JP4409182B2 - 中空なステアリングラック軸の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車の操舵装置の部品であるステアリングラック軸の製造方法に関する。近年、自動車の軽量化を目的として従来中実であった軸などを中空にすることが図られているが、本発明が対象とするのはこのような中空なステアリングラック軸であってさらに電動パワーステアリング用のボールねじのねじ溝が形成されたものである。本発明は従来製造が困難であった上記のようなステアリングラック軸を低コストで能率良く製造する方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングラック軸は円形断面の軸の長さの一部、たとえば半分程度にラックが形成されているものである。このようなラック軸を軽量化のため中空にするには、棒材にラック部を切削加工により形成した後に穴をあける方法が行なわれていた。素材として中空なもの、すなわち鋼管を使用し、ラックを形成すべき部分を平坦に潰した後にラックを切削加工することも考えられるが、実際にはラックを形成した部分の肉厚が薄くなって必要な強度を確保するのが困難である。
【０００３】
このようなことから、素材に鋼管を使用して塑性加工によりラック部を形成し、全長が中空なステアリングラック軸とする方法が特公平３−５８９２号公報において提案され、さらに改良した方法も考えられて急速に生産が拡大しつつある。この特公平３−５８９２号公報に開示された方法は、まず鋼管のラックを形成すべき部分をつぶして平面にし、次にこの部分にラックを形成するという２段階の工程からなる。このためにまず左右に開くことができる第１次成形用割型を設けて素材の鋼管の加工すべき部分を収容するが、この型は合わせた状態において上部のラックを形成すべき部分に貫通穴が設けられている。そして先が平面になったプレス型を上からこの貫通穴に挿入して鋼管のその部分を平面に加工し、これを第１次成形体とする。
【０００４】
次に内面形状がラックバーの完成品の外形形状と一致し、左右に開くことができる第２次成形用割型に上記第１次成形体を収容する。すなわちこの第２次成形用割型は左右の型を合わせたとき、上部にラックの歯の雌型が構成されるようになっている。そしてマンドレルを鋼管内に挿入して、先に平面にされた部分を内部からしごき加工をする。これを複数回繰り返すことににより材料が順次盛り上がり、上記第２次成形用割型の形状に従ってラックが成形されるというものである。
【０００５】
ところで、従来からの一般的なステアリングラック軸は油圧式のパワーステアリングに対応したものであって、この場合は全長のうちラックを形成した以外の部分は単純な円筒（中空でない場合は丸棒）になっている。しかしながらパワーステアリングの動力源として電動力を利用することにより機構を簡素化することが最近多く採用されつつある。図１は本発明が対象としている電動パワーステアリングに使用するための中空なステアリングラック軸１を示す外観図であって、ラック２を形成した部分以外の長さの一部分にボールねじ用のねじ溝３が設けられている。図２は電動パワーステアリングの機構を説明する概念図である。上記ねじ溝３に図示しないボールを介してナット４が結合されてボールねじが形成されており、このナットは軸方向の位置が固定されている。ナット４にはプーリ７がナットと一体となって回転するように結合されており、ベルト６を介してモータ５により回転される。したがってモータの回転力はボールねじにより図中矢印８で示した方向のラック軸のスラスト力に変換され、パワーステアリングの作用を生ずる。
【０００６】
図２に示したものは電動パワーステアリングの機構の原型というべきものであるが、近年はモータが一体となったものが多くなりつつある。これはモータの回転軸が通常の丸棒ではなく円筒になっており、これにステアリングラック軸が貫通して前記円筒とボールねじのナット部とが結合されている。このような機構では図２の機構と異なりモータが別置きでないので余分な場所を取らない利点がある。このようなモータが一体になった電動パワーステアリングの機構においてもステアリングラック軸自体は図２に示した電動パワーステアリングの機構の場合と変わりなく、図１に示したような本発明のものが使用できる。
【０００７】
上記のようなねじ溝を有するステアリングラック軸の製造方法であるが、全長が中空なステアリングラック軸に関しては従来製造された例はない。中実なステアリングラック軸における製造方法では、素材の丸棒にねじ溝を切削加工によって形成し、さらにラックを切削加工により形成した後、全体を表面焼入れしてラックやねじが磨耗に耐える表面硬度になるようにしている。なお上記のねじ溝の切削加工とラックの切削加工は、いずれか先に加工した部分が後の加工の邪魔にならなければどちらを先にしてもよい。またねじ溝の形成は上記切削加工に代えて、工具を押し付けて塑性加工により行なう転造加工も適用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示したような中空なステアリングラック軸でねじ溝を有するものを製造しようとすると、前記のような中実なステアリングラック軸にねじ溝を設けるのと異なり困難な問題がある。すなわち加工可能な焼入れ前の鋼管を素材としてラックとねじ溝を形成させ、その後に焼入れをして所定の強度を得るようにする必要があるが、変形し易い中空であってその全厚を焼入れするため焼入れ歪の発生が著しい。ラック部についてみると、中空なステアリングラックにおいては塑性加工によってもなおラックの歯底の部分はかなり薄く、厚さ全体を焼入れしないと構造的な強度が得られない。塑性加工によるラックの形成は厳しい加工なため素材の鋼管の状態ではできるだけ軟らかく、これと対照的に焼入れによって著しく強度が増大するような材料が採用されており、この点からも全厚を焼入れ硬化させるのは必須のことである。
