JP2021030251A

JP2021030251A - 引抜鋼管及びラックバー、並びに引抜鋼管の製造装置及び製造方法

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Publication number: JP2021030251A
Application number: JP2019150437A
Authority: JP
Inventors: 敏史上本; Toshifumi Uemoto; 青木　健一; Kenichi Aoki; 健一青木; 頼匡須永; Yorimasa Sunaga
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-03-01

Abstract

【課題】肉厚が軸方向に変化する引抜鋼管の寸法精度を高める。【解決手段】小径の第１加工部１２０、大径の第２加工部１２１、及び第１加工部１２０と第２加工部１２１との間のテーパ部１２２を有し、テーパ部１２２の勾配θ２が０より大きく３°以下であるプラグ１０２と、ダイス１０１とを用いて素管Ｗを引き抜きながら、第２加工部１２１がダイス１０１の出口部１１０の内側に配置されている状態のプラグ１０２を、素管Ｗの引抜速度の１００％以下の移動速度で引抜方向とは反対方向に移動させて第１加工部１２０を出口部１１０の内側に配置することにより、薄肉部１２から厚肉部１４に遷移する遷移部１３を素管Ｗに形成し、遷移部１３の外周面に形成される環状の凹部１５の深さを０．２ｍｍ以下にする。【選択図】図１

Description

本発明は、引抜鋼管及びラックバー、並びに引抜鋼管の製造装置及び製造方法に関する。

ラックアンドピニオン式ステアリング装置等に用いられるラックバーとして、例えば断面円形の中実材である鋼棒にラック歯が切削加工されてなるラックバーが知られている。また、断面円形の中空の鋼管が用いられることによって軽量化が図られた、いわゆる中空ラックバーも知られている。

中空ラックバーに用いられる鋼管は、一般には、軸方向に略一定の断面を有し、その肉厚はラック歯丈に応じて設定されている。しかし、ラック歯丈に応じて設定される肉厚は、ラック歯が形成されるラック部を除いた軸部に対して過剰となる。そこで、特許文献１に記載されたラックチューブの製造方法では、鋼管に引抜加工が施され、それにより軸部がラック部よりも薄肉に形成されている。

特許文献１には引抜加工の具体的な方法が記載されていないが、鋼管の肉厚を軸方向に変化させる引抜加工方法としては、鋼管の内径を加工するプラグを、鋼管の外径を加工するダイスに対し、鋼管の引抜方向に相対移動させる方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−３４５２３１号公報特開２０１１−４５９２４号公報

プラグをダイスに対して相対移動させることによって引抜鋼管の肉厚を軸方向に変化させる場合に、薄肉部から厚肉部に遷移する遷移部が局所的に細る場合がある。本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、肉厚が軸方向に変化する引抜鋼管の寸法精度を高めることを目的とする。

本発明の一態様の引抜鋼管は、同一の外径及び内径を有する第１厚肉部及び第２厚肉部と、前記第１厚肉部と前記第２厚肉部との間に設けられており、前記第１厚肉部及び前記第２厚肉部の外径と同一の外径を有し且つ前記第１厚肉部及び前記第２厚肉部の内径よりも大きい内径を有する薄肉部と、前記第１厚肉部と前記薄肉部との間に設けられており、前記第１厚肉部から前記薄肉部に向けて内径が次第に大きくなる第１遷移部と、前記薄肉部と前記第２厚肉部との間に設けられており、前記薄肉部から前記第２厚肉部に向けて内径が次第に小さくなる第２遷移部と、を備え、前記第２遷移部の長さは、前記第１遷移部の長さより大きく、前記第２遷移部は、環状の凹部を外周面に有し、前記凹部の深さは、０．２ｍｍ以下である。

