JP2005313200A

JP2005313200A - 鋳造方法及び鋳造品並びに車両用ホイール

Info

Publication number: JP2005313200A
Application number: JP2004133991A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tanaka; 毅田中
Original assignee: WORK KK
Current assignee: WORK KK
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】鋳造品の軽量化を容易に且つ安価に実現し得る鋳造方法及び鋳造品を提供する。
【解決手段】耐熱性を有する繊維材からなる圧縮変形が可能なプリフォーム１を成形空間２２内に位置決めセットし、プリフォーム１内に溶湯２が浸透しないような圧力設定で、成形空間２２内に溶湯２を低圧注入して、プリフォーム１と金型２０、２１の成形面間に、プリフォーム１の外面に沿って溶湯２を充填する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属材料と繊維材との複合材の鋳造方法及び鋳造品並びに車両用ホイールに関する。

アルミニウム合金などの軽金属材料を用いた鋳造品の鋳造方法として、成形空間内の適所に、金属繊維やアルミナシリカ繊維などの繊維材からなるプリフォームをセットし、このプリフォームに母材金属の溶湯を浸透させて加圧鋳造する鋳造方法が広く実用化されている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、特許文献１記載の鋳造方法では、金属材料と繊維材との複合部分の強度剛性を高めつつ、鋳造品の軽量化が可能であるが、プリフォーム内に金属母材が浸透する関係上、単に軽量化を目的とする場合には、中子等を用いて鋳造品に対して中空部を形成したり、凹部を有する２つの分割鋳造品を製作し、これを溶接等により一体的に組み合わせて、鋳造品の内部に中空部を形成したりする方法が一般に採用されている。

特開平１１−２２２６３８号公報

しかし、中子を用いて鋳造品内部に中空部を成形する場合には、鋳造品内部に中子を残留させる必要があり、鋳造品の製作コストが高くなるとともに、中子を成形空間内に中空支持する必要があることから、金型構造が複雑になるという問題がある。

また、鋳造品を分割構成する場合には、鋳造後に分割構成品を溶接等により結合する必要があり、製作コストが高くなったり、十分な強度が得られなかったりするという問題がある。

本発明の目的は、鋳造品の軽量化を容易に且つ安価に実現し得る鋳造方法及び鋳造品、並びにディスク部の軽量化を容易に且つ安価に実現し得る車両用ホイールを提供することである。

本発明に係る鋳造方法は、耐熱性を有する繊維材からなる圧縮変形が可能なプリフォームを成形空間内に位置決めセットし、プリフォーム内に溶湯が浸透しないような圧力設定で、成形空間内に溶湯を低圧注入して、プリフォームと金型の成形面間に、プリフォームの外面に沿って溶湯を充填するものである。

この鋳造方法では、プリフォームとして圧縮変形が可能なものを採用し、しかもプリフォーム内に溶湯が浸透しないような圧力設定で、成形空間内に溶湯を低圧注入するので、成形空間内に注入された溶湯は、プリフォームを圧縮変形しながら、プリフォームと金型の成形面間の全体に充填されることになり、プリフォームに対して位置決め突部を形成したり、プリフォームを成形空間に適合するサイズに形成したりした場合でも、プリフォーム全体が金属母材で包み込まれた鋳造品を製作することができる。したがって、この鋳造方法では、中子等により鋳造品に中空部分を形成する場合と比較して、鋳造工程を複雑にすることなく軽量な鋳造品を製作でき、しかも成形空間に対するプリフォームの位置決め部分が外部に露出していない綺麗な外観の鋳造品を製作することができる。

ここで、前記成形空間内への溶湯の注入時に、成形空間の表面側と裏面側とに溶湯を注入すること、前記プリフォームの外面に溶湯の移動を促進する複数の溶湯案内溝を形成すること、前記プリフォームに表面側と裏面側とを連通する開口部を形成すること、などが好ましい実施例である。

本発明に係る鋳造品は、耐熱性を有する繊維材からなるプリフォーム全体が金属母材で鋳包まれるように鋳造され、厚さ方向の中央部に繊維材のみからなる繊維材層が形成され、外面部に金属材料のみからなる金属母材層が形成されているものである。

本発明に係る車両用ホイールは、少なくともディスク部を鋳造品で構成した単又は複数ピースからなる車両用ホイールにおいて、前記ディスク部は、耐熱性を有する繊維材からなるプリフォーム全体が金属母材で鋳包まれるように鋳造され、ディスク部の厚さ方向の中央部には繊維材のみからなる繊維材層が形成され、外面部には金属材料のみからなる金属母材層が形成されているものである。

