JP5204985B2 - 芯金セット - Google Patents

Description

本発明は、自動車のパワーステーリング装置等に使用される中空ラックバー等の中空部品を製造するために用いられる芯金を複数備えた芯金セットに関し、特に加工を円滑に行うことができるものに関する。

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（中空部品）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。しかしながら、複雑な形状及び軽量化に対応するため、パイプ材から転写鍛造によって製造するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、まず、パイプ材を冷間鍛造金型によって加圧することにより歯成形工程の第一工程として上面が平坦に形成され、次工程でパイプ材の空洞に芯金が圧入される。芯金はテーパ状の突起部を有しており、突起部がパイプ材の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出され、パイプ材の外周平坦部に成形型の歯列に対応した形状の直線方向の歯列が転写方式にて付与され、ラックバーとすることができる。

このような芯金は、突起部の突起量を少しずつ大きくした複数個のセットから形成されており、中空ラックバーの径、材質、成形型の形状等によって最適な組合せを用いるようにしていた。
特公平３−５８９２号公報 特開２００３−０２６７０３号公報

上述した芯金セットでは、次のような問題があった。すなわち、芯金がパイプ材から受ける反力は突起量が大きくなる、すなわち加工終盤になるにしたがって大きくなるため、前の番手の芯金の最大突起量に対し、次の番手の芯金の最大突起量を大きく設定しすぎると、圧入時に必要な荷重が大きくなり、駆動源の容量を超え、芯金を圧入できないことがあった。

また、パイプ材は、芯金が圧入方向に通過後、スプリングバックにより僅かに戻り、内径が小さくなる。このため、次の番の芯金を圧入させる際に、最大突出量を有する突起部をパイプ材の内壁面に最初に接触させると、大きい負荷を受け、芯金に過大な圧力がかかる。このため、芯金の寿命が短くなることが多かった。

さらに、何らかの要因で平坦部形成時に異常にパイプ材の内径が小さくなることがあった。このような場合に、通常の芯金を圧入すると芯金が折損することがあった。

そこで、圧入時に必要な荷重を極端に大きくすること無く、また折損を防止することができる芯金セットを提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の芯金セットは次のように構成されている。

金型に保持された中空素材の内部空洞に圧入されることにより前記中空素材の肉を金型に向けて内径側から張出させることで中空ラックバーを製造する方法に使用される芯金を１〜Ｍ番のＭ個有する芯金セットにおいて、前記芯金は、前記中空素材の中空部の最小断面領域よりも小さい最大断面領域を有する棒材と、この棒材に突設され、１番からＭ番にかけてその最大突起量が漸次大きくなるように設定された複数の突起部と、前記複数の突起部のうち、最大突起量を有する突起部は中央側に位置し、前記棒材の先端の高さは、１つ前の番号の芯金の最大突起量より小さく設定され、前記芯金の端部側の突起部の突起量は１つ前の番号の芯金の突起部の最大突起量よりも大きく設定されていることを特徴とする芯金セット。

金型に保持された中空素材の内部空洞に圧入されることにより前記中空素材の肉を金型に向けて内径側から張出させることで中空ラックバーを製造する方法に使用される芯金を１〜Ｍ番のＭ個有する芯金セットにおいて、前記芯金は、前記中空素材の中空部の最小断面領域よりも小さい最大断面領域を有する棒材と、この棒材に突設され、１番からＭ番にかけてその最大突起量が漸次大きくなるように設定された突起部と、１番の芯金の最大突起量は、前記中空素材の内径より十分小さく設定され、ＮをＭ以下の整数としたとき、前記突起部の最大突起量は、（Ｎ−２）番と（Ｎ−１）番との差より、（Ｎ−１）番とＮ番との差が小さく設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、圧入時に必要な荷重を極端に大きくすること無く、また折損を防止することが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る芯金セット（芯金セット）の１つの芯金１０を示す側面図、図２は芯金１０が用いられる中空ラックバー製造装置１００を示す要部断面図である。なお、図２中Ｐは鉄製のパイプ（中空素材）を示している。

芯金１０は、半円形状の棒材１１を備えている。棒材１１は、最初にパイプ材Ｐに挿入される圧入方向の先端側に位置する先端部１２と、駆動装置に連結された基端部１３とを備えている。

