JP2004203297A

JP2004203297A - 自動車用アルミホイールの製造方法

Info

Publication number: JP2004203297A
Application number: JP2002376719A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Yamamoto; 陽介山本
Original assignee: Central Motor Wheel Co Ltd
Current assignee: Central Motor Wheel Co Ltd
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】耐久性能を満足しつつ、軽量化と低費用化を実現し得る自動車用アルミホイールの製造方法を提案する。
【解決手段】リブ部５の背面に、外径が１ｍｍ〜６ｍｍの加圧痕１７を面方向に連続させてなる点圧加工を行うことにより、その表層に圧縮残留応力が付与されてなるリブ背面エンボス領域１５を形成するようにしたから、従来のショットピーニング加工に比して、該領域１５にほぼ均一に圧縮残留応力を付加できると共に、充分な深さまで該圧縮残留応力を付加でき、この自動車用アルミホイール１の疲労寿命を安定的に大きく向上させることが可能である。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のハブに取り付けられるハブ部と、タイヤが装着されるリム部と、該ハブ部とリム部との間に形成されたスポーク部とからなる自動車用アルミホイールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金製の自動車用アルミホイールにあっては、優れた意匠性や、軽量化及び繰安性等を発揮し得ることから、近年、自動車への装着率が大幅に増大している。このようなアルミホイールは、鋳造や鍛造によって製造されることが一般的である。ここで、鍛造で成形されるアルミホイールは、鋳造成形されたものに比して、強度的に優れ、かつ疲労寿命も高くなることから、優れた軽量ホイールを製造することが可能である。しかし、この鍛造には、高価な鍛造用のプレス機器が必要となるため、これによって製造されたアルミホイールは高価なものとなる。
【０００３】
一方、鋳造は、比較的安価にアルミホイールを製造できるという利点があり、近年、この製造方法が主流となっている。しかし、上述のように、この鋳造成形されたアルミホイールは、鍛造成形されたものに比して、強度及び疲労寿命が低いことから、薄肉化して軽量化することには限界があり、その重量は、鍛造成形のものより重くなっていた。
【０００４】
ここで、自動車のハブに取り付けられるハブ部と、タイヤが装着されるリム部と、該ハブ部とリム部との間に形成されたスポーク部とから形成される、一般的なアルミホイールを、自動車に装着した場合、走行時に、スポーク部の、ハブ部と連成されるリブ部の背面に、最も強い応力（引張応力）が作用する。これにより、ホイールの疲労寿命は、リブ部の背面の破壊によって決まることが周知であった。そのため、鍛造成形のものより強度的に低くなる、鋳造成形のアルミホイールでは、このリブ部の肉厚を充分に確保する必要があった。
【０００５】
このような鋳造により成形されたアルミホイールを軽量化するためには、上記したリブ部の強度を向上させ、疲労寿命を延ばす必要がある。そのため、アルミニウムの疲労寿命を向上する方法として、ショットピーニング加工（例えば、特許文献１）が用いられている。これは、アルミホイールのリブ部背面に作用する引張応力に対して、このショットピーニング加工によって該リブ部背面に圧縮残留応力を付加することにより、このリブ部の疲労寿命を向上させるようにする方法である。これにより、このリブ部を薄肉化でき、当該アルミホイールを軽量化することが可能であった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１−２０８４１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の、鋳造成形したアルミホイールを、そのリブ部背面にショットピーニング加工することにより軽量化したものにあって、該ショットピーニング加工では、リブ部背面に約０．