JP4610122B2

JP4610122B2 - 深穴を有する底付中空部品の製造方法

Info

Publication number: JP4610122B2
Application number: JP2001121393A
Authority: JP
Inventors: 修加田; 正弘戸田
Original assignee: Nippon Steel Corp; Gohsyu Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Gohsyu Corp
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: JP2002192286A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はステアリングシャフトをはじめとするシャフト部品等に用いられ、部品軽量化が指向されているねじり強度に対する寄与の小さい断面内部を中空化した底付中空部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、底付中空部品を製造する方法として、ドリル等の機械加工による方法、前方押出や後方押出等を組み合わせた鍛造加工による方法、パイプ材と中実材を圧接等により接合する方法等が用いられている。
特開平５−７９２２号公報には、穴深さＬと内径ｄとの比Ｌ／ｄが２０程度のパイプ材を前方押出により製造する方法が記載されている。また、特開平７−２１４２２６号公報に開示されている前方押出と後方押出を組み合わせた鍛造加工では、一般的に量産可能な中空部の穴深さＬと内径ｄとの比Ｌ／ｄは１０程度である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機械加工では製造時間、工具コスト、材料歩留まりの観点から部品コストは高くならざるを得ず、量産部品の製造には適していない。
特開平７−２１４２２６号公報に開示されている発明では、Ｌ／ｄが１０を超えるような深穴を有する底付中空部品の製造は困難である。
また、特開平５−７９２２号公報に開示されている発明では底付中空部品を製造することは出来ず、このようにして得られたパイプ材と中実材を接合する方法では、接合部分の信頼性が課題である。
また、特開平０９−２７６９７７号公報に開示されている発明で、しごき加工があるが、この方法は主に鍛造品の精度向上やスプラインの成形を目的とされることが多く、素材形状を大きく変形させることは少ない。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みなされたもので、ステアリングシャフト等の中空部品で、特に中空部の穴深さＬと内径ｄとの比Ｌ／ｄが１０以上の深穴を有する底付中空部品を製造する方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）前方押出及び／又は後方押出によって製造した鋼材からなる粗形材を用い、粗形材の内径部にマンドレルを挿入し、前記マンドレルを固定したまましごきダイスを粗形材の底部から駆動するか、粗形材の底部にしごきダイスを固定したまま前記マンドレルを駆動する冷間しごき加工において、１段あたりの冷間しごきの加工度が、素材引張強さＴｓ［MPa］、しごき前の中空部外径Ｄ_０［mm］、しごき前の中空部内径ｄ_０［mm］、しごき後の中空部外径Ｄ［mm］、しごき後の中空部内径ｄ［mm］、マンドレル径Ｄ_Ｍ［mm］、マンドレル長さＬ_Ｍ［mm］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ_０ ^２−ｄ_０ ^２）／（Ｄ^２−ｄ^２））とｌｎ（Ｄ_０ ^２／Ｄ^２）のいずれか大きい方が６００００×（Ｄ_Ｍ／Ｌ_Ｍ）^２／Ｔｓ未満
となるようにし、かつ粗形材の絞りφ［％］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ_０ ^２−ｄ_０ ^２）／（Ｄ^２−ｄ^２））が０．０２５×φ−１．２未満