この棒材１１には、上面は全体としては平坦であるが、棒材１１の軸方向に沿って３つの突起部２１，２２，２３が一体に設けられている。棒材１１はその底面側でパイプ材Ｐの内周面と密着しており、鍛造工程中はバイプＰの内周面との密着を維持しながらパイプ材Ｐの軸方向における直線移動が可能である。また、パイプ材Ｐの中空部の最小断面領域よりも小さい最大断面領域を有している。すなわち、後述するように、パイプ材Ｐの平坦部Ｐａが平坦化された後であっても円滑に移動できるような大きさに形成されている。

各突起部２１〜２３は、緩やかなテーパ状の案内面が形成されており、成形時の流動抵抗に関わらず芯金１０のスムーズな動きが得られるようになっている。３つの突起部２１〜２３のそれぞれの最大突出量Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃであり、その高さの関係は、
Ｈａ＜Ｈｂ、Ｈｂ＞Ｈｃ
となっている。

すなわち、軸方向中央側に位置する突起部２２が最大突起部であり、その最大突出量Ｈｂはパイプ材Ｐや芯金１０の材質、加工温度、治具交換コスト、加工時間等から最適なものが選択される。さらに、突起部２１，２３のそれぞれの突出量Ｈａ，Ｈｃは、芯金１０の圧入・後退後にパイプ材Ｐにスプリングバッグが生ずることから、スプリングバッグを配慮した上で適正に張出しが行われるように設定される。

突起部２２の突起量、すなわち芯金１０の最大突起量は、図３に示すようにして定められる。すなわち、１番からＭ番にかけてその最大突起量が漸次大きくなるように設定されているとともに、ＮをＭ以下の整数としたとき、最大突起量は、（Ｎ−２）番と（Ｎ−１）番との差より、（Ｎ−１）番とＮ番との差が小さく設定されている。言い換えれば、１番からＭ番にかけてその最大突起量は増大するものの、その差は少しずつ小さくなっている。

一方、芯金１０の棒材１１の先端の高さＨｓは、その前の番手の芯金１０の突起部２２の最大突起量よりも小さく設定されている。但し、突起部２１はその前の番手の芯金１０の突起部２２の最大突起量よりも大きく設定されている。さらに、１番の最大突起量はパイプ材Ｐの内径より十分小さく設定されている。

次に、この芯金１０を用いる中空ラックバー製造装置１００の構成について説明する。中空ラックバー製造装置１００は、鉄製パイプ材Ｐを保持する下型１１０及び上型１２０とを備えている。中空ラックバー製造装置１００は、下型１１０及び上型１２０に保持されたパイプ材Ｐの内部空洞に芯金１０を圧入させることによりパイプ材Ｐの肉を後述する歯型１３０に向けて内径側から張出させることで中空ラックバーを製造する装置である。

下型１１０は横断面において半円形の内周面１１１を備え、この半円形の内周面１１１にパイプ材Ｐが載置される。上型１２０はその上側の内面が所定長さに亘って長さ方向に間隔をおいた歯型１３０を着脱自在に備えており、転写鍛造によりパイプ材Ｐの上面における所定長さの部位に歯型１３０の凹凸に応じてラックを形成することができる。

このように構成された中空ラックバー製造装置１００及び芯金１０，１０Ａを用いてパイプ材Ｐの鍛造加工を行う。

予め、別の型を用いてパイプ材Ｐの中央部を中凹状に平潰し、中凹の半円形状とした平坦部Ｐａを形成する。このパイプ材Ｐを上型１２０及び下型１１０間に保持し、パイプ材Ｐの平坦部Ｐａが歯型１３０に当接するように位置決めする。

この状態においてパイプ材Ｐに対する芯金１０の圧入が開始される。芯金１０はその先端１２よりパイプ材Ｐの中空部に導入される。そして、テーパ状の案内面を介して最初の突起部２１がパイプ材Ｐの平坦部Ｐａの内面に作用し、パイプ材Ｐの肉は歯型１３０の歯形に向けて張出される。そして、芯金１０の圧入が続けられることにより順次突起部２２，２３による肉の張出しを受け、圧入鍛造が行われる。

