KR20040099522A - 중공 래크 부재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 조향기구 등에 사용되는 래크 바를 관재에서 단조 성형하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 제품의 정밀도를 높임과 동시에 치공구의 수명도 연장하여 비용도 절감하는 것을 목적으로 한다.

강관의 단면 형상을 예비조정하기 위하여 강관을 다이스에 통과시켜 스웨이징에 의한 직경 축소를 하고, 이어서 강관을 외주에 있어서 소정의 단면 형상의 클램프 금형에 의하여 지지하면서 중심에서의 코어 바의 인발에 의한 아이어닝을 한다. 이에 따라 클램프 금형의 단면은 축길이 방향 및 톱니 폭 방향의 단부에서 살의 두께가 두꺼운 소정의 이형화가 이루어지도록 설정된다, 강관의 단면 형상의 예비조정을 실시한 후에 강관을 그 외주측에서 래크 성형용 치형에 의하여 지지하고, 강관에 코어 바를 압입함으로써 강관의 외주에 치형에 따른 중공 래크 부재를 단조에 의하여 성형한다.

Description

중공 래크 부재의 제조방법{A METHOD OF PRODUCING HOLLOW RACK MEMBER}

본 발명은 차량(車輛)의 조향기구(操向機構) 등에 사용되는 래크 바(rack bar)를 관재(管材)를 소재(素材)로 하여 단조(鍛造)에 의하여 성형하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

차량의 조향계의 부품인 래크 바는, 보통 가운데 부분이 채워져 있는 봉재(棒材)를 소재로 브로치(broach)에 의하여 절삭가공(切削加工)된다. 그러나 가운데 부분이 채워져 있기 때문에 무겁고 또한 파워 스티어링(power steering) 등에 이용되는 치형(齒形)의 경사각(傾斜角)이 변화하는 가변 기어비(可變 gear比)(소위 VGR)에서는 그 홈의 폭(幅)이 변화하기 때문에 브로치 절삭에서는 가공이 이루어지지 않는다. 그리고 경량화(輕量化) 및 가변 톱니의 성형을 가능하게 하기 위하여 파이프 재(pipe 材)로부터 중공 래크 바(中空 rack bar)를 단조성형(鍛造成形)하는 것에 관한 발명이 일본국 공개특허공보 특개평3-5892호나 일본국 공개특허공보 특개평5-169181호나 일본국 공개특허공보 특개평6-246379호 등에 개시되어 있다. 그러나 이들 종래의 기술에 개시된 래크 바의 단조성형은 여러 가지 문제점을 내재하고 있어 본 발명자는 일본국 특허출원 특원2001-15439 등에서 그 개선책을 이미 제안하였다.

중공 래크 바의 단조성형에 있어서는, 파이프 재는 치형을 구비하는 금형(金型)에 의하여 지지되고, 금형에 의하여 지지되는 강관(鋼管)에 코어 바(core bar)를 압입(壓入)하여 치형을 향하는 소재의 반경 방향의 돌출(소재금속(素材金屬)의 소성 유동(塑性 流動))을 야기시켜서 래크 톱니를 성형하고 있다. 따라서 원하는 정밀도(精密度)의 래크 바로 성형하기 위해서는 소재의 단면적(斷面積) 관리가 중요하다. 그러나 소재가 되는 파이프 재는 메이커(maker)로부터의 공급단계에서는 그 내외경(內外徑) 및 살의 두께는 일본의 공업규격인 JIS 등의 소정의 공차(公差)만으로 관리되고 있기 때문에 단조성형용 소재로서는 정밀도가 불충분하여, 그 상태 그대로는 단조성형을 할 때에 금속유동(金屬流動)의 큰 변동과 함께 과잉 성형력(過剩 成形力)을 요하는 원인이 되어, 이것이 제품 정밀도의 저하 원인 및 치공구(治工具)에 과중한 부담이 되어 수명단축의 원인이 되었다. 또한 후공정(後工程)의 담금질에 있어서, 중공제품(中空製品)은 외측을 분할금형(分割金型)으로 압입(壓入)하여 담금질하더라도 내경(內徑)으로의 열 비틀림에 의한 이동은 일체 제한할 수 없어 강관(鋼管)의 내경이 시판품(市販品)의 공차인 상태 그대로는 코어 바의 삽입에 의한 이동방지도 할 수 없다. 그 때문에 중공 래크 바의 담금질은 특수공법을 필요로 하여 그 만큼 작업 공정과 시간이 더 소요되므로 비용 증가의 원인이 되고 있었다. 또한 단조에서는 이동거리가 짧고 이동하기 용이한 방향으로 금속의 유동은 야기된다. 그 때문에 형상에 따라서는 단순하고 균일한 단면적화에서의 균등하중부하형상(均等荷重負荷形狀)의 코어 바에서는, 금속유동에 과부족을 발생시키기 쉬워 고성능이 얻어질 수 없다. 그리고 복수 개의 코어 바의 형상을 불균등한 형상으로 제작하여 금속에 불균일한 유동을 부여하는 공법도 제안되어 있지만, 이 공법은 비용의 측면에서는 매우 불리할 뿐만 아니라 축 방향의금속유동의 조정에는 효과가 없다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 강관으로부터 래크 바를 단조하는 것에 관한 것으로 제품의 정밀도를 향상시킴과 동시에 치공구의 수명도 연장하여 비용의 절감도 실현시키는 것을 목적으로 한다.

도1은 스웨이징 및 아이어닝에 의한 강관의 단면적 관리공정을 나타내는 도면이다.

도2는 이형화를 한 후의 강관의 단면 형상을 나타내는 도면으로서, (A)는 도1의 A-A선을 따라 절단한 단면도, (B)는 도1의 B-B선을 따라 절단한 단면도이다.