【０００９】
中実なステアリングラック軸の場合は素材の棒鋼自体が構造的な強度を有するので、加工後の熱処理は表面のみを硬化させる表面焼入れで済み、材料全体を焼入れするいわゆるズブ焼入れする必要はない。したがって中実なステアリングラック軸の場合は焼入れによって生ずる歪は軽微であって、たとえ歪が生じても僅かな矯正で済んでおり、このような問題は無かったものである。このように中空なステアリングラック軸においては歪の発生が著しいため焼入れ後かなりの矯正をする必要があるが、ラックの部分とねじ溝の部分がある場合は作業が難しい。またボールねじのねじ溝は精度が要求されるが熱処理による寸法精度の低下の問題もある。本発明はボールねじのねじ溝を有する中空なステアリングラック軸の製造方法において、上記のような問題点を解決することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、全長にわたって中空であり、その長さの一部分についてラックが形成され、これと別の長さの一部分にボールねじ用ねじ溝が形成されたステアリングラック軸を製造するにあたり、鋼管を素材としその長さの一部分に塑性加工によりラックを形成させ、前記ラックが形成された鋼管の全長および全周について全厚を硬化する熱処理を行い、前記熱処理に伴う歪が残存しない状態において、刃先が形成すべきねじ溝の形状の複数の切削刃を環状の円盤の内周から突き出して先端が１つの円周上に位置するように取り付けた環状切削工具に鋼管を貫通させ、前記環状切削工具を回転しつつ鋼管に当てて形成すべきねじ溝の深さに至るまで送って切削し、次いで鋼管を軸方向に送るのと同期して鋼管を回転しつつ切削を進行することにより、１回の鋼管の軸方向送りでラックが形成されたのとは別の長さの一部分にねじ溝を形成させ、その後熱処理工程を経ることなく製品とすることを特徴とする中空なステアリングラック軸の製造方法である。
【００１１】
ここにおいて、塑性加工によりラックを形成させる方法は、鋼管の長さの一部分を押圧して外面円周の一部を平面状とし、前記平面状にする加工をした鋼管をラック形成型を内面に有する割型内に収容してラック形成型を平面状にされた部分に接触させ、マンドレルを鋼管の内部に押込むことにより前記平面状にされた部分の内面を順次しごき加工をして前記ラック形成型に従ってラックを形成するものであることも特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の製造工程においては鋼管を素材とするが、材質としてはラックのみでねじ溝を有しないステアリングラック軸の塑性加工による製造に使用されているものと同じで良い。
【００１３】
すなわち冷間での塑性加工が容易な軟質なものであって、その反面焼入れすることにより著しく強度が上昇して必要とするラックの強度、耐摩耗性を発揮できる材料を使用する。場合によっては炭化物を球状化して加工性を良好にする球状化焼鈍を行なった材料を使用することもある。
【００１４】
まずこのような鋼管の長さの一部分に塑性加工によりラックを形成させる。塑性加工によってラックを形成させるのは、先に述べたように切削加工では必要な強度を得るだけの厚さが確保できないためである。本発明においてラックを形成するための塑性加工の方法については特に限定するものではないが、先に述べた特公平３−５８９２号公報に開示された方法をさらに改良した以下の方法が推奨される。
【００１５】
すなわちまず図３の縦断面図、図４の横断面図に示すように、鋼管１１の全周を取り囲む割型１２、１３に鋼管の長さの一部分を収容する。この割型の上型１２には鋼管のラックを形成すべき部分に対応した個所に縦穴１４が貫通している。この状態で縦穴１４にポンチ１５を挿入してこの部分の鋼管１１を押圧して平面にする。このようにして鋼管の長さの一部分について外面円周の一部が平面になったものが作られる。なお鋼管を全周を取り囲む割型に収容しなくても平面を設けること自体は可能であるが、所定の個所だけ平面にしてそれ以外の鋼管の外周は変形させないために割型を使用するのが好ましい。なお上記の平面は完全な平面ではなく、たとえば幅方向中央部をわずかに高くするといったことも行なわれる。この明細書の一部に使用されている平面状という用語は特にこのようなことを意識したものである。
【００１６】
次いで図５の縦断面図、図６の横断面図に示すように、鋼管１１の全周を取り囲む別の割型１７、１８に鋼管の平面が形成された部分を収容する。この割型の内部にはラック形成型１９が設けられ、鋼管の平面が形成された部分に接触するようになっている。この状態で鋼管の内部にマンドレル２０を押し込み、平面状にされた部分の内面を順次しごき加工をして内部から材料を盛り上げ、ラック形成型１９に従ってラックを形成させる。
【００１７】
マンドレル２０は少しずつ寸法の異なるものを使用して複数回のストロークにより加工を行なうことになるが、全長の複数個所にしごき加工個所である突起２１を有するマンドレルを使用すればストローク数を減らすことができる。また複数のマンドレルは両側から交互に挿入するのが能率上好ましい。なおこれらの塑性加工はすべて冷間で行なわれる。なお、ラック形成型１９の部分は割型の上型１７と一体にしても原理的には差し支えないが、大きな力を受けるため比較的寿命が短いので、図５および図６に示したようにラック形成型の部分だけ独立させて割型に取付けて使用するようにするのが好ましい。
【００１８】
