ステアリング用中空ラックバーおよびその製造方法
【課題】工業的に量産される金属管素材に用い、効率的に冷間加工で偏肉管状部位を構成し、自動車用の機械部品の軽量化を実現できるステアリング用中空ラックバーを提供する。
【解決手段】金属管素材が絞り加工部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した偏芯ダイスに押し込まれて絞り加工が施され、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位が構成された中空ラックバー、または、前記金属管素材が少なくとも管端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位が構成された中空素材であり、前記偏芯ダイスに押し込まれて絞り加工が施され、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に、さらに偏芯量が増加した偏肉管状部位が構成された中空ラックバーである。および、これらの中空ラックバーの製造方法である。
【解決手段】金属管素材が絞り加工部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した偏芯ダイスに押し込まれて絞り加工が施され、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位が構成された中空ラックバー、または、前記金属管素材が少なくとも管端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位が構成された中空素材であり、前記偏芯ダイスに押し込まれて絞り加工が施され、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に、さらに偏芯量が増加した偏肉管状部位が構成された中空ラックバーである。および、これらの中空ラックバーの製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用の駆動系部材であるステアリングラックバーおよびその製造方法に関し、さらに詳しくは中空の金属管素材から構成されるステアリングラックバー（以下、「中空ラックバー」という）とこれを効率的に加工する製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の機械部品には、金属丸棒のような中実金属素材の外周面に部分的な切削加工を施して使用する事例が多くある。このような機械部品の軽量化ニーズに対応するには、素材を金属管に置き換えるのが一般的であるが、周方向に均等肉厚からなる金属管では、切削加工を施す部位で肉厚を確保のために、金属管素材の肉厚を薄くすることができず、素材の軽量化が制約される。
【０００３】
これに対し、金属管素材として偏肉管を使用し、周方向の厚肉部を切削加工を施す部位として、肉厚を確保しつつ切削加工を行えば、機械部品の軽量化が効果的に達成できる。以下、このことを自動車ハンドルの回転運動を直線運動に変換するためのステアリングラックバーについて説明する。
【０００４】
図５は、丸鋼製のラックバーの構成例を示す図である。同（ａ）は部分斜視図であり、同（ｂ）はラック歯底の構成を示すＸ−Ｘ視野による横断面図である（以下では、丸鋼製のラックバーは、前記「中空ラックバー」と区分して「ラックバー」という）。
【０００５】
図５（ａ）に示す丸鋼製のラックバー１００は、素材直径Ｄが２５〜３５ｍｍで、素材長さが５００〜７００ｍｍに切断され、丸鋼１００ａの端部近傍にラック部１００ｂが歯切り加工された形状で使用される。そして、図５（ｂ）に示すように、ラック歯底１００ｄの位置では、歯幅ｗを確保するために、まず歯先部１００ｃとなる平坦面を機械加工した後に歯切り加工が行われる。
【０００６】
図６は、金属管を素材とした中空ラックバーの構成例を示す図である。自動車の燃費向上を図る部品軽量化のニーズに対応して、ラックバーについても金属管を素材とすることが推進されている。図６に示す中空ラックバー１１０のラック部には、上記図５と同様に、金属管素材の外面に歯先部１１０ｃとなる平坦面を機械加工した後に歯切り加工が施される。この場合に、歯底１１０ｄと管内壁１１１の間の肉厚ｈを確保するために、金属管素材の肉厚Ｔは少なくとも１０ｍｍ程度とする厚肉管が必要となり、それにともなって内径ｄを小さくする必要がある。
【０００７】
このため、図６に示す中空ラックバー１１０では、軽量化の効果が小さい。また、このような小径厚肉の金属管素材は、通常、熱間押出しなどで素管を製造した後、冷間抽伸を行って製造することが必要になるので、製造コストが嵩むという問題がある。
【０００８】
図７は、金属管を素材とした他の中空ラックバーの構成例を示す図であり、同（ａ）および（ｂ）は、それぞれラック部のＹ−Ｙ視野による横断面図および縦断面図を示している。図７に示す中空ラックバー１２０では、金属管素材１２０ａのラック部の加工を施す部位に冷間プレス加工を行って平坦部を形成し、次いで歯切り加工を行ってラック部１２０ｂを形成するようにしている。
【０００９】
この場合に金属管素材の肉厚Ｔは、歯先１２０ｃから管内壁１２１までの距離とほぼ同一であるから、上記図６に示す中空ラックバー１１０に比べ、平坦面の機械加工代を削減できるので、金属管素材の肉厚を減らすことができる。このため、図７に示す中空ラックバー１２０は、前記中空ラックバー１１０よりもラックバー製品を軽量にできると同時に、素材として使用する金属管の製造方法も簡易になる。
【００１０】
しかしながら、この中空ラックバー１２０の加工には、ラック部の平坦面を形成するために冷間プレス工程が必要になるとともに、さらにラック部の加工部位から金属管内面を支持する工具の抜き取りに手間を要する他、この支持工具が小径となるため、破損し易いという問題もある。
【００１１】
【特許文献１】特開昭５２−８６９６０号公報
【特許文献２】特開平５−１５４５３９号公報
【特許文献３】特開平５−１３８２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上記図６に示す中空ラックバー１１０において、平面部の切削加工および歯切り後の歯底肉厚ｈを確保すると同時に、金属管素材の内径ｄを極力大きくするには、歯切り加工を施す部位の肉厚が大きくし、その他の部位の肉厚を小さくした偏肉管を使用すればよい。また、上記図７に示す中空ラックバー１２０のように、平坦部をプレス加工で形成して歯切りを行う場合でも、偏肉管を素材として使用すれば内径部を大きくできるので、金属管内面の支持工具の破損が生じにくくなる。
【００１３】
図８は、本発明の中空ラックバーの金属管素材として使用できる偏肉管状部位の構成を示す図であり、同（ａ）および（ｂ）は、それぞれラック部の加工を施す部位の正面図および縦断面図を示している。ラック部の加工を施すための偏肉管状部位は、中空ラックバー１３０の管端から軸長方向に沿った所定長さの部分に設ける構成であっても、中空ラックバー１３０の全長に亘って設ける構成であってもよい。
【００１４】
図８では、管の外径中心Ｃａと内径中心Ｃｂが偏芯した偏肉管状部位を示している。偏肉管状部位で構成される中空ラックバー１３０での最厚肉部１３０ａの肉厚をｔａとし、最薄肉部１３０ｂの肉厚をｔｂとして、偏肉率αを下記（ａ）式で定義すれば、αが大きいほど偏肉が大きい。
【００１５】
α＝２（ｔａ−ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ） ・・・ （ａ）
図８に示す中空ラックバーの偏肉管状部位の製造方法として、例えば、押出し法を採用した特許文献１および特許文献２で提案された方法や、マンドレルミルを適用した特許文献３で提案された方法がある。中空ラックバーの偏肉管状部位の製造方法には、これらの製管方法に加え、さらに切削加工法がある。
【００１６】
しかしながら、前者の製管法を用いた場合には、製造設備が大規模になると同時に、熱間製管の場合には内外面の酸化スケールの除去および外径寸法の精度を確保するために冷間抽伸が必要となり、製造コストが嵩むという問題がある。
【００１７】
一方、後者の切削加工法は、丸棒を長尺のガンドリルで孔明けして偏肉管状部位を製造する方法が採用されるが、ガンドリルの切り込み速度が制約されるため孔明け加工能率が劣り、機械部品用の素材として要求される大量生産には不向きな製造方法である。
【００１８】
本発明は、このような機械部品の軽量化ニーズに対応して中空ラックバーとして偏肉管を採用する場合の問題点に鑑みてなされたものであり、通常の工業プロセスで量産される金属管を素材に用い、効率的に冷間加工で偏肉管状部位の製造を行い、自動車用の機械部品の軽量化を実現することができる、ステアリング用中空ラックバーおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、下記の３つの基本条件に留意しながら、中空ラックバーの製造方法を種々検討した。
