【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は自動車のパワーステアリング装置などにおいて使用される軽量中空ラックバーの製造方法に関するものであり、ラックバーのピッチおよび傾角が均等な標準歯から変化した所謂VGR型のラックバーの製造に特に適したものである。
【０００２】
【従来の技術】
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が軽量化のためパイプ材からの鍛造によるものが使用されるようになってきている。それとともに、最近のパワーステアリング装置は油圧駆動から電動駆動のものに変わりつつあり、それとの関連でラックバーとしてラックバーのピッチおよび傾角が均等な標準歯から変化した非均等なＶＧＲ型のラックバーが注目されている。かかるＶＧＲ型のラックバーは特殊切削による製造が高コストであるため軽量化も兼ねたパイプ材からの鍛造が採用されつつある。パイプ材からの鍛造によるラックバーの形成技術としては例えば特公平３−５８９２号などがある。特公平３−５８９２号におけるラックバーの転造成形においては、まず、パイプを型によって保持しつつプレスをかけることにより中空棒のラックバー形成面の平坦化が加熱下で行われる。次に、内周に直線方向の歯列を有した成形型をパイプ材の前記平坦部に当てつつ軸方向における外側よりパイプ材の空洞に芯金が圧入される。芯金はテーパ状の作用部を有しており、テーパ部が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り出され、パイプ材の平坦部に成形型の歯列に順じた形状の直線方向の歯列が付与され、ラックバーとすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特公平３−５８９２号に開示されている技術によれば、歯列を有した内型によるパイプ材を保持し、一端より心金をパイプ材中に圧入することにより型の凹部に対するパイプ材の肉の塑性流動を惹起させ、パイプ材の表面に歯列を形成しようとしている。しかしながら、従来技術では心金は一端側のみからの圧入である。しかしながら、この方式では型に対するパイプ材の肉の流動に片寄り（偏析）が必ず生じるので、成形完了後の残留応力の不均一及びこれに伴う弾性歪の戻りの不均一の原因となり、必要な精度と強度が得られなかった。
【０００４】
他方この出願の出願人は特願２０００−３４５４４号において金型により保持されたパイプ材に対して心金を左右から複数回交互に圧入することによりパイプ材の表面に凹凸模様を付す技術を提案している。
【０００５】
この発明は本出願人の提案に係るこの技術をラックバーの製造により特化させ、より精度の高いラックバーをより低コストにて製造できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、内面に歯型を有した金型により中空素型材を保持しつつ、芯金を前記素型材の軸方向の空洞に圧入し、芯金の拡径作用頭部により材料を金型の内面に向けて内側より外側へ金属流動させることにより張り出させ、中空素型材の外周に金型内周の歯型に順じた形状を付与することにより中空ラックバーを製造する方法であって、金型間に保持された中空素型材へ心金が両端側より交互に圧入され、このような交互の圧入は複数回繰り返されることを特徴とする中空ラックバーの製造方法が提供される。
【０００９】
請求項１の発明の作用・効果を説明すると、この発明の転造は前記のように金属の流動性に優れている成形転造原理下で実施されるが、それでも圧入方向が片方向のみでの連続成形では金属流動に必ず相当の片寄りが生じ、これが歯型の精度に悪影響を及ぼす。また、後工程での反対方向からの圧入による矯正では金属の流動量差と時効による硬化により完全復元は不可能である。この発明における挿入方向の交互の繰返しは、成形の過程で生じた偏流が微量なうちに時効硬化の発生に先だってその都度修正するため、偏析を完全に排除した理想的な成形を行うことができる。そのため、スプリングバックなどの均等化、熱処理などの不均一変形、金属流動の巻き込みに起因する応力集中や亀裂発生などを事前に排除した高精度・高強度の加工を実施することができる。そのため、本質的に塑性加工であるにも関わらず数ミクロン差が問題となる要求精度に対しては熱処理工程での狂いも抑制することができる。そして、長尺の心金の先端の張り出し用の拡径頭部は素材の肉を塑性流動させ金型の凹部に押し込むが、このような押込みは所謂創成転造方式による滑りがなく、所謂成形転造方式で行われ、歯型欠陥はそもそも少ないものである上、拡径頭部は１歯づつ成形移動しつつ複数回繰返して歯型を部分的に順次移動成形するので、一度に過大な成形力を必要としないので挿入力抑制と心金の座屈防止の利点がある。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、中空素型材の一端側からの心金圧入と他端側からの心金の抜去とはラッピングされていることを特徴とする中空ラックバーの製造方法が提供される。
【００１１】
請求項２の発明の作用効果を説明すると、片側での圧入完了後の心金の後退中に反対側での心金の圧入が開始するようにラッピングされている。自動車のパワーステアリングのラックバーは通常はその長さは６００〜８００ミリメートルであり、心金のストロークは1000ミリメートル前後である。このようなラッピング動作は塑性加工による発熱に伴う前記加工軟化状態に近い準温間加工条件を維持させまた時効硬化時間を与えないためにも重要である。即ち、このような条件を維持するためには連続加工間待機時間を９０秒未満とする必要があるが、片側での心金圧入後の完全抜去を待って反対側での心金の圧入を開始したとすると、２分以上の成形時間が必要である。また、ラッピング動作は作業タクトの短縮にも有効である。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、金型の潤滑はこれを行うが素型材はその成形完了まで潤滑油による積極的冷却は回避することを特徴とする中空ラックバーの製造方法が提供される。
【００１３】
請求項３の発明の作用・効果を説明すると、金型については一般的な鍛造加工に順じて潤滑兼清掃油による強制的な冷却機構を設けるが、心金については潤滑油（高粘度のもの）のためのオイルポットの形成にとどめる。これにより、ワークである素材の過度の冷却は排除され、塑性加工の発熱により生じた１８０℃程度の加工軟化近傍の準温間状態を維持するのに有効なものとなる。即ち、素材は加工の工程に順じて塑性加工発熱が蓄積され、百数十度近くまで昇温せしめられる。もちろん、その熱は成形歯型や心金に伝達される。そして、成形品の取出しと次ぎの素材の供給のため金型が開かれたときに清掃も兼ねた液体の噴射により金型は過剰昇温防止の冷却を受ける。一方、心金は複数回連続交互挿入のために、金型外に待機しているときのみ液体又は気体により冷却を受ける。そして、成形中ワークには心金の圧入による塑性加工発熱が蓄積されるが、ワークは成形完了まで積極的冷却はしないようにし、その結果、加工硬化の開始する前の加工軟化状態に近い準温間加工を実現することができ、その結果、ワークに対するスムースな塑性加工の付与が実現される。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、心金は複数の拡径頭部を供えたことを特徴とする中空ラックバーの製造方法が提供される。
【００１５】
