JP4839250B2 - 筒状塑性加工体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の一部を塑性変形させて筒状の塑性加工体を製造する方法に関する。

従来より動力伝達部品として、例えば鋼管の一部に歯形、ねじ溝等を形成したものが多
く製造されてきている。その場合の製造方法としては、上記歯形等を切削法により切り出
すことが多いが、近年、鋼管の一部に歯型等を押圧して所望の形状に塑性変形させる成形
方法が多用されている。この成形方法の方が部品全体として軽く、また、得られた歯形等
の強度が高いからであり、従来から多くの製造方法が紹介されている。

例えば特許文献１では、図５（ａ）の如き鋼管５０の外周面の一部に複数のラック歯５
１からなる歯部５２を成形する、いわゆるラックバーＬの製造方法を提案している。

このラックバーＬの製造方法は、まず図５（ｂ）のような鋼管５０の表面の一部を上方
からプレス加工して中心方向に変位した平面部分５３を形成する。（この工程を以下、平
潰し工程という。）
次に、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）の鋼管５０の全体を、下面にラック歯５１
の歯型を有する雄型５４と、この雄型が嵌り合う雌型５５とでクランプした後、鋼管５０
の内部から上記平面部５３の裏面５３ａに、底部５０ａから裏面５３ａまでの高さｈ１よ
りも大なる高さｈ２（ｈ２＞ｈ１）を有する断面が略欠円状のマンドレル５６を強制的に
圧入する。そして、平面部５３の肉厚を雄型５３の歯型内に塑性変形させて食い込ますこ
とにより、平面部５３上に歯部５２を成形せんとするものである。

このような塑性変形によるラックバーの歯形成形方法は、その他、特許文献２にも記載
されている。すなわち、この文献２に記載の歯形成形方法は、歯形の成形原理は上記と同
様であるが、マンドレルを鋼管の両側から交互に圧入する点が異なるものである。
特公平３−５８９２号公報(請求項１、図１、図４、図５) 特開２００２−８６２４３号公報(請求項１、図４)

しかしながら、上記特許文献１に記載の製造方法は、歯部５２の底部５０ａは塑性変形
を加えないのに対し、平面部５３は複数回にわたる塑性加工により鋼管軸方向に引き延ば
されるため、マンドレル５５による圧入操作の進行と共に歯部５２が軸方向に延び、結局
得られるラックバーの歯部５２は図５（ｄ）に示すように、上方に凸状に曲がり、右端部
の曲がり量をダイアルゲージ５７で計測すると、基端部Ｏを通過する中心線Ｃに対してδ
だけ曲がったものとなる。

この曲がり量δは、数ミリ程度と大きく、このまま後工程にまわすには許容限度を超え
ており、本工程内での矯正が必要である。しかるに、この歯部５２の曲がり量δは、ラッ
クバー全体の中の局部的な曲がりであるため、従来の通常の矯正手段では工程外に取り出
して別工程で行うなど、矯正工程の負担が大きいものとなっていた。

この問題は、上記特許文献２に記載の成形方法においても、当該方法がマンドレルを鋼
管の両側から交互に圧入する方法を採用する点を特徴としているとはいえ、鋼管の平面部
の裏面のみをマンドレルを強制的に圧入、加工して、当該平面部の肉を雄型内に塑性変形
させる点では全く同じ手法を採用しているので、特許文献１と全く同様の問題を惹起して
いた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、塑性加工によるラック歯等の成形
工程中において、成形工程中の曲がりの発生を容易に抑制できると共に、仮に曲がりが発
生した場合においても特別の矯正工程を要することなく、工程内で容易に矯正できる筒状
塑性加工体の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る本発明の筒状塑性加工体の製造方法は、筒体
の外周上の加工対象部に対し、筒体軸と略直交する方向に雄型を押し込んで前記加工対象
部を前記筒体軸の中心方向に変位させた後、前記筒体の内部にマンドレルを押し込み、前
記加工対象部の裏面をしごいて前記加工対象部の肉厚を前記雄型方向に塑性変形させるこ
とにより、前記加工対象部に前記雄型に対応する表面形状を成形する筒状塑性加工体の製
造方法であって、前記筒体の加工対象部の裏面を、該裏面方向に突出した段差部を有する
マンドレルでしごいた後、さらに該加工対象部と反対側の筒体内周面を、該内周面方向に
突出した段差部を有するマンドレルでしごくことを特徴とする。

