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テクノロジーニュース

歯車の全自動粗さ測定 – 精密測定機のための最適化システム(方式)

2019.08.20  切削工具基礎工作機械応用

表面粗さの重要性

トランスミッションのギアを完璧に操作するには、形状だけでなく、機能面の表面品質も重要な役割を果たします。形状の正確な検査は何十年もの間最先端技術であり、それ以来さらなる発展を遂げてきました。 対照的に、表面品質の影響に関する識見はまだ比較的最近のものです。ほんの数年前まで、この見地は標準的なトランスミッションの連続生産のための中心トピックではありませんでした。しかし、新しい/改良された機械加工技術のおかげで、滑らかな表面または規定された表面粗度は、今や大規模生産においてさえも、費用効果的に生産することができます。また、ポリッシュ研削や化学的なポリッシュ方法などの特別な製造プロセスがこの点で貢献しています 。

最大精度で定義された表面特性は基本変数であり、しばしばドライブエンジニアリングにおける価値ある改善のための前提条件でもあります。 特に自動車産業において、そして特に電気自動車分野において、ギア構成要素の表面品質は不可欠です。電気駆動装置と組み合わせて、極めて高い回転速度が伝達され、その結果、伝達およびギア設計において新たな課題が生じるためです。また、燃焼機関を備えた従来の駆動装置でさえ、より滑らかなギアが走行特性に大きく寄与することがあります。1μm未満のRz値を持つ表面の製造は、現在連続生産で可能です。

図1.   ポリッシュと研磨を組み合わせたウォーム

従来の粗さ測定方法

結果として、歯車の粗さ測定の重要性が著しく高まりました。粗さは、一般的な粗さ測定システムを使用して歯面で測定できますが、これらのシステムは連続測定には必ずしも適していません。それらは操作が難しく、訓練を受けた技術者を必要とします。測定は大部分手動で行わなければならず、位置合わせも重要な役割を果たすため、標準的なフィードシステムでこのような測定を行うにもかなりのスキルが必要です。セットアップ手順は、基準面(線)粗さ測定システムでは特に困難です。歯の輪郭が曲がっているため、ダイヤモンド針で曲線が描かれています。送り装置は直線運動を実行するので、この曲線がプローブの測定範囲内に留まるように位置合わせを選択しなければなりません。これには適切に大きな測定範囲が必要です。加えて、ダイヤモンド針は運動中に表面に対するその整列を変えます。

図2.   基準面スキャンシステム。
図3.   スキッドスキャンシステム。

スキッドプローブ付きフィードユニットを使用する場合、プローブニードルの測定範囲は大幅に狭くなり、分解能はそれに応じて高くなります。 敏感なプローブ針はスキッドで保護されています。 これによりシステムは非常に堅牢になります。 これは、プローブ針を歯溝に設置するときに針の損傷を防止するので、取り扱い上の利 点があります。 図2と図3は、歯車の粗さを測定する2つのリニアフィードシステムを示しています。しかしながら、センサー技術にかかわらず、上述のデメリットは両方のシステムに当てはまります。 そのため、ギア業界では自動化されたソリューションが求められていました。

歯車に最適化されたソリューション

自動化された解決策を実現するために、歯車測定機を使用し、粗さセンサーシステムを採用することは明らかです。これに関連して疑問が生じます。すなわち、歯車測定機と粗さセンサーとのこの組み合わせにはどのセンサー技術が最も適しているのかということです。

歯車測定と組み合わせて行うことができる自動測定シリンダーは、高感度なプローブ針が損傷され得ない堅牢なシステムを必要とします。これが、スキッドシステムを使用する主な理由でした。

しかし、スキッドシステムは、よく知られている欠点、すなわち、表面の突起による信号の破損を有します。触針は最初の突起を計測データとして記憶しますが、以降はスキッドが持ち上がるため触針が下がり、測定値ロギング処理中にスキッドが触針とは異なる時に上昇します。測定信号は、 実際には存在しない凹部を検出します。

図4および5.    3-Dプローブに取り付けられた粗さセンサー:
粗さセンサー技術に加えて、精密な旋回装置も非常にコンパクトな粗さセンサーに統合されています。 したがって、粗さプローブは、触覚スタイラスのようにアダプタープレートで操作でき、自動的に変更できます。 これの特に便利な機能は、自動プラグインです(右図)。

