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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen einer Zahnstange
aus einem Metallrohr, welche für
eine Lenkeinrichtung in einem Automobil u. a. verwendet wird.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
Zahnstange als ein Teil für
eine Lenkeinrichtung eines Automobils wird konventionellerweise
aus einem Vollstangenelement durch eine Bearbeitung, wie z. B. Räumen, hergestellt.
Bei einer derartigen konventionellen Zahnstange ist jedoch nachteilig,
dass sie infolge ihrer massiven Struktur ein erhöhtes Gewicht aufweist. Ferner
ermöglicht
das Räumen
es nicht, eine Zahnstange mit variablem Übersetzungsverhältnis (VGR)
zu erhalten, weil eine Bearbeitung von gezahnten Bereichen veränderlicher
Breite durch das Räumen
unmöglich
ist.
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Im
Hinblick auf das oben Gesagte ist mit dem Ziel der Gewichtsverringerung
sowie zum Erhalt einer übersetzungsveränderlichen
Konstruktion in neuerer Zeit die Bildung einer hohlen Zahnstange
aus einem Rohrrohling, hergestellt durch einen Formprozess vorgeschlagen
worden. Siehe die Offenlegungsschrift der
japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 3-5892 ,
die Offenlegungsschrift der
japanischen
Patentanmeldung (Kokai) Nr. 5-169181 oder die Offenlegungsschrift
der
japanischen Patentanmeldung
(Kokai) Nr. 6-246379 oder die Offenlegungsschrift der
japanischen Patentanmeldung (Kokai)
Nr. 2001-300677 .
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Beim
Formen einer hohlen Zahnstange wird ein Rohrrohling von einem gezahnten
Gesenk gehalten. Sodann wird ein Dorn unter einem Druck in den durch
das Gesenk gehaltenen Rohrrohling eingeführt, so dass eine radiale Ausdehnung
des Metalls (plastisches Fließen
des Metallmaterials) in Richtung der gezahnten Bereiche erzeugt
wird, wodurch eine Zahnstange geformt wird. Also ist eine gewünschte Kontrolle
des Querschnittsbereichs im Wesentlichen erforderlich, um eine gewünschte Präzision der Zahnstange
zu erhalten. Jedoch sind die von den Herstellern gelieferten Rohrrohlinge,
was ihre Innen- und
Außendurchmesserwerte
anbelangt, lediglich in einem Toleranzbereich unter staatlicher
Regulierung kontrolliert, z. B. in einem Japanese Industrial Standard
(JIS). Somit ist eine Präzision
dieser Rohrrohlinge z. B. für
das Formen von Zahnstangen unzureichend, woraus eine Variation im
Metallfluss sowie eine erhöhte
Umformkraft während
der Durchführung des
Formprozesses resultieren. Somit wird einerseits eine Produktionseffizienz
verringert, und andererseits wird eine Nutzungsdauer der Werkzeuge
(Gesenke) reduziert infolge der übermäßigen Belastung, die
während
der Durchführung
der Bearbeitung darin auftritt.
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Ein
typisches konventionelles Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange
aus einem Rohrmaterial ist in der Patentschrift
US 4 598 451 offenbart, welche die
Grundlage für
den Oberbegriff von Anspruch 1 bildet. Gemäß diesem Verfahren wird das Rohrmaterial
in einem ersten Paar von geteilten Formgesenken fest geklemmt, um
einen ersten rohrförmigen
Formling zu formen, der einen zylindrischen Wandteil und einen flachen
Wandteil umfasst, und sodann wird der erste Formling in einem zweiten Paar
von geteilten Formgesenken fest geklemmt, deren Inneres so geformt
ist, dass es komplementär
zu einer Zahnstange ist, welche an dem flachen Wandteil erzeugt
werden soll. Sodann wird ein Dorn mit einer Kraft, entweder mit
oder ohne Vibration, in die Bohrung des ersten Formlings eingeführt, während dieser
innerhalb der zweiten Formge senke gehalten wird, so dass die Zähne einer
Zahnstange an der flachen Wand des ersten Formlings durch plastische Verformung
gebildet werden.
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Das
konventionelle Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange ist nachteilig
im Hinblick auf Schwierigkeiten in einem nachfolgenden Härteprozess.
Namentlich wird bei einem üblichen
Härteprozess
eine Zahnstange durch ein Gesenk nur an einer Außendurchmesserseite gehalten.
In diesem Falle ist keine Begrenzung des Entweichens der thermischen Verformung
in Richtung der Innendurchmesserseite möglich. Ferner ist eine Einführung eines
Kerns nicht effektiv zum Erhalt einer gewünschten Präzision wegen einer reduzierten
Präzision
eines Innendurchmessers eines Rohrrohlings innerhalb einer Toleranz.