次に、後退方向に芯金１０を移動するとともに、芯金１０Ａを圧入することで、交互に圧入鍛造を行う。

このようにして、芯金１０，１０Ａの圧入・後退が行われ、圧入鍛造を行う。次に、次の番手の芯金１０，１０Ａの圧入・後退を行う。以降、同様にして芯金１０の番手を１つずつ大きくしながら、所定の工程を繰り返すことで、最終的な加工が完了する。最終的に、芯金１０の高さは芯金圧入によりパイプ材Ｐの肉が歯型１３０の凹凸に対応して十分に張出されたラックの転写鍛造を完了する。

前述したように、１番からＭ番にかけて突起部２２の最大突起量は増大するものの、その差は少しずつ小さくなっている。このため、図４に示すように転写鍛造が終盤になっても芯金１０を圧入するために必要な荷重が急激に増大することがない。したがって、駆動源の容量を超えて芯金１０を圧入できないことや、過大な反力により芯金１０の寿命を短くすることは無い。

一方、芯金１０の棒材１１の先端高さＨＳは、その前の番手の芯金１０の突起部２２の最大突起量よりも小さく設定されているため、前の番手の芯金１０で行った転写鍛造において、平坦部Ｐａの内径がスプリングバックによって小径化した場合であっても、次の番手の芯金１０の突起部２１，２３がパイプ材Ｐの内径側に衝突しても、過大な反力を受けない。したがって、芯金１０に過大な負担がかからず、芯金１０の寿命を短くすることは無い。

さらに、１番の芯金１０の棒材１１の先端の高さＨｓはパイプ材Ｐの内径より十分小さく、最小断面領域と同等に設定されているため、何らかの要因で平坦部Ｐａ形成時に異常に平坦部Ｐａの内径が小さくなることがあっても、芯金１０を圧入することが可能であり、転写鍛造を継続できる。なお、パイプ材Ｐの平坦部Ｐａが設定通りに形成された場合には、１番の芯金１０はの平坦部Ｐａの内径側に衝突することがなく、荷重はほとんどかからない。

図５及び図６は、パイプ材Ｐの内径が異なる場合の各番手の芯金１０の最大突起量の設定値の一例を示すグラフである。

上述したように、本実施の形態に係る芯金セットによれば、転写鍛造終盤になっても圧入時に必要な荷重が極端に大きくなることがないため、駆動装置の容量を小さくでき、装置コストや生産コストを低減することができる。同時に、下型１１０及び上型１２０に荷重を加えるプレス機も大型化の必要がなくなり、装置コストや生産コストを低減することができる。

また、また次の番手の芯金１０を用いたときにスプリングバックによる過大な圧力がかからず、芯金１０の折損を防止することができる。さらに、何らかの要因で平坦部Ｐａの形成時に異常に平坦部Ｐａの内径が小さくなることがあっても、転写鍛造を継続することが可能である。また、設備にダメージを与えることがなく、円滑な生産が可能となる。

図７は本発明の第２の実施の形態に係る芯金セットの１つである短尺型の芯金１０Ｂを示す側面図、図８〜図１０は同芯金セットを用いる中空ラックバー製造装置２００を示す図である。図８は金型及び芯金ホルダまわりを芯金が挟持された状態、図９は金型及び芯金ホルダまわりを芯金受け渡し状態、図１０は金型及び芯金ホルダまわりを芯金の圧入が完了した状態で示している。図７において、図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

芯金１０Ｂの棒材１１の長さは、後述する歯型２１３の歯部の長さの半分以下と短い。

中空ラックバーの製造装置２００は、金型２１０、複数の芯金１０Ｂのセットを収納する芯金ホルダ２２０、第１の芯金押棒２３０、第２の芯金押棒２４０、及び芯金ガイド２５０等を備えている。

金型２１０は、鉄製パイプ材Ｐを保持する下型２１１及び上型２１２とを備えている。下型２１１は横断面において半円形の内周面２１１ａを備え、この半円形の内周面２１１ａにパイプ材Ｐが載置される。上型２１２はその上側の内面が所定長さに亘って長さ方向に間隔をおいた歯型２１３を着脱自在に備えており、転写鍛造によりパイプ材Ｐの上面における所定長さの部位に歯型２１３の凹凸に応じてラックを形成することができる。

芯金ホルダ２２０は、金型２１０の片側、例えば図８〜図１０において金型２１０の右隣にのみ配置されている。図８〜図１０に示すように芯金ホルダ２２０は複数の保持孔２２１を有している。これらの保持孔２２１はパイプ材Ｐが延びる方向に芯金ホルダ２２０を貫通していて、その内部に芯金１０Ｂが個別に収容されている。収容された芯金１０Ｂは、金型２１０に対する適正な姿勢で、かつ、不用意に脱落しないように図示しない板ばね等により保持されるようになっている。芯金ホルダ２２０に支持された各芯金１０Ｂは、金型２１０に対して第１の芯金押棒２３０が挿脱される側に位置されている。

