专利名称：空心转向齿条轴及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种作为机动车转向装置的部件的转向齿条轴及其制造方法。
转向齿条轴在圆形断面的轴的长度的一部分例如一半上形成齿条。为了使这样的齿条轴空心以实现轻量化，通过由切削加工在棒材形成齿条部后对其开孔的方法进行。虽然也考虑了作为坯料使用空心的坯料即钢管，在形成平面的部分切削加工齿条，但实际上形成齿条的部分的壁厚变薄，难以确保必要的强度。另一方面，还提出有放弃使形成齿条的部分成为空心、仅使形成齿条以外的部分成为空心的方案。日本特开平9-58489号为这样的技术，在实心的棒材切削形成齿条后将其与钢管铆接，形成转向齿条轴。
另外，在日本特公平3-5892号公报中公开了使用钢管作为坯料由塑性加工形成齿条部、构成全长为空心的转向齿条轴的方法，另外，还可考虑改良了的方法，急速使生产扩大。公开于该特公平3-5892号公报的方法由2阶段工序构成，即先将钢管的一部分压扁形成为平面，然后在该部分形成齿条。为此，先在可朝左右打开的第1次成形用分型模收容坯料钢管的应加工的部分，该模在合上的状态下在应形成上部的齿条的部分设置有贯通孔。然后，从上方将前端成为平面的冲压模插入到该贯通孔，将钢管的该部分加工成平面，将其形成为第1次成形体。然后，使内面形状与齿条轴的成品的外形形状一致，在可朝左右打开的第2次成形用可分型模收容上述第1次成形体。即，该第2次成形用分型模在将左右的模合上时，在上部构成齿条的齿的阴模。将心轴插入到钢管内，从内部对此前形成为平面的部分进行减薄拉深加工。这样，在第1次成形体的外部使材料隆起，根据上述第2次成形用分型模的形状成形齿条。
即，本发明在形成齿条的部分和其以外的部分将具有不同特性的坯料作为原材料，最终通过将其接合而获得转向齿条轴的成品。更为具体地说，转向齿条轴沿全长空心，在其长度的一部分形成齿条；其中包括齿条形成部和非齿条形成部；该齿条形成部包含从一端形成齿条的部分，由与其相连的圆筒断面部的一部分构成；该非齿条形成部为余下的长度部分；通过接合上述齿条形成部和非齿条形成部形成齿条轴，齿条形成部与非齿条形成部由不同成分的钢材构成，非齿条形成部的含碳量比齿条形成部高。另外，如上述那样，不论如上述那样由不同成分的钢材构成齿条形成部与非齿条形成部的钢材的场合还是不为不同成分的场合，非齿条形成部的厚度构成得比齿条形成部的圆筒断面部分的厚度薄。
在这里，非齿条形成部的钢材可使用含有C0.35-0.60％，Si0.10-0.40％，Mn0.5-1.0％，余下的除不可避免的杂质以外是Fe的成分的材料。另外，即使齿条形成部的外径与齿条形成部的圆筒断面部分的外径不同，也可在非齿条形成部的长度的一部分形成螺杆用的螺纹槽。另外，齿条形成部的至少齿条的齿底的部分最好沿厚度全体成为淬火组织。
另外，本发明的空心的转向齿条轴的制造方法将第1钢管作为坯料，将其至少一方的端部留下由塑性加工形成齿条，将第1钢管的上述一方的端部与第2钢管的一端对接，接合形成上述齿条的第1钢管与第2钢管，此时，第1钢管与第2钢管由不同成分的钢材构成，第2钢管的含碳量比第1钢管高。另外，在上述空心转向齿条轴的制造方法中，第1钢管与第2钢管由不同成分的钢材构成，第2钢管的含碳量比第1钢管高，但也可作为其替代，使第2钢管的厚度比第1钢管的厚度薄，或使第1钢管与第2钢管的外径不同。另外，上述钢材的成分、钢管的厚度、钢管的外径的条件也包含同时满足这2个以上的情况。另外，在上述各空心的转向齿条轴的制造方法中，也可在进行接合之前在第2钢管的长度的一部分形成螺杆用的螺纹槽。
