KR20070094448A - 중공 래크의 소성가공 방법, 장치 및 중공 래크 - Google Patents

Abstract

(과제)

본 발명은 차량의 조타기구(操舵機構)용 래크바(rack bar)를 관재(管材)를 사용하여 소성가공(塑性加工)에 의하여 형성하는 기술에 관한 것으로서, 종래의 이러한 종류의 가공방법과 비교하여 대폭적인 중량삭감을 실현시킬 수 있는 것을 목적으로 한다.

(해결 수단)

금형에 의한 래크 기어(rack gear)의 전조공정(轉造工程)에 앞서서, 래크바에 있어서의 축부(軸部)가 되는 부위에 대하여 두께를 감소시킨다. 즉 관(管)의 원래 두께는 to이지만, 래크바에 있어서의 치형(齒形)이 되는 부위10-1에 관해서는 직경을 축소시키고 두께를 유지시키거나 또는 약간 증가시키는 두께t1으로 하지만, 래크바의 축부가 되는 부위10-2에 관해서는 관의 예를 들면 반 정도인 두께t2로 두께를 감소시킨다. 두께 감소에 의하여 블랭크의 길이는 관의 Lo로부터 L1로 신장된다. 그 후에 금형에 의한 치형단조(齒形鍛造)를 하고 치형11을 형성한다.

Description

중공 래크의 소성가공 방법, 장치 및 중공 래크{METHOD AND APPARATUS FOR PLASTIC WORKING OF HOLLOW RACK AND HOLLOW RACK}

도1은 본 발명의 래크바 성형공정(A)∼(E)를 나타내는 개략도이다.

도2는 셔틀형 금속심에 의한 치형단조공정을 나타내는 개략도이다.

도3은 직경 축소공정(A)∼(C)를 설명하는 도면이다.

도4는 두께 증가공정(A) 및 (B)를 나타내는 도면이다.

도5는 도4에 계속되는 공정(C) 및 (D)를 나타내는 도면이다.

도6은 도5에 계속되는 공정(E)∼(G)를 나타내는 도면이다.

도7은 다른 실시예에 있어서의 블랭크 성형공정(A)∼(D)를 나타내는 도면이다.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

10 블랭크 10-1 블랭크의 직경 축소부위

10-2 블랭크의 두께 감소부위 12 래크바 성형용 하형

14 래크바 성형용 상형 14A 래크 기어형

16a, 16b 셔틀형 금속심 17a, 17b 가압 로드

20 직경 축소용 금형 홀더 22 가이드

23 축소 다이스 24 선단 변형 다이스

26 직경 축소용 금속심 30 두께 감소용 금속심

32 다이스 34 스트라이커

36 직경 축소용 금속심 37 다이스

40 홀더 42 제1안내통

44 다이스 46 제2안내통

48 직경 축소 다이스 50 통 모양 금속심

52 막대 모양 금속심

본 발명은 차량의 조타기구(操舵機構) 등에 사용되는 래크바(rack bar)를 관재(管材)를 사용하여 소성가공(塑性加工)에 의하여 형성하는 기술에 관한 것으로서, 종래의 이러한 종류의 가공방법과 비교하여 특히 대폭적인 중량삭감을 실현시킬 수 있는 개량기술에 관한 것이다.

차량용 조타계의 주요부품인 래크바는, 종래부터 속이 찬 원형 봉재를 소재로 하여 오래 전에는 호빙 머신(hobbing machine)에 의하여 절삭가공 되었으나 최근에는 브로치(broach)에 의하여 절삭가공 되어 왔다. 그러 나 원형 봉재를 절삭가공 하는 것은 제품중량이 커지기 때문에, 경량화를 위하여 중공부(中空部)를 건 드릴(gun drill)에 의하여 천공(穿孔)한 것도 실용화 되어 있지만 이에 따른 비용 부담이 커지고, 속이 찬 원형 봉재를 소재로 하는 것에 비하여 기껏 20∼30% 정도의 중량감소를 얻는 데에 지나지 않아 낭비되는 자원이었다.

따라서 래크바의 경량화 즉 자원 절약과 차량의 성능향상을 위하여, 관재를 사용하여 소성가공(단조)에 의한 것이 본 출원과 동일한 출원인 등에 의하여 제안되어 있다. 이러한 종류의 단조기술에서는, 관재(管材)가 관재의 대향면에 치형을 구비한 분할금형(分割金型)에 의하여 지지되고, 금형에 지지되는 관재는 금속심(金屬芯 ; steel core)을 압입함으로써 금형의 치형에 따르는 치형이 전사식(轉寫式)으로 조형된다(특허문헌1∼3). 또한 셔틀형(shuttle型)의 금속심에 의한 개량도 제안되어 있다(특허문헌4).