（ａ）加工の出発素材となる金属管は、通常の工業プロセスで量産される周方向に均等肉厚で形成される金属管（以下、単に「均肉管」という）を使用する必要がある。これは、工業的な量産性に優れる均肉管を金属管素材に流用することによって、中空ラックバーの偏肉管状部位の製造コストの低減を図るためであり、金属管素材としては継目無し管、溶接管および鍛接管の管種を問わない。
（ｂ）機械部品として用いられる中空ラックバーの外面を美麗に仕上げるには、前記金属管素材に冷間加工を施して、管端部分または全長に亘り偏肉管状部位を製造するのが有効である。
（ｃ）しかも、上記（ｂ）の冷間加工は、設備投資の省略または低減を図るために、新たな設備を設置することなく、汎用設備で実施する必要がある。
【００２０】
上記（ａ）〜（ｃ）の基本条件を満足させるため、均肉管の周方向に不均等な増肉加工を施すことによって、金属管素材として使用できる中空ラックバーの偏肉管状部位を製造することとした。すなわち、上記図８に示す中空ラックバー１３０において、部位イでの増肉を最大とし、部位ロでの増肉を最小になるように、部位イおよび部位ロでの増肉加工を施せば、均肉管の外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位を製造することができる。
【００２１】
具体的な金属管素材の増肉加工方法としては、周方向圧縮加工と軸方向圧縮加工を組み合わせて、均肉管から中空ラックバーの偏肉管状部位に加工する手段を採用する。周方向圧縮加工の代表例としてスウェージングがあり、軸方向圧縮加工の適用例としてアップセットが挙げられるが、これらはいずれも周方向の均等増肉加工であり、周方向に偏肉を形成することができない。そこで、周方向圧縮と軸方向圧縮を組み合わせ、その組み合わせを周方向部位で変化させることによって、均肉管を中空ラックバーの偏肉管状部位に加工することとした。
【００２２】
本発明は、上述の着想に基づいてなされたものであり、下記（１）の中空ラックバーおよび（２）の中空ラックバーの製造方法を要旨としている。
（１）金属管素材が絞り加工部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した偏芯ダイスに押し込まれて絞り加工が施され、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位が構成されたことを特徴とする中空ラックバーである。
【００２３】
本発明の中空ラックバーでは、上記金属管素材を少なくとも管端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位が構成された中空素材として、さらに冷間絞りを必要回数繰り返すことによって、さらに偏肉率が大きい偏肉管状部位を構成することも可能である。
（２）金属管素材から絞り加工部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した偏芯ダイスを用いた冷間絞り加工によって中空ラックバーを製造する方法であって、前記金属管素材が周方向に均等肉厚で形成された金属管であり、これを前記偏芯ダイスに押し込んで、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位を構成することを特徴とする中空ラックバーの製造方法である。
【００２４】
本発明の中空ラックバーの製造方法では、上記金属管素材を前記偏芯ダイスを用いた冷間絞り加工によって少なくとも管端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位が構成された中空素材として、その中空素材の厚肉側を使用する前記偏芯ダイス絞り部の出側中心軸から径方法に最も遠い位置に配置し、１回または複数回の冷間絞り加工を繰り返すことができる。
【００２５】
さらに、本発明の中空ラックバーの製造方法では、上記の製造方法により、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位を構成した中空ラックバー半成品を得た後、その全長が略同一外径になるように冷間加工により縮径加工を行うのが望ましい。ステアリングラックバーとして、全長に亘り外径を同一寸法とし、かつ所定の設計寸法に調整するためである。
【００２６】
本発明の説明において、「均肉管」とは周方向が均等肉厚で形成される金属管であるが、不可避的に発生する周方向の偏肉を含むものであり、実質的な均等肉厚からなる金属管を意味する。
【００２７】
また、中空ラックバーに構成される偏肉管状部位を「少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分」と規定しているのは、中空ラックバーにおいて、ラック部の加工を施すため、切削加工および歯切り加工後の歯底肉厚を確保する偏肉管状部位は、加工端から部分的に構成されてもよく、全長に亘って構成されてもよいことを意味している。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の製造方法によれば、通常の工業プロセスで量産される継ぎ目無し管、溶接管、鍛接管などの均肉管を素材とし、これに汎用のプレス装置による冷間工程での偏芯絞りを施すことにより、所定の管端部分または全長に亘り周方向に所定の偏肉を形成させた中空ラックバーを得ることができる。
【００２９】
これにより、本発明の中空ラックバーは、従来の熱間製管法または棒材の機械加工によって製造されたラックバーに比べ、必要とされる製造装置が簡単で、かつ安価であるばかりでなく、冷間加工であるために表面が美麗で寸法精度も優れている。したがって、自動車用の駆動系部材であるステアリングラックバーの軽量化に顕著な効果を奏すると同時に、駆動系部材の製造コストの低減に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の中空ラックバーの製造方法は、絞り部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した加工用ダイス（以下、単に「偏芯ダイス」という）を用い、冷間加工によって金属管素材を押し込んで、前記絞り部で素材の絞り加工を行う（以下、単に「偏芯絞り」という）ことによって実現できる。以下に、偏芯絞りの詳細な内容を図面に基づいて説明する。
【００３１】
図１は、本発明の中空ラックバーの製造方法で用いる偏芯ダイスの構成を説明する図であり、同（ａ）は縦断面図を、同（ｂ）は正面図を示している。偏芯ダイス１のダイス孔は、円筒状の入り側ガイド部１ａ（内径Ｄｉ）、絞り部１ｂおよび円筒状の出側ガイド部１ｃ（内径Ｄｅ）で構成されている。そして、前記絞り部１ｂの内径は、入り側ＱＳから出側ＰＲまでの間で徐々に減少する。
【００３２】
ダイス孔の中心軸は絞り部１ｂで曲折しており、入り側中心軸Ｃｉと出側中心軸Ｃｅは距離ｅ（以下、「ダイス偏芯量」という）でオフセットしている。絞り部１ｂの入り側ＱＳから出側ＰＲまでの内郭形状は、後述する偏芯絞り加工での材料移動がスムースに行われるように製作することが必要である。このため、図１では、内郭形状を軸方向に二つの円弧を連続させた形状としているが、この内郭形状に限定されるものではなく、偏芯絞り加工に際し材料移動がスムースに行われる限りにおいては、その他の内郭形状を採用することができる。
【００３３】
図１に示す内郭形状は、子午線ＱＰ上の二つの円弧のうち入り側円弧を半径ｒａｉ、中心角θａで、出側円弧を半径ｒａｅ、中心角θａで示し、同様に、子午線ＳＲ上の二つの円弧のうち入り側円弧を半径ｒｂｉ、中心角θｂで、出側円弧を半径ｒｂｅ、中心角θｂで示している。ここで、子午線ＱＰおよび子午線ＳＲは、絞り部１ｂの入り側Ｑから出側Ｐおよび入り側Ｓから出側Ｒまでを通る内郭形状を示すものである。
【００３４】
図１に示す偏芯ダイスのダイス偏芯率βは、下記（ｂ）式で定義することができる。
【００３５】
β＝２ｅ／（Ｄｉ−Ｄｅ） ・・・ （ｂ）
上記（ｂ）式において、入り側と出側の中心軸が同芯（ダイス偏芯量ｅが０）の場合はβ＝０であり、ダイス偏芯量ｅを最大限大きくした場合にはβ＝１となり、βは０〜１の範囲で変化させることができる。
【００３６】
なお、中空ラックバーの偏肉管状部位を形成に用いる偏芯ダイスでは入り側ガイド部１ａおよび出側ガイド部１ｃは必須のものではなく、別個に製作した入り側ガイド部１ａおよび出側ガイド部１ｃを、絞り部１ｂのみので構成された偏芯ダイスに連結してもよい。
【００３７】
次に、均肉管を素材として中空ラックバーの偏肉管状部位の偏芯絞りを行う場合に、管の周方向に偏肉を形成するメカニズムを説明する。
【００３８】