となるように冷間しごき加工を複数段施すことを特徴とする深穴を有する底付中空部品の製造方法。
（２）前方押出及び／又は後方押出によって製造した鋼材からなる粗形材を用い、粗形材の内径部に粗形材の内径と同径のマンドレルを挿入し、前記マンドレルを固定したまましごきダイスを粗形材の底部から駆動するか、粗形材の底部にしごきダイスを固定したまま前記マンドレルを駆動する冷間しごき加工において、粗形材の中空端部に素材の降伏応力の４０％以上かつ素材の降伏応力未満の圧力を加え、１段あたりの冷間しごきの加工度が、素材引張強さＴｓ［MPa］、しごき前の中空部外径Ｄ_０［mm］、しごき前の中空部内径ｄ_０［mm］、しごき後の中空部外径Ｄ［mm］、しごき後の中空部内径ｄ［mm］、マンドレル径Ｄ_Ｍ［mm］、マンドレル長さＬ_Ｍ［mm］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ_０ ^２−ｄ_０ ^２）／（Ｄ^２−ｄ^２））とｌｎ（Ｄ_０ ^２／Ｄ^２）とｌｎ（Ｄ_０ ^２／Ｄ^２）のいずれか大きい方が６００００×（Ｄ_Ｍ／Ｌ_Ｍ）^２／Ｔｓ未満
となるようにし、かつ粗形材の絞りφ［％］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ_０ ^２−ｄ_０ ^２）／（Ｄ^２−ｄ^２））が０．０４×φ−１．４未満
となるように冷間しごき加工を複数段施すことを特徴とする深穴を有する底付中空部品の製造方法。
（３）穴深さＬ［mm］と内径ｄ［mm］との比Ｌ／ｄが１０以上４０未満であることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の深穴を有する底付中空部品の製造方法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図１、図２及び図３を用いて、詳細に説明する。
まず、底付中空部品を製造するための素材として、前方押出及び／又は後方押出によって製造した粗形材を用いる。この粗形材段階の穴深さＬ［mm］と内径ｄ［mm］との比Ｌ／ｄは５程度で良く、Ｌ／ｄ＝５程度の穴成形は、前方押出及び／又は後方押出で容易に可能である。
【０００７】
冷間しごき加工の際、粗形材３の中空部にマンドレル１を挿入し、図１（ａ）に示すようにマンドレル１を固定したまましごきダイス２を粗形材３の底部から矢印の方向に駆動するか、図１（ｂ）に示すようにしごきダイス２を固定したまま粗形材３の底部からしごきダイス２内に挿入する方向（矢印で示す方向）にマンドレル１を駆動する。これと逆方向にしごき加工を行った場合、素材の座屈限界により、１段あたりの断面減少率が制限されるためである。
【０００８】
１段あたりのしごき加工において、素材引張強さＴｓ［MPa］、図２に示すしごき前の中空部外径Ｄ_０［mm］、しごき前の中空部内径ｄ_０［mm］、しごき後の中空部外径Ｄ［mm］、しごき後の中空部内径ｄ［mm］、及びマンドレル径Ｄ_Ｍ［mm］、マンドレル長さＬ_Ｍ［mm］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ_０ ^２−ｄ_０ ^２）／（Ｄ^２−ｄ^２））とｌｎ（Ｄ_０ ^２／Ｄ^２）のうちの大きい方が６００００×（Ｄ_Ｍ／Ｌ_Ｍ）^２／Ｔｓ未満
となるように設定するのは、これを超えた場合、マンドレルの座屈により加工できないからである。
ただし、ｌｎ（（Ｄ_０ ^２−ｄ_０ ^２）／（Ｄ^２−ｄ^２））は中空部の加工度を示し、ｌｎ（Ｄ_０ ^２／Ｄ^２）は底部の加工度を示し、（Ｄ_Ｍ／Ｌ_Ｍ）^２／Ｔｓはマンドレルの剛性及び素材強度から定まる量である。
【０００９】
また、１段あたりの冷間しごき加工の加工度が、しごき前の中空部外径Ｄ₀［mm］、しごき前の中空部内径ｄ₀［mm］、しごき後の中空部外径Ｄ［mm］、しごき後の中空部内径ｄ［mm］、マンドレル径Ｄ_M［mm］、マンドレル長さＬ_M［mm］、粗形材の絞りφ［％］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ₀ ²−ｄ₀ ²）／（Ｄ²−ｄ²））が０．０２５×φ−１．２未満
