JP5193649B2

JP5193649B2 - 芯金

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Publication number: JP5193649B2
Application number: JP2008084901A
Authority: JP
Inventors: 崇山脇
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2008264873A; JP2012236229A

Description

本発明は、自動車のパワーステーリング装置等に使用される中空ラックバー等の中空部品を製造するために用いられる芯金及びこの芯金を用いて製造された中空ラックバーに関し、特に中空部材の背面側の形状を精密に作り込むとともに、短尺型のものを用いた場合には倒れによる不具合を防止できるものに関する。

自動車のパワーステアリング装置に使用される中空ラックバー（中空部品）の製造方法としては従来は丸棒からの切削によるものが多かった。しかしながら、複雑な形状及び軽量化に対応するため、パイプ材から転写鍛造によって製造するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、まず、パイプ材を冷間鍛造金型によって加圧することにより歯成形工程の第一工程として上面が平坦に形成され、次なる工程でパイプ材の空洞に芯金が圧入される。芯金は棒状に形成されるとともに、パイプ材の平坦部側にテーパ状の突起部を有しており、突起部がパイプ材の平坦部に内周側において係合することにより平坦部の肉が成形型の歯列に向けて塑性変形的に流動することにより張出され、パイプ材の外周平坦部に成形型の歯列に対応した形状の直線方向の歯列が転写方式にて付与され、ラックバーとすることができる。

このようなラックバーは、図１０に示すラック＆ピニオンギア３００に用いられる。ラック＆ピニオンギア３００は、ケーシング３０１と、このケーシング３０１に軸受３０２を介して回転自在に取り付けられたピニオンギア３０３と、このピニオンギア３０３に対して直交する方向に移動自在に設けられた中空ラックバー３０４と、この中空ラックバー３０４の外壁面（角度範囲Ｍ）を摺動自在に支持するラックガイド３０５と、このラックガイド３０５をピニオンギア３０３側に押圧するスプリング３０６とを備えている。

図１１は芯金４００の一例を示す断面図である。芯金４００は棒材４０１とこの棒材４０１に設けられた突起部４０２とを備えている。また、棒材４０１の断面は図１１に示すように縦長形状である。
特公平３−５８９２号公報

上述した芯金にあっては、次のような問題があった。すなわち、中空ラックバー３０４は、ラックガイド３０５との摺動を円滑に行うため、外周面を高精度に形成する必要がある。

これに対し、芯金４００の突起部４０２との背面側は芯金４００の軸方向を中心として狭い角度範囲にしか形成されていなかった。このため、後工程で中空ラックバー３０４のＲ形状を形成する等、加工の手間と時間がかかることがあった。

また、長尺型の芯金４００の代わりに短尺型の芯金を用いて転写鍛造を行う場合があった。このような短尺型の芯金は、芯金を往復動させるための駆動棒が別体になって構成されているものである。このような場合、芯金が中空ラックバー３０４の中空部内で倒れることがあり、歯成形ができないことがあった。

一方、歯列を転写する際に用いる成形型は、転写時にその歯底中央部に応力が集中するため、寿命が短くなるという問題があった。

また、中空ラックバー３０４となるパイプ部材の中空部はその内周面を軸方向に直交した断面をとると、歯部の高さが大きい場合、歯部が形成される平坦部Ｐａ側の外周面と中空部の内周面との幅が狭くなり、歯部成型時の荷重に耐えられない場合があった。このため、中空ラックバー自体の変形の問題、及び、成形型の寿命が短い問題の両方が生じることとなった。

そこで本発明は、中空素材の歯形成面と反対側に位置する背面側のＲ形状の作りこみを歯成形と同時に行うととともに、短尺型の芯金であっても中空部内での倒れを防止して円滑な加工を行うことができる芯金及びこの芯金を用いて製造された中空ラックバーを提供することを目的としている。また、成形型の寿命を延ばすことが可能となる芯金を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の芯金は次のように構成されている。

金型に保持された中空素材の内部空洞に圧入されることにより前記中空素材の肉を金型に向けて内径側から張出させることで中空ラックバーを製造する方法に使用される芯金において、前記中空素材の中空部の最小断面領域よりも小さい最大断面領域を有する短尺の棒材と、この棒材の軸方向に設けられ、前記金型側に配置される突起部とを備え、前記棒材の前記突起部とは反対側に位置する背面部には、前記中空ラックバーを外周面側から案内するための案内部材との摺動面に対応する範囲であって、軸を中心として少なくとも１２０〜１５０°の範囲にわたって外周押圧面が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、中空素材の歯形成面と反対側に位置する背面側のＲ形状の作りこみを歯成形と同時に行うととともに、短尺型の芯金であっても中空部内での倒れを防止して円滑な加工を行うことが可能となる。また、成形型の寿命を延ばすことが可能となるとともに、中空ラックバーの歯部長手方向の剛性を高めることが可能となった。

