(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともラック部の全長を加熱し、冷却液を噴射して焼入を行なうラックバーの焼入において、ラック部に対する冷却液の噴射は少なくともラック部の長さを有する１以上のスリットよりカーテン状になされ、噴射液がラックのすべての歯と交差しつつラックの長さ方向全体に亘って当たることを特徴とするラックバーの焼入方法。
【請求項２】
加熱されたラックバーに冷却液を噴射して焼入を行なうラックバーの焼入装置において、１以上の冷却液導入口を有し少なくともラック部の長さを有するジャケットと、前記ジャケットに設けられ少なくともラック部の長さを有しラック部に対向して設けられた１以上の冷却液噴射スリットからなる、ラック部に対する冷却液の噴射装置を有することを特徴とするラックバーの焼入装置。
【請求項３】
前記冷却液噴射スリットの両側に、ラック部の長さを有し一定高さの２以上の凸部が平行してジャケットに設けられ、前記凸部がラック部に接触することにより、前記ラック部に対する冷却液の噴射装置は焼入によるラックバーの曲がりを防止する拘束治具の１つを構成することを特徴とする請求項２に記載のラックバーの焼入装置。
【請求項４】
前記冷却液噴射スリットに平行しかつこれの冷却液噴射方向と直角な１以上の整流板がジャケット内を仕切るように設けられ、前記整流板はその面積の一部を占める穴が長さ方向に均等に設けられており、かつ前記冷却液導入口は整流板で仕切られたジャケット内の複数の空間のうち冷却液噴射スリットから最も離れた空間に開口していることを特徴とする請求項２または３に記載のラックバーの焼入装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車のステアリング装置などに使用されるラックバーの焼入方法およびこの方法に使用する焼入装置に関し、焼入歪による歯のピッチのばらつきが極めて少ないことを特徴とするものである。またあわせて焼入歪によるラックバーの曲がりの発生を防止できる焼入装置も提供する。
【０００２】
【従来の技術】
図３に示すようにラックバー１は棒材の長さの一部にラック部２を有するものであり、最近はこの図に示すように軽量化のため中空にしたものも製造されている。このように中空なものは棒材にラック部を切削加工した後に穴をあけたり、素材にパイプを使用して特殊な塑性加工によりラック部を形成することにより製造される。本発明が対象とするラックバーは中実のもの中空のものいずれも含むものである。ラックバーは加工後に焼入されるのが普通であるが、断面形状が非対称のため焼入によって曲がりが生じやすく、殊に中空なものはその傾向が著しい。したがって焼入は拘束状態で行なうことが多く、一般的に加熱後プレスで加圧拘束した状態で冷却液中に入れるプレスクエンチが行なわれる。
【０００３】
また高周波加熱を行なった後の焼入の場合、冷却液を噴射する方法も行なわれている。これは水などの冷却液を導入するジャケットを被焼入材に対向して設け、このジャケットに設けられた複数の小穴から被焼入材に向けて冷却液を噴射するものである。このような焼入方法を前記のようなプレスによる拘束と併用する場合、たとえば特開平７−２１６４５６号公報にあるような装置が使用される。
【０００４】
図８はこのような冷却液を噴射しつつ行なうラックバーの従来の拘束焼入装置の例を示すラックバーの長さ方向に直角な断面図である。図中３は紙面に垂直に並んだラックの歯の１つを示している。この装置は上型４１と下型４２とを有し図示しない油圧プレスなどの加圧装置に取り付けられている。金型の内側は通常ラックバーの形状にほぼ一致した先端位置を持つ凸部４３を有する。またこれら凸部の間には凹部４４を有し、ここに冷却液噴出口４５が配置されている。凸部は通常図８の紙面と垂直方向に断続的に配置されているから、隣接する凹部は連通しており、噴射された冷却液は隣接する凹部を経由して金型の外部に排出される。図中４６は冷却液供給室であって前記ジャケットの機能を有し、図示しない配管に接続されている。なお上記凸部４４はラック部に当たる部分に関しては紙面と垂直方向に連続していてもラックの歯の間から冷却液が排出でき、必ずしも断続的にしなくても良い。しかしいずれにしても冷却液は適宜配置された複数の小穴から噴射される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の図８に示したような装置によりラックバーを拘束焼入したとき、被焼入材の曲がりの歪については拘束力の調節などの手段により防止できたが、焼入によりラックの歯のピッチが不整になるという問題が生じた。