CN111246951A - 齿条坯料、齿条、齿条坯料制造方法和齿条制造方法 - Google Patents

Abstract

一种齿条坯料(10)，包括：齿条部(14)，其位于空心轴材料的轴向上的端侧并且被构造为与齿轮啮合；以及端部(12)，其设置为比齿条部更靠近空心轴材料的端侧。端部(12)的直径比包围齿条部(14)的垂直于轴向的截面的最小圆的直径大，并且等于轴材料的轴向上的另一端侧处的轴部(13)的直径。本发明还涉及齿条、齿条坯料制造方法和齿条制造方法。

Description

齿条坯料、齿条、齿条坯料制造方法和齿条制造方法

技术领域

本发明涉及一种齿条坯料、齿条、齿条坯料制造方法和齿条制造方法。

背景技术

在作为齿条齿轮转向系统中使用的齿条这样的齿条中，使用实心轴材料，并且多个齿条齿通过切削等形成在实心轴材料上。另外，还已知所谓的空心齿条，其重量通过使用空心轴材料而减小。

通常如下制造空心齿条。首先，拉制空心轴材料的轴端侧以形成为直径比另一轴端侧小，并且在形成的小直径部的一部分处设置平面状的平坦塌陷部。然后，将齿模固定为与平坦塌陷部的外表面抵接，并且将芯轴压配合在平坦塌陷部的内部。一个接一个地顺次压配合尺寸逐渐增大的芯轴，并且随后，由于替换芯轴重复地进行这样的压配合，齿模的形状转印到平坦塌陷部，从而多个齿条齿形成在平坦塌陷部的外表面上(例如，参见专利文献1：JP-A-2016-30271)。

在现有技术的齿条制造方法中，通过在齿条齿形成在平坦塌陷部的外表面上之后进行磨削而抛光齿条轴材料的单个部分，然后在齿条轴材料的大直径部的外表面上形成用于滚珠丝杠的螺旋槽。通过例如切削而形成螺旋槽，在此切削期间齿条轴材料在轴材料的两个轴端部被能够旋转地支撑的状态下旋转。从而螺旋槽的切削精度受轴材料的两端部的同轴度以及轴材料整体的直线度的影响。为了应对这种情况，在现有技术的齿条制造方法中，在形成螺旋槽之前通过磨削抛光轴材料的相关部分。

然而在现有技术的齿条制造方法中，可旋转地支撑的小直径部侧的端部和大直径部侧的端部的外径彼此不同。这使得难以同时切削两个端部。因此，分别切削包括大直径部侧上的端部的大直径部和包括小直径部侧上的端部的小直径侧，这产生了减少制造步骤数量的问题。另外，两个端部的同轴度和轴材料整体的直线度的改善还留有空间。

一个以上的实施例提供了一种改善了加工精度的齿条并且提供了简单的制造工艺。

附图说明

图1是用于描述本发明的实施例的齿条坯料的实例的平面图。

图2是图1所示的齿条坯料的截面图。

图3A是沿着图2中的线IIIA-IIIA截取的横截面图。

图3B是沿着图2中的线IIIB-IIIB截取的横截面图。

图3C是沿着图2中的线IIIC-IIIC截取的横截面图。

图4是使用图1所示的齿条坯料制造的齿条的实例的前视图。

图5A是图1所示的齿条坯料的制造方法的步骤的示意图。

图5B是图1所示的齿条坯料的制造方法的另一步骤的示意图。

图5C是图1所示的齿条坯料的制造方法的又一步骤的示意图。

图5D是图1所示的齿条坯料的制造方法的步骤的示意图。

图5E是图1所示的齿条坯料的制造方法的另一步骤的示意图。

图5F是图1所示的齿条坯料的制造方法的又一步骤的示意图。

图5G是图1所示的齿条坯料的制造方法的步骤的示意图。

图5H是图1所示的齿条坯料的制造方法的另一步骤的示意图。

图6是图5H中进行的外径磨削的实例的示意图。

图7是图5H中进行的外径磨削的另一实例的示意图。

图8是图4所示的齿条的制造方法的实例的示意图。

具体实施方式

图1示出用于描述本发明的实施例的齿条坯料的实例，并且图2和图3A至3C示出图1所示的齿条坯料的截面图和横截面图。

图1所示的齿条坯料10是齿条的初步加工材料，该齿条待整合到例如齿条齿轮转向系统中。齿条坯料10例如由诸如钢这样的金属材料的空心轴材料形成。齿条坯料10在其轴端侧上具有齿条部11和端部12，端部12设置为比齿条部11更靠近轴材料的轴端侧，并且齿条坯料在其另一轴端侧上具有轴部13。