請求項４の発明の作用・効果を説明すると、心金に複数の拡径頭部を設けることにより、第１の頭部では歯型の両端部、第２頭部では歯型の中央部、第３の頭部では歯型の全体又は肩部のみ、などと、金属の流動性の張り出し距離を考慮した低出力成形を実現することができる。そして、単なる拡径量の順次拡大ではないため、金属流動の移動距離、即ち、金属流動により生ずる金属粒子間の滑り量の抑制が可能なため、成形出力を低減させたり各工程間での出力の均一化を実現しうる。また、成形全長が２百数十ミリメートルを超過する部分に第３，４，５等の拡径頭部を設置することにより、２工程分の連続成形を１本の心金で実現することが可能となる。この場合、心金は長大なものとなり、かつ心金の必要ストローク長も大きなものとなるが、心金に座屈防止用の案内部を設置したり、心金の交互の圧入にラッピングを持たせることにより対処することは可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明における中空ラックバーの製造の主要工程のみの概略工程図を示し、素材管の事前研摩工程とボンデリューベＰ１と、事前研摩を受けた素材管のラック歯形成面の冷間平潰工程Ｐ２と、平潰後の心金の交互圧入繰返鍛造工程Ｐ３と、繰返交互圧入鍛造により得られたラックバーの拘束型熱処理工程Ｐ４とを示す。ここに拘束型熱処理とは焼入れによる精度の狂いを生じせしめないため、ワークに拘束を加えながら行う熱処理、即ち、焼入れ及び焼戻し、のことをいう。通常は研摩は熱処理による狂いが生ずるので精度を維持するため熱処理後に行われている。この工程Ｐ４の熱処理は前述の拘束型の熱処理であり、金属流動の偏析が少ないので、焼入れによる精度の狂いは生じない。従って、鍛造前の研摩加工精度劣化の懸念なく行いうる。このような鍛造前の研摩は円管で行う。成形後の歯型の研摩はラックバーが所謂ＶＧＲ型の場合はピッチ可変でかつ傾角可変のため実施し難くなるが、この実施形態のように歯型の形成前に円管又は平面状態で研摩を施すことにより事後研摩と比較して効率を著しく高める利点がある。
【００１９】
次ぎに、平潰工程Ｐ２及び心金の繰返交互圧入による鍛造工程Ｐ３について図２〜図４を参照にしながら詳細に説明すると、図２は型開状態、図３は型閉鎖所歌、図４は心金圧入状態を示す。図２において、中空ラックバーの転造成形のための金型１０は上型１２と下型１４とから構成され、図中（イ）は横断面図、（ロ）は縦断面図を示す。図２では上型１２と下型１４とが離間した状態を示す。上型１２は下型１４に面したその内周面における長さ方向凹部にラック歯状の歯部１２−１を有しており、一方、下型１４は上型１２に面した上面に断面半円弧状の長さ方向溝１４−１を形成している。図２では下型１４の断面半円弧状長さ方向溝１４−１に素型材である円形断面管１８がすでに載置された状態を示している。この発明のラックバーの転造成形に適した素材管１８の材質としては塑性加工性が良いため、張出加工や圧延加工性に優れており、かつ加工変態が起こり難くいことが好ましく、更に、後工程での熱処理における焼入れ性能が良好であることが必要である。
【００２０】
図２の状態から上型１２と下型１４とを相互に向き合う方向に移動させると、上型１２の歯部１２−１が円管１２の上面に接触し、平坦に押しつぶされ、最終的には上型１２と下型１４とが合体した金型１０の閉鎖状態に至る。このとき、この実施形態のよう円管１８を中空部をフリーにした場合は円管１８の上面は図３（イ）に示すように中央部１８−がやや凹面に変形せしめられる。また、金型１０は円形断面の素材管１８の約半分の長さを持っており、円管１８の片端は金型１０の長さ方向端面とほぼ面一となり、反対端はオーバハングしている。しかしながら、下型１４に面した上型１２の下面に形成される歯部１２−１は金型１０の端面から幾分手前に留まっており、従って、金型１０の閉鎖状態においては素材管１８の左端１８Ａ及び右端１８Ｂは平坦に圧潰されておらず、換言すれば素材管１８の両端１８Ａ， １８Ｂは円形断面のままに留まっている
【００２１】
以上説明したようにこの発明の実施形態では素材管１８のラック形成面である上面の平坦化をラック転造形成用金型１０の閉鎖即ち上型１２と下型１４との合体によって行っている。そのため、金型１０は型開きすることなくそのまま次の工程である転造工程に移行することができる。これにより、工程数を削減することができると共に、クランプ動作の回数を低減することができるためクランプによる傷の発生の機会を削減することができる利点がある。また、転造用の型を異形化のために使用していることから異形化の精度は異形化専用の本来の型を使用した場合と比較して低下があるが、要求精度がよほど高くない限りは実際上の問題はない。平坦化のため専用の型により円管の上面を潰し、その後型開きし、転造用の金型にクランプするような通常の工程をとることももとより可能である。
【００２２】
図５は専用の型を使用してラック歯形成面の平坦化をした例を示し、（イ）では素材管１８にストッパとしての心金１９を挿入しておき、プレス型１７にて平坦化する例を示す。この場合は心金１９を使用しているためラック歯形成面１８−１は完全平坦となり、図３の（イ）に示す如き中凹状態が回避される。完全平坦化によりラック塑性成形時における金属流動の不均一性をより理想的に排除することができるため、最終的な鍛造精度の維持をより容易としうる。図５の（ロ）は円管からのラック形成面平坦化時の心金の別形状を示し、この場合、心金１９は張出肩部１９Ａを有しており、そのため両肩が張り出したような素材管１８の断面形状を得るのが容易となる。
【００２３】
次ぎに図４に示す芯金の圧入・引き戻しによる転造工程を説明する。図４の（ロ）に示すように、芯金２０Ａ， ２０Ｂは金型１０にクランプされることにより上面が平坦化されたた素材管１８の両側に軸方向に対向して配置される。芯金２０Ａ， ２０Ｂはその断面形状は図４（イ）に示すように断面平坦化された素材管１８の部分の断面形状に順じた断面形状を有している。芯金２０Ａ， ２０Ｂの先端は案内部２０Ａ−１， ２０Ｂ−１をなしており、断面平坦化された素材管１８の部分への導入のガイドとなる。案内部２０−１の背後には拡径部２０Ａ−２， ２０Ｂ−２が継続し、芯金２０Ａ， ２０Ｂの圧入時に素材管１８の平坦部に係合することにより素材管の肉を内から外に金型のラック歯状部１２−１の凹凸に向けて金属流動させ、素材管の平坦部１８−１にその凹凸形状に相補的なラック状歯部が賦型される。芯金２０Ａ， ２０Ｂは第１の拡径部２０Ａ−２， ２０Ｂ−２に後続して第２の拡径部２０Ａ−３， ２０Ｂ−３が続いており、芯金２０Ａ， ２０Ｂの一回の圧入による順次の多段階の金属流動が得られるようになっている。図６は心金の拡径部の各種の形状の例を示しており、（イ）は歯型の中央部を加工するための形状であり、（ロ）は両側部の張り出し形状の形成用であり、（ハ）は精度出し用である。このように心金に各種の機能に適した形状を持たせることにより、スムーズな成形を実現することができる。即ち、金属流動の移動距離を押えることができるため、成形出力としては小さくでき、各工程間での出力の均一化を図ることができる。また、２百数十ｍｍを超えるような歯成形全長の場合は第３， ４， ５頭というように多数の加工部を設けることができるが、この場合は成形力を増やすことなく２工程分の連続成形も可能であり、好都合である。この場合は心金は長大なものが必要となり、必要ストローク長も長くなるが、心金の座屈防止用の案内部を設けたり、交互挿入のラップ化により対処することができる。