しかし、歯車の高品質の研削または磨かれた歯の表面では、この効果は非常に表れにくく、これは、ギア測定にスキッドスキャニングシステムを使用するための好条件です。

図4と5は、歯車部品に使用するために特に開発された粗さプローブが歯車測定機にどのように適合されるかを示しています。 粗さプローブは、3Dトレーサーヘッドの標準アダプタープレートに直接取り付けることができます。さまざまな方向にスキャンするために、粗さプローブには一体型のスイベル軸が装備されています。粗さプローブとスイベル軸の組み合わせが非常に小型化されているため、適合が可能です。

図6.   粗さセンサーのフロントエンドは、スキッドとダイヤモンドチップ配置を示しています。ダイヤモンドチップのプローブ力は0.5 mN未満です。

この構成により、粗さセンサーの滑りは、3Dトレーサーヘッドに取り付けられた触覚スタイラスのボールのように行動します。スキッドの接触点はボールの切り欠きに過ぎないので、回転軸は接触点を表面に垂直にしてスキッドを回転させる。ダイヤモンド針も同じ方向にねじれています。この機能を理解するために、図6に粗さセンサーの前部を示します。

図7および8.   歯車測定機の粗さセンサーの配置と機械軸の割り当てです。センサーの旋回軸の回転方向もマークされています。ギア測定機は、VDI / VDE 2612および2613のクラス1に準拠しています。粗さ測定システムは、DIN / ISO 3274に準拠した要件を満たしています。

粗さシステムは、特に歯車の粗さパラメータを記録するように最適化されているため、歯車の測定と同じ測定サイクルを粗さの測定に使用することができ、したがって最適なトレース条件が保証されます。 触覚スタイラスと粗さセンサーを測定プロセス内で自動的に交換して、ギア測定、サイズ、形状、位置測定などの完全自動測定サイクルと、1回のクランプでの粗さ測定を行うことができます 。

この統合ソリューションと完全に自動化された測定サイクルにより、熟練していないスタッフでも連続測定を実行できます。これには、生産環境でも使用できる特に堅牢なシステムが必要です。この要件は、粗さセンサーとスキッドとの配置によって満たされます。ダイヤモンド針は衝突の場合に損傷から保護されています。さらに、スキッドシステムを使用することにより、粗さ測定は振動に対して非常に鈍感でもあります。

図9.   面粗度センサー 付測定機

これは、生産環境でセットアップを直接使用するための重要な前提条件です。ギア測定に関しては、これはすでに最先端技術です。多数の使用者の例が、それが粗さ測定のために示されたシステムとも機能することを確認しています。

図10および11.   スキッドプローブシステムの最適化された測定およびトレース戦略により、曲面は粗さプローブに対して理想的な平面のように動作します。 ここに、インボリュートギアリングのサンプルプロファイル測定を示します。

統合システムのもう1つの利点は 、 回転軸を備えた 4軸座標測定機の「可能性」を利用できることです。インボリュート曲率ですが、ダイヤモンドの針を常に表面の法線方向に正確に保つことができます。曲率は生成的測定動作によって完全に補正され、ギア表面でのスキャンはほぼ完全に線形化されます(図10〜11)。

粗さプローブの観点からは、曲面は理想的な平面のように映し出されます。ダイヤモンド針は表面粗さのみを記録するため、対応する高解像度の非常に小さな測定範囲へ使用できます。これにより、長いうねりの曲率のフィルタリングエラーが防止されます。

Tip半径の影響

DIN / ISO 3274規格では、どの条件下でTip半径5 µmまたは2 µmのプローブ先端を使用するかを指定しています。どちらの場合も、半径は非常に小さいです。表面に対するプローブ先端半径の影響をよりよく理解するためには、互いの関係を明確にしなければなりません。

半径が2 µmであるため、非常に微細な線条をより適切に測定できます。これを説明するには、同じ倍率で経度と垂直方向の表面間の関係を表すとよいでしょう。

典型的な粗さプロファイルチャートでは、表面に対する非常に強力な垂直スケーリングが使用されます。 これにより、深さがわずか0.5〜1.5 µmの線条が非常に狭く表示され、90°または60°のダイヤモンドチップを使用して測定することは不可能と思われます。縦方向(最も長い方向)と垂直方向に同じ倍率で実際の関係を示すことによって、先端と比較して一見狭いように見える実際の外観が明らかになります。この場合、線条は2 µmと5 µmの両方のチップで測定できます。差異がさらに狭い場合、5 µmのチップは底に到達しないため、2 µmのチップが必要です。 図11は、倍率の影響を示しています。

図12.  すべての方向に同じ倍率を使用したグラフは、ダイヤモンドの先端と最も深い線条の正しい関係を示しています。 典型的な粗さプロファイルの表示には、強力な垂直スケーリングがあります。 ギャップは、実際よりもずっと狭く見えます。