図２は、中空ラックバーの偏肉管状部位の偏芯絞りにおける偏肉形成のメカニズムを説明する図であり、同（ａ）〜（ｃ）は各工程における絞り加工状況を示している。図２に示す偏芯ダイス１０はダイス偏芯率β＝１の場合であって、絞り部１０ｂの子午線ＳＲは直線状であり、子午線ＱＰは軸方向に二つの円弧を連続させた内郭形状である。
【００３９】
図２（ａ）は、入り側ガイド部１０ａに均肉管１１（外径Ｄｏ、肉厚ｔｏ）をセットした状態を示す図である。入り側ガイド部１０ａの内径Ｄｉは、均肉管１１の外径Ｄｏより僅かに大きく、右方から図示しない駆動装置に装着された押し金１２によって、均肉管１１を偏芯ダイス１０に押し込む。
【００４０】
図２（ｂ）は、均肉管１１の先頭管端部が出側ガイド部１０ｃまで到達した加工途中状態を示す図である。絞り部１０ｂが均肉管１１に作用する力は、子午線ＱＰ上では、管の外径絞りにともなう周方向圧縮力と、絞り抵抗および子午線ＱＰの曲がり部での曲げ抵抗、さらにダイス内壁との摩擦抵抗にうち勝って材料を押し込むため、矢印ハで示す軸方向圧縮力が作用する。したがって、材料が入り側Ｑから出側Ｐに移動する過程で増肉し易い状況にある。
【００４１】
なお、先端部１３の近傍の増肉は小さいので、後述するように、この部分は最終的に切り捨てるのが望ましい。一方、直線状の子午線ＳＲ上では、子午線ＱＰ側からの周方向圧縮力が伝わるが、均肉管１１はダイス内壁との摩擦にうち勝って直進するだけであるので軸方向圧縮力は小さく、増肉は小さい。その結果として、管の周方向においてＰ点通過部が最厚肉部（肉厚ｔａ）、Ｒ点通過部が最薄肉部（肉厚ｔｂ）の偏肉が形成され、中空ラックバーの偏肉管状部位とされる。
【００４２】
図２（ｃ）は、さらに中空ラックバーの偏肉管状部位の長さを長くするために、押し込みを続けた場合を示し、均肉管１１の後端が絞り部１ｂの入り側ＱＳに到達した状態を示す図である。絞り部１ｂの出側ＰＲから押し出された管の外径がＤｅであり、最厚肉部肉厚ｔａおよび最薄肉部肉厚ｔｂからなる中空ラックバーの偏肉管状部位１４が形成される。
【００４３】
この後、押し金１２を後退させ、左方から図示しない駆動装置に装着されたストリッパ１５で材料を偏芯ダイス１から抜き取る。次いで、必要がある場合には、中空ラックバーに設けられる偏肉管状部位１４の加工端からの軸長方向の長さに応じて、管端部および絞り部の出側で切断する。
【００４４】
図２（ｃ）において、管の先端部１３および絞り部１ｂの出側ＰＲで切断することにより、全長に亘り偏肉管状部位１４が構成された中空ラックバーが得られる。なお、均肉管１１が溶接管で製造され、溶接部の硬度が他の部位よりも硬い場合には、増肉しにくい溶接部を子午線ＳＲ上に位置させて偏芯絞りを行うようにするのが望ましい。
【００４５】
次に、均肉管を素材とした偏芯絞りにおける中空ラックバーの偏肉管状部位での偏肉形成への影響因子について説明する。ただし、以下において、絞り比γは、均肉管の外径Ｄｏ、偏芯絞り後の外径径Ｄｅとして、下記（ｃ）式で定義するものである。
【００４６】
γ＝Ｄｏ／Ｄｅ ・・・ （ｃ）
図３は、偏芯絞りにおける偏肉形成に与えるダイス偏芯率βおよび絞り比γの影響の説明する図である。図３（ａ）は、絞り比γ一定の条件でのダイス偏芯率βと中空ラックバーの偏肉管状部位のｔａ／ｔｏおよびｔｂ／ｔｏ（以下、「増肉比」という）との関係を示す図である。ダイス偏芯率β＝０では、均肉管素材の硬度が周方向に均等であれば、最厚肉部の増肉比ｔａ／ｔｏと、最薄肉部の増肉比ｔｂ／ｔｏとは等しくなる。
【００４７】
ダイス偏芯率βが増加するにつれて、最厚肉部の増肉比ｔａ／ｔｏが増加するのに対し、最薄肉部の増肉比ｔｂ／ｔｏが減少し、周方向の肉厚差が拡大する。その結果、偏肉率αが増加することになるが、これは、ダイス偏芯率βの増加とともに前記図１において子午線ＱＰ上での軸圧縮力が増加する一方、子午線ＳＲ上での軸圧縮力が減少することによる。
【００４８】
図３（ｂ）は、ダイス偏芯率β一定の条件での絞り比γと中空ラックバーの偏肉管状部位の増肉比との関係を示す図である。絞り比γの増加にともなって、最厚肉部の増肉比ｔａ／ｔｏは急激に増加するが、最薄肉部の増肉比ｔｂ／ｔｏの増加は小さく、周方向の肉厚差が拡大する。これは、前記図１において絞り比γの増加にともなう子午線ＱＰ上での軸圧縮力の増加が子午線ＳＲ上よりも大きいことによる。
【００４９】
上述の通り、ダイス偏芯率βと絞り比γの組み合わせによって、偏肉管の増肉比ｔａ／ｔｏ、ｔｂ／ｔｏを調整することができる。しかし、絞り比γが過大になる場合や、均肉管素材の肉厚外径比（ｔｏ／Ｄｏ）が小さい場合には、前記図２（ｂ）において二点鎖線ニで示すように、挫屈が発生するおそれがある。
【００５０】
このような挫屈は、偏芯ダイスへの押し込み力が過大であることによるものであり、偏芯ダイスの絞り部１０ｂの長さが大き過ぎたり、小さ過ぎる場合にも発生する。したがって、与えられたダイス偏芯率βおよび絞り比γの条件で、材料がスムースに絞り部１ｂ、１０ｂを通過できるように絞り部の内郭形状を設定することが必要である。
【００５１】
一回の偏芯絞りでは絞り比γの制約によって、目標とする偏肉率αが得られない場合がある。この場合には、複数回の偏芯絞りを繰り返すことにより、トータルの絞り比γを大きくして、中空ラックバーの偏肉管状部位の偏肉率αを確保するようにすればよい。
【００５２】
図４は、偏肉管状部位が構成された中空素材を金属管素材とした偏芯絞り加工状況を説明する図である。図４（ａ）は、１回目の偏芯絞りで得られた中空ラックバーの偏肉管状部位１４を偏芯ダイス２０にセットした状態を示す図である。図４に示す偏芯ダイス２０は、ダイス偏芯率β＝１の場合を示す。中空ラックバーの偏肉管状部位を素材とした偏芯絞りを行って偏肉率を増加させる場合には、偏肉管１４の最厚肉部（肉厚ｔａ）と最薄肉部（肉厚ｔｂ）を、絞り部２０ｂの子午線ＱＰと子午線ＳＲの延長上にそれぞれ一致させておくことが必要である。その後、素材である中空ラックバーの偏肉管状部位１４を偏芯ダイス２０に押し込む。
【００５３】
図４（ｂ）は、管端部が出側ガイド部２０ｃに到達した途中工程での加工状態を示す図である。前記図２の場合と同様に、子午線ＱＰ上では、管の外径絞りにともなう周方向圧縮力と、絞り抵抗および子午線ＱＰの曲がり部での曲げ抵抗、さらにダイス内壁との摩擦抵抗にうち勝って材料を押し込むために、矢印ホで示すように、軸方向圧縮力が作用する。特に、曲げ抵抗は肉厚のおよそ二乗に比例して大きくなるので、偏肉管状部位１４の最厚肉部は絞り部２０ｂを通過することによってさらに増肉される。
【００５４】
一方、直線状の子午線ＳＲ上では軸方向圧縮力が小さいので、素材である偏肉管状部位１４の最薄肉部が絞り部２０ｂを通過することによる増肉は小さい。その結果、絞り部２０ｂを通過した後の最厚肉部肉厚ｔａ′と最薄肉部肉厚ｔｂ′の差は、偏芯絞り前の偏肉管素材の肉厚差（ｔａ−ｔｂ）よりも大きくなり、複数回の偏芯絞りを繰り返すことにより、偏肉率αを増加させることができる。
【００５５】
なお、偏芯絞りを繰り返す場合に、前回の偏芯絞りでの加工硬化によって絞り加工力が過大となって、例えば、挫屈などの問題が生ずることがある。この場合には、前回の偏芯絞り後に軟化熱処理を適宜実施するのが望ましい。
【００５６】
以上のように、複数回の偏芯絞りを繰り返すことによって、偏肉管の偏肉率αを確保できるとともに、目標とするとする外径、肉厚寸法の中空ラックバーの偏肉管状部位を製造することができる。次に、本発明の製造方法の効果を、実施例を基づいて説明する。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
１回の偏芯絞りにおける中空ラックバーの偏肉管状部位を構成する効果を確認した。均肉管素材（供試材）として、規格が機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１４Ｂ（ＪＩＳ３４４５）で、肉厚ｔｏ＝３ｍｍ、外径Ｄｏ＝４２．７ｍｍの電気抵抗溶接管を用いた。この供試材に焼準熱処理（９００℃×１０分）を施してから長さ５５０ｍｍに切断し、化成潤滑皮膜処理を行った後、偏芯率βが異なる４種類のダイス（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）で偏芯絞りを行った。ダイス偏芯率βおよび前記図１に基づく寸法を表１に示す。なお、Ｄｉ、Ｄｅ、ｒａｉ、ｒａｅ、ｒｂｉおよびｒｂｅはｍｍで表している。
【００５８】
【表１】
【００５９】
前記図２に示す（ａ）〜（ｃ）の工程に従って、供試材に偏芯絞りを施した。図２（ｃ）に示す状態で偏芯絞りを完了して、加工後の供試材を偏芯ダイスから抜き取り、管の先端部１３および絞り部１０ｂの出側ＰＲで切断することにより、外径３０ｍｍ、長さ約６００ｍｍの全長に亘り偏肉管状部位１４からなる中空ラックバーを得た。
【００６０】