(특허문헌1)일본국 특허 제3547378호 공보

(특허문헌2)일본국 특허 제3607204호 공보

(특허문헌3)일본국 특허 제3607205호 공보

(특허문헌4)일본국 공개특허공보 특개2006-026703호 공보

관재를 사용하여 래크바를 단조성형하는 특허문헌1∼4 등의 기술에 있어서 관재는, 소재 메이커로부터 공급된 그대로의 4mm 전후인 소정의 두께를 가진 것이었다. 이 두께는 제품으로서의 래크바에 필요한 기어의 높이에 의하여 결정되는 것이지만, 필요한 기어의 높이가 높은 경우에는 관재의 두께도 두껍게 되어 치형부(齒形部) 이외의 부위에서는 불필요한 두께가 된다. 종래에는 기능적으로 불필요한 이러한 부분의 두께를 그대로 둠으로 인하여, 제품의 중량이 필요기능 이상으로 커지는 결과가 되어 경량화가 충분하게 이루어지지 못하여 소재의 이용 효율이 나빠짐으로써, 비용적인 면에서나 자원 절약 면에서 그리고 차의 성능향상 차원에서 개선이 요구되어 왔던 바이다.

본 발명은 이상의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 소재의 전체 길이에 걸쳐서 두께의 효율적인 이용을 도모하고, 래크바로서의 필요한 성능을 확보하면서 최대한의 경량화, 저비용화, 자원 절약화, 차의 성능향상을 실현시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 돌출 전조식의 래크바 단조성형은 통 모양의 워크를 금형에 지지시키고, 워크의 내경에 금속심을 압입하여 소재의 살을 외경에 위치하는 금형을 향하여 소성유동 돌출시켜 금형의 치형에 워크를 전사·조형(전조) 함으로써 이루어지지만, 본 발명에 의하면, 돌출 전조에 의한 래크 기어의 성형공정에 앞서 두께의 증감에 의한 일차적인 단면적 조정(斷面的 調整)이 실시된다. 즉 일차적인 단면적 조정에 있어서 워크는 길이방 향을 따라 각 부위를 원하는 두께로 증감시키도록 소성가공을 함으로써, 길이방향을 따라 각 부위 마다의 요구 기능에 대응하는 단면적을 부여하게 할 수 있다.

워크의 각 부위의 두께 증감은, 소위 스웨이징(swaging)에 의한 직경 축소나 아이어닝(ironing)에 의한 두께 감소를 통한 1공정으로 일거에 또는 여러 공정으로 분할하여 이루어진다.

본 발명에 있어서의 단면적 조정을 위한 장치는, 길이가 긴 금속심과 여러 개의 다이스(dies)로 이루어지는 조합 금형과, 이 조합 금형을 구동하는 기구로서의 세로형 또는 가로형의 유압 실린더 기구로 구성할 수 있고, 관의 각각의 부위를 원하는 두께로 증감하도록 유압 실린더 기구와 금형이 같이 작용하게 하도록 한다. 유압 실린더 기구 대신에, 서보모터와 볼 나사식 등의 회전운동-직선운동 변환기구로 이루어지는 것 등의 적당한 왕복 구동기구를 채용할 수 있다.

(실시예)

도1은 본 발명의 래크바 성형을 위한 일련의 공정을 나타내고 있는데, 제1단계(A)에 있어서, 10은 소재 메이커로부터 공급되는 관에 대하여 본데루베 처리(bonderlube 處理 ; 인산염 피막 형성 처리) 후의 블랭크(blank ; 중간 제품) 또는 워크를 나타내고 있으며 블랭크의 두께를 to, 길이를 Lo로 나타낸다. 두께to의 값은 본 실시예에서는 4mm이며, 소성유동(塑性流動) 에 의하여 이 두께 부분이 외경(外徑) 측으로 돌출되어 원하는 기어의 높이 및 강도(强度)를 가지는 기어부(gear部)를 형성할 수 있다.

제2단계(B)에서는 (A)에서 얻어진 블랭크에 있어서의 치형 형성부위 만의 제1단계의 직경 축소를 한다. 블랭크에 있어서의 도면의 좌단으로부터 소정의 길이의 부위10'로 나타내는 직경 축소를 함으로써 소재의 두께to보다 어느 정도 증가한 두께t1이 얻어진다. 직경 축소는 후술하는 바와 같이 스웨이징(swaging)에 의하여 실시할 수 있다. 이 직경 축소부위10'의 길이는 제품으로서의 래크바의 기어부11(도1(E))의 길이에 대응하게 된다. 직경 축소가 되지 않는 나머지의 부위는 10''로 나타낸다.

