JP2003117625A - 車両用軽合金ホイールおよびその製造方法 - Google Patents

車両用軽合金ホイールおよびその製造方法

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JP2003117625A
JP2003117625A JP2001317891A JP2001317891A JP2003117625A JP 2003117625 A JP2003117625 A JP 2003117625A JP 2001317891 A JP2001317891 A JP 2001317891A JP 2001317891 A JP2001317891 A JP 2001317891A JP 2003117625 A JP2003117625 A JP 2003117625A
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Hajime Itou
Minoru Kanai
Shin Moriya
哉 伊藤
伸 森谷
稔 金井
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Hitachi Metals Ltd
日立金属株式会社
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 所定の手段を用いて従来にない高強度な車両
用軽合金ホイールを製造するとともに、安価で容易に製
造を行うものである。また、リム部キャビティに開口す
る湯口を使用する車両用軽合金ホイールの製造におい
て、周方向に強度ばらつきの無い高強度なホイールを製
造方法を提供するものである。 【解決手段】 ディスク部とリム部を有する一体鋳造に
より製造された車両用軽合金ホイールであって、前記リ
ム部のインナーフランジ側リム端の組織が他のリム部の
組織に比べて緻密化された塑性加工部を有することを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、安価でかつ容易に
高強度な車両用軽合金ホイールを得るための製造方法お
よび車両用軽合金ホイールであり、特に大口径の車両用
軽合金ホイールに関するものである。また、金型のリム
部キャビティに開口する湯口を設けた鋳造法案における
リムの周方向の強度バラツキを抑制し、適切な強度を得
るためのものである。
【0002】
【従来の技術】車両用ホイールの1つである自動車のロ
ードホイールには種々の材質、構造のものがあるが、自
動車の軽量化及び外観や意匠性の向上を目的として、鉄
製からアルミニウム合金、マグネシウム合金やチタン合
金などの軽合金製への変換が進んでおり、とくにアルミ
ニウム合金製のアルミホイールを装着する比率が増大し
ている。
【0003】図1に示すように一般に軽合金製ホイール
30は、ボルトとナットにより車軸に取付けられる厚肉
のハブ部31と厚肉部と薄肉部が混在するデザイン部3
2からなるディスク部35と、タイヤが取着される薄肉
のリム部33から構成されている。また、リム部33は
インナーフランジ部、アウターフランジ部、リム中央部
からなる。デザイン部32はスポーク部と意匠穴が設け
られている。ハブ部にはボルトで車体と固着するための
ボルト穴凹部34が設けられている。
【0004】車両用軽合金ホイールは車両の外観性を左
右するものとして、また重要保安部品として非常に厳し
い仕様が各メーカによって決められている。特に重要視
されるのは重要保安部品としての強度である。通常行な
われる強度試験方法としては、回転曲げ耐久試験、半径
方向不可耐久試験、衝撃試験などがある。これらは運輸
省技術基準(JWL、JWL−T)や国際規格(ISO
3006、ISO3894、ISO7141)などで定
められている。
【0005】しかし一方では車両用軽合金ホイールの利
点である軽量化の要求も高まっている。軽量化は燃費向
上の利点から自動車メーカ各社で軽量化プロジェクトが
進められ、このような状況の中ホイールメーカも解析技
術を用いて強度検討を行なっている。鋳造による薄肉化