도3은 강관에 의한 래크 바 단조장치의 단면도이다.

도4는 도3의 래크 바 단조장치에서의 금형의 저면도이다.

도5는 도3의 V-V선을 따라 절단한 단면도로서, (가)는 평탄하게 되었을 때, (나)는 코어 바의 압입공정을 하였을 때를 나타낸다.

도6은 도3의 VI-VI선을 따라 절단한 단면도로서, (가)는 평탄하게 되었을 때, (나)는 코어 바의 압입공정을 하였을 때를 나타낸다.

도7은 단조에 의하여 얻어지는 래크 바의 평면도로서, (가)는 본 발명, (나)는 종래의 기술에 의하여 얻어지는 것을 각각을 나타낸다.

도8은 코어 바의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

도9는 도8의 코어 바에 의한 금형 내에서 단조를 할 때의 단면도이다.

도10은 코어 바의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

도11은 도10의 코어 바에 의한 금형 내에서 단조를 할 때의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스틸제(steel製)의 강관(鋼管)

12 : 스웨이징용 다이스(swaging用 die)

14 : 코어 바(core bar) 16 : 클램프 금형(clamp 金型)

18 : 래크 성형(rack 成形) 모양의 금형(金型)

20 : 상형(上型) 22 : 하형(下型)

24 : 지지부재(支持部材) 26 : 홀더(holder)

28 : 치형(齒形) 30 : 록 부재(lock 部材)

32, 33 : 래크 돌출핀(rack 突出pin)

청구항1에 기재된 발명에 의하면, 강관(鋼管)을 그 외주측(外周側)에서 래크 성형용 치형(rack 成形用 齒形)에 의하여 지지하고, 강관에 코어 바(core bar)를 압입(壓入)함으로써 강관의 외주에 치형에 따른 중공 래크 부재(中空 rack 部材)를 단조(鍛造)에 의하여 성형하는 중공 래크 부재의 제조방법에 있어서, 단조에 앞서 소성가공(塑性加工)에 의하여 강관의 단면(斷面) 형상을 조정하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 제조방법이 제공된다.

청구항1의 발명의 작용·효과에 관하여 설명하면, 본 발명에 있어서 중공 래크 바의 성형은 치형에 의하여 지지되는 강관에 코어 바를 삽입함으로써 이루어진다. 코어 바의 삽입에 의하여 재료는 치형을 향하여 소성유동(塑性流動)된다. 그리고 단조공정에 선행(先行)하는 소성가공에 의한 강관의 단면 형상의 조정은 치형을 향하는 적정한 금속유동을 확보하여 절삭공정이 이루어짐으로써 수십 μ단위의 공차에서의 최종제품의 높은 정밀도를얻을 수 있고 또한 치형에 가하는 하중(荷重)의 적정화와 그 수명의 연장을 실현할 수 있다. 그리고 조정에 의한 수 μ단위에서의 부재 내경(內徑)의 엄밀한 관리는, 후공정(後工程)에서 담금질을 할 때에 꼭 맞는 코어 바를 삽입한 상태에서 압입 담금질이 가능하게 되어 담금질 왜곡을 최소한으로 억제하기 때문에 담금질 처리를 할 때에 사용되는 삽입 코어 바의 형상·치수 공차·재질(材質)과 고주파 코일(高周波 coil)의 형상·주파수(周波數)·자력밀도(磁力密度)·소용돌이 전류 등의 적합한 선택에 의하여 원가가 저렴한 이상적인 담금질 제품을 얻을 수 있다.

청구항2에 기재된 발명에 의하면, 청구항1에 기재된 발명에 있어서, 소성가공에 의하여 강관의 단면 형상을 조정하는 공정은 강관의 단면 형상을 소정의 형상으로 성형하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 제조방법이 제공된다.

청구항2의 발명의 작용·효과에 관하여 설명하면, 코어 바의 압입에 의하여 재료가 치형 내로 유동하여 성형이 이루어지지만, 축 방향의 이동 끝 부분의 내경측 살은 치형 내로 단조 유동하는 것보다 거리가 짧아 이동하기 용이한 축 방향 또는 톱니 폭 방향의 해제부로 일부가 유동하기 때문에 이 부분의 치형단조량(齒形鍛造量)은 부족하게 된다. 이는 래크 정밀도 불량의 원인이 된다. 이 발명에서는 압입공정(壓入工程) 전에 강관의 단면 형상을 원형(圓形)이나 이형(異形) 등 소정의 형상으로 성형하고, 그 상태에서 유동부족이 되는 부분에 있어서 단면의 살 두께를 증가시킴으로써유동 부족분을 보정하여 원하는 단조공정을 할 수 있다. 또한 치형단조에 있어서, 반드시 톱니 폭의 전체에 균일하게 돌출시킬 필요는 없고 힘의 전달에 충분한 피니언(pinion)과의 교합폭(咬合幅)이 있으면 좋다. 따라서 단조치형의 톱니 폭의 양측은 개방(開放)되어 있는 것이 보통이다. 그러나 그 상태에서는 톱니 폭 방향으로의 살의 이동량이 증가하여 교합부족을 초래할 우려가 있다. 청구항2의 발명에서는 단조성형 전의 아이어닝에 의한 단면 형상의 관리에 의하여 강관의 단면 형상을 불균일화하는 것, 즉 길이 방향 및 폭 방향의 단부(端部)에 있어서 강관의 살 두께를 증가시킴으로써 원하는 살의 유동을 얻을 수 있다. 즉 불균일 단면적 형상의 관리는 마이터 기어(miter gear) 및 VGR화에 의한 피치(pitch) 변화나 경사각(傾斜角) 변화에 의한 톱니부의 홈 폭의 확축(擴縮) 변화, 코어 바의 이동에 의한 톱니 성형부 축 방향의 개방 양단(兩端)의 살의 양 부족현상, 단조 톱니 폭의 좌우 양단부의 살의 부족현상에 대응하도록 한다. 이에 따라 금속의 이동거리는 균일화되기 때문에 굳이 복수의 코어 바로 불균등 형상화 처리를 하지 않고 클램프 금형 하나만의 이형화에 의하여 성형력 억제와 치공구 수명의 연장화와 정밀도 향상과 교합율(咬合率) 향상에 도움이 될 수 있다.

