JP3648980B2 - トルクセンサ用シャフトの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、トルクセンサに用いられる特定形状のシャフトを製造するための方法及びその方法の実施に好適な装置に関し、特に、そのような特定形状のシャフトを低コストで高精度に製造できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトルクセンサとして、本出願人が先に提案した特開平８−２０７７９８号公報に開示されたものがある。かかる従来のトルクセンサは、入力軸と出力軸とをトーションバーを介して連結するとともに、入力軸及び出力軸の一方の先端部には十字形状の突起（十字突起）が形成されるとともに、その十字突起に続いた軸部分の所定長さ範囲に、複数の螺旋溝が形成され、その複数の螺旋溝が形成された部分を包囲するように、センサリングが配設されている。そして、センサリングの内周面には、円周方向に連続した２列の円周溝が形成されていて、その円周溝と螺旋溝とで形成される隙間に、複数のボールが転動可能に収容されている。また、入力軸及び出力軸の他方の端部が、その一方とセンサリングとの間に差し込まれるとともに、その入力軸及び出力軸の他方の端部に形成された軸方向に延びるスリット内に、一部のボールが収容されるようになっている。従って、入力軸及び出力軸間にトルクに応じてトーションバーの捩れを伴った相対回転が生じると、センサリングが、ボール及び螺旋溝に案内されて軸方向に変位するから、そのセンサリングの変位の方向及び大きさを検出することにより、入力軸及び出力軸に発生しているトルクを検出できる、というものであった。なお、入力軸及び出力軸の一方の端部に形成された十字突起は、その他方に形成された十字溝に回転方向に所定の隙間が形成されるように挿入されていて、これにより、入力軸及び主力軸間の相対回転を所定角度範囲内に規制するようにしている。
【０００３】
そして、このような形式のトルクセンサにあっては、高い検出精度を得るためには、十字突起及び螺旋溝が形成される回転軸の加工精度が重要であり、従来、そのような回転軸は、一般的には削り加工により製造されていた。
【０００４】
具体的には、円柱形状の丸棒を所定の長さに切断してなる素材の端部に、フライス加工等により十字突起を形成し、その十字突起を基準に、螺旋溝をボールエンドミルを用いたフライス加工等により加工する。その後、硬度が必要な部位については熱処理を行う。
【０００５】
しかしながら、上記のような削り加工による製造では、加工時間が非常に長くかかり、加工機械にマシニングセンタ等の高価な機械を使用しなければならず、切削工具の寿命も短いため、加工コストが嵩むという問題点がある。
【０００６】
一方、このような削り加工の問題点に対処するために、最近では、上記のような特定形状のシャフトを、塑性加工により製造することも考え始められている。例えば、シャフト端部の十字突起部は押し出し鍛造により、シャフト軸部の螺旋溝は転造加工により製造することが考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、シャフト端部の十字突起は、押し出し鍛造により形成でき、それ自体には特に問題はない。これに対し、螺旋溝の転造加工は、その螺旋溝の形状に合った突起を外周に有する円筒形状の工具を、両側からシャフトに押し当ててそのシャフトの表面に螺旋溝となる凹みを形成することで行うことになるが、かかる加工方法では、シャフトの両側に押し付けられた工具上の突起の位相を正確に合わせることが難しく、このため螺旋溝を精度良く形成することが困難である。その傾向は、螺旋溝の捩れ角が大きくなるに従って顕著になる。また、この加工方法の場合、螺旋溝を形成するための工具と、シャフトの螺旋溝が形成されない軸部との干渉を避けるために、シャフトの軸部の螺旋溝形成部とそうでない部分との境目に、予め環状の逃げ溝を形成することが必要であり、この環状の逃げ溝を形成した分、シャフトの強度が低下してしまうという不具合もある。しかも、この加工方法の場合、先端に形成した十字突起と、転造により形成する螺旋溝との位相関係を厳密に整合させることは、技術的に極めて困難である。