齿条部11具有在轴向上延伸的平坦塌陷部14和设置在平坦塌陷部14的外周面上的多个齿条齿15。齿条部11经由这些齿条齿15与齿轮啮合。在该实施例中，齿条齿15具有恒定齿距并且提供恒定齿轮比(CGR)。然而，齿距可以变化，从而提供可变的齿轮比(VGR)。

轴部13由转向系统的壳体支撑以在轴向上移动。除了齿条部11之外，还可以在轴部13上设置轴向作用元件。

除了界定在齿条部11与轴13之间的中间部16之外，对齿条部11和轴部13施加至少包括硬化的热处理。

如图3A至3C所示，在垂直于轴向截取的横截面上，齿条坯料10的端部12的外径Da比包围齿条部11的最小圆C的直径Db大(Da>Db)，并且与轴部13的外径Dc相等(Da＝Dc)。

图4示出通过使用齿条坯料10制造的齿条的实例。

图4所示的齿条20具有齿条部11，其在制造齿条坯料10的阶段形成在轴端侧上，并且具有用于作为另一轴向作用元件的滚珠丝杠的螺旋槽21，并且螺旋槽21形成在轴部13的外周面上。

虽然省略了图示，但是内螺纹分别地形成在齿条部11侧的端部12上和轴部13侧的端部17上，并且与转向系统的拉杆结合的球形接头连接于内螺纹。这些内螺纹可以在制造齿条坯料10的状态下形成。

图5A至5H示出齿条坯料10的制造方法的实例。

<预成形步骤>

如图5A所示，使用空心轴材料30制造齿条坯料10。轴材料30具有筒状，其外径和内径在轴材料30的轴向全长上恒定。

如图5B所示，小直径部31通过辊压、诸如锻造的拉制、切削等形成在轴部件30的轴端侧上的一部分处，从而直径相对大的端部12形成在比小直径部31更靠近端侧的部分处。端部12保留轴材料30的原始直径，并且与轴材料30的另一轴端侧上的轴部13具有相同的外径。

<齿成形步骤>

接着，如图5C所示，轴材料30的小直径部31的周部通过压制而被压平，从而形成在轴材料30的轴向上延伸的平坦塌陷部14。其后，根据需要对轴材料30进行成形处理，在轴材料30的表面上形成磷酸盐层。然后，在平坦塌陷部14上形成多个齿条齿15。

如下形成多个齿条齿15。如图5D所示，在齿模32与平坦塌陷部14的外表面抵接的状态下固定齿模32，并且利用推杆34将芯轴33通过端部12的末端处的开口压配合在平坦塌陷部14的内部。然后，利用推杆35将压配合的芯轴33推回，从而将其从轴材料30排出。

在芯轴33在平坦塌陷部14的全长上往复运动的同时通过芯轴33来回地加工平坦塌陷部14的材料，并且平坦塌陷部14的材料朝向齿模32塑性流动。重复地使用直径逐渐增大的芯轴33以压配合到平坦塌陷部14中，使得平坦塌陷部14的材料咬入齿模32中，从而使齿模32的形状转印到平坦塌陷部14上，并且在平坦塌陷部14上形成多个齿条齿15。

由于塑性地加工齿条部11(平坦塌陷部14和多个齿条齿15)，所以可能在轴材料30中产生弯曲，因此可以在齿成形步骤之后根据需要修正轴材料30的弯曲。

<热处理步骤>

接着，如图5E所示，为了增大被构造为与齿轮啮合的齿条部11以及可移动地支撑在转向系统的壳体中的轴部13的硬度，对齿条部11和轴部13进行硬化处理。然而，考虑到后文将描述的在修正步骤中修正轴材料30中产生的弯曲的可能性，将保留齿条部11与轴部13之间的中间部16不被硬化。为了加热齿条部11和轴部13用以硬化，可以利用例如高频感应加热，然而本发明不限于高频感应加热。