図１は本発明の一実施の形態に係る芯金１０を示す側面図、図２は芯金１０が用いられる中空ラックバー製造装置１００を示す要部断面図である。なお、図２中Ｐは鉄製のパイプ（中空素材）を示している。また、図２中１０Ａは、芯金１０と同じ構成の芯金を示している。パイプＰはラック＆ピニオンギアの中空ラックバーとして用いられるものであり、ラックガイド３０５等の案内部材（図１０参照）に対して摺動可能に取り付けられるものである。

芯金１０は、半円形状の棒材１１を備えている。棒材１１は、最初にパイプＰに挿入される圧入方向の先端側に位置する先端部１２と、駆動装置に連結された基端部１３とを備えている。

この棒材１１には、上面は全体としては平坦であるが、棒材１１の軸方向に沿って３つの突起部２１，２２，２３が一体に設けられた平坦部１１ａが形成されている。一方、棒材１１は平坦部１１ａと反対側に位置する背面側でパイプＰの内周面と密着しており、鍛造工程中はバイプＰの内周面との密着を維持しながらパイプＰの軸方向における直線移動が可能である。また、パイプＰの中空部の最小断面領域よりも小さい最大断面領域を有している。すなわち、後述するように、パイプＰの上面が平坦化され、平坦部Ｐａが形成された後であっても円滑に移動できるような大きさに形成されている。棒材１１の突起部２１〜２３とは反対側に位置する背面側には、パイプＰを中空ラックバーとして用いる場合に、外周面側から案内するための案内部材との摺動面に対応する範囲Ｑ（軸を中心にして１２０〜１５０°）にわたって外周押圧面１４が形成されている。

各突起部２１〜２３は、緩やかなテーパ状の案内面が形成されており、成形時の流動抵抗に関わらず芯金１０のスムーズな動きが得られるようになっている。

次に、この芯金１０を用いる中空ラックバー製造装置１００の構成について説明する。中空ラックバー製造装置１００は、鉄製パイプＰを保持する下型１１０及び上型１２０とを備えている。中空ラックバー製造装置１００は、下型１１０及び上型１２０に保持されたパイプＰの内部空洞に芯金１０を圧入させることによりパイプＰの肉を後述する歯型１３０に向けて内径側から張出させることで中空ラックバーを製造する装置である。

下型１１０は横断面において半円形の内周面１１１を備え、この半円形の内周面１１１にパイプＰが載置される。上型１２０はその上側の内面が所定長さに亘って長さ方向に間隔をおいた歯型１３０を着脱自在に備えており、転写鍛造によりパイプＰの上面における所定長さの部位に歯型１３０の凹凸に応じてラックを形成することができる。

このように構成された中空ラックバー製造装置１００及び芯金１０，１０Ａを用いてパイプＰの鍛造加工を行う。

予め、別の型を用いて中央部を中凹状に平潰し、中凹の半円形状としたパイプＰを用意する。このパイプＰを上型１２０及び下型１１０間に保持し、パイプＰの平坦部Ｐａが歯型１３０に当接させる。

この状態においてパイプＰに対する芯金１０の圧入が開始される。芯金１０はその先端１２よりパイプＰの中空部に導入される。そして、テーパ状の案内面を介して最初の突起部２１がパイプＰの平坦部Ｐａの内側面に作用し、パイプＰの肉は歯型１３０の歯形に向けて張出される。そして、芯金１０の圧入が続けられることにより順次突起部２２，２３による肉の張出しを受け、圧入鍛造が行われる。次に、後退方向に芯金１０を移動する。続いて、芯金１０Ａを圧入することで、交互に圧入鍛造を行う。このとき、芯金１０，１０Ａには、外周押圧面１４が形成されているため、パイプＰの下側の面は、Ｒ形状が作りこまれていく。

