JP3832186B2 - 中空ラック軸のラック歯を成形するためのラック歯金型の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は中空ラック軸を製造する過程において素材にラック歯を成形するために使用される金型、及び、この金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のステアリング装置には、ラックピニオン方式が多用される。この方式ではドライバーが操作したステアリングホイールの回転はピニオンに伝達される。このピニオンの回転がこれに噛み合うラックに伝達され、横方向（ラックの長さ方向）の運動に変換される。ラックはステアリングロッドに結合されているので、ラックの横方向運動によって前車輪の向きが変更される。このような操舵機構は周知のものであるから更なる説明は省略する。
【０００３】
上記ラックは、従来、棒状の素材を歯切りすることによって得られていたが、近年ではラックの製造において切削加工をできるだけ廃するため可能な限り塑性加工の技術が取り入れられ、また、これに伴いラックが中空とされるようになってきている。特開平９−２４６３７９号公報、特公平４−２８５８２号公報、及び、特開平１１−１８０３１８号公報には、このような塑性加工技術を取り入れたラック製造方法の例が開示されている。
【０００４】
特開平９−２４６３７９号公報に開示された製造方法は、第一成形割り型をチューブ材に挿入し、プレス型により、一次成形を行い、次いで内面の一部にラック歯に対応する歯を有する第二次成形割り型に一次成形材を挿入し、一端から半円形のマンドレルを圧入し、ラック歯を成形するものである。
【０００５】
また、特公平４−２８５８２号公報に開示された製造方法は、チューブ材の内部に芯金を挿入し、チューブ周りを固定金型で取り囲んだ状態で、ラック歯に対応する歯を有する金型をチューブ外形に押し込んでラック歯を成形するものである。
【０００６】
また、特開平１１−１８０３１８号公報に開示された製造方法は、本発明の発明者の一人である大久保によりなされたものであって、その概要は、第１の工程において、略短冊状の板材（素材）を、その長手中心に沿ってその両端部側に半円形断面を有するＵ字状部と、これの部分に挟まれた中央部にコの字状部を形成した後、第２の工程において、コの字状部に塑性加工によりラック歯を成形し、その後、第３の工程において、側壁部を内側に曲げてチューブ状にして中空ラック軸が成形されるものである。
【０００７】
図１は、このようにして得られる中空ラック軸の外観図である。はじめの２つの公報ではチューブ材が原材料として使用されているが、この技術ではチューブ材は使用されず板材が使用されるので、材料費、運搬費、保管の費用の点で有利なだけでなく、歯底部の肉厚を確保するために他の部分に駄肉を付けるような必要がなく、十分な軽量化効果が得られるというメリットを有している。
【０００８】
図２は、上記第１の工程を終了した後の素材の形状を示す断面図であって、（ａ）は完成後の中空ラック軸軸線に沿った断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。
【０００９】
図２に示されるように素材すなわちワーク１は、この時点で、半円形部を持つＵ字状断面部分１２とこの後の工程でラック歯が形成されるコの字状断面部分１１を有している。そして、この後ワーク１は第２の工程を経ることにより、コの字状断面部分１１の底部（図２、図３において上側）に図３に示されるようなラック歯１３が形成される。
【００１０】
本発明者は、図３に示されるように上記ラック歯の裏面に、すなわち、完成後中空部になる内側に、凹凸面を形成することを提案している。この裏側凹凸面１４は表側のラック歯１３の各歯形と対応がとられており、図４に示すような、ラック歯と相補形状の面を備えるラック歯金型５２と、裏側凹凸面１４と相補形状の面を備える裏側凹凸金型５３とを用いた塑性加工により形成される。
【００１１】
発明者らはこれらのラック歯金型、裏側凹凸金型を、各一体の金型素材に機械加工を施して歯を削りだし、その後これらに焼き入れ、仕上げ加工する方法、あるいは、予め焼きを入れた各一体の金型素材に歯形（又は、凹凸）を形成した歯形電極を用いて、型彫り放電加工する方法を試みてきた。
【００１２】
前者の機械加工による方法では、その後の焼き入れによって焼き入れ変形が生じるためその影響で精度が確保できない、又は、焼き入れ後、研削により仕上げ加工するにしても加工工数がかかる、更に複雑な形状が加工できないといった問題があり、他方、後者の型彫り放電加工による方法では、歯形電極とワーク（金型素材）との間の放電ギャップの影響により精度に崩れが生じる、あるいは、加工変質層が生じるためこれを除去する必要と、除去する際に更に加工誤差が生じることにより精度を悪化させるという問題があった。