上記のようにして長さの一部分にラックを形成させた鋼管には、ボールねじ用のねじ溝も形成させる必要があるが、その前に所定の強度を得るための熱処理、すなわち焼入れとさらに必要に応じて焼戻しを行なう。この焼入れはラックに対して必要な強度を付与することが最大の目的であるので、表面焼入れではなく材料全厚を硬化する焼入れを行なう。すなわち図７は本発明の製造方法によるステアリングラック軸をラックの歯底で切断した断面図であるが、これで見るようにラック２の歯底の部分９の厚さは鋼管そのままの部分の厚さよりかなり薄くなっているため、強度を確保する必要があるからである。なお焼入れする場合に鋼管の軸に対して非対称の加熱をすると曲がり歪の発生が著しくなること、ラックの歯だけを加熱する方がかえって面倒なことなどから、ラック部の鋼管の全周を加熱して焼入れするのが好ましい。
【００１９】
そして上記の焼入れはラックを形成させた長さ部分だけでなく鋼管の全長に対して行なう。このようにラック形成後の鋼管の全長について焼入れを行なうことは、１度の工程で済むことなのでラックの部分のみを焼入れするのに比較してさ程コストが掛かることは無い。またこの鋼管全長の焼入れはラックに対して必要な強度を確保するのに最適な条件で良く、ラックが形成された以外の部分について加熱温度や冷却条件を変えるといった必要性は通常は無い。このラック形成後の熱処理には、焼入れ後に硬度を調整し靱性を向上させるために必要に応じて行なう焼戻し工程も含む。
【００２０】
上記のようにして長さの一部分にラックが形成され焼入れされた鋼管に、これとは別の長さの一部分にボールねじ用のねじ溝を形成することになるが、本発明においては焼入れ硬化した材料に適用可能な方法で切削加工により行なう。なおこの場合材料が硬化しているのであるから塑性加工は不可能である。もっともこれはラックの形成でも前提としている冷間加工の場合のことで、熱間加工によれば塑性加工はできるがこれでは焼入れを行なった意味が無くなってしまう。
【００２１】
一方、前記のようにラックを形成した後の鋼管の全長に亘って全厚を焼入れ硬化させることが、ねじ溝を切削加工して後述のようにその後熱処理しない本発明の方法を可能にしている。すなわち鋼管の全厚が焼入れ硬化されているので、切削加工によってねじ溝を形成させることによりその部分が薄くなっても強度が十分確保できること、切削によって新たに形成された表面が磨耗に耐える硬度を有することになるからである。
【００２２】
ここで上記のねじ溝の切削加工は先の焼入れや焼戻しなどの熱処理に伴う歪が残存しない状態において行なう。すなわちラックを形成させた鋼管は熱処理によって多少なりとも歪が発生するのは免れない。これは材料が変形し易い中空であってその全厚を焼入れすること、またラックを形成した個所は中心軸に対する非対象性から焼入れの冷却速度が中心軸に対して不均等になることなど、変形を誘発し易い条件が重なっているためである。したがって通常は熱処理後に曲がりの修正などの矯正を行なうことになるが、歪を点検した結果として矯正の必要が無いと判断されればそのままで良いことは当然である。またラックの部分やそれ以外の円筒部分について、熱処理によって生じた酸化膜を除去するための研磨などによる表面仕上げもこの段階で行なうのが好ましい。
【００２３】
上記のように歪が無くなった状態でねじ溝を切削加工により形成した後は、熱処理工程を経ることなく中空なステアリングラック軸の製品とする。このようにすることによってねじ溝は焼入れ、焼戻しなどの熱処理によって精度が低下することが無くなる。すなわち熱処理を行なうと前記のような曲がりなどの歪だけでなく、ねじのピッチが変化する現象も生ずるので、後に熱処理を行なう場合にはこれを考慮に入れて加工を行なう必要がある。しかし熱処理によるピッチの変化の程度には個々の部材によって当然にばらつきがあるので、製品の精度低下の原因となる。ボールねじ用のねじ溝は特に精度が要求されるので、ねじの形成後において精度低下の要因となる熱処理を行なわない本発明の方法は特に好適である。
【００２４】
切削加工によってねじ溝を形成させる具体的な方法であるが、焼入れ硬化しているため旋盤加工に見られるような１つの刃物の１回のストロークで深く連続切削することは不可能である。したがってフライス盤による加工のように複数の切削刃が次々と当たることにより少しずつ断続切削し、結果として１回のストロークでねじ溝が形成されるものが望まれる。実際に工具の回転軸が水平な横フライス盤においては、円盤の周囲に複数の切削刃が形成された工具により平面の上に溝を形成することが行なわれている。原理的には本発明におけるねじ溝の形成もこのような横フライス盤による溝の形成と同じことを行なえば良いが、通常のフライス盤においては円筒物の表面を加工するような機構になっておらず、被加工物を回転する機構を設けることなどをしない限り適用できない。
【００２５】
そこで本発明においては円筒物の表面に溝を形成するように特に設計されたワーリング（ｗｉｒｌｉｎｇ）加工装置と呼ばれるものを使用するのが好ましい。すなわちこの装置は図８に平面図を示したように、複数の切削刃３２を環状の円盤３１の内周３３から突き出して先端が符号３４で示す１つの円周上に位置するように取り付けた環状切削工具３０を使用する。切削刃の数は通常４個以上で環状の円盤３１の中心に対して対称位置に取り付ける。なお図８においては環状の円盤３１は文字通りの円盤に切削刃３２はめ込む凹部が設けられたものが示されているが、機能が基本的に同じなら完全な円盤の形態に限定されず、これから変形されていても良い。たとえば円盤外周部の切削刃の延長個所が切り込みになっていて、この部分から切削刃の位置の微調整ができるようになっていたりしても良い。
【００２６】