（削除）

請求項１に係る本発明の筒状塑性加工体の製造方法よれば、その製造工程において、筒
体の加工対象部の裏面をマンドレルでしごいた後、さらに該加工対象部と反対側の筒体内
周面をマンドレルでしごくので、両部分の応力バランスが保たれ、製造工程中で発生する
曲がりを容易に矯正することができる。

また、この矯正作業は、本発明の製造工程中で行えるので、仮に筒状部材に曲がりが発
生した場合においても特別の矯正工程を要することなく、容易に矯正が可能であり、サイ
クルタイムが短くなると共に、製造コストの低減に寄与し得る。

（削除）

以下、本発明を実施するための最良の形態（実施例）を、実施例の図面を参照して説明
する。

図１は、請求項１に係る筒状塑性加工体の製造方法の一例の全工程図であり、本図を参
照して本実施例の製造方法を説明する。

図１（ａ）は、ワークＷのセット工程（Ｓ１）であり、例えば前述した図５(ａ)のよう
な筒状塑性加工体を製造するに際し、まず筒状成形体の素材となるワークＷを雄型１と雌
型２とからなる金型３にセットする。

ここで、本発明で使用する各部材について概説すると、ワークＷは、本実施例では外径
Ｄを有する筒状の軸部４と、軸部４よりは小さな外径ｄ１を有する筒状の歯部５とが一体
に構成された素管である。

また、本実施例では「筒状成形体」として、前述したラックバーを例にとって説明する
が、本発明で言う「筒状成形体」とは、このようなラックバーに限られず、塑性加工対象
部の形状がねじ、その他の形状をも含む広い概念のものである。

さらに、本発明における筒状成形体の「曲がり」とは、通常の二次元平面内の曲がりや
歪みの他、三次元方向に発生する捻れや歪み等をも含む広い概念のものであり、これらを
総称して単に以下「曲がり」と称する。

雄型１は、両端部がシャンク部１ａとなっている細長い形状をした例えば工具鋼などの
硬い材質からなる金型であり、下面には長手方向に複数のラック歯１ｂが形成されている
ものである。また、図示しない例えば、油圧、水圧シリンダー等の適宜の流体プレス装置
により、雌型２の方向に移動してワークＷを塑性変形させるに十分なプレス力と適宜の機
構を有している。

一方、雌型２は、内部にワークＷと同一断面形状の図示省略の空洞が形成されていると
共に、上方は雄型１の投影平面が嵌入し得るだけ図示省略の空間が設けられている。雌型
２は、適宜の数に分割されて、ワークＷを保持しやすいようになっていてもよい。

以上のように構成された雌型２内にまずワークＷをセットし、型締めして工程Ｓ１を終
える。

次に、図１（ｂ）のワークＷの平潰し工程（Ｓ２）において、雄型１を雌型２中のワー
クＷに押し込むことにより、ワークＷの歯部５の外周面の一部を塑性変形させて平潰し（
圧壊）し、歯部５の上面に平面部６を形成する。

次に、図１（ｃ）の歯成形工程Ａ（Ｓ３）において、上型１の下型２に対するクランプ
力を保持したままで、ワークＷの平面部６に対し、マンドレル７Ａを図示しない油圧シリ
ンダ等の適当な手段で軸部４側から強制的に圧入して押し込み、平面部６の裏面６ａをし
ごく。

この場合のマンドレル７Ａは、その先端部に、上面が平面部６の裏面６ａに当接する平
坦面７ａを有すると共に、下面がワークＷの歯部５の内径ｄ２と同一外径の外周面７ｂを
有する導入部７が形成されているものを用いる。

