JP2005052876A

JP2005052876A - 車両ホイールの製造方法

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Publication number: JP2005052876A
Application number: JP2003288003A
Authority: JP
Inventors: Daigo Sugiyama; 大吾杉山; Ikuo Akita; 育男秋田
Original assignee: Topy Industries Ltd
Current assignee: Topy Industries Ltd
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】薄肉軽量化を図ることができ、不良品の発生を抑えることができる車両ホイールの製造方法を提供する。
【解決手段】最初にディスク部５１とリム原形部５２を有する車両ホイールのプリフォーム５０を鋳造する。次に、高温に加熱して溶体化処理を行う。その後で溶体化処理されたプリフォーム５０のリム原形部５２に減肉を伴うスピニング加工を施すことにより、最終形状または最終形状に近いリム部５２’を得る。このスピニング加工は冷間でも行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両ホイールを鋳造により製造する方法に関する。

アルミ合金等の軽合金製の車両ホイールを鋳造により製造する方法は良く知られている。一般的な方法では、最終形状に近い車両ホイールを鋳造した後、溶体化，時効等の熱処理を施し、さらに切削加工して最終形状に仕上げた後、塗装を行う。

特開２０００−７９８０１号公報には、上記一般的方法より薄肉軽量化が可能な車両ホイールの製造方法が開示されている。この方法の鋳造工程では、最終形状の車両ホイールではなく、厚肉のリム原形部を有するプリフォームを鋳造する。このプリフォームを予熱した後、リム原形部に減肉を伴うスピニング加工（フローフォーミング加工，塑性変形を伴う加工）を施すことにより最終形状または最終形状に近いリム部を得る。このスピニング加工の後で、溶体化，時効等の熱処理を施し、さらに切削加工して最終形状に仕上げた後、塗装を行う。この方法では、スピニング加工を施すことによりリム部の強度を向上でき、リム部の薄肉軽量化を図ることができる。
特開２０００−７９８０１号公報

しかしながら、特開２０００−７９８０１号公報に開示された方法では、車両ホイールを所望寸法の最終形状にすることができずに不良品が多発していた。この方法では、スピニング加工、熱処理をこの順で実行しており、スピニング加工では材料の大きな流動（大きな塑性変形、強加工）を伴うので残留応力が生じ、その後の高温の熱処理で残留応力が開放されて予期し得ない変形が生じるためであると考えられる。
また、鋳物であるプリフォームをスピニング加工する際に、割れ等の欠陥を誘発しやすかった。これは、プリフォームの内部に非安定相（Ｓｉ，Ｍｇ等の中間相，不完全相）が残留しているためであると考えられる。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、（イ）車両ホイールのプリフォームを鋳造する鋳造工程と、（ロ）上記プリフォームを加熱して溶体化処理する溶体化工程と、（ハ）上記溶体化処理されたプリフォームに、塑性変形を伴う加工を施すことにより最終形状または最終形状に近い車両ホイールを得る加工工程と、を備えたことを特徴とする車両ホイールの製造方法。

上記方法によれば、塑性変形を伴う加工により、加工箇所の強度を高めることができ、車両ホイールの薄肉軽量化を図ることができる。また、上記公報とは異なり、高温の熱処理を伴う溶体化工程を先にし、塑性変形を伴う加工工程とを後にしたため、加工工程後の高温の熱処理を無くすことができ、残留応力の解放等による車両ホイールの変形を防止できる。その結果、不良品の発生を最小限に抑えることができる。また、溶体化処理により組織が安定しているため、加工工程での割れ等を防止することができる。

好ましくは、上記鋳造工程で得られるプリフォームが、最終形状または最終形状に近いディスク部と、最終形状のリム部より厚肉の環状厚肉部を含むリム原形部とを有し、上記加工工程では、上記プリフォームのリム原形部の環状厚肉部に減肉を伴うスピニング加工を施すことにより、最終形状または最終形状に近いリム部を得る。これによれば、鋳造の際に環状厚肉部に対応する鋳型のリム原形部成形用空間の断面積が広いので、凝固が始まっている部位への溶湯の補充を十分に行え、巣やヒケを確実に抑制できる。また、環状厚肉部に減肉（薄肉化）を伴うスピニング加工を施すことにより、材料の大きな流動がなされ、鋳造欠陥の圧着、組織の微細化，組織の異方性（圧延組織），加工硬化を最大限に実現でき、リム部の大幅な強度及び靭性の向上，薄肉軽量化を図ることができる。