제3단계(C)에서는 단계(B)에서 직경 축소 후의 블랭크에 있어서, 성형 후의 래크바의 연결부(축부)가 되는 부위의 두께 감소공정을 나타낸다. 즉 관의 두께to는 래크바 단조 후의 래크바 제품으로서 필요한 기어의 높이 및 강도를 얻을 수 있도록 상기와 같은 4mm인 값으로 되어 있지만, 래크바에 있어서의 축부에는 기어부 만큼 힘이 걸리지 않기 때문에 이 4mm의 두께가 축부로서의 기능 확보 관점에서는 불필요하다. 따라서, 본 발명에서는 단조 제품으로서의 래크바의 축부가 되는 부위에 관해서는 소성가공에 의하여 관의 두께to에 대하여 대략 반 정도의 두께t2(≒0.5×to(=2mm))의 값으로 두께를 감소시킨다. 이러한 두께 감소는 아이어닝에 의하여 할 수 있지만, 아이어닝(ironing)에 의하여 블랭크는 길이가 늘어나게 되어 블랭크의 길이는 Lo에서 L1로 증대된다. 그 때문에 블랭크에는 (B)의 부 위10'에 대응하는 직경 축소부위10-1에 계속하여 두께t2의 두께 감소부위10-2가 형성된다. 길이L1은 제품으로서의 래크바의 길이에 대응하기 위하여, 종래에는 블랭크의 길이로서도 최저L1에 상당하는 길이가 필요하였다. 이에 대하여 본 발명에서는, 두께 감소를 통한 신장에 의하여 제품길이에 대응하는 길이L1을 얻고 있기 때문에, 직경 축소 가공에 의하여 얻어진 신장 만큼 블랭크의 길이를 짧게 할 수 있다. 즉 종래와 비교해 볼 때 관의 길이를 기본적으로는 L1에서 Lo로 단축할 수 있어, 재료의 감소 및 제품의 중량을 줄임으로써 소재 비용 및 런닝 코스트의 감소를 실현할 수 있다.

도1(C)의 실시예에서는 블랭크에 있어서의 두께 감소부위10-2의 후단측에는 관의 두께to인 채로 비교적 짧은 부위10-3이 남겨져 있다. 이 부위10-3의 내주에는 래크바를 조타기구의 다른 부품에 연결하기 위한 나사부가 절삭형성 되기 때문에 그것을 계산해서 두께 부위10-3을 남기도록 하고 있다. 실제로는 탭 드릴 구멍의 직경에 맞추기 위하여 직경 축소 가공 후에 나사가 가공된다.

또한 도1(B)의 직경 축소부10'는 부가적인 직경 축소가 됨으로써 직경 축소부10-1로서 나타내져 있다.

도1(D)에 나타내는 제4단계에서는, (C)에서 얻어진 블랭크에 있어서 래크바의 기어부가 되는 부위의 평탄화 변형공정을 나타낸다. 즉 제품으로서의 래크바의 기어부가 되는 관에 있어서의 직경 축소부위10-1의 상면10- 1A가 평탄해지도록 가압 변형시켜, 그 결과 이 부위에 있어서 관은 반월(半月) 모양의 단면형상을 나타낸다.

제5단계(E)에서는 블랭크의 평탄화 변형부분10-1A에 있어서의 래크 기어의 단조공정을 나타내는데, 금속심의 좌우로부터의 교대 압입(交代 壓入)에 의하여 평탄화 변형부분10-1A에 금형의 치형에 따른 래크 기어11의 단조원리 하에서의 전사 조형이 이루어진다. 도2는 단조공정을 모식적으로 나타내는데, 기본적으로는 특허문헌1∼3과 동일하여도 좋고 긴 금속심을 사용하여도 좋지만, 이 실시예에서는 특허문헌4에 의한 셔틀형(shuttle型)의 금속심을 사용하고 있다. 즉 도2에서 래크바 성형용의 조합 금형은 하형(下型)12와 상형(上型)14의 상하의 반할형(半割型)으로 구성되어 상형14의 하면에 래크 기어형14A가 형성되고, 래크 기어형14A가 도1(A)부터 (C)의 소성가공에 의한 일차적인 성형공정(단면적 조정공정)이 완료된 블랭크10의 직경 축소부위10-1에 있어서의 평탄화된 상면10-1A(도1(D))에 접하게 된다. 특허문헌4에 개시된 바와 같이 금형의 좌우로 셔틀형 금속심16a, 16b가 배치되고, 셔틀형 금속심16a, 16b의 외측에 셔틀형 금속심의 단면의 오목부(파선)와 선단(先端)이 결합하는 가압 로드17a, 17b가 배치된다. 블랭크10의 직경 축소부위10-1은 상하의 형14, 12 사이에 배치되어 상하의 형14, 12를 합체함으로써 형닫기가 완료되면, 블랭크10의 직경 축소부위10-1의 상면10-1A는 상형14의 기어부14A에 의하여 가압됨으로써 실질적으로 평탄화되어, 도1(D)에서 설명한 기어부 형성면의 평탄화 공정을 끝낼 수 있다. 그리고 래크 기어 성형을 위한 단 조공정으로 그대로 이행된다. 즉 가압 로드17a, 17b에 의하여 셔틀형 금속심16a, 16b는 교대로 전진, 후퇴 구동(화살표f)되어, 금형에 의하여 지지된 블랭크에 압입되어 셔틀형 금속심16a, 16b는 블랭크의 직경 축소부위10-1에 있어서 소재의 살을 상형14의 래크 기어형14A를 향하여 돌출시켜(소성 유동시켜), 블랭크의 직경 축소부위10-1에 있어서의 평탄화된 상면10-1A에 래크 기어형14A에 따른 치형11이 단조원리 하에서 전사되어 조형(전사 조형)된다.

이상과 같이 하여 치형전조가 완료되면, 제품 마무리를 위한 범용공정, 즉 휨 교정(bending calibration), 양단 재스웨이징(兩端 再swaging), 홈가공(flute 加工), 2면 폭가공(二面 幅加工), 양단 내경 탭(兩端 內徑 tap), 담금질(quenching) 및 템퍼링(tempering), 외경 연마(外徑 硏磨), 기어의 맞물림 테스트, 방청처리(rust-proofing) 등이 이루어져서 포장·출하되지만, 이들 공정은 본 발명의 취지와는 직접적으로 관계되지 않으므로 상세한 설명은 생략한다.