このように図８の環状切削工具では環状の円盤の内周に刃物が形成されおり、横フライス盤では円盤の外周に刃物が形成されているのと逆になっている。なお環状切削工具に使用する切削刃の刃先は、旋盤の工具で総型バイトと称するものと同様に形成すべきねじ溝の形状になっている必要がある。また刃先チップ３５の材質は焼入れしたものを切削するため高速度鋼では対応できず、タングステンカーバイドやｃＢＮ（立方晶窒化硼素）などの超硬材を使用する必要がある。
【００２７】
上記のような環状切削工具を使用して鋼管にねじ溝を形成するには、環状切削工具に鋼管を貫通させ、環状切削工具を回転しつつ鋼管に押しつけて鋼管の表面を切削する。このとき切削刃の刃先を連ねた円３４の径は鋼管の径の２０から４０％程度大きいのが適当である。実際に切削を行なう順序は、図面および説明を簡単にするために鋼管の１個所に１周の溝を形成する場合についてまず述べる。
【００２８】
図９は環状切削工具を使用して鋼管の周囲の１個所に１周の溝を形成する方法を説明する図である。最初は鋼管１１を回転せずに固定しておいて、矢印３７の方向に高速回転している環状切削工具３０を鋼管に押付ける。図９において環状切削工具は刃先を連ねた円３４と切削刃３２のうちの１つと外周だけを示してあとは省略しており、環状切削工具が鋼管１１に接触開始した位置を示している。次いで矢印３９の方向に環状切削工具３０を徐々に送ることによって切削が行なわれ、形成すべき溝３８の深さだけ移動した所で矢印３９の方向の送りを停止する。このときの環状切削工具と刃先を連ねた円の位置をそれぞれ３０１と３４１で示している。なお溝３８の深さや鋼管１１の厚みはは細部を判りやすくするためステアリングラック軸の場合より誇張している。
【００２９】
次いでこの位置において環状切削工具３０１を高速回転させたまま鋼管１１を矢印４０の方向に徐々に回転すると、切削片４１のような形で次々に切削される（切削片の大きさは実際よりずっと誇張している）。このようにして鋼管１１が１回転すればその１個所に１周の溝が形成されることになる。ねじ溝を形成する場合については改めて図示しないが、ねじ溝のリード角に相当する角度だけ鋼管の軸を環状切削工具の回転軸から傾け、環状切削工具を回転しつつねじ溝のスタート位置で鋼管に当てて、ねじ溝の深さに至るまで送って切削する。次いで鋼管を軸方向に送るのと同期して鋼管を回転しつつ切削を進行することにより、１回の鋼管の軸方向送りで螺旋状に溝が形成されることになる。
【００３０】
この切削方法は環状切削工具を毎分１０００〜２０００回転といった高速で回転することによって１つの刃物で切削される量は微少であっても高速な加工ができ、加工面の表面も平滑にできる。したがって先に述べたように熱処理後に研磨などによる表面仕上をすでに行なっている場合には、改めてねじ溝部分の表面仕上げをする必要がない。また旋盤のような１つの刃物での連続切削と異なり、断続切削の場合は冷却液は必ずしも必要でないことは知られているが、この切削方法においても工具に掛ける冷却液は不要である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は全長にわたって中空なステアリングラック軸において、ラックと共にボールねじ用のねじ溝が設けられているものを製造するにあたり、素材の鋼管に塑性加工によりラックを形成させた後に鋼管の全長について全厚を硬化する熱処理を行い、熱処理に伴う歪が残存しない状態において切削加工によりねじ溝を形成させ、その後熱処理工程を経ることなく製品とするので、ねじ溝が熱処理によって歪むことなく精度が確保できる。また強度的に条件が厳しいラックを形成した部分のために全厚を焼入れするが、ラック部以外についても内部まで硬化して材質的に十分過ぎる状態になっていることを合理的に利用してこのような工程を可能にしたのであり、低コストで実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で製造されるステアリングラック軸を示す外観図
【図２】電動パワーステアリングの機構を説明する概念図
【図３】ラックを塑性加工により形成する方法を説明する縦断面図
【図４】ラックを塑性加工により形成する方法を説明する横断面図
【図５】ラックを塑性加工により形成する方法の図３、図４の次の工程を説明する縦断面図
【図６】ラックを塑性加工により形成する方法の図３、図４の次の工程を説明する横断面図
【図７】本発明の製造方法によるステアリングラック軸をラックの歯底で切断した断面図
【図８】環状切削工具を示す平面図
【図９】環状切削工具を使用して鋼管の周囲に溝を形成する方法を説明する図
【符号の説明】
１ ステアリングラック軸
２ ラック
３ ねじ溝
４ ナット
５ モータ
６ ベルト
７ プーリ
９ ラックの歯底の部分
１１ 鋼管
１２、１３ 割型
１４ 縦穴
１５ ポンチ
１７、１８ 割型
１９ ラック形成型
２０ マンドレル
２１ 突起
３０ 環状切削工具
３１ 環状の円盤
３２ 切削刃
３３ 内周
３４ 刃先を連ねた円
３５ 刃先チップ
３８ 溝
４１ 切削片
３０１ 環状切削工具
３４１ 刃先を連ねた円
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車の操舵装置の部品であるステアリングラック軸の製造方法に関する。近年、自動車の軽量化を目的として従来中実であった軸などを中空にすることが図られているが、本発明が対象とするのはこのような中空なステアリングラック軸であってさらに電動パワーステアリング用のボールねじのねじ溝が形成されたものである。本発明は従来製造が困難であった上記のようなステアリングラック軸を低コストで能率良く製造する方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステアリングラック軸は円形断面の軸の長さの一部、たとえば半分程度にラックが形成されているものである。このようなラック軸を軽量化のため中空にするには、棒材にラック部を切削加工により形成した後に穴をあける方法が行なわれていた。素材として中空なもの、すなわち鋼管を使用し、ラックを形成すべき部分を平坦に潰した後にラックを切削加工することも考えられるが、実際にはラックを形成した部分の肉厚が薄くなって必要な強度を確保するのが困難である。