２ｍｍ程度の深さまでしか圧縮残留応力を付加できない。このように圧縮残留応力の付加層が比較的浅いと、過大な負荷が作用した場合には、この付加層を越えて引張歪みが生じ、破壊することとなる。そのため、アルミホイールの疲労寿命を向上させるには限界があった。また、ショットピーニング加工では、加工領域の全域を比較的均質に加工処理し、圧縮残留応力をほぼ均一に付加することが難しい。そのため、リブ部背面に作用した引張応力が、圧縮残留応力の少ない部位で応力集中することとなり、疲労寿命を充分かつ安定的に発揮できないという問題もあった。さらに、鋳造成形にあっては、表層に欠陥が生じる場合があり、該欠陥を、ショットピーニング加工による圧縮残留応力では充分に除去できないという問題もあった。而して、ショットピーニング加工では、疲労寿命の向上作用が小さく、アルミホイールの軽量化に限界が生じていた。そのため、アルミホイールの軽量化は、比較的安価な鋳造成形のホイールを、鍛造成形並の重量にするまでに至っていなかった。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決し、充分な疲労寿命を満足すると共に、軽量化と低費用化とを可能とし得る、自動車用ホイールを提案することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、自動車のハブに取り付けられるハブ部と、タイヤが装着されるリム部と、該ハブ部とリム部との間に形成されたスポーク部とからなる自動車用アルミホイールの製造方法において、該スポーク部の、ハブ部と連成されるリブ部の背面に、外径が１ｍｍ〜６ｍｍの加圧痕を面方向に連続させてなる点圧加工を行うことにより、その表層に圧縮残留応力が付与されてなるリブ背面エンボス領域を形成するようにしたことを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
ここで、自動車用アルミホイールにあっては、上述したように、自動車に装着された場合に、リブ部の背面に強い引張応力が作用する。そのため、このリブ部背面に、予め圧縮残留応力が存在する状態、すなわち、圧縮歪みを付加しておくことにより、引張応力によって生じる引張歪みの許容量を高め、強度と疲労寿命を向上させることが可能となる。上記の本発明の製造方法にあっては、このリブ部の背面に適切に圧縮残留応力を付加することにより、疲労寿命を向上させるようにする方法である。すなわち、点圧加工によって外径が１ｍｍ〜６ｍｍの加圧痕を面方向に連続させたリブ背面エンボス領域を形成することにより、該リブ背面エンボス領域が面方向に比較的均整に加圧痕を有するものとなるから、圧縮残留応力をほぼ均一に付加させることができると共に、リブ背面エンボス領域に約２ｍｍ程度の深さまで該圧縮残留応力を付加させることができる。このようなリブ背面エンボス領域が形成された自動車用アルミホイールにあっては、比較的大きな引張応力が作用した場合にあっても、該応力により生じる引張歪みに耐えることができると共に、該リブ背面エンボス領域でほぼ均質に引張歪みに耐えることができ、上述した従来のショットピーニング加工に比して、疲労寿命を安定的に大きく向上させることが可能となる。一方、この点圧加工によって、リブ背面エンボス領域では鋳造成形により生じた表層の欠陥も充分に除去することができるから、疲労寿命をさらに向上させることが可能である。
【００１１】
ここで、点圧加工によりリブ背面エンボス領域に形成する、外径が１ｍｍ〜６ｍｍの加圧痕にあっては、１ｍｍより小さくした場合には、該リブ背面エンボス領域にムラなく均整に加圧痕を形成することが難しく、また、６ｍｍより大きくした場合には、加工痕内で圧縮残留応力の大きさに偏りを生じることとなり得る。而して、上記したように、優れた疲労寿命を安定的に発揮させるためには、前記範囲の加圧痕を形成する必要がある。さらに、この加圧痕を、外径が２ｍｍ〜５ｍｍに形成することにより、一層優れた疲労寿命を発揮させ得るから、好適に用いることができる。
【００１２】