청구항3에 기재된 발명에 의하면, 청구항1에 기재된 발명에 있어서, 소성가공에 의하여 강관의 단면 형상을 조정하는 공정은 스웨이징(swaging)에 의한 직경축소공정(直徑縮小工程)과 이에 연속하는 아이어닝(ironing)에 의한 소정의 단면형상부여공정(斷面形狀附與工程)의 복합공정으로 이루어지는것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 제조방법이 제공된다.

청구항3의 발명의 작용·효과에 관하여 설명하면, 스웨이징에 의하여 강관의 직경 축소를 하고, 그 후에 아이어닝에 의하여 원하는 외경(外徑)으로 원하는 살의 두께로 또한 불균등한 살을 포함하는 원하는 단면 형상을 단조하기에 앞서 강관에 부여할 수 있어 제품의 정밀도 향상과 치공구의 수명 연장에 기여할 수 있다.

청구항4에 기재된 발명에 의하면, 중공 래크 부재의 제조방법에 있어서, 예비적 성형공정으로서 스웨이징에 의한 직경 축소를 하고 이어서 외주에 소정 형상을 부여하는 클램프 금형(clamp 金型)을 배치한 상태에서 코어 바(core bar)를 인발(引拔)함으로써 강관의 내경측(內徑側)에서 아이어닝을 하고, 이에 따라 강관에 대하여 축 방향 및 직경 방향으로 소정 형상의 단면을 부여하고, 그 후에 본성형공정(本成形工程)으로서 강관을 래크 톱니 성형용의 금형에 의하여 외주에서 지지하면서 내경 공동부(內徑 空洞部)에 래크 성형용의 코어 바를 압입함으로써 강관의 외면(外面)에 래크 톱니를 단조성형(鍛造成形)하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 제조방법이 제공된다.

청구항4의 발명의 작용·효과에 관하여 설명하면, 스웨이징에 의한 직경 축소를 하고, 외주에 소정 형상을 부여하는 클램프 금형을 배치한 상태에서 코어 바를 인발함으로써 코어 바의 외경 및 단면 형상을 원하는 대로 제어하고 있기 때문에 그 후의 금형에 의한 지지, 단조용 코어 바의삽입에 의한 래크 성형에 의한 제품의 정밀도를 높일 수 있고 또한 치형 등 치공구의 수명을 연장시킬 수 있다.

청구항5에 기재된 발명에 의하면, 강관을 그 외주측에서 래크 성형용 치형을 내주(內周)에 갖는 클램프 금형에 의하여 지지하고, 강관에 코어 바를 압입함으로써 강관의 외주에 치형에 따른 중공 래크 부재를 단조에 의하여 성형하는 중공 래크 부재의 제조방법에 있어서, 코어 바를 압입할 때에 코어 바를 치형에서의 축선(軸線) 방향과 다른 부위에서 동시적으로 돌출작용시키면서 돌출단조를 하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 제조방법이 제공된다.

청구항5의 발명의 작용·효과에 관하여 설명하면, 코어 바에 복수의 확두부를 형성하거나 확두부에 경사 홈을 형성하는 것 등에 의하여 코어 바는, 치형이 다른 산(山) 또는 곡부(谷部)와 동시·중합(重合)적으로 돌출작용을 시키면서 단조가 진행하기 때문에 하중이 더 균일화되면서 코어 바의 압입이 이루어져 치형에 걸리는 부하가 경감되어 그 수명의 연장을 도모할 수 있다.

청구항6에 기재된 발명에 의하면, 강관을 그 외주측에서 지지하고 내주에 래크 성형용 치형을 갖는 금형과, 금형에 의하여 지지되는 강관에 압입되어 치형을 향하여 강관을 돌출시켜서 강관의 외면(外面)에 래크 톱니를 형성하는 확두부(擴頭部)를 갖는 코어 바를 구비하는 중공 래크 부재의 단조성형장치(鍛造成形裝置)에 있어서, 코어 바는 치형에서의 축선 방향과 다른 부위에 동시적으로 돌출단조를 하도록 구성되는 단조작용수단(鍛造作用手段)을 구비하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치가 제공된다.

청구항6의 발명의 작용·효과에 관하여 설명하면, 코어 바는, 치형이 다른 산 또는 곡부와 중합적으로 돌출작용되면서 단조가 진행하기 때문에 청구항5의 발명과 마찬가지로 하중이 더 균일화되면서 코어 바의 압입이 이루어져 치형에 걸리는 부하가 경감되어 그 수명의 연장을 도모할 수 있다.

청구항7에 기재된 발명에 의하면, 청구항6에 기재된 발명에 있어서, 상기 단조작용수단은 순차적으로 작용 직경(作用 直徑)이 확대되는 복수의 확두부로 구성되는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치가 제공된다.

청구항7의 발명의 작용·효과에 관하여 설명하면, 순차적으로 작용 직경이 확대되는 일련의 확두부의 형성에 의하여 치형이 다른 일련 부위와 확실하게 동시·중합적으로 돌출작용되면서 단조가 진행하기 때문에 치형에 걸리는 하중이 더 분산(分散)되어 치형의 수명을 확실하게 연장시킬 수 있다.