【０００３】
このようなことから、素材に鋼管を使用して塑性加工によりラック部を形成し、全長が中空なステアリングラック軸とする方法が特公平３−５８９２号公報において提案され、さらに改良した方法も考えられて急速に生産が拡大しつつある。この特公平３−５８９２号公報に開示された方法は、まず鋼管のラックを形成すべき部分をつぶして平面にし、次にこの部分にラックを形成するという２段階の工程からなる。このためにまず左右に開くことができる第１次成形用割型を設けて素材の鋼管の加工すべき部分を収容するが、この型は合わせた状態において上部のラックを形成すべき部分に貫通穴が設けられている。そして先が平面になったプレス型を上からこの貫通穴に挿入して鋼管のその部分を平面に加工し、これを第１次成形体とする。
【０００４】
次に内面形状がラックバーの完成品の外形形状と一致し、左右に開くことができる第２次成形用割型に上記第１次成形体を収容する。すなわちこの第２次成形用割型は左右の型を合わせたとき、上部にラックの歯の雌型が構成されるようになっている。そしてマンドレルを鋼管内に挿入して、先に平面にされた部分を内部からしごき加工をする。これを複数回繰り返すことににより材料が順次盛り上がり、上記第２次成形用割型の形状に従ってラックが成形されるというものである。
【０００５】
ところで、従来からの一般的なステアリングラック軸は油圧式のパワーステアリングに対応したものであって、この場合は全長のうちラックを形成した以外の部分は単純な円筒（中空でない場合は丸棒）になっている。しかしながらパワーステアリングの動力源として電動力を利用することにより機構を簡素化することが最近多く採用されつつある。図１は本発明が対象としている電動パワーステアリングに使用するための中空なステアリングラック軸１を示す外観図であって、ラック２を形成した部分以外の長さの一部分にボールねじ用のねじ溝３が設けられている。図２は電動パワーステアリングの機構を説明する概念図である。上記ねじ溝３に図示しないボールを介してナット４が結合されてボールねじが形成されており、このナットは軸方向の位置が固定されている。ナット４にはプーリ７がナットと一体となって回転するように結合されており、ベルト６を介してモータ５により回転される。したがってモータの回転力はボールねじにより図中矢印８で示した方向のラック軸のスラスト力に変換され、パワーステアリングの作用を生ずる。
【０００６】
図２に示したものは電動パワーステアリングの機構の原型というべきものであるが、近年はモータが一体となったものが多くなりつつある。これはモータの回転軸が通常の丸棒ではなく円筒になっており、これにステアリングラック軸が貫通して前記円筒とボールねじのナット部とが結合されている。このような機構では図２の機構と異なりモータが別置きでないので余分な場所を取らない利点がある。このようなモータが一体になった電動パワーステアリングの機構においてもステアリングラック軸自体は図２に示した電動パワーステアリングの機構の場合と変わりなく、図１に示したような本発明のものが使用できる。
【０００７】
上記のようなねじ溝を有するステアリングラック軸の製造方法であるが、全長が中空なステアリングラック軸に関しては従来製造された例はない。中実なステアリングラック軸における製造方法では、素材の丸棒にねじ溝を切削加工によって形成し、さらにラックを切削加工により形成した後、全体を表面焼入れしてラックやねじが磨耗に耐える表面硬度になるようにしている。なお上記のねじ溝の切削加工とラックの切削加工は、いずれか先に加工した部分が後の加工の邪魔にならなければどちらを先にしてもよい。またねじ溝の形成は上記切削加工に代えて、工具を押し付けて塑性加工により行なう転造加工も適用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示したような中空なステアリングラック軸でねじ溝を有するものを製造しようとすると、前記のような中実なステアリングラック軸にねじ溝を設けるのと異なり困難な問題がある。すなわち加工可能な焼入れ前の鋼管を素材としてラックとねじ溝を形成させ、その後に焼入れをして所定の強度を得るようにする必要があるが、変形し易い中空であってその全厚を焼入れするため焼入れ歪の発生が著しい。ラック部についてみると、中空なステアリングラックにおいては塑性加工によってもなおラックの歯底の部分はかなり薄く、厚さ全体を焼入れしないと構造的な強度が得られない。塑性加工によるラックの形成は厳しい加工なため素材の鋼管の状態ではできるだけ軟らかく、これと対照的に焼入れによって著しく強度が増大するような材料が採用されており、この点からも全厚を焼入れ硬化させるのは必須のことである。
【０００９】