すなわち焼入前には隣接する歯と歯の間隔はどの歯同士においても一定の誤差の範囲内であったのに、焼入を行なうとその間隔がばらつくようになるのである。このようなラックの歯の間隔のばらつきはピニオンとの円滑な噛み合いを妨げ、これを使用した機械装置の性能を低下させることになる。本発明は上記のような問題から、ラックの焼入において隣接する歯と歯の間隔が変化することがないものを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、少なくともラック部の全長を加熱し、冷却液を噴射して焼入を行なうラックバーの焼入において、ラック部に対する冷却液の噴射は少なくともラック部の長さを有する１以上のスリットよりカーテン状になされ、噴射液がラックのすべての歯と交差しつつラックの長さ方向全体に亘って当たることを特徴とするラックバーの焼入方法である。
【０００７】
また、加熱されたラックバーに冷却液を噴射して焼入を行なうラックバーの焼入装置において、１以上の冷却液導入口を有し少なくともラック部の長さを有するジャケットと、前記ジャケットに設けられ少なくともラック部の長さを有しラック部に対向して設けられた１以上の冷却液噴射スリットからなる、ラック部に対する冷却液の噴射装置を有することを特徴とするラックバーの焼入装置である。
【０００８】
また上記ラックバーの焼入装置において、前記冷却液噴射スリットの両側に、ラック部の長さを有し一定高さの２以上の凸部が平行してジャケットに設けられ、前記凸部がラック部に接触することにより、前記ラック部に対する冷却液の噴射装置は焼入によるラックバーの曲がりを防止する拘束治具の１つを構成することも特徴とする。
【０００９】
またさらに上記ラックバーの焼入装置において、前記冷却液噴射スリットに平行しかつこれの冷却液噴射方向と直角な１以上の整流板がジャケット内を仕切るように設けられ、前記整流板はその面積の一部を占める穴が長さ方向に均等に設けられており、かつ前記冷却液導入口は整流板で仕切られたジャケット内の複数の空間のうち冷却液噴射スリットから最も離れた空間に開口していることも特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは焼入によりラックの歯のピッチが不整になる原因について検討を行なった。その結果、焼入時の冷却速度が各歯の部分において不均一であることが原因であることが判明した。すなわち焼入の加熱温度から冷却していくと熱膨張の分の収縮が発生するが、早く冷却された箇所は他の箇所に先駆けて収縮する。一方、遅く冷却された部分は収縮しようとしても、先に冷却して強度が増した箇所による拘束が大きく、収縮が制限される。その結果、歯と歯の間のうち冷却が早かったものは大きな収縮を受けて歯のピッチが狭く、冷却が遅かったものは歯のピッチが広くなる。この他に焼入歪の発生にはマルテンサイト変態も影響しており、マルテンサイト変態による体積膨張は上記の熱歪を打ち消すように作用する。しかし通常は熱歪の作用の方が相対的に大きく、結局上記のような変形によりラックの歯の間隔の不整が生ずることになる。
【００１１】
従来のラックバーの焼入装置は先に述べたように小穴の冷却液噴出口が多数分布しているものが使用されている。これはこのようにすべき積極的な理由があるわけではないが、日常見かけるシャワーやじょうろのノズルがすべてそうなっているように製作が容易なためである。この場合それぞれの噴射口とラックの歯との相対位置はラックのピッチが比較的細かいこともあって一定にはなっていない。このため噴射された冷却液はいずれにしろすべての歯の部分を流れるはというものの、仔細に見るとそれぞれの歯における冷却液の当たり方は一定でない。すなわち噴射液が歯のいずれかの部分、たとえば山や谷の部分に直接当たることもあれば、ある歯においては噴射液が直接には当たらず他の歯に噴射されて回り込んで来た液によって冷却されることもある。このような冷却液のラックの歯への当たり方の不均一が焼入時の冷却の不均一を招き、歪を発生させて歯のピッチが不均一になるものと考えられる。
【００１２】