Als eine Folge ist eine speziell ausgerichtete Technik erforderlich
zum Durchführen
des Härtens der
hohlen Zahnstange, was einerseits den Härteprozess zeitaufwändig macht
und andererseits die Produktionskosten erhöht. Ferner ist es bei einem
Zahnstangen-Formprozess wahrscheinlich, dass ein Metallfluss in
der Richtung erzeugt wird, in der eine Bewegungsdistanz kurz, d.
h. der Metallfluss leicht ist. Dies führt dazu, dass bei Verwendung
eines Dorns vom vereinfachten Typ mit gleichmäßigem Querschnitt in einem
Zahnstangen-Formprozess damit zu rechnen ist, dass ein lokal exzessiver
oder lokal verkürzter
Fluss des Metalls zu einem gezahnten Gesenk erzeugt wird, woraus
ein vermindertes Leistungsverhalten resultiert. Im Hinblick hierauf
ist eine Verbesserung vorgeschlagen worden, wobei eine Mehrzahl
von Dornen von nichtgleichmäßiger Form bereitgestellt
werden, um nicht-gleichmäßig gemachte
Metallflüsse
zu erhalten. Jedoch ist dieses verbesserte Verfahren nachteilig,
weil es einerseits mit erhöhten
Kosten verbunden ist und andererseits nicht die Möglichkeit
bietet, den Metallfluss in der Axialrichtung einzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Nachteile
zu überwinden,
welche im Stand der Technik anzutreffen sind.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Präzision des
Produkts zu erhöhen
und dabei gleichzeitig eine Nutzungsdauer von Bearbeitungswerkzeugen
zu verbessern.
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Ferner
besteht ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung darin, die
Produktionskosten für eine
Zahnstange zu reduzieren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Verfahren zum Formen einer hohlen Zahnstange aus
einem Metallrohrrohling die Schritte:
- (a) Unterziehen
des Rohrrohlings unter einen plastischen Verformungsvorgang zur
Anpassung einer Querschnittsform des Metallrohrrohlings;
- (b) Halten des angepassten Metallrohrrohlings mittels eines
Gesenks mit gezahnten Bereichen, so dass die gezahnten Bereiche
mit dem Rohrrohling an dessen äußerer Oberfläche in Kontakt
gebracht werden; und
- (c) Einführen
eines Dorns in den durch das Gesenk gehaltenen Rohrrohling unter
Druck, um ein Fließen
des Metalls in Richtung der gezahnten Bereiche zu bewirken, wodurch
an der äußeren Oberfläche des
Rohrrohlings gezahnte Bereiche geformt werden, deren Formen zu denjenigen
der gezahnten Bereich des Gesenks korrespondieren.
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Der
Schritt des Anpassens der Querschnittsform umfasst die Schritte:
Unterziehen des Rohrrohlings unter einen Gesenkformungsvorgang,
um den Durchmesser des Rohrrohlings zu verringern, und Unterziehen
des gesenkgeformten Rohrs unter einen Abstreckziehvorgang, um eine
gewünschte
Querschnittsform des Rohrrohlings zu erzeugen. Das Gesenkformen
zur Verminderung des Durchmessers des Rohrrohlings gefolgt von dem
Abstreckziehen erlaubt es, den Rohrrohling mit einer gewünschten Querschnittsform
mit einem gewünschten
Durchmesser sowie einer Dicke mit lokal variierten Dickenbereichen
zu formen, was einerseits der Verbesserung der Produktpräzision und
andererseits der Verlängerung
der Nutzungsdauer des Werkzeugs förderlich ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Kontrolle der Querschnittsform des Rohrrohlings durch
einen Abstreckziehprozess vor der Zahnstangenformung durchgeführt, so
dass eine nicht-gleichmäßige Querschnittsform
des Rohrrohlings erhalten wird. Anders ausgedrückt, eine Dicke des Rohrrohlings
wird an Enden entlang der Länge
und Breite lokal erhöht,
wodurch ein gewünschter
Metallfluss auch in der Endzone des Gesenks erhalten wird. Auf grund
der nicht-gleichmäßigen Querschnittsform
wird eine Anpassung an eine gewünschte Änderung
in den gezahnten Bereichen möglich,
wenn eine Zahnstange vom Schrägverzahnungs-
oder VGR-Typ hergestellt werden soll, bei der eine Zahnteilung sowie eine
Zahnbreite variiert sind. Ferner ist eine nichtgleichmäßige Querschnittsform
gemäß vorliegender Erfindung
derart, dass ein Mangel an Metallfluss an geöffneten Enden in der Achsenrichtung
und/oder ein Mangel an Metallfluss an Enden der Zahnbreitenrichtung
ausgeglichen wird. Kurz, aufgrund dieser Lösung mit der unregelmäßigen Form
wird ein gleichmäßig kompensierter
Fließwiderstand
des Metalls erhalten, unabhängig
von der Verwendung eines einzigen gleichmäßig geformten Dorns. Kurz,
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine verminderte Bearbeitungskraft, eine erhöhte Nutzungsdauer,
eine erhöhte
Präzision
sowie eine erhöhte
Eingriffseffizienz erhalten, ohne die Verwendung einer Mehrzahl
von unregelmäßig geformten
Dornen.
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Weitere
Aspekte der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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KURZBESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNERISCHEN
DARSTELLUNG
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Die 1A bis 1E sind
Darstellungen, welche Schritte zum Anpassen einer Querschnittsform
eines Rohrrohlings unter einem Gesenkformungs- und einem Abstreckziehvorgang
illustrieren.
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2A zeigt
eine Querschnittsform eines Rohrrohlings entlang der Linie A-A in 1D.