この車両用ホイールにおいて、前記ディスク部の金属母材層の厚さをディスク部の半径方向外方側へ行くにしたがって段階的或いは連続的に薄肉に構成すること、前記ディスク部の金属母材層の厚さをディスク部のデザイン面側を取付面側よりも厚肉に構成すること、などが好ましい実施例である。

本発明に係る鋳造方法によれば、鋳造設備や鋳造工程を複雑にすることなく、外部に露出しないようにプリフォームを鋳造品内部に金属母材で包み込んだ、軽量且つ綺麗な外観の鋳造品を製作することができる。

ここで、前記成形空間内への溶湯の注入時に、成形空間の表面側と裏面側とに溶湯を注入すると、鋳造品の表面側と裏面側における金属母材の肉厚を同厚に設定したり、所望の比率の厚さに設定したりするなど、金属母材の厚さを任意に調整することが可能となる。

前記プリフォームの外面に溶湯の移動を促進する複数の溶湯案内溝を形成すると、プリフォームと金型間への溶湯の流入が円滑になされ、溶湯の充填不良による鋳造欠陥の発生を防止できる。しかも、溶湯案内溝に充填される溶湯により、鋳造品の内部に溶湯案内溝に沿ったリブ状の補強部が形成されるので、鋳造品の強度剛性を高めることが可能となる。

前記プリフォームに表面側と裏面側とを連通する開口部を形成すると、開口部内に充填される溶湯により、鋳造品の表面側と裏面側とを連結する連結部が形成されるので、大型な鋳造品であっても十分な強度剛性を確保することができる。

本発明に係る鋳造品によれば、鋳造品の厚さ方向の中央部に繊維材のみからなる繊維材層が形成されるので、鋳造品の大幅な軽量化が可能となる。しかも、プリフォーム全体が金属母材で鋳包まれるように鋳造されているので、鋳造品の外面部に繊維材が露出することによる強度低下や耐久性の低下、意匠性の低下を効果的に防止できる。

本発明に係る車両用ホイールによれば、ディスク部の厚さ方向の中央部に繊維材のみからなる繊維材層が形成されるので、車両用ホールの大幅な軽量化が可能となる。しかも、プリフォーム全体が金属母材で鋳包まれるように鋳造されているので、ディスク部の外面部に繊維材が露出することによる強度低下や耐久性の低下、意匠性の低下を効果的に防止して、ホイールとしての十分な強度剛性及び意匠性を確保できる。

ここで、前記ディスク部の金属母材層の厚さをディスク部の半径方向外方側へ行くにしたがって段階的或いは連続的に薄肉に構成すると、ディスク部の半径方向外方側へ行くにしたがってディスク部が弾性変形し易くなるので、路面からの衝撃を効果的に吸収し得る車両用ホイールを実現できる。

また、前記ディスク部の金属母材層の厚さをディスク部のデザイン面側を取付面側よりも厚肉に構成すると、車両用ホイールを極力軽量に構成しつつ、ディスク部のデザイン面側の強度剛性を向上して、車両走行時等において車両用ホイールが他物と接触ことによるディスク部の破損を効果的に防止できる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この鋳造方法では、先ず、図１(ａ)に示すように、繊維材からなる圧縮変形が可能なプリフォーム１を金型２０、２１の成形空間２２内にセットし、次に、図１（ｂ）に示すように、成形空間２２内に金属材料からなる溶湯２を注入して、プリフォーム１を圧縮変形させながら、プリフォーム１全体を溶湯２で包み込んで、図１（ｃ）に示すように、繊維材層１０全体を金属母材層１１で包み込んだ鋳造品１２を製作する。尚、図１に示す鋳造品１２は、平板形状に構成したが、この鋳造方法は、平板状以外の任意形状の鋳造品を製作する鋳造方法にも同様に適用でき、特に軽量化に対する要求の高い、自動車のホイールやシリンダブロックやシリンダヘッドなど、アルミニウム合金からなる鋳造品を製作する鋳造方法として好適に利用できる。

プリフォーム１を構成する繊維材としては、ケプラー、アラミド繊維、炭化珪素繊維、ポリイミド繊維、ポリフェニレン繊維、セラミックス繊維、炭素繊維、ガラス繊維、アルミナシリカ繊維などの耐熱性を有する合成繊維や天然繊維を採用できる。また、プリフォーム内部に溶湯が浸入しないように構成されていれば、金属繊維からなるものを採用することも可能である。プリフォーム１は、このような繊維材を用いて製作され、例えば繊維材を設定長さにカットし、これを型内にセットして所望形状に圧縮成形したり、繊維材を織製又は編製してシート状に成形し、これを複数積層したりして製作されている。