다음에 본 발명에 있어서의 래크바의 단조성형을 위한 일차적인 성형(단면적 조정)공정으로서의 도1(B)에서 대략적으로 설명한 직경 축소공정과 도1(C)에서 대략적으로 설명한 축부 두께 감소공정에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 우선 직경 축소공정(도1의 공정(B))에 대하여 도3을 참조하여 설명하면, 이 공정을 실시하기 위한 소성가공 장치는 금형 홀더20과, 홀더20에 일련으로 삽입 수용되는 가이드22와 축소 다이스23 및 선단 압출 다이스24로 이루어지는 조합 다이스와, 금속심 대경부26과 중경부28 및 소경부29로 이루어지는 일체형 금속심으로 구성된다. 일체형 금속심은 유압 실린더 기구에 연결되어 있다. 소경부29의 길이는 제품으로서의 래크바의 기어부11(도1(C))의 길이에 준하는 길이로 되어 있다.

도3의 장치에 의하여 실시되는 직경 축소공정에 대하여 설명하면, 우선 제1단계로서 (A)에 나타나 있는 바와 같이 금속심 중경부28 상에 본데루베 처리 후의 블랭크10이 장착된다. 블랭크10은 도1(A)에서 설명한 바와 같이 길이는 Lo이며, 두께to로 길이방향으로 일정하게 되어 있다. 금속심 대경부26과 금속심 중경부28 및 소경부29는 화살표a의 방향과 같이 일체형으로 전진 이동되고, 블랭크10은 금형 홀더20에 유입되어 계속하여 그 선단 테이퍼부22A에 의하여 안내되어 가이드22로 유입된다. 가이드22 내를 이동 시에 블랭크는 실질적으로 소성변형을 받지 않고 블랭크10의 외경은 유지된다(블랭크10의 내경과 금속심 중경부28의 선단부의 소경부29와의 사이에는 간격이 있다).

금속심을 더욱 전진 이동하여 블랭크10을 축소 다이스23에 유입시켜, 축소 다이스23의 테이퍼부23A에 의하여 블랭크10은 금속심 중경부28의 선단 소경부29와의 간격을 해소하기 위하여 직경이 작아지게 된다. 이렇게 하여 직경 축소가 되는 블랭크10의 부위는 도3(B)에 있어서 10'로 나타내고, 직경 축소가 되지 않는 당초의 지름 그대로의 부위를 10''로 나타낸다. 직경 축소부위10'의 길이로서 최종적으로는 제품으로서의 래크바의 기어부의 길이에 상당하는 것이 얻어진다. 즉 도1(B)에 상당하는 블랭크(중간 가공 품)가 얻어진다.

이 실시예에 있어서는, 최후의 단계로서 금속심 중경부28은 그대로 금속심 대경부26과 함께 전진되며, 금속심 대경부26의 단면(端面)에 접하고 있는 블랭크10이 금속심 대경부26에 의하여 화살표a' 방향으로 가압되어 전진됨으로써, 도3(C)에 나타나 있는 바와 같이 블랭크10의 직경 축소부위10'의 선단은 선단 압출 다이스24에 의하여 10'''와 같이 변형된다. 이 부위10'''은 도1(B)에는 나타내지 않고 있지만, 두께 감소공정에 있어서 금속심과의 결합을 위하여 보조적으로 형성되는 것으로 그 용도가 끝나면 절단되어 제거된다.

도4∼도6은 도1(C)에서 대략적으로 설명한 제품으로서의 래크바의 축부의 두께 감소 및 직경 축소를 위한 소성가공 공정을 나타낸다. 두께 감소를 위한 소성가공 장치는, 길이가 긴 유압 실린더 장치(도면에 나타내지 않음)에 의하여 축선방향(軸線方向)으로 왕복 구동되는 두께 감소용 금속심30과, 금속심30과 같이 작용함으로써 직경의 미세한 축소와 두께 감소를 하는 다이스32와, 직경 축소와 두께 감소 에 의하여 블랭크10이 금속심30에 밀착되므로 이것을 벗길 때의 스토퍼가 되는 스트라이커(striker)34(스트라이커34는 도4(A)에서는 반경 외측(화살표b')으로 후퇴한 위치를 도면에 나타내고 있다)를 구비한다. 금속심30은, 유입부30-1과, 그것에 연속하는 두께 감소부의 내경 결정부30-2와, 유입부30-1과 동일 외경으로 직경이 축소되어 유압 피스톤(도면에 나타내지 않음)과의 연결부30-3으로 이루어지는 단차 형 상(段差 形狀)을 형성한다. 금속심30의 유입부30-1은 제품으로서의 래크바의 기어부의 길이에 대응하는 길이로 되어 있고, 내경 결정부30-2는 제품으로서의 래크바의 축부의 길이에 대응하는 길이로 되어 있다.