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2B zeigt
eine Querschnittsform eines Rohrrohlings entlang der Linie B-B in 1D.
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3 ist
eine longitudinale Querschnittsform einer Gesenkeinheit zum Formen
einer Zahnstange aus einem Rohrrohling.
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4 ist
eine Untersicht eines Obergesenks, welches in 3 gezeigt
ist.
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5A zeigt
einen transversalen Querschnitt der Gesenkeinheit entlang der Linie
V-V vor Beginn eines Vorgangs zum Formen einer Zahnstange aus einem
Rohrrohling.
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5B zeigt
einen transversalen Querschnitt der Gesenkeinheit entlang der Linie
V-V nach Einführung
eines Dorns in einen Rohrrohling.
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6A zeigt
einen transversalen Querschnitt der Gesenkeinheit entlang der Linie
VI-VI vor Beginn eines Vorgangs zum Formen einer Zahnstange aus
einem Rohrrohling.
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6B zeigt
einen transversalen Querschnitt der Gesenkeinheit entlang der Linie
VI-VI nach Einführung
eines Dorns in einen Rohrrohling.
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7A ist
eine Draufsicht auf eine Zahnstange vom geradverzahnten Typ, wie
sie gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten wird.
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7B ist
eine Draufsicht auf eine Zahnstange vom geradverzahnten Typ in einem
Stand der Technik.
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8 ist
eine Draufsicht auf einen Dorn zum Formen einer Zahnstange gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
eine longitudinale Querschnittsform entlang der Linie IX-IX in 8.
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10 ist
eine Draufsicht auf einen Dorn zum Formen einer Zahnstange gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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11 zeigt
eine longitudinale Querschnittsform entlang der Linie XI-XI in 10.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Vorbearbeitung
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Es
wird nun ein Prozess zum Bilden oder Formen einer Zahnstange gemäß vorliegender
Erfindung erläutert.
Zunächst
werden Rohrrohlinge einem Prozess zum Erhalt einer gewünschten
Querschnittsform unterworfen. Namentlich ist es bei Rohrrohlingen
von Stahlrohrherstellern so, dass die Außen- und Innendurchmesser dieser
Rohrrohlinge in unter staatlicher Regulierung geregelten Toleranzbereichen,
z. B. in Japanese Industrial Standard (JIS), stark variieren. Infolge
einer derartigen großen
Variation in den Außen-
und/oder Innendurch messern entsprechen diese Rohrrohlinge bei weitem
nicht den gewünschten,
was ihre Querschnittsformen anbelangt, wodurch einerseits eine reduzierte
Präzision der
Produkte (Zahnstangen) bewirkt wird und andererseits eine starke
Reduzierung der Nutzungsdauer von Werkzeugen, z. B. eines Gesenks
sowie eines Formdorns, bewirkt wird. Gemäß vorliegender Erfindung wird
ein vorausgehender plastischer Verformungsprozess, umfassend einen
Gesenkformungs- und Abstreckziehvorgang, zum Erhalt einer gewünschten
Querschnittsform des Rohrrohlings neu bereitgestellt. Ein Detail
eines solchen vorausgehenden Prozesses wird nun erläutert. Namentlich
bezeichnet in den 1A bis 1E eine
Bezugsziffer 10 einen aus einem Stahl hergestellten Rohrrohling und 12 ein
Gesenk in Ringform für
einen Gesenkformungsvorgang. In 1A wird
der Rohrrohling 10 von einem geeigneten Haltemittel (nicht
gezeigt) gehalten, und sodann wird das Formgesenk 12 in
der mit einem Pfeil a bezeichneten Richtung bewegt. 2B illustriert
einen Zustand, in dem das Gesenk 12 seine vorgesehene Bewegung
abgeschlossen hat, so dass eine Verminderung eines Außendurchmessers
des Rohrrohlings 10 korrespondierend zu einem Innendurchmesser
des Gesenks 12 erhalten wird. Sodann tritt eine Rückwärtsbewegung
des Gesenks 12 in Gegenrichtung auf, wie durch einen Pfeil a' gezeigt. Damit ist
eine Verminderung (Gesenkformung) des Außendurchmessers des Rohrrohlings beendet.
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Als
nächstes
wird ein Prozess zum Erhalt einer gewünschten Querschnittsform, z.
B. einer unregelmäßigen Querschnittsform,
beschrieben. Bei dieser Ausführungsform
wird eine derartige unregelmäßige Form
in Bereichen eines Rohrrohlings gebildet, welche zu Enden eines
Zahnstangenteils in einer Zahnstange korrespondieren. Namentlich
wird während
eines Zahnstangen-Formprozesses ein Zahnstangen-Formdorn in einen
Rohrrohling eingeführt, der
durch ein gezahntes Gesenk gehalten wird, welches gezahnte Bereiche
aufweist. Eine derartige Dorneinführung bewirkt ein radiales
Ausdehnen oder Fließen
eines Metalls in die gezahnten Bereiche des Gesenks, so dass eine
Zahnstange (gezahnte Bereiche) an dem Rohrrohling geformt wird.
