JP4798674B1 - ラックバー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い精度でかつ安価にラックバーを製造できるようにする。
【解決手段】 鋼管（１０）の穴に埋込芯金（１４）を装着したままラック歯成形部を鍛造したラックバー及びその製造方において、埋込芯金（１４）が鋼管（１０）よりも軟質の金属で作られる。埋込芯金（１４）の表面に波形が形成される。その波形は、底部（２０）を大きく、頂部（２２）を幅狭にした形状にする。
【選択図】 図３

Description

本発明はラックバー及びその製造方法に関する。

従来は、冷鍛のみでラック歯を成形する場合、パイプ材は塑性の良い材質とし、特殊な油圧プレスの専用機を使用していた。

冷鍛のみでラック歯を成形する場合、総工程は６〜８工程も必要で、加工時間が長い。また、成形歯の歯先部に冷鍛の欠陥が発生し易い。このため、製造コストは高くなってしまう。品質の確保も容易でない。

他方、７００℃〜８００℃に急速加熱して、ラック歯を熱間で成形する場合、変形抵抗が冷鍛の１／４〜１／５に下がり、加工部の流動性が良くなるので、１回の成形で仕上り状態の９０％〜９８％まで成形できる。そのあと、仕上げ冷鍛は１回でよい。このような加工の場合、半熱間（変態点直前）の鍛造であるので、短時間の加熱により結晶粒の成長を抑制でき、酸化時間を短くできるので、表面の酸化が少ない。

現在、市場で実用化されているラックバーの約９０％は中実棒材から切削加工により製作している。パイプ材からラックバーを加工する場合と比較すると、中実棒材から切削加工してラックバーを製造する場合、材料の使用量が多く、切削加工費も割高である。

代表的なラックバーについて、中実ラックバーと中空ラックバーを対比すると、中空ラックバーの外径は２８ｍｍ、穴径は２０ｍｍである。これに対し、全長は同一と仮定すると、外径２６ｍｍの中実ラックバーが同等の強度のものとなる。

中実タイプと中空タイプのラックバーを製造するときの使用材料と完成品の重量差を表１及び表２に例示する。

ラック歯の強度の比較においては、中実ラックバーの場合は、圧延棒材を使用するので、材料のファイバーフローは軸芯に平行である。歯切方向はファイバーフローを横断して切削するので、歯の曲げ強度に対してマイナス要因になる。それ故、歯厚と歯幅を大きく取ることが必要である。

特開２００３−９４１４０号公報においては、パイプ材を使用して、ワークよりも硬質のマンドレルによって穴の内面側から外周方向に塑性加工を行い、かつ、ラック型（ダイ）に押出して歯形を突き出す方向で成形加工し、しかも、この工法は冷間塑性加工特有の欠陥が発生しやすい。例えば、ファイバーフローの片寄り、表面亀裂、表面焼付き、大きいスプリングバックが発生する。これらの欠陥の発生を軽減又は予防するために、材料仕様、加工条件、工程設定等、厳しく管理する必要がある。しかも、冷間鍛造時の割れや亀裂を防ぐために、鍛造工程数が多くなる。それゆえ、多量生産において安定した品質を確保するために、材料コスト、加工コスト、品質コストを高くせざるをえない。

また、パイプ材を使用し、外周から鍛造成形する工法が、特開２００７−２５３１９０号公報に開示されている。この工法の特徴は次のとおりである。

（ａ）材料は鋼管であり、冷間鍛造に適した組織になるように熱処理がされている。

（ｂ）ラック歯の成形部と１８０°反対の部分を熱処理して硬化する。この場合、硬化が部分的に生じ、鍛造荷重による伸びや曲りを少くする効果が望める。しかし、成形歯に対し正確な背面（反対側の面）を形成することは容易ではない。もし角度的な位置ズレが生じてしまうと、ラック歯の精度に好ましくない歪みが生じる。

（ｃ）ラック歯を鍛造成形する時に、鋼管よりも硬質の芯金型具を使用する。

（ｄ）歯形の成形部を１００℃以上６００℃以下に局部加熱する。この場合、冷間鍛造を基本にしているが、鍛造の初期工程（特に第１工程）を冷間鍛造で成形する場合、変形抵抗が高くなり、熱間の２．５〜４倍になる。しかも、塑性の良い組織の仕様に設定する必要がある。例えば、焼なまし処理をした材料を使用する。１００℃〜６００℃で温間成形をすると、この温度範囲は脆性域の温度を含むため、品質保証することが困難になる。温度変化による収縮が発生するため、ラック歯の精度が安定しないからである。