上記表１に示すダイスを用いて、１回の偏芯絞りで得られた中空ラックバーの偏肉管状部位１４の最厚肉部肉厚ｔａ、最薄肉部肉厚ｔｂ、および偏肉率αを測定した。その結果を表２に示す。
【００６１】
【表２】
【００６２】
表２の結果から、１回の偏芯絞りではダイス偏芯率βを大きくすることによって、中空ラックバーの偏肉管状部位の偏肉率αを増加できることがわかる。
（実施例２）
実施例１と同様に、１回の偏芯絞りにおける中空ラックバーの偏肉管状部位を構成する効果を確認した。均肉管素材（供試材）として、規格が機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１４Ｂ（ＪＩＳ３４４５）である、表３に示す同一肉厚で外径が異なる３種類（Ｉ材、ＩＩ材、ＩＩＩ材）の電気抵抗溶接管を用いた。これらを表３に示す長さに切断し、化成潤滑皮膜処理を行った後、前記図２（ａ）に示すダイス偏芯率β＝１のダイスを用いて、素材の溶接ビードをダイスの子午線ＳＲに位置せしめて偏芯絞りを行った。
【００６３】
【表３】
【００６４】
偏芯絞りに際しては、各供試材毎に加工用ダイスを変更して、絞り比γを１．１５〜１．４２で変化させた。各供試材に用いたダイス寸法を表４に示すが、いずれも偏芯率β＝１とした。なお、Ｄｉ、Ｄｅ、ｒａｉおよびｒａｅはｍｍで表している。
【００６５】
【表４】
【００６６】
前記図２に示す偏芯絞りを行い、図２（ｃ）に示す状態で偏芯絞りを完了した。加工後の供試材を偏芯ダイスから抜き取り、管の先端部１３および絞り部１０ｂの出側ＰＲで切断、除去することにより、外径３０ｍｍ、長さ約６００ｍｍの全長に亘り偏肉管状部位１４からなる中空ラックバーを得た。
【００６７】
１回の偏芯絞りで得られた中空ラックバーの偏肉管状部位１４の最厚肉部肉厚ｔａ、最薄肉部肉厚ｔｂおよび偏肉率αを測定した結果を表５に示す。
【００６８】
【表５】
【００６９】
表５の結果から、１回の偏芯絞りでは、絞り比γを大きくすることによって、中空ラックバーの偏肉管状部位における偏肉率αを増加できることがわかる。
（実施例３）
実施例３では、偏芯絞りを２回繰り返すことによる中空ラックバーの偏肉管状部位を構成する効果を確認した。均肉管素材（供試材）として、規格が機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１４Ｂ（ＪＩＳ３４４５）で、肉厚ｔｏ＝４．２ｍｍ、外径Ｄｏ＝６０．５ｍｍである継ぎ目無し鋼管を使用した。供試材を長さ５５０ｍｍに切断し、化成潤滑皮膜処理の後、前記図２に示すダイス偏芯率β＝１の偏芯ダイスを用いて、１回目の偏芯絞りを実施した。使用したダイス寸法は、次の通りである。
【００７０】
ガイド部：Ｄｉ＝６１ｍｍ、Ｄｅ＝４２．７ｍｍ、
絞り部：ｒａｉ＝ｒａｅ＝６８．３ｍｍ、θａ＝３０°
前記図２に示す偏芯絞りを行い、図２（ｃ）に示す状態で偏芯絞りを完了し、供試材を偏芯ダイスから抜き取り、管の先端部１３および絞り部１０ｂの出側ＰＲを切断、除去し、外径４２．７ｍｍ、長さ約５５０ｍｍの全長に亘り偏肉管状部位１４からなる中空ラックバーを得た。得られた中空ラックバーの偏肉管状部位は、最厚肉部肉厚ｔａは７ｍｍ、最薄肉部肉厚ｔｂは５ｍｍ、および偏肉率α＝０．３３であった。
【００７１】
この中空ラックバーに軟化熱処理（７００℃×１５分）を施して、化成潤滑被膜処理を行った後、実施例１の前記表１に示す、ダイス偏芯率βが異なる４種類の偏芯ダイス（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を使用して２回目の偏芯絞りを実施した。偏芯ダイスから抜き取った管の先端部１３および絞り部１０ｂの出側ＰＲを切断除去し、外径３０ｍｍ、長さ約６００ｍｍの全長に亘り偏肉管状部位１４からなる中空ラックバーを得た。
【００７２】
１回目の偏芯絞りの金属管素材から、２回目の偏芯絞りで得られた中空ラックバーの偏肉管状部位のトータルの絞り比γは２．０２となった。このときに２回の偏芯絞りで得られた中空ラックバーの偏肉管状部位１４の最厚肉部肉厚ｔａ、最薄肉部肉厚ｔｂおよび偏肉率αを測定した。その結果を表６に示す。
【００７３】
【表６】
【００７４】
表６の結果から、偏芯絞りを繰り返すことによって中空ラックバーの偏肉管状部位での偏肉率αが増加させることができ、ダイス偏芯率βと組み合わせることによって、最厚肉部、および最薄肉部の肉厚を調整できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の製造方法によれば、通常の工業プロセスで量産される継ぎ目無し管、溶接管、鍛接管などの均肉管を素材とし、これに汎用のプレス装置による冷間工程での偏芯絞りを施すことにより、所定の管端部分または全長に亘り、周方向に所定の偏肉を形成させた中空ラックバーを得ることができる。
【００７６】
これにより、本発明の中空ラックバーは、従来の熱間製管法または棒材の機械加工によって製造されたラックバーに比べ、必要とされる製造装置が簡単で、かつ安価であるばかりでなく、冷間加工であるために表面が美麗で寸法精度も優れている。したがって、自動車用の駆動系部材であるステアリングラックバーの軽量化に顕著な効果を奏すると同時に、駆動系部材の製造コストの低減に大きく寄与することが可能になり、広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の中空ラックバーの製造方法で用いる偏芯ダイスの構成を説明する図であり、同（ａ）は縦断面図を、同（ｂ）は正面図を示している。
【図２】中空ラックバーの偏肉管状部位の偏芯絞りにおける偏肉形成のメカニズムを説明する図であり、同（ａ）〜（ｃ）は各工程における絞り加工状況を示している。
【図３】偏芯絞りにおける偏肉形成に与えるダイス偏芯率βおよび絞り比γの影響の説明する図である。
【図４】偏肉管状部位が構成された中空素材を金属管素材とした偏芯絞り加工状況を説明する図である。
【図５】丸鋼製のラックバーの構成例を示す図である。同(a)は部分斜視図であり、同(b)はラック歯底の構成を示すＸ−Ｘ視野による横断面図である。
【図６】均等肉厚の金属管を素材とした中空ラックバーの構成例を示す図である。
【図７】均等肉厚の金属管を素材とした他の中空ラックバーの構成例を示す図であり、同(a)および(b)は、それぞれラック部のＹ−Ｙ視野による横断面図および縦断面図を示している。
【図８】本発明の中空ラックバーの金属管素材として使用できる偏肉管状部位の構成を示す図であり、同(a)および(b)は、それぞれラック部の加工を施す部位の正面図および縦断面図を示す。
【符号の説明】
【００７８】
１、１０、２０：偏芯ダイス
１ａ、１０ａ、２０ａ：入り側ガイド部
１ｂ、１０ｂ、２０ｂ：絞り部
１ｃ、１０ｃ、２０ｃ：出側ガイド部
１１：金属管素材、 １２：押し金
１３：先端部、 １４：偏肉管状部位
１５：ストリッパ、 １００：ラックバー
１１０、１２０、１３０：中空ラックバー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用の駆動系部材であるステアリングラックバーおよびその製造方法に関し、さらに詳しくは中空の金属管素材から構成されるステアリングラックバー（以下、「中空ラックバー」という）とこれを効率的に加工する製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の機械部品には、金属丸棒のような中実金属素材の外周面に部分的な切削加工を施して使用する事例が多くある。このような機械部品の軽量化ニーズに対応するには、素材を金属管に置き換えるのが一般的であるが、周方向に均等肉厚からなる金属管では、切削加工を施す部位で肉厚を確保のために、金属管素材の肉厚を薄くすることができず、素材の軽量化が制約される。
【０００３】
これに対し、金属管素材として偏肉管を使用し、周方向の厚肉部を切削加工を施す部位として、肉厚を確保しつつ切削加工を行えば、機械部品の軽量化が効果的に達成できる。以下、このことを自動車ハンドルの回転運動を直線運動に変換するためのステアリングラックバーについて説明する。
【０００４】
図５は、丸鋼製のラックバーの構成例を示す図である。同（ａ）は部分斜視図であり、同（ｂ）はラック歯底の構成を示すＸ−Ｘ視野による横断面図である（以下では、丸鋼製のラックバーは、前記「中空ラックバー」と区分して「ラックバー」という）。
【０００５】
図５（ａ）に示す丸鋼製のラックバー１００は、素材直径Ｄが２５〜３５ｍｍで、素材長さが５００〜７００ｍｍに切断され、丸鋼１００ａの端部近傍にラック部１００ｂが歯切り加工された形状で使用される。そして、図５（ｂ）に示すように、ラック歯底１００ｄの位置では、歯幅ｗを確保するために、まず歯先部１００ｃとなる平坦面を機械加工した後に歯切り加工が行われる。
【０００６】