Jedoch tritt an den Enden des Gesenks der Metallfluss leicht mehr in
einer Längsrichtung
mit einem geringeren Widerstandswert auf als in einer Breitenrichtung
mit einem größeren Widerstandswert.
Im Ergebnis ist an den Enden des Gesenks der Metallfluss mehr axial "ausgewichen" als in das Gesenk
geflossen. Somit ist eine Fließmenge
von Metall in das Gesenk ungenügend,
wodurch eine verminderte Zahnbreite an den Enden des Gesenks bewirkt
wird. In diesem Fall wird eine sogenannte Schiffsbodenform des gezahnten Bereichs
(Zahnstange) erhalten, bei Betrachtung des Produkts (Zahnstange)
von oben, wie in 7B gezeigt. Um dieses Problem
zu vermeiden, wird ein Rohrrohling einer plastischen Vorbearbeitung
zur Anpassung einer Querschnittsform des Rohrrohlings unterzogen.
Bei dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Anpassung so, dass der Rohrrohling
einer plastischen Vorbearbeitung unterzogen wird, derart, dass eine
unregelmäßige Querschnittsform
an den Enden des Gesenks erhalten wird. Die unregelmäßige Querschnittsform
des Rohrrohlings an den Enden des Gesenks ist derart, dass ein Metallfluss
an den Enden des Gesenks erhöht wird,
so dass eine vergleichmäßigte Zahnbreite
entlang der gesamten Länge
des Zahnstangenteils der Zahnstange erhalten wird, wie in 7A gezeigt. Wie
in 1C gezeigt, ist eine Vorrichtung zum Erhalt einer
gewünschten
unregelmäßigen Querschnittsform
des Rohrrohlings 10 aufgebaut aus einem Dorn 14 und
einer Gesenkeinheit 16. Die Gesenkeinheit 16 ist
von einer oberen Gesenkhälfte 16-1 und
einer unteren Gesenkhälfte 16-2 gebildet. 1C illustriert
einen Zustand, wobei eine Einführung
des Dorns 14 abgeschlossen ist. Der Dorn 14 weist
an seinem führenden
Ende einen vergrößerten Bearbeitungskopf 14-1 zum
Abstreckziehen auf. In 1C befindet sich die Gesenkeinheit 16 in
einem geöffneten
Zustand, wobei die obere und die untere Gesenkhälfte 16-1 und 16-2 voneinander
getrennt sind.
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Aus
einem geöffneten
Zustand der Gesenkeinheit wird eine Relativbewegung zwischen der oberen
und der unteren Gesenkhälfte 16-1 und 16-2 erhalten,
derart, dass diese Gesenkhälften 16-1 und 16-2 zusammengeführt oder
geschlossen werden, wie in 1D gezeigt.
Im geschlossenen Zustand der Gesenkeinheit wird der Rohrrohling 10 in
Kontakt mit den Gesenkhälften 16-1 und 16-2 einer
Verminderung in seinem Außendurchmesser
unterzogen. 2A illustriert Querschnittsformen
der oberen und der unteren Gesenkhälfte 16-1 und 16-2 in
einer mittleren Position entlang der Länge der Gesenkeinheit. Wie
in 2A gezeigt, weisen sowohl die obere als auch die
untere Gesenkeinheit 16-1 und 16-2 innere Oberflächen 16-1a und 16-2a von
halbkreisför miger Querschnittsgestalt
auf. Diese inneren Oberflächen 16-1a und 16-2a wirken
zusammen, um einen Bearbeitungshohlraum zu bilden, wenn das obere
und das untere Gesenk 16-1 und 16-2 zusammengeführt werden. 2B illustriert
Querschnittsformen der oberen und der unteren Gesenkhälfte 16-1 und 16-2 an einem
Ende entlang der Länge
der Gesenkeinheit 16. Wie in 2B gezeigt,
weist die untere Gesenkhälfte 16-2 eine
innere Oberfläche 16-2b von
halbkreisförmiger
Gestalt auf. Im Gegensatz dazu weist die obere Gesenkhälfte 16-1 eine
innere Oberfläche 16-1b von
unregelmäßiger Querschnittsform
auf. Namentlich weist die innere Oberfläche 16-1b des Obergesenks 16-1 ausgesparte
oberseitige Bereiche im transversalen Querschnitt auf, wie in 2B gezeigt. Bei
dieser Ausführungsform
weist die Gesenkeinheit 16 eine unregelmäßige Querschnittsform
nur an den Enden 16-1b des Obergesenks entlang ihrer Länge auf.
Es ist jedoch natürlich
auch möglich,
dass der Bearbeitungshohlraum der Gesenkeinheit 16 eine unregelmäßige Querschnittsgestalt
entlang der gesamten Länge
des Bereichs des Rohrrohlings aufweist, welcher dem Abstreckziehvorgang
zu unterziehen ist.