另外，在上述各空心转向齿条轴的制造方法中，由塑性加工在第1钢管上形成齿条的方法，推压第1钢管的至少一方的端部以外的部分，将外面圆周的一部分形成为平面，在内面具有齿条的阴模的分型模内收容设置了上述平面的钢管，使设置了平面的部分与齿条的阴模接触，将心轴依次推入到钢管的内部，对形成为上述平面状的部分的内面进行减薄拉深加工，根据上述齿条形成模形成齿条。另外，也可在上述本发明方法中的齿条形成后的任何阶段，至少对齿条的齿的部分进行将材料的厚度全体加热到淬火温度的淬火，另外，接合可适用摩擦焊。
图3和图4为说明分别由塑性加工形成齿条的方法的纵断面图和横断面图。另外，图5和图6为说明图3和图4的下一工序的各纵断面图和横断面图。
图7为在齿条的齿底切断由本发明的制造方法形成的转向齿条轴的断面图。
图8为适用于电动转向机构的本发明的转向轴的图。
图9为本发明的转向齿条轴的图2之外的别的例子的外观图。
发明的最佳形式的详细说明图2为示出本发明的空心转向齿条轴1的例子的外观图，图中符号2为齿条的齿。在这里，本发明的特征在于，如
图1所示那样，由不同的物体分别制造全长中的形成齿条的部分和余下的部分，由在接合部5将其接合成为1根转向齿条轴。在本发明中，将形成上述齿条的部分称为齿条形成部，将余下的部分称为非齿条形成部。
齿条形成部3的范围正确地说，如图1所示那样，从齿条轴的一端6开始，包含形成齿条的齿2的部分，直到稍进入与其连接的圆筒部分7(在本发明中，圆筒指实际上正圆或与其接近的断面，不包括圆周的一部分被压扁的那样的场合)的位置。在图1中，齿条轴的一端6成为圆筒(图2也相同)，但根据机动车的设计，齿条轴的一端也可能为延长的形状，即圆周的一部分成为平面的局部截除的圆断面的形状。因此，齿条形成部的形状存在两端为圆筒的场合和仅一方的端部为圆筒的场合。另一方面，非齿条形成部4为齿条形成部3的余下的长度部分，通常全长为圆筒形。然而，如后面说明的那样，根据场合，存在将螺杆用的螺纹槽形成于端部以外的长度的一部分的场合。如上述那样，齿条形成部与非齿条形成部的接合只要相互对接圆筒的端面即可，所以，可平滑地进行。
这样，从齿条形成部与非齿条形成部的接合以在圆筒相互的端面进行为前提这一点可知，在本发明中，齿条形成部通过将钢管作为坯料由塑性加工制造。如进行塑性加工，与切削加工不同，即使将钢管作为坯料也可确保齿条部的壁厚。用于形成齿条的塑性加工最好在与非齿条形成部的接合之前进行。这是因为，对于形成齿条的坯料没有多余长度的场合，用于后面说明的加工的心轴可较短，另外，存在不需要使由磷酸盐等进行的加工所用的润滑处理达到多余范围等的优点，另外，在接合后进行塑性加工时没有特别的优点。淬火等热处理在接合前后都可进行，例如，也可在接合后仅对齿条形成部进行热处理。
由塑性加工形成齿条的方法最好由以下那样的方法进行。首先，如图3的纵断面图、图4的横断面图所示那样，收容于围住钢管11的全周的分型模12、13。该分型模在与钢管的应加工的部分对应的部位形成与轴线垂直的孔14。在将钢管收容于分型模的状态下将冲头15插入到孔14，推压该部分的钢管11形成平面。这样形成平面的部分为钢管11的长度中的至少一方的端部以外的部分。即，如前面说明的那样，齿条形成部3的形状如图1所示那样存在两端成为圆筒的场合和仅一方的端部成为圆筒的场合，所以，与此对应，将两端留下地形成为平面或仅留下一端地形成平面地改变(在图3、图4中示出留下两端地形成为平面的场合)。
如仅将钢管的圆周的一部分形成为平面，则在开放钢管的周围的状态下也可加工。然而，最好在如上述那样收容于围住钢管全周的分型模的状态下推压冲头，由此可防止在形成为平面的部分以外使钢管的外形变形。另外，形成上述的平面的加工也存在不为完全的平面例如宽度中央部稍高的山形等的场合。在本发明的要旨等中，形成为平面也包含这样的场合。