の技術と強度の向上を同時に行なうために各社とも試行
錯誤を続けている。
【0006】強度を高める従来技術として、リム部にス
ピニング加工を施すことが行われている。特開平6−5
5235号公報には一体鋳造を施したホイール素材のリ
ム部中央付近にスピニング加工を施すことが開示されて
いる。この技術によりディスク部とリム部との結合部分
のシート部の余肉部がない軽量化を施したホイールがで
き、かつ鋳造欠陥の少ない高強度のホイールを提供でき
るとしている。また、特開平11−92849号公報に
は半凝固状態の原料を用い、金型に加圧充填し、凝固さ
せて得られたアルミニウムホイール素材のリム部にスピ
ニング加工を施すことが記載されている。
【0007】通常の一般車両では11インチ〜17イン
チ程度の径を持つ車両用軽合金ホイールが装着される。
しかしながら、大口径のものでは上記の製造方法を用い
ても強度が不足することがあり、またコストが大幅にあ
がるため安価なものを提供することができなかった。熱
処理条件によっても強度を向上させることは可能だが、
熱処理工程が長時間化になり、好ましくない。
【0008】また、軽量化の技術として、従来ではディ
スク部を形成するキャビティの中心部に湯口を設け、そ
こから溶湯をディスク部からリム部にかけて注湯する方
法(センターゲート法)が主に用いられていた。センタ
ーゲート法では、溶湯充填後の凝固形態として、湯口の
押し湯効果を十分に発揮させるために、リム部、デザイ
ン部、ハブ部の順に指向性凝固を行わせている。しかし
この鋳造方法では、デザイン部は厚肉部と薄肉部が混在
した複雑形状を有するので、リム部からディスク部に向
かう指向性凝固を達成することが困難であった。
【0009】そこで、センターゲートだけでなくリム部
にも複数(通常は2個)の湯口を設け、そこから各々溶
湯を注入する鋳造方法(マルチゲート法)やセンターゲ
ートを外してリム部にのみ湯口を設けた鋳造方法(サイ
ドゲート法)が採用されている。マルチゲート法として
例えば特開平5−269563号、同6−269923
号公報には前記したようにディスク中心部(ハブ部)と
リムの一端部にそれぞれ湯口を設け、これらの湯口から
金型内に注湯することが提案されている。この鋳造方法
によれば、デザイン部の厚さを薄くしてもリム部からデ
ィスク部に向かう指向性凝固を達成できるので、ホイー
ルの大幅な軽量化が可能となる。
【0010】上述したマルチゲート法やサイドゲート法
により、センターゲート法よりも軽量化したホイールは
得られるが、実用上からいくつかの問題点がある。すな
わちセンターゲート法においてはホイールの中心部から
注湯され、同心円上に略均一に溶湯が流れていたため、
各ホイールのインナーフランジ側リム端にもほぼ同時に
溶湯が充填され、また同様に凝固される。これによりリ
ムの周方向に渡って均一な組織ができあがり、強度のば
らつきの無いホイールの製造が容易であった。しかしな
がら、マルチゲート法やサイドゲート法の鋳造法案の特
徴として、金型構造上リム部のキャビティに開口する湯
口(サイドゲート)の位置はホイールのリム部の周方向
に点在する形状となる。このような金型構造だとサイド
ゲートから注湯された溶湯はリム周方向に見てサイドゲ
ートから最も離れたリム端部から凝固を始め、徐々にサ
イドゲートに近いリム端に向かって凝固が進行する。溶
湯の冷却速度がサイドゲートからの距離により変わる
為、組織の大きさが変化して周方向で強度のばらつきが
でるという問題があった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】よって本発明の目的は
所定の手段を用いて従来にない高強度な、特に必要とさ
れる耐力を向上した、車両用軽合金ホイールを製造する
とともに、安価で容易に製造を行うものである。また、
マルチゲート法やサイドゲート法においても周方向に強
度ばらつきの無い高強度なホイールの製造方法を提供す
るものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の車両用軽合金ホ
イールは、詳細な解析の結果、車両用軽合金ホイールの