また、本発明の一態様のラックバーは、前記引抜鋼管の前記第１厚肉部及び前記第２厚肉部の少なくとも一方に、複数のラック歯が形成されてなる。

また、本発明の一態様の引抜鋼管の製造装置は、鋼管の外径を加工するダイスと、鋼管の内径を加工するプラグと、前記ダイスと前記プラグとの間を通して鋼管を引き抜く引抜部と、前記鋼管の引抜方向に前記ダイスと前記プラグとを相対移動させる駆動部と、を備え、前記ダイスは、引き抜かれた鋼管の外径を規定する出口部と、前記出口部に向けて内径が次第に小さくなるガイド部と、を有し、前記プラグは、第１加工部と、前記第１加工部の外径よりも大きい外径を有する第２加工部と、前記第１加工部と前記第２加工部との間に設けられており、前記第１加工部から前記第２加工部に向けて外径が次第に大きくなるテーパ部と、を有し、前記テーパ部の外周面の勾配は、前記ガイド部の内周面の勾配よりも小さく、且つ０．５°以上３°以下である。

また、本発明の一態様の引抜鋼管の製造方法は、前記引抜鋼管の製造装置を用い、前記プラグの前記第１加工部が前記ダイスの前記出口部の内側に配置されている状態で前記鋼管を引き抜くことにより、厚肉部を前記鋼管に形成し、前記プラグの前記第２加工部が前記ダイスの前記出口部の内側に配置されている状態で前記鋼管を引き抜くことにより、薄肉部を前記鋼管に形成し、前記鋼管を引き抜きながら、前記第２加工部が前記出口部の内側に配置されている状態の前記プラグを前記鋼管の引抜方向とは反対方向に移動させて前記第１加工部を前記出口部の内側に配置することにより、前記薄肉部から前記厚肉部に遷移する遷移部を前記鋼管に形成し、前記遷移部を形成する際の前記プラグの移動速度は、前記鋼管の引抜速度の１００％以下である。

本発明によれば、肉厚が軸方向に変化する引抜鋼管の寸法精度を高めることができる。

本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの一例の断面図である。図１のラックバーの製造に用いられる鋼管の製造装置の模式図である。図２の製造装置の動作を示す模式図である。図２の製造装置の動作を示す模式図である。図１の破線枠Ｖで囲まれた部分の拡大図である。図２の製造装置の動作を示す模式図である。実験例のグラフである。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、ラックバーの一例を示す。

ラックバー１は、断面円形状の中空の鋼管２からなる、いわゆる中空ラックバーである。鋼管２の鋼種は、例えばＪＩＳ−ＳＭｎ４３３（マンガン鋼）等の機械構造用合金鋼、ＪＩＳ−Ｓ４５Ｃ等の機械構造用炭素鋼炭素鋼であるが、特に限定されない。

鋼管２は、軸方向の一端側から順に、第１厚肉部１０と、第１遷移部１１と、薄肉部１２と、第２遷移部１３と、第２厚肉部１４とを備えている。第１厚肉部１０、第１遷移部１１、薄肉部１２、第２遷移部１３、及び第２厚肉部１４は同一の外径φ１を有する。また、第１厚肉部１０及び第２厚肉部１４は同一の内径φ２を有する。薄肉部１２の内径φ３は、第１厚肉部１０及び第２厚肉部１４の内径φ２よりも大きい。第１厚肉部１０及び第２厚肉部１４における肉の厚みをｔ１とし、薄肉部１２における肉の厚みをｔ２として、ｔ１＞ｔ２である。第１遷移部１１の内径は、第１厚肉部１０から薄肉部１２に向かって次第に大きくなっており、第２遷移部１３の内径は、薄肉部１２から第２厚肉部１４に向かって次第に小さくなっている。

ラックバー１は、軸方向に間隔をあけて並ぶ複数のラック歯２１を、第１厚肉部１０に有する。第１厚肉部１０には、軸方向に延びる平潰し部２０が設けられており、複数のラック歯２１は、平潰し部２０の外面に形成されている。複数のラック歯２１は、ステアリングシャフトに接続されている操舵ピニオンと噛み合う。

また、ラックバー１は、接合部２２を、第１厚肉部１０に含まれる鋼管２の一端部と、第２厚肉部１４に含まれる鋼管２の他端部とに有する。接合部２２には、切削加工等によって雌ネジが形成されており、ジョイントが接合される。ラックバー１は、接合部２２に接合されたジョイントを介して、ステアリング装置のタイロッドと連結される。

