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JP5193650B2 - 芯金セット及び中空ラックバー - Google Patents

芯金セット及び中空ラックバー Download PDF

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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を複数備えた芯金セット及びピニオンギアに噛み合わされる歯部を有する中空ラックバーに関し、特に設備コストを低減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、次工程でパイプ材の空洞に芯金が圧入される。芯金は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は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、中空ラックバーとすることができる。
このような転写鍛造に用いられる芯金400は、図12に示すように、棒材401を有するとともに、この棒材401から突出した突起部402を備えている。なお、芯金400は、図12中二点鎖線に示すように、突起部402の突起量を少しずつ大きくした複数個のセットから形成されており、中空ラックバーの径、材質、成形型の形状等によって最適な組合せを用いるようにしていた。
特公平3−5892号公報
上述した芯金セットでは、次のような問題があった。すなわち、芯金400の棒材401の最大幅Wは突起部402の突起量にかかわらず同一に設定されている。このため、突起部402の突起量が大きくなってゆくと、図13に示すように、パイプ材Pの横方向の内壁面の所定幅S1に対して押圧又は摺動することとなり、成形荷重が増大するという傾向がある。また、製造工程での誤差により棒材の幅のばらつきが生じると、成形荷重に変動が生じる。
このことから、最終的には、成形荷重の変動を考慮し、大きな成形荷重を発生させる装置が必要となり、設備コストが増大する虞がある。
一方、図14に示す通り、中空ラックバーとなるパイプ材P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、歯部が形成される平坦部Paの反対側に位置する半円部Qと歯部側に設けられた直線部Tとを組み合せた形状となっている。
このため、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、歯部成形時の荷重に耐えられない場合があった。
そこで、圧入時に必要な成形荷重の変動を抑え、設備コストを低減することができる芯金セット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、本発明の芯金セット及び中空ラックバー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を1〜M番のM個有する芯金セットにおいて、前記芯金は、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棒材と、この棒材に突設され、1番からM番にかけてその最大突起量が漸次大きくなるとともに、その最大幅が一定に設定された突起部とを備え、前記棒材は、前記突起部を最大幅として、前記金型とは反対側に向けて漸次、幅が狭くなるように一定のテーパ角が設定されていることを特徴とする。
ニオンギアに噛み合わされる歯部を有する中空状の筒部を備え、この筒部の中空部の断面形状は、前記歯部の裏側に位置する第1中空部と、この第1中空部に対し前記筒部の中心を基準として前記歯部の反対側に位置するとともに、前記第1中空部の最大内径幅より大きい最大内径幅を有する第2中空部と、前記第1中空部と前記第2中空部との境界部に設けられ、内径側に張り出す張出部とを備え、前記第1中空部の内周面は、直線部を備え、一端が前記張出部にそれぞれ接続されるとともに、他端がそれぞれ前記直線部の両端に接続される一対の第1曲線部と組み合せて形成されるとともに、これら第1曲線部の両端を延ばした直線は平行よりも閉じ、前記第2中空部は、前記筒部の中心を基準として、前記直線部の反対側に設けられた少なくとも半円状の部分を有する第2曲線部を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、圧入時に必要な荷重を極端に大きくすること無く、また折損を防止することが可能となる。
図1は本発明の第1の実施の形態に係る芯金セットの1つの芯金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。
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が一体に設けられている。棒材11はその底面側でパイプ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、棒材11は、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が平坦化された後であっても平坦部Paの下を円滑に移動できるような大きさに形成されている。さらに、図3に示すとおり、棒材11は、突起部21〜23の上面を一定の最大幅Gとして、下方、すなわち後述する歯型130とは反対側に向けて漸次、幅が狭くなるようにテーパ角θが設定されている。
テーパ角θは例えば約3°に設定されているが、これに限るものではない。パイプPの内径、肉厚等によって、このテーパ角θは適宜決められるものである。
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。突起部21〜23の最大突起量は、1番からM番にかけて漸次大きくなるように設定されている。
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(金型)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、別の型を用いてパイプPの中央部を中凹状に平潰し、中凹の半円形状とした平坦部Paを形成する。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に当接するように位置決めする。
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を移動するとともに、芯金10Aを圧入することで、交互に圧入鍛造を行う。
このようにして、芯金10,10Aの圧入・後退が行われ、圧入鍛造を行う。次に、次の番手の芯金10,10Aの圧入・後退を行う。以降、同様にして芯金10の番手を1つずつ大きくしながら、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。
前述したように、1番からM番にかけて芯金10の上面の幅は一定で、下方に向けて幅が漸次減少してゆくため、芯金10がパイプPの内径に接触する部位が突起部21〜23と、棒材11の上部の僅かな幅S2に限定されるため、無用な接触が少ない。また、棒材11の成形時における幅のばらつきについても、パイプPへの接触が少ないことから、必要な成形荷重の変動を考慮しなくてもよく、必要な設備を可能な限り小さくすることができ、設備コストを低減することができる。
上述したように、本実施の形態に係る芯金セットによれば、圧入時に必要な成形荷重の変動を少なくすることができるとともに、不要な摺動を低減でき、駆動装置の容量を小さくでき、設備コストを低減することができる。同時に、下型110及び上型120に荷重を加えるプレス機も大型化の必要がなくなり、装置コストや生産コストを低減することができる。
図5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6〜図8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6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7は金型及び芯金ホルダまわりを芯金受け渡し状態、図8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5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6〜図8において金型210の右隣にのみ配置されている。図6〜図8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6〜図8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6〜図8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6〜図8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6〜図8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7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8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9は、本発明の第3の実施の形態に係る中空ラックバー300を示す要部断面図である。ピニオンギアに噛み合わされる歯部302を有する中空状の筒部301を備え、この筒部301の中空部303の断面形状は、歯部302の裏側に位置する第1中空部303aと、この第1中空部303aに対し筒部301の中心Cを基準として歯部302の反対側に位置するとともに、第1中空部303aの最大内径幅H1より大きい最大内径幅H2を有する第2中空部303bと、第1中空部303aと第2中空部303bとの境界部に設けられ、内径側に張り出す張出部303cとを備えている。
第1中空部303aの内周面は、長さW1の直線部310を備え、一端が張出部303cにそれぞれ接続されるとともに、他端がそれぞれ直線部310の両端に接続される一対の第1曲線部311と組み合せて形成されている。第1曲線部311の両端間の距離W1は、張出部303cが設けられていない場合の直線部Tの幅W0(図14参照)に比べ小さく形成されている。また、この第1曲線部311の両端を延ばした直線は平行となっている。
また、第2中空部303bは、筒部301の中心Cを基準として、直線部310の反対側に設けられた少なくとも半円状の部分を有する第2曲線部312を備えている。
このように形成されていると、歯部302側における外周面と内周面との間の素材の厚みを張出部303cによって十分にとることができ、歯部302形成時の成形荷重に十分耐えることが可能となる。また、これにより芯金の耐荷重を下げることができることから、芯金を安価に製作することが可能となる。
図10は、本発明の第4の実施の形態に係る中空ラックバー300Aを示す要部断面図である。図10において図9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。
本実施の形態における中空ラックバー300Aにおいては、張出部303cの張出量が中空ラックバー300よりも僅かに小さく形成され、第1曲線部311の両端間の距離W2は、上述した距離W1に比べ大きく形成されている。また、この第1曲線部311の両端を延ばした直線は平行に対して0°〜10°程度となっている。
本実施の形態における中空ラックバー300Aにおいても前述した中空ラックバー300と同様の効果を得ることができる。
図11は、本発明の第5の実施の形態に係る中空ラックバー300Bを示す要部断面図である。図10において図9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。
本実施の形態における中空ラックバー300Bにおいては、張出部303cの張出量が中空ラックバー300よりも僅かに大きく形成され、第1曲線部311の両端間の距離W3は、上述した距離W1に比べ大きく形成されている。また、この第1曲線部311の両端を延ばした直線は平行に対して0°〜−3°程度となっている。
本実施の形態における中空ラックバー300Bにおいても前述した中空ラックバー300と同様の効果を得ることができる。
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。
本発明の一実施の形態に係る芯金セットの1つである芯金の要部を示す側面図。 同芯金セットが適用される中空ラックバー製造装置を示す断面図。 同芯金を示す要部断面図。 同芯金をパイプに挿入した状態を示す要部断面図。 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。 本発明の第3の実施の形態に係る中空ラックバーを示す要部断面図。 本発明の第4の実施の形態に係る中空ラックバーを示す要部断面図。 本発明の第4の実施の形態に係る中空ラックバーを示す要部断面図。 従来の芯金の一例を示す要部断面図。 同芯金をパイプに挿入した状態を示す要部断面図。 従来の中空ラックバーを示す要部断面図。
符号の説明
10,10A…芯金、11…棒材、21,22,23…突起部、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、250…芯金ガイド、300,300A,300B…中空ラックバー、P…パイプ(中空素材)、Pa…平坦部。