【００２４】
図４（ロ）においては第１の工程として左側の芯金２０Ａが平坦化されたばかりの素材管１８に圧入された最初の状態を示している。左側の芯金２０Ａの圧入は素材管の平坦部１８−１の右端に最後の拡径部が到達するまで行われ、その後芯金２０Ａは素材管１８から完全に抜去される至るまで左側に向けて後退される。
【００２５】
左側の芯金２０Ａの抜去と適切なラッピングのタイミング差をもって右側の芯金２０Ｂは図４（ロ）の左側への前進を開始し、右側の芯金２０Ｂが素材管１８の内部空洞に導入されるに至り、その拡径部により左側の芯金２０Ａについて説明したものと同様な金属流動の過程が惹起される。右側芯金２０Ａの圧入→抜去とラッピングする左側芯金２０Ｂの圧入−抜去は複数回繰り返される。即ち、素材管１８に対する左右の芯金２０Ａ， ２０Ｂの圧入が交互に複数回繰り返される。このようなラッピングを伴った左右の芯金２０Ａ， ２０Ｂの交互の圧入・後退動作は、例えば歯丈３．５ ｍｍの歯型を成形するとすると、１．７５ ｍｍは山として張り出され、１．７５ ｍｍは谷として押し込まれなければならいが、この発明において（イ）塑性成形発熱下における加工軟化近傍における２００℃前後の準温間加工条件を維持しつつ（ロ）時効硬化時間を与えず、（ハ）素材の肉の偏析を抑制しつつ成形するので、鍛造によるラックバーの構成にも関わらずミクロン単位の高い精度を得るというこの発明の本質を達成せしめるものである。以下これについて具体的に説明する。
【００２６】
素材管１８に対する心金２０Ａ， ２０Ｂの圧入は素材管１８の肉を塑性変形により歯部１２−１により形成される凹部に流動せしめ、素材管１８にこの歯部１２−１に相補的な形状の歯部を形成せしめるのであるが、このような塑性変形による発熱の蓄積は素材を昇温せしめる。このような塑性変形は通常は素材を硬化せしめ、換言すれば、素材に加わるせん断ひずみとせん断応力との関係はせん断ひずみが増大するほどせん断応力が増大する関係にあり、これを加工硬化と称する。ところが、素材を所謂臨界せん断ひずみ付近変形させた状態で素材の温度を上昇させると逆に与えられたひずみの増大とともにせん断応力が減少する温度域があり、これを加工軟化と称する。即ち、図７（イ）は一定温度Т１における結晶のせん断ひずみ−応力特性を示し（丸善書店刊行加藤著金属塑性工学１５ページより転載）、実線Ｌにて示すようにせん断ひずみの増大に従って応力は最初は直線的に増大するが、応力γ１（臨界せん断応力）においてクロススリップによって応力の増大はＬ１（温度Т１でのひずみ−応力曲線）のように緩やかとなる。そして、この臨界せん断応力付近において温度をТ１からТ２に増大させると応力は実線Ｌのように減少し、さらに引っ張るとひずみの増大と共に応力は減少し、最終的には温度Т２でのひずみ−応力曲線Ｌ２に従って変化する。この塑性変形がある程度進行した段階での温度上昇下でのひずみの増大にともなう応力低下を加工軟化と称する。そして、この発明では塑性変形発熱された素材の温度を加工軟化近傍の２００℃付近の準温間温度に維持しつつ心金の繰返し的な圧入を行うことにより素材の加工硬化を排除しつつ流動性を高め、鍛造であるにも関わらずミクロン単位の高精度の加工を実現するようにしている。このような、積極的な加熱を行わないが、塑性変形発熱に伴う加工軟化近傍の２００℃近傍での塑性加工をこの明細書では準温間加工と称する。図７の（ロ）は鋼材における温度と変形抵抗との関係を示しており、この発明の準温間加工は温度２００℃付近のＲの範囲によって示され、この領域では変形抵抗の極小領域に対応する。尚、通常の温間加工条件はＲ´の領域で表され、準温間加工条件より高温度側に位置し、このときは変形抵抗は極大となっており、本発明のような加工軟化による素材の流動性の増大による加工精度向上の利益は得られない。この発明のような準温間加工のために適した温度はもとより素材依存性があるが、ラックバーの製造のための通常の鋼材で百数十℃付近で効果はある。準温間加工条件を維持するため、強制的な加熱装置は必要はないが、金型及び心金が冷えすぎないように工夫する必要はある。即ち、連続圧入においては一回の加工が終了し型開きした場合に清掃も兼ねて洗浄液が噴射される。これは金型の冷却となるが、このような動作は十数回の連続成形に対して一回のみであり、金型と素材を冷やしすぎる懸念はない。他方、心金については常時多量な潤滑油をかけるのが通常であるが、これは素材を冷却させ加工硬化を起こさせる可能性があり、常時多量な潤滑油をかけず金型からの後退した後の待機中のみに空気冷却するというように素材を加工軟化近傍に維持するため放熱制御のための工夫は必要である。そして、心金の潤滑不良の恐れに対しては心金を燐酸塩処理し、更に心金の表面の硬化処理と共に油溜まりとして機能しうる微細オイルポットを形成したり、潤滑油として高粘度指数のものを使用したりすることによる対策が可能である。
【００２７】
次ぎに、この発明では心金２０Ａ， ２０Ｂはラッピング作動され、換言すれば、心金２０Ａ， ２０Ｂの一方が圧入成形後に後退を開始しまだ完全に後退をし切らないうちに心金２０Ａ， ２０Ｂの他方が圧入のための移動を開始するようにされ、この動作は心金が完全に抜去されるまで次ぎの圧入の開始を待つとすると素材の温度が降下するため、ラッピング動作により素材の温度が下がりすぎるのを防止することができるため準温間加工条件の維持のため重要であると共に時効による硬化時間を与えないための時間短縮に重要である。即ち、塑性加工においては加工後放置すると素材は硬化を開始し、塑性加工後のこのような時効による初期硬化は最速には１〜２分程度で開始するといわれている。通常の自動車用パワーステアリング用のラックバーは長さが６００〜８００ｍｍであり、心金のストロークは１０００ ｍｍ前後となる。このような長さのラックバーの加工の場合、第１心金の往復完了後に第２心金の往復を開始させたり溜め打ちすると時効硬化の懸念がある。心金２０Ａ， ２０Ｂのラッピング動作はこのような分単位の時間でも起こりうる時効硬化に対しても十分対処でき、加工軟化近傍の準温間加工との併用で心金２０Ａ， ２０Ｂの圧入による繰返し的な塑性加工の間の素材に加わる応力に関わらず素材を軟化状態に維持し、素材の高い流動性を得ることができるため、心金２０Ａ， ２０Ｂの繰返し圧入とあいまって塑性加工に関わらず３２ミクロンの精度を得ることができる。
【００２８】
以上の準温間による加工及び時効効果の抑制に加え、この発明では心金の左右からの交互圧入は素材の肉の偏析があった場合にこれを毎回その都度修正する作用も達成するものである。即ち、左右の芯金２０Ａ， ２０Ｂの複数回の交互圧入により金型の凹部に対する均等な金属流動を得ることができ、精度の高い転造を実現できる効果がある。図８は転造により得られた実際のラックの歯部の断面顕微鏡写真における歯部の層形成状態から把握された塑性加工時の肉の流動状態を模式的に表したものである。矢印ｆ１に示すような交互圧入を行うこの発明の肉の流動状態は（イ）にて表され対称的な流動状態が得られていることが分かる。一方、（ロ）は芯金の圧入方向が矢印ｆ２のような一方のみである場合の流動状態を示しており、この場合は肉の流動に片寄りがあり、また巻き込みが発生していることが分かる。（ロ）に示すような肉の不均一な流動状態は、ラック歯の成形完了後における不均一な応力残留及びこれに伴う弾性歪の戻り即ちスプリングバック量の不均一を惹起せしめ、製品の精度と強度の低下の原因となるがこの発明においては均等な肉の流動が確保されるためこのような問題点は解消されている。