図６は、金属管を素材とした中空ラックバーの構成例を示す図である。自動車の燃費向上を図る部品軽量化のニーズに対応して、ラックバーについても金属管を素材とすることが推進されている。図６に示す中空ラックバー１１０のラック部には、上記図５と同様に、金属管素材の外面に歯先部１１０ｃとなる平坦面を機械加工した後に歯切り加工が施される。この場合に、歯底１１０ｄと管内壁１１１の間の肉厚ｈを確保するために、金属管素材の肉厚Ｔは少なくとも１０ｍｍ程度とする厚肉管が必要となり、それにともなって内径ｄを小さくする必要がある。
【０００７】
このため、図６に示す中空ラックバー１１０では、軽量化の効果が小さい。また、このような小径厚肉の金属管素材は、通常、熱間押出しなどで素管を製造した後、冷間抽伸を行って製造することが必要になるので、製造コストが嵩むという問題がある。
【０００８】
図７は、金属管を素材とした他の中空ラックバーの構成例を示す図であり、同（ａ）および（ｂ）は、それぞれラック部のＹ−Ｙ視野による横断面図および縦断面図を示している。図７に示す中空ラックバー１２０では、金属管素材１２０ａのラック部の加工を施す部位に冷間プレス加工を行って平坦部を形成し、次いで歯切り加工を行ってラック部１２０ｂを形成するようにしている。
【０００９】
この場合に金属管素材の肉厚Ｔは、歯先１２０ｃから管内壁１２１までの距離とほぼ同一であるから、上記図６に示す中空ラックバー１１０に比べ、平坦面の機械加工代を削減できるので、金属管素材の肉厚を減らすことができる。このため、図７に示す中空ラックバー１２０は、前記中空ラックバー１１０よりもラックバー製品を軽量にできると同時に、素材として使用する金属管の製造方法も簡易になる。
【００１０】
しかしながら、この中空ラックバー１２０の加工には、ラック部の平坦面を形成するために冷間プレス工程が必要になるとともに、さらにラック部の加工部位から金属管内面を支持する工具の抜き取りに手間を要する他、この支持工具が小径となるため、破損し易いという問題もある。
【００１１】
【特許文献１】特開昭５２−８６９６０号公報
【特許文献２】特開平５−１５４５３９号公報
【特許文献３】特開平５−１３８２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上記図６に示す中空ラックバー１１０において、平面部の切削加工および歯切り後の歯底肉厚ｈを確保すると同時に、金属管素材の内径ｄを極力大きくするには、歯切り加工を施す部位の肉厚が大きくし、その他の部位の肉厚を小さくした偏肉管を使用すればよい。また、上記図７に示す中空ラックバー１２０のように、平坦部をプレス加工で形成して歯切りを行う場合でも、偏肉管を素材として使用すれば内径部を大きくできるので、金属管内面の支持工具の破損が生じにくくなる。
【００１３】
図８は、本発明の中空ラックバーの金属管素材として使用できる偏肉管状部位の構成を示す図であり、同（ａ）および（ｂ）は、それぞれラック部の加工を施す部位の正面図および縦断面図を示している。ラック部の加工を施すための偏肉管状部位は、中空ラックバー１３０の管端から軸長方向に沿った所定長さの部分に設ける構成であっても、中空ラックバー１３０の全長に亘って設ける構成であってもよい。
【００１４】
図８では、管の外径中心Ｃａと内径中心Ｃｂが偏芯した偏肉管状部位を示している。偏肉管状部位で構成される中空ラックバー１３０での最厚肉部１３０ａの肉厚をｔａとし、最薄肉部１３０ｂの肉厚をｔｂとして、偏肉率αを下記（ａ）式で定義すれば、αが大きいほど偏肉が大きい。
【００１５】
α＝２（ｔａ−ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ） ・・・ （ａ）
図８に示す中空ラックバーの偏肉管状部位の製造方法として、例えば、押出し法を採用した特許文献１および特許文献２で提案された方法や、マンドレルミルを適用した特許文献３で提案された方法がある。中空ラックバーの偏肉管状部位の製造方法には、これらの製管方法に加え、さらに切削加工法がある。
【００１６】
しかしながら、前者の製管法を用いた場合には、製造設備が大規模になると同時に、熱間製管の場合には内外面の酸化スケールの除去および外径寸法の精度を確保するために冷間抽伸が必要となり、製造コストが嵩むという問題がある。
【００１７】
一方、後者の切削加工法は、丸棒を長尺のガンドリルで孔明けして偏肉管状部位を製造する方法が採用されるが、ガンドリルの切り込み速度が制約されるため孔明け加工能率が劣り、機械部品用の素材として要求される大量生産には不向きな製造方法である。
【００１８】
本発明は、このような機械部品の軽量化ニーズに対応して中空ラックバーとして偏肉管を採用する場合の問題点に鑑みてなされたものであり、通常の工業プロセスで量産される金属管を素材に用い、効率的に冷間加工で偏肉管状部位の製造を行い、自動車用の機械部品の軽量化を実現することができる、ステアリング用中空ラックバーおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、下記の３つの基本条件に留意しながら、中空ラックバーの製造方法を種々検討した。
（ａ）加工の出発素材となる金属管は、通常の工業プロセスで量産される周方向に均等肉厚で形成される金属管（以下、単に「均肉管」という）を使用する必要がある。これは、工業的な量産性に優れる均肉管を金属管素材に流用することによって、中空ラックバーの偏肉管状部位の製造コストの低減を図るためであり、金属管素材としては継目無し管、溶接管および鍛接管の管種を問わない。
（ｂ）機械部品として用いられる中空ラックバーの外面を美麗に仕上げるには、前記金属管素材に冷間加工を施して、管端部分または全長に亘り偏肉管状部位を製造するのが有効である。
（ｃ）しかも、上記（ｂ）の冷間加工は、設備投資の省略または低減を図るために、新たな設備を設置することなく、汎用設備で実施する必要がある。
【００２０】
上記（ａ）〜（ｃ）の基本条件を満足させるため、均肉管の周方向に不均等な増肉加工を施すことによって、金属管素材として使用できる中空ラックバーの偏肉管状部位を製造することとした。すなわち、上記図８に示す中空ラックバー１３０において、部位イでの増肉を最大とし、部位ロでの増肉を最小になるように、部位イおよび部位ロでの増肉加工を施せば、均肉管の外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位を製造することができる。
【００２１】
具体的な金属管素材の増肉加工方法としては、周方向圧縮加工と軸方向圧縮加工を組み合わせて、均肉管から中空ラックバーの偏肉管状部位に加工する手段を採用する。周方向圧縮加工の代表例としてスウェージングがあり、軸方向圧縮加工の適用例としてアップセットが挙げられるが、これらはいずれも周方向の均等増肉加工であり、周方向に偏肉を形成することができない。そこで、周方向圧縮と軸方向圧縮を組み合わせ、その組み合わせを周方向部位で変化させることによって、均肉管を中空ラックバーの偏肉管状部位に加工することとした。
【００２２】
本発明は、上述の着想に基づいてなされたものであり、下記（１）の中空ラックバーおよび（２）の中空ラックバーの製造方法を要旨としている。
（１）金属管素材が絞り加工部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した偏芯ダイスに押し込まれて絞り加工が施され、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位が構成されたことを特徴とする中空ラックバーである。
【００２３】
本発明の中空ラックバーでは、上記金属管素材を少なくとも管端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位が構成された中空素材として、さらに冷間絞りを必要回数繰り返すことによって、さらに偏肉率が大きい偏肉管状部位を構成することも可能である。
（２）金属管素材から絞り加工部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した偏芯ダイスを用いた冷間絞り加工によって中空ラックバーを製造する方法であって、前記金属管素材が周方向に均等肉厚で形成された金属管であり、これを前記偏芯ダイスに押し込んで、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位を構成することを特徴とする中空ラックバーの製造方法である。
【００２４】
本発明の中空ラックバーの製造方法では、上記金属管素材を前記偏芯ダイスを用いた冷間絞り加工によって少なくとも管端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位が構成された中空素材として、その中空素材の厚肉側を使用する前記偏芯ダイス絞り部の出側中心軸から径方法に最も遠い位置に配置し、１回または複数回の冷間絞り加工を繰り返すことができる。
