75μmで、スマートデバイスへの応用が期待されています。
また異なる種類の歯車や特殊な組み合わせを用いることで、異なる特性を持つ機械的メタマテリアルを設計することも可能です。 メタマテリアルによって、大きな負荷や衝撃に耐えることもできます。
ヘリンボーンギア
microArch®S130で一体成型された、ヘリンボーンギアです。
ギアの最小隙間は20μmで、公差精度も高いため、干渉を起こすことがなくスムーズに回転させることができます。
小型・高精度・軽量で、センサー・マイクロポンプ・マイクロバルブ・マイクロモーターなどの、マイクロマシンへの組み込みに最適です。一体成型で、組立て工程も不要です。
歯車の精密加工法まとめ
高精度でオーダーメイド性に優れた歯車の製造は、従来の複数の工程が必要な加工法では生産性を高くすることは困難です。そこで、3Dプリンタでの精密ギア加工に注目が集まっています。
3Dプリンタであれば、需要の高まる精密な歯車の多品種少量生産への対応が可能です。現在も更なる高精度化や生産性向上を実現するための技術開発が進められているため、今後も精度の高い歯車の製造に3Dプリンタの導入は進められていくでしょう。