導入部７の後方には、平面部６の裏面６ａ方向に突出した段差部７ｃが形成され、この
段差部でマンドレル７Ａの圧入時に裏面６ａをしごくことにより、平面部６の肉を雄型１
の歯溝内に塑性変形させる作用をする。なお、ここでいう「段差部」とは、本実施例のよ
うに階段状に高さが高くなった後においても、その高さが維持されるものを指すほか、部
分的に高さが高くなる凸状部も含む概念のものである。

すなわち、マンドレル７Ａは、導入部７の高さをＨ１とし、段差部７ｃの高さをＨ２と
すると、この段差部７ｃにより、ワークＷの平面部６の肉が段差部７ｃの高さの差分（Ｈ
２−Ｈ１）だけ上方に塑性変形して押し込まれ、雄型１のラック歯１ｂ間に食い込むこと
になる。本発明において、「しごく」とはこのような作用、効果が得られる操作を指すも
のである。

この工程Ｓ３終了後のワークＷは、歯部５の内面からの塑性加工により歯部５の肉が軸
方向に引き伸ばされるので、仮に上型１を開いたならば、ワークＷは上方が凸部となった
湾曲状態のものとなる。

本工程終了時における歯部５の底部５ａからその裏面６ａまでの高さは、マンドレル７
Ａの高さＨ２と同じ高さに形成されている。

次に、図１（ｄ）の歯成形工程Ｂ（Ｓ４）に示すように、本工程では、型締めをした状
態で、今度は逆方向からマンドレル７Ｂを強制的に圧入して歯部５の裏面６ａをしごくの
である。

この場合のマンドレル７Ｂは、前工程において、歯部５の底部５ａからその裏面６ａま
での高さが既にＨ２の高さに塑性変形されているので、導入部７の高さをＨ２とし、次の
段差部７ｄの高さを前述の高さＨ２よりは高いが平面部６の表面６ｂよりも低い高さＨ３
（Ｈ３＞Ｈ２）となったものを用いる。

このマンドレルを用いれば、平面部６は、底部５ａから裏面６ａまでの高さが高くなっ
た分（Ｈ３−Ｈ２）だけ上方に押し上げられるので、この分、雄型１の歯間方向への塑性
変形による押し込みが進むことになる。

このように、段差部の位置が次第に上方位置に変化するマンドレルを予め複数本用意し
ておき、これらを交互に異なる方向から順次ワークＷの歯部５に圧入して、歯部５の裏面
５ａをワークの内部から複数回しごくことにより、最終的には歯丈が目標高さとなるラッ
ク歯１ｂを得る。

このような目標とするラック歯１ｂに対応する歯のラック歯が得られるまでのマンドレ
ルの圧入回数と、その圧入速度、マンドレルの材質と段差部の高さなどは、ワークＷに加
えるべき塑性変形量である、例えばワーク材質とその平面部の肉厚、成形すべきラック歯
の高さ（モジュール）等を考慮して容易に、適宜決定することができる。

また、段差部７ｃ、７ｄの数は、図では一箇所であるが、上記条件を考慮してマンドレ
ル７Ａ、７Ｂの軸方向に複数個を所定間隔で設けると、しごき工程のサイクルタイムが短
くなるので好ましい。

なお、マンドレルの材質としては、工具鋼などの硬い材質のものが好ましく、段差部に
焼入れ加工を施すのがより好ましい。

しかし、この工程終了時においては、図５（ｄ）で前述したとおり、ワークＷの平面部
６に対する塑性加工の程度がさらに進むため、歯型の完成度は高くなるが、ラックバーの
曲がりとしては上方がさらに凸状態に湾曲した、許容限界を超えたワークＷとなる。

そこで、本発明では、次の図１（ｅ）に示す曲がり矯正工程（Ｓ５）を新たに加えるこ
とにより、しごき工程中に発生したワークＷの曲がりを許容限度範囲内にまで矯正する。

すなわち、本工程（Ｓ５）は、図に示すように、今度はワークＷの底部５ａに段差部７
ｅを有するマンドレル７Ｃを用いて、今度はワークＷの平面部６とは反対側の歯部２の底
部５ａをしごくことを特徴とするものである。