割れ問題はリム部のインナーフランジ近傍の強度不足を
主要因とするものであることをつきとめ、この部分にの
み適切かつ容易な強度向上策を施したものである。リム
割れ対策のためにはリム全体を強化する必要はなく、リ
ム端(主にインナーフランジ部)のみ強化すれば十分な
効果が得られる。つまり、ディスク部とリム部を有する
車両用軽合金ホイールの製造方法であって、前記ディス
ク部およびリム部を金型により一体鋳造してホイール素
材とし、その後前記ホイール素材のリム部のインナーフ
ランジ側リム端にのみ塑性加工を施すことを特徴とす
る。これにより製造された車両用軽合金ホイールは、リ
ム部のインナーフランジ側リム端の組織が他の部分に比
べて緻密化されている塑性加工部を持つことが特徴であ
る。
【0013】塑性加工を施す部分における鋳造品肉厚に
対する塑性変形厚さ(以後圧下率とする)は1〜40%
ほどが好ましい。また、伸びの特性を考慮する場合は2
〜15%ほどが好ましい。
【0014】また、マルチゲート法やサイドゲート法に
おける周方向の強度のバラツキを抑制するために、スピ
ニング加工やショットピーニング加工等の塑性変形をリ
ム部の少なくとも一部で周方向に沿って行うことが非常
に好ましいことを知見した。つまり、ディスク部とリム
部を有する車両用軽合金ホイールの製造方法であって、
少なくともリム部キャビティに開口する湯口を設けた金
型により前記リム部およびディスク部を一体鋳造してホ
イール素材とし、前記ホイール素材の少なくとも一部で
リム部の周方向に塑性加工を施すことを特徴とする。こ
の場合、塑性加工を施す部分は前記したようにリム部の
ディスク部から遠い方のリム端で行えば他の部分を行う
ものに比べて容易に必要なホイール強度を得ることがで
きる。また、これにより製造された車両用軽合金ホイー
ルは、リム部の少なくとも一部で周方向に沿って組織が
均一に緻密化された塑性加工部を有し、かつ前記塑性加
工部以外のリム部では周方向に沿ってデンドライトアー
ムスペーシング値(DAS値)が異なっていることが特
徴である。通常サイドゲートはリム部の周方向に等間隔
に取りつけられるのでDAS値も同様に等間隔で大小が
繰り返される。
【0015】本発明は特にリム端部の強度が必要となる
16インチ以上の大口径ホイールに用いることが望まし
い。また、本発明はアルミニウム合金製ホイールに限ら
ずマグネシウム合金製ホイールなどにも適用可能であ
る。本発明においてDAS値とは組織の2次アームの所
定の間隔における大きさの平均値である。
【0016】
【発明の実施の形態】(実施例1)車両用軽合金ホイー
ル材のAC4CH材のテストピース(20×15×50
mm)を545℃×4h+焼き入れのT4処理後、10
0℃〜250℃で0〜52%の圧下率の塑性変形を与
え、その後145℃×2hのT5処理を行なった。図4
(a)に圧下率と耐力との関係を、(b)に圧下率と引
張り強さとの関係を示す。AC4CH材相当の原料では
40%を超える圧下率を与えても耐力の向上はあまり望
めない。加工のコストや時間を考慮して40%以下であ
ることが好ましい。また、1%以下では十分な耐力、引
張り強さが得られない。前記実施例における圧下率40
%の塑性変形を施したテストピースの組織観察写真を図
6に示す。また、圧下率0%の塑性変形を施さないもの
についても図7に示す。
【0017】(参考例)同材質、同形状のテストピース
に100℃〜250℃で0〜52%の圧下率で塑性変形
を与え、その後545℃×4h+145℃×2hのT6
処理を施した。図5(a)に圧下率と耐力との関係を、
(b)に圧下率と引張り強さとの関係を示す。このよう
に実施例1と同様な塑性変形を施してもその後に溶体化
処理を施すと耐力、引張り強さの向上がなくなることが
わかる。よってT4処理、塑性加工、T5処理のように
塑性加工後に溶体化処理を行なうことが好ましい。
【0018】次に実際の車両に装着を行なった条件でア
ルミホイールにかかる応力の解析を行なった。図2にそ
の解析に用いたホイールにかかる応力付加の条件を示
す。タイヤと地面の設置点の応力、および車体旋回時の