下面，如图5的纵断面图、图6的横断面图所示那样，收容于围住形成平面的钢管11的全周的另外的分型模17、18。在该分型模的内部设置具有齿条的阴模的齿条形成模19，接触钢管的形成为平面的部分。在该状态下，将心轴20推入到钢管的内部，依次将形成为平面的部分减薄拉深，从内部使材料隆起，依照齿条形成模19形成齿条。使用尺寸稍不同的心轴由多个行程进行加工，但如使用在全长的多个部位具有作为减薄拉深加工部位的凸起21的心轴，则可减少行程数。另外，多个心轴从两侧交替地插入效率较好。这些塑性加工在冷态进行。齿条形成模19的部分即使与上侧的分型模17成一体，原理上也没有问题，但由于接受大的力，寿命较短，因此，最好仅使齿条形成模的部分独立地安装于分型模使用。
由上述那样的塑性加工形成齿条的方法由心轴将材料的背面减薄拉深，将材料充填到齿条形成模内，进行剧烈的加工，所以要求塑性流动性优良的材料。另一方面，在制品的齿条部要求特别大的材料强度。即，图7为在齿条的齿底切断由本发明的控制方法形成的转向齿条轴的断面图，但齿条的齿2的底25的厚度与作为材料的钢管的厚度相比变得相当薄。这是从由塑性加工形成齿条时的材料收支考虑不得已的事，但确保该部分的强度很重要。这样，齿条形成部的材料要求在坯料的状态下容易进行塑性加工而在成为最终产品后可发挥出大的强度，所以，成本在某种程度上也增大。另一方面，在非齿条形成部可使用含碳量比齿条形成部高、不含昂贵的合金元素的材料。这是因为在非齿条形成部不要求塑性加工的加工性，所以，可大量使用作为可廉价地确保强度的成分的碳。这样，本发明在沿全长空心的转向齿条轴中，在为了由塑性加工形成齿条而对材料要求严格的齿条形成部和对材料要求较松的非齿条形成部使用不同材质的坯料钢管，接合后形成1个转向齿条轴，所以，可获得低成本、理想的材质的特性的产品。
作为齿条形成部的材料，限制对塑性加工的加工性有害的C量，同时考虑与产品强度的平衡，例如使C量为0.15-0.34％。另外，塑性加工结束后，需要由淬火确保强度，所以，形成这样的组成，在该组成下，不受质量效果的影响，即使在材料厚度的中心部也可确保淬火的显微组织，另外，可提高淬火后的强度。为此，除了与上述C量一起通常含有的0.10-0.40％的Si外，含有例如1.2-1.8％的Mn。根据场合的不同，可含0.30-0.80％的Cr等合金元素。
另外，非齿条形成部不受到塑性加工，保持为坯料钢管的形状。虽然有时如后面说明的那样进行螺杆的螺纹槽的加工，但都不受到形成齿条那样的激烈的塑性加工。因此，作为非齿条形成部的材料成分，C量在0.35％以上，最好在0.40％以上，以确保足够的强度。C量的上限从韧性考虑为0.60％。另外，比齿条形成部的材料的C量高0.1％以上可发挥出双方的材料的特点，较理想。另外，作为其它成分，含有Si0.10-0.40％，Mn0.5-1.0％，余下的除了不可避免的杂质以外，为Fe。Mn从材质上考虑，比上述范围多，例如也可不到1.8％，但从成本方面考虑上述范围较适当。
形成齿条后进行淬火以确保必要的强度，至少在齿条的齿部分需要进行将材料的厚度全体加热到淬火温度的淬火。即，为了确保强度，表面硬化的淬火不足，至少齿条的齿底部分需要沿厚度全体成为淬火的显微组织。所以，为了不受到质量效果的影响，即使冷却速度慢的较厚的中心部也可确保淬火组织，最好齿条形成部的成分为如上述那样的成分。虽然淬火以确保强度的必要性大的部分仅为齿条的齿的部分，但考虑到齿条轴的相对轴的非对称的加热导致的淬火变形，也可对齿条部的钢管的全周加热后淬火。另外，淬火在齿条形成后的任何工序中，在接合前后都可进行。
作为对齿条形成部的上述淬火以外的热处理，当在齿条形成的中间阶段由于加工硬化使得难以继续进行加工时，有时进行中间退火，由再结晶使其软化。另外，有时在形成齿条之前进行使碳化物球化以提高加工性的球化退火。但是，球化退火需要较长时间，成本高，所以，最好利用可在齿条形成部与非齿条形成部选择理想的材料的本发明的优点，选择不需要球化退火的材料。另外，对于非齿条形成部的热处理，由于没有齿条的齿底那样的厚度变得特别薄的部分，所以淬火可由表面淬火进行。因此，没有必要考虑对淬火深度产生影响的质量效果，所以，也可为上述那样的不特别含有合金元件的材料。非齿条形成部的淬火当然在接合前后都可进行。