청구항8에 기재된 발명에 의하면, 청구항6에 기재된 발명에 있어서, 상기 단조작용수단은 확두부와 그 확두부에 치형의 경사 방향과 역(逆) 방향으로 경사지도록 형성되고 축선 방향으로 간격을 두고 형성되는 복수의기름 홈으로 구성되는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치가 제공된다.

청구항8의 발명의 작용·효과에 관하여 설명하면, 확두부에 치형의 경사 방향과 역 방향으로 경사지는 다수의 기름 홈을 형성함으로써 청구항7의 발명과 마찬가지의 중합적인 돌출작용을 할 수 있고, 코어 바의 구성이 더 단순하게 되어 비용이 감소되고, 기름 홈의 형성에 의하여 원활한 돌출작용을 실현시킬 수 있다.

청구항9에 기재된 발명에 의하면, 강관을 지지하는 금형과, 치형을 삽입하는 홀더(holder)와, 금형에 지지되는 강관에 압입되어 강관의 치형에 따른 래크 톱니를 단조하는 코어 바로 이루어지는 중공 래크 부재의 단조성형장치에 있어서, 상기 홀더에 치형삽입개구부(齒形揷入開口部)가 관통(貫通)하도록 형성되고, 이 치형삽입개구부에 치형이 지지되는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치가 제공된다.

청구항9의 발명의 작용·효과에 관하여 설명하면, 홀더에 치형삽입개구부를 관통구멍으로 함으로써 가공의 정밀도가 높아져 결과적으로 치형에 걸리는 하중을 균질화하여, 그 수명연장과 함께 단조 성형 톱니의 정밀도 향상을 도모할 수 있다.

청구항10에 기재된 발명에 의하면, 청구항9에 기재된 발명에 있어서, 상기 치형삽입개구부는 그 양단(兩端)에 큰 R부를 형성하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치가 제공된다.

청구항10의 발명의 작용·효과에 관하여 설명하면, 치형삽입개구부는 그 양단에 큰 R부를 형성함으로써 응력(應力)의 집중을 방지하여 치형 홀더의 수명 연장에 기여할 수 있다.

청구항11에 기재된 발명에 의하면, 청구항9에 기재된 발명에 있어서, 상기 홀더를 금형에 장착하기 위한 내장 실린더(內臟 cylinder)를 구비하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치가 제공된다.

내장 실린더로 함으로써 구조가 간단하게 되어 비용의 감소에 기여할 수 있다. 또한 내장 실린더를 실리스(sealless)로 함으로써 작동유(作動油)가 누설될 우려는 있지만, 적당한 표면조도(surface roughness) 처리에 의하여 스며드는 정도로　할　수　있고, 홀더는 처음부터 윤활유에 잠겨서 사용되기 때문에 실리스에 의한 작동유가 스며드는 것은 실질적으로 무해(無害)하다.

(실시예)

이하, 본 발명에 의한 래크 바(rack bar)를 성형하기 위한 일련의 공정에 관하여 순서에 따라 설명하면, 단조(鍛造)에 앞서 우선 준비공정으로서 단면(斷面) 형상의 조정이 이루어진다. 즉 소재(素材)인 파이프 재(pipe 材, 강관(鋼管))로서는 제관 메이커(製管 maker)에서 공급되지만 일본의 공업규격인 JIS의 공차(公差)에 준하는 오차를 구비하고 있기 때문에 원하는 단면 형상으로 되어 있지 않아 이것이 코어 바(core bar)의 압입에의한 치형단조(齒形鍛造)를 할 때에 정밀도 저하 및 치형 등의 치공구(治工具) 수명을 단축시키는 원인이 된다. 본 발명에서는 소성가공(塑性加工)(스웨이징(swaging) 및 아이어닝(ironing))에 의하여 원하는 단면 형상을 얻을 수 있다. 즉 도1에 있어서 10은 스틸제(steel 製)의 강관(鋼管), 12는 스웨이징용의 다이스(die)이다. (가) 단계에서는 강관10은 적당한 수단에 의하여 지지되고, 이어서 다이스12가 화살표a 방향으로 이동되고, 단계 (나)는 다이스12가 이동한 상태를 나타내는 것으로서, 강관10은 그 외경(外徑)이 다이스12의 내경(內徑)으로 축소된다. 그 후에 다이스12는 화살표a′로 나타나 있는 바와 같이 복귀하도록 반대 방향으로 이동되고, 직경이 축소된 후의 강관10으로부터 제거된다. 이렇게 하여 스웨이징에 의하여 소성가공에 의한 강관10의 직경 축소가 완료된다.