好ましくは、上記加工工程を冷間加工で実行する。これにより予熱工程を省くことができるが、上記のように溶体化処理により組織が安定しているため、良好に加工を行うことができる。なお、冷間加工の場合には、冷間加工の後で時効処理を行うのが望ましい。時効処理すると材料が硬化するからである。この時効処理は、後述するように塗装工程で兼ねることもできる。

好ましくは、上記溶体化処理の後に上記プリフォームに時効処理を施し、この時効処理の直後に上記加工工程を実行し、この時効処理の際に付与される熱により、上記加工工程のための予熱を行う。これにより、予熱のみを行う工程を省くことができ、しかも加工工程をより一層安定して行うことができる。

好ましくは、上記加工工程の後に車両ホイールに塗装を施し、この塗装の際の熱のみによって車両ホイールの時効処理を行う。これにより、時効のみを行う工程を省くことができる。

以上説明したように本発明によれば、高温の熱処理を伴う溶体化工程を先にし、塑性変形を伴う加工工程とを後にしたため、加工工程の後に高温の熱処理を無くすことができ、残留応力の解放等による車両ホイールの変形を防止できる。その結果、不良品の発生を最小限に抑えることができる。また、溶体化処理により組織が安定しているため、加工工程での割れ等を防止することができる。

以下、本発明の第１実施形態をなす車両ホイールの製造方法について図面を参照しながら説明する。まず、鋳造工程で用いられる鋳型について説明する。図１に示すように、この鋳型１０は、ベース１１と、このベース１１上に固定された下型１２と、この下型１２に対して昇降する上型１３と、一対（複数）の半割りされた横型１４とを有している。一対の横型１４は、紙面と直交する方向に対峙し、同方向に移動して接合，離反するようになっている。

鋳型１０の型締め時には、一対の横型１４の互いの接合面が所定の荷重をもって当たり、上型１３が下降してこれら横型１４の上面に当たることにより、下型１２と上型１３とで一対の横型１４を所定の荷重をもって挟むようになっている。この型締め状態において、下型１２と上型１３と一対の横型１４により、プリフォーム成形用のキャビティ２０が形成される。

上記キャビティ２０は、下型１２と上型１３の対向面間に形成されたディスク部成形用空間２１と、下型１２と上型１３の外周面と一対の横型１４の内周面間に形成されたリム原形部成形用空間２２とを有している。このリム原形部成形用空間２２は、下側の第１部分２２ａと中間の第２部分２２ｂと上側の第３部分２２ｃとを有している。上記第１部分２２ａは、最終形状の車両用ホイールのリム部の対応箇所に近い形状をなしている。第２部分２２ｂは短い円筒形状をなし、第３部分２２ｃは先端に向かって広がる円錐状形状をなしている。これら第２部分２２ｂ，第３部分２２ｃは、最終形状の車両用ホイールのリム部の対応箇所と異なる形状をなしそれより厚くなっている。

さらに鋳型１０は型締め状態で一対（複数）の湯道２５を有している。これら湯道２５は１８０°対向しており、各湯道２５は、一対の横型１４の接合面に形成された溝を合わせることによりほぼＬ字形に形成されている。湯道２５の先端は上記キャビティ２０のリム原形部成形用空間２２の第２部分２２ｂに接続されている。

上記湯道２５の基端（下端）には、垂直をなしてベース１１を貫通する導管２６の上端部が接続されている。上記ベース１１の下方にはタンク（図示しない）が配置されている。このタンクはアルミ合金等の軽合金の溶湯を蓄えており、上記導管２６の下端部はこの溶湯に入り込んでいる。

上記鋳型１０を用いた車両ホイールのプリフォームの低圧鋳造工程について説明する。上記タンクの内部空間にガス圧を供給することにより、タンク内の溶湯面を押し下げる。これにより、タンク内の溶湯は、一対の導管２６を経、さらに一対の湯道２５を経て、そのゲート２５ｘが位置するリム原形部成形用空間２２の第２部分２２ｂに達し、ここからリム原形部成形用空間２２全体に充填されるとともに、ディスク部成形用空間２１に充填される。

上記溶湯の凝固は、湯道２５のゲート２５ｘから最も遠い部位、すなわちディスク部成形用空間２１のほぼ中央部で始まり、リム原形部成形用空間２２に進み、さらにゲート部２５ｘに向かって進み、ゲート２５ｘに達する。この凝固が湯道２５の中途部まで進んだ時点でタンクのガスを抜くと、湯道２５の中途部より下方の溶湯は湯道２５および導管２６を流れ落ちてタンク３０に戻る。