特開２００３−９４１４０号公報 特開２００７−２５３１９０号公報

本発明の課題は、高い精度でかつ安価にラックバーを製造できるようにすることである。

本発明の解決手段を例示すると、次のとおりである。

（１）鋼管（１０）の穴に埋込芯金（１４）を装着してラック歯成形部を鍛造成形したラックバーであって、棒状の埋込芯金（１４）が鋼管（１０）よりも軟質の金属で作られており、埋込芯金（１４）の表面に波形が形成されていて、その埋込芯金（１４）の表面の波形が、底部（２０）の曲面の半径を大きく、かつ幅広にし、頂部（２２）の曲面の半径を小さく、かつ幅狭にした形状になっていることを特徴とするラックバー。

（２）鋼管（１０）が溶接鋼管であり、埋込芯金（１４）が軟質の低炭素鋼であることを特徴とする請求項１に記載のラックバー。

（３）鋼管（１０）のラック歯成形部（１２）を高周波で７００℃〜８００℃に急速に加熱する工程と、
加熱中又は加熱直後に、ラック歯成形部（１２）に対応する領域の鋼管（１０）の穴の中に、鋼管（１０）よりも軟質の金属で作られた棒状の埋込芯金（１４）を装着する工程と、
棒状の埋込芯金（１４）を装着した状態で、熱間鍛造を行う工程と、
を含み、
熱間鍛造のときに埋込芯金（１４）の表面に波形が形成される波形が、底部（２０）の曲面の半径を大きく、かつ幅広にし、それと同時に、頂部（２２）の曲面の半径を小さく、かつ幅狭にした形状であることを特徴とする、ラックバーの製造方法。

（４）熱間鍛造に引続き、熱間鍛造品を徐冷する工程と、
その徐冷の後、冷間鍛造のための被膜処理を行う工程と、
棒状の埋込芯金（１４）を装着した状態で、仕上のために冷間鍛造を行う工程と、
を含むことを特徴とする、請求項３に記載のラックバーの製造方法。

（５）埋込芯金（１４）の表面は、熱間鍛造前は平坦な棒状のものとし、熱間鍛造によって、ラック歯形（２４）を成形すると同時に、埋込芯金（１４）の表面に波形を形成することを特徴とする請求項３又は４に記載のラックバーの製造方法。

（６）棒状の埋込芯金（１４）の表面は、熱間鍛造前に予め波形の表面を有し、熱間鍛造によって、ラック歯形（２４）を成形すると同時に、埋込芯金（１４）の表面の波形を前述の波形の形状に変形させることを特徴とする請求項３又は４に記載のラックバーの製造方法。

（７）鋼管（１０）が溶接鋼管であり、埋込芯金（１４）が軟質の低炭素鋼であることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載のラックバーの製造方法。

本発明によれば、鋼管の穴に装着された埋込芯金が鋼管よりも軟質の金属で作られているため、とくに埋込芯金の表面が熱間鍛造のときに波形となり、鋼管のラック歯成形部におけるラック歯の歯形を、ラックバーにとって望ましい格別の形状に形成しやすくなる。

本発明の他の効果は、次のとおりである。

（１）溶接鋼管を使用することができる。球状化焼なまし等の特別な熱処理は不要である。仕様として、市販の溶接鋼管のＪＩＳ規格品を採用できる。

（２）ラックバーの部品単独の車載重量を２５〜３０％軽量化することが可能である。

（３）成形局部のみを７００℃〜８００℃に急速加熱し、その直後に熱間鍛造すると、変形抵抗を大幅に低くできる。例えば、冷間鍛造の１／４〜１／５の変形抵抗となり、鍛造荷重が下がる。そのため、鍛造設備が小形化できる。鍛造用の型の消耗コストが軽減できる。加熱時間と鍛造時間の短縮により表面の酸化を減少させることができる。温度の変動幅が小さいので、鍛造精度が高くなるとともに品質が安定する。

（４）鍛造用の型の消耗コストが軽減できる。

（５）鍛造後に鍛造品から埋込芯金を除去しないので、従来のように鍛造後に鍛造品から型芯金を除去する場合に比較して、ラック歯底部の変形抵抗を約３０％下げることができる。しかも、鍛造品に埋込芯金を装着したままであるので、完成した鍛造品におけるラック歯部の強度や撓み強度が向上する。とくに、歯底部のファイバーフローの形態が良好になるから、強度が向上する。