【００２５】
さらに、本発明の中空ラックバーの製造方法では、上記の製造方法により、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位を構成した中空ラックバー半成品を得た後、その全長が略同一外径になるように冷間加工により縮径加工を行うのが望ましい。ステアリングラックバーとして、全長に亘り外径を同一寸法とし、かつ所定の設計寸法に調整するためである。
【００２６】
本発明の説明において、「均肉管」とは周方向が均等肉厚で形成される金属管であるが、不可避的に発生する周方向の偏肉を含むものであり、実質的な均等肉厚からなる金属管を意味する。
【００２７】
また、中空ラックバーに構成される偏肉管状部位を「少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分」と規定しているのは、中空ラックバーにおいて、ラック部の加工を施すため、切削加工および歯切り加工後の歯底肉厚を確保する偏肉管状部位は、加工端から部分的に構成されてもよく、全長に亘って構成されてもよいことを意味している。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の製造方法によれば、通常の工業プロセスで量産される継ぎ目無し管、溶接管、鍛接管などの均肉管を素材とし、これに汎用のプレス装置による冷間工程での偏芯絞りを施すことにより、所定の管端部分または全長に亘り周方向に所定の偏肉を形成させた中空ラックバーを得ることができる。
【００２９】
これにより、本発明の中空ラックバーは、従来の熱間製管法または棒材の機械加工によって製造されたラックバーに比べ、必要とされる製造装置が簡単で、かつ安価であるばかりでなく、冷間加工であるために表面が美麗で寸法精度も優れている。したがって、自動車用の駆動系部材であるステアリングラックバーの軽量化に顕著な効果を奏すると同時に、駆動系部材の製造コストの低減に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の中空ラックバーの製造方法は、絞り部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した加工用ダイス（以下、単に「偏芯ダイス」という）を用い、冷間加工によって金属管素材を押し込んで、前記絞り部で素材の絞り加工を行う（以下、単に「偏芯絞り」という）ことによって実現できる。以下に、偏芯絞りの詳細な内容を図面に基づいて説明する。
【００３１】
図１は、本発明の中空ラックバーの製造方法で用いる偏芯ダイスの構成を説明する図であり、同（ａ）は縦断面図を、同（ｂ）は正面図を示している。偏芯ダイス１のダイス孔は、円筒状の入り側ガイド部１ａ（内径Ｄｉ）、絞り部１ｂおよび円筒状の出側ガイド部１ｃ（内径Ｄｅ）で構成されている。そして、前記絞り部１ｂの内径は、入り側ＱＳから出側ＰＲまでの間で徐々に減少する。
【００３２】
ダイス孔の中心軸は絞り部１ｂで曲折しており、入り側中心軸Ｃｉと出側中心軸Ｃｅは距離ｅ（以下、「ダイス偏芯量」という）でオフセットしている。絞り部１ｂの入り側ＱＳから出側ＰＲまでの内郭形状は、後述する偏芯絞り加工での材料移動がスムースに行われるように製作することが必要である。このため、図１では、内郭形状を軸方向に二つの円弧を連続させた形状としているが、この内郭形状に限定されるものではなく、偏芯絞り加工に際し材料移動がスムースに行われる限りにおいては、その他の内郭形状を採用することができる。
【００３３】
図１に示す内郭形状は、子午線ＱＰ上の二つの円弧のうち入り側円弧を半径ｒａｉ、中心角θａで、出側円弧を半径ｒａｅ、中心角θａで示し、同様に、子午線ＳＲ上の二つの円弧のうち入り側円弧を半径ｒｂｉ、中心角θｂで、出側円弧を半径ｒｂｅ、中心角θｂで示している。ここで、子午線ＱＰおよび子午線ＳＲは、絞り部１ｂの入り側Ｑから出側Ｐおよび入り側Ｓから出側Ｒまでを通る内郭形状を示すものである。
【００３４】
図１に示す偏芯ダイスのダイス偏芯率βは、下記（ｂ）式で定義することができる。
【００３５】
β＝２ｅ／（Ｄｉ−Ｄｅ） ・・・ （ｂ）
上記（ｂ）式において、入り側と出側の中心軸が同芯（ダイス偏芯量ｅが０）の場合はβ＝０であり、ダイス偏芯量ｅを最大限大きくした場合にはβ＝１となり、βは０〜１の範囲で変化させることができる。
【００３６】
なお、中空ラックバーの偏肉管状部位を形成に用いる偏芯ダイスでは入り側ガイド部１ａおよび出側ガイド部１ｃは必須のものではなく、別個に製作した入り側ガイド部１ａおよび出側ガイド部１ｃを、絞り部１ｂのみので構成された偏芯ダイスに連結してもよい。
【００３７】
次に、均肉管を素材として中空ラックバーの偏肉管状部位の偏芯絞りを行う場合に、管の周方向に偏肉を形成するメカニズムを説明する。
【００３８】
図２は、中空ラックバーの偏肉管状部位の偏芯絞りにおける偏肉形成のメカニズムを説明する図であり、同（ａ）〜（ｃ）は各工程における絞り加工状況を示している。図２に示す偏芯ダイス１０はダイス偏芯率β＝１の場合であって、絞り部１０ｂの子午線ＳＲは直線状であり、子午線ＱＰは軸方向に二つの円弧を連続させた内郭形状である。
【００３９】
図２（ａ）は、入り側ガイド部１０ａに均肉管１１（外径Ｄｏ、肉厚ｔｏ）をセットした状態を示す図である。入り側ガイド部１０ａの内径Ｄｉは、均肉管１１の外径Ｄｏより僅かに大きく、右方から図示しない駆動装置に装着された押し金１２によって、均肉管１１を偏芯ダイス１０に押し込む。
【００４０】
図２（ｂ）は、均肉管１１の先頭管端部が出側ガイド部１０ｃまで到達した加工途中状態を示す図である。絞り部１０ｂが均肉管１１に作用する力は、子午線ＱＰ上では、管の外径絞りにともなう周方向圧縮力と、絞り抵抗および子午線ＱＰの曲がり部での曲げ抵抗、さらにダイス内壁との摩擦抵抗にうち勝って材料を押し込むため、矢印ハで示す軸方向圧縮力が作用する。したがって、材料が入り側Ｑから出側Ｐに移動する過程で増肉し易い状況にある。
【００４１】
なお、先端部１３の近傍の増肉は小さいので、後述するように、この部分は最終的に切り捨てるのが望ましい。一方、直線状の子午線ＳＲ上では、子午線ＱＰ側からの周方向圧縮力が伝わるが、均肉管１１はダイス内壁との摩擦にうち勝って直進するだけであるので軸方向圧縮力は小さく、増肉は小さい。その結果として、管の周方向においてＰ点通過部が最厚肉部（肉厚ｔａ）、Ｒ点通過部が最薄肉部（肉厚ｔｂ）の偏肉が形成され、中空ラックバーの偏肉管状部位とされる。
【００４２】
図２（ｃ）は、さらに中空ラックバーの偏肉管状部位の長さを長くするために、押し込みを続けた場合を示し、均肉管１１の後端が絞り部１ｂの入り側ＱＳに到達した状態を示す図である。絞り部１ｂの出側ＰＲから押し出された管の外径がＤｅであり、最厚肉部肉厚ｔａおよび最薄肉部肉厚ｔｂからなる中空ラックバーの偏肉管状部位１４が形成される。
【００４３】
この後、押し金１２を後退させ、左方から図示しない駆動装置に装着されたストリッパ１５で材料を偏芯ダイス１から抜き取る。次いで、必要がある場合には、中空ラックバーに設けられる偏肉管状部位１４の加工端からの軸長方向の長さに応じて、管端部および絞り部の出側で切断する。
【００４４】
図２（ｃ）において、管の先端部１３および絞り部１ｂの出側ＰＲで切断することにより、全長に亘り偏肉管状部位１４が構成された中空ラックバーが得られる。なお、均肉管１１が溶接管で製造され、溶接部の硬度が他の部位よりも硬い場合には、増肉しにくい溶接部を子午線ＳＲ上に位置させて偏芯絞りを行うようにするのが望ましい。
【００４５】
次に、均肉管を素材とした偏芯絞りにおける中空ラックバーの偏肉管状部位での偏肉形成への影響因子について説明する。ただし、以下において、絞り比γは、均肉管の外径Ｄｏ、偏芯絞り後の外径径Ｄｅとして、下記（ｃ）式で定義するものである。
【００４６】
γ＝Ｄｏ／Ｄｅ ・・・ （ｃ）
図３は、偏芯絞りにおける偏肉形成に与えるダイス偏芯率βおよび絞り比γの影響の説明する図である。図３（ａ）は、絞り比γ一定の条件でのダイス偏芯率βと中空ラックバーの偏肉管状部位のｔａ／ｔｏおよびｔｂ／ｔｏ（以下、「増肉比」という）との関係を示す図である。ダイス偏芯率β＝０では、均肉管素材の硬度が周方向に均等であれば、最厚肉部の増肉比ｔａ／ｔｏと、最薄肉部の増肉比ｔｂ／ｔｏとは等しくなる。
【００４７】
ダイス偏芯率βが増加するにつれて、最厚肉部の増肉比ｔａ／ｔｏが増加するのに対し、最薄肉部の増肉比ｔｂ／ｔｏが減少し、周方向の肉厚差が拡大する。その結果、偏肉率αが増加することになるが、これは、ダイス偏芯率βの増加とともに前記図１において子午線ＱＰ上での軸圧縮力が増加する一方、子午線ＳＲ上での軸圧縮力が減少することによる。
【００４８】