中実なステアリングラック軸の場合は素材の棒鋼自体が構造的な強度を有するので、加工後の熱処理は表面のみを硬化させる表面焼入れで済み、材料全体を焼入れするいわゆるズブ焼入れする必要はない。したがって中実なステアリングラック軸の場合は焼入れによって生ずる歪は軽微であって、たとえ歪が生じても僅かな矯正で済んでおり、このような問題は無かったものである。このように中空なステアリングラック軸においては歪の発生が著しいため焼入れ後かなりの矯正をする必要があるが、ラックの部分とねじ溝の部分がある場合は作業が難しい。またボールねじのねじ溝は精度が要求されるが熱処理による寸法精度の低下の問題もある。本発明はボールねじのねじ溝を有する中空なステアリングラック軸の製造方法において、上記のような問題点を解決することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、全長にわたって中空であり、その長さの一部分についてラックが形成され、これと別の長さの一部分にボールねじ用ねじ溝が形成されたステアリングラック軸を製造するにあたり、鋼管を素材としその長さの一部分に塑性加工によりラックを形成させ、前記ラックが形成された鋼管の全長および全周について全厚を硬化する熱処理を行い、前記熱処理に伴う歪が残存しない状態において、刃先が形成すべきねじ溝の形状の複数の切削刃を環状の円盤の内周から突き出して先端が１つの円周上に位置するように取り付けた環状切削工具に鋼管を貫通させ、前記環状切削工具を回転しつつ鋼管に当てて形成すべきねじ溝の深さに至るまで送って切削し、次いで鋼管を軸方向に送るのと同期して鋼管を回転しつつ切削を進行することにより、１回の鋼管の軸方向送りでラックが形成されたのとは別の長さの一部分にねじ溝を形成させ、その後熱処理工程を経ることなく製品とすることを特徴とする中空なステアリングラック軸の製造方法である。
【００１１】
ここにおいて、塑性加工によりラックを形成させる方法は、鋼管の長さの一部分を押圧して外面円周の一部を平面状とし、前記平面状にする加工をした鋼管をラック形成型を内面に有する割型内に収容してラック形成型を平面状にされた部分に接触させ、マンドレルを鋼管の内部に押込むことにより前記平面状にされた部分の内面を順次しごき加工をして前記ラック形成型に従ってラックを形成するものであることも特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の製造工程においては鋼管を素材とするが、材質としてはラックのみでねじ溝を有しないステアリングラック軸の塑性加工による製造に使用されているものと同じで良い。
【００１３】
すなわち冷間での塑性加工が容易な軟質なものであって、その反面焼入れすることにより著しく強度が上昇して必要とするラックの強度、耐摩耗性を発揮できる材料を使用する。場合によっては炭化物を球状化して加工性を良好にする球状化焼鈍を行なった材料を使用することもある。
【００１４】
まずこのような鋼管の長さの一部分に塑性加工によりラックを形成させる。塑性加工によってラックを形成させるのは、先に述べたように切削加工では必要な強度を得るだけの厚さが確保できないためである。本発明においてラックを形成するための塑性加工の方法については特に限定するものではないが、先に述べた特公平３−５８９２号公報に開示された方法をさらに改良した以下の方法が推奨される。
【００１５】
すなわちまず図３の縦断面図、図４の横断面図に示すように、鋼管１１の全周を取り囲む割型１２、１３に鋼管の長さの一部分を収容する。この割型の上型１２には鋼管のラックを形成すべき部分に対応した個所に縦穴１４が貫通している。この状態で縦穴１４にポンチ１５を挿入してこの部分の鋼管１１を押圧して平面にする。このようにして鋼管の長さの一部分について外面円周の一部が平面になったものが作られる。なお鋼管を全周を取り囲む割型に収容しなくても平面を設けること自体は可能であるが、所定の個所だけ平面にしてそれ以外の鋼管の外周は変形させないために割型を使用するのが好ましい。なお上記の平面は完全な平面ではなく、たとえば幅方向中央部をわずかに高くするといったことも行なわれる。この明細書の一部に使用されている平面状という用語は特にこのようなことを意識したものである。
【００１６】
次いで図５の縦断面図、図６の横断面図に示すように、鋼管１１の全周を取り囲む別の割型１７、１８に鋼管の平面が形成された部分を収容する。この割型の内部にはラック形成型１９が設けられ、鋼管の平面が形成された部分に接触するようになっている。この状態で鋼管の内部にマンドレル２０を押し込み、平面状にされた部分の内面を順次しごき加工をして内部から材料を盛り上げ、ラック形成型１９に従ってラックを形成させる。
【００１７】
マンドレル２０は少しずつ寸法の異なるものを使用して複数回のストロークにより加工を行なうことになるが、全長の複数個所にしごき加工個所である突起２１を有するマンドレルを使用すればストローク数を減らすことができる。また複数のマンドレルは両側から交互に挿入するのが能率上好ましい。なおこれらの塑性加工はすべて冷間で行なわれる。なお、ラック形成型１９の部分は割型の上型１７と一体にしても原理的には差し支えないが、大きな力を受けるため比較的寿命が短いので、図５および図６に示したようにラック形成型の部分だけ独立させて割型に取付けて使用するようにするのが好ましい。
【００１８】
上記のようにして長さの一部分にラックを形成させた鋼管には、ボールねじ用のねじ溝も形成させる必要があるが、その前に所定の強度を得るための熱処理、すなわち焼入れとさらに必要に応じて焼戻しを行なう。この焼入れはラックに対して必要な強度を付与することが最大の目的であるので、表面焼入れではなく材料全厚を硬化する焼入れを行なう。すなわち図７は本発明の製造方法によるステアリングラック軸をラックの歯底で切断した断面図であるが、これで見るようにラック２の歯底の部分９の厚さは鋼管そのままの部分の厚さよりかなり薄くなっているため、強度を確保する必要があるからである。なお焼入れする場合に鋼管の軸に対して非対称の加熱をすると曲がり歪の発生が著しくなること、ラックの歯だけを加熱する方がかえって面倒なことなどから、ラック部の鋼管の全周を加熱して焼入れするのが好ましい。
【００１９】