다음은, 강관10의 단면 형상의 이형화(異形化) 등 소정 형상으로의 성형공정(成形工程)에 관하여 설명하면, 이 실시예에서는 후술하는 본공정(本工程)에서의 래크 단조(rack 鍛造)를 할 때에 래크 양단부(兩端部)의 양단에서의 톱니 폭을 확보하기 위한 단면 이형화를 한다. 즉 래크 단조를 할 때에 있어서는 단조용 코어 바의 두부(頭部)는 강관에 압입(壓入)됨으로써 반경 방향의 살의 돌출이 이루어져 강관에 금형에 따른 치형을 성형하지만, 단조용 코어 바의 양단측에서는 축 방향으로의 살의 이동이 많고, 폭 방향으로의 살의 이동이 부족하여 톱니 폭이 짧아지게 되어 래크 톱니는 상측에서 볼 때에 평면적으로 마치 배(舟) 모양으로 되기 쉽다. 래크 양단에서의 톱니 폭이 부족하게 되는 경향을 해소하고, 래크 양단에서도 필요한 톱니 폭을 확보하기 위하여 강관의 양단에서의 살의 두께를 두껍게 할 수 있도록 이형 단면의 강관 형상을 얻을 수 있다. 즉 (다)에 있어서, 강관의 단면형성수단(斷面形成手段)은 코어 바14와 소정의 형상을 부여하는 클램프 금형(clamp 金型)16으로 구성된다. 소정의 형상을 부여하는 클램프 금형16은 상하의 반할형(半割型)16-1 및 16-2로 구성된다. 단계 (다)에 있어서는 코어 바14는 강관10에 삽입된 상태를 나타낸다. 코어 바14는 그 선단(先端)에 아이어닝을 위한 확경두부(擴徑頭部)14-1을 구비하고 있다. 한편 상하의 반할형16-1 및 16-2는 개방(開放) 상태이다. 이 상태에서 상하의 반할형16-1 및 16-2는 화살표로 나타나 있는 바와 같이 서로 대향(對向)하도록 또는 반할형16-1 및 16-2 중 어느 일방(一方)이 이동되어 (라)에 나타나 있는 바와 같이 상하의 반할형16-1 및 16-2는 합체(合體)됨으로써 상하 반할형16-1 및 16-2에 접하는 강관10의 외경은 조금 축소된다. 도2(A)는 도1(라)의 A-A선을 따라 절단한 금형 중앙부의 상하의 반할형16-1 및 16-2의 단면 형상을 나타내는 것으로서, 상하의 분할금형(分割金型) 그 내주면(內周面)16-1a 및 16-2a는 모두 반원(半圓) 형상을 이루고 있다. 한편 도2(B)는 도1(라)의 B-B선을 따라 절단한 금형 양단부의 상하의 반할형16-1 및 16-2의 단면 형상을 나타내는 것으로서, 하측의 분할금형16-2는 그 내주면16-2b는 반원 형상을 이루고 있지만 상측의 분할금형16-1은 그 내주면16-2a는 양단이 돌출한 이형 형상을 이루고 있다. 물론 A-A선부분을 포함하는 아이어닝 가공의 전체 길이에 걸쳐 B-B선 부분의 모양, 즉 도2(B)의 단면 모양으로 불균일화 하는 것도 용이하게 할 수 있다.

강관의 단면 이형화 공정(斷面 異形化 工程)은 도1의 (라)의 상태에서 화살표b 방향으로 코어 바14의 인발(引拔)에 의한 스웨이징에 의하여 이루어진다. 코어 바14의 인발에 있어서 그 두부14-1은 소정의 형상을 부여하는 클램프 금형16에 의하여 지지되고 있는 부분의 강관10의 내경보다 조금 커서 소정의 형상을 부여하는 클램프 금형16의 양단에는 내주(內周)의 돌출 부분16-1b가 존재하고 있다. 그 때문에 스웨이징에 의한 살의 유동은 이 돌출 부분16-1b에도 야기되어 도2의 (B)에 나타나 있는 바와 같이 금형 양단에 있어서의 강관10의 부위는 상면의 양쪽 어깨 부분100의 살의 두께가 두껍게 되는 이형 단면을 나타낸다. 도1의 (마)는 코어 바14를 제거한 후의 상태를 나타내는 것으로서, 단면 이형화에 의하여 살의 두께가 두껍게 된 래크 톱니의 양단이 되는 강관의 부분100도 나타나 있다. 이러한 금형 양단에 있어서의 강관10의 부위를 두껍게 하는 이형화에 의하여 래크 단조에 있어서의 래크 양단에서의 톱니 폭의 확보를 실현시킬 수 있다.

이상의 실시예에 관한 설명에서는, 이형화는 금형의 양단에서의 강관10의 부위를 두껍게 함으로써 금형16의 양단 부위에서의 톱니 폭을 확보하는 것이지만, 본 발명에 있어서의 이형화 사상은 톱니 폭 방향의 양단에서의 살의 유동 대책에도 해결수단으로서 유용하게 이용할 수 있다. 즉 금형의 중앙부에 있어서도 톱니 폭 방향의 양단에서는 살의 유동이 일어날수 있어, 이것은 톱니 폭 방향의 양단에서의 톱니의 높이 부족을 야기시킨다. 이에 대한 대책으로서, 금형의 중앙부에서도 치형의 양단부를 도1의 (마)에 준하여 이형화를 하여 살의 두께를 두껍게 할 수 있고, 이러한 이형화에 의하여, 스웨이징에 의하여 톱니 폭 방향의 양단에 있어서 살의 양에 여유가 있기 때문에 톱니 폭 양단에서의 톱니의 높이 부족을 피할 수 있다.

이상의 단면 이형화 공정에 있어서는, 강관10은 소정 형상을 부여하는 클램프 금형16에 의하여 강력하게 클램프된 상태에서 코어 바14에 의하여 벽의 살 두께가 강력하게 압축되어 살이 감소(아이어닝)되고, 강관의 내외경(內外徑)의 표면조도(surface roughness)는, 소정 형상을 부여하는 클램프 금형16과 코어 바14의 표면조도가 전사(轉寫)되어 1∼2μm의 표면조도와 같이 수 μ의 내외경 공차의 가공을 용이하게 할 수 있다.