芯金ホルダ２２０はホルダ駆動部（不図示）により移動される。この駆動が行われるたびに、複数の保持孔２２１の内の一つが順次選択されて互いに合わさったパイプ材Ｐの一端に対向される。そのため、芯金ホルダ２２０に支持された芯金１０Ｂを順次パイプ材Ｐ内に出し入れすることが可能である。このために、ホルダ駆動部で芯金ホルダ２２０を図８〜図１０中上下方向(縦方向)に一定ピッチずつ移動させている。しかし、これに代えて、横方向（図８〜図１０を描いた紙面の表裏方向）に移動させてもよい。或いは、芯金ホルダー２２０を回転可能に設けて、ホルダー駆動部で所定角度ずつ回転させることもできる。

第１の芯金押棒２３０の先端側は、金型２１０に保持されたパイプ材Ｐに対して挿脱自在に形成されている。その際、芯金１０Ｂを伴って金型２１０に保持されたパイプ材Ｐに挿入される。なお、図８〜図１０中符号２６０は管状の押棒ガイドを示している。

第２の芯金押棒２４０の先端側は、金型２１０に保持されたパイプ材Ｐに対して挿脱自在に形成されている。

図８〜図１０に示すように芯金ガイド２５０は、金型２１０と芯金ホルダ２２０との間に、かつ、金型２１０に寄せて配置されている。この芯金ガイド２５０は、金属等からなりその厚み方向に貫通した通孔２５１を有している。通孔２５１は金型２１０に保持されたパイプ材Ｐの中空部に連通されている。

次に、以上の構成の中空ラックバー製造装置２００を用いて中空のラックバーを製造する手順を説明する。セットされたパイプ材Ｐは金型２１０内に配置され、パイプ材Ｐの他端側は金型２１０から突出される。又、型締めによって、下型２１１及び上型２１２とで挟持されるとともに、平坦部Ｐａに歯型２１３が当接される。

このセット作業の前又は後に、芯金ホルダ２２０を動作させて、それに収容された複数の芯金１０Ｂの内の一つを、芯金ガイド２５０の通孔２５１に対向した状態に保持する。これとともに、通孔２５１に対向した芯金１０Ｂの右端に第１の芯金押棒２３０の先端を係合させる。

次に、第２の芯金押棒２４０がパイプ材Ｐ内に挿入され、第２の芯金押棒２４０の先端がパイプ材Ｐ及び芯金ガイド２５０の通孔２５１を挿通して、この通孔２５１に対向している芯金ホルダ２２０内の芯金１０Ｂの左端に当たるようになる。したがって、通孔２５１内の芯金１０Ｂがその軸方向両端からこれら両端に接した第１の芯金押棒２３０と第２の芯金押棒２４０とで挟持される。

この後、第１の芯金押棒２３０が、芯金ホルダ２２０の保持孔２２１及び芯金ガイド２５０の通孔２５１を通って、図９に示すように金型２１０に保持されたパイプ材Ｐ内に挿入される。

この時、芯金１０Ｂは、第１の芯金押棒２３０と第２の芯金押棒２４０とで挟持された状態のままで、第１の芯金押棒２３０により押圧されてパイプ材Ｐ内に圧入される。この圧入により、芯金１０Ｂの突起部２１〜２３による肉の張出しを受け、圧入鍛造が行われる。芯金１０Ｂの圧入は、図１０に示すように芯金１０Ｂが加工壁部５から抜けきらない状態で終了する。

次に、第１の芯金押棒２３０が引き戻される。この時、第２の芯金押棒２４０が芯金ホルダ２２０に向けて移動される。これにより、芯金１０Ｂは、この芯金１０Ｂの両端に接した第１の芯金押棒２３０と第２の芯金押棒２４０とで挟持された状態のまま、第２の芯金押棒２４０により押圧されてパイプ材Ｐ及び芯金ガイド２５０の通孔２５１を通って芯金ホルダ２２０に内に押し戻される。この場合にも、芯金１０Ｂの突起部２１〜２３による肉の張出しを受け、圧入鍛造が行われる。