遠心力から受ける軸方向の応力を初期条件として設定し
た。本解析の方法として複合部品であるタイヤを線形な
要素でモデル化を行い、タイヤ部の空気圧、タイヤビー
ト部の圧接効果、ドラムとタイヤとの接触を介して入力
される付加荷重等を直接荷重として取り扱い、非線形解
析から線形解析へと解析モデルを簡略化させ、数値解析
に必要なメモリを減少させ、計算時間を短縮させて行な
った。通常の解析条件よりも遥かに高い応力付加を与
え、最も破壊されやすい部分の探索を行なっている。解
析の結果、最大主応力が最も高かったのはタイヤと地面
の設置点に最も近いインナーフランジ側リム端であり、
最大主応力値は−111.1MPaであった。また、次
に高いのはその90°方向のインナーフランジ側リム端
部であり、60.2MPaであった。これにより車両搭
載時の車両用軽合金ホイールにおける最も耐力・引張り
強さが求められる部位が特定された。
【0019】(実施例2)以下、本発明の製造を詳細に
図面をもって説明する。図3は本願発明の車両用軽合金
製ホイールの鋳造を行う1例で、アルミニウム合金製の
ホイールをサイドゲート法で行う場合の設備の概略を示
す図である。密閉容器1内に保持炉2があり、密閉容器
1の上に下型プラテン3が取り付けられ、密閉容器1を
密閉している。下型プラテン3には中央部にアルミニウ
ム合金の溶湯5を金型に補給するストーク4a,cが取
り付けてあり、ストーク4a,cの下端は保持炉2中の
溶湯5に浸漬されている。溶湯は下型8に嵌入された湯
口ブッシュ6を介し金型の湯口部7に連なっている。そ
して横型10に流れ込み、ホイールのリム部を成形する
キャビティに注湯される。また、リム部に形成されるサ
イドゲートはホイール軸に対して対象になる位置に設け
た。また、湯口の軸方向の幅はディスク部とリム部との
交差部より上部でインナーフランジ側端部の30mm下
部分までとした。
【0020】金型の下型8は下型プラテン3に取り付け
られている。下型8は固定型で、ホイールではデザイン
部を形成する面である。本実施例においてはスポーク部
の最小のテーパ部傾きを3.5°とし、スポーク部の裏
面の鋳抜き部を設けたものとした。両横は横可動型10
で、ホイールのリム部の外周面を形成する。金型の上型
12は、可動プラテン14に取り付けられている。上型
12は所謂可動型で、ホイールを車に取り付けるデザイ
ン部裏面及びリム部の内周面を形成する。可動プラテン
14はガイドポスト15に固着されており、ガイドポス
ト15は上型プラテン13に備えられたガイド16に沿
って上下に動くことが可能である。また、前記ガイドポ
スト15は上端を上板17に固定され、上型プラテンに
備えられた油圧シリンダー21がこの上板を動かし、そ
れに追従して可動プラテン14および上型12が上下し
て動く。図3中、上板17が最下端まで来た位置を破線
で示す。この最下端の位置は上型12が横型10および
下型8と型締めされた際の位置である。
【0021】鋳造作業は、以下の手順による。下型8、
上型12、横型10の金型を閉じた後、空気や不活性ガ
ス等の0.02〜0.05MPaの加圧気体を加圧気体
送入管18より密閉容器内1に送り込む。送り込まれた
加圧気体により、保持炉2内で約700℃に保持された
アルミの溶湯5がストーク4a、cを介して押し上げら
れ金型温度を350〜450℃に保持された金型内のキ
ャビテイに入る。金型のキャビテイ部は保温と離型を兼
ねた塗型でコーテイングが施してある。約2〜3分の
後、加圧を排気し、未凝固のストーク4内の溶湯5を保
持炉2に戻し、金型内の溶湯が凝固するのを待つ。金型
内の溶湯の凝固が完了し、約400〜450℃の取り出
し温度に達したところで金型を開き、上型に鋳造製品
(ホイール)がついた状態のまま上型を上昇させる。あ
る程度上昇するまでは3本同期ピストンで上板を制御
し、その後所定位置まで上昇させて上型プラテンに固着
した押し出しピンによりホイールを上型から離し脱着ア
ーム11を用いてホイールを取り出す。このサイクルを
繰り返し、製品を鋳造していく。
【0022】上記で製造したアルミホイール素材に対し