【００１３】
後者の場合、加工変質層、研削等による変質層の除去、放電ギャップ等の影響を考慮すると、実質的に金型の精度を１０ミクロン以下にすることは困難であり、この金型を用いて鍛造すると、鍛造での加工誤差が重畳されるので製品として更に精度が悪化するという問題があった。
【００１４】
また、いずれの場合も、多数の歯をもった一体構造の金型であるため、鍛造時の力を受けて、金型が歯と歯のつなぎ部から壊れ易いという問題があった。
【００１５】
先に述べた中空ラック軸には１０ミクロン程度の製品精度が要求されるのでそれ以上の精度をもった金型が要求される。そして、鍛造ではどうしても製品に予め予測できない歪みが生じるので、この歪みの具合をみてこれを補償するように試行錯誤により修正した金型を用いなければならないが、上に述べた金型の加工方法によるとき、このような試行錯誤を繰り返し試みることは、例えば、電極型から製作しなければならない等、その費用、時間からみて実質上困難であるという問題がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上に述べた問題を解決し、精度が高い、金型修正の容易な、金型が破損しにくい、及び修正した金型を作ることが容易な中空ラック軸のラック歯を成形するためのラック歯金型及び裏面凹凸金型の加工方法を提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、以下の製造方法によって解決される。すなわち、
第１番目の発明は、中空ラック軸のラック歯を成形するためのラック歯金型の製造方法であって、この製造方法は、ラック歯のピッチと等しい厚さの複数のセグメント素材からなる金型素材をラック歯成形用金型と同じように組み立てた状態で、且つ、油系の放電加工液中に浸漬した状態で、成形されるラック歯の互いに対向する歯面の相補形状を各セグメント素材のそれぞれにワイーヤーカット放電加工によって付与すること、及び、このワイーヤーカット放電加工を、一つのセグメント素材から次の隣り合うセグメント素材へと連続して行うことからなるものである。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
第２番目の発明は、中空ラック軸の裏側凹凸面を成形するための裏側凹凸金型の製造方法であって、この製造方法は、ラック歯のピッチと等しい厚さの複数のセグメント素材からなる金型素材を、裏側凹凸金型と同じように組み立てた状態で、且つ、油系の放電加工液中に浸漬した状態で、成形される裏側凹凸面の各凹面の相補形状を各セグメント素材のそれぞれにワイーヤーカット放電加工によって付与すること、及び、このワイーヤーカット放電加工を、一つのセグメント素材から次の隣り合うセグメント素材へと連続して行うことからなるものである。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【発明の実施の形態】
図５は、本発明によった金型とワーク（中空ラック軸素材）の断面図であって、先に述べた第２の工程終了時の状態を示している。
【００２４】
図５に示されるように、略短冊状の板状素材からＵ字状及びコの字状断面に折り曲げ加工されたワーク１は、ラック歯金型２及び裏側凹凸金型３の間に置かれ、上下方向に押圧されて成形されることによりラック形状を付与される。ラック歯金型２及び裏側凹凸金型３は各歯単位に分割された複数のセグメントからなる。これらセグメントはラック歯成形の際には上押さえ金型４、５、及び下押さえ金型６、７に挟まれ、図示しない締め付け手段により互いに強固に締め付けられた状態で使用される。
【００２５】
図６は、上記ラック歯金型２のみを示しており、セグメントへの分割位置は成形されるラック歯の歯頂部に対応する部位、すなわち、ラック歯金型２の歯底部であり、鍛造時に最も引っ張り力が負荷される部位である。このように分割することによりラック歯鍛造の際に歯形に作用する荷重によってラック歯金型２が破損することが防止されている。
【００２６】
図７及び図８は、ラック歯金型２の加工方法を説明するための説明図であって、図７は、ワイヤーカット放電加工機にセットするため複数のセグメント素材２１を治具８に取り付けた状態を示す平面図であり、図８は治具８に取り付けられたセグメント素材２１をワイヤカット放電加工する様子をシンボリックに示したものである。
【００２７】
セグメント素材２１はラック歯のピッチと等しい厚さの既に焼き入れ処理した素材であり、図７に示されるように治具８に締め付けボルト９で固定されている。セグメント素材２１は治具８とともにワイヤーカット放電加工機のＸＹテーブルに固定される。