【０００８】
かかる問題点は、螺旋溝の転造を先に行い、その後に十字突起を押し出し鍛造により形成する場合でも解決できない。即ち、十字突起を押し出し鍛造で形成する場合には、素材が半径方向に変形し得るほどの荷重を与えなければならないため、その荷重によって螺旋溝の形状が崩れてしまうからである。
【０００９】
さらに、押し出し鍛造によって、十字突起と螺旋溝とを一度に形成することも考えられる。かかる製造方法であれば、十字突起加工用のダイスと、螺旋溝加工用のダイスとの位相を確実に設定すれば、十字突起と螺旋溝との位相関係を厳密に整合させることは可能であるが、この加工方法では、軸方向に延びる突起からなる十字突起が最後に形成されることになるため、先端の十字突起と、螺旋溝の開始位置との間に捩れが発生し、その付近の形状が崩れてしまう。また、この加工方法では、形成後にダイスから素材を取り出す際、先端の十字突起部がその十字突起部形成用ダイスから離脱するまでは素材全体が回転できないから、螺旋溝形成部分がその螺旋溝形成用ダイスからスムーズに離脱できず、従って、成形品の取り出しが極めて困難である。
【００１０】
本発明は、このような従来の技術における種々の未解決の課題に着目してなされたものであって、トルクセンサに用いられる特定形状のシャフトを、低コストで高精度に製造できる方法及びその方法の実施に好適な装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、先端部の外周面に軸方向に延びる軸方向突起を有するとともに、その先端部に続く軸部分の所定長さ範囲の外周面に螺旋溝を有するトルクセンサ用シャフトの製造方法であって、丸棒状の素材の先端部の外周面に前記軸方向突起を形成するとともにその素材の先端部に続く軸部分の所定長さ範囲を縮径させるための押し出し鍛造を行う第１鍛造工程と、前記素材の前記縮径させられた前記軸部分に前記螺旋溝を形成するための押し出し鍛造を行う第２鍛造工程と、を備え、前記第２鍛造工程では、前記第１鍛造工程で形成された前記軸方向突起を利用して前記素材の位置を仮固定し、その仮固定の状態で前記素材の前記縮径させられた前記軸部分よりも他端側の部分を把持してその素材を固定し、その固定を維持したまま、前記仮固定を行う装置と所定の位置関係にあるダイスを利用して前記螺旋溝を形成するための押し出し鍛造を行うようにした。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１記載のトルクセンサ用シャフトの製造方法における前記第２鍛造工程を実施するための装置であって、前記ダイスが回転自在に固定される回転台座と、前記仮固定を行う仮固定装置と、を備え、前記回転台座による前記ダイスの回転位置は、前記螺旋溝を形成する前に所定の回転方向位置に戻るようにした。
【００１３】
ここで、請求項１に係る発明にあっては、シャフトの先端部の外周面に形成される軸方向突起と、シャフトの先端部に続く軸部分の所定長さ範囲に形成される螺旋溝とを、同時に形成するのではなく、先ず、第１鍛造工程において、軸方向突起を形成する。但し、その軸方向突起を形成する際に、螺旋溝が形成される領域に予備的な鍛造を行って、その領域を縮径しておく。予備的鍛造を行うのは、主とて、第２鍛造工程を行う際に、低荷重で高精度に螺旋溝を形成するためである。
【００１４】