上記鋳造により、図２（Ａ）に示す車両ホイールのプリフォーム５０が得られる。このプリフォーム５０は、上記ディスク部成形用空間２１での溶湯の凝固により形成されたディスク部５１と、リム原形部成形用空間２２での溶湯の凝固により形成されたリム原形部５２とを有している。リム原形部５２は、リム原形部成形用空間２２の第１部分２２ａに対応したディスク部側フランジ５２ａ，ディスク部側ビードシート５２ｂを有している。これら部位は、車両ホイールの最終形状に近い形状を有している。さらにリム原形部５２は、リム原形部成形用空間２２の第２部分２２ｂ，第３部分２２ｃに対応した環状厚肉部５２ｘ，５２ｙを有している。

上記鋳造工程において、リム原形部成形用空間２２は、大きな流通断面積を有しているので凝固が生じた部位への溶湯の補充を良好に行うことができ、全体にヒケや巣の発生を抑制することができる。また、ディスク部５１を比較的薄肉にすることもできる。
上記鋳造工程の次に、前加工工程を実行する。この前加工工程で、バリ取りを行う。また、湯道２５のゲート２５ｘ近傍の溶湯凝固により形成された一対の突起を切断し除去し、ディスク部５１の中央にハブ穴５１ａを形成する。

次に、溶体化工程を実行する。すなわち、上記プリフォーム５０を例えば５３５°Ｃで６時間加熱してその組織を固溶体状態にし、この後急冷（水冷）して固溶体状態を常温までもち来たす。本実施形態では、鋳物であるプリフォーム５０の組織内に残留している非安定相（Ｓｉ，Ｍｇ等の中間相，不完全相）を解消し、アルミニウム中にＭｇ，Ｓｉ等の溶質をほぼ均一に分散させる。

次に、本加工工程（加工工程）を常温で実行する（冷間加工）。本加工工程では、スピニング加工（フローフォーミング加工，塑性変形を伴う加工）を行う。スピニング加工では図２（Ａ）に示すように、車両ホイールの最終形状に近い外周形状を有するマンドレル４１にプリフォーム５０を取り付け、このマンドレル４１を回転させ、ローラ４２をプリフォーム５０に押し付けながらマンドレル４１の周面形状に沿ってマンドレル４１の軸方向に移動させる。または、逆にローラ４２の軸方向の移動を固定して、マンドレル４１を軸方向に移動させることで加工する。

上記スピニング加工により、環状厚肉部５２ｘ，５２ｙがローラ４２によりしごかれながら減肉されるとともにマンドレル４１の周面形状に沿って幅方向に広がり、図２（Ｂ）に示すように最終形状に近いリム部５２’を有する車両ホイール５０’が得られる。このリム部５２’において、ディスク部５１側のフランジ５２ａとビードシート５２ｂは、上述した鋳造により既に最終形状に近い形状となっている。環状厚肉部５２ｘのスピニング加工により主にリム部５２’のリムドロップ５２ｃが形成され、環状厚肉部５２ｙのスピニング加工により主にディスク部５１の反対側のビードシート５２ｄおよびフランジ５２ｅが形成される。

上記スピニング加工は、リム原形部５２の環状厚肉部５２ｘ，５２ｙの材料の大きな流動（広義には材料の塑性変形）を伴い、巣の圧着，組織の微細化（動的再結晶），組織の異方性（圧延組織），加工硬化を実現できる。また、特に環状厚肉部５２ｘにおいて、上記鋳造時の湯道２５のゲート２５ｘに対応する箇所およびその近傍では凝固速度が遅いため材質の劣化が生じているが、この箇所を含む環状領域すなわち環状厚肉部５２ｘをスピニング加工することにより、材質の劣化を解消できる。

本実施形態では、上記スピニング加工に先だって溶体化処理をして材質を安定化させるため、スピニング加工による割れ等の成形欠陥が発生しにくい。そのため、冷間加工も可能となるのである。また、スピニング加工後は、溶体化処理時のような高温加熱工程が無くなるので、スピニング加工による残留応力が解放されて予期しない変形を生じさせるような不都合を回避できる。

次に時効工程を実行する。すなわち上記プリフォーム５０を例えば１４０°Ｃで４時間加熱することにより、組織を安定化させる。本実施形態では、アルミニウム中にＭｇ_２Ｓｉを析出させる。