プリフォーム１の密度は、成形空間２２内に注入される溶湯２の圧力で圧縮変形し、且つ、成形空間２２内に注入される溶湯２がプリフォーム１内に浸透しないように、溶湯２の圧力に応じた密度に設定され、成形空間２２内に注入された溶湯２により、圧縮変形してプリフォーム１全体が溶湯２で包み込まれるように構成されている。

プリフォーム１としては、金型２０、２１の成形空間２２内に位置決めセットできるものであれば任意の形状のものを採用することが可能で、例えば図１(ａ)、図２に示すように、金型２０、２１の成形空間２２に適合するように成形空間２２と同一形状同一サイズに構成したものや、図３（ａ）に示すように、成形空間２２よりもやや小さなサイズの本体部３に、金型２０、２１の成形面に当接する複数の位置決め部４を突出状に形成したものを採用できる。プリフォーム１の形状は、製作する鋳造品１２の形状に応じて設定することになる。ただし、位置決め部４を有するプリフォーム１においては、位置決め部４を取り囲む金属母材層の厚さが薄くなるので、鋳造品１２のうちの強度剛性をあまり必要としない適所に位置決め部４が配置されるように構成することが好ましい。

尚、図３（ｂ）に示すように、プリフォーム１の外面に溶湯案内溝５を形成して、プリフォーム１の外面に沿った溶湯２の流れが円滑になされるように構成してもよい。ただし、金型２０、２１側に溶湯案内溝を形成することも可能である。また、大型な鋳造品１２や薄肉な鋳造品を製作する場合には、図３（ｃ）に示すように、プリフォーム１の適所に表裏を連通する開口部６を形成して、この開口部６内に溶湯２が充填されるように構成することで、鋳造品にその表面側部分と裏面側部分とを連結する連結部を形成し、鋳造品の強度剛性を高めるように構成してもよい。更に、プリフォーム１を構成する繊維材が溶湯２に巻き込まれないようにするため、プリフォーム１全体を金属メッシュなどで被覆することも好ましい実施例である。

この鋳造方法に用いる金属材料としては、鋳鉄やアルミニウムやアルミニウム合金など、鋳造可能な任意の金属材料を採用できる。特に、金属材料としてアルミニウム合金を用いる場合には、鋳造品１２をより一層軽量に構成できるので、軽量化への要求の高いホイール等に好適である。

鋳造装置としては、低圧鋳造或いは重力鋳造が可能な周知の鋳造装置を用いることができる。金型２０、２１としては、プリフォーム１の外面に沿って溶湯２を注入可能なものであれば、任意の構成のものを採用することができる。例えば、平板状の鋳造品１２を製作する場合には、図１(ａ)に示すように、金型２０、２１の成形面に成形空間２２に対する溶湯２の吐出口２４に連なって、プリフォーム１の表面側と裏面側へ延びる案内溝２３を形成し、プリフォーム１の表面側と裏面側へ溶湯２が円滑に注入されるように構成することになる。

次に、鋳造方法について図面を参照しながら説明する。

先ず、図１(ａ)に示すように、金型２０、２１の成形空間２２内にプリフォーム１をセットする。このプリフォーム１は、前述したように成形空間２２に適合するサイズ及び形状に形成され、中子のように成形空間２２内に中空支持する必要がないので、そのままセットするだけで成形空間２２内に位置決めセットできる。

次に、図１（ｂ）に示すように、溶湯２を成形空間２２内に注入し、鋳造品１２を低圧鋳造することになる。このとき、溶湯２はプリフォーム１を圧縮変形しながら、プリフォーム１と金型２０、２１の成形面間において、プリフォーム１の外面に沿って充填されることになる。溶湯２の注入圧は、プリフォーム１内に溶湯２が浸透しないような圧力に設定されており、例えばアルミニウム合金製の鋳造品１２を製作する場合には、溶湯２の温度を６００〜７００℃に設定し、溶湯２の注入圧を９８０６．６５〜４９０３３．２５ｋＮ／ｍ²に設定することになる。

こうして、鋳造品を鋳造してから脱型し、不要な部分を除去するなどの加工を施して、図１（ｃ）に示すように、圧縮変形したプリフォーム１からなる繊維材層１０全体が金属母材層１１で包み込まれた鋳造品１２を得ることになる。