てリムの周方向にサイドゲート位置から45°づつDA
S値を測定した。また、測定した軸方向の位置はアウタ
ーフランジ側リム端、リム中央部、およびインナーフラ
ンジ側リム端の3箇所とした。すべての測定位置におい
て、サイドゲートに近い部分でのDAS値よりもその9
0°回転方向のDAS値の方が小さいことを確認でき
た。このアルミホイール素材を用いてインナーフランジ
側のリム端部からリム中央部方向に15mmの位置まで
の範囲で周方向に圧下率15%のスピニング加工を施し
た。このスピニング加工を施した部分に沿って45°づ
つ上記DAS測定位置と同じ角度部分で組織を観察した
ところ、他の鋳造部分とは異なり肉厚全体が緻密化した
均一の組織状態であった。また、周方向に連続して同様
の組織状態が得られた。
【0023】(実施例3)ストークを計3本用いて鋳造
を行った。内1本はディスク部を形成するキャビティ中
央部に注湯されるようにした。また、残り2本は実施例
2のように横型10に流れ込み、ホイールのリム部を成
形するキャビティに注湯されるように構成した。その他
は実施例1と同様の鋳造条件でアルミホイール素材を製
造した。製造したアルミホイール素材に対してリムの周
方向にサイドゲート位置から45°づつDAS値を測定
した。また、測定した軸方向の位置はアウターフランジ
側リム端、リム中央部、およびインナーフランジ側リム
端の3箇所とした。特にリム中央部とインナーフランジ
側リム端ですべての測定位置において、サイドゲートに
近い部分でのDAS値よりもその90°回転方向のDA
S値の方が小さいことを確認した。このアルミホイール
素材を用いてインナーフランジ側のリム端部からリム中
央方向に15mmの位置までの範囲で周方向に均一に圧
下率10%のスピニング加工を施した。このスピニング
加工を施した部分に沿って45°づつ上記DAS測定位
置と同じ角度部分で組織を観察したところ、他の鋳造部
分とは異なり肉厚全体が緻密化した組織状態であった。
また、周方向に連続して同様な均一の組織状態が観察さ
れた。アルミホイールのサイドゲート位置に応力をかけ
た際の破壊強度とサイドゲートから90°の位置に応力
をかけたものとを比較したが、両者の破壊強度はほぼ同
一であることを確認した。
【0024】(比較例1)実施例2と同様にしてアルミ
ホイール素材を製造した。製造したアルミホイール素材
に対してリムの周方向にサイドゲート位置から45°づ
つDAS値を測定した。また、測定した軸方向の位置は
交差部、リム中央部、およびインナーフランジ側のリム
端部の3点とした。すべての測定位置において、サイド
ゲートに近い部分でのDAS値よりもその90°回転方
向のDAS値の方が小さいことを確認した。アルミホイ
ール素材のサイドゲート位置に応力をかけた際の破壊強
度とサイドゲートから90°の位置に応力をかけたもの
ではサイドゲート位置に応力をかけた方が小さな値でイ
ンナーリム側のリム端で破壊を起こした。また、実施例
4で製造したものに対して破壊強度はどちらで測定した
ものも低い値であった。
【0025】(実施例4)実施例2と同様にしてアルミ
ホイール素材を製造した。このアルミホイール素材を用
いてインナーフランジ側のリム端部からリム中央方向に
15mmの位置までの範囲で周方向に均一にショットピ
ーニング加工を施した。このショットピーニング加工を
施した部分に沿って組織を観察したところ、他の鋳造部
分とは異なりリム端表面から約2mmの厚さの部分まで
が緻密化した組織状態であった。また、この厚さにおい
ては周方向に連続して同様な均一の組織状態が得られ
た。アルミホイールのサイドゲート位置に応力をかけた
際の破壊強度とサイドゲートから90°の位置に応力を
かけたものとを比較したが、両者の破壊強度はほぼ同一
であり、かつ比較例よりも高い耐久力を有することを確
認した。
【0026】
【発明の効果】以上に記述の如く、本発明によれば、リ
ム部全体にスピニング加工やショットピーニング等の塑
性加工を施す必要がなく、最も強度の必要な部分にのみ
施すので効率良く安価な車両用軽合金ホイールを高強度
で製造することが可能である。また、施行されている各