上記時効処理の後に、切削加工を行い、さらに塗装を施すことにより、車両ホイールが完成する。切削加工により、ディスク部５１およびリム部５２’は若干減肉されて最終形状となる。なお、切削加工を行わない場合にはスピニング加工後の形状が車両ホイールの最終形状となる。上述したように予期しない変形を回避できるので、不良品の発生を最小限に抑えることができる。

上記塗装の工程では、車両ホイールに塗料を焼き付けるため、車両ホイールの温度が百数十℃となりこの温度が２〜３時間維持されるが、この塗装工程での加熱温度は比較的低いので、スピニング加工の残留応力を開放して大きな変形をもたらすことはない。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態の全ての工程を実行するが、それに加えてスピニング加工の直前に例えば４００°Ｃで３０分間程度の予熱を行なう。この予熱工程によりスピニング加工の加工性はさらに高まる。

第３実施形態では、上記第１、第２実施形態における時効処理を、溶体化処理の後、スピニング加工の前に行う。他はこれら実施形態と同様である。

第４実施形態では、鋳造工程，溶体化工程，時効工程，加工工程，切削工程，塗装工程を順に実行する。ただし、この時効工程の直後に上記加工工程（スピニング加工）を実行する。これにより、時効処理がスピニング加工のための予熱を兼ねることになり、予熱のみを行う工程を省くことができる。予熱温度は第２実施形態より低くなる。

第５実施形態では、第１実施形態と同様に鋳造，溶体化処理を実行した後、加工工程（スピニング加工）を冷間で行い、この後第１実施形態と同様に切削加工，塗装を実行する。この実施形態では、塗装工程の際の車両ホイールの加熱により、時効を行うので、時効のみを行う工程を省くことができる。

第６実施形態では、上記第５実施形態の全ての工程を実行するが、それに加えて加工工程（スピニング加工）の直前に例えば４００°Ｃで３０分間程度の予熱を行なう。この予熱によりスピニング加工の加工性はさらに高まる。

上記全ての実施形態の鋳造工程で共通するのは、スピニング加工の前に溶体化処理を行い、スピニング加工の後には溶体化処理のような高温の熱処理を行わないことである。

本発明は、さらに他の形態を採用可能であり、鋳造の仕方に特に限定はない。例えば、溶湯をリム原形部成形用空間２２においてディスク部成形用空間２１の反対側の縁部から注入してもよい。また、ディスク部成形用空間２１の中央から溶湯を注入してもよい。横型を四分割し、それぞれの接合面に湯道２５を設置してもよい。プリフォームを低圧鋳造により得たが、重力鋳造や傾斜鋳造、高圧鋳造で得てもよい。
塑性変形を伴う加工は、スピニング加工に限定されない。

本発明方法の第１実施形態において車両ホイールのプリフォームを鋳造するための鋳型を示す縦断面図である。上記鋳型で鋳造されたプリフォームをスピニング加工する工程を示す縦断面図であり、（Ａ）は加工前のプリフォームとスピニング加工装置を示し、（Ｂ）は加工後の最終形状に近い車両ホイールを示す。

符号の説明

１０鋳型
４０スピニング加工装置のマンドレル
４１スピニング加工装置のローラ
５０プリフォーム
５０’ 車両ホイール
５１ディスク部
５２リム原形部
５２’ リム部
５２ｘ環状厚肉部

Claims

（イ）車両ホイールのプリフォームを鋳造する鋳造工程と、
（ロ）上記プリフォームを加熱して溶体化処理する溶体化工程と、
（ハ）上記溶体化処理されたプリフォームに、塑性変形を伴う加工を施すことにより最終形状または最終形状に近い車両ホイールを得る加工工程と、
を備えたことを特徴とする車両ホイールの製造方法。
上記鋳造工程で得られるプリフォームが、最終形状または最終形状に近いディスク部と、最終形状のリム部より厚肉の環状厚肉部を含むリム原形部とを有し、上記加工工程では、上記プリフォームのリム原形部の環状厚肉部に減肉を伴うスピニング加工を施すことにより、最終形状または最終形状に近いリム部を得ることを特徴とする請求項１に記載の車両ホイールの製造方法。
上記加工工程を冷間加工で実行することを特徴とする請求項１または２に記載の車両ホイールの製造方法。
上記溶体化処理の後に上記プリフォームに時効処理を施し、この時効処理の直後に上記加工工程を実行し、この時効処理の際に付与される熱により、上記加工工程のための予熱を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の車両ホイールの製造方法。
上記加工工程の後に車両ホイールに塗装を施し、この塗装の際の熱のみによって車両ホイールの時効処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の車両ホイールの製造方法。