（６）仕上げ冷間鍛造の加工率を小さくすることが可能になる。それゆえ、高精度で、かつ良好な表面粗さが安定的に得られる。

（７）製造工程数を少なくできる。しかも、加工速度が速い。その結果、加工費は安価になる。

（８）原価低減率を３０〜４５％にすることが可能である。

本発明によるラックバーの製造方法の一例における１つの工程を示しており、鋼管の穴の中に埋込芯金とその左右の端面にそれぞれ位置決め工具を挿入した状態で熱間鍛造をしたラックバーを示す。ただし、埋込芯金の表面の波形と、左側の位置決め工具は、図示が省略されている。 図１に示す熱間鍛造工程で形成されたラックバーから、埋込芯金を装着したまま、左右の位置決め工具の両方を除去し、さらに、諸工程を経たうえ、仕上げのための冷間鍛造をしたラックバーを示す。ただし、埋込芯金の表面の波形は、図示が省略されている。 図２に示す冷間鍛造品の両端をさらに絞り加工した、本発明のラックバーの一例を詳細に示す。

本発明の好適な実施形態の一例を説明する。

本発明のラックバー及びその製造方法においては、鋼管と、その鋼管よりも軟質の埋込芯金を使用する。そして、鋼管のラック歯成形部を高周波で７００℃〜８００℃に急速に加熱する。さらに、加熱中又は加熱直後に、ラック歯成形部の対応領域の鋼管の穴に棒状の埋込芯金を装着する。その埋込芯金の装着直後に熱間鍛造を行う。それに引続き、熱間鍛造品を徐冷する。その後、必要に応じて、冷間鍛造のための被膜処理を行い、さらに、埋込芯金を装着した状態で、仕上のために冷間鍛造を行う。

仕上冷間鍛造後の製造工程は従来公知の工程と概略同じでよい。

本発明においては、いったん装着した埋込芯金は鍛造品から最後まで除去しない。それゆえ、完成した熱間鍛造品又は冷間鍛造品には、表面に波形を有する埋込芯金が残っている。

本発明の最適の実施形態を詳細に説明する。

（１）パイプ素材として鋼管を使用する。鋼管の中でも、とくに溶接鋼管が最適である。溶接鋼管を使用すると、材料使用重量を低減でき、かつ、完成部品の重量を大幅に軽量化することができる。球状化焼なましが不要である。

（２）鋼管の歯形成形部を局部的に急速加熱する。加熱温度は７００℃〜８００℃とする。このように局部的に急速加熱するのは、変形抵抗を下げることが主目的であるが、別の目的は、結晶粒度が成長して粗大化するのを抑制することである。そのために、加熱温度は変態点以下とする。好ましくは、加熱による表面の酸化を軽減するために加熱直後（３秒以内）に鍛造成形を完了する。そうすれば、完成歯に近い寸法や形状に成形しやすい。

（３）熱間鍛造をする前に、歯形成形部に対応する領域の鋼管の穴内に棒状の埋込芯金を装着する。好ましくは、局部加熱する直前又は加熱中に、鋼管の軸心方向のパイプ状の穴に埋込芯金を装着する。埋込芯金は、鋼管よりも軟質の低炭素鋼で作られた棒状のもの、とくに、軟質の低炭素鋼（例えば、Ｓ１５ＣやＳ１０Ｃ）を使用するのが好ましい。このように鋼管よりも軟質の埋込芯金を装着する主な目的は、熱間鍛造の際に、埋込芯金の表面を波形にすると同時に、最適のラック歯形を形成することである。埋込芯金を使用しない場合に比較して、鋼管よりも軟質の埋込芯金を装着すると、熱間鍛造の際に、ラック歯の底部が厚くなる。従来の硬質の型芯金を使用する場合と比較すると、ラック歯底部の変形抵抗の大きさが約３０％低くなる。軟質の埋込芯金を装着すると、歯面の硬化焼入をした時の歪みも軽減できる。

好ましくは、ラック歯の軸心に対して直角方向の断面形状はＤ形状とする。この場合、操舵力が入力された時、ラック歯の軸心に対して直角方向の断面部分は、円筒部に比較して、撓み量が大きくなろうとするが、埋込芯金を装着すると、ラック歯の軸心に対して直角方向の断面部分の撓み量は小さくなる。さらに、歯面に操舵力が入力した時の歯底部の歪みも小さくなる。