なお、この後、同様にして、突起部の突出量を僅かに大きくした芯金１０を用いて圧入鍛造を行う。以降、同様にして芯金１０のサイズを少しずつ大きく変えつつ、所定の工程を繰り返すことで、最終的な加工が完了する。最終的に、芯金１０の高さは芯金圧入によりパイプＰの肉が歯型１３０の凹凸に対応して十分に張出されたラックの転写鍛造を完了する。

上述したように、本実施の形態に係る芯金１０によれば、パイプＰの平坦部Ｐａに歯形状を作りこむと同時に、外周押圧面１４によって背面部ＰｂにもＲ形状を作りこんでいくことができる。このため、後工程でＲ形状を形成するための工程が不必要となり、加工の手間と時間を節約することが可能である。このようにＲ形状が形成されていると、パイプＰを中空ラックバーとして用いる場合に、ラック＆ピニオンギアに組み込んだ際に、案内部材との摺動が円滑に行われ、案内部材によって軸方向の移動を円滑に行うことが可能となる。

図４は本発明の第２の実施の形態に係る芯金セットの１つである短尺型の芯金１０Ｂを示す側面図、図５〜図７は同芯金セットを用いる中空ラックバー製造装置２００を示す図である。図５は金型及び芯金ホルダまわりを芯金が挟持された状態、図６は金型及び芯金ホルダまわりを芯金受け渡し状態、図７は金型及び芯金ホルダまわりを芯金の圧入が完了した状態で示している。図４において、図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

芯金１０Ｂの棒材１１の長さは、後述する歯型２１３の歯部の長さの半分以下と短い。

中空ラックバーの製造装置２００は、金型２１０、複数の芯金１０Ｂのセットを収納する芯金ホルダ２２０、第１の芯金押棒２３０、第２の芯金押棒２４０、及び芯金ガイド２５０等を備えている。

金型２１０は、鉄製パイプ材Ｐを保持する下型２１１及び上型２１２とを備えている。下型２１１は横断面において半円形の内周面２１１ａを備え、この半円形の内周面２１１ａにパイプ材Ｐが載置される。上型２１２はその上側の内面が所定長さに亘って長さ方向に間隔をおいた歯型２１３を着脱自在に備えており、転写鍛造によりパイプ材Ｐの上面における所定長さの部位に歯型２１３の凹凸に応じてラックを形成することができる。

芯金ホルダ２２０は、金型２１０の片側、例えば図５〜図７において金型２１０の右隣にのみ配置されている。図５〜図７に示すように芯金ホルダ２２０は複数の保持孔２２１を有している。これらの保持孔２２１はパイプ材Ｐが延びる方向に芯金ホルダ２２０を貫通していて、その内部に芯金１０Ｂが個別に収容されている。収容された芯金１０Ｂは、金型２１０に対する適正な姿勢で、かつ、不用意に脱落しないように図示しない板ばね等により保持されるようになっている。芯金ホルダ２２０に支持された各芯金１０Ｂは、金型２１０に対して第１の芯金押棒２３０が挿脱される側に位置されている。

芯金ホルダ２２０はホルダ駆動部（不図示）により移動される。この駆動が行われるたびに、複数の保持孔２２１の内の一つが順次選択されて互いに合わさったパイプ材Ｐの一端に対向される。そのため、芯金ホルダ２２０に支持された芯金１０Ｂを順次パイプ材Ｐ内に出し入れすることが可能である。このために、ホルダ駆動部で芯金ホルダ２２０を図５〜図７中上下方向(縦方向)に一定ピッチずつ移動させている。しかし、これに代えて、横方向（図５〜図７を描いた紙面の表裏方向）に移動させてもよい。或いは、芯金ホルダー２２０を回転可能に設けて、ホルダー駆動部で所定角度ずつ回転させることもできる。

第１の芯金押棒２３０の先端側は、金型２１０に保持されたパイプ材Ｐに対して挿脱自在に形成されている。その際、芯金１０Ｂを伴って金型２１０に保持されたパイプ材Ｐに挿入される。なお、図５〜図７中符号２６０は管状の押棒ガイドを示している。

第２の芯金押棒２４０の先端側は、金型２１０に保持されたパイプ材Ｐに対して挿脱自在に形成されている。

図５〜図７に示すように芯金ガイド２５０は、金型２１０と芯金ホルダ２２０との間に、かつ、金型２１０に寄せて配置されている。この芯金ガイド２５０は、金属等からなりその厚み方向に貫通した通孔２５１を有している。通孔２５１は金型２１０に保持されたパイプ材Ｐの中空部に連通されている。