【００２８】
ワイヤカット放電加工機は、上下のワイヤーガイドＷＧ間に張られ、一方のリールＲから他方のリールＲへと巻き取られるワイヤー電極ＷＥとワーク（この場合セグメント素材２１）の間に加工電源２２からパルス状電圧を印加し、不図示のＸＹテーブルに取り付けられたワーク（セグメント素材２１）を切断するものである。ＸＹテーブルはＮＣプログラムによってＸＹ方向の運動が制御されるので、糸鋸のように自由な平面形状を加工することができる。
【００２９】
図８は途中まで加工が進んだ状態であって、点線ａは既に切断されたセグメント素材２１の一部分が脱落する前の状態を示している。
【００３０】
通常ワイヤーカット放電加工機では、ワイヤーガイドＷＧの上方のノズルから水系の加工液がかけられるが、本発明の方法では油系の加工液（例えば、ケロシン）が使用される。このとき、放電の火花が加工液に引火するのを防ぐため、加工部全体を加工液に浸漬して、空気を遮断する。また、切り落とす部分が切り落とされた後、形成された歯形輪郭に沿ってワイヤー電極ＷＥを再度移動させながら歯形の表面を何度か仕上げ加工することができるので、加工変質層を少なくすることができ、こうしてもろい加工変質層を少なくしたことにより、ここから発生する金型破損をより少なくすることができる。また、このときワークを改めて取り付ける必要がないので、再取付けに伴う精度の低下を防止することができる。
【００３１】
各セグメント素材２１は、金型に組み立てられたときと同じ状態で連続して加工され、ワイヤー電極ＷＥは一つのセグメント素材２１から隣り合う次のセグメント素材２１へと連続的に移動して加工を行うので、各歯の相対関係が一定に保たれ精度を安定させることができ、また、各セグメント毎のピッチ誤差が累積しないので、歯のピッチを意図したとおりにすることができる。
【００３２】
更に、製造された金型を実際に使用してラック歯を形成したとき、ワークには微小の変形が残されるので、加工結果をみて、試行錯誤により歯形修正した金型を作成する必要があるが、このとき、ワイヤーカット放電加工機は、ＮＣ制御されるので、ＮＣプログラムのわずかな修正だけによって歯形修正したラック歯を簡単に得ることができるので、迅速、低コストで対応することが可能となる。
【００３３】
このように、複数のセグメント素材２１からなる金型素材は油系の放電加工液中に浸漬されて放電加工され、金型素材にはラック軸のラック歯に対する相補形状が形成され、この際、セグメント素材２１のそれぞれには、形成されるラック歯の互いに対向する歯面の相補形状が付与される。
【００３４】
このようにして得られたラック歯形の精度は非常に良く、高精度のワイヤーカット放電加工機を用いれば、１〜２ミクロンの精度を出すことが加工である。また、金型表面の面粗度も十分に小さくできるのでラップ加工などの仕上げ加工をほとんどの場合施す必要がなく、そのまま金型として使用することができる。
【００３５】
図５において示した裏側凹凸金型３も同様のやり方で加工される。図９は裏側凹凸金型３を構成するセグメントを示す図である。また、図１０は、治具１０にセグメント素材３１が締め付けボルト１９によって取り付けられている様子を示す図である。金型への裏側凹凸面の加工に関しては、既に述べたラック歯の加工と同様であるので、以下の説明にとどめる。
【００３６】
裏側凹凸金型の金型素材は油系の放電加工液中に浸漬した状態で、ワイヤーカット放電加工される。この金型素材には裏側凹凸面の相補形状が付与される。金型素材は複数のセグメント素材３１からなる。この複数のセグメント素材３１を裏側凹凸金型と同じように組み立てた状態で、成形されるラック歯の裏側凹凸面の各凹面の相補形状が各セグメント素材のそれぞれに付与される。複数のセグメント素材３１へ上記相補形状を付与するためのワイヤカット放電加工は一つのセグメント素材３１から次の隣り合うセグメント素材３１へと連続して行われる。
【００３７】
なお、これまでに述べたラック歯金型２及び裏側凹凸金型３の素材材質には、高速度鋼ＳＫＨや合金鋼ＳＫＤあるいは超硬を使用することができ、少なくともワイヤーカット加工時には既に焼が入れられており、したがって、硬化したものが使用され、超硬の場合には、焼成硬化したものが使用される。
【００３８】