上述した点圧加工が、ハンマーで打圧してなるハンマリング加工によるものであるとする製造方法（請求項２）が提案される。かかる方法にあっては、上述した点圧加工を、ハンマリング加工により行うようにした方法である。このハンマリング加工によって加工痕を形成することにより、ハンマーの打圧で生じる衝撃をリブ背面エンボス領域のさらに深部まで浸透させ得るから、圧縮残留応力を充分な深さまで付加することが可能である。
【００１３】
さらに、かかるハンマリング加工にあっては、ハンマを適正に駆動制御することにより、引張応力が強く作用するリブ部背面に加圧痕を形成するようにしたものであるから、新たに加工用の金型を必要しないと共に、高度な精密機械等も必要とせず、比較的容易に加工を行うことができる。そのため、この加工に要する費用を抑制できるという優れた利点もある。而して、鋳造成形されるアルミホイールに、本発明のハンマリング加工を行い、強度と疲労寿命とを向上させることによって、比較的安価な鋳造成形から製造費用を大きく増大させることなく、ほぼ同等の製造費用で、鍛造成形並に軽量化されたアルミホイールを製造することが可能となる。また、鍛造成形されるアルミホイールに、本発明のハンマリング加工することにより、一層の軽量化を行うことも可能である。
【００１４】
点圧加工が、押圧子で点状に押圧してなるものであるとする製造方法（請求項３）が提案される。かかる方法にあっては、押圧子を比較的緩やかに点状に押圧することにより、形成した加圧痕の周囲に充分かつ均整な圧縮残留応力を付加させることができる。また、このような押圧子を用いる加工にあっても、上述したハンマリング加工と同様、新たに高度な精密機械等を必要とせず、加工費を抑制することできる。これにより、鋳造成形によるアルミホイールを、該鋳造成形から製造費用を増大させることなく、鍛造成形並に軽量化させることが可能である。さらに、鍛造成形されるアルミホイールに用いれば、一層の軽量化を行うことも可能である。
【００１５】
また、点圧加工が、パンチで点圧してなるパンチング加工によるものであるとする製造方法（請求項４）が提案される。このパンチング加工としては、パンチを打圧してハンマーとして用いて、加圧痕を形成するハンマリング加工を施すことができる。また、パンチを押圧子として用いて、比較的緩やかに点状に押圧することにより、加圧痕を形成することもできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態例を添付図面に従って説明する。
図１は自動車用アルミホイール１の縦断面図であり、この自動車用アルミホイール１は、リム部４と、ハブ孔６をその中央に具備するハブ部２と、該リム部４とハブ部２とを連結するスポーク部３とからなる。ここで、スポーク部３は、ハブ部２とリム部４との間に６本形成されている（図２参照）。そして、本実施形態例にあっては、自動車用アルミホイール１は、高温で溶解したアルミニウム合金の溶湯を、所定の金型により形成されるキャビティに圧入する、いわゆる鋳造成形によって製造されるものとしている。
【００１７】
上記のリム部４には、両側の開口縁にタイヤのサイドウォール部を支持するフランジ部９ａ，９ｂが形成されている。そして、自動車に装着された場合に外側（意匠面側）となるホイール表面側のフランジ部９ａに、タイヤのビードを着座させるビードシート部１０ａが連成されており、該ビードシード部１０ａのホイール背面方向に、タイヤリムの内側位置を規定するために隆起してなるハンプ部１１ａが設けられている。さらに、このハンプ部１１ａには、タイヤ装着時にタイヤのビードを落とすためのドロップ部１２が、該ドロップ部１２からホイール径方向に立ち上がったウエル部１３を介して設けられている。また、このドロップ部１２のホイール背面方向には、ホイール軸方向に対して傾斜するレッジ部１４が形成されており、このレッジ部１４は、ハンプ部１１ｂを介してホイール背面側のビートシート部１０ｂと連なっている。そして、このビードシード部１０ｂが、ホイール背面側のフランジ部９ｂに連成されている。
【００１８】