次に、以上の構成の中空ラックバー製造装置２００を用いて中空のラックバーを製造する手順を説明する。セットされたパイプ材Ｐは金型２１０内に配置され、パイプ材Ｐの他端側は金型２１０から突出される。又、型締めによって、下型２１１及び上型２１２とで挟持されるとともに、平坦部Ｐａに歯型２１３が当接される。

このセット作業の前又は後に、芯金ホルダ２２０を動作させて、それに収容された複数の芯金１０Ｂの内の一つを、芯金ガイド２５０の通孔２５１に対向した状態に保持する。これとともに、通孔２５１に対向した芯金１０Ｂの右端に第１の芯金押棒２３０の先端を係合させる。

次に、第２の芯金押棒２４０がパイプ材Ｐ内に挿入され、第２の芯金押棒２４０の先端がパイプ材Ｐ及び芯金ガイド２５０の通孔２５１を挿通して、この通孔２５１に対向している芯金ホルダ２２０内の芯金１０Ｂの左端に当たるようになる。したがって、通孔２５１内の芯金１０Ｂがその軸方向両端からこれら両端に接した第１の芯金押棒２３０と第２の芯金押棒２４０とで挟持される。

この後、第１の芯金押棒２３０が、芯金ホルダ２２０の保持孔２２１及び芯金ガイド２５０の通孔２５１を通って、図６に示すように金型２１０に保持されたパイプ材Ｐ内に挿入される。

この時、芯金１０Ｂは、第１の芯金押棒２３０と第２の芯金押棒２４０とで挟持された状態のままで、第１の芯金押棒２３０により押圧されてパイプ材Ｐ内に圧入される。この圧入により、芯金１０Ｂの突起部２１〜２３による肉の張出しを受け、圧入鍛造が行われる。芯金１０Ｂの圧入は、図７に示すように芯金１０Ｂが平坦部Ｐａから抜けきらない状態で終了する。

次に、第１の芯金押棒２３０が引き戻される。この時、第２の芯金押棒２４０が芯金ホルダ２２０に向けて移動される。これにより、芯金１０Ｂは、この芯金１０Ｂの両端に接した第１の芯金押棒２３０と第２の芯金押棒２４０とで挟持された状態のまま、第２の芯金押棒２４０により押圧されてパイプ材Ｐ及び芯金ガイド２５０の通孔２５１を通って芯金ホルダ２２０に内に押し戻される。この場合にも、芯金１０Ｂの突起部２１〜２３による肉の張出しを受け、圧入鍛造が行われる。

この後、芯金ホルダ２２０を動かして、次に突起部の突起量が大きい芯金１０Ｂ及びこれが収容された保持孔２２１を芯金ガイド２５０の通孔２５１を通してパイプ材Ｐの開口部に対向させる。

そして、次に使用する芯金１０Ｂを挟持した状態とした後に、同様にして、芯金１０Ｂは、第１の芯金押棒２３０と第２の芯金押棒２４０とで挟持された状態のままで、第１の芯金押棒２３０により押圧されてパイプ材Ｐ内に圧入し、一往復させる。こうした手順を順次繰り返すことによって、パイプ材Ｐに金型２１０の歯型２１３に対応したラックを有した中空ラックバーを製造する。

最後に、使用した最後の芯金１０Ｂを芯金ホルダ２２０に戻した後に、第２の芯金押棒２４０をパイプ材Ｐから抜出してから、金型２１０を開く。

本第２の実施の形態に係る短尺型の芯金セットを用いた場合であっても、上述した第１の実施の形態に係る芯金セットを用いた場合と同様の効果を得ることができる。

図８は、上述した芯金１０及び中空ラックバー製造装置２００で製造された中空ラックバー３０を示す横断面図である。

中空ラックバー３０は、中空状の筒部３１と、筒部３１に設けられ、ピニオンギア３０３と噛み合う複数の歯部が軸方向に沿って並設されたラック歯形成部３２と、筒部３１のラック歯形成部３２と反対側に設けられ、筒部３１を外周側から案内するためのラックガイド（案内部材）３０５との摺動する円周面が形成されている背面部３３とを備えている。円周面は前述したＲ形状に対応するものである。なお、図８中３２ａは歯部を示している。

上述したように、中空ラックバー３０によれば、円周面が歯形状と同様に形成されている。したがって、中空ラックバー３０をラック＆ピニオンギア３００に組み込んだ際に、ラックガイド３０５との摺動が円滑に行われ、ラックガイド３０５によって軸方向の移動を円滑に行うことが可能となる。