測定結果

粗さ測定結果の評価と出力は、歯の評価に類似しています。 粗さ曲線は、対応する図に示されています。 計算されたパラメータは、表形式の図の下にリストされます。粗さ測定システムはDIN / ISO 3274の要件を満たし、フィルタはDIN / ISO 166110-21に準拠して動作、パラメータはDIN / ISO 4287に従って計算されます。

図13.   粗さパラメータと許容値の入力メニュー
図14.  長さとフィルタのパラメータを測定するための入力メニュー
図15.   粗さ測定曲線と測定されたパラメータの図を示しています。 許容値を入力した場合、許容値を超えるとパラメータが赤で印刷されます。

希望する粗さパラメータ、測定長、フィルタ設定、上限公差、下限公差はソフトウェアで選択できます。 対応する入力メニューが表示されます(図13〜14)。

図16 (1).  地上歯車で行われたこの比較測定の例は、基準測定システム(赤)と歯車測定機(黒)を使用して実行された測定間の対応を示しています。 これは、パラメータだけでなく、2つの測定曲線の特性にも当てはまります。

この古い図形式では、Lt = 1.5 mmの測定長とフィルタLc = 0.25 mmが図の横に印刷されています。

測定結果が他の測定機器の結果と確実に一致するようにするために、基準測定システムを用いて多数の 比較測定を行いました。これの難しいポイントは正確に同じ位置で測定することです。このような測定は、カスタマーによって何度も行われてきました。例を示します(図16)。興味深いのは、実際に同じ場所にぶつかった場合の図の対応です。

図16 (2).  違いはナノメートル範囲であることに注意してください。 ただし、粗さの値が小さいため、偏差の割合は大きくなります。

材料比率の評価

長年にわたり、規格委員会は表面特性を重要な値で表現するために新しい粗さパラメータを継続的に再定義してきました。 それにもかかわらず、記述が非常に簡単なパラメータRaとRzの評価は、まだ一般的に使用されています。ただし、これは表面特性を明らかにしません。表面は、RaまたはRzの値が同じであっても、非常に異なる詳細な構造を持つことができますが、ほとんどの場合、構造が異なると特性も異なります。

個々の測定セクションによる粗さ測定曲線の従来 の評価に加えて、材料比の評価は現在ますます使用されています。これにより、表面特性を評価するための追加の有用なパラメータが提供されます。

この評価では、記録された測定曲線の高さに沿って断面が生成され、その中で材料比率がパーセント値として計算されます。 これに基づいて、いわゆるアボット – ファイアストーン曲線が生成され、特別な方法に従って評価されます。

材料比評価の利点は、表面の最上点から固体材料への移行までの高さプロファイルにわたって材料密度が変化することから生じる明確なパラメータが得られることです。 歯車製造業者は歯車表面に非常に特殊な構造を実現したいので、この評価は役立ちます。 広い平坦域を有する高いピーク、または狭い溝を有する広い平坦域などの特性は、MR1およMR2と同様に材料比パラメータRk、RvkおよびRpkによって記述されます。したがって、これらのパラメータは、図16に示されている表面に対して著しく異なるであろう 。

パラメータはDIN / ISO 13565に従って計算されます。 この規格では、これらのパラメータの意味と派生について詳しく説明しています。

図17.  これらの3つの表面プロファイルは、材料比率評価の重要性を示しています。表面の特性は生産プロセスが異なるため完全に異なりますが、3つのケースすべてで同じRa値が決定されました。

小型モジュールの歯車

図6に示された粗さプローブ設計は、小さい間隙に適合しないので、極端に小さい歯のスペースと組み合わせて使用することはでません。

図18.   表面の特性評価に使用されるAbbott-Firestone曲線の生成。
図19.   粗さプローブのフロントエンドは、スキッドとダイヤモンドチップの配置を示しています。 スキッドの位置は、ダイヤモンドチップの横にあります。 反対側には、先端を保護するための衝突プロテクターがあります。

このため、モジュール0.9 mmのギアに使用するための特別なスキッドデザインとダイヤモンドニードルの平行配置を使用して、別の粗さプローブが開発されました。 特別モデルが示されています(図19)。

図20.  モジュール0.9 mmから始まるギアリングの粗さプローブの拡大画像は、ダイヤモンドの先端に対するスキッドを示しています。 システム全体の寸法が非常に小さいため、チップの半径とスキッドの半径の間で1:1000の比率が達成されました。 この粗さプローブには、標準で2 µm /60ºダイヤモンドチップが装備されています。