도4(A)는 아이어닝에 의한 두께 감소공정을 위하여, 도3의 소성가공 장치에 의하여 일차적으로 직경 축소가공된 블랭크가 금속심30에 장착된 상태를 나타낸다. 도면에 나타내는 바와 같이, 금속심의 유입부30-1로부터 두께 감소부의 내경 결정부30-2에 걸쳐서의 금속심30의 외주면(外周面)은 부위10'로부터 부위10''에 걸쳐서의 블랭크10의 내주면(內周面)에 준하는 형상을 하고 있다. 금속심30의 유입부30-1은 그 선단이 블랭크10의 선단 변형부10'''(도3(C) 참조)에 접하게 되어 있다. 이 상태에서 유압 실린더 기구(도면에 나타내지 않음)에 유압이 유입되면 그 피스톤의 신장에 의하여 피스톤에 연결된 금속심30은 화살표a의 방향으로 전진하게 되고, 금속심30의 유입부30-1의 선단이 선단 변형부10'''에 접한 상태에 있으므로 블랭크10은 다이스32를 향하여 금속심30과 동일한 방향인 화살표a의 방향으로 이동하게 된다. 그 결과, 블랭크는 선단 변형부10'''부터 다이스32로 유입된다. 선단 변형부10'''에 후속하는 부위10'(도3(B)참조)에서는 블랭크의 외경이 다이스의 내경보다 어느 정도 크지만, 그 직경의 차이는 유입부30-1에 대한 클리어런스(clearance) 정도이므로 그 정도 만큼 직경이 작아지지만 실질적으로 워크는 두께의 증감에 영향을 받지 않고 약간의 직경 축소가 이루어진다. 도4(B)에 있어서, 다이스32를 통과한 후의 부위10''', 10'는 실질적으로 두께의 변화는 받지 않는다.

금속심30이 더욱 전진이동하여 블랭크의 부위10''(그 두께 및 외경은 소성가공 전의 상태로 변화가 없는 부위임)를 사이에 두고 내경 결정부30-2를 두께 감소 다이스32와 대향(對向)하게 한다. 다이스32의 내경은 부위10''의 외경보다 상당히 작아, 예를 들면 그 차이는 워크 두께의 1/2정도이며, 그 때문에 블랭크10의 전진이동(화살표a) 하에서의 다이스32에 의한 아이어닝 동작에 의하여 블랭크의 부위10''는 두께가 감소되고 길이가 늘어난다. 내경 결정부30-2 상의 블랭크의 부위10''(도4(A))가 다이스32를 통과함으로써 두께가 감소된 부위를 도4(B)에 있어서 10-2로 나타낸다. 이 아이어닝의 진행 과정에 있어서, 워크에 있어서의 다이스32보다 후방에 위치하는 부위10''는 점차로 그 길이가 짧아지게 되고, 내경 결정부30-2 상의 부위10''는 소성가공 되어 연결부30-3을 향해서 길이가 늘어나고, 금속심30의 실린더 연결부30-3이 다이스32를 지나친 상태에 있어서, 부위10''의 비교적 짧은 부분이 관의 두께 그대로 도4(B)에 나타나 있는 바와 같이 연결부30-3 상에 남는다. 그리고 금속심30의 전진 운동(화살표a)에 있어서의 최전단(最前端)(도4(B))에 관해서는, 금속심30 상의 워크는 다이스32를 완전하게 통과하여 블랭크10의 후단면(後端面)은 후퇴 위치에 있는 스트라이커34의 전단면(前端面)을 어느 정도 넘어서 위치하고 있다.

도5는 소성가공 장치의 다음의 공정 (C)를 나타내고 있으며, 지금까지 후퇴 위치에 있었던 스트라이커34를 반경 내측방향(화살표b)으로 전진시 켜 금속심의 연결부30-3에 스트라이커34의 선단을 접하게 한다.

다음의 공정은 도5의 (C)에 나타내는데, 금속심30을 화살표c와 같은 방향으로 도면의 오른쪽 방향으로 후퇴시키기 위하여, 도면에 나타내지 않은 금속심 구동용인 유압 실린더의 유압이 절환된다. 금속심30의 후퇴 과정에서, 블랭크10의 후단부위10''가 금속심의 연결부30-3과 내경 결정부30-2 사이의 어깨부30-4에 접해 있으므로 후단부위10''가 스트라이커34에 접할때 까지는 블랭크10은 금속심30과 연동된다. 그러나 후단부위10''가 스트라이커34에 접하는 상태까지 금속심30의 화살표c 방향으로의 후퇴가 이루어지면, 블랭크10의 연동(후퇴)은 스트라이커34에 의하여 저지되는 한편, 금속심30의 후퇴 이동은 계속되어 그 과정에서 내경 결정부30-2가 블랭크10의 후단부위10''를 반경 외측으로 가압하여 넓혀 간다. 그 때문에 워크의 후단에는, 워크의 관 두께에 가깝지만 두께 감소부10-2로부터 반경 외측으로 돌출된 확장관부(擴張管部)10-3이 나타나게 된다. 이에 따라 우단부는 후공정에 의하여 직경이 작아지고 탭을 가공하는 데에 필요한 두께가 주어진다. 그리고 도5(D)는 금속심10이 후퇴 위치까지 제거된 상태를 나타낸다.