そして、第２鍛造工程において、素材の上記予備的鍛造が行われた軸部分に螺旋溝を形成するのであるが、最初に、既に形成されている軸方向突起を利用して素材を仮固定する。このとき、かかる仮固定を行う装置は、後に螺旋溝を形成するためのダイスと所定の位置関係にあるため、仮固定によって、素材とダイスとの位置関係が決まる。仮固定は、素材先端部に形成されている軸方向突起を利用したものであるため、このままでは、素材の先端部からダイスに挿入することはできないが、本発明では、仮固定の状態で、素材の軸部分のうち、螺旋溝が形成される部分よりも他端部（軸方向突起が形成させる先端とは逆側の端部）側を把持して素材を固定するから、素材とダイスとの位置関係を保持したまま、素材をダイスに挿入することが可能になる。そして、この状態でダイスを利用して押し出し鍛造を行うと、軸方向突起と所定の位相関係にある螺旋溝が、高精度に形成される。
【００１５】
さらに、請求項２に係る発明にあっては、螺旋溝を形成する前には、ダイスの回転位置が所定の回転方向位置に戻るようになっているから、軸方向突起と螺旋溝との位相関係を確実に所定の位相関係にすることができる。よって、上記請求項１に係る発明の第２鍛造工程が、好適に実施される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１乃至図７は、本発明の一実施の形態を示す図であって、図１はトルクセンサ用のシャフト１の完成状態での斜視図、図２はシャフト１の完成直前状態での側面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
【００１７】
即ち、シャフト１は、上記公開公報に開示されるようなトルクセンサに用いられる部材であって、操舵系のステアリングホイールに結合される図示しない入力軸と、図示しないトーションバーを介して同軸に連結される出力軸を構成するシャフトである。
【００１８】
そして、シャフト１の先端部には、軸方向に延びる四本の軸方向突起１ａからなる十字突起１Ａが形成され、その十字突起１Ａに続く軸部分の所定長さ範囲には、所定の捩れ角を有する複数（この例では八本）の螺旋溝１Ｂが形成されている。なお、シャフト１の軸部分の螺旋溝１Ｂが形成された部分以外は円柱部１Ｃとなっており、その円柱部１Ｃの螺旋溝１Ｂ形成側とは逆側の端部には、このシャフト１を他の部材（例えば、ラックアンドピニオン式ステアリング装置のピニオン軸）に連結するための結合部１Ｄが形成されている。また、シャフト１の十字突起１Ａ側の端面には、トーションバーの一端部をスプライン結合するための開口部１Ｅが形成されていて、トーションバーの他端部は、入力軸にスプライン結合されるようになっている。十字突起１Ａは、入力軸の端部に形成された十字形の溝に回転方向に隙間が形成されるように挿入され、これにより、入力軸とシャフト１との間の相対回転を所定角度範囲（例えば、±５°程度）内に規制するようになっている。
【００１９】
図４は、シャフト１の製造工程を示す斜視図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）という順序が加工の進行過程を表している。即ち、先ずは所定長さの丸棒状の素材２を切り出し（図４（ａ））、次いで、その先端に十字突起１Ａを形成するとともに、十字突起１Ａの形成と同時に後に螺旋溝１Ｂが形成される軸部分に対して絞り成形（予備成形）を行って、その軸部分を縮径して、縮径部３を形成する（図４（ｂ））。
【００２０】
そして、十字突起１Ａ及び縮径部３は、十字突起形成用のダイスと絞り成形用のダイスとを、十字突起形成用のダイスが下側となるように中心を一致させて結合したものを使用することにより、一回の押し出し鍛造によって同時に形成する（第１鍛造工程）。このとき、両ダイスの中心を一致させることにより、十字突起１Ａと縮径部３との中心同士を確実に一致させることができる。また、この時点では縮径部３に螺旋溝１Ｂを形成する訳ではないから、十字突起１Ａの加工時に螺旋溝１Ｂの形状が崩れるようなことはあり得ないし、十字突起１Ａの加工後にシャフト１をダイスから引き抜くことも極めて容易である。
【００２１】