【００２９】
以上述べたようにこの発明によるラックバーの鍛造型の形成においては、（イ）塑性成形発熱下における準温間加工条件を維持しつつ（ロ）時効硬化時間を排除し、（ハ）素材の肉の偏流の修正を行っているため、鍛造によるラックバーの構成にも関わらず３２ミクロンという高い精度を得ることができ、生産コスト的の低減の観点からも優れたものとすることができる。
【００３０】
この発明の実施において、塑性加工の開始において心金２０Ａ， ２０Ｂ、金型１０及びパイプ１８は室温状態（コールドスタート）とすることができる。即ち、塑性加工前には外部からの加熱をなんら行わないようにすることができる。塑性加工を室温から開始しても、塑性加工の開始とともにその素材の塑性変形による発熱によって比較的短時間のうちに温度は上昇し、準温間条件に持ち込むようにすることができる。これにより、事前の加温が省略できその分コストダウンを図ることができる。
【００３１】
以上とは逆に、塑性加工の開始前に炭素鋼の一次軟化温度付近に補助昇温してから成形開始することに任意である。補助昇温の実施により鋼材の加工軟化付近の温度（準温間加工条件）である約２００℃に昇温させた状態で素材管１８への心金２０Ａ， ２０Ｂを開始できるため加工の初期段階から加工量を増加することができ、全加工数の圧縮、心金の交互圧入回数を例えば１２回から１０回に縮減でき、効率を増加させ、原価低減を実現することができる。
【００３２】
この発明の実施において、素材管１８として継目無管はもとより採用可能であるが、コスト低減の観点から継目管を採用することが可能である。継目管の場合は、そのシーム部は図２（イ）などにおいて上型１２の歯型１２−１の部分の反対側に、即ち下型１４の半円面１４−１に対向位置せしめる。ラックバーにおいては歯列は円周の１８０°に満たない一方向部位のみである。従って、予備成形の平潰し時にシーム部を反対側に配置選択することは容易であるが、あえてこれに限定しない。この場合、心金挿入時に歯張り出し面の反対面、即ち、シーム部には下型１４の面１４−１から強力な反力が加わりうる。しかしながら、このような反力に対処しうるようなアイヨニングやバテット管の造形加工は経験上問題無くなしうるものである。
【００３３】
図９〜図１１は上型１２の実際の組立構造の一例を示しており、上型１２はホルダ１２０と、ホルダ１２０における矩形空洞１２０Ａに歯列を構成するように収容される一連の歯型セクション１２２と、矩形空洞１２０Ａの底部に敷設される金属製支持パッド１２４と、一連の歯型セクション１２２の両端におけるスペーサ１２６と、テーパ駒１２８とからなり、テーパ駒１２８の圧入により一連の歯型セクション１２２はホルダ１２０の矩形空洞１２０Ａ内に保持され、これにより図２（イ）などに図示される上型１２の下面の歯列１２−１が得られる。図１０に示すようにホルダ１２０の矩形空洞１２０Ａはその四隅に切欠１２０Ｂ を有しており、この切欠部１２０Ｂの設置により応力集中を回避するようになっている。当業者には常識であるが、金型治工具はその寿命がランニングコスト、引いては製品の製造コストに直接影響する。この発明の転造方式では噛み合い回転も軸方向の回転も移動滑りもないため、歯型面における磨耗は少ないが、ホルダ１２０と歯列１２２とのミクロン単位の息つきの繰返しによる疲労破損が生じうる。しかしながら、ホルダへの準圧入構造とし、また、Ｒ部の曲率は可能なかぎりにおいて大きくとられており、また応力集中排除の工夫もされている。そのため、数千回から万単位にも及ぶ寿命を得ることができ、治工具のランニングコストを通常のラックバーの製造方式であるブローチ加工より低減することが可能である。
【００３４】
以上の説明においては、心金の圧入による金型での成形過程において素材の肉は金型の凹部を完全に充満させる所謂完全充満式の成形を前提としていた。図１２（イ）は完全充満式の成形により得られる歯型を示しており、この場合金属流動のため素材の圧縮荷重の１．１〜１．３倍の荷重を加える。そのため、歯型治工具の磨耗や破損が起こり易く、ランニングコスト上昇の原因となる。（ロ）は不完全充満成形における歯型の断面を示しており、この場合、圧縮荷重は１０〜３０％減となっており、歯先の中央部に微小の凹部が残留する。しかしながら、このような歯型の部分的中断があっても歯のあたり長さ面としては完全充満成形のものと大差がない。また、曲げ強度について多少の低下はもとより回避できないが、鍛造成形の場合は歯先の強度自体が切削方式と比較して２〜３倍大きいため問題は生じえない。荷重の１０〜３０％減により疲労破壊寿命を１０〜１００倍延長させることができ、これによりランニングコストの著しい低減が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の中空ラックバー製造方法における主要工程のみの概略を説明するブロックダイアグラムである。
【図２】図２はこの発明における成形型の開放状態を示し、（イ）は横断面図、（ロ）は縦断面図をそれぞれ示したものである。
【図３】図３はこの発明における成形型の閉鎖状態を示し、（イ）は横断面図、（ロ）は縦断面図をそれぞれ示して表したものである。
【図４】図４はこの発明における心金圧入転造時の成形型を示し、（イ）は横断面図、（ロ）は縦断面図をそれぞれ示したものである。
【図５】図５は平坦化型を使用した場合の素材管及び心金の横断面形状を（イ）及び（ロ）のそれぞれの例について表した図である。
【図６】図６は圧入転造に使用する心金の頭部の各種の横断面形状を（イ）〜（ハ）のそれぞれの例について表した図である。
【図７】図７の（イ）せん断ひずみとせん断応力との関係を模式的に表すグラフであり、加工軟化現象について説明し、（ロ）は鋼材の温度と変形抵抗との関係を表すグラフを示している。
【図８】図８は圧入転造時の素材の流動状態をこの発明の交互往復圧入の場合を（イ）で従来技術の片側圧入の場合を（ロ）でそれぞれ模式的に説明する図である。
【図９】図９は上型の縦断面図（図１１のＩＸ−ＩＸ線に沿って表される矢視断面図）である。
【図１０】図１０は上型の平面図である。
【図１１】図１１は上型の横断面図（図９のＸＩ−ＸＩ線に沿って表される矢視断面図）である。
【図１２】図１２は転造時にの歯型断面形状を完全充満方式の場合を（イ）で、不完全充満状態の場合を（ロ）でそれぞれ表すである。
【符号の説明】
１０…金型
１２…上型
１２−１…歯部
１４…下型
１７…平坦化用プレス型
１８…素材管
１９…平坦化用心金
２０Ａ， ２０Ｂ…芯金
２０Ａ−１， ２０Ｂ−１…案内部
２０Ａ−２， ２０Ｂ−２…第１の拡径部
２０Ａ−３， ２０Ｂ−３…第２の拡径部
１２０…ホルダ
１２０Ａ…矩形空洞
１２０Ｂ…切欠部
１２２…歯型セクション
１２４…支持パッド
１２６…スペーサ
１２８…テーパ駒[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a lightweight hollow rack bar used in an automobile power steering device or the like, and is particularly suitable for manufacturing a so-called VGR type rack bar in which the pitch and inclination of the rack bar are changed from uniform standard teeth. It is a thing.