図２は、この図１（ｅ）の曲がり矯正工程図を拡大したもので、図中、図２（ａ）は、
本工程の金型及びワークの縦断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）金型等のＡ−Ａ矢視の断
面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のマンドレルのＡ’−Ａ’矢視の断面図、図２（ｄ）は
、図２（ａ）のマンドレルのＡ−Ａ矢視の断面図である。

図に示すように、本工程で用いるマンドレル７Ｃは、その先端部に、上面が平面部６の
裏面６ａに当接する平坦面７ｆを有すると共に、下面がワークＷの歯部５の内径ｄ２と同
一外径の外周面７ｇを有し、両側面は削ぎ落とした形状の導入部７ｈが形成されている。
したがって、マンドレル７ＣのワークＷ内への圧入時には、当該導入部７ｈがガイド部と
なるので、スムーズに圧入できる。

また、導入部７ｈの後方には、平面部６とは反対側の内周面５ａ方向に突出した段差部
７ｅが形成されており、マンドレル７Ｃの圧入時に今度は平面部６とは反対側の内周面５
ａをしごく。

この場合のマンドレル７Ｃの段差部７ｅの高さは、前工程において、歯部５の底部５ａ
からその裏面６ａまでの高さが既にＨ３の高さに塑性変形されているので、導入部７ｈの
高さをＨ３とし、次の段差部７ｅの高さを前述の高さＨ３よりも高くしたＨ４（Ｈ４＞Ｈ
３）としたものを用いる。

このしごき操作により、上方に凸状に曲がったワークＷは、今度は逆方向に曲げる作用
を受け、最終的には曲がりが矯正される。

以上のＳ１〜Ｓ５工程による本実施例の作用及び効果を示したのが図３である。

図において、横軸（Ｘ）は、歯部５の基端部Ｏ（図５（ｄ）参照）からの水平距離を、
縦軸（Ｙ）は、マンドレルの圧入による上下方向の曲がり量(δ)を示しており、下方に曲
線I〜IIIが存在するのは下方に曲がっていることを示している。

本図において、曲線Iは、前述の工程Ｓ３の第１回目のマンドレル７Ａの圧入による歯
部５の曲がり量をダイアルゲージ５７で測定した値を示しており、軸端に行くにしたがい
、曲がりが蓄積されて大きくなり、軸端では曲がり量はδ１となる。

次の曲線IIは、前述の工程Ｓ４による第２回目のマンドレル７Ｂの圧入による歯部５の
曲がり量を同様にダイアルゲージ５７で測定した値を示しており、曲がり量は第１回分に
今回分が加算されて同様に軸端に行くにしたがいさらに大きくなり、軸端での曲がり量は
δ２となる。

曲線IIIは、前述の矯正工程Ｓ５による第３回目のマンドレル７Ｃの圧入による歯部５
の曲がり量を示しており、ワークＷの加工対象部である歯部５の反対側である内周面の下
部５ａをマンドレル７Ｃの段差部７ｅでしごくので、加工対象部としごいた部分との応力
バランスが保たれ、歯の塑性加工中の曲がりの発生が矯正され、ラックバーの真直度は許
容限度内の曲がり量δ３に収まる。

この矯正工程Ｓ５中でのマンドレル７Ｃの圧入回数は、歯部５形成後のワークＷの曲が
り具合を考慮して適宜の回数に決定することができるが、本矯正工程の操作は、工程Ｓ３
、Ｓ４のような大きな塑性変形を伴うものではないので、複数回のしごき操作が必要とな
る前述のラック歯形成工程Ｓ１〜Ｓ４に比べて一回程度ですみ、容易に曲がりを許容限度
範囲内に矯正することができる。