一般的转向齿条轴对应于液压式的动力转向。在该场合，如前面示于各图的那样，非齿条形成部的外部形成为单纯的圆筒。然而，作为转向的动力源通过利用电动力使机构简化的方式最近不断增加。图8为说明电动动力转向机构的的示意图。如图8所示，在转向齿条轴的非齿条形成部28的一部分设置螺杆用的螺纹槽29，由此形成螺杆。此时，螺杆的外侧部分即螺母侧部分30固定轴向位置，由图中未示出的电动机驱动回转。因此，电动机的回转力由螺杆变换成齿条轴的轴向推力，产生动力转向的作用。
本发明的转向齿条轴还包含这样的场合，在该场合，图8所示那样的非齿条形成部28的长度的一部分上形成螺杆用的螺纹槽29。作为这样的场合的转向齿条轴的制造工序，也可相对非齿条形成部的坯料钢管进行形成螺杆的螺纹槽的加工后，与在别的钢管形成齿条获得的齿条形成部27接合。这样，可不使加工的部分相互干扰地进行齿条形成和螺纹槽形成，可发挥出本发明的优点。
在本发明中，齿条形成部与非齿条形成部的接合方法没有特别限定。作为可适用的接合方法，也可进行摩擦焊接、电阻对焊、闪光对焊、及TIG焊接等弧焊。其中，将接合的端面相互回转摩擦后固定压接的摩擦焊接特别理想。摩擦焊接效率高、可靠性高，另外，在接合部基本上没有隆起和毛刺等伸出部分。由于接合部的隆起和毛刺对接头特性没有问题，所以，在转向装置全体的设计中如不妨碍使用，则不必由磨削等除去。
图9为示出由本发明制造的空心转向齿条轴的图2之外的例子的透视图。即，转向齿条轴根据机动车的设计存在如图2所示那样圆筒部分的外径都相同的场合和如图9所示那样齿2近旁的圆筒部分35的外径比非齿条形成部36的圆筒的外径例如小那样地部分不同的场合。在这样外径部分不同的场合，在过去的由钢管的塑性加工形成齿条的方法中，使应减小外径的部分的钢管的外径缩小，或由心轴插入等对应扩大外径的部分的钢管进行扩管。在本发明中，将齿条形成部与非齿条形成部不同的外径的钢管作为坯料使用，通过在成为台阶37的部位对其进行接合，可使外径不同，所以，不需要改变上述那样的钢管的外径的加工。在希望避免外径在接合部成为急剧的台阶的场合，使外径小的一方的钢管的端部扩大，可使外径大的一方的钢管的端部缩小，使双方为相同外径地接合。
另外，在本发明中，也可在齿条形成部与非齿条形成部使用厚度不同的坯料的钢管。因此，外径相同，仅非齿条形成部内径增大，可使非齿条形成部的厚度比齿条形成部的圆筒断面部分的厚度薄。另外，在上述那样的外径在齿条形成部与非齿条形成部不同的场合，也可一起减少非齿条形成部的厚度。这样减小强度有富余的非齿条形成部的厚度，可进一步减少作为部件的转向齿条轴的重量，可节省材料。当希望避免在接合部分产生急剧的台阶的场合，进行压扁较厚一侧的端部的加工，与较薄一侧的厚度一致，接合该部分。另外，将坯料的钢管的厚度相对齿条形成部减薄非齿条形成部，可在前面说明的齿条形成部与非齿条形成部使用不同的成分的钢材的场合并用，不并用地仅对其加以实施，也可发挥上述效果。
本发明不限定于根据各图如上述那样说明的形式。本发明在其技术思想或特征点的范围内可不减少其效果地改变和修正为适当的其它形式。
权利要求
1.一种转向齿条轴，沿全长空心，在其长度的一部分形成齿条；其中，由齿条形成部和非齿条形成部构成；该齿条形成部包含从一端形成齿条的部分和与其相连的圆筒断面部的一部分；该非齿条形成部为余下的长度部分；通过接合上述齿条形成部和非齿条形成部形成齿条轴，齿条形成部与非齿条形成部由不同成分的钢材构成，非齿条形成部的含碳量比齿条形成部高。
2.一种转向齿条轴，沿全长空心，在其长度的一部分形成齿条；其中，由齿条形成部和非齿条形成部构成；该齿条形成部包含从一端形成齿条的部分和与其相连的圆筒断面部的一部分；该非齿条形成部为余下的长度部分；通过接合上述齿条形成部和非齿条形成部形成齿条轴，非齿条形成部的厚度构成得比齿条形成部的圆筒断面部分的厚度薄。