[0002]
[Prior art]
As a manufacturing method of a hollow rack bar used for a power steering device of an automobile, conventionally, there has been a lot of cutting by a round bar, but forging from a pipe material has come to be used for weight reduction. Yes. At the same time, the recent power steering system is changing from hydraulic drive to electric drive. In relation to this, the non-equal VGR type rack bar whose rack bar pitch and tilt angle are changed from the standard tooth with uniform rack bar. Is attracting attention. Since such VGR type rack bar is expensive to manufacture by special cutting, forging from a pipe material that is also reduced in weight is being adopted. As a technique for forming a rack bar by forging from a pipe material, for example, Japanese Patent Publication No. 3-5892 is available. In the rolling forming of the rack bar in Japanese Patent Publication No. 3-5892, the flat surface of the rack bar forming surface of the hollow bar is first heated under heating by holding the pipe with the mold. Next, the metal core is press-fitted into the hollow of the pipe material from the outside in the axial direction while a mold having a linear row of teeth on the inner periphery is applied to the flat portion of the pipe material. The cored bar has a tapered working part, and the meat of the flat part flows plastically toward the teeth of the mold by the taper part engaging the flat part on the inner peripheral side. The protruding portion is provided with a linear row of teeth in a shape conforming to the row of teeth of the molding die on the flat portion of the pipe material, and a rack bar can be obtained.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
According to the technology disclosed in Japanese Examined Patent Publication No. 3-5892, the pipe material is held by the inner mold having a dentition, and the mandrel is press-fitted into the pipe material from one end, whereby the pipe material against the concave portion of the mold is It induces plastic flow of meat and tries to form dentition on the surface of the pipe material. However, in the prior art, the mandrel is press-fitted only from one end side. However, since this method always causes a deviation (segregation) in the flow of the pipe material relative to the mold, it causes a non-uniform residual stress after completion of molding and a non-uniform return of elastic strain. Accuracy and strength were not obtained.
[0004]
On the other hand, the applicant of this application proposed in Japanese Patent Application No. 2000-34544 a technique for attaching a concave and convex pattern to the surface of a pipe material by alternately pressing a mandrel from the left and right into the pipe material held by the mold. doing.
[0005]
An object of the present invention is to specialize this technique according to the applicant's proposal by manufacturing a rack bar, and to manufacture a more accurate rack bar at a lower cost.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the invention of claim 1, While holding the hollow mold material with a mold having a tooth mold on the inner surface, the core metal is press-fitted into the axial cavity of the mold material, and the material is directed to the inner surface of the mold by the diameter expansion head of the core metal. A hollow rack bar is produced by extending a metal flow from the inside to the outside and imparting a shape conforming to the tooth shape of the inner periphery of the mold to the outer periphery of the hollow mold material. A method for producing a hollow rack bar, wherein a mandrel is alternately press-fitted from both end sides into a hollow mold material held in between, and such alternate press-fitting is repeated a plurality of times Is provided.
[0009]
Claim 1 Explaining the operation and effect of the invention of the present invention, the rolling of the present invention is carried out under the forming and rolling principle, which is excellent in the fluidity of the metal as described above, but it is still continuous forming with only one direction of press-fitting. Then, there is always a considerable deviation in the metal flow, which adversely affects the accuracy of the tooth shape. Further, in the correction by press-fitting from the opposite direction in the subsequent process, complete restoration is impossible due to the difference in metal flow rate and hardening due to aging. In the present invention, the alternating insertion direction is corrected each time before the occurrence of age hardening while the amount of drift generated in the molding process is small, so that ideal molding can be performed with complete elimination of segregation. . For this reason, high-precision and high-strength processing can be performed in which stress concentration and cracking due to the equalization of springback, non-uniform deformation such as heat treatment, and metal flow entrainment are eliminated in advance. For this reason, the deviation in the heat treatment process can be suppressed with respect to the required accuracy in which a difference of several microns is a problem in spite of the plastic working. And the diameter-expanded head for projecting the tip of the long mandrel is plastically flowed into the concave portion of the mold by plastic flow of the material, but such pushing does not slip by the so-called generating rolling method, so-called molding It is performed by rolling method, and there are few tooth mold defects in the first place, and the enlarged head part is moved and molded one tooth at a time, and the tooth mold is partially moved and molded repeatedly several times. Since no molding force is required, there are advantages in suppressing insertion force and preventing buckling of the mandrel.
[0010]
Claim 2 According to the invention described in claim 1 In the invention described in 1), there is provided a method for producing a hollow rack bar, characterized in that the core metal press-fitting from one end side and the core metal extraction from the other end side are wrapped.
[0011]
Claim 2 The operation and effect of the present invention will be described. It is wrapped so that the press-fitting of the mandrel on the opposite side starts during the retreat of the mandrel after the press-fitting on one side. The power steering rack bar of an automobile is usually 600 to 800 mm in length, and the stroke of the mandrel is around 1000 mm. Such lapping operation is important in order to maintain the quasi-warm working conditions close to the work softening state accompanying heat generation by plastic working and not to give age hardening time. That is, in order to maintain such a condition, it is necessary to set the waiting time between continuous processings to less than 90 seconds. However, after complete removal after the metal core is pressed on one side, the metal core is pressed on the opposite side. If started, a molding time of 2 minutes or more is required. The wrapping operation is also effective for shortening the working tact.
[0012]
Claim 3 According to the invention described in claim 1 In the invention described in 1), there is provided a method for producing a hollow rack bar, wherein the mold is lubricated but the mold material is avoided from being actively cooled by the lubricating oil until the molding is completed.
[0013]
Claim 3 Explaining the operation and effect of the invention, the die is provided with a forced cooling mechanism by lubrication and cleaning oil in accordance with general forging, but the mandrel is made of lubricating oil (high viscosity). For the formation of oil pots. This eliminates excessive cooling of the material that is the workpiece, and is effective in maintaining a quasi-warm state in the vicinity of work softening at about 180 ° C. caused by the heat generated by plastic working. That is, the heat of plastic processing is accumulated in accordance with the processing steps, and the temperature is raised to nearly a few hundred degrees. Of course, the heat is transmitted to the mold and the mandrel. Then, when the mold is opened for taking out the molded product and supplying the next material, the mold is cooled to prevent excessive temperature rise by jetting the liquid that also serves as cleaning. On the other hand, the mandrel is cooled by liquid or gas only when it is waiting outside the mold because of continuous insertion several times. During the molding, the heat generated by plastic processing due to the press-fitting of the mandrel is accumulated, but the workpiece is not actively cooled until the molding is completed, and as a result, the work softening state before the start of work hardening is almost equal. Warm working can be realized, and as a result, smooth plastic working can be imparted to the workpiece.
[0014]
Claim 4 According to the invention described in claim 1 The manufacturing method of the hollow rack bar characterized in that the mandrel is provided with a plurality of enlarged diameter heads.