歯の地面と歯の先端との間の距離が短いため、針とスキッドの平行設計が必要でした。この設計は、小さいギアで利用可能な短い測定部分の最大可能な割合が記録されることを確実にする。非常にコンパクトな設計のため(図20)、プローブ先端半径(2 µm)とスキッド半径(2 mm)の間で1:1000の比率が達成されました。スキッドとニードルの間の距離もさらに短くなりました 。

図20に示す小さなスタイラス先端半径は、小さなモジュールを測定するための前提条件ではありません。 使用されるチップの半径は、標準のISO 3274で 規定されています。そのため、粗さプローブはオプションで2 µmと5 µmのチップ半径で利用できます。

内歯車

図21および22.   内歯車の粗さ測定

内歯歯車の測定は、外歯歯車よりも基準面スキャニングシステムの使用がさらに複雑であるという別の課題を表しています。旋回装置が組み込まれた非常にコンパクトな粗さプローブのおかげで、自動設定でも使用できるシステム全体を開発することができました。モジュール0.9 mmから始まる外歯歯車の粗さプローブと組み合わせて、自動変速機を備えた複雑な乗用車の典型的な内歯歯車も測定できます。図21および22は、図21および22は、内歯車と内歯車の粗さ測定システムの設計を示しています。

特別なスキャン条件により、スキッドとダイヤモンド針を平行に配置したスキッドプローブの使用が有利です。このようにして、スキャン角度の自由度が大幅に向上するため、シャフトの衝突を回避できます。また、歯の深さに対してはるかに広い測定範囲を実行することができます。 内歯車用粗さプローブ付きのプローブロッドも自動的に交換できます。 プラグを介した電気接続も、他の粗さプローブと同様に自動的に接続されます。

概要

歯車の伝達特性は、歯車の表面粗さを減らすか、最適化された表面を生成することで改善できます。とりわけ、これは効率、出力密度、磨耗および走行挙動に良い影響を与えます。最新の製造プロセスでは、このような表面を経済的かつ確実に製造できます。表面を機械加工した結果を管理するために、歯車の粗さ測定が重要になります。

既知の粗さ測定装置では、これらの測定には非常に時間がかかり、訓練された人員が必要です。 連続測定の場合、提示された全自動システムの方が適しています。

このシステムは歯車測定機に基づいているので、歯車測定の全ての測定作業を使用することが可能です。 スキッドシステムを備えた開発された粗さセンサーは非常に小型化されているため、センサーは3-Dタッチプローブにも適応できます。この場合、触覚スタイラスの代わりに粗さセンサーが使用されます。スキッドとダイヤモンド針は、粗さセンサーに組み込まれた回転軸によって自動的に歯の表面に垂直に回転させることができます。粗さセンサーシステムはDIN / ISO 3274規格に準拠しています。

スキッドシステムの使用により、粗さセンサーの敏感なダイヤモンドニードルが測定中の衝突から保護されます。これにより、システムが非常に堅牢になります。堅牢な粗さセンサーと歯車測定に類似した自動測定シーケンスとの組み合わせにより、生産エリアでの粗さ測定が可能になりました。

触覚スタイラスと粗さセンサーの間の自動変更により、このシステムでは自動プロセスによる測定と幾何学的測定との組み合わせが可能です。測定プロセスのプログラミングは、ギア測定と同様のギア測定機のオペレーターが実行できます。

小さなモジュールを備えたギアの測定用に、特別なスキッド設計の追加の粗さプローブが開発されました。これにより、0.9 mmのモジュールからの測定が可能になります。 内歯車の粗さも同じように簡単に測定できるようになりました。 Ra、Rz、Rt、Rmaxなどの従来の評価に加えて、Rk、Rpk、Rvk、MR1、MR2などの接触比パラメータも評価できます。 接触比パラメータは、DIN / ISO 13565規格に従って評価されます。 粗さパラメータは、DIN / ISO 4287に従って評価されます 。

詳細について

この論文に関するコメントや質問はございますか?Georg Mies(g.mies@klingelnberg.com)にお問い合わせください。 Dipl. Ing. Georg Miesは、研究開発精密測定センターの責任者です。 彼の1985年の卒業以来、Dipl.-Ing. 電気工学および自動化技術では、Klingelnbergで測定機の開発に携わってきました。 彼の開発分野は、CNCコントローラー、センサー技術、機械のコンセプト、そして精度を向上させるための補正方法です。 Miesは、30以上の国内外のKlingelnberg特許の発明者であり、よく知られたP26測定機およびすべてのKlingelnbergタッチプローブの「父」とされています。

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