また、このリム部４の、ホイール表面側のフランジ部９ａから、ホイール半径方向内側に向かって、スポーク部３が連成されている。このスポーク部３は、図２のホイール背面図のように、中央にハブ孔６が形成され、該ハブ孔６のホイール半径方向外側にほぼ均等間隔で配設されたボルト孔７を備えるハブ部２と、該ボルト孔７の半径方向外側で連成されている。ここで、このスポーク部３の、ハブ部２と連成する領域がリブ部５となる。そして、ハブ部２の背面側に、自動車のハブと連結されるハブ取付面８が形成されており、該ハブ取付面８の半径方向外側に連成されるリブ部５の背面領域に、本発明にかかるリブ背面エンボス領域１５が形成される。
【００１９】
次に、本発明の要部にかかる点圧加工として、ハンマリング加工をリブ部５の背面に行う方法について説明する。
所定の鋳造用金型により形成されたキャビティ内に、アルミニウム合金を高温で溶解した溶湯を注入し、冷却する鋳造工程（図示省略）を行った後、該金型から取り外し、バリや、該鋳造工程では成形できない不要部分等を切削する切削工程（図示省略）が行われる。このようにして、所定形状に成形された自動車用アルミホイール１に、その背面側から、上述したリブ部５の背面に、パンチで構成されるハンマー１６ａを打圧するハンマリング加工（パンチング加工）を施す。ここで、ハンマー１６ａは先端に、先端半径が約１０ｍｍの皿状の点圧部２０が形成されている。
【００２０】
このハンマリング加工にあっては、所定圧力により制御され、進退方向に駆動制御するハンマー１６ａを、図３（イ）のように、リブ部５の背面に打圧していく。ここで、このハンマー１６ａを、点圧部２０の押し込み量が約０．２ｍｍとなるように打圧することにより、打圧した跡に外径が約４ｍｍの加圧痕１７を形成する。そして、このハンマー１６ａを、加圧痕１７が面方向に連続して形成されるように、複数回連続して打圧することにより、図３（ロ）のように、該加圧痕１７が全域に亘るリブ背面エンボス領域１５が形成されることとなる。このハンマー１６ａの打圧によって生じる衝撃力により、リブ背面エンボス領域１５の表層には、約２ｍｍの深さまで充分な圧縮歪みを生成することができ、圧縮残留応力の付加された状態を形成することができる。さらに、この圧縮残留応力が、このリブ背面エンボス領域１５でほぼ均一に付加されることとなり得る。ここで、このハンマリング加工は、ハンマー１６ａを制御することにより、圧縮残留応力を付加する必要のあるリブ部５の背面領域を適正に打圧するものであるから、新たな金型や高度な精密機械等を導入することなく、適切な領域にリブ背面エンボス領域１５を形成することができるため、これに要する加工費を抑制することが可能である。
【００２１】
次に、上述のように、リブ背面エンボス領域１５が形成された自動車用アルミホイール１を、回転曲げ耐久試験（試験方法ＪＩＳＤ４１０３５．１）により疲労寿命を調べた。ここで、回転曲げ耐久試験は、一定速度で回転するホイールのハブ取付面に曲げモーメントを与える試験であり、ホイールに亀裂や破損等の異常が発生するまで継続し、異常の生じた回転数を疲労寿命の指標とした。ここで、自動車用のホイールは、自動車を構成する各種部品にあって、最も重要な保安部品の一つであることから、様々な規格が存在し、該規格を満足する要求性能が求められている。すなわち、前記の回転曲げ耐久試験にあっても、所定の要求性能が定められている。
【００２２】
また、上述したハンマリング加工を実行せず、その代わりにショットピーニング加工をリブ部５の背面領域に施した自動車用アルミホイール（図示せず）を、比較例として、この回転曲げ耐久試験により疲労寿命を調べた。尚、この比較例の自動車用アルミホイールは、ショットピーニング加工を行った以外は、上述した本実施形態例の自動車用アルミホイール１と同じ材料、同じ製造方法を用い、その説明を省略する。ここで、ショットピーニング加工は、実施形態例のハンマリング加工を施した領域（リブ背面エンボス領域１５）とほぼ同じ面積に行われている。
【００２３】
上述した回転曲げ耐久試験を行った結果、本実施形態例の、ハンマリング加工によりリブ背面打圧領域１５を形成した自動車用アルミホイール１は、比較例の、ショットピーニング加工を施した自動車用アルミホイールに比して、疲労寿命が大きく向上することとなった。而して、本発明にかかるハンマリング加工は、アルミホイールの疲労寿命を向上させる有効な方法であると言える。
【００２４】