[0015]
Claim 4 The operation and effect of the present invention will be described. By providing a plurality of enlarged heads on the mandrel, the first head has both ends of the tooth mold, the second head has the center of the tooth mold, the third Low-power molding can be realized in consideration of the metal fluidity overhang distance, such as the entire tooth mold or only the shoulder at the head. And since it is not a mere expansion of the diameter expansion amount, it is possible to suppress the moving distance of the metal flow, that is, the slip amount between the metal particles caused by the metal flow, so that the molding output can be reduced or the output between each process. Can be made uniform. In addition, it is possible to achieve continuous molding for two processes with a single mandrel by installing third, fourth, fifth diameter enlarged heads in the part where the total molding length exceeds two hundred and several tens of millimeters. It becomes possible. In this case, the mandrel will be long and the required stroke length of the mandrel will be large, but a guide part for buckling prevention will be installed on the mandrel, or there will be wrapping in the alternate press-fitting of the mandrel. It is possible to cope with it.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic process diagram showing only the main steps of manufacturing a hollow rack bar according to the present invention. The material tube pre-polishing step, bonderube P1, and cold grinding of the rack teeth forming surface of the material tube subjected to pre-polishing. The process P2, the alternating press-fit repeated forging process P3 of the mandrel after flattening, and the constrained heat treatment process P4 of the rack bar obtained by repeated alternating press-fit forging are shown. Here, the constrained heat treatment refers to a heat treatment performed while restraining the workpiece, that is, quenching and tempering, because it does not cause a deviation in accuracy due to quenching. Normally, polishing is performed after the heat treatment in order to maintain accuracy because a deviation occurs due to the heat treatment. The heat treatment in this step P4 is the above-described constrained heat treatment, and since there is little segregation of the metal flow, there is no accuracy error due to quenching. Therefore, it can be performed without concern about deterioration of polishing accuracy before forging. Such polishing before forging is performed with a circular tube. When the rack bar is a so-called VGR type, the grinding of the tooth mold after molding is difficult to carry out because the pitch is variable and the tilt angle is variable. However, as in this embodiment, the grinding is performed in a circular tube or a flat state before the tooth mold is formed. There is an advantage that the efficiency is remarkably increased as compared with post-polishing.
[0019]
Next, the flat crushing process P2 and the forging process P3 by repeated alternating press-fitting of the mandrel will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4. FIG. 2 shows the mold open state, FIG. Reference numeral 4 denotes a mandrel press-fitted state. In FIG. 2, a mold 10 for rolling and forming a hollow rack bar is composed of an upper mold 12 and a lower mold 14. In FIG. 2, (a) shows a transverse sectional view, and (b) shows a longitudinal sectional view. FIG. 2 shows a state where the upper mold 12 and the lower mold 14 are separated from each other. The upper die 12 has a rack tooth 12-1 in a concave portion in the longitudinal direction on the inner peripheral surface thereof facing the lower die 14, while the lower die 14 has a cross section on the upper surface facing the upper die 12. A semicircular arc-shaped longitudinal groove 14-1 is formed. FIG. 2 shows a state in which a circular cross-section tube 18 that is a template material has already been placed in the longitudinal groove 14-1 in the semicircular cross section of the lower mold 14. As the material of the material tube 18 suitable for the rolling forming of the rack bar of the present invention, since the plastic workability is good, it is preferable that it is excellent in the bulging process and the rolling workability, and the work transformation hardly occurs. It is necessary that the quenching performance in the heat treatment in the subsequent process is good.
[0020]
If the upper mold | type 12 and the lower mold | type 14 are moved to the direction which mutually faces from the state of FIG. 2, the tooth | gear part 12-1 of the upper mold | type 12 will contact the upper surface of the circular tube 12, and will be crushed flatly, and will be finally Reaches the closed state of the mold 10 in which the upper mold 12 and the lower mold 14 are combined. At this time, when the hollow portion of the circular tube 18 is made free as in this embodiment, the central portion 18- of the upper surface of the circular tube 18 is slightly deformed into a concave surface as shown in FIG. The mold 10 has a length approximately half that of the material pipe 18 having a circular cross section. One end of the circular pipe 18 is substantially flush with the end face in the length direction of the mold 10, and the opposite end is overhanging. . However, the tooth portion 12-1 formed on the lower surface of the upper mold 12 facing the lower mold 14 stays somewhat in front of the end surface of the mold 10, and therefore the material tube 18 is in the closed state of the mold 10. The left end 18A and the right end 18B are not crushed flat, in other words, both ends 18A, 18B of the material pipe 18 remain in a circular cross section.
[0021]
As described above, in the embodiment of the present invention, the flattening of the upper surface which is the rack forming surface of the material pipe 18 is performed by closing the rack rolling forming mold 10, that is, combining the upper die 12 and the lower die 14. . Therefore, the mold 10 can be directly transferred to the next rolling process without opening the mold. Accordingly, the number of processes can be reduced, and the number of clamping operations can be reduced, so that there is an advantage that the chance of occurrence of scratches due to clamping can be reduced. Also, since the rolling mold is used for deforming, the accuracy of deforming is lower than when using the original mold dedicated to deforming, but the required accuracy is not so high. As long as there is no practical problem. For flattening, it is possible to take a normal process such as crushing the upper surface of the circular tube with a dedicated die, then opening the die, and clamping to a rolling die.
[0022]
FIG. 5 shows an example in which the rack tooth forming surface is flattened using a dedicated die. In (a), a mandrel 19 as a stopper is inserted into the material tube 18 and flattened by the press die 17. An example is shown. In this case, since the mandrel 19 is used, the rack tooth forming surface 18-1 is completely flat, and the indented state as shown in FIG. Since the metal flow non-uniformity at the time of rack plastic forming can be more ideally eliminated by complete flattening, the final forging accuracy can be more easily maintained. FIG. 5B shows another shape of the mandrel when the rack forming surface is flattened from the circular tube. In this case, the mandrel 19 has an overhanging shoulder portion 19A, so that both shoulders overhang. It is easy to obtain such a cross-sectional shape of the material pipe 18.
[0023]
Next, the rolling process by press-fitting and pulling back the core bar shown in FIG. 4 will be described. As shown in FIG. 4B, the cored bars 20A and 20B are disposed opposite to each other in the axial direction on both sides of the material pipe 18 whose upper surface is flattened by being clamped by the mold 10. The metal cores 20A and 20B have a cross-sectional shape that conforms to the cross-sectional shape of the portion of the material tube 18 that has been flattened as shown in FIG. The tips of the core bars 20A and 20B form guide portions 20A-1 and 20B-1, and serve as guides for introduction into the material pipe 18 having a flattened cross section. The enlarged diameter portions 20A-2 and 20B-2 continue behind the guide portion 20-1, and when the core bars 20A and 20B are press-fitted, they engage with the flat portion of the material tube 18 so that the meat of the material tube can be removed from the inside. The metal is made to flow outward toward the unevenness of the rack tooth-like portion 12-1 of the mold, and a rack-like tooth portion complementary to the uneven shape is formed on the flat portion 18-1 of the material tube. The cored bar 20A, 20B is followed by the second expanded diameter part 20A-3, 20B-3 following the first expanded diameter part 20A-2, 20B-2, and a single cored bar 20A, 20B. Sequential multi-stage metal flow is achieved by press-fitting. FIG. 6 shows examples of various shapes of the diameter-expanded portion of the mandrel. (A) is a shape for processing the central portion of the tooth mold, and (B) is for forming a protruding shape on both sides. (C) is for accuracy. In this way, smooth molding can be realized by giving the mandrel a shape suitable for various functions. That is, since the movement distance of the metal flow can be suppressed, the molding output can be reduced, and the output can be made uniform between the processes. In addition, in the case of the total length of tooth forming exceeding 2100 mm, it is possible to provide a large number of processed parts such as 3rd, 4th and 5th heads. Is also possible and is convenient. In this case, a long mandrel is required and the required stroke length becomes long, but this can be dealt with by providing a guide part for buckling prevention of the mandrel or by wrapping alternately inserted.