다음의 공정에서는 두께 감소와 길이 신장이 종료된 도5(D)의 블랭크에 대하여 도6의 공정(E)∼(G)를 거침으로써 제품으로서의 래크바의 기어부가 되는 부위의 제2단계의 직경 축소를 한다. 직경 축소 장치는 금속심36과 다이스37로 구성된다. 도6의 공정(E)에서는, 도5(D)의 워크에 대하여 직경 축소용 금속심36의 삽입이 이루어진다. 금속심36은, 외경이 줄어든 선단부 36-1, 테이퍼부36-2, 기부36-3을 구비하고, 기부36-3은 도면에 나타나 있지 않은 유압 실린더에 연결되어 있다.

유압 실린더에 유압을 유입함으로써 금속심36은 전진되어, 금속심36 상의 워크는 다이스37에 유입된다. 다이스37에 유입됨으로써 블랭크10의 부위10''', 10'는 금속심36의 선단부36-1의 외경과의 클리어런스 분만큼 직경이 작아진다. 도6(F)는 금속심36의 테이퍼부36-2가 전방에서 다이스37과 접하는 금속심36의 최전진 상태를 나타내고 있으며, 블랭크10의 부위10'(도6(E))는 그 전체 길이에 걸쳐서 두께는 그대로인 상태로 직경 축소가 되어 직경 축소부10-1이 되고 그 선단부를 10-1'로 나타낸다. 이 상태에서 금속심은 (G)의 화살표 방향과 같이 후퇴하여, 그 결과 래크바 제품에 있어서의 기어부가 되는 선단 직경 축소부위10-1(도1(C))이 형성된다. 선단부10-1'에 대해서는 최종적으로 불필요 부위로서 절단되어 기본적으로는 도1(C)에서 설명한 기어부 전조가공용 블랭크를 얻을 수 있다. 그리고 블랭크는 도1(D) 및 (E)공정을 거침으로써 직경 축소부10-1에 대한 래크 기어의 단조형성이 이루어진다.

도7 이후는 본 발명의 제2실시예를 나타내고 있는데, 본데루베 처리 후에 선단 변형부 만 선행 가공한 블랭크를 사용하여 일거에 도1(B), (C)에 나타내는 기어부 성형용의 워크를 위한 예비 소성가공(래크바의 기어부가 되는 부위의 직경 축소 및 래크바의 축부가 되는 부위의 두께 감소와 길이 신장)을 하도록 한 것이다. 이 실시예의 소성가공 장치는 홀더(holder)40을 구비하고, 홀더40에는, 제1안내통42, 다이스44, 제2안내통46, 직경 축소 다이스48의 일련의 구조로서의 조합 금형이 삽입된다. 홀더40의 내측 돌출부40-1에 직경 축소 다이스48이 접하고, 후단에는 가압도구49가 제1안내통42와 접하도록 나사로 체결되고, 이에 따라 안내통 및 다이스는 홀더40 내에 고정된다. 제1안내통42는 금속심52에 의한 블랭크의 유입을 원활하게 하기 위하여 그 입구단40A가 테이퍼 모양을 이루지만, 나머지 부위는 균일한 내경으로 되어 있다. 다이스44는 단차부44A를 구비하고, 금속심52와 같이 작용함으로써 블랭크의 두께가 감소된다. 다이스44는 내경이 일정한 제2안내통46을 사이에 두고 직경 축소 다이스48에 연결되며, 직경 축소 다이스48은 테이퍼부48A에 의하여 블랭크 선단의 두께를 실질적으로 유지하면서 직경 축소 만을 한다. 이 조합 금형은 금속심 대경부50과, 금속심 중경부52로 이루어지는 조합 금속심과 같이 작용함으로써 가공을 한다. 금속심(펀치) 대경부50 및 금속심 중경부52는 유압 실린더(도면에 나타나 있지 않음)에 연결됨과 동시에 신축동작(伸縮動作)이 가능하게 되어 있다. 또한 금속심 중경부52는 테이퍼부52-1을 사이에 두고 전방으로 돌출되는 직경 축소 돌출용 소경부52-2를 구비한다. 54는 공정완료 후의 블랭크 녹아웃 핀(blank knockout pin)이다.

다음에 이 제2실시예의 동작을 설명하면 블랭크10은 도1(A)에서 설명한 것과 같이 메이커로부터 공급되는 관에 본데루베 처리를 실시한 것으로서, 선단부 만 변형 가공되어 있고 그 외의 부분은 스트레이트로 일정한 두께를 가진 것이다. 그리고 블랭크10은 도면의 화살표a의 방향과 같이 좌로 향하는 금속심 중경부52와 소경부52-2에 의하여 장치 내로 유입된다. 즉 블랭크10은 금속심 중경부52와는 실질적으로 간격 없이 결합되지만, 금속심 소경부52-2의 선단이 선단의 변형부에 접하기 때문에, 화살표a 방향으로의 금속심 전체의 전진에 의하여 블랭크10은 동일한 방향으로 연동된다. 그리고 블랭크10의 전단이 다이스44의 단차부44A에 접하는 도7(A)의 상태에 이르기까지는 블랭크10에 대한 가공은 실질적으로 이루어지지 않고 블랭크10의 지름 및 두께는 그대로이다.