为了恢复经过硬化的齿条部11和轴部13的韧性，可以对齿条部11和轴部13局部地进行回火，或者可以对整个轴材料30进行回火。为了去除由于对表面进行诸如硬化的热处理而在轴材料30的表面上产生的氧化层，可以进行喷丸处理。例如，可以局部地仅对齿条部11进行该喷丸处理，而不对在后续步骤中要进行外径磨削的轴部13进行喷丸处理，或者可以对整个轴材料30进行喷丸处理。

<修正步骤>

接着，修正通过诸如硬化的热处理而在轴部件30中产生的弯曲。

由于在热处理步骤中将保留齿条部11与轴部13之间的中间部16不被硬化，所以中间部16相对容易弯曲。如图5F所示，例如，在中间部16和轴部13侧的端部17被支撑的情况下，对齿条部11施加载荷，从而中间部16根据需要而弯曲。这增大了齿条部11相对于轴部13的直线度，从而也增大了轴部13侧的端部17与齿条部11侧的端部12的同轴度。

优选地，进一步使端部12与齿条部11之间的连接部18弯曲。由于连接部18也保留为不被硬化，所以连接部18与中间部16一样相对容易弯曲。如图5G所示，例如，在连接部18和中间部16被支撑的情况下，通过向端部12施加载荷而使连接部18根据需要而弯曲。这进一步增大了轴材料30的直线度以及轴部13侧的端部17与齿条部11侧的端部12的同轴度。

在修正步骤之后，根据需要，检查多个齿条齿15，研磨齿条部11的位于多个齿条齿15所形成的一侧的相反侧上的齿后表面，并且磁性地检查轴材料30是否有缺陷。另外，内螺纹根据需要形成在齿条部11的端部12和轴部13侧的端部17上。

<磨削步骤>

接着，如图5H所示，对经修正为不弯曲的轴材料30的齿条部11侧的端部12和包括端部17的轴部13进行外径磨削。此处，经过预成形步骤至修正步骤，端部12保持其直径与轴材料30的直径相同，并且具有与轴部13相同的外径。当对该端部12进行外径磨削时，同时对端部12和轴部13的至少一部分进行外径磨削。

图6和7示出外径磨削的实例。

例如，当在端部12和轴部13上进行外径磨削时可以使用无心磨削，并且无心磨削包括贯穿磨削(纵向进给磨削)和横向进给磨削(挡块磨削(stop grinding))。

图6示意性地示出贯穿磨削的实例，其中轴材料30由砂轮40、导轮41和托板42支撑。当砂轮40和导轮41旋转时，在导轮41的中心轴相对于轴材料30和砂轮40的中心轴倾斜的状态下，在托板42上由砂轮40和导轮41保持的轴材料30在旋转的同时在轴向上进给。砂轮40的总长度G3比轴材料30的总长度L1小，并且在轴向上进给轴材料30的同时对与砂轮40接触的轴材料30的外周面进行连续的磨削。在该贯穿磨削中，由于砂轮40的总长度L3大于齿条部11的轴长L2，并且砂轮40的长度使得砂轮40在夹持齿条部11的端部12与中间部16之间延伸，所以同时外部地且外周地磨削端部12和轴部13的一部分。

图7示意性地示出横向进给磨削的实例，其中以与图6所示的贯穿磨削中使用的相似的方式，轴材料30由砂轮50、导轮51和托板52支撑。然而，横向进给磨削与贯穿磨削的不同在于砂轮50的总长度L4等于或大于轴材料30的总长度L1，导轮51的中心轴设置为平行于轴材料30的中心轴和砂轮50的中心轴，并且轴材料30的轴向进给是停止的，并且外部地且外周地磨削端部12及整个轴部13。