도3∼도7은 이상과 같이 예비 성형된 강관으로부터 경사치형(傾斜齒形)의 래크 부재를 성형하기 위한 금형18을 나타낸다. 래크 성형금형(rack 成形金型)18은 상형(上型)20과 하형(下型)22를 구비하고 있다. 상형20은 지지부재(支持部材)24와 홀더(holder)26과 치형28과 록 부재(lock 部材)30과 래크 돌출핀(rack 突出pin)32, 33으로 구성된다. 치형28은 그 하면에 요철부28-1을 구비하고 있고, 요철부28-1은 단조성형을 하여야 하는 래크 부재의 치형에 준하는 형상을 이루고 있다. 도7의 (가)는 단조성형된 래크 부재34의 평면도이고, 이 실시예에서는 단조에 의하여 형성하여야 하는 래크 부재34는 경사 톱니34-1을 구비한 것을 의도하고 있어, 그 때문에 도3에 있어서 치형28의 래크 톱니 모양의 요철부28-1도 래크 부재의 치형에 따른 경사 형상을 이루고 있다. 홀더26은 적당한 수단에 의하여 지지부재24에 고정된다. 그리고 홀더26은 치형28을 수용하기 위한 관통하는 가늘고 긴 치형삽입개구(齒形揷入開口)26A를 형성하고 있다. 치형28은 지지부재24와의 돌출면에 라이너(liner)33을 끼운 상태에서 치형삽입개구26A에 장착된다. 그리고 도3에 나타나 있는 바와 같이 개구26A에 치형28을 장착한 상태에서는 치형28의 하면의 요철부28-1은 치형 홀더26으로부터 조금 돌출되어 있다. 록 부재30은 치형28을 장착한 상태에서 개구26A의 대향 벽면과의 사이에 박아 넣고, 록 부재30은 대략 테이퍼(taper) 형상을 이루고 있기 때문에 록 부재30을 박아 넣음으로써 치형28은 홀더26에 견고하게 고정된다. 홀더26은 실린더부(cylinder部)26-1을 구비하고 있고, 이 실린더부26-1에 래크 돌출핀32 및 33이 슬라이딩하여 삽입된다. 래크 돌출핀32 및 33은 실린더부26-1로의 유압(油壓)의 유입(流入) 방향의 절환(切換)에 의하여 출몰(出沒)되고, 그 돌출동작에 의하여 단조 후의 래크 부재의 돌출이 가능하게 된다. 이 래크 돌출핀32 및 33은 유압에 의한 빠짐동작이 가능하다면 통상의 유압 실린더에서는 더 필요로 하는 실 부품(seal 部品)을 생략할 수 있어 그 만큼 구조로서는 단순화할 수 있다. 또한 래크 돌출핀32 및 33의 출몰이동 작용의 유압배관(油壓配管)이나 절환밸브(切換 valve)는 필요하지만 간략화하기 위하여 도면에 나타내는 것은 생략하였다.

래크 톱니의 단조성형에 앞서 상형20과 하형22는 강관10을 사이에 두고 서로 마주 향하도록 이동되어 합체(合體)되고, 이렇게 합체된 상태를 도3에 나타내었다. 이 때에 도5의 (가) 및 도6의 (가)에 나타나 있는 바와 같이 치형28의 요철부28-1이 강관10의 상면에 접하고, 치형28의 요철부28-1이 접하는 강관10의 상면인 래크 성형면(rack 成形面)10A는 압력에 의하여 대략 평탄한 모양으로 된다. 도6의 (가)에 나타나 있는 예비성형공정(豫備成形工程)에 있어서의 스웨이징에 의하여 살의 두께가 두껍게 된 부분100은, 이와 같이 압력에 의하여 대략 평탄한 모양으로 된 래크 성형면10A의 양단에 위치하고 있다.

도3에 있어서 강관10의 개구부와 대향하여 단조용 코어 바40이 배치된다. 도면에서는 단조용 코어 바40은 한 쪽만이 도면에 나타나 있지만, 본 출원인의 선출원에서 개시한 바와 같이 단조용 코어 바40은 양측에 설치되어 강관10으로의 코어 바40의 압입(壓入)을 좌우에서 서로 반복적으로 함으로써 래크 부재의 단조성형이 이루어진다. 코어 바40은 선단의 안내부(案內部)40-1과 작용 지름이 서서히 확대되는 복수의 확두부(擴頭部)40-2, 40-3과 확두부40-2, 40-3의 배후(背後)에 기름 홈부40-4, 40-5를 구비하고 있고, 치형28에 의하여 평탄화된 강관의 부위에 확두부40-2, 40-3이 작용함으로써 반경 방향, 즉 요철부28-1에 있어서의 오목부로의 소재의 소성유동(塑性流動)이 야기되어 요철부28-1의 형상에 따른 래크 톱니를 강관에 단조성형할 수 있다. 즉 도5 및 도6에 있어서 (나)는 강관10에 코어 바40을 압입한상태를 나타내는 것으로서, 코어 바40의 삽입에 의하여 강관의 상면 평탄부분10A의 살이 반경 외측 방향으로 돌출되어 10"로 나타나 있는 살의 부분이 치형28의 요철부28-1에 있어서의 오목부로 유동함으로써 도7의 (가)의 래크 톱니34-1이 형성된다. 그리고 도5에 있어서의 치형 중앙부에서는 톱니 폭 방향의 전체에 걸친 살의 유동은 비교적 원활하게 이루어져 원하는 톱니 폭을 얻을 수 있다. 그러나 치형의 양단부(래크 성형면10A의 양단부)에서는 축 방향으로 유동하거나 그 상태에서 단조 후의 톱니 폭이 부족하게 되는 경향이 있어 종래에는 도7의 (나)에 나타나 있는 바와 같이 중앙에서 톱니 폭이 크고 양단에서 작아 마치 배(舟) 모양과 같은 래크 톱니를 구비하는 래크 부재가 되기 쉬웠다. 그런데 본 발명에서는 치형28의 요철부28-1에 접하는 강관의 부위 양단은 도6에 나타나 있는 바와 같이 양측이 두꺼운 부분100이 되도록 이형화되어 있다. 그 때문에 도6의 (나)에 나타나 있는 바와 같이 코어 바40을 압입할 때에 있어서 톱니 폭의 양단에도 유동할 수 있도록 여유를 가지고 있기 때문에 도7의 (가)에 나타나 있는 바와 같이 중앙으로부터 양단에 이르기까지는 폭이 일정하게 갖추어지는 톱니부34-1을 구비하는 래크 부재34로 하는 것이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 즉 코어 바에 의한 내경측으로부터의 돌출에 의하여 성형단조를 할 때에 축길이 방향의 치형단조의 전후단부(前後端部)는 금속유동이 일어나기 용이한 개방부가 되지만, 이 부분의 살이 감소하는 것을 억제하기 위하여 도2(B)에 나타나 있는 바와 같이 치형단조 부위의 톱니 폭의 중앙측의 살 두께t1에 대하여 t2가 되도록 이형화 가공을 함으로써, 단조에 앞서 이형화에 의하여 살의 이동이 발생하기 쉬운 개방 부위에서의 소정 톱니 폭의 확보를 하나의 형(型)만으로 실현할 수 있다. 또한 치형단조 부위의 축길이 방향의 좌우 양단부도 금속유동이 일어나기 용이한 개방부이지만, 이 부위에서도 동일한 이형화를 할 수 있다. 이러한 금속유동이 일어나기 용이한 개방부의 살의 두께를 두껍게 함으로써 원하는 톱니 폭을 확보할 수 있다. 종래에는 이형의 코어 바를 복수 개 사용함으로써 대처하고 있었지만, 그것에 의해서도 축길이 방향의 이동에 대처하는 것은 불가능하였다. 본 발명에서는 하나의 형만의 이형화에 의하여 톱니 폭 방향 및 축 방향의 쌍방(雙方)의 이동에 대하여 동시에 대처할 수 있다는 점에서 우수하다.