また、ラック歯金型２及び裏側凹凸金型３のセグメント素材は、ラック歯のピッチと同じ所定の寸法公差内に収まる寸法に、また、各セグメントの接触面の表面粗さを良好に仕上げ加工しておく方が好ましい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によると、機械加工法のような、焼き入れした素材を用いることが困難なので、その後の焼き入れによって焼き入れ変形が生じその影響で精度が確保できないという問題、又は、焼き入れ後、研削により仕上げ加工するにしても加工工数がかかる、更に複雑な形状が加工できないといった問題が生じないという効果を奏する。また、型彫り放電加工のように、歯形電極とワーク（金型素材）との間の放電ギャップの影響により精度に崩れが生じる、あるいは、加工変質層が生じるためこれを除去する必要と、除去する際に更に加工誤差が生じることにより精度を悪化させるという問題、加工変質層、研削等による変質層の除去、放電ギャップ等の影響で金型の精度が出せず、さらに、鍛造での加工誤差が重畳され製品としての精度が悪化するという問題に対して効果を奏する。
【００４０】
また、いずれの場合も、多数の歯をもった一体構造の金型であるため、鍛造時の力を受けて、金型が歯と歯のつなぎ部から壊れ易いという問題も本発明では解決されるという効果を奏する。さらに、鍛造ではどうしても製品に予め予測できない歪みが生じるので、この歪みの具合をみてこれを補償するように試行錯誤により修正した金型を用いなければならないが、本発明の金型の加工方法によるとき、このような試行錯誤を繰り返し試みることとしても費用、時間が少なくて済むという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 中空ラック軸の外観図である。
【図２】 第１の工程を終了した後の素材の形状を示す断面図であって、（ａ）は完成後の中空ラック軸軸線に沿った断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。
【図３】 ラック歯の裏面（すなわち、完成後中空部になる内側）に裏側凹凸面１４を付した加工途中の中空ラック軸の断面図である。
【図４】 従来技術におけるラック歯と相補形状の面を備えるラック歯金型５２、裏側凹凸面１４と相補形状の面を備える裏側凹凸金型５３及びワーク１の断面図である。
【図５】 本発明によった金型とワーク（中空ラック軸素材）の断面図であって、第２の工程終了時の状態を示す図である。
【図６】 ラック歯金型２のみを示す平面図である。
【図７】 ワイヤーカット放電加工機にセットするため複数のセグメント素材２１を治具８に取り付けた状態を示す平面図である。
【図８】 治具８に取り付けられたセグメント素材２１をワイヤカット放電加工する様子をシンボリックに示した説明図である。
【図９】 裏側凹凸金型３を構成するセグメントを示す説明図である。
【図１０】 治具１０にセグメント素材３１のが締め付けボルト１９によって取り付けられている様子を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ワーク
２ ラック歯金型
２、５２ ラック歯金型
３、５３ 裏側凹凸金型
４、５ 上押さえ金型
６、７ 下押さえ金型
８ １０ 治具
９、１９ 締め付けボルト
１１ コの字状断面部分
１２ Ｕ字状断面部分
１３ ラック歯
１４ 裏側凹凸面
２１、３１ セグメント素材
２２ 加工電源
ＷＥ ワイヤー電極
ＷＧ ワイヤーガイド
Ｒ リール

Claims (2)

1. 板状の素材からラック歯を備えた中空ラック軸を成形するために使用される中空ラック軸のラック歯を成形するためのラック歯金型の製造方法であって、
   ラック歯のピッチと等しい厚さの複数のセグメント素材からなる金型素材を、ラック歯成形用金型と同じように組み立てた状態で、且つ、油系の放電加工液中に浸漬した状態で、成形されるラック歯の互いに対向する歯面の相補形状を各セグメント素材のそれぞれにワイーヤーカット放電加工によって付与すること、及び、このワイーヤーカット放電加工を、一つのセグメント素材から次の隣り合うセグメント素材へと連続して行うこと
   を特徴とする中空ラック軸のラック歯を成形するためのラック歯金型の製造方法。
2. 板状の素材からラック歯を備えた中空ラック軸を成形するために使用される中空ラック軸の裏側凹凸面を成形するための裏側凹凸金型の製造方法であって、
   ラック歯のピッチと等しい厚さの複数のセグメント素材からなる金型素材を、裏側凹凸金型と同じように組み立てた状態で、且つ、油系の放電加工液中に浸漬した状態で、成形される裏側凹凸面の各凹面の相補形状を各セグメント素材のそれぞれにワイーヤーカット放電加工によって付与すること、及び、このワイーヤーカット放電加工を、一つのセグメント素材から次の隣り合うセグメント素材へと連続して行うこと
   を特徴とする中空ラック軸の裏側凹凸面を成形するための裏側凹凸金型の製造方法。

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