[0024]
FIG. 4B shows a first state in which the left core 20A is press-fitted into the material pipe 18 just flattened as a first step. The left metal core 20A is press-fitted until the last diameter-expanded portion reaches the right end of the flat portion 18-1 of the material tube, and then the metal core 20A is directed to the left until it is completely removed from the material tube 18. Retreated.
[0025]
With the timing difference between the removal of the left core 20A and the appropriate lapping, the right core 20B starts to advance to the left in FIG. 4B, and the right core 20B is introduced into the internal cavity of the material tube 18. As a result, the metal flow process similar to that described for the left core 20A is caused by the enlarged diameter portion. The press-fitting of the right-hand core metal 20A → the removal and the press-insertion-removal of the left-hand metal core 20B to be wrapped are repeated a plurality of times. That is, the press-fitting of the left and right core bars 20A and 20B into the material pipe 18 is repeated a plurality of times alternately. The alternate press-fitting / retracting operation of the left and right metal cores 20A, 20B accompanied by such wrapping, for example, when a tooth mold having a tooth height of 3.5 mm is formed, 1.75 mm is projected as a mountain. .75 mm must be pushed in as a trough, but in this invention, (b) while maintaining the quasi-warm working conditions around 200 ° C. in the vicinity of work softening under plastic forming heat generation, (b) without giving age hardening time. (C) Since the material is formed while suppressing segregation of the meat of the material, the essence of the present invention is achieved in that high accuracy in micron units is obtained regardless of the structure of the rack bar by forging. This will be specifically described below.
[0026]
The press-fitting of the cores 20A and 20B into the material tube 18 causes the material tube 18 to flow into the recess formed by the tooth portion 12-1 by plastic deformation, and the material tube 18 has a shape complementary to the tooth portion 12-1. The accumulation of heat generated by such plastic deformation raises the temperature of the material. Such plastic deformation usually hardens the material, in other words, the relationship between the shear strain applied to the material and the shear stress is such that the shear stress increases as the shear strain increases, which is called work hardening. . However, when the temperature of the material is raised in a state where the material is deformed in the vicinity of the so-called critical shear strain, there is a temperature range in which the shear stress decreases as the applied strain increases. This is called work softening. That is, FIG. 7 (a) shows the shear strain-stress characteristics of the crystal at a constant temperature Т1 (reprinted from Kato Metal Plastic Engineering, page 15 published by Maruzen Shoten). As shown by the solid line L, the stress increases as the shear strain increases. At first, it increases linearly, but at stress γ1 (critical shear stress), the increase in stress becomes gentle as L1 (strain-stress curve at temperature Т1) due to cross slip. When the temperature is increased from Т1 to Т2 near this critical shear stress, the stress decreases as shown by the solid line L. When the temperature is further pulled, the stress decreases with increasing strain, and finally the strain-stress at temperature Т2. It changes according to the curve L2. The stress reduction accompanying the increase in strain under the temperature rise at the stage when this plastic deformation has progressed to some extent is called work softening. In the present invention, the core material is flown while eliminating the work hardening by repeatedly press-fitting the mandrel while maintaining the temperature of the plastically heated material at a sub-warm temperature around 200 ° C. near the work softening. It improves the performance and realizes high-precision machining in micron units despite being forged. Such positive heating is not performed, but plastic processing near 200 ° C. near the softening of processing accompanying plastic deformation heat generation is referred to as quasi-warm processing in this specification. (B) in FIG. 7 shows the relationship between the temperature and deformation resistance in the steel material, and the quasi-warm processing of the present invention is indicated by the range of R around the temperature of 200 ° C., and in this region, the deformation resistance is minimized. Correspond. The normal warm working conditions are represented by the region R ′ and are located on the higher temperature side than the quasi-warm working conditions. At this time, the deformation resistance is maximized. The benefits of improved processing accuracy due to increased fluidity of the material cannot be obtained. The temperature is suitable not only for the temperature suitable for the quasi-warm processing as in the present invention, but is dependent on the material, but it is an ordinary steel material for manufacturing a rack bar and is effective in the vicinity of hundreds of degrees Celsius. In order to maintain the semi-warm processing conditions, a forced heating device is not necessary, but it is necessary to devise so that the mold and the mandrel are not too cold. That is, in the continuous press-fitting, when a single process is completed and the mold is opened, the cleaning liquid is sprayed also for cleaning. This is cooling of the mold, but such an operation is performed only once for ten or more continuous moldings, and there is no concern that the mold and the material are cooled too much. On the other hand, it is normal to apply a large amount of lubricating oil to the mandrel at all times, but this may cause the material to cool down and cause work hardening, and it always retreats from the mold without applying a large amount of lubricating oil. In order to maintain the material in the vicinity of the softening of processing such that the air is cooled only during the subsequent standby, a device for heat dissipation control is necessary. For the risk of poor lubrication of the mandrel, the mandrel is treated with a phosphate, and a fine oil pot that can function as a sump with the surface of the mandrel is hardened. It is possible to take measures by using
[0027]
Next, in the present invention, the cores 20A, 20B are lapped, in other words, one of the cores 20A, 20B starts retreating after press-fitting and is still not fully retracted, yet the cores 20A, 20B. The other side of the material starts to move for press-fitting, and if this operation waits for the start of the next press-fitting until the mandrel is completely removed, the temperature of the material drops. This is important for maintaining the sub-warm processing conditions because it can prevent the decrease in the temperature, and is important for shortening the time not to give the curing time due to aging. That is, in plastic working, the material starts to harden if left after working, and initial hardening by aging after plastic working is said to start in about 1-2 minutes at the fastest. A typical rack bar for power steering for automobiles has a length of 600 to 800 mm, and the stroke of the mandrel is about 1000 mm. In the case of processing such a length of the rack bar, there is a concern of age hardening if the reciprocation of the second mandrel is started or accumulated after completion of the reciprocation of the first mandrel. The wrapping operation of the cores 20A and 20B can sufficiently cope with age hardening that can occur even in such a unit of time, and can be repeated by press-fitting the cores 20A and 20B in combination with quasi-warm processing near the work softening. The material can be kept in a soft state regardless of the stress applied to the material during typical plastic working, and the high fluidity of the material can be obtained. Therefore, regardless of the plastic working, coupled with the repeated press-fitting of the cores 20A and 20B An accuracy of 32 microns can be obtained.
[0028]
In addition to the above-mentioned semi-warm processing and suppression of aging effects, in the present invention, alternate press-fitting of the mandrel from the left and right also achieves the action of correcting each time when there is segregation of the meat of the material. is there. That is, the metal flow to the concave portion of the mold can be obtained by multiple press-fitting of the left and right core bars 20A and 20B, and there is an effect that a highly accurate rolling can be realized. FIG. 8 schematically shows the flow state of the meat during plastic working, which is grasped from the layer formation state of the tooth portion in the cross-sectional micrograph of the tooth portion of the actual rack obtained by rolling. It can be seen that the flow state of the meat according to the present invention in which alternate press-fitting as shown by the arrow f1 is represented by (A) and a symmetric flow state is obtained. On the other hand, (b) shows the flow state in the case where the press-fitting direction of the core metal is only one as indicated by the arrow f2, and in this case, there is a deviation in the flow of the meat and the entrainment has occurred. I understand. The non-uniform flow state of the meat as shown in (b) causes non-uniform stress retention after the completion of the rack tooth molding and the return of elastic strain, that is, non-uniform spring back amount, resulting in product accuracy. However, in the present invention, since the uniform flow of meat is ensured, such a problem is solved.