そして上記の焼入れはラックを形成させた長さ部分だけでなく鋼管の全長に対して行なう。このようにラック形成後の鋼管の全長について焼入れを行なうことは、１度の工程で済むことなのでラックの部分のみを焼入れするのに比較してさ程コストが掛かることは無い。またこの鋼管全長の焼入れはラックに対して必要な強度を確保するのに最適な条件で良く、ラックが形成された以外の部分について加熱温度や冷却条件を変えるといった必要性は通常は無い。このラック形成後の熱処理には、焼入れ後に硬度を調整し靱性を向上させるために必要に応じて行なう焼戻し工程も含む。
【００２０】
上記のようにして長さの一部分にラックが形成され焼入れされた鋼管に、これとは別の長さの一部分にボールねじ用のねじ溝を形成することになるが、本発明においては焼入れ硬化した材料に適用可能な方法で切削加工により行なう。なおこの場合材料が硬化しているのであるから塑性加工は不可能である。もっともこれはラックの形成でも前提としている冷間加工の場合のことで、熱間加工によれば塑性加工はできるがこれでは焼入れを行なった意味が無くなってしまう。
【００２１】
一方、前記のようにラックを形成した後の鋼管の全長に亘って全厚を焼入れ硬化させることが、ねじ溝を切削加工して後述のようにその後熱処理しない本発明の方法を可能にしている。すなわち鋼管の全厚が焼入れ硬化されているので、切削加工によってねじ溝を形成させることによりその部分が薄くなっても強度が十分確保できること、切削によって新たに形成された表面が磨耗に耐える硬度を有することになるからである。
【００２２】
ここで上記のねじ溝の切削加工は先の焼入れや焼戻しなどの熱処理に伴う歪が残存しない状態において行なう。すなわちラックを形成させた鋼管は熱処理によって多少なりとも歪が発生するのは免れない。これは材料が変形し易い中空であってその全厚を焼入れすること、またラックを形成した個所は中心軸に対する非対象性から焼入れの冷却速度が中心軸に対して不均等になることなど、変形を誘発し易い条件が重なっているためである。したがって通常は熱処理後に曲がりの修正などの矯正を行なうことになるが、歪を点検した結果として矯正の必要が無いと判断されればそのままで良いことは当然である。またラックの部分やそれ以外の円筒部分について、熱処理によって生じた酸化膜を除去するための研磨などによる表面仕上げもこの段階で行なうのが好ましい。
【００２３】
上記のように歪が無くなった状態でねじ溝を切削加工により形成した後は、熱処理工程を経ることなく中空なステアリングラック軸の製品とする。このようにすることによってねじ溝は焼入れ、焼戻しなどの熱処理によって精度が低下することが無くなる。すなわち熱処理を行なうと前記のような曲がりなどの歪だけでなく、ねじのピッチが変化する現象も生ずるので、後に熱処理を行なう場合にはこれを考慮に入れて加工を行なう必要がある。しかし熱処理によるピッチの変化の程度には個々の部材によって当然にばらつきがあるので、製品の精度低下の原因となる。ボールねじ用のねじ溝は特に精度が要求されるので、ねじの形成後において精度低下の要因となる熱処理を行なわない本発明の方法は特に好適である。
【００２４】
切削加工によってねじ溝を形成させる具体的な方法であるが、焼入れ硬化しているため旋盤加工に見られるような１つの刃物の１回のストロークで深く連続切削することは不可能である。したがってフライス盤による加工のように複数の切削刃が次々と当たることにより少しずつ断続切削し、結果として１回のストロークでねじ溝が形成されるものが望まれる。実際に工具の回転軸が水平な横フライス盤においては、円盤の周囲に複数の切削刃が形成された工具により平面の上に溝を形成することが行なわれている。原理的には本発明におけるねじ溝の形成もこのような横フライス盤による溝の形成と同じことを行なえば良いが、通常のフライス盤においては円筒物の表面を加工するような機構になっておらず、被加工物を回転する機構を設けることなどをしない限り適用できない。
【００２５】
そこで本発明においては円筒物の表面に溝を形成するように特に設計されたワーリング（ｗｉｒｌｉｎｇ）加工装置と呼ばれるものを使用するのが好ましい。すなわちこの装置は図８に平面図を示したように、複数の切削刃３２を環状の円盤３１の内周３３から突き出して先端が符号３４で示す１つの円周上に位置するように取り付けた環状切削工具３０を使用する。切削刃の数は通常４個以上で環状の円盤３１の中心に対して対称位置に取り付ける。なお図８においては環状の円盤３１は文字通りの円盤に切削刃３２はめ込む凹部が設けられたものが示されているが、機能が基本的に同じなら完全な円盤の形態に限定されず、これから変形されていても良い。たとえば円盤外周部の切削刃の延長個所が切り込みになっていて、この部分から切削刃の位置の微調整ができるようになっていたりしても良い。
【００２６】
このように図８の環状切削工具では環状の円盤の内周に刃物が形成されおり、横フライス盤では円盤の外周に刃物が形成されているのと逆になっている。なお環状切削工具に使用する切削刃の刃先は、旋盤の工具で総型バイトと称するものと同様に形成すべきねじ溝の形状になっている必要がある。また刃先チップ３５の材質は焼入れしたものを切削するため高速度鋼では対応できず、タングステンカーバイドやｃＢＮ（立方晶窒化硼素）などの超硬材を使用する必要がある。
【００２７】
上記のような環状切削工具を使用して鋼管にねじ溝を形成するには、環状切削工具に鋼管を貫通させ、環状切削工具を回転しつつ鋼管に押しつけて鋼管の表面を切削する。このとき切削刃の刃先を連ねた円３４の径は鋼管の径の２０から４０％程度大きいのが適当である。実際に切削を行なう順序は、図面および説明を簡単にするために鋼管の１個所に１周の溝を形成する場合についてまず述べる。
【００２８】