さらに、この第１鍛造工程において形成される縮径部３の直径は、螺旋溝１Ｂ形成後の断面積（図３参照）と面積の等しい円の直径よりも、３．０〜３．５％増しに設定する。縮径部３の直径をこれより大きくすると、後に螺旋溝１Ｂを加工する際の成形荷重が大きくなり過ぎてシャフト１が座屈したり、余分な材料によってバリが発生したりするため、良好な成形が困難になる。逆に、縮径部３の直径をそれより小さくすると、螺旋溝１Ｂやその間の部分の成形が不完全になる可能性が大きくなる。
【００２２】
第１鍛造工程が完了したら、図５に示す鍛造装置１０を利用して、螺旋溝１Ｂの成形を行う（第２鍛造工程）。
即ち、鍛造装置１０は、鉛直方向を向く中心軸Ｃ回りに回転自在の回転台座１１と、この台座１１上に軸心を合わせて固定されるダイス１２と、ダイス１２上にダイス１２の開口部分を塞がないように設置されたベースプレート１３と、このベースプレート１３に支持された仮固定装置１４と、鉛直方向に延びる二本のガイドポスト１５と、両端部がそれらガイドポスト１５に支持されて水平に上下動可能なベースプレート１６と、ベースプレート１６の下面側に支持された固定装置１７と、を備えている。
【００２３】
ダイス１２は、半分切り取った状態での斜視図である図６に示すように、略円柱形状の部材であって、その上面及び下面間を中心軸と同軸に貫通孔１２Ａが貫通し、貫通孔１２Ａ内に、シャフト１の縮径部３に食い込めるように上端側が鋭角になっている螺旋溝１Ｂ形成用の複数（この例では、八本）の螺旋状突起１２Ｂが形成されている。そして、下面側の大径部１２Ｃが回転台座１１に固定されることにより、貫通孔１２Ａの中心軸と、回転台座１１の中心軸Ｃとが一致するようになっている。なお、回転台座１１には、ダイス１２を固定したときに貫通孔１２Ａと連通する鉛直方向に延びる孔が形成されていて、これにより、螺旋溝１Ｂを加工する際に十字突起１Ａが回転台座１１側に逃げられるようになっている。
【００２４】
一方、仮固定装置１４は、中心軸Ｃを中心とした対象位置に配設され互いに同期して駆動するようになっている一対のシリンダ１４Ａと、各シリンダ１４Ａによって中心軸Ｃに近づく方向及び中心軸Ｃから離れる方向に進退可能な一対の固定用爪１４Ｂと、シャフト１の倒れを防止する倒れ防止ガイド１４Ｃと、を備えていて、これから螺旋溝１Ｂの成形が行われるシャフト１を、中心軸Ｃと同軸に仮固定するための装置である。
【００２５】
具体的には、仮固定装置１４は、固定用爪１４Ｂを後退させた状態で、シャフト１の十字突起１Ａの部分を上方から固定用爪１４Ｂの間に手作業で挿入し、そして、シリンダ１４Ａを駆動させて固定用爪１４Ｂを中心軸Ｃ側に移動させ、図７に示すように、固定用爪１４Ｂの幅が窄まっている先端部を十字突起１Ａの突起１ａ間に両側から嵌め合わせてシャフト１の位置を仮固定する、という具合に使用される。
【００２６】
このとき、シャフト１の十字突起１Ａの回転方向位置が、固定用爪１４Ｂによって所定の回転方向位置に固定されるから、固定用爪１４Ｂとダイス１２との相対位置関係を固定しておけば、十字突起１Ａとダイス１２との位相関係は、所定の関係に固定されることになる。つまり、ダイス１２の回転方向位置は、結局は回転台座１１によって決まるから、回転台座１１とダイス１２との位相関係を所定の関係に決めておき、螺旋溝１Ｂの加工を行う前には回転台座１１の回転方向位置が常に所定の初期位置に戻るようにしておけば、螺旋溝１Ｂの加工を行う前の十字突起１Ａとダイス１２との位相関係を、所定の関係に固定することができる。
【００２７】
なお、固定用爪１４Ｂは、シリンダ１４Ａによって、シャフト１全体がその間を通過できる位置にまで後退できるようになっている。