3.根据权利要求1所述的空心转向齿条轴，其中，非齿条形成部的厚度构成得比齿条形成部的圆筒断面部分的厚度薄。
4.根据权利要求1或3所述的空心转向齿条轴，其中，非齿条形成部的钢材含有C0.35-0.60％，Si0.10-0.40％，Mn0.5-1.0％，余下的除不可避免的杂质以外是Fe。
5.根据权利要求1、2、或3所述的空心转向齿条轴，其中，非齿条形成部的外径与齿条形成部的圆筒断面部分的外径不同。
6.根据权利要求1、2、或3所述的空心转向齿条轴，其中，在非齿条形成部的长度的一部分上形成螺杆用的螺纹槽。
7.根据权利要求5所述的空心转向齿条轴，其中，在非齿条形成部的长度的一部分上形成螺杆用的螺纹槽。
8.根据权利要求1、2、或3所述的空心转向齿条轴，其中，齿条形成部中的至少齿条的齿底部分成为厚度全体被淬火的组织。
9.一种空心转向齿条轴的制造方法，其中，将第1钢管作为坯料，将其至少一方的端部余下地由塑性加工形成齿条，将第1钢管的上述一方的端部与第2钢管的一端对接，接合形成上述齿条的第1钢管与第2钢管，此时，第1钢管与第2钢管由不同成分的钢材构成，第2钢管的含碳量比第1钢管高。
10.一种空心转向齿条轴的制造方法，其中，将第1钢管作为坯料，将其至少一方的端部留下地由塑性加工形成齿条，将第1钢管的上述一方的端部与第2钢管的一端对接，接合形成上述齿条的第1钢管与第2钢管，此时，使第2钢管的厚度比第1钢管的厚度薄。
11.根据权利要求9所述的空心转向齿条轴的制造方法，其中，第2钢管的厚度比第1钢管的厚度薄。
12.一种空心转向齿条轴的制造方法，其中，将第1钢管作为坯料，将其至少一方的端部留下地由塑性加工形成齿条，将第1钢管的上述一方的端部与第2钢管的一端对接，接合形成上述齿条的第1钢管与第2钢管，此时，使第1钢管与第2钢管的外径不同。
13.根据权利要求9、10或11所述的空心转向齿条轴的制造方法，其中，第1钢管与第2钢管的外径不同。
14.根据权利要求9、10、11或12所述的空心转向齿条轴的制造方法，其中，在进行接合之前在第2钢管的长度的一部分上形成螺杆用的螺纹槽。
15.根据权利要求13所述的空心转向齿条轴的制造方法，其中，在进行接合之前将螺杆用的螺纹槽形成到第2钢管的长度的一部分上。
16.根据权利要求9、10、11或12所述的空心转向齿条轴的制造方法，其中，由塑性加工在第1钢管上形成齿条的方法通过推压第1钢管的至少一方的端部以外的部分，将外面圆周的一部分形成为平面，在内面具有齿条的阴模的分型模内收容设置了上述平面的钢管，使设置了平面的部分与齿条的阴模接触，将心轴依次推入到钢管的内部，对形成为上述平面状的部分的内面进行减薄拉深加工，根据上述齿条形成模形成齿条。
17.根据权利要求9、10、11或12所述的空心转向齿条轴的制造方法，其中，在本发明方法中的齿条形成后的任何阶段，至少对齿条的齿的部分进行将材料的厚度全体加热到淬火温度的淬火。
18.根据权利要求9、10、11或12所述的空心转向齿条轴的制造方法，其中，接合由摩擦焊进行。
全文摘要
本发明的目的在于以低成本制造作为机动车转向装置的部件的全长空心的转向齿条轴。通过对第1钢管进行塑性加工形成齿条，该第1钢管由含碳量少、加工性良好、淬火后强度也高的材料构成。在其上接合第2钢管，形成1个空心的转向齿条轴，该第2钢管由含碳量比上述第1钢管高的价廉的钢材构成。另外，也可使强度具有富余的第2钢管的厚度比第1钢管的厚度薄而轻量化。
文档编号C22C38/00GK1421346SQ02152449
公开日2003年6月4日 申请日期2002年11月28日 优先权日2001年11月29日
发明者尾关启太 申请人:高周波热鍊株式会社