도8 및 도9는 본 발명에 있어서의 단조성형용 코어 바의 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에 있어서는 코어 바140은 그 확두부140-1, 140-2가 중심선143에 대하여 경사져 있다. 확두부140-1, 140-2의 경사각도는 θ로 나타나 있고, 이 경사각도는 하나의 확두부140-1 또는 140-2에 의한, 치형128의 인접한 복수의 톱니 홈에 대한 동시적인 돌출작용(치형128에 대한 소재의 살의 유동)을 가능하게 하는 것이다. 예를 들면 도9에서는 제1확두부140-1이 치형128의 인접하는 홈128-1, 128-2에 대하여 돌출을 하고, 제2확두부140-2가 치형128의 인접하는 홈128-3, 128-4에 대하여 돌출을 하고 있는 상태를 나타내고 있다. 이러한 치형128의 인접하는 홈128-1,128-2 또는 128-3, 128-4에 대한 하나의 확두부140-1 또는 140-2에 의한 동시적인 돌출작용에 의하여 코어 바140으로부터 치형128에 걸리는 하중(荷重)을 분산시킬 수 있어 코어 바나 치형의 수명을 연장시킬 수 있다는 효과가 있다.

도10 및 도11은 다른 실시예의 코어 바240을 나타내고, 코어 바240은 비탈식으로서, 완만하게 경사진 확두부를 구비하고 있고, 이 확두부에 산(山) 모양으로 경사진 기름 홈240-1이 간격을 두고 평행하게 다수 형성된다. 그 때문에 4∼6단 이상의 연속 맞물림이 이루어져 더 원활한 하중의 이동을 얻을 수 있다. 즉 이 실시예에서는 4∼6단 상당의 확두부에 의한 돌출량 상당을 연속시키는 비탈면 하나에 의하여 달성할 수 있다. 그리고 기름 홈에 경사를 형성하면서 다수의 기름 홈이 후가공에서 용이하게 형성될 수 있기 때문에 10개 전후 필요로 하는 코어 바의 가공비용이 대폭적으로 삭감될 수 있다. 변형 실시예로서 산 모양의 홈240-1 대신에 단순한 다수의 나란한 경사 홈으로 하여도 좋다.

이상에서 설명한 바와 같이 중공 래크 바의 단조성형에 있어서는, 소재인 파이프 재의 단면적 관리가 중요하다. 그러나 메이커로부터 공급되는 파이프 재는, 단조성형용 소재로서는 정밀도가 불충분하기 때문에 제품 정밀도의 저하 원인 및 치공구에 과중한 부담이 되어 수명단축의 원인이된다. 그러나 본 발명의 중공 래크 바의 단조성형에 의하면, 강관으로부터 래크 바를 단조하여 제품의 정밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 치공구의 수명도 연장하여 비용을 절감할 수 있다는 우수한 효과가 있다.

청구항1의 발명에 의하면, 단조공정에 선행하는 소성가공에 의한 강관의 단면 형상의 조정에 의하여 최종제품의 높은 정밀도를 얻을 수 있고 또한 치형에 가하는 하중의 적정화와 그 수명을 연장시킬 수 있다.

청구항2의 발명에 의하면, 단조성형 전의 아이어닝에 의한 단면 형상의 관리에 의하여 강관의 단면 형상을 불균일화함으로써 원하는 살의 유동을 얻을 수 있다. 이에 따라 클램프 금형 하나만의 이형화에 의하여 성형력 억제와 치공구 수명의 연장화와 정밀도 향상과 교합율 향상에 기여한다.

청구항3의 발명에 의하면, 제품의 정밀도 향상과 치공구의 수명을 연장시킬 수 있다.