薄肉部１２は、ラックバー１を収容するステアリング装置のハウジングによって、軸方向に摺動可能に支持される。

平潰し部２０及び複数のラック歯２１は、例えば以下のようにして形成される。まず、鋼管２の第１厚肉部１０の一部がプレス加工によって押し潰されて平坦化される。これにより、軸方向に延びる平潰し部２０が第１厚肉部１０に形成される。次いで、歯型が平潰し部２０の外面に押し当てられ、この状態で、芯金が鋼管２に圧入される。芯金の圧入に伴い、平潰し部２０の材料が芯金によってしごかれ、歯型に食い込む。そして、芯金が次第に大きなものに交換され、芯金の圧入が繰り返される。これにより、歯型の形状が平潰し部２０の外面に転写され、複数のラック歯２１が平潰し部２０の外面に形成される。

なお、複数のラック歯２１は、例えばブローチ盤等を用いた切削加工によって形成されてもよい。ただし、歯型を用いた転造によって形成されることにより、材料の節約が図られ、歯ピッチ等の設計の自由度も高まる。

また、複数のラック歯は、第１厚肉部１０に加えて第２厚肉部１４にも形成され得る。第２厚肉部１４に形成される複数のラック歯は、パワーアシスト用モータに接続された補助ピニオンと噛み合う。なお、第２厚肉部１４には、ラック歯に替えて、ボールねじ溝等の他の直動要素が形成されてもよい。

図２は、鋼管２の製造装置の一例を示す。

第１遷移部１１と、薄肉部１２と、第２遷移部１３と、第２厚肉部１４とを備える鋼管２は、一定断面を有する素管Ｗを引抜加工することによって製造される。

引抜鋼管２の製造装置１００は、素管Ｗの外径を加工するダイス１０１と、素管Ｗの内径を加工するプラグ１０２と、ダイス１０１とプラグ１０２との間を通して素管Ｗを引き抜く引抜部１０３と、素管Ｗの引抜方向にダイス１０１とプラグ１０２とを相対移動させる駆動部１０４と、制御部１０５とを備える。

ダイス１０１は、素管Ｗの外径を規定する出口部１１０と、出口部１１０に向けて内径が次第に小さくなるガイド部１１１とを有する。出口部１１０の内径は、素管Ｗの外径よりも小さく、引抜鋼管２の外径φ１と同じである。

プラグ１０２は、素管Ｗの内径を規定する加工部として、第１加工部１２０と、第２加工部１２１とを有し、また、第１加工部１２０と第２加工部１２１との間に設けられているテーパ部１２２とを有する。第１加工部１２０、第２加工部１２１、及びテーパ部１２２は同軸である。第１加工部１２０の外径Ｄ１は、引抜鋼管２の第１厚肉部１０及び第２厚肉部１４の内径φ２と同じである。第２加工部１２１の外径Ｄ２は、第１加工部１２０の外径Ｄ１よりも大きく、引抜鋼管２の薄肉部１２の内径φ３と同じである。テーパ部１２２の外径は、第１加工部１２０から第２加工部１２１に向けて次第に大きくなっている。

素管Ｗは、ガイド部１１１側からダイス１０１に挿通され、図中矢印Ａで示される方向に引き抜かれる。プラグ１０２は、相対的に小径な第１加工部１２０を引抜方向Ａに向け、素管Ｗの基端側の開口を通して素管Ｗに収容される。引抜部１０３は、ダイス１０１を通過した素管Ｗの先端部を把持するチャック１３０と、チャック１３０を引抜方向Ａに牽引するアクチュエータ１３１とを有する。素管Ｗの先端部を把持したチャック１３０が牽引されることにより、ダイス１０１とプラグ１０２との間を通して素管Ｗが引き抜かれる。アクチュエータ１３１としては、例えば流体圧シリンダ装置、ボールねじ装置等の適宜な直動装置が用いられる。

素管Ｗが引き抜かれる過程において、第１加工部１２０及び第２加工部１２１の一方がダイス１０１の出口部１１０の内側に選択的に配置されるように、プラグ１０２は、駆動部１０４によって、素管Ｗの内部で軸方向に移動される。駆動部１０４は、素管Ｗの基端側の開口を通して素管Ｗに挿入される支持棒１４０と、支持棒１４０を軸方向に前後移動させるアクチュエータ１４１とを有する。プラグ１０２は支持棒１４０の先端部に固定されている。支持棒１４０が前後移動されることにより、プラグ１０２もまた軸方向に前後移動され、プラグ１０２の前後移動に応じて、第１加工部１２０及び第２加工部１２１の一方がダイス１０１の出口部１１０の内側に選択的に配置される。アクチュエータ１４１としては、例えば流体圧シリンダ装置、ボールねじ装置等の適宜な直動装置が用いられる。