図３（ｂ）は、ダイス偏芯率β一定の条件での絞り比γと中空ラックバーの偏肉管状部位の増肉比との関係を示す図である。絞り比γの増加にともなって、最厚肉部の増肉比ｔａ／ｔｏは急激に増加するが、最薄肉部の増肉比ｔｂ／ｔｏの増加は小さく、周方向の肉厚差が拡大する。これは、前記図１において絞り比γの増加にともなう子午線ＱＰ上での軸圧縮力の増加が子午線ＳＲ上よりも大きいことによる。
【００４９】
上述の通り、ダイス偏芯率βと絞り比γの組み合わせによって、偏肉管の増肉比ｔａ／ｔｏ、ｔｂ／ｔｏを調整することができる。しかし、絞り比γが過大になる場合や、均肉管素材の肉厚外径比（ｔｏ／Ｄｏ）が小さい場合には、前記図２（ｂ）において二点鎖線ニで示すように、挫屈が発生するおそれがある。
【００５０】
このような挫屈は、偏芯ダイスへの押し込み力が過大であることによるものであり、偏芯ダイスの絞り部１０ｂの長さが大き過ぎたり、小さ過ぎる場合にも発生する。したがって、与えられたダイス偏芯率βおよび絞り比γの条件で、材料がスムースに絞り部１ｂ、１０ｂを通過できるように絞り部の内郭形状を設定することが必要である。
【００５１】
一回の偏芯絞りでは絞り比γの制約によって、目標とする偏肉率αが得られない場合がある。この場合には、複数回の偏芯絞りを繰り返すことにより、トータルの絞り比γを大きくして、中空ラックバーの偏肉管状部位の偏肉率αを確保するようにすればよい。
【００５２】
図４は、偏肉管状部位が構成された中空素材を金属管素材とした偏芯絞り加工状況を説明する図である。図４（ａ）は、１回目の偏芯絞りで得られた中空ラックバーの偏肉管状部位１４を偏芯ダイス２０にセットした状態を示す図である。図４に示す偏芯ダイス２０は、ダイス偏芯率β＝１の場合を示す。中空ラックバーの偏肉管状部位を素材とした偏芯絞りを行って偏肉率を増加させる場合には、偏肉管１４の最厚肉部（肉厚ｔａ）と最薄肉部（肉厚ｔｂ）を、絞り部２０ｂの子午線ＱＰと子午線ＳＲの延長上にそれぞれ一致させておくことが必要である。その後、素材である中空ラックバーの偏肉管状部位１４を偏芯ダイス２０に押し込む。
【００５３】
図４（ｂ）は、管端部が出側ガイド部２０ｃに到達した途中工程での加工状態を示す図である。前記図２の場合と同様に、子午線ＱＰ上では、管の外径絞りにともなう周方向圧縮力と、絞り抵抗および子午線ＱＰの曲がり部での曲げ抵抗、さらにダイス内壁との摩擦抵抗にうち勝って材料を押し込むために、矢印ホで示すように、軸方向圧縮力が作用する。特に、曲げ抵抗は肉厚のおよそ二乗に比例して大きくなるので、偏肉管状部位１４の最厚肉部は絞り部２０ｂを通過することによってさらに増肉される。
【００５４】
一方、直線状の子午線ＳＲ上では軸方向圧縮力が小さいので、素材である偏肉管状部位１４の最薄肉部が絞り部２０ｂを通過することによる増肉は小さい。その結果、絞り部２０ｂを通過した後の最厚肉部肉厚ｔａ′と最薄肉部肉厚ｔｂ′の差は、偏芯絞り前の偏肉管素材の肉厚差（ｔａ−ｔｂ）よりも大きくなり、複数回の偏芯絞りを繰り返すことにより、偏肉率αを増加させることができる。
【００５５】
なお、偏芯絞りを繰り返す場合に、前回の偏芯絞りでの加工硬化によって絞り加工力が過大となって、例えば、挫屈などの問題が生ずることがある。この場合には、前回の偏芯絞り後に軟化熱処理を適宜実施するのが望ましい。
【００５６】
以上のように、複数回の偏芯絞りを繰り返すことによって、偏肉管の偏肉率αを確保できるとともに、目標とするとする外径、肉厚寸法の中空ラックバーの偏肉管状部位を製造することができる。次に、本発明の製造方法の効果を、実施例を基づいて説明する。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
１回の偏芯絞りにおける中空ラックバーの偏肉管状部位を構成する効果を確認した。均肉管素材（供試材）として、規格が機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１４Ｂ（ＪＩＳ３４４５）で、肉厚ｔｏ＝３ｍｍ、外径Ｄｏ＝４２．７ｍｍの電気抵抗溶接管を用いた。この供試材に焼準熱処理（９００℃×１０分）を施してから長さ５５０ｍｍに切断し、化成潤滑皮膜処理を行った後、偏芯率βが異なる４種類のダイス（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）で偏芯絞りを行った。ダイス偏芯率βおよび前記図１に基づく寸法を表１に示す。なお、Ｄｉ、Ｄｅ、ｒａｉ、ｒａｅ、ｒｂｉおよびｒｂｅはｍｍで表している。
【００５８】
【表１】
【００５９】
前記図２に示す（ａ）〜（ｃ）の工程に従って、供試材に偏芯絞りを施した。図２（ｃ）に示す状態で偏芯絞りを完了して、加工後の供試材を偏芯ダイスから抜き取り、管の先端部１３および絞り部１０ｂの出側ＰＲで切断することにより、外径３０ｍｍ、長さ約６００ｍｍの全長に亘り偏肉管状部位１４からなる中空ラックバーを得た。
【００６０】
上記表１に示すダイスを用いて、１回の偏芯絞りで得られた中空ラックバーの偏肉管状部位１４の最厚肉部肉厚ｔａ、最薄肉部肉厚ｔｂ、および偏肉率αを測定した。その結果を表２に示す。
【００６１】
【表２】
【００６２】
表２の結果から、１回の偏芯絞りではダイス偏芯率βを大きくすることによって、中空ラックバーの偏肉管状部位の偏肉率αを増加できることがわかる。
（実施例２）
実施例１と同様に、１回の偏芯絞りにおける中空ラックバーの偏肉管状部位を構成する効果を確認した。均肉管素材（供試材）として、規格が機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１４Ｂ（ＪＩＳ３４４５）である、表３に示す同一肉厚で外径が異なる３種類（Ｉ材、ＩＩ材、ＩＩＩ材）の電気抵抗溶接管を用いた。これらを表３に示す長さに切断し、化成潤滑皮膜処理を行った後、前記図２（ａ）に示すダイス偏芯率β＝１のダイスを用いて、素材の溶接ビードをダイスの子午線ＳＲに位置せしめて偏芯絞りを行った。
【００６３】
【表３】
【００６４】
偏芯絞りに際しては、各供試材毎に加工用ダイスを変更して、絞り比γを１．１５〜１．４２で変化させた。各供試材に用いたダイス寸法を表４に示すが、いずれも偏芯率β＝１とした。なお、Ｄｉ、Ｄｅ、ｒａｉおよびｒａｅはｍｍで表している。
【００６５】
【表４】
【００６６】
前記図２に示す偏芯絞りを行い、図２（ｃ）に示す状態で偏芯絞りを完了した。加工後の供試材を偏芯ダイスから抜き取り、管の先端部１３および絞り部１０ｂの出側ＰＲで切断、除去することにより、外径３０ｍｍ、長さ約６００ｍｍの全長に亘り偏肉管状部位１４からなる中空ラックバーを得た。
【００６７】
１回の偏芯絞りで得られた中空ラックバーの偏肉管状部位１４の最厚肉部肉厚ｔａ、最薄肉部肉厚ｔｂおよび偏肉率αを測定した結果を表５に示す。
【００６８】
【表５】
【００６９】
表５の結果から、１回の偏芯絞りでは、絞り比γを大きくすることによって、中空ラックバーの偏肉管状部位における偏肉率αを増加できることがわかる。
（実施例３）
実施例３では、偏芯絞りを２回繰り返すことによる中空ラックバーの偏肉管状部位を構成する効果を確認した。均肉管素材（供試材）として、規格が機械構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫＭ１４Ｂ（ＪＩＳ３４４５）で、肉厚ｔｏ＝４．２ｍｍ、外径Ｄｏ＝６０．５ｍｍである継ぎ目無し鋼管を使用した。供試材を長さ５５０ｍｍに切断し、化成潤滑皮膜処理の後、前記図２に示すダイス偏芯率β＝１の偏芯ダイスを用いて、１回目の偏芯絞りを実施した。使用したダイス寸法は、次の通りである。
【００７０】
ガイド部：Ｄｉ＝６１ｍｍ、Ｄｅ＝４２．７ｍｍ、
絞り部：ｒａｉ＝ｒａｅ＝６８．３ｍｍ、θａ＝３０°
前記図２に示す偏芯絞りを行い、図２（ｃ）に示す状態で偏芯絞りを完了し、供試材を偏芯ダイスから抜き取り、管の先端部１３および絞り部１０ｂの出側ＰＲを切断、除去し、外径４２．７ｍｍ、長さ約５５０ｍｍの全長に亘り偏肉管状部位１４からなる中空ラックバーを得た。得られた中空ラックバーの偏肉管状部位は、最厚肉部肉厚ｔａは７ｍｍ、最薄肉部肉厚ｔｂは５ｍｍ、および偏肉率α＝０．３３であった。
【００７１】
この中空ラックバーに軟化熱処理（７００℃×１５分）を施して、化成潤滑被膜処理を行った後、実施例１の前記表１に示す、ダイス偏芯率βが異なる４種類の偏芯ダイス（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を使用して２回目の偏芯絞りを実施した。偏芯ダイスから抜き取った管の先端部１３および絞り部１０ｂの出側ＰＲを切断除去し、外径３０ｍｍ、長さ約６００ｍｍの全長に亘り偏肉管状部位１４からなる中空ラックバーを得た。
【００７２】
１回目の偏芯絞りの金属管素材から、２回目の偏芯絞りで得られた中空ラックバーの偏肉管状部位のトータルの絞り比γは２．０２となった。このときに２回の偏芯絞りで得られた中空ラックバーの偏肉管状部位１４の最厚肉部肉厚ｔａ、最薄肉部肉厚ｔｂおよび偏肉率αを測定した。その結果を表６に示す。