도7(A)의 상태로부터 금속심의 구동용 유압 실린더에 유압이 계속 공급되어, 그 테이퍼부52-1이 다이스44의 테이퍼부44A와 대향하는 도7(B)의 상태에 이르기까지 금속심 전체가 전진하게 된다. 금속심 전체는 도7(B)의 상태로부터 더욱 전진하게 되어, 소경부52-2의 선단이 선단의 변형부와 접한 채 블랭크10이 전진하게 되어, 이 과정에서 블랭크10이 다이스44를 통과하여 테이퍼부44A에 의하여 직경이 작아지고, 직경 축소 후의 블랭크의 직경 축소부위10''''는 금속심 중경부52의 직경 축소 돌출부52-2의 외주면에 접하지만, 이 부위10''''의 두께는 관보다 약간 증가되거나 또는 실질적으로는 그대로이다. 금속심의 전진 중에 있어서 다이스44보다 후방 측의 블랭크의 부위는 직경 축소가 되지 않고 외경은 그대로이지만, 이 외경이 그대로인 부위의 길이 부분10-3은 후방으로 압출되면서 두께가 감소된다. 소위 후방압출 성형된다.

도7(B)의 상태로부터 도7(C)와 같이 금속심 중경부52를 더욱 전진시키면, 금속심 중경부52가 다이스44의 테이퍼부44A와 같이 작용함으로써 블랭크는 두께가 감소되어 후방압출 되면서 두께 감소부위10'''''가 형성되고, 블랭크는 그 두께 감소 분만큼 길이가 신장된다. 계속하여 전진시키면 직경 축소 다이스48을 통과함으로써 직경 축소부위10-1은, 직경 축소의 영향을 받아도 금속심52-2의 직경이 작기 때문에 두께가 그대로이고, 도7(D)와 같이 직경 축소 다이스48로부터 돌출된다. 그 결과, 실질적으로 관의 두께 그대로 직경 축소부위10-1(제품으로서의 래크바의 기어부가 되는 부위)과, 관의 두께에 대하여 예를 들면 1/2인 두께로 감소된 두께 감소부위10-2(제품으로서의 래크바의 연결 축부가 되는 부위)와, 탭 가공에 맞춘 단면적을 구비하는 단부10-3(타부품과의 연결용 나사가 내주에 형성됨)으로 이루어지는 도1(C)에서 설명한 것과 실질적으로 같은 래크 기어의 단조성형용 블랭크가 완성된다.

본 제2실시예는, 범용기에 의한 선단 변형부 만 선행 가공한 스트레이트 관을 사용하여 실질적으로 1공정으로 래크바 전조용의 블랭크로 할 수 있어 효율적이다.

이상의 실시예에서는 금속심을 구동하기 위한 유압 실린더 장치에 대하여 도면에 나타나 있는 예에서는 가로형을 전제로 하고 있지만 세로형이어도 관계없다. 또한 생산성 향상이나 사용의 편리성을 위하여, 유압 실린더 장치 대신에 변속이 자유로운 서보모터 구동에 의한 길이가 긴 볼 나 사를 사용하는 것 등이 가능하다.