制御部１０５は、引抜部１０３と駆動部１０４とを制御し、引抜部１０３のチャック１３０の移動量に基づき、ダイス１０１とプラグ１０２との間を通過する素管Ｗの部位を特定する。そして制御部１０５は、ダイス１０１とプラグ１０２との間を通過する素管Ｗの部位に応じて駆動部１０４を動作させ、プラグ１０２の第１加工部１２０及び第２加工部１２１のうち一方をダイス１０１の出口部１１０の内側に配置させる。

図３に示すように、第１加工部１２０が出口部１１０の内側に配置されている状態でダイス１０１とプラグ１０２との間を通過した素管Ｗの部位は、引抜鋼管２における第１厚肉部１０又は第２厚肉部１４（内径φ２、肉の厚みｔ１）となる。一方、図４に示すように、第１加工部１２０よりも大径な第２加工部１２１が出口部１１０の内側に配置されている状態でダイス１０１とプラグ１０２との間を通過した素管Ｗの部位は、引抜鋼管２における薄肉部１２（内径φ３、肉の厚みｔ２）となる。

そして、ダイス１０１の出口部１１０の内側に配置される加工部を第１加工部１２０から第２加工部１２１に変更し、又は第２加工部１２１から第１加工部１２０に変更するためにプラグ１０２が移動されている最中も、素管Ｗの引き抜きは継続される。プラグ１０２が移動されている最中にダイス１０１とプラグ１０２との間を通過した素管Ｗの部位は、引抜鋼管２における第１遷移部１１又は第２遷移部１３となる。

素管Ｗの引抜加工により、引抜鋼管２の第１厚肉部１０、第１遷移部１１、薄肉部１２、第２遷移部１３及び第２厚肉部１４がこの順に形成されるものとして、第１遷移部１１は厚肉部から薄肉部に変化する遷移部である。第１遷移部１１を形成する際に、プラグ１０２は素管Ｗの引抜方向に移動され、ダイス１０１の出口部１１０の内側に配置される加工部が、相対的に小径の第１加工部１２０から大径の第２加工部１２１に変更される。一方、第２遷移部１３は薄肉部から厚肉部に変化する遷移部である。第２遷移部１３を形成する際に、プラグ１０２は素管Ｗの引抜方向とは反対方向に移動され、ダイス１０１の出口部１１０の内側に配置される加工部が、相対的に大径の第２加工部１２１から小径の第１加工部１２０に変更される。

図５に示すように、薄肉部から厚肉部に変化する第２遷移部１３の外周面には環状の凹部１５が形成され、第２遷移部１３は局所的に細る。第２遷移部１３が局所的に細る要因の一つとして、第２遷移部１３を形成する際に、素管Ｗの内径側の支持が一時的に失われることが考えられる。図６に示すように、第２遷移部１３を形成する際のプラグ１０２の移動において、プラグ１０２のテーパ部１２２が出口部１１０を通過する際に、素管Ｗの内周面とテーパ部１２２の外周面との間に隙間Ｇが生じ、素管Ｗの内径側の支持が一時的に失われる。素管の内径側の支持がない点では、プラグを用いることなく素管を引き抜く空引きと同じであり、空引きによって製造される引抜鋼管の外径は、典型的には、ダイスの内径よりも０．８ｍｍ程度（半径では０．４ｍｍ程度）小さくなる。

凹部１５は、引抜鋼管２の外周面の切削加工等によって除去され得るが、切削加工を不要とし、又は切削による材料の無駄を抑制する観点から、凹部１５の深さＤは小さいほうが好ましく、Ｄ≦０．２ｍｍであり、より好ましくはＤ≦０．１ｍｍである。ダイス１０１のガイド部１１１の勾配（ガイド部１１１の内周面と中心軸とのなす角度）をθ１、プラグ１０２のテーパ部１２２の勾配（テーパ部１２２の外周面と中心軸とのなす角度）をθ２として、凹部１５の深さＤを小さくするため、θ１＞θ２且つ０．５°≦θ２≦３°に設定されている。ここで、ガイド部１１１の内周面の勾配θ１は、焼付きを抑制する観点から、好ましくは１５°以下である。