図９は、上述した芯金１０及び中空ラックバー製造装置２００で製造された中空ラックバー４０を示す横断面図である。

中空ラックバー４０は、中空状の筒部４１と、筒部４１に設けられ、ピニオンギア３０３と噛み合う複数の歯部が軸方向に沿って並設されたラック歯形成部４２と、筒部４１のラック歯形成部４２と反対側に設けられ、筒部４１を外周側から案内するためのラックガイド３０５との摺動する円周面が形成されている背面部４３とを備えている。円周面は前述したＲ形状に対応するものである。なお、図９中４２ａは歯部を示している。

一方、中空ラックバー４０は、筒部４１のラック歯形成部４２の内面側は、筒部４１の軸方向に交差する方向における中央部に、凸部４４が形成されている。この凸部４４は成形型の歯底中央部に対向する位置に設けられている。

芯金１０の長手方向に対して交差する方向における突起部２１〜２３の中央部を凹状とすることで成形型の中央部に応力が集中せず、型の長寿命化を図ることができる。なお、凹形状が円弧で形成されている場合は、成形型寿命の点では問題ないものの、金属の流動性を考慮するとあまり深くできないうえ、リブの厚さが均等ではなくなるので、中空ラックバーの歯部の長手方向に転写されるリブ形状による剛性向上はさほど見込めない。

これに対し、図９に示すように芯金１０の凹部Ｈの底面を軸方向に垂直の断面において直線状とした場合、一定深さで幅広く凹形状を作製可能である。この芯金１０を使用し、歯部４２ａを作製すると、歯部裏側に凸部４４が転写される。これは歯部４２ａの長手方向にわたってほぼ全面に幅広いリブが転写されるため、歯部４２ａの曲げ剛性及びねじりの剛性が強化される。なお、本実施形態における凹部Ｈの直線部と、突起部２１〜２３の直線部の接続は、直線または曲線とする。

上述したように、中空ラックバー４０によれば、中空ラックバー３０と同様の効果が得られるとともに、凸部４４が形成されているため、芯金１０によって成形型の形状を転写する際、成形型の歯底中央部に応力が集中せず、成形型に負担がかからず、中空ラックバー３０を製造する場合に比べて寿命を延ばすことができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の第１の実施の形態に係る芯金の要部を示す側面図。同芯金が適用される中空ラックバー製造装置を示す断面図。同芯金が挿入された状態の中空ラックバーを示す断面図。本発明の第２の実施の形態に係る芯金の要部を示す側面図。同芯金を用いる中空ラックバー製造装置を示す図であって、金型及び芯金ホルダーまわりを芯金が挟持された状態で示す断面図。同中空ラックバー製造装置の金型及び芯金ホルダーまわりを芯金受け渡し状態で示す断面図。同中空ラックバー製造装置の金型及び芯金ホルダーまわりを芯金の圧入が完了した状態で示す断面図。同中空ラックバー製造装置で製造された中空ラックバーの一例を示す横断面図。同中空ラックバー製造装置で製造された中空ラックバーの別の例を示す横断面図。一般的なラック＆ピニオンギアの要部を示す断面図。一般的な芯金が挿入された状態の中空ラックバーを示す断面図。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ…芯金、１１…棒材、１２…先端部、１３…基端部、１４…外周押圧面、２１，２２，２３…突起部、３０，４０…中空ラックバー、１００，２００…中空ラックバー製造装置、１１０，２１１…下型、１２０，２１２…上型、１３０，２１３…歯型、２２０…芯金ホルダ、２３０…第１の芯金押棒、２４０…第２の芯金押棒、芯金ガイド２５０…，Ｐ…パイプ（中空素材）、Ｐａ…平坦部。

Claims

金型に保持された中空素材の内部空洞に圧入されることにより前記中空素材の肉を金型に向けて内径側から張出させることで中空ラックバーを製造する方法に使用される芯金において、
前記中空素材の中空部の最小断面領域よりも小さい最大断面領域を有する短尺の棒材と、
この棒材の軸方向に設けられ、前記金型側に配置される突起部とを備え、
前記棒材の前記突起部とは反対側に位置する背面部には、前記中空ラックバーを外周面側から案内するための案内部材との摺動面に対応する範囲であって、軸を中心として少なくとも１２０〜１５０°の範囲にわたって外周押圧面が形成されていることを特徴とする芯金。