전동식 파워 스티어링(電動式 power steering) 기구 등에 있어서는 가변 피치의 래크바가 채용되는 경우가 종종 있다. 이러한 종류의 기구에서는 치형으로서 피치(pitch) 및 경사각을 변화시킬 필요가 있고, 절삭가공으로는 제조가 곤란하기 때문에 관재를 소성가공 하는 것이 적합하다. 또한 전동식 파워 스티어링 에서는 유압식보다도 기어부에 있어서의 굽힘 강도의 강화가 요구된다. 따라서 치형이 커져 두꺼운 두께를 요구하지만 본 발명에서는 이 요구를 충족시키면서 래크바 중량의 경감을 최대한 실현시킬 수 있다. 즉 본 발명의 기어부 성형은 관재의 살을 소성유동(塑性流動) 즉, 금속섬유 비절단(金屬纖維 非切斷) 하에서 반경방향으로 돌출시켜 이루어진다. 이러한 성형 원리 하에서는, 원래 소재의 단면적의 관리가 필요했지만, 재래공법에 있어서는 그것은 단순한 연마(硏磨)에 의하여 하였다. 이에 대하여 본 발명에서는 워크는 길이방향을 따라 각 부위를 원하는 만큼 두께를 증감시키도록 소성가공을 하고, 이에 따라 각 부위 마다의 요구 기능에 대응하는 단면적을 부여하게 하고 있다. 치형 성형부에 있어서는, 소성유동에 의하여 필요한 치형이 얻어지도록 기본적으로는 관의 두께가 유지되지만, 다소 두께의 증가가 필요한 경우에는 직경 축소에 의하여 두께 증가가 이루어진다. 이에 대하여 치형 성형부 이외의 부위에서는 기능적으로 는 관의 두께보다 얇아도 요구되는 강도로서는 달성되는 것이므로, 본 발명에서는 요구 강도의 허용 범위 내에서 두께를 감소시키고 있다. 두께를 감소시키는 것은 아이어닝(ironing)에 의하여 이루어져 그 만큼 축길이가 연장된다. 즉 본 발명에서는 관재의 두께를 감소시킴으로 인한 축길이의 연장 분도 계산하여 최종적인 제품 길이의 관리를 하고 있어, 반대로 말하면 축길이의 연장 분만큼 관재로서는 짧은 것을 채택할 수 있어 소재와 함께 제품의 중량도 감소시킬 수 있다. 예를 들면 상기 특허문헌1∼4 등의 종래기술에 있어서, 출발 소재(관)로서 4mm의 두께, 25mm의 지름, 615mm의 길이인 것을 사용한 예의 경우에, 관의 중량=제품의 중량으로서 큰 오류 없이 약 1,236g으로 되어 있다. 이에 대하여 본 발명에 의하면, 기어부에 있어서는 관의 두께 그대로 4mm로 하여도, 기어부 이외의 길이가 긴 축부의 두께는 반 정도인 2mm로 아이어닝에 의하여 감소시켜도 강도적인 기능은 충분히 확보할 수 있는 것을 알았다. 이 경우에 아이어닝에 의한 연장 분만큼 관으로서는 짧은 것을 사용할 수 있어, 관의 두께 그대로인 기어부의 길이에도 의하지만, 관의 필요 길이를 줄임으로써 그 소재중량(=제품중량)으로서 920g으로 하는 것이 성능 상 문제가 없었다. 이 경우의 중량 감소는 특허문헌1∼4 등의 종래의 단조방법과의 비교에서도 25.6%나 삭감되며, 소재로서의 원형　봉과의 대비에서는 실로 60%를 넘는 삭감율이 된다. 소성가공에 의한 단면적의 관리를 위한 스웨이징이나 아이어닝으로 인한 부가적 공정이 필요하게 되어도 더욱더 코스트 다운을 실현할 수 있다. 예를 들면 재료비로서 1kg=170엔이라고 하면 상기 예에서 재료비 감소는 (1.236-0.920)×170=53.7엔/개이고, 한편 유압 실린더 장치도 포함시킨 금형의 상각비용은 기껏 10엔/개이며, 1개당 48엔 정도의 재료비 삭감이 가능하다. 또한 래크바의 경량화=차량의 중량저감이기 때문에 그 만큼 차량의 가속 성능의 향상과 함께 연비의 감소가 얻어진다. 연비감소 효과는 1대 1대로서는 사소하지만, 년간 7,000만대에 달하는 방대한 세계의 자동차 시장을 고려하면 자원 절약의 관점에 볼 때도 바람직한 것이다.

또한 스웨이징 후의 아이어닝에 의하여 두께를 얇게 하는 것은 내외 모두 표면 조도(surface roughness)가 경면화(鏡面化)되어, 미크론 단위의 치수에 의하여 치수관리가 가능하게 되어 고품질 및 고정밀도를 용이하게 확보할 수 있다.

Claims (6)

1. 원통 모양의 워크(work)를 사용하는 소성가공(塑性加工)에 의한 중공 래크(中空 rack)의 가공 방법에 있어서, 워크에 대한 치형(齒形)의 부여에 앞서 중공 래크로서의 길이방향을 따르는 각 부위 마다의 요구 기능에 대응하는 단면적(斷面的)을 부여하기 위하여, 소성가공에 의하여 워크의 길이방향의 각 부위를 원하는 두께로 증감시켜 경량화를 도모하도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 원통 모양의 워크를 금형에 의하여 클램프(clamp)하면서 워크 내경에 금속심(金屬芯 ; steel core)을 압입함으로써 워크의 소정의 부위에 금형에 의하여 치형을 부여하는 중공 래크의 소성가공 방법에 있어서, 워크에 대한 치형의 부여에 앞서 금형에 의한 치형의 비부여 영역(非附與 領域)에 있어서의 워크의 부위를 소성가공에 의하여 두께를 감소시킴으로써 길이방향으로 신장시켜 경량화를 도모하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   두께 감소 혹은 두께 증가를 위한 상기 소성가공이 1공정 만으로 이 루어지는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   두께 감소 혹은 두께 증가를 위한 상기 소성가공이 여러 공정으로 분할하여 이루어지는 방법.
5. 제1항 또는 제2항의 방법을 실시하기 위한 장치에 있어서, 워크의 두께 증가 혹은 두께 감소를 위한 소성가공 장치는 길이가 긴 금속심과 여러 개의 다이스로 이루어지는 금형과, 상기 금형과 같이 작용하여 워크의 각각의 부위를 원하는 두께로 증감시키도록 금형에 대하여 워크를 구동하는 왕복 구동기구를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 차량의 조타부품으로서 사용되고 관재(管材)를 사용하여 소성가공에 의하여 형성되는 중공 래크로서, 관재의 두께 그대로 또는 어느 정도 두께가 증가된 부위와, 관의 기존 두께보다 대폭적으로 감소되어 길이가 신장된 부위를 구비하여 이루어지고, 두께가 관의 기존 두께와 실질적으로 같거나 어느 정도 두께가 증가된 부위에 래크 기어형(rack gear型)이 형성 되는 중공 래크.

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