この鋳造方法では、圧縮変形が可能なプリフォーム１を用いているので、プリフォーム１を成形空間２２に適合する形状に形成したり、プリフォーム１に位置決め用の突起を形成したりした場合でも、プリフォーム１が鋳造品１２の外面に露出しないように鋳造できるので、鋳造設備や鋳造工程を複雑にすることなく、金属母材層１１に繊維材層１０が埋設された軽量な鋳造品１２を容易に鋳造することができる。また、案内溝２３の断面積に差異を持たせるなどして、プリフォーム１の表面側と裏面側への溶湯２の注入量を調整することで、鋳造品１２における金属母材層１１の表面側と裏面側の厚さを任意に調整することができる。

このような鋳造方法にて製作した鋳造品１２においては、繊維材層１０全体が金属母材層１１で包み込まれるので、鋳造品１２全体を金属材料で中実に構成する場合と比較して、鋳造品１２の重量を格段に軽減することができる。しかも、プリフォーム１が鋳造品１２の外面に露出しないので、鋳造品１２全体を金属材料で中実に構成する場合と同様に綺麗な外面の鋳造品１２を得ることができる。尚、鋳造品１２における、金属母材層１１の厚さＴと繊維材層１０の厚さｔとは任意の比率に設定可能である。

次に、車両用ホイールのディスク部に本発明を適用した場合について説明する。

図４、図５に示すように、車両用ホイール３０は、アウタリム部材３１とインナリム部材３２とディスク部材３３の３つの部材からなる３ピースタイプのホイールで、アウタリム部材３１及びインナリム部材３２の一端部にはフランジ部３４、３５が形成され、両リム部材３１、３２はフランジ部３４、３５を重ね合わせて同軸上に配置されている。アウタリム部材３１の内側にはディスク部材３３がデザイン面側から装着され、ディスク部材３３の外周部にはリング部３６が形成され、これら３つの部材３１、３２、３３は、両フランジ部３４、３５とリング部３６とを挿通する複数のボルト３７で一体的に結合されている。但し、両リム部材３１、３２は溶接を併用して接合してもよい。

両リム部材３１、３２は、アルミニウム合金などの延伸性に優れた金属材料で構成され、例えば、帯状の金属板を環状に丸めてその両端を溶接し、これをスピニング加工により所望のリム形状に成形して製作されている。但し、円板状の金属板を洗面器状にプレス成形し、この洗面器の底板を打ち抜いて、筒状のリム素材を製作し、このリム素材をスピニング加工により所望のリム形状に成形して製作してもよい。

ディスク部材３３の中央部には図示外の車輪支持部材を取り付けるための５つのボルト挿通孔３８を有する取付部３９が設けられ、取付部３９とリング部３６とは円周一定間隔おきに放射状に配置した５本のスポーク部４０により一体的に連結されている。但し、ボルト挿通孔３８の個数は、車輪支持部材に設けるボルトの本数に対応させて設定するものとする。また、スポーク部４０の本数や形状やレイアウトは、ホイール３０のデザイン及び強度を考慮して任意に設定することが可能である。

ディスク部材３３は、前記鋳造方法と同様に、耐熱性を有する繊維材からなるプリフォームを金型内にセットした状態でアルミニウム合金等の軽量な金属材料の溶湯を注湯することで、プリフォーム全体が金属母材で鋳包まれるように低圧鋳造されており、厚さ方向の中央部には繊維材のみからなる繊維材層４１が形成され、外面部には金属材料のみからなる金属母材層４２が形成されている。但し、このディスク部材３３の鋳造方法は、前述した鋳造方法と基本的に同じなので、その詳細な説明は省略する。

金属母材層４２の厚さは全体的に略均一に設定することも可能であるが、ディスク部材３３の外周部側の肉厚ｔ１が中央部側の肉厚ｔ２によりも厚肉になるように、半径方向の外方側へ行くにしたがって段階的或いは連続的に薄肉に設定すると、ディスク部材３３の外周側における弾力性を高めて、車両走行時にディスク部材３３に作用する衝撃荷重等を効率的に受け止めることができる。また、デザイン面側の金属母材層４２の肉厚ｔ３を取付面側の金属母材層４２の肉厚ｔ４よりも厚肉に構成すると、車両用ホイール３０を極力軽量に構成しつつ、車両走行時等において他物と接触する可能性の高いデザイン面側のディスク部材３３の強度を高めることができる。