図９は環状切削工具を使用して鋼管の周囲の１個所に１周の溝を形成する方法を説明する図である。最初は鋼管１１を回転せずに固定しておいて、矢印３７の方向に高速回転している環状切削工具３０を鋼管に押付ける。図９において環状切削工具は刃先を連ねた円３４と切削刃３２のうちの１つと外周だけを示してあとは省略しており、環状切削工具が鋼管１１に接触開始した位置を示している。次いで矢印３９の方向に環状切削工具３０を徐々に送ることによって切削が行なわれ、形成すべき溝３８の深さだけ移動した所で矢印３９の方向の送りを停止する。このときの環状切削工具と刃先を連ねた円の位置をそれぞれ３０１と３４１で示している。なお溝３８の深さや鋼管１１の厚みはは細部を判りやすくするためステアリングラック軸の場合より誇張している。
【００２９】
次いでこの位置において環状切削工具３０１を高速回転させたまま鋼管１１を矢印４０の方向に徐々に回転すると、切削片４１のような形で次々に切削される（切削片の大きさは実際よりずっと誇張している）。このようにして鋼管１１が１回転すればその１個所に１周の溝が形成されることになる。ねじ溝を形成する場合については改めて図示しないが、ねじ溝のリード角に相当する角度だけ鋼管の軸を環状切削工具の回転軸から傾け、環状切削工具を回転しつつねじ溝のスタート位置で鋼管に当てて、ねじ溝の深さに至るまで送って切削する。次いで鋼管を軸方向に送るのと同期して鋼管を回転しつつ切削を進行することにより、１回の鋼管の軸方向送りで螺旋状に溝が形成されることになる。
【００３０】
この切削方法は環状切削工具を毎分１０００〜２０００回転といった高速で回転することによって１つの刃物で切削される量は微少であっても高速な加工ができ、加工面の表面も平滑にできる。したがって先に述べたように熱処理後に研磨などによる表面仕上をすでに行なっている場合には、改めてねじ溝部分の表面仕上げをする必要がない。また旋盤のような１つの刃物での連続切削と異なり、断続切削の場合は冷却液は必ずしも必要でないことは知られているが、この切削方法においても工具に掛ける冷却液は不要である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は全長にわたって中空なステアリングラック軸において、ラックと共にボールねじ用のねじ溝が設けられているものを製造するにあたり、素材の鋼管に塑性加工によりラックを形成させた後に鋼管の全長について全厚を硬化する熱処理を行い、熱処理に伴う歪が残存しない状態において切削加工によりねじ溝を形成させ、その後熱処理工程を経ることなく製品とするので、ねじ溝が熱処理によって歪むことなく精度が確保できる。また強度的に条件が厳しいラックを形成した部分のために全厚を焼入れするが、ラック部以外についても内部まで硬化して材質的に十分過ぎる状態になっていることを合理的に利用してこのような工程を可能にしたのであり、低コストで実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で製造されるステアリングラック軸を示す外観図
【図２】電動パワーステアリングの機構を説明する概念図
【図３】ラックを塑性加工により形成する方法を説明する縦断面図
【図４】ラックを塑性加工により形成する方法を説明する横断面図
【図５】ラックを塑性加工により形成する方法の図３、図４の次の工程を説明する縦断面図
【図６】ラックを塑性加工により形成する方法の図３、図４の次の工程を説明する横断面図
【図７】本発明の製造方法によるステアリングラック軸をラックの歯底で切断した断面図
【図８】環状切削工具を示す平面図
【図９】環状切削工具を使用して鋼管の周囲に溝を形成する方法を説明する図
【符号の説明】
１ ステアリングラック軸
２ ラック
３ ねじ溝
４ ナット
５ モータ
６ ベルト
７ プーリ
９ ラックの歯底の部分
１１ 鋼管
１２、１３ 割型
１４ 縦穴
１５ ポンチ
１７、１８ 割型
１９ ラック形成型
２０ マンドレル
２１ 突起
３０ 環状切削工具
３１ 環状の円盤
３２ 切削刃
３３ 内周
３４ 刃先を連ねた円
３５ 刃先チップ
３８ 溝
４１ 切削片
３０１ 環状切削工具
３４１ 刃先を連ねた円
Claims (2)
- 全長にわたって中空であり、その長さの一部分についてラックが形成され、これと別の長さの一部分にボールねじ用ねじ溝が形成されたステアリングラック軸を製造するにあたり、鋼管を素材としその長さの一部分に塑性加工によりラックを形成させ、前記ラックが形成された鋼管の全長および全周について全厚を硬化する熱処理を行い、前記熱処理に伴う歪が残存しない状態において、刃先が形成すべきねじ溝の形状の複数の切削刃を環状の円盤の内周から突き出して先端が１つの円周上に位置するように取り付けた環状切削工具に鋼管を貫通させ、前記環状切削工具を回転しつつ鋼管に当てて形成すべきねじ溝の深さに至るまで送って切削し、次いで鋼管を軸方向に送るのと同期して鋼管を回転しつつ切削を進行することにより、１回の鋼管の軸方向送りでラックが形成されたのとは別の長さの一部分にねじ溝を形成させ、その後熱処理工程を経ることなく製品とすることを特徴とする中空なステアリングラック軸の製造方法。
- 塑性加工によりラックを形成させる方法は、鋼管の長さの一部分を押圧して外面円周の一部を平面状とし、前記平面状にする加工をした鋼管をラック形成型を内面に有する割型内に収容してラック形成型を平面状にされた部分に接触させ、マンドレルを鋼管の内部に押込むことにより前記平面状にされた部分の内面を順次しごき加工をして前記ラック形成型に従ってラックを形成するものであることを特徴とする請求項１記載の中空なステアリングラック軸の製造方法。
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