また、凹部１５の深さＤはプラグ１０２の移動速度Ｖにも関連し、凹部１５の深さＤを小さくするため、第２遷移部１３を形成する際のプラグ１０２の移動速度は素管Ｗの引抜速度の１００％以下に設定される。第２遷移部１３を形成する際のプラグ１０２の移動速度が小さいほど凹部１５の深さＤは小さくなるが、一方で、第２遷移部１３の長さＬが大きくなる。第２遷移部１３の長さＬが大きくなると、薄肉部１２が短縮され、軽量化の効果が減弱される。第２遷移部１３の冗長を抑制して軽量化を図る観点から、第２遷移部１３を形成する際のプラグ１０２の移動速度は、好ましくは引抜速度の３０％以上である。

なお、厚肉部から薄肉部に変化する第１遷移部１１を形成する際のプラグ１０２の移動において、素管Ｗはプラグ１０２のテーパ部１２２によってダイス１０１の出口部１１０に押し込まれるため、素管Ｗの内径側の支持が維持される。したがって、第１遷移部１１の外周面に環状の凹部は形成されず、凹部が形成されるとしても凹部の深さは極めて小さい。そこで、第１遷移部１１を形成する際のプラグ１０２の移動速度は、素管Ｗの引抜速度以下である限りにおいて適宜設定できる。ただし、第１遷移部１１の冗長を抑制して軽量化を図る観点から、第１遷移部１１を形成する際のプラグ１０２の移動速度は、好ましくは第２遷移部１３を形成する際のプラグ１０２の移動速度以上である。この場合、プラグ１０２が引抜方向に移動されてなる第１遷移部１１の長さは、プラグ１０２が引抜方向とは反対方向に移動されてなる第２遷移部１３の長さＬよりも短くなる。

以下、実験例について説明する。

素管Ｗとして、ＪＩＳ−ＳＭｎ４３３からなる外径４２．７ｍｍ、内径３１．７ｍｍの鋼管を用いた。この素管Ｗに対して引抜加工を行い、外径３８．２５ｍｍに形成し、第１厚肉部１０及び第２厚肉部１４を内径２８．３５ｍｍに形成し、薄肉部１２を内径３０．３ｍｍに形成した。すなわち、ダイス１０１の出口部１１０の内径は３８．２５ｍｍであり、プラグ１０２の第１加工部１２０の外径は２８．３５ｍｍであり、第２加工部１２１の外径は３０．３ｍｍである。また、ダイス１０１のガイド部１１１の勾配θ１は１４°である。

プラグ１０２のテーパ部１２２の勾配θ２、及び第２遷移部１３を形成する際のプラグ１０２の移動速度を種々に変えて上記引抜加工を行い、第２遷移部１３に形成される凹部１５の深さＤ及び第２遷移部１３の長さＬを測定した。測定結果を表１に示す。また、測定結果の勾配θ２と深さＤとの関係を図７に示す。なお、図７に示すグラフの横軸は、勾配θ２を、外径２８．３５ｍｍ（第１加工部１２０の外径）から３０．３ｍｍ（第２加工部１２１の外径）に変化する場合のテーパ部１２２の長さＬＬ（図６参照）に換算した値である。

凹部１５の深さＤの測定値の小数第１位までを有効として小数第２位以降を四捨五入すれば、プラグ１０２のテーパ部１２２の勾配θ２が７°（テーパ部１２２の長さＬＬが７．９ｍｍ）では、深さＤが０．４ｍｍであり、空引きの場合と同程度であった。そして、勾配θ２が小さくなる（長さＬＬが大きくなる）のに従って、深さＤもまた小さくなり、勾配θ２が５°より小さい（長さＬＬが１１．１ｍｍより大きい）場合に、勾配θ２に対して深さＤが顕著に小さくなっている。設定したプラグ１０２の移動速度の範囲では、勾配θ２が３°（長さＬＬが１８．６ｍｍ）で深さＤは最大でも０．２ｍｍとなり、勾配θ２が２．２°（長さＬＬが２５．４ｍｍ）で深さＤは０．１ｍｍとなった。また、凹部１５の深さＤはプラグ１０２の移動速度にも関連し、移動速度が大きくなるのに従って深さＤは大きくなっている。したがって、深さＤを０．２ｍｍ以下とするには、プラグ１０２の移動速度は、好ましくは素管Ｗの引抜速度の７０％以下である。ただし、移動速度と第２遷移部１３の長さＬとは概ね反比例の関係となっており、第２遷移部１３の冗長を抑制して軽量化を図る観点から、移動速度は、好ましくは引抜速度の３０％以上である。