[0029]
As described above, in the formation of the rack bar forging die according to the present invention, (b) while maintaining the quasi-warm working conditions under plastic forming heat, (b) eliminating the age hardening time, and (c) Since the drift of the meat is corrected, high accuracy of 32 microns can be obtained regardless of the configuration of the rack bar by forging, and it can be excellent from the viewpoint of reduction in production cost.
[0030]
In the practice of the present invention, the cores 20A, 20B, the mold 10 and the pipe 18 can be brought to room temperature (cold start) at the start of plastic working. That is, it is possible to prevent any external heating before plastic working. Even if the plastic working is started from room temperature, the temperature rises within a relatively short time due to the heat generated by the plastic deformation of the material as the plastic working is started, and it can be brought into a sub-warm condition. Thereby, prior warming can be omitted and the cost can be reduced accordingly.
[0031]
Contrary to the above, it is optional to start forming after an auxiliary temperature increase near the primary softening temperature of carbon steel before the start of plastic working. The initial stage of processing because the core metal 20A, 20B to the material pipe 18 can be started in a state where the temperature is raised to about 200 ° C., which is the temperature near the work softening of the steel material (sub-warm processing conditions) by performing the auxiliary temperature increase. Therefore, the amount of processing can be increased, the total number of processings can be reduced, and the number of alternating press-fitting of mandrel can be reduced from 12 times to 10 times, for example, and the efficiency can be increased and the cost can be reduced.
[0032]
In the practice of the present invention, a seamless pipe can be used as the material pipe 18 as well, but a seamless pipe can be used from the viewpoint of cost reduction. In the case of the seam pipe, the seam portion is positioned opposite to the tooth mold 12-1 portion of the upper mold 12 in FIG. 2 (a), that is, opposed to the semicircular surface 14-1 of the lower mold 14. In the rack bar, the dentition is only a unidirectional portion of less than 180 ° of the circumference. Therefore, although it is easy to select and arrange the seam portion on the opposite side when the preform is flattened, the present invention is not limited to this. In this case, a strong reaction force can be applied from the surface 14-1 of the lower mold 14 to the surface opposite to the protruding surface, that is, the seam portion, when the mandrel is inserted. However, it is possible to carry out ionizing and butting tube shaping processing that can cope with such reaction force without any problems in experience.
[0033]
9 to 11 show an example of an actual assembly structure of the upper mold 12, and the upper mold 12 is a series of tooth molds housed in a holder 120 and a rectangular cavity 120A in the holder 120 so as to form a tooth row. A section 122, a metal support pad 124 laid on the bottom of the rectangular cavity 120A, a spacer 126 at both ends of the series of tooth mold sections 122, and a taper piece 128. The section 122 is held in a rectangular cavity 120A of the holder 120, whereby a tooth row 12-1 on the lower surface of the upper mold 12 illustrated in FIG. As shown in FIG. 10, the rectangular cavity 120A of the holder 120 has notches 120B at its four corners, and stress concentration is avoided by installing the notches 120B. As is common knowledge to those skilled in the art, the life of a die jig tool directly affects the running cost, and thus the manufacturing cost of the product. In the rolling method of the present invention, since there is no meshing rotation, axial rotation, or moving slip, there is little wear on the tooth mold surface, but fatigue damage due to repeated breathing in units of microns between the holder 120 and the tooth row 122 may occur. . However, the structure is a semi-press-fit structure to the holder, and the curvature of the R portion is made as large as possible, and the device is designed to eliminate stress concentration. Therefore, it is possible to obtain a life span of several thousand times to tens of thousands of units, and it is possible to reduce the running cost of jigs and tools from broaching which is a normal rack bar manufacturing method.
[0034]
In the above description, in the molding process in the mold by press-fitting a mandrel, the material meat is premised on a so-called fully-filled molding in which the concave portion of the mold is completely filled. FIG. 12 (a) shows a tooth mold obtained by full-filling molding. In this case, a load 1.1 to 1.3 times the compressive load of the material is applied for metal flow. For this reason, the tooth type tool is likely to be worn or damaged, which causes an increase in running cost. (B) shows the cross section of the tooth mold in incomplete filling molding. In this case, the compressive load is reduced by 10 to 30%, and a minute concave portion remains in the central portion of the tooth tip. However, even if there is such a partial interruption of the tooth mold, the length per tooth surface is not much different from that of a fully filled mold. Further, although some reduction in bending strength cannot be avoided as a matter of course, in the case of forging, there is no problem because the strength of the tooth tip itself is 2 to 3 times greater than that of the cutting method. By reducing the load by 10 to 30%, the fatigue fracture life can be extended by 10 to 100 times, thereby realizing a significant reduction in running cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an outline of only main steps in a method for producing a hollow rack bar of the present invention.
FIG. 2 shows an open state of the molding die according to the present invention, where (A) shows a transverse sectional view and (B) shows a longitudinal sectional view.
FIGS. 3A and 3B show a closed state of the mold according to the present invention, where FIG. 3A shows a transverse sectional view, and FIG. 3B shows a longitudinal sectional view.
FIG. 4 shows a molding die during mandrel press-fitting and rolling according to the present invention, wherein (a) shows a transverse sectional view and (b) shows a longitudinal sectional view.
FIG. 5 is a diagram showing the cross-sectional shapes of a material tube and a mandrel when a flattening mold is used, for each of the examples (a) and (b).
FIG. 6 is a diagram showing various cross-sectional shapes of the head of a mandrel used for press-fitting and rolling for each of the examples (a) to (c).
7A is a graph schematically showing the relationship between the shear strain and the shear stress in FIG. 7 and explains the work softening phenomenon. FIG. 7B is a graph showing the relationship between the temperature of the steel material and the deformation resistance. Is shown.
FIG. 8 is a diagram schematically illustrating the flow state of a material at the time of press-fitting and rolling by (a) in the case of alternating reciprocating press-fitting according to the present invention and (b) in the case of one-side press-fitting of the prior art. is there.
9 is a vertical cross-sectional view of the upper die (a cross-sectional view taken along the line IX-IX in FIG. 11).
FIG. 10 is a plan view of the upper mold.
11 is a cross-sectional view of the upper mold (a cross-sectional view taken along the line XI-XI in FIG. 9).
FIG. 12 shows the cross-sectional shape of the tooth profile at the time of rolling by (a) when the complete filling method is used, and (b) when it is in an incomplete filling state.
[Explanation of symbols]
10 ... Mold
12 ... Upper mold
12-1 ... tooth part
14 ... Lower mold
17 ... Press die for flattening
18 ... Material tube
19 ... Flattening mandrel
20A, 20B ... Core
20A-1, 20B-1 ... Guide part
20A-2, 20B-2 ... 1st enlarged diameter part
20A-3, 20B-3... Second enlarged diameter portion
120 ... Holder
120A ... Rectangular cavity
120B ... Notch
122 ... Tooth type section
124 ... Support pad
126 ... Spacer
128 ... Taper piece