埋込芯金を装着すると、装着しない場合よりも、所望の強度を得るために、材料として使用する鋼管の肉厚を薄く出来る。

（４）本発明によれば、仕上げのために冷間鍛造を行うとき、高い精度を得ることが容易になる。例えば、仕上げ冷間鍛造成形は１回、１工程で済む。それゆえ、寸法や精度のバラツキが小さく、表面粗さが、切削加工品よりも優れている。

（５）仕上げ冷間鍛造後の製造工程は、必要に応じて、従来の製法や工法と同一にすればよい。

（６）焼割れ探傷工程を廃止することが可能である。歯形を熱間鍛造すれば、材料のファイバーを切断しないので、焼割れの発生は無くなる。

（７）本発明の方法は、乗用車のラックピニオン式舵取装置のラックバーの製造方法に適用するのが最適である。

（８）パイプ素材として使用する鋼管の仕様は、ＪＩＳ規格の溶接鋼管から適当なものを選択するのが好ましい。

図示例
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施例を説明する。

出発材料（素材）の鋼管１０として、ＪＩＳ規格の溶接鋼管を使用する。

図１に示すように、鋼管１０の歯形成形部１２の対応領域の穴内に埋込芯金１４を装着して、左右の位置決め工具１６（図には片方のみが示してある）によって埋込芯金１４の両端面を正確な位置に位置決めする。

局部加熱する直前又は加熱中に、鋼管１０の穴に埋込芯金１４を装着する。

鋼管１０の歯形成形部１２を局部的に急速加熱する。加熱温度は７００℃〜８００℃とする。鋼管１０の歯形成形部１２の加熱温度は変態点以下とする。そして、加熱による表面の酸化を軽減するために、加熱直後、特に３秒以内に、鍛造成形を完了する。

埋込芯金１４は、鋼管１０よりも軟質の低炭素鋼（例えばＳ１５Ｃ、Ｓ１０Ｃ等）で作られた棒状のものとする。

図２は、図１に示した熱間鍛造のあと、左右の位置決め工具１６の両方を鋼管１０のパイプ状の穴から除去した状態で、熱間鍛造品を除冷し、被膜処理をしたあと、仕上げのために冷間鍛造をしたラックバーを示す。

位置決め工具１６の存否を除けば、図１と図２は、一見すると、ほぼ同じ状態を示しているように見えるかもしれないが、実際には、図１の状態と図２の状態の間において、熱間鍛造品の除冷、冷間鍛造用の被膜処理、冷間鍛造その他の諸工程が行なわれている。換言すれば、図２は、仕上冷間鍛造後の鍛造品（ラックバー）を示している。

鋼管１０よりも軟質の金属で作られた埋込芯金１４を装着する主な目的は、埋込芯金１４の表面を波形に鍛造成形することである。そして、ラック歯の底部の肉厚を、硬質の内型を使用する従来工法のものに比較して、増すようにする。

例えば、埋込芯金１４の表面は、熱間鍛造前は平坦な棒状のものとし、熱間鍛造によって、ラック歯形２４の成形と同時に、波形に変形させる。ただし、予め波形の表面を有する棒状の埋込芯金１４を使用して、所望の波形表面が形成されるように、熱間鍛造によって波形を変形してもよい。

図１〜２においては図示が省略されているが、好ましくは、図３に示すように、埋込芯金１４の表面の波形は、熱間鍛造時に、特別な形状（好ましくは底部２０の曲面の半径を大きく、かつ幅広にし、それと同時に、頂部２２（山部）の曲面の半径を小さく、かつ幅狭にした形状）に鍛造成形する。熱間鍛造前は平坦な棒状の形状を有する埋込芯金１４を使用する場合でも、このような特別な形状に熱間鍛造で成形できるのは、鋼管１０よりも軟質の埋込芯金１４を使用するからである。

好ましくは、熱間鍛造によって、埋込芯金１４の表面が波形になると同時に、鋼管１０の歯形成形部１２に形成された歯形２４は、歯底２４ａが幅広となり、ラック歯の底部２４ａから頂部２４ｂまでの高さが高くなり、しかも、埋込芯金１４が存在しない場合と比較して、歯形２４の底部２４ａが厚くなるようにする。