となるように設定するのは、これを超えた場合、素材の加工限界を超えるため素材破断が生じ、加工できないからである。
【００１０】
冷間しごきを行う際、図３（ａ）あるいは図３（ｂ）に示すように粗形材の中空端部に圧力を加えても良い。これにより素材破断の原因となる引張応力を低減させることが出来、１段あたりの冷間しごき加工の加工度を大きくすることが出来る。この際、粗形材中空部の内径より細径のマンドレル１を用いると、素材破断防止の効果が小さいため、粗形材中空部の内径と同径のマンドレルを用いる。但し、マンドレル径と粗形材中空部の内径が同一ではマンドレルを粗形材中空部に挿入が困難なため、本発明では粗形材中空部の内径の９８％〜１００％を同径と定義する。
【００１１】
また、粗形材の中空端部に加える圧力の範囲を、素材の降伏応力の４０％以上かつ素材の降伏応力未満とするのは、これより小さい場合破断防止効果が十分でないからであり、これを超えた場合粗形材中空部が塑性変形し加工出来ないからである。
【００１２】
本発明において、冷間しごき１段あたりの加工度の下限は特に定めることなく製造可能であるが、加工度を低くしすぎた場合、所定形状の底付中空部品を得るために多くの段数が必要となりコスト高を招くため、冷間しごき１段あたりの加工度は、しごき前の中空部外径Ｄ₀［mm］、しごき前の中空部内径ｄ₀［mm］、しごき後の中空部外径Ｄ［mm］、しごき後の中空部内径ｄ［mm］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ₀ ²−ｄ₀ ²）／（Ｄ²−ｄ²））とｌｎ（Ｄ₀ ²／Ｄ²）のいずれか大きい方を０．１以上とするのが好ましい。
【００１３】
底付中空部品の形状は穴深さＬ［mm］と内径ｄ［mm］との比Ｌ／ｄを１０以上４０未満とするのは、Ｌ／ｄが１０未満の形状であれば前方押出および後方押出の組み合わせ十分製造できるからであり、Ｌ／ｄが４０以上の形状であると、マンドレルの座屈限界から加工度がとれないためである。
【００１４】
【実施例】
素材として表１に示す機械的性質を有する鋼材を用いて、後方押出により、穴深さ比Ｌ／ｄが５の粗形材を成形した。潤滑処理として、リン酸亜鉛皮膜を施した。
しごき後形状は、表２に示すように設定し、その際のマンドレル長さはしごき後の穴深さより２０mm長く設定した。製造可否は、しごき中のマンドレルの座屈及びしごき後の中空部の破断及び粗形材中空部の塑性変形により判定した。結果を表２に示す。
【００１５】
本発明例１及び３は、前記（１）の本発明の条件を満たす例であり、穴深さ比Ｌ／ｄが２５を超える底付中空部品が得られている。本実施例においては、設備のストローク上限に達したため、これ以上の深穴成形は行っていないが、穴深さ比Ｌ／ｄが４０までの加工も可能である。
【００１６】
本発明例２及び４は、前記（２）の本発明の条件を満たす例であり、穴深さ比Ｌ／ｄが２５を超える底付中空部品が得られている。特に本発明例４では、素材延性が低いのにも関わらず、少ないしごき段数で穴深さ比Ｌ／ｄが２５を超える底付中空部品が得られている。本実施例においては、設備のストローク上限に達したため、これ以上の深穴成形は行っていないが、穴深さ比Ｌ／ｄが４０までの加工も可能である。
【００１７】
比較例１及び５は前記（１）の本発明の範囲から外れた例であり、中空部にて破断した。
比較例２及び６は前記（１）の本発明の範囲から外れた例であり、マンドレルが座屈した。
比較例３及び７は前記（２）の本発明の範囲から外れた例である。背圧が小さいため破断防止効果が十分でなく、中空部にて破断した。
比較例４及び８は前記（２）の本発明の範囲から外れた例である。背圧が粗形材の降伏応力を超えており、中空部が塑性変形し、ダイスを通過できなかった。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