对端部12和轴部13的外径磨削不限于无心磨削。例如，还可以使用外圆磨削，其中轴材料在该轴材料的两端处支撑在其轴上。对于外圆磨削，可以使用纵磨或者横磨，在纵磨中，与贯穿磨削一样在轴向上进给轴材料30，在横磨中，与横向进给磨削一样停止轴材料30的轴向进给。

由于端部12保持其直径与作为齿条坯料10的材料的直径的轴材料30的直径相等，并且具有与轴部13相等的外径，所以当端部12与轴部13的至少一部分同时磨削时，端部12和轴部13与砂轮均匀地进行接触。这能够增大经过预成形步骤到磨削步骤而制造的齿条坯料10的齿条部11侧的端部12与轴部13侧的端部17之间的同轴度以及齿条坯料10整体的直线度，从而使得能够简化制造工艺。

特别地，在该实施例中，在修正步骤中修正轴材料30中产生的弯曲，从而使被外部且外周地磨削的端部12和轴部13更均匀地与砂轮进行接触，并且这能够进一步增大端部12与17二者之间的同轴度以及轴材料30整体的直线度。

从增大齿条部11侧的端部12与轴部13侧的端部17之间的同轴度以及轴材料30整体的直线度的观点出发，在纵向进给磨削和横向进给磨削中，优选的是横向进给磨削，其中同时对端部12和整个轴部13进行外部地且外周地磨削。

图8示出齿条20的制造方法的实例。

齿条20在一个轴端侧上具有齿条部11，该齿条部11在形成齿条坯料10的阶段中形成，并且齿条在其另一轴端侧上具有作为另一轴向作用元件的滚珠丝杠的螺旋槽21，如上所述。螺旋槽21通过旋风切削等形成在齿条坯料10的轴部13的外周面上。

在旋风切削中使用环形切削刀具61，其中在环形切削刀具61的内周部上在轴向上以恒定间隔设置多个刀头60。将齿条坯料10穿过环形切削刀具61插入，并且通过卡盘62和顶尖63可旋转地支撑齿条部11侧的端部12和轴部13侧的端部17。切削刀具61布置成相对于齿条坯件10偏心且倾斜。当切削刀具61旋转时，多个刀头60依次切削轴部13的外周面，并且当齿条坯件10旋转并且使切削刀具61在齿条坯件10的轴向上转位时，螺旋状的螺旋槽21形成在轴部13的外周面上。

由于增大了齿条坯料10的齿条部11侧的端部12与轴部13侧的端部17之间的同轴度以及齿条坯料10的直线度，所以防止了与被可旋转地支撑的两个端部12、17一起旋转的齿条坯料10的跳动。这提高了螺旋槽21的成形精度，即齿条20的加工精度。

在轴部13上设置的轴向的直接作用元件不限于滚珠丝杠的螺旋槽21，因此可以是齿条。将预先形成有齿条的单独的空心或实心轴材料结合到齿条坯料10的轴部13的端面，从而将齿条设置在轴部13上。然后，例如通过在使齿条坯料10旋转的同时使单独的轴材料按压轴部13的端面这样的摩擦压配合，能够将单独的轴材料与齿条坯料10结合在一起。然后，由于抑制了旋转的齿条坯料10的跳动，所以提高了单独的轴材料与齿条坯料10之间的同轴度以及齿条的直线度，即提高了齿条的加工精度。

从而，如上所述，本说明书中公开的齿条坯料具有：齿条部，其被构造为与齿轮啮合，且位于空心轴材料的轴向上的端侧；以及端部，其设置为比齿条部更靠近空心轴材料的端侧。端部的直径比包围齿条部的垂直于轴向的截面的最小圆的直径大，并且等于空心轴材料的轴向上的另一端侧处的轴部的直径。