また、比較例の自動車用アルミホイールも、所定の要求性能は満足していることから、本実施形態例による疲労強度向上分を、リブ部５の薄肉化によるホイール軽量化に転化させることも可能である。これによって、疲労寿命の要求性能を満足しつつ軽量化した結果、鋳造成形による自動車用アルミホイール１は、鍛造成形並の軽量ホイールとすることが可能となる。すなわち、本発明の、ハンマリング加工をリブ部５の背面に施し、自動車用アルミホイール１の疲労寿命を向上させることにより、従来の鋳造成形にかかる製造費用から大きく費用を増加することなく、ほぼ同等の製造費用で、鍛造成形とほぼ同じレベルに軽量化された自動車用アルミホイール１を製造することができる。
【００２５】
次に、上述したハンマリング加工の代わりに、点圧加工をパンチングによる押圧加工により行う方法について説明する。
リブ部５の背面に、押圧子（パンチ）１６ｂを比較的緩やかに点状に押圧する押圧加工（パンチング加工）を行うことにより、リブ背面エンボス領域１５を形成する（図３参照）。かかる押圧加工にあっては、先端半径が約１０ｍｍの点圧部２０が先端に形成された押圧子１６ｂを、リブ部５の背面に、押し込み量が約０．２ｍｍとなるように複数回押し付けることによって、外径約４ｍｍの加圧痕１７を面方向に連続してなるリブ背面エンボス領域１５を形成する。
【００２６】
この押圧加工によっても、上述したハンマリング加工の場合と同様に、この押圧子１６ｂの押圧により、リブ背面エンボス領域１５の表層には、約２ｍｍの深さまで圧縮歪みを生じさせえ、圧縮残留応力の付加することができると共に、該圧縮残留応力がほぼ均一に付加することができる。さらに、この押圧加工は、押圧子１６ｂを制御することにより、リブ部５の背面領域に適正に圧縮残留応力を付加するものであるから、高度な精密機械等を導入することなく、適切な領域にリブ背面エンボス領域１５を形成することができるため、この加工費を抑制することが可能である。
【００２７】
このような押圧加工によりリブ背面エンボス領域１５が形成された自動車用アルミホイール１を、回転曲げ耐久試験（試験方法ＪＩＳＤ４１０３５．１）により疲労寿命を調べた。その結果、上述したハンマリング加工を行った場合と同等の疲労寿命を発揮できることがわかった。
【００２８】
上述したハンマリング加工又は押圧加工にあっては、先端半径が約１０ｍｍの点圧部２０を約０．２ｍｍ押し込むようにして、外径が約４ｍｍの加圧痕１７を形成するようにした方法であるが、該点圧部２０の押し込み量を変更して、外径が約１ｍｍ〜６ｍｍの加圧痕１７を形成するようにしても良い。又は、点圧部２０の先端半径を変更して、この先端半径に従って所定の押し込み量を設定することにより、外径が約１ｍｍ〜６ｍｍの加圧痕１７を形成することもできる。例えば、先端半径が約１５ｍｍの点圧部２０を、約０．１５ｍｍ押し込むことにより、外径が約４ｍｍの加圧痕１７を形成できる。このような外径の加圧痕１７を形成した場合にあっても、リブ背面エンボス領域１５は適正な圧縮残留応力を有するものとなり、疲労寿命を充分に向上させ得る。
【００２９】
上述した本実施形態例にあっては、加圧痕１７が残存するリブ背面エンボス領域１５を形成した自動車用アルミホイール１であるが、ハンマリング加工又は押圧加工の後に、該加圧痕１７を切削刃やヤスリ等により削除し、該リブ背面エンボス領域１５を平滑化するようにしても良い。このように平滑化した場合にあっても、圧縮残留応力が保持されるから、上述と同様、疲労寿命を適切に向上させることが可能である。
【００３０】
また、上述したハンマリング加工又は押圧加工にあって、ハンマー１６ａ又は押圧子１６ｂに、複数の点圧部２０を形成し、加工回数を少なくするようにしても良い。これにより、加工工程の時間短縮ができるから、加工費を一層低減することができる。
【００３１】