様々な鋳造法案のものでもリム部の周方向に対して均一
な強度を得ることが可能である。周方向の位置によって
強度が異なると車両に搭載した際強度の弱い部分に衝撃
が加わると予想以下の衝撃値でも破壊を起こす可能性が
あるが、そのような偶発性を抑制して安定した安全体制
を得ることが可能である。また、有限要素法等を用いた
強度解析の結果とも非常に照らし合わせやすい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るアルミホイールの軸断
面図である。
【図2】本発明の応力解析による応力付加の初期設定状
態を示す図である。
【図3】本発明に用いた鋳造機の1例である。
【図4】塑性加工を施した際の(a)圧下率と耐力、
(b)圧下率と引張り強さ、を示した図である。
【図5】塑性加工の後に溶体化処理を行なった際の
(a)圧下率と耐力、(b)圧下率と引張り強さ、を示
した図である。
【図6】鋳造後に塑性加工を施したインナーフランジ側
リム端での金属組織観察写真である。
【図7】鋳造後のインナーフランジ側リム端での金属組
織観察写真である。
【符号の説明】
1:密閉容器、2:保持炉、3:下型プラテン、4:ス
トーク、5:溶湯、6:湯口ブッシュ、7:湯口部、
8:下型、9:ガイドピン、10:横型、11:脱着ア
ーム、12:上型、13:上型プラテン、14:可動プ
ラテン、15:ガイドポスト、16:ガイド、17:上
板、18:加圧気体挿入管、20:4本同期ピストン、
21:油圧シリンダ、30:アルミホイール、31:ハ
ブ部、32:デザイン部、33:リム部、34:ボルト
穴凹部、35:ディスク部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B60B 3/06 B60B 3/06

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ディスク部とリム部を有する一体鋳造に
    より製造された車両用軽合金ホイールであって、前記リ
    ム部のインナーフランジ側リム端の組織が他のリム部の
    組織に比べて緻密化された塑性加工部を有することを特
    徴とする車両用軽合金ホイール。
  2. 【請求項2】 ディスク部とリム部を有する一体鋳造に
    より製造された車両用軽合金ホイールであって、前記リ
    ム部の少なくとも一部では周方向に沿って組織が緻密化
    された塑性加工部を有し、かつ前記塑性加工部以外のリ
    ム部では周方向に沿ってデンドライトアームスペーシン
    グ値が異なっていることを特徴とする車両用軽合金ホイ
    ール。
  3. 【請求項3】 前記塑性加工部がリム部のインナーフラ
    ンジ側リム端である請求項2に記載の車両用軽合金ホイ
    ール。
  4. 【請求項4】 ディスク部とリム部を有する車両用軽合
    金ホイールの製造方法であって、前記ディスク部および
    リム部を金型により一体鋳造してホイール素材とし、そ
    の後前記ホイール素材のリム部のインナーフランジ側リ
    ム端にのみ塑性加工を施すことを特徴とする車両用軽合
    金ホイールの製造方法。
  5. 【請求項5】 ディスク部とリム部を有する車両用軽合
    金ホイールの製造方法であって、少なくともリム部キャ
    ビティに開口する湯口を設けた金型により前記リム部お
    よびディスク部を一体鋳造してホイール素材とし、前記
    ホイール素材の少なくとも一部でリム部の周方向に沿っ
    て塑性加工を施すことを特徴とする車両用軽合金ホイー
    ルの製造方法。
  6. 【請求項6】 前記塑性加工はリム部のインナーフラン
    ジ側リム端にのみ塑性加工を施す請求項5に記載の車両
    用軽合金ホイールの製造方法。
  7. 【請求項7】 溶体化処理を前記塑性加工の工程より以
    前に行なう請求項4〜6に記載の車両用軽合金ホイール
    の製造方法。
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