そして、固定装置１７は、中心軸Ｃを中心に対象位置となるように、ベースプレート１６の下面側に固定された片側二つずつ計四つのリニアガイド装置のベアリング１７Ａと、これらベアリング１７Ａに案内されて中心軸Ｃに近づく方向及び中心軸Ｃから離れる方向に進退可能なリニアガイド装置のレール１７Ｂと、レール１７Ｂの先端部にそれぞれ固定されてシャフト１の円柱部１Ｃの上端部分を両側から把持可能な一対の把持用爪１７Ｃと、ベースプレート１６に固定され互いに同期して駆動して把持用爪１７Ｃを進退させる一対のシリンダ１７Ｄと、を備えて構成される。
【００２８】
固定装置１７は、仮固定装置１４によって上記のように仮固定されたシャフト１の上端部を、仮固定された位置を保持したまま把持して固定し、その固定完了後に仮固定装置１４の固定用爪１４Ｂを後退させてシャフト１が通過できる空間を形成し、そして、ベースプレート１６全体をガイドポスト１５に沿って且つ上方から荷重を与えつつ下降させることにより、シャフト１をダイス１２の貫通孔１２Ａに挿入させる、という具合に使用される。
【００２９】
つまり、固定装置１７がシャフト１の上端部を把持した際には、仮固定装置１４によって十字突起１Ａとダイス１２との位相関係が所定の関係に固定されているから、固定装置１７によってシャフト１の上端部を把持したまま、そのシャフト１をダイス１２の貫通孔１２Ａに荷重を加えつつ挿入して押し出し鍛造を行えば、縮径部３には、十字突起１Ａの各軸方向突起１ａと所定の位相関係にある螺旋溝１Ｂが高精度に成形されるのである。
【００３０】
より具体的には、シャフト１がダイス１２の貫通孔１２Ａに荷重を加えつつ挿入されると、縮径部３の外周面にダイス１２内の螺旋状突起１２Ｂの先端が接するまでは、ダイス１２には外力は加わらないから、その回転方向位置は初期位置のままであるが、縮径部３の外周面に螺旋状突起１２Ｂの先端が接し、シャフト１に加わる荷重によってその螺旋状突起１２Ｂの先端が縮径部３に食い込み始めると、シャフト１の回転は固定装置１７によって不可能になっているから、螺旋状突起１２Ｂに案内されてダイス１２自身が回転台座１１とともに回転するようになる。そして、縮径部３の上端部がダイス１２内の螺旋状突起１２Ｂの先端部近傍に到るまでシャフト１を下降させれば、縮径部３の外周面の材料が、その縮径部３の外周面に食い込んだ螺旋状突起１２に対して直交する方向に次々と移動する結果、形成される螺旋溝１Ｂに崩れが生じることなく、高精度に螺旋溝１Ｂが成形されるのである。
【００３１】
シャフト１を所定位置まで下降させたら、ベースプレート１６をガイドシャフト１５に沿って上昇させる。すると、十字突起１Ａは他の部材には接触していないから、ダイス１２が回転台座１１とともに成形時とは逆方向に自由に回転することができるので、螺旋溝１Ｂが成形されたシャフト１は、ダイス１２から容易に離脱させることができ、その離脱の際に螺旋溝１Ｂの形状が崩れるようなこともない。
【００３２】
シャフト１をダイス１２から完全に離脱させると、回転台座１１の回転方向位置は初期位置に復帰するから、次のシャフト１に対して螺旋溝１Ｂを成形する際にも、そのシャフト１の十字突起１Ａとダイス１２の螺旋状突起１２Ｂとの位相関係は所定の位相関係となる。よって、複数のシャフト１に対して繰り返し螺旋溝１Ｂを形成するための上記第２鍛造工程を行っても、高精度に螺旋溝１Ｂを形成することができるのである。
【００３３】
螺旋溝１Ｂが形成されたら、結合部１Ｄ及び開口部１Ｅを適宜形成して、トルクセンサ用のシャフト１が完成する。
このように、本実施の形態にあっては、第１鍛造工程において、十字突起１Ａと縮径部３とを同時に形成し、第２鍛造工程において、その十字突起１Ａを利用してダイス１２との位置決めを行ってから縮径部３に螺旋溝１Ｂを成形するようにしているから、十字突起１Ａと螺旋溝１Ｂとの位相関係を、極めて高精度にできるのである。その結果、かかるシャフト１を利用したトルクセンサであれば、十字突起１Ａや螺旋溝１Ｂの加工精度に起因してトルクの検出精度が悪化する可能性が極めて低くなるのである。
【００３４】