そして、その修正のメカニズムは、歯部５の平面部６とは反対側の内周面５ａを段差部
７ｅでしごくことにより、歯部５の裏面６ａとこの内周面上の底部５ａとの応力や残留応
力との応力バランスが確保される結果、曲がりが矯正されるものと考えられる。

また、本実施例の製造方法は、ワークＷを工程外に取り出さずに全て一連の工程内で行
うので、平潰し工程を特別の工程を経ずして行うことが可能であると共に、以上に詳述し
た曲がり矯正工程も特別の矯正工程を要することなく可能であるため、サイクルタイムが
短くなると共に、製造コストの低減に寄与し得る効果を奏する。

更に、本実施例の製造方法は、冷間加工雰囲気下で行うので寸法精度の高いラック歯１
ｂの歯列を有するラックバーが得られる。
［参考例］

本参考例は、図４（ａ）の縦断面図に示すように、マンドレル７Ｄの上部と下部とにも
それぞれ段差部７ｊと段差部７ｉとを設けたものであり、その他の雄型１、雌型２及びマ
ンドレル７Ｄの先端部等の構成については実施例１の場合と同様である。

すなわち、この参考例では、マンドレル７Ｄの上部の段差部７ｊにより、ワークＷの平
面部６の裏面６ａを内部からしごく。それと同時に歯部５の内周面の底部５ａをも下方の
段差部７ｉでしごくので、実施例１の図１（ｄ）のラック歯形成工程（Ｓ４）を省略する
ことができ、迅速な曲がり矯正作業を実現することができる。

なお、この参考例のマンドレル７Ｄは、マンドレルの上下部に段差部７ｊ、７ｉを有す
るので、マンドレルの圧入時に圧入抵抗がかかる場合は、段差部の高さを適宜調整したり
、しごき中に潤滑油を注入することで圧入抵抗を軽減することができる。

本発明に係る筒状塑性加工体の製造方法を説明する工程図であり、このうち図１（ａ）はワークのセット工程の縦断面図、図１（ｂ）は平潰し工程の縦断面図、図１（ｃ）は歯成形工程Ａの縦断面図、図１（ｄ）は歯成形工程Ｂの縦断面図、図１（ｅ）は曲がり矯正工程の縦断面図である。 図２（ａ）は、図１（ｅ）の曲がり矯正工程の拡大縦断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のマンドレルのＡ’−Ａ’矢視の断面図、図２（ｄ）は、Ａ−Ａ矢視の断面図である。 実施例１の製造方法の作用及び効果を説明する図である。 図４（ａ）は、図２の製造方法の参考例としての縦断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のマンドレルのＢ’− Ｂ’矢視の断面図、図４（ｄ）は、図４（ａ）のマンドレルのＢ− Ｂ矢視の断面図である。 従来のラック歯の製造方法を説明する図で、このうち図５（ａ）は従来のラックバーの斜視図、図５（ｂ）は、その中間製品の斜視図、図５（ｃ）は従来のラックバーの製造金型の縦断面図、図５（ｄ）は従来製品の曲がり状態を示す模式図である。

１ 雄型
２ 雌型
３ 金型
４ 軸部
５ 歯部
６ 平面部（押し込み部分）
７d、７ｅ、７ｉ、７ｊ 段差部
７Ａ〜７Ｄ マンドレル
Ｗ ワーク（筒体）

Claims (1)

1. 筒体の外周上の加工対象部に対し、筒体軸と略直交する方向に雄型を押し込んで前記加工対象部を前記筒体軸の中心方向に変位させた後、前記筒体の内部にマンドレルを押し込み、前記加工対象部の裏面をしごいて前記加工対象部の肉厚を前記雄型方向に塑性変形させることにより、前記加工対象部に前記雄型に対応する表面形状を成形する筒状塑性加工体の製造方法であって、
   前記筒体の加工対象部の裏面を、該裏面方向に突出した段差部を有するマンドレルでしごいた後、さらに該加工対象部と反対側の筒体内周面を、該内周面方向に突出した段差部を有するマンドレルでしごくことを特徴とする筒状塑性加工体の製造方法。

Images