このような状況から本発明者らはラックの歯への冷却液の噴射を各歯に対して均一にする方法について検討を行なった。その結果、ラックの歯の部分に対する冷却液の噴射はラック部の長さを有するスリットによって行なえば、焼入によるラックの歯の間隔の不整は防止できることが判明した。このようなスリットからの冷却液の噴射は１枚のカーテン状になり、ラックのすべての歯と交差しつつラックの長さ方向全体に亘って当たることになる。このようにすることによりラックにおけるどの歯にも冷却液の噴射が直接当たることになり、どの歯においても同じ条件で冷却がなされることになる。
【００１３】
この場合スリットは歯の幅の中央部に対向して１つあれば、噴射された冷却液が歯の面に沿って両側に流れることにより充分に均等な冷却がなされる。したがって冷却液が噴射が歯の幅全体に対して直接当たることは必要でなく、通常の場合スリットが１つのラックに対して１つで充分である。しかしながら本発明においてスリットを２つ以上平行して設けることを妨げるものではない。またスリットの長さはラックの歯がある部分においては連続して１つになっている必要があるが、これより延長されてラックの歯が形成されていない両側の平面部分や、さらにはこれに連続する円筒部分にまであっても差し支えない。
【００１４】
上記のようなラックバーの焼入方法を実施するための装置としては、ラック部の冷却装置としてラック部の長さ以上の長さを有するジャケットを設け、これの側面に少なくともラック部の長さを有する１以上の冷却液噴射スリットを設ければよい。さらにジャケットには１以上の冷却液導入口を設ける。ジャケットは冷却液供給室であり、水などの冷却液を一時的に貯留ないしは流速を下げることによりスリットの各部における冷却液の圧力をできるだけ均一化する。そして焼入時にはこの装置の冷却液噴射スリットをラックバーのラック部に対向させて適当な距離、たとえば１０ｍｍ程度離して冷却液を噴射させればよい。なおラックバーの焼入は通常ラックの部分だけでなくこれが形成された個所の円周全体を加熱して行なわれる。この場合上記ジャケットにおいてラック部以外の円周部分と対向する部分の冷却機構については特に限定するものではなく、従来と同様の複数の小穴の冷却液噴射口を設けてもよい。またラック部の反対側の円周部分を冷却するものなどラック部の冷却に関与しないジャケットについては、従来と同様な複数の小穴の冷却液噴射口のもので良いことは当然である。
【００１５】
ところで先にも述べたようにラックバーは断面形状が非対称のため焼入によって曲がりが生じやすい。特にパイプ状の中空なラックバーは中実なものと違って曲げ力に対する材料内部からの拘束力が無いため曲がりの発生傾向が著しく、焼入に当たってはプレスで加圧拘束した状態で行なうのが一般的である。このようなことから本発明の装置においても冷却時にラックバーを拘束する機構もあわせて有することが好ましい。したがってこのような拘束手段を有する本発明のラックバーの焼入装置の例について、図にもとづいて以下に説明する。
【００１６】
図１は本発明の装置の例を示すラックバーの長さ方向に直角な断面図であり、図２はこれのラックバーの長さ方向に平行な断面図である。図１に示すようにこの装置においては４つの拘束治具１１、１２、１３、１４によって上下方向と水平方向とから加圧するようになっているが、本発明において幾つの拘束治具を使用するかは特に限定するものではない。しかし図８に示した上型４１、下型４２の２つの拘束治具による装置の場合、材料が型にはまり込んで取り出すのが困難になることがあるが、４つの拘束治具を使用したこの装置ではそのような問題がない。上下および左右の拘束治具はそれぞれ少なくとも一方は図示しない油圧シリンダなどの加圧装置により加圧するようになっている。すなわちたとえば下方の拘束治具１１は所定の位置に固定しておき、上方の拘束治具１２に油圧シリンダを連結すれば上下方向の加圧が行なえる。
【００１７】
図１に示された４つの拘束治具１１、１２、１３、１４はいずれも内部に冷却液供給室１５、１６、１７、１８を有し、冷却液をラックバー１に向けて噴射するようになっている。すなわちこの例における拘束治具はいずれも先に焼入装置の構成として述べたジャケットの機能も具備している。これら４つの拘束治具のうち特に特徴的なのはラック部に接触する下方の拘束治具１１である。これには図２のラックバーの長さ方向に平行な断面図にも示されているように、ラック部の長さを有し一定の高さの２つの凸部１９が平行して設けられている。この凸部はラックの歯の幅方向両側部に接触して焼入時に材料を拘束する。この２つの凸部１９間には冷却液噴射スリット２０が設けられており、凸部と同様にラック部の全長に亘っている。また凸部間の凹部には冷却液噴射スリット２０の冷却液噴出口２１が設けられており、図１に見るようにこれから凸部の高さ位置に至るまではテーパ状に広がった形状になっている。しかしこの部分の形状については噴射された冷却液の広がりを妨げない限り特に限定するものではなく、たとえば冷却液噴出口の周囲を平面に座繰りしてもよい。