しかも、第１鍛造工程において予備的鍛造を行って所定の直径の縮径部３を形成するようにしているから、第２鍛造工程において螺旋溝１Ｂを形成する際に、より確実に低荷重で高精度に螺旋溝１Ｂを形成することができるのである。
【００３５】
そして、上記のような製造工程によりシャフト１を量産することにより、これを切削加工により形成するのに比べて、製造コストを格段に抑えることができるのである。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、特定形状のトルクセンサ用のシャフトを、丸棒状の素材の先端部の外周面に軸方向突起を形成するとともにその素材の先端部に続く軸部分の所定長さ範囲を縮径させるための押し出し鍛造を行う第１鍛造工程と、素材の縮径させられた軸部分に螺旋溝を形成するための押し出し鍛造を行う第２鍛造工程と、を経て形成することとし、その第２鍛造工程では、第１鍛造工程で形成された軸方向突起を利用して素材の位置を仮固定し、その仮固定の状態で素材の縮径させられた軸部分よりも他端側の部分を把持してその素材を固定し、その固定を維持したまま、仮固定を行う装置と所定の位置関係にあるダイスを利用して螺旋溝を形成するための押し出し鍛造を行うようにしたため、トルクセンサ用のシャフトを、低コストで高精度に製造できるという効果がある。
【００３７】
また、請求項２に係る発明であれば、請求項１に係る発明における第２鍛造工程を、より確実に実行することができるから、請求項１に係る発明と同様に、トルクセンサ用のシャフトを低コストで高精度に製造できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるシャフトの斜視図である。
【図２】完成直前のシャフトの側面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】シャフトの加工工程を示す斜視図である。
【図５】第２鍛造工程を実行する装置の概略構成を示す正面図である。
【図６】ダイスの半分切り取った状態での斜視図である。
【図７】シャフトの仮固定の状態を示す図である。
【符号の説明】
１ シャフト（トルクセンサ用シャフト）
１ａ 軸方向突起
１Ａ 十字突起
１Ｂ 螺旋溝
１Ｃ 円柱部
１Ｄ 結合部
１Ｅ 開口部
２ 素材
１０ 鍛造装置
１１ 回転台座
１２ ダイス
１３ ベースプレート
１４ 仮固定装置
１５ ガイドポスト
１６ ベースプレート
１７ 固定装置

Claims (2)

1. 先端部の外周面に軸方向に延びる軸方向突起を有するとともに、その先端部に続く軸部分の所定長さ範囲の外周面に螺旋溝を有するトルクセンサ用シャフトの製造方法であって、
   丸棒状の素材の先端部の外周面に前記軸方向突起を形成するとともにその素材の先端部に続く軸部分の所定長さ範囲を縮径させるための押し出し鍛造を行う第１鍛造工程と、
   前記素材の前記縮径させられた前記軸部分に前記螺旋溝を形成するための押し出し鍛造を行う第２鍛造工程と、を備え、
   前記第２鍛造工程では、前記第１鍛造工程で形成された前記軸方向突起を利用して前記素材の位置を仮固定し、その仮固定の状態で前記素材の前記縮径させられた前記軸部分よりも他端側の部分を把持してその素材を固定し、その固定を維持したまま、前記仮固定を行う装置と所定の位置関係にあるダイスを利用して前記螺旋溝を形成するための押し出し鍛造を行うことを特徴とするトルクセンサ用シャフトの製造方法。
2. 前記請求項１記載のトルクセンサ用シャフトの製造方法における前記第２鍛造工程を実施するための装置であって、
   前記ダイスが回転自在に固定される回転台座と、前記仮固定を行う仮固定装置と、を備え、前記回転台座による前記ダイスの回転位置は、前記螺旋溝を形成する前に所定の回転方向位置に戻るようになっていることを特徴とするトルクセンサ用シャフトの製造装置。

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