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Der
Abstreckziehvorgang zum Erhalt der gewünschten unregelmäßigen Querschnittsform
des Rohrrohlings beginnt durch Zurückziehen des Dorns 14 in
der Richtung, die durch einen Pfeil b in 1D bezeichnet
ist. Der Dorn 14 hat einen Bearbeitungskopf 14-1 von
größerem Außendurchmesser
als ein Innendurchmesser des Rohrrohlings 10 an einer durch
die Gesenkeinheit 16 gehaltenen Position. Ferner weist
der Bearbeitungshohlraum der Gesenkeinheit 16 an seinen
Längsenden
ausgesparte Bereiche 16-1b auf. Als eine Folge entsteht
während
der Durchführung
des Abstreckziehens durch das Zurückziehen des Dorns 14 ein
verstärktes
Fließen
des Metalls in den ausgesparten Bereichen 16-1b, so dass
eine Anpassung einer Querschnittsform eines Rohrrohlings 10 zu
einer unregelmäßigen Querschnittsform
an den Enden der Gesenkeinheit 16 erfolgt, wie in 2B gezeigt.
Namentlich weist an den Enden der Gesenkeinheit 16 der
Rohrrohling nach Durchlaufen des Abstreckziehvorgangs in seinem Querschnitt
laterale obere Schulterbereiche 100 von erhöhter Dicke
t2 auf, wie in 2B gezeigt. Demgegenüber weist
der Rohrrohling in Bereichen, welche von den Enden der Gesenkeinheit 16 verschieden sind,
nach Durchlaufen des Abstreckziehprozesses (Drückprozesses) eine regelmäßige kreisförmige Querschnittsgestalt
auf, wie in 2A gezeigt. Sehr wichtig bei
der vorliegenden Erfindung ist jedoch, dass infolge der Durchführung des
Abstreckziehprozesses eine präzise
Anpassung des Innen- und Außendurchmessers
des Rohrrohlings auch in den Bereichen erfolgt, welche von den Enden
der Gesenkeinheit 16 verschieden sind.
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1E illustriert
einen Abschluss des Anpassungsprozesses, wobei ein Zurückziehen
des Dorns 14 abgeschlossen ist. In 1E sind
ferner die Bereiche 100 erhöhter Dicke an Positionen des Rohrrohlings
korrespondierend zu dem Ende der Klemmgesenkeinheit 16 gezeigt.
Infolge einer derartigen unregelmäßigen Querschnittsform des
Rohrrohlings 10, welche durch die Durchführung des
Voranpassungsprozesses bereitgestellt wird, wird eine gewünschte Zahnbreite
auch am Ende der Zahnstange während
der Zahnstangenformung erhalten.
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Die
obige Ausführungsform
ist auf eine Ausführungsform
gerichtet, bei welcher der Rohrrohling 10 in Bereichen
korrespondierend zu Enden der Gesenkeinheit 16 verdickt
ist, um eine gewünschte Zahnbreite
an dem Ende der Gesenkeinheit 16 zu wahren. Jedoch kann
die Idee der Bereitstellung einer Unregelmäßigkeit in der Querschnittsform
eines Rohrrohlings auch eine Lösung
sein für
das Problem eines "Entweichens" des Metallflusses,
welches auch an lateralen Enden entlang der Zahnbreitenrichtung
auftritt. Namentlich ist es wahrscheinlich, dass in einem mittleren
Bereich des Zahnstangen-Formgesenks ein ungenügender Metallfluss an lateralen
Enden in der Zahnbreitenrichtung erzeugt wird, wodurch eine verminderte
Zahnhöhe
an den lateralen Enden in der Zahnbreitenrichtung bewirkt wird.
Zur Bekämpfung
dieses Problems kann eine mögliche
Lösung
sein, dass eine Voranpassung auch so durchgeführt werden kann, dass eine
Unregelmäßigkeit
in der Querschnittsform des Zahnstangen-Formhohlraums auch in dem mittleren
Bereich des Zahnstangen-Formgesenks bereitgestellt wird, in ähnlicher
Weise wie in 2B gezeigt. Als eine Folge dieser
Lösung
ist der Rohrrohling lokal verdickt, resultierend in einer erhöhten fließfähigen Menge
an Metall an den lateralen Enden in der Richtung der Zahnbreite.
Infolge einer derartigen Lösung
wird eine verminderte Metallfließmenge in den lateralen Endregionen
kompensiert, wodurch eine Reduzierung der Zahnhöhe an den lateralen Enden in
der Zahnbreitenrichtung verhindert wird.
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Kurz,
während
der Durchführung
des Prozesses, welcher der Querschnittsform eine Unregelmäßigkeit
verleiht, wie im Vorstehenden erläutert, wird der Rohrrohling 10,
wie durch die Gesenkeinheit 16 fest geklemmt, kräftig einem
Abstreckziehvorgang (Drückvorgang)
an seiner Wanddicke durch den Dorn 14 unterworfen, was
dazu führt,
dass einerseits eine Verminderung der Wanddicke eintritt und andererseits
ein Oberflächenrauheitsgrad
der Bearbeitungsoberfläche
der Gesenkeinheit 16 sowie des Dorns 14 auf die äußere Oberfläche des
Rohrrohlings 10 "übertragen" wird. Somit ist
eine präzise
Bearbeitung möglich,
derart, dass ein Oberflächenrauheitsgrad
so fein wie 1 bis 2 μm
ist und eine Differenz zwischen Außen- und Innendurchmessern
innerhalb einer Toleranz von einigen μm liegt.