【００１８】
一方、上記の下方の拘束治具１１以外の３つの拘束治具１２、１３、１４については、図２のラックバーの長さ方向に平行な断面図にも上方の拘束治具１２について示されているように、凸部２２は断続的になっており、これら凸部の間にある凹部２３に小穴の冷却液噴出口２４が設けられている。そしてこれら凸部が焼入時に接触してラックバーを拘束するが、断続的に配置されているので隣接する凹部２３は連通しており、噴射された冷却液は隣接する凹部を経由して拘束治具１２、１３、１４の外部に排出される。ただしこれらのラック部２に接触する以外の拘束治具１２、１３、１４については、本発明においてこのような形態に特に限定するものではない。なお図１にある４つの符号２５は冷却液噴射のためのジャケットであって複数の小穴が設けられている一般的な構造のものであり、前記の４つの拘束治具１１、１２、１３、１４の間の部分においてラックバー１に冷却液を噴射する。このように本発明においてラック部以外の冷却のために冷却液噴射装置を別途追加することは自由である。
【００１９】
また図１および図２の焼入装置において、それぞれの拘束治具１１、１２、１３、１４の冷却液供給室１５、１６、１７、１８には、図２に見られるように冷却液導入口２６が設けられて水などを導入するようになっている。この図においてはそれぞれの冷却液供給室に冷却液導入口２６が２箇所設けられているが、これはラックバー長さ方向に並んでいる冷却液噴射口２４の位置による流量の相違をなるべく少なくするためである。また特にラック部を冷却する下方の拘束治具１１においては冷却液噴射スリット２０からの冷却液の噴射量をスリットの長さ全体に亘って均一にすることが、冷却速度を均一にして歯のピッチの不整の発生を少なくするために必要である。これには上記のように２以上の冷却液導入口を設ける他に冷却液供給室の内容積をなるべく大きくして内部の流速を低下させ、圧力分布の均一化を図るといった対策が考えられるが、本発明はこのために特に有効な装置の構成も提供する。
【００２０】
すなわち冷却液の噴射量をスリット全長に亘って均一にする手段として、冷却液噴射スリットに平行しかつこれの冷却液噴射方向と直角な整流板をジャケット内を仕切るように設ける。図１および図２に示した本発明装置の例においては冷却液供給室１５が本発明の構成で言うところのジャケットの内側の部分に該当するから、図中の符号２７がこの整流板である。そして冷却液導入口２６は整流板で仕切られた冷却液供給室１５内の空間のうち、冷却液噴射スリット２０があるのと反対側の空間に開口している。この整流板２７はその面積の一部を占める穴が長さ方向に均等に設けられて流体抵抗となるものであり、このように配置することにより冷却液導入口２６から入った冷却液は整流板を通過するとき流体抵抗を受け、この作用で冷却液噴射スリット２０全長に亘って流速を均一にできる。
【００２１】
上記整流板に設ける穴の形態については、整流板の面積の一部を占める穴が長さ方向に均等に設けられておれば特に限定するものではない。図４は整流板の例を示す平面図であるが、これに示したように小穴２８が全面に分布したものでもよい。この例においては穴の直径は３ｍｍである。その他の形態として整流板の全長に亘って１つのスリットが形成されているものでもよい。また上記整流板は１枚だけでなく２枚以上を平行してジャケット内に設けてもよく、これにより冷却液噴射スリットの各部分における噴射量をさらに良好に均一化できる。この場合は冷却液導入口はジャケット内の整流板で仕切られた複数の空間のうち冷却液噴射スリットから最も離れた空間に開口しておれば、冷却液は冷却液噴射スリットに至るまでにすべての整流板を通過することになり、流れの均一化の効果を発揮できる。
【００２２】