また、鋼管１０よりも軟質の埋込芯金１４を使用すると、ラック歯の底部２４ａの変形抵抗の大きさは、従来方法の硬質の型芯金を内側で使用する場合と比較すると、約３０％低くできる。

図示例においては、ラック歯形２４の軸心に対して直角方向の断面形状はＤ形状である。この場合、操舵力が入力された時、ラック歯形２４の軸心に対して直角方向の断面部分は、そのままでは（円筒部に比較して）撓み量が大きくなるが、埋込芯金１４を装着するので、歯形２４の軸心に対して直角方向の断面部分の撓み量は小さくなる。

埋込芯金１４を装着した状態で熱間鍛造をしたラックバーであると、装着しないラックバーよりも、材料として使用する鋼管１０の全体の肉厚を薄く出来る。

熱間鍛造のあと、必要に応じて、図２に示すように仕上げのために冷間鍛造を行い、高い精度を得る。その場合、仕上げ成形は１回、１工程で済む。

さらに、必要に応じて、仕上げのための冷間鍛造後の諸工程は、従来の製法や工法と同様に実施する。

なお、熱間鍛造装置及び冷間鍛造装置は、いずれも、型を除いて、中実の棒状素材を鍛造成形する周知のものを利用できるので、ここでは図示及び説明を省略する。型も、中実の棒状素材を鍛造成形する周知のものを利用できるが、前述のような本発明の特徴（とくに熱間鍛造後及び冷間鍛造後の各々の格別のラック歯形や埋込芯金の表面形状）が際立つように、適当な型を設計することが好ましい。

１０ 鋼管
１２ 歯形成形部
１４ 埋込芯金
１６ 位置決め工具
２０ 底部
２２ 頂部
２４ 歯形
２４ａ ラック歯の底部
２４ｂ ラック歯の頂部

Claims (7)

1. 鋼管（１０）の穴に埋込芯金（１４）を装着してラック歯成形部を鍛造成形したラックバーであって、棒状の埋込芯金（１４）が鋼管（１０）よりも軟質の金属で作られており、埋込芯金（１４）の表面に波形が形成されていて、その埋込芯金（１４）の表面の波形が、底部（２０）の曲面の半径を大きく、かつ幅広にし、頂部（２２）の曲面の半径を小さく、かつ幅狭にした形状になっていることを特徴とするラックバー。
2. 鋼管（１０）が溶接鋼管であり、埋込芯金（１４）が軟質の低炭素鋼であることを特徴とする請求項１に記載のラックバー。
3. 鋼管（１０）のラック歯成形部（１２）を高周波で７００℃〜８００℃に急速に加熱する工程と、
   加熱中又は加熱直後に、ラック歯成形部（１２）に対応する領域の鋼管（１０）の穴の中に、鋼管（１０）よりも軟質の金属で作られた棒状の埋込芯金（１４）を装着する工程と、
   棒状の埋込芯金（１４）を装着した状態で、熱間鍛造を行う工程と、
   を含み、
   熱間鍛造のときに埋込芯金（１４）の表面に形成される波形が、底部（２０）の曲面の半径を大きく、かつ幅広にし、それと同時に、頂部（２２）の曲面の半径を小さく、かつ幅狭にした形状であることを特徴とする、ラックバーの製造方法。
4. 熱間鍛造に引続き、熱間鍛造品を徐冷する工程と、
   その徐冷の後、冷間鍛造のための被膜処理を行う工程と、
   棒状の埋込芯金（１４）を装着した状態で、仕上のために冷間鍛造を行う工程と、
   を含むことを特徴とする、請求項３に記載のラックバーの製造方法。
5. 埋込芯金（１４）の表面は、熱間鍛造前は平坦な棒状のものとし、熱間鍛造によって、ラック歯形（２４）を成形すると同時に、埋込芯金（１４）の表面に波形を形成することを特徴とする請求項３又は４に記載のラックバーの製造方法。
6. 棒状の埋込芯金（１４）の表面は、熱間鍛造前に予め波形の表面を有し、熱間鍛造によって、ラック歯形（２４）を成形すると同時に、埋込芯金（１４）の表面の波形を前述の波形の形状に変形させることを特徴とする請求項３又は４に記載のラックバーの製造方法。
7. 鋼管（１０）が溶接鋼管であり、埋込芯金（１４）が軟質の低炭素鋼であることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載のラックバーの製造方法。

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