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Hauptprozess zur Zahnstangenformung
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Die 3 bis 7 illustrieren eine Gesenkeinheit 18 zum
Formen einer Zahnstange aus einem Rohrrohling 10, nachdem
dieser den Voranpassungsprozess durchlaufen hat, wie im Vorstehenden erläutert. Die
Gesenkeinheit 18 zum Formen einer Zahnstange umfasst ein
Obergesenk 20 und ein Untergesenk 22. Das Obergesenk 20 ist
mit einem Stützglied 24,
einem Halter 26, einem gezahnten Stück 28, einem Feststellstück 30 und
Ausstoßstiften 32 und 33 versehen.
Das gezahnte Stück 28 weist
an seiner unteren Oberfläche
gezahnte Bereiche 28-1 auf, die Formen aufweisen, welche
zu gezahnten Bereichen einer an einem Rohrrohling 10 zu
formenden Zahnstange korrespondieren. 7A illustriert
eine Draufsicht auf eine aus dem Rohrrohling geformte Zahnstange 34.
Die aus einem Rohrrohling 10 zu formende Zahnstange 34 ist
bei dieser Ausführungsform
vom Typ mit schrägverzahnten
Bereichen 34-1. Somit, wie in den 3 und 4 gezeigt,
ist das gezahnte Stück 28 mit
schrägverzahnten
Bereichen 28-1 ausgebildet, welche zu den schrägverzahnten Bereichen
einer aus einem Rohrrohling zu formenden Zahnstange korrespondieren.
Der Halter 26 ist an dem Stützglied 24 durch beliebige
geeignete Befestigungsmittel fixiert. Ferner ist der Halter 26 mit
einer in Axialrichtung länglichen Öffnung 26A ausgebildet,
in welcher das gezahnte Stück 28 aufgenommen ist.
Das gezahnte Stück 28 ist über eine
Auskleidung 35 in die Öffnung 26A eingeführt. Weiter:
in dem Zustand, in dem das gezahnte Stück 28 in der länglichen Öffnung 26A installiert
ist, wie in 3 gezeigt, stehen die gezahnten
Bereiche 28-1 am Boden des gezahnten Stücks 28 etwas von dem
Halter 26 vor, und die Feststellglieder 30 sind
in Zwischenräume zwischen
dem gezahnten Stück 28 und
gegenüberliegenden
Innenwänden
des Halters 26 eingeschlagen. Das Feststellglied 30 weist
eine verjüngte
Form auf, so dass das Einschlagen des Feststellgliedes 30 die
Erzeugung einer Keilfunktion bewirkt, was zur Folge hat, dass das
gezahnte Stück 28 durch
den Halter 26 fest gehalten wird. Der Halter 26 ist
mit Zylinderbohrungen 26-1 ausgebildet, in welchen die Auswerferstifte 32 und 33 jeweils
verschieblich eingeführt
sind. Die Auswerferstifte 32 und 33 werden durch
einen selektiven Wechsel in der Einführungsrichtung eines Fluiddrucks
in die Zylinderbohrungen 26-1 aus- oder eingefahren. Namentlich
erlaubt ein Ausfahren der Auswerferstifte 32 und 33 die
Entnahme eines geformten Artikels, d. h. einer Zahnstange. Obschon
es sich bei den Stiften 32 und 33 um hydraulisch
betätigte
handelt, kann auf jegliche Dichtungselemente verzichtet werden,
wodurch das Gesamtsystem vereinfacht wird. Einige Hydraulikleitungen
zum Verbinden der Zylinderbohrungen 26-1 mit einer Hydraulikdruckquelle
sowie ein oder mehrere Steuer- und/oder Regelventile zum Umschalten
der Verbindung zwischen der Hydraulikdruckquelle und den Zylinderbohrungen 26-1 sind
erforderlich, um den gewünschte
Ausfahr- und/oder Einfahrvorgang der Stifte 32 und 33 zu
erhalten. Jedoch sind diese Teile konventionell und daher aus Gründen der
Einfachheit in der zeichnerischen Darstellung nicht gezeigt.
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Vor
der Durchführung
des Zahnstangen-Formvorgangs werden das Ober- und das Untergesenk 20 und 22 zueinander
hin bewegt, so dass sie zusammengeführt werden, wie in 3 gezeigt.
In diesem zusammengeführten
Zustand von Ober- und Untergesenk stehen die gezahnten Bereiche 28-1 an dem
unteren Ende des gezahnten Stücks 28 in
Kontakt mit dem oberen Teil des Rohrrohlings 10, so dass die
obere Oberfläche
(Zahnstangenbildungsoberfläche) 10A des
Rohrrohlings 10, welche in Kontakt mit den gezahnten Bereichen 28-1 des
Stücks 28 steht, annähernd flach
verformt wird, wie in den 5A und 6A gezeigt.
Wie in 6A gezeigt, sind die verdickten
Bereiche 100, wie sie durch den Gesenkformungsvorgang während der
Vorbear beitung erhalten werden, an lateralen Enden der annähernd flach gepressten
Zahnstangenbildungsoberfläche 10A lokalisiert.