【表３】

【００２１】
【発明の効果】
本発明により、これまで加工が困難であった中空部の穴深さＬ［mm］と内径ｄ［mm］との比Ｌ／ｄが１０以上の深穴を有する底付中空部品を、低コストで製造が可能となる。このことはシャフト部品などの軽量化を促し、ひいては自動車の燃費改善など多大の効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明例での冷間しごき加工の概要を示す図で、（ａ）はダイスを駆動する場合のしごき加工、（ｂ）はマンドレルを駆動する場合のしごき加工である。
【図２】（ａ）はしごき前の底付中空粗形材、（ｂ）はしごき後の底付中空部品の断面形状を示す図である。
【図３】本発明例での背圧を加えた冷間しごき加工の概要を示す図で、（ａ）はダイスを駆動する場合のしごき加工、（ｂ）はマンドレルを駆動する場合のしごき加工である。
【符号の説明】
１：マンドレル
２：しごきダイス
３：しごき前の中空部品
３′：しごき後の中空部品
４：背圧
Ｌ₀ ：しごき前の中空部穴深さ
Ｄ₀ ：しごき前の中空部外径
ｄ₀ ：しごき前の中空部内径
Ｌ：しごき後の中空部穴深さ
Ｄ：しごき後の中空部外径
ｄ：しごき後の中空部内径

Claims

前方押出及び／又は後方押出によって製造した鋼材からなる粗形材を用い、粗形材の内径部にマンドレルを挿入し、前記マンドレルを固定したまましごきダイスを粗形材の底部から駆動するか、粗形材の底部にしごきダイスを固定したまま前記マンドレルを駆動する冷間しごき加工において、１段あたりの冷間しごきの加工度が、素材引張強さＴｓ［MPa］、しごき前の中空部外径Ｄ_０［mm］、しごき前の中空部内径ｄ_０［mm］、しごき後の中空部外径Ｄ［mm］、しごき後の中空部内径ｄ［mm］、マンドレル径Ｄ_Ｍ［mm］、マンドレル長さＬ_Ｍ［mm］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ_０ ^２−ｄ_０ ^２）／（Ｄ^２−ｄ^２））とｌｎ（Ｄ_０ ^２／Ｄ^２）のいずれか大きい方が６００００×（Ｄ_Ｍ／Ｌ_Ｍ）^２／Ｔｓ未満
となるようにし、かつ粗形材の絞りφ［％］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ_０ ^２−ｄ_０ ^２）／（Ｄ^２−ｄ^２））が０．０２５×φ−１．２未満
となるように冷間しごき加工を複数段施すことを特徴とする深穴を有する底付中空部品の製造方法。
前方押出及び／又は後方押出によって製造した鋼材からなる粗形材を用い、粗形材の内径部に粗形材の内径と同径のマンドレルを挿入し、前記マンドレルを固定したまましごきダイスを粗形材の底部から駆動するか、粗形材の底部にしごきダイスを固定したまま前記マンドレルを駆動する冷間しごき加工において、粗形材の中空端部に素材の降伏応力の４０％以上かつ素材の降伏応力未満の圧力を加え、１段あたりの冷間しごきの加工度が、素材引張強さＴｓ［MPa］、しごき前の中空部外径Ｄ_０［mm］、しごき前の中空部内径ｄ_０［mm］、しごき後の中空部外径Ｄ［mm］、しごき後の中空部内径ｄ［mm］、マンドレル径Ｄ_Ｍ［mm］、マンドレル長さＬ_Ｍ［mm］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ_０ ^２−ｄ_０ ^２）／（Ｄ^２−ｄ^２））とｌｎ（Ｄ_０ ^２／Ｄ^２）とｌｎ（Ｄ_０ ^２／Ｄ^２）のいずれか大きい方が６００００×（Ｄ_Ｍ／Ｌ_Ｍ）^２／Ｔｓ未満
となるようにし、かつ粗形材の絞りφ［％］としたときに、
ｌｎ（（Ｄ_０ ^２−ｄ_０ ^２）／（Ｄ^２−ｄ^２））が０．０４×φ−１．４未満
となるように冷間しごき加工を複数段施すことを特徴とする深穴を有する底付中空部品の製造方法。
穴深さＬ［mm］と内径ｄ［mm］との比Ｌ／ｄが１０以上４０未満であることを特徴とする請求項１又は２記載の深穴を有する底付中空部品の製造方法。