청구항4의 발명에 의하면, 코어 바의 외경 및 단면 형상을 원하는 대로 제어하기 때문에 제품의 정밀도를 높일 수 있고 또한 치형 등의 치공구의 수명을 연장시킬 수 있다.

청구항5의 발명에 의하면, 코어 바는, 치형이 다른 산 또는 곡부와 동시·중합적으로 돌출작용을 시키면서 단조가 진행하기 때문에 치형에 걸리는 부하가 경감되어 그 수명을 연장시킬 수 있다.

청구항6의 발명에 의하면, 코어 바는, 치형이 다른 산 또는 곡부와중합적으로 돌출작용되면서 단조가 진행하기 때문에 치형에 걸리는 부하가 경감되어 그 수명을 연장시킬 수 있다.

청구항7의 발명에 의하면, 치형이 다른 일련 부위와 확실하게 동시·중합적으로 돌출작용되면서 단조가 진행하기 때문에 치형에 걸리는 하중이 더 분산되어 치형의 수명을 확실하게 연장시킬 수 있다.

청구항8의 발명에 의하면, 코어 바의 구성이 더 단순하게 되어 비용이 감소되고, 기름 홈의 형성에 의하여 원활한 돌출작용을 할 수 있다.

청구항9의 발명에 의하면, 가공의 정밀도가 높아져 그 수명연장과 함께 단조 성형 톱니의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

청구항10의 발명에 의하면, 치형삽입개구부는 응력의 집중을 방지하여 치형 홀더의 수명을 연장시킬 수 있다.

청구항11의 발명에 의하면, 내장 실린더로 함으로써 구조가 간단하게 되어 비용을 감소시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 강관(鋼管)을 그 외주측(外周側)에서 래크 성형용 치형(rack 成形用 齒形)에 의하여 지지하고, 강관에 코어 바(core bar)를 압입(壓入)함으로써 강관의 외주에 치형에 따른 중공 래크 부재(中空 rack 部材)를 단조(鍛造)에 의하여 성형하는 중공 래크 부재의 제조방법에 있어서, 단조에 앞서 소성가공(塑性加工)에 의하여 강관의 단면(斷面) 형상을 조정하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   소성가공에 의하여 강관의 단면 형상을 조정하는 공정은 강관의 단면 형상을 소정의 형상으로 성형하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   소성가공에 의하여 강관의 단면 형상을 조정하는 공정은 스웨이징(swaging)에 의한 직경축소공정(直徑縮小工程)과 이에 연속하는 아이어닝(ironing)에 의한 소정의 단면형상부여공정(斷面形狀附與工程)의 복합공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 제조방법.
4. 중공 래크 부재의 제조방법에 있어서, 예비적 성형공정으로서 스웨이징에 의한 직경 축소를 하고 이어서 외주에 소정 형상을 부여하는 클램프 금형(clamp 金型)을 배치한 상태에서 코어 바(core bar)를 인발(引拔)함으로써강관의 내경측(內徑側)에서 아이어닝을 하고, 이에 따라 강관에 대하여 축 방향 및 직경 방향으로 소정 형상의 단면을 부여하고, 그 후에 본성형공정(本成形工程)으로서 강관을 래크 톱니 성형용의 금형에 의하여 외주에서 지지하면서 내경 공동부(內徑 空洞部)에 래크 성형용의 코어 바를 압입함으로써 강관의 외면(外面)에 래크 톱니를 단조성형(鍛造成形)하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 제조방법.
5. 강관을 그 외주측에서 래크 성형용 치형을 내주(內周)에 갖는 클램프 금형에 의하여 지지하고, 강관에 코어 바를 압입함으로써 강관의 외주에 치형에 따른 중공 래크 부재를 단조에 의하여 성형하는 중공 래크 부재의 제조방법에 있어서, 코어 바를 압입할 때에 코어 바를 치형에서의 축선(軸線) 방향과 다른 부위에서 동시적으로 돌출작용시키면서 돌출단조를 하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 제조방법.
6. 강관을 그 외주측에서 지지하고 내주에 래크 성형용 치형을 갖는 금형과, 금형에 의하여 지지되는 강관에 압입되어 치형을 향하여 강관을 돌출시켜서 강관의 외면(外面)에 래크 톱니를 형성하는 확두부(擴頭部)를 갖는 코어 바를 구비하는 중공 래크 부재의 단조성형장치(鍛造成形裝置)에 있어서,코어 바는 치형에서의 축선 방향과 다른 부위에 동시적으로 돌출단조를 하도록 구성되는 단조작용수단(鍛造作用手段)을 구비하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 단조작용수단은 순차적으로 작용 직경(作用 直徑)이 확대되는 복수의 확두부로 구성되는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치.
8. 제6항에 있어서,

   상기 단조작용수단은 확두부와 그 확두부에 치형의 경사 방향과 역(逆) 방향으로 경사지도록 형성되고 축선 방향으로 간격을 두고 형성되는 복수의 기름 홈으로 구성되는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치.
9. 강관을 지지하는 금형과, 치형을 삽입하는 홀더(holder)와, 금형에 지지되는 강관에 압입되어 강관의 치형에 따른 래크 톱니를 단조하는 코어바로 이루어지는 중공 래크 부재의 단조성형장치에 있어서, 상기 홀더에 치형삽입개구부(齒形揷入開口部)가 관통(貫通)하도록 형성되고, 이 치형삽입개구부에 치형이 지지되는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 치형삽입개구부는 그 양단(兩端)에 큰 R부를 형성하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치.
11. 제9항에 있어서,

    상기 홀더를 금형에 장착하기 위한 내장 실린더(內臟 cylinder)를 구비하는 것을 특징으로 하는 중공 래크 부재의 단조성형장치.