このディスク部材３３で用いられるプリフォームは、前記実施例のプリフォームと同じ素材で構成でき、プリフォームの形状は、ディスク部材３３に適合した形状或いは多少小さいサイズに構成されている。そして、このプリフォームを金型内にセットした状態で溶湯を成形空間内に注湯することで、溶湯によりプリフォームを圧縮変形しながら、プリフォームと金型の成形面間に溶湯を充填することになる。但し、プリフォームの形状は、ディスク部材３３に完全に適合させる必要はなく、例えばリング部３６や取付部３９に対応する部分を省略するなど、必要に応じて適宜に調整することが可能である。また、金属母材層４２の肉厚を部位によって変更するため、例えばプリフォームと金型の成形面間の隙間が半径方向外方側へ行くにしたがって小さくなるように設定したり、プリフォームの圧縮変形量が半径方向外方側へ行くにしたがって小さくなるように目付けを調整したりすることができる。更に、鋳造時に、デザイン面側へ供給する溶湯量と取付面側へ供給する溶湯量とを調整することで、デザイン面側の金属母材層４２を取付面側の金属母材層４２よりも厚肉に成形できる。更に、溶湯が円滑に流れるようにプリフォームに溝を形成する場合には、例えばスポーク部４０においては半径方向に延びるように溝を形成し、取付部３９においては周方向に形成することで、溝に充填された溶湯により金属母材層４２の内側にリブを形成して、車両用ホイール３０の強度剛性を向上できる。

尚、本実施例では、３ピースタイプのホイール３０に対して本発明を適用したが、少なくともディスク部が鋳造されている車両用ホイールであれば、両リム部材３１、３２を一体成形した２ピースタイプのホイールに対しても本発明を適用できるし、ディスク部材３３と両リム部材３１、３２とを鋳造により一体成形した１ピースタイプのホイールに対しても本発明を適用できる。

(ａ)〜（ｃ）は鋳造方法の説明図プリフォームの斜視図 (ａ)〜（ｃ）は他の構成のプリフォームの斜視図ホイールの正面図図４のＶ−Ｖ線断面図

符号の説明

１プリフォーム２溶湯
３本体部４位置決め部
５溶湯案内溝６開口部
１０繊維材層１１金属母材層
１３鋳造品
２０金型２１金型
２２成形空間２３案内溝
２４吐出口
３０車両用ホイール３１アウタリム部材
３２インナリム部材３３ディスク部材
３４フランジ部３５フランジ部
３６リング部３７ボルト
３８ボルト挿通孔３９取付部
４０スポーク部４１繊維材層
４２金属母材層

Claims

耐熱性を有する繊維材からなる圧縮変形が可能なプリフォームを成形空間内に位置決めセットし、プリフォーム内に溶湯が浸透しないような圧力設定で、成形空間内に溶湯を低圧注入して、プリフォームと金型の成形面間に、プリフォームの外面に沿って溶湯を充填することを特徴とする鋳造方法。
前記成形空間内への溶湯の注入時に、成形空間の表面側と裏面側とに溶湯を注入する請求項１記載の鋳造方法。
前記プリフォームの外面に溶湯の移動を促進する複数の溶湯案内溝を形成した請求項１又は２記載の鋳造方法。
前記プリフォームにその表面側と裏面側とを連通する開口部を形成した請求項１〜３のいずれか１項記載の鋳造方法。
耐熱性を有する繊維材からなるプリフォーム全体が金属母材で鋳包まれるように鋳造され、厚さ方向の中央部に繊維材のみからなる繊維材層が形成され、外面部に金属材料のみからなる金属母材層が形成されていることを特徴とする鋳造品。
少なくともディスク部を鋳造品で構成した単又は複数ピースからなる車両用ホイールにおいて、
前記ディスク部は、耐熱性を有する繊維材からなるプリフォーム全体が金属母材で鋳包まれるように鋳造され、ディスク部の厚さ方向の中央部には繊維材のみからなる繊維材層が形成され、外面部には金属材料のみからなる金属母材層が形成されている、
ことを特徴とする車両用ホイール。
前記ディスク部の金属母材層の厚さをディスク部の半径方向外方側へ行くにしたがって段階的或いは連続的に薄肉に構成した請求項６記載の車両用ホイール。
前記ディスク部の金属母材層の厚さをディスク部のデザイン面側を取付面側よりも厚肉に構成した請求項６又は７記載の車両用ホイール。