この後、芯金ホルダ２２０を動かして、次に突起部の突起量が大きい芯金１０Ｂ及びこれが収容された保持孔２２１を芯金ガイド２５０の通孔２５１を通してパイプ材Ｐの開口部に対向させる。

そして、次に使用する芯金１０Ｂを挟持した状態とした後に、同様にして、芯金１０Ｂは、第１の芯金押棒２３０と第２の芯金押棒２４０とで挟持された状態のままで、第１の芯金押棒２３０により押圧されてパイプ材Ｐ内に圧入し、一往復させる。こうした手順を順次繰り返すことによって、パイプ材Ｐに金型２１０の歯型２１３に対応したラックを有した中空ラックバーを製造する。

最後に、使用した最後の芯金１０Ｂを芯金ホルダ２２０に戻した後に、第２の芯金押棒２４０をパイプ材Ｐから抜出してから、金型２１０を開く。

本第２の実施の形態に係る短尺型の芯金セットを用いた場合であっても、上述した第１の実施の形態に係る芯金セットを用いた場合と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した例では突起部の数を３つとしたが、４つ以上でも同様の効果が得られる。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の第１の実施の形態に係る芯金セットの１つである芯金の要部を示す側面図。 同芯金セットが適用される中空ラックバー製造装置を示す断面図。 同芯金セットの最大突起量の設定値を示すグラフ。 同芯金セットを用いた場合の荷重の変化を示すグラフ。 他の芯金セットの最大突起量の設定値の一例を示すグラフ。 他の芯金セットの最大突起量の設定値の一例を示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態に係る芯金セットの１つである短尺型の芯金を示す側面図。 同芯金セットを用いる中空ラックバー製造装置を示す図であって、金型及び芯金ホルダーまわりを芯金が挟持された状態で示す断面図。 同中空ラックバー製造装置の金型及び芯金ホルダーまわりを芯金受け渡し状態で示す断面図。 同中空ラックバー製造装置の金型及び芯金ホルダーまわりを芯金の圧入が完了した状態で示す断面図。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ…芯金、１１…棒材、２１，２２，２３…突起部、１００，２００…中空ラックバー製造装置、１１０，２１１…下型、１２０，２１２…上型、１３０，２１３…歯型、２２０…芯金ホルダ、２３０…第１の芯金押棒、２４０…第２の芯金押棒、芯金ガイド２５０…，Ｐ…パイプ（中空素材）、Ｐａ…平坦部。

Claims (3)

1. 金型に保持された中空素材の内部空洞に圧入されることにより前記中空素材の肉を金型に向けて内径側から張出させることで中空ラックバーを製造する方法に使用される芯金を１〜Ｍ番のＭ個有する芯金セットにおいて、
   前記芯金は、前記中空素材の中空部の最小断面領域よりも小さい最大断面領域を有する棒材と、
   この棒材に突設され、１番からＭ番にかけてその最大突起量が漸次大きくなるように設定された複数の突起部と、
   前記複数の突起部のうち、最大突起量を有する突起部は中央側に位置し、前記棒材の先端の高さは、１つ前の番号の芯金の最大突起量より小さく設定され、前記芯金の端部側の突起部の突起量は１つ前の番号の芯金の突起部の最大突起量よりも大きく設定されていることを特徴とする芯金セット。
2. ＮをＭ以下の整数としたとき、前記突起部の最大突起量は、（Ｎ−２）番と（Ｎ−１）番との差より、（Ｎ−１）番とＮ番との差が小さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載された芯金セット。
3. 金型に保持された中空素材の内部空洞に圧入されることにより前記中空素材の肉を金型に向けて内径側から張出させることで中空ラックバーを製造する方法に使用される芯金を１〜Ｍ番のＭ個有する芯金セットにおいて、
   前記芯金は、前記中空素材の中空部の最小断面領域よりも小さい最大断面領域を有する棒材と、
   この棒材に突設され、１番からＭ番にかけてその最大突起量が漸次大きくなるように設定された突起部と、
   １番の芯金の最大突起量は、前記中空素材の内径より十分小さく設定され、ＮをＭ以下の整数としたとき、前記突起部の最大突起量は、（Ｎ−２）番と（Ｎ−１）番との差より、（Ｎ−１）番とＮ番との差が小さく設定されていることを特徴とする芯金セット。

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