在本说明书中公开的齿条坯料中，齿条部与轴部被硬化，而齿条部与轴部之间的中间部不被硬化。

本说明书公开的齿条包括设置在齿条坯料的轴部上的轴向作用元件。

在本说明书公开的齿条中，直接作用元件是滚珠丝杠的螺旋槽，并且设置在轴部的外周面上。

本说明书公开的齿条坯料制造方法包括：预成形，形成小直径部和端部，小直径部在空心轴材料的轴向上的端侧上，端部设置为比小直径部更靠近空心轴材料的轴向上的所述端侧，并且端部的直径比小直径部的直径大并且等于空心轴材料的轴向上的另一端侧上的轴部的直径；齿成形，在小直径部上形成被构造为与齿轮啮合的齿条部；以及磨削，对端部和轴部进行外径磨削，当对端部进行外径磨削时，同时对轴部的至少一部分进行外径磨削。

本说明书公开的齿条坯料制造方法包括：热处理，在齿成形之后并且在磨削之前，使齿条部和轴部硬化，而不使齿条部与轴部之间的中间部硬化。

本说明书公开的齿条坯料制造方法包括：修正，在磨削之前使齿条坯料的齿条部与轴部之间的中间部弯曲，以将齿条部与轴部修正为直线状。

在本说明书公开的齿条坯料制造方法中，修正包括进一步使端部的与齿条部连接的连接部弯曲，以在该修正中将端部、齿条部和轴部修正为直线状。

在本说明书公开的齿条制造方法中，齿条制造方法包括在可旋转地支撑齿条坯料的端部和轴部并且使齿条坯料旋转的同时在轴部上设置轴向作用元件。

在本说明书公开的齿条制造方法中，在轴部的外周面上形成作为直接作用元件的滚珠丝杠的螺旋槽。

本申请要求2017年10月19日提交的日本专利申请No.2017-202925的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

Claims (10)

1.一种齿条坯料，包括：

齿条部，该齿条部位于空心轴材料的轴向上的端侧并且被构造为与齿轮啮合；以及

端部，该端部设置为比所述齿条部更靠近所述空心轴材料的所述端侧，

其中，所述端部的直径比包围所述齿条部的垂直于所述轴向的截面的最小圆的直径大，并且所述端部的直径等于所述空心轴材料的所述轴向上的另一端侧处的轴部的直径。

2.根据权利要求1所述的齿条坯料，

其中，所述齿条部与所述轴部被硬化，而所述齿条部与所述轴部之间的中间部不被硬化。

3.一种齿条，包括：

设置在根据权利要求1或2所述的齿条坯料的所述轴部上的所述轴向上的直接作用元件。

4.根据权利要求3所述的齿条，

其中，所述直接作用元件是滚珠丝杠的螺旋槽并且设置在所述轴部的外周面上。

5.一种齿条坯料制造方法，包括：

预成形，形成小直径部和端部，所述小直径部形成在空心轴材料的轴向上的端侧上，所述端部设置为比所述小直径部更靠近所述空心轴材料的所述轴向上的所述端侧，并且所述端部的直径比所述小直径部的直径大并且等于所述空心轴材料的所述轴向上的另一端侧上的轴部的直径；

齿成形，在所述小直径部上形成被构造为与齿轮啮合的齿条部；以及

磨削，对所述端部和所述轴部进行外径磨削，当对所述端部进行外径磨削时，同时对所述轴部的至少一部分进行外径磨削。

6.根据权利要求5所述的齿条坯料制造方法，还包括：

热处理，在所述齿成形之后并且在所述磨削之前，使所述齿条部和所述轴部硬化，而不使所述齿条部与所述轴部之间的中间部硬化。

7.根据权利要求6所述的齿条坯料制造方法，还包括：

修正，在所述磨削之前，使所述齿条坯料的所述齿条部与所述轴部之间的所述中间部弯曲，以将所述齿条部与所述轴部修正为直线状。

8.根据权利要求7所述的齿条坯料制造方法，

其中，所述修正包括进一步使所述端部的与所述齿条部连接的连接部弯曲，以在所述修正中将所述端部、所述齿条部和所述轴部修正为直线状。

9.一种齿条制造方法，包括：

在可旋转地支撑根据权利要求1或2所述的齿条坯料的所述端部和所述轴部并且使所述齿条坯料旋转的同时在所述轴部上设置轴向作用元件。

10.根据权利要求9所述的齿条制造方法，

其中，在所述轴部的外周面上形成作为直接作用元件的滚珠丝杠的螺旋槽。

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