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Wie
durch
3 gezeigt, ist ein Zahnstangen-Formdorn
40 so
angeordnet, dass er der axialen Öffnung
des Rohrrohlings
10 gegenüberliegt. In
3 ist
ein Zahnstangen-Formdorn
40 nur auf der linken Seite der
Gesenkeinheit
18 gezeigt. Jedoch ist, wie in der Offenlegungsschrift
der
japanischen Patentanmeldung
(Kokai) Nr. 2001-300677 offenbart, ein weiterer Zahnstangen-Formdorn
auch auf der rechten Seite der Gesenkeinheit
18 angeordnet.
Bei dieser Konstruktion wird ein abwechselndes Einführen der
Dorne, wechselweise zwischen dem rechten und dem linken Dorn, durchgeführt, wie
in dem genannten Patent offenbart. Wie in
3 gezeigt,
ist der Dorn
40 mit einem Führungsbereich
40-1 an
seinem führenden
Ende, vergrößerten Köpfen
40-2 und
40-3 mit
graduell zunehmenden Bearbeitungsdurchmesserwerten und hinter den
vergrößerten Köpfen
40-2 und
40-3 lokalisierten Ölnuten
40-4 bzw.
40-5 versehen.
Die Bearbeitungsköpfe
40-2 und
40-3 wirken
mit dem Bereich
10A des Rohrrohlings
10 derart zusammen,
dass ein radialer Fluss (plastische Verformung) von Metall in Richtung
der gezahnten Bereiche
28-1 des Stücks
28 erzeugt wird,
so dass ein Formen einer Zahnstange aus einem Rohrrohling erfolgt.
Namentlich werden Zahnstangenzähne
mit Formen korrespondierend zu denjenigen der gezahnten Bereiche
28-1 des
gezahnten Stücks
28 an
dem Rohrrohling
10 geformt. Die
5B und
6B illustrieren
Zustände
nach Abschluss des Formens durch das wiederholte Einführen des
Dorns
40 in den Rohrrohling
10. Namentlich bewirkt
die Einführung des
Dorns
40, dass an dem oberen flachen Teil
10A des
Rohrrohlings
10 das Metall radial auswärts gedrückt wird, so dass der Bereich
10'' des Metalls in die Aussparungen
zwischen den gezahnten Bereichen
28-1 des Gesenks
28 fließt, resultierend
in der Bildung von Zahnstangenzähnen
34-1 wie
in
7A gezeigt. Im mittleren Teil, wie in
5A gezeigt,
ein relativ gleichmäßiger Fluss
des Metalls entlang der Zahnbreitenrichtung, resultierend in der
Bildung von Zähnen
gewünschter
Breite. An den Enden des Zahnstangen-Formgesenks
18 (axiale
Enden der Zahnstangenbildungsoberfläche
10A des Rohrrohlings
10)
aber kommt es leicht zu einem Entweichen des Metallflusses, wodurch
eine Verminderung der Zahnbreite bewirkt wird. Als eine Folge kommt
es in einem Stand der Technik leicht zur Bildung eines Zahnstangenbereichs
von "Schiffsboden"-Form, wobei die
Zahnbreite im mittleren Bereich groß und an den axialen Enden
klein ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Rohrrohling
10 einem vorbereitenden Schritt unterworfen
zur Anpassung der Querschnittsform in Bereichen des Rohrrohlings,
welche zu axialen Enden des gezahnten Bereichs
28-1 des Gesenks
16 korrespondieren,
derart, dass die Dicke des Rohrrohlings
10 an den lateralen
Enden
100 des oberen Teils des Rohrrohlings in der Zahnbreitenrichtung
erhöht
ist. Als eine Folge wird bei Einführung des Dorns
40 eine
erhöhte
Fließmenge
an den Enden des oberen Teils des Rohrrohlings erhalten, so dass
ein Produkt (Zahnstange) mit gleichmäßig gemachter Breite der gezahnten
Bereiche entlang der gesamten Länge
der Zahnstange erhalten wird, wie in
7A gezeigt.