１ラックバー
２引抜鋼管
１０第１厚肉部
１１第１遷移部
１２薄肉部
１３第２遷移部
１４第２厚肉部
１５凹部
２０平潰し部
２１ラック歯
２２接合部
１００製造装置
１０１ダイス
１０２プラグ
１０３引抜部
１０４駆動部
１０５制御部
１１０出口部
１１１ガイド部
１２０第１加工部
１２１第２加工部
１２２テーパ部
１３０チャック
１３１アクチュエータ
１４０支持棒
１４１アクチュエータ
Ｗ素管

Claims

同一の外径及び内径を有する第１厚肉部及び第２厚肉部と、
前記第１厚肉部と前記第２厚肉部との間に設けられており、前記第１厚肉部及び前記第２厚肉部の外径と同一の外径を有し且つ前記第１厚肉部及び前記第２厚肉部の内径よりも大きい内径を有する薄肉部と、
前記第１厚肉部と前記薄肉部との間に設けられており、前記第１厚肉部から前記薄肉部に向けて内径が次第に大きくなる第１遷移部と、
前記薄肉部と前記第２厚肉部との間に設けられており、前記薄肉部から前記第２厚肉部に向けて内径が次第に小さくなる第２遷移部と、
を備え、
前記第２遷移部の長さは、前記第１遷移部の長さより大きく、
前記第２遷移部は、環状の凹部を外周面に有し、
前記凹部の深さは、０．２ｍｍ以下である引抜鋼管。
請求項１記載の引抜鋼管の前記第１厚肉部及び前記第２厚肉部の少なくとも一方に、複数のラック歯が形成されてなるラックバー。
鋼管の外径を加工するダイスと、
鋼管の内径を加工するプラグと、
前記ダイスと前記プラグとの間を通して鋼管を引き抜く引抜部と、
前記鋼管の引抜方向に前記ダイスと前記プラグとを相対移動させる駆動部と、
を備え、
前記ダイスは、
引き抜かれた鋼管の外径を規定する出口部と、
前記出口部に向けて内径が次第に小さくなるガイド部と、
を有し、
前記プラグは、
第１加工部と、
前記第１加工部の外径よりも大きい外径を有する第２加工部と、
前記第１加工部と前記第２加工部との間に設けられており、前記第１加工部から前記第２加工部に向けて外径が次第に大きくなるテーパ部と、
を有し、
前記テーパ部の外周面の勾配は、前記ガイド部の内周面の勾配よりも小さく、且つ０．５°以上３°以下である引抜鋼管の製造装置。
請求項３記載の引抜鋼管の製造装置であって、
前記ガイド部の内周面の勾配は、１５°以下である引抜鋼管の製造装置。
請求項３又は４記載の引抜鋼管の製造装置を用い、
前記プラグの前記第１加工部が前記ダイスの前記出口部の内側に配置されている状態で前記鋼管を引き抜くことにより、厚肉部を前記鋼管に形成し、
前記プラグの前記第２加工部が前記ダイスの前記出口部の内側に配置されている状態で前記鋼管を引き抜くことにより、薄肉部を前記鋼管に形成し、
前記鋼管を引き抜きながら、前記第２加工部が前記出口部の内側に配置されている状態の前記プラグを前記鋼管の引抜方向とは反対方向に移動させて前記第１加工部を前記出口部の内側に配置することにより、前記薄肉部から前記厚肉部に遷移する遷移部を前記鋼管に形成し、
前記遷移部を形成する際の前記プラグの移動速度は、前記鋼管の引抜速度の１００％以下である引抜鋼管の製造方法。