【００７３】
【表６】
【００７４】
表６の結果から、偏芯絞りを繰り返すことによって中空ラックバーの偏肉管状部位での偏肉率αが増加させることができ、ダイス偏芯率βと組み合わせることによって、最厚肉部、および最薄肉部の肉厚を調整できることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の製造方法によれば、通常の工業プロセスで量産される継ぎ目無し管、溶接管、鍛接管などの均肉管を素材とし、これに汎用のプレス装置による冷間工程での偏芯絞りを施すことにより、所定の管端部分または全長に亘り、周方向に所定の偏肉を形成させた中空ラックバーを得ることができる。
【００７６】
これにより、本発明の中空ラックバーは、従来の熱間製管法または棒材の機械加工によって製造されたラックバーに比べ、必要とされる製造装置が簡単で、かつ安価であるばかりでなく、冷間加工であるために表面が美麗で寸法精度も優れている。したがって、自動車用の駆動系部材であるステアリングラックバーの軽量化に顕著な効果を奏すると同時に、駆動系部材の製造コストの低減に大きく寄与することが可能になり、広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の中空ラックバーの製造方法で用いる偏芯ダイスの構成を説明する図であり、同（ａ）は縦断面図を、同（ｂ）は正面図を示している。
【図２】中空ラックバーの偏肉管状部位の偏芯絞りにおける偏肉形成のメカニズムを説明する図であり、同（ａ）〜（ｃ）は各工程における絞り加工状況を示している。
【図３】偏芯絞りにおける偏肉形成に与えるダイス偏芯率βおよび絞り比γの影響の説明する図である。
【図４】偏肉管状部位が構成された中空素材を金属管素材とした偏芯絞り加工状況を説明する図である。
【図５】丸鋼製のラックバーの構成例を示す図である。同(a)は部分斜視図であり、同(b)はラック歯底の構成を示すＸ−Ｘ視野による横断面図である。
【図６】均等肉厚の金属管を素材とした中空ラックバーの構成例を示す図である。
【図７】均等肉厚の金属管を素材とした他の中空ラックバーの構成例を示す図であり、同(a)および(b)は、それぞれラック部のＹ−Ｙ視野による横断面図および縦断面図を示している。
【図８】本発明の中空ラックバーの金属管素材として使用できる偏肉管状部位の構成を示す図であり、同(a)および(b)は、それぞれラック部の加工を施す部位の正面図および縦断面図を示す。
【符号の説明】
【００７８】
１、１０、２０：偏芯ダイス
１ａ、１０ａ、２０ａ：入り側ガイド部
１ｂ、１０ｂ、２０ｂ：絞り部
１ｃ、１０ｃ、２０ｃ：出側ガイド部
１１：金属管素材、 １２：押し金
１３：先端部、 １４：偏肉管状部位
１５：ストリッパ、 １００：ラックバー
１１０、１２０、１３０：中空ラックバー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管素材を絞り加工部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した偏芯ダイスに押し込む絞り加工が施され、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位が構成されたことを特徴とする中空ラックバー。
【請求項２】
少なくとも管端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位が構成された中空素材を前記金属管素材とし、当該金属管素材を使用する偏芯ダイスに押し込む絞り加工が施され、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に、断面の厚肉部と薄肉部の肉厚差がさらに増加した偏肉管状部位が構成されたことを特徴とする請求項１に記載される中空ラックバー。
【請求項３】
金属管素材から絞り加工部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した偏芯ダイスを用いた冷間絞り加工によって中空ラックバーを製造する方法であって、
前記金属管素材が周方向に均等肉厚で形成された金属管であり、これを前記偏芯ダイスに押し込んで、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位を構成することを特徴とする中空ラックバーの製造方法。
【請求項４】
前記金属管素材が前記偏芯ダイスを用いた冷間絞り加工によって少なくとも管端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位が構成された中空素材であり、
当該中空素材の偏肉管状部位の厚肉側を使用する偏芯ダイス絞り部の出側中心軸から径方法に最も遠い位置に配置し、１回または複数回の冷間絞り加工を繰り返すことを特徴とする請求項３に記載の中空ラックバーの製造方法。
【請求項５】
少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位を構成した後、その全長が略同一外径になるように冷間加工により縮径加工を行うことを特徴とする請求項３または４に記載の中空ラックバーの製造方法。
【請求項１】
金属管素材を絞り加工部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した偏芯ダイスに押し込む絞り加工が施され、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位が構成されたことを特徴とする中空ラックバー。
【請求項２】
少なくとも管端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位が構成された中空素材を前記金属管素材とし、当該金属管素材を使用する偏芯ダイスに押し込む絞り加工が施され、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に、断面の厚肉部と薄肉部の肉厚差がさらに増加した偏肉管状部位が構成されたことを特徴とする請求項１に記載される中空ラックバー。
【請求項３】
金属管素材から絞り加工部の入り側中心軸と出側中心軸とが偏芯した偏芯ダイスを用いた冷間絞り加工によって中空ラックバーを製造する方法であって、
前記金属管素材が周方向に均等肉厚で形成された金属管であり、これを前記偏芯ダイスに押し込んで、少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に外径中心と内径中心が偏芯した偏肉管状部位を構成することを特徴とする中空ラックバーの製造方法。
【請求項４】
前記金属管素材が前記偏芯ダイスを用いた冷間絞り加工によって少なくとも管端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位が構成された中空素材であり、
当該中空素材の偏肉管状部位の厚肉側を使用する偏芯ダイス絞り部の出側中心軸から径方法に最も遠い位置に配置し、１回または複数回の冷間絞り加工を繰り返すことを特徴とする請求項３に記載の中空ラックバーの製造方法。
【請求項５】
少なくとも加工端から軸長方向に沿った部分に偏肉管状部位を構成した後、その全長が略同一外径になるように冷間加工により縮径加工を行うことを特徴とする請求項３または４に記載の中空ラックバーの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−２１６９５６（Ｐ２００７−２１６９５６Ａ）
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７１２６９（Ｐ２００７−７１２６９）
【出願日】平成１９年３月１９日（２００７．３．１９）
【分割の表示】特願２００２−３３８９５７（Ｐ２００２−３３８９５７）の分割
【原出願日】平成１４年１１月２２日（２００２．１１．２２）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【出願人】（０００２２９６１２）住友鋼管株式会社 (26)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１９日（２００７．３．１９）
【分割の表示】特願２００２−３３８９５７（Ｐ２００２−３３８９５７）の分割
【原出願日】平成１４年１１月２２日（２００２．１１．２２）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【出願人】（０００２２９６１２）住友鋼管株式会社 (26)
【Ｆターム（参考）】
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