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Wie
oben erläutert,
werden während
des Formens durch eine Ausdehnung für die Innendurchmesserseite
mittels eines Dorns axiale Enden des gezahnten Teils eines Zahnstangen-Formgesenks
in der Axialrichtung zu "geöffneten" Bereichen mit vermindertem
Metallfließwiderstand,
an denen ein Entweichen eines Metallflusses wahrscheinlich ist,
resultierend in einer Verminderung einer Metallfließmenge zu
dem Zahnstangen-Formgesenk 18. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung
wird, wie oben erläutert, ein
vorausgehender plastischer Verformungsprozess (1A bis 1E)
durchgeführt
zum Erhalt einer unregelmäßigen Querschnittsform,
derart, dass eine Wanddicke an den Endbereichen 100 entlang
der Breite lokal erhöht
wird. Namentlich weist in den oberen lateralen Endbereichen 100 die
Wanddicke einen erhöhten
Wert t2 auf, verglichen mit der Wanddicke
t1 an einer von den Bereichen 100 verschiedenen
Position. Als eine Folge dieser Lösung, welche eine Bearbeitung
zum Erhalt der unregelmäßigen Querschnittsform
vor dem Formprozess umfasst, ist ein Formprozess unter einem einzigen
Gesenk ausreichend, um eine gewünschte
Zahnbreite an dem geöffneten
Teil zu erhalten, unabhängig
von einer großen
Entweichmenge des Metalls. Ferner weist bei der Zahnstangenformung
das Gesenk 18 geöffnete Teile
an lateralen Enden der gezahnten Bereiche des Gesenks auf, an denen
es ebenfalls leicht zu einem Entweichen des Metalls kommt. Im letzteren
Fall wird ein Rohrrohling einem Prozess unterworfen zum Erhalt lokal
verdickter Teile (einer unregelmäßigen Querschnittsform)
an Posi tionen des Rohrrohlings, welche zu den lateralen Enden des
gezahnten Teils des Gesenks korrespondieren. Kurz, gemäß der erfindungsgemäßen Lösung wird
vor dem Zahnstangen-Formprozess der Rohrrohling einem Prozess unterworfen
zur Anpassung der Wanddicke an Positionen, wo ein Entweichen des
Metalls während
des Formprozesses wahrscheinlich ist. Als eine Folge wird bei einem
nachfolgenden Zahnstangen-Formprozess ein gewünschter oder kompensierter
Fluss des Metalls zu dem Gesenk (gezahnten Bereich des Gesenks)
auch an den Positionen erhalten, wo ein Entweichen des Metallflusses
wahrscheinlich ist. Infolge der lokal erhöhten Wanddicke wird eine relative Zunahme
eines Fließwiderstandes
zu dem Gesenk kompensiert, wodurch die gewünschte Zahndicke gewahrt wird.
Eine Lösung
nach dem Stand der Technik, welche die Bereitstellung einer Mehrzahl
von Dornen von unregelmäßiger Form
vorsieht, ist nicht effektiv, um das Problem des oben erwähnten Entweichens
des Metallflusses in der Längsrichtung
zu bekämpfen.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, nicht nur das Problem
des Entweichens in einer Zahnbreitenrichtung zu bekämpfen, sondern auch
das Problem des Entweichens in einer Axialrichtung.
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Die 8 und 9 illustrieren
eine weitere Ausführungsform
eines Zahnstangen-Formdorns gemäß vorliegender
Erfindung. Bei dieser Ausführungsform
ist ein Dorn 140 mit vergrößerten oder Bearbeitungsköpfen 140-1 und 140-2 ausgebildet,
die sich in einer Richtung erstrecken, welche mit Bezug auf eine Axiallinie 143 geneigt
ist. Der Neigungswinkel der vergrößerten Köpfe 140-1 und 140-2 ist
durch θ angegeben.
Aufgrund einer solchen geneigten Anordnung wird ein simultaner Ausdehnungsvorgang,
d. h. ein Fluss des Metalls zu dem gezahnten Stück 128 zu einer Mehrzahl
von benachbarten gezahnten Nuten durch einen einzigen Bearbeitungskopf 140-1 oder 140-2 realisiert. 9 illustriert
einen Zustand, in dem eine Ausdehnung (Fließen des Metalls) durch den
ersten vergrößerten Kopf 140-1 in
Richtung benachbarter Nuten 128-1 und 128-2 erfolgt
und ferner eine Ausdehnung durch den zweiten vergrößerten Kopf 140-2 in
Richtung benachbarter Nuten 128-3 und 128-4 erfolgt.
Durch einen derartigen simultanen Ausdehnungsvorgang zu benachbarten
Nuten 128-1 und 128-2 oder 128-3 und 128-4 durch
den einzigen vergrößerten Kopf, 128-1 oder 128-2,
wird eine in dem gezahnten Gesenk 128 durch den Dorn 140 erzeugte
Last lokalisiert und reduziert, woraus eine erhöhte Nutzungsdauer der Bearbeitungswerkzeuge resultiert,
welche sind der Dorn und das gezahnte Gesenk.
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10 und 11 illustrieren
einen Dorn 240 in einer weiteren Ausführungsform. Der Dorn 240 ist
vom abgeschrägten
Typ und ist mit einem sanft geneigten Bearbeitungskopf versehen,
an dem eine Vielzahl von parallelen Nuten 240-1 gebildet
sind, wobei jede der Nuten in einem Winkel in Richtung des führenden
Endes des Dorns geneigt ist. Als eine Folge dieser Struktur des
Dorns 240 wird ein vermehrfachter Eingriff mit einer Anzahl
von 4 bis 6 oder mehr Stufen erhalten, woraus eine geglättetere
Bewegung der Last resultiert. Namentlich macht es die einzige, kontingente,
abgeschrägte
Oberfläche
dieser Ausführungsform
möglich,
ein Ausmaß an
Ausdehnung zu erhalten, welches zu demjenigen korrespondiert, das
durch 4 bis 6 vergrößerte Köpfe erhalten
wird. Ferner können
die winkligen Ölnuten
leicht durch einen späteren
Bearbeitungsprozess bereitgestellt werden, wodurch die Produktionskosten
des Dorns verringert werden. Eine derartige Kostenreduzierung ist
wünschenswert,
weil üblicherweise
ein System mit mehreren Dornen mit einer Anzahl von ca. 10 Dornen
verwendet wird. An Stelle der winkligen Nuten 240-1 können auch
rein parallele geneigte Nuten verwendet werden.