Claims (2)

  1. 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を1〜M番のM個有する芯金セットにおいて、
    前記芯金は、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棒材と、
    この棒材に突設され、1番からM番にかけてその最大突起量が漸次大きくなるとともに、その最大幅が一定に設定された突起部とを備え、
    前記棒材は、前記突起部を最大幅として、前記金型とは反対側に向けて漸次、幅が狭くなるように一定のテーパ角が設定されていることを特徴とする芯金セット。
  2. ピニオンギアに噛み合わされる歯部を有する中空状の筒部を備え、
    この筒部の中空部の断面形状は、前記歯部の裏側に位置する第1中空部と、
    この第1中空部に対し前記筒部の中心を基準として前記歯部の反対側に位置するとともに、前記第1中空部の最大内径幅より大きい最大内径幅を有する第2中空部と、
    前記第1中空部と前記第2中空部との境界部に設けられ、内径側に張り出す張出部とを備え、
    前記第1中空部の内周面は、直線部を備え、一端が前記張出部にそれぞれ接続されるとともに、他端がそれぞれ前記直線部の両端に接続される一対の第1曲線部と組み合せて形成されるとともに、これら第1曲線部の両端を延ばした直線は平行よりも閉じ、
    前記第2中空部は、前記筒部の中心を基準として、前記直線部の反対側に設けられた少なくとも半円状の部分を有する第2曲線部を備えていることを特徴とする中空ラックバー。
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