本発明のラックバーの焼入装置は図１ないし図２に示した形態に限定されるものではない。たとえばこの例では冷却液噴射スリット２０がラック部の幅中央に１個だけの場合であるが、２個以上平行して設けてもよい。この場合には２個以上ある冷却液噴射スリットの両側に配置されるように、凸部１９も３個以上設ければよい。さらにこの凸部自体複数のものを間に冷却液噴射スリットを設けることなく、ただ密接して設けても差し支えないことは当然である。また上記のラック部に接触すべき凸部１９は図１および図２の例においてはラック部の全長に亘って切れ目のない連続したものとなっているが、途中で切れ目のある断続的なものでもよい。ただしラック部においては噴射された冷却液はラックの歯の間から排出されるので、円筒部分に接触する凸部２２と異なり特に断続的にすべき必要性はない。
【００２３】
【実施例】
本発明の方法を適用してラックバーの焼入を行なった。ラックバーは図３に示した形状の中空のもので、寸法はラック部が形成されて断面が欠円になった部分の管の外径が２３ｍｍ、内径が１９ｍｍであって、全長２７０ｍｍのうち長さ１８０ｍｍの部分にラックが形成されている。このラックが形成されている長さ部分の全周を高周波によって約９５０℃に加熱し、これを図１および図２に示す拘束焼入装置で焼入を行なった。冷却液は水であって４つの拘束治具１１、１２、１３、１４および４つのジャケット２５すべてから噴射を行なった。
【００２４】
ラックの歯のピッチの測定は図５に示すようにロッド（ピン）３１を歯と歯の間の溝にはめ込むように置き、ロッドの側面の高さ位置ｈを測定する、いわゆるオーバーピン測定により行なった。すなわち歯と歯の間隔が大きくなるとロッド３１は溝に深く食い込むことになるからロッドの側面の高さ位置ｈ、すなわちオーバーピン寸法は低くなる。上記の本発明の装置によって焼入したラックバーの各歯間隔ごとのオーバーピン寸法ｈの測定結果を図６のグラフに示す。同一試料の焼入前の測定結果も合わせて示すが、全体に寸法のばらつきが少なく、ラックの歯の間隔が均一になっていることがわかる。
【００２５】
一方、比較例として図１および図２に示した装置において下側の拘束治具１１を複数の小穴から冷却水を噴射する従来からのものに変え、その他は前記と同様な条件で焼入を行なった。図７はこの従来の装置で焼入を行なった比較例のオーバーピン寸法ｈの測定結果を示すグラフであって、かなり大きなばらつきがありラックの歯の間隔が不均一になっていることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のラックバーの焼入方法によれば、ラック部に対する冷却液の噴射を従来の小穴が分布したノズルによるものからラック部の全長に亘るスリット状のノズルによるものにしたので、それぞれの歯ごとの冷却速度の不同が少なくなった。これにより焼入後の歯のピッチのばらつきを小さくすることができる。また本発明の焼入装置においては拘束焼入のための拘束治具において、ラック部に接触する平行な凸部を設けてこの間に上記スリット状の冷却液噴射ノズルを設け、この拘束治具とラックバーの他の面に当てる拘束治具とを組み合わせて拘束焼入を行なうことができる。これによりあわせて焼入によるラックバーの曲がりを防止することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の例を示すラックバーの長さ方向に直角な断面図
【図２】図１の装置のラックバーの長さ方向に平行な断面図
【図３】中空なラックバーの例を示す図
【図４】整流板の例を示す平面図
【図５】ラックの歯のピッチの測定方法を説明する図
【図６】本発明の装置によって焼入したラックバーのピッチの測定結果を示すグラフ
【図７】従来の装置によって焼入したラックバーのピッチの測定結果を示すグラフ
【図８】ラックバーの従来の拘束焼入装置の例を示すラックバーの長さ方向に直角な断面図
【符号の説明】
１  ラックバー
２  ラック部
３  ラックの歯
１１、１２、１３、１４  拘束治具
１５、１６、１７、１８  冷却液供給室
１９  凸部
２０  冷却液噴射スリット
２１  冷却液噴出口
２２  凸部
２３  凹部
２４  冷却液噴出口
２５  ジャケット
２６  冷却液導入口
２７  整流板
２８  小穴
３１  ロッド
４１  上型
４２  下型
４３  凸部
４４  凹部
４５  冷却液噴出口
４６  冷却液供給室
【図１】
0004000234.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004000234.tif 000004
【図４】
0004000234.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004000234.tif 000008
【図８】
0004000234.tif 000009