このように、本実施形態例にあっては、鋳造成形により製造する自動車用アルミホイール１にハンマリング加工又はパンチング加工を行うようにした製造方法であるが、これら加工を、鍛造成形により製造する場合にも適用することが可能である。かかる鍛造成形されたアルミホイールは、一層疲労寿命が向上することとなるから、この疲労寿命の向上分を軽量化に転化することができ、さらに優れた軽量ホイールを製造することも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、上述したように、自動車用アルミホイールの製造方法において、ハブ部と連成されるリブ部の背面に、外径が１ｍｍ〜６ｍｍの加圧痕を面方向に連続させてなる点圧加工を行うことにより、その表層に圧縮残留応力が付与されてなるリブ背面エンボス領域を形成するようにしたものであるから（請求項１）、該リブ背面エンボス領域が面方向に比較的均整に加圧痕を有するものとなり、圧縮残留応力をほぼ均一に付加させることができると共に、約２ｍｍ程度の深さまで圧縮残留応力を付加させることができる。このようなリブ背面エンボス領域を形成した自動車用アルミホイールは、従来のショットピーニング加工を行ったものに比して、該リブ背面エンボス領域でほぼ均等に、比較的大きな引張応力に耐えることができ、疲労寿命を安定的に大きく向上させることが可能となる。また、この点圧加工により、リブ背面エンボス領域では鋳造成形で生じた外層の欠陥も充分に除去でき、疲労寿命をさらに向上させ得る。
【００３３】
ここで、点圧加工が、ハンマーで打圧してなるハンマリング加工によるものであるとする製造方法（請求項２）にあっては、ハンマーの打圧で生じる衝撃により圧縮残留応力を充分な深さまで付加することができる。また、このようなハンマリング加工には、新たな金型や、高度な精密機械等を必要とせず、その加工費を抑制できるという優れた利点もある。而して、鋳造成形されるアルミホイールに、本発明のハンマリング加工を行うことにより、比較的安価な鋳造成形の製造費用で、鍛造成形並に軽量化されたアルミホイールを製造することも可能である。尚、鍛造成形されるアルミホイールに、このハンマリング加工を行うことにより、一層軽量化することもできる。
【００３４】
点圧加工が、押圧子で点状に押圧してなるものであるとする製造方法（請求項３）にあっては、押圧子を比較的緩やかに点状に押圧することにより、加圧痕の周囲に充分かつ均整な圧縮残留応力を付加させることができる。また、このような押圧子を用いる加工にあっても、上述したハンマリング加工と同様、新たに高度な精密機械等を必要とせず、加工費を抑制することできる。これにより、鋳造成形によるアルミホイールを、製造費用を増大させることなく、鍛造成形並に軽量化させることが可能である。尚、鍛造成形されるアルミホイールに用いれば、一層の軽量化を行うことも可能である。
【００３５】
また、点圧加工が、パンチで点圧してなるパンチング加工によるものであるとする製造方法（請求項４）にあっては、該パンチング加工として、パンチをハンマーとして用いて打圧するハンマリング加工や、パンチを押圧子として用いて押圧する加工を行うことにより、上述と同様に、圧縮残留応力が適切に付加されたリブ背面エンボス領域を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自動車用アルミホイール１の縦断面図である。
【図２】本発明の自動車用アルミホイール１の背面図である。
【図３】本発明にかかる、ハンマリング加工又は押圧加工を表す説明図である。
【符号の説明】
１自動車用アルミホイール
２ハブ部
３スポーク部
４リム部
５リブ部
１５リブ背面エンボス領域
１６ａハンマー（パンチ）
１６ｂ押圧子（パンチ）
１７加圧痕

Claims

自動車のハブに取り付けられるハブ部と、タイヤが装着されるリム部と、該ハブ部とリム部との間に形成されたスポーク部とからなる自動車用アルミホイールの製造方法において、
前記スポーク部の、ハブ部と連成されるリブ部の背面に、外径が１ｍｍ〜６ｍｍの加圧痕を面方向に連続させてなる点圧加工を行うことにより、その表層に圧縮残留応力が付与されてなるリブ背面エンボス領域を形成するようにしたことを特徴とする自動車用アルミホイールの製造方法。
点圧加工が、ハンマーで打圧してなるハンマリング加工によるものである請求項１記載の自動車用アルミホイールの製造方法。
点圧加工が、押圧子で点状に押圧してなるものである請求項１記載の自動車用アルミホイールの製造方法。
点圧加工が、パンチで点圧してなるパンチング加工によるものである請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の自動車用アルミホイールの製造方法。