JP2006198663A - ディスクの鍛造金型装置および鍛造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋳造ディスク素材を鍛造する際に、周縁においてスポーク部に対応する箇所が変形（突出，反り）するのを回避ないしは抑制する。
【解決手段】 鋳造ディスク素材を第１型にセットし、第２型を上記第１型に向かって移動させて上記ディスク素材を加圧し、スポーク部の減肉を伴うようにディスク素材を鍛造する。第２型４０におけるスポーク部成形面に、スポーク部と交差する方向に延びる細長い突条４１ｘを形成する。この突条４１ｘにより、鍛造時にスポーク部の肉が径方向に塑性流動するのを抑制する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車両用ホイール等のディスク素材を鋳造した後に鍛造してディスクを得る金型装置および方法に関する。

特許文献１には、アルミ合金製（軽合金製）の車両用ホイールのディスクを製造する方法が開示されている。この方法では、まず、複数のスポーク部と、スポーク部間に配置された窓とを有するディスク素材を鋳造する。

次に、上記鋳造ディスク素材を鍛造する。この鍛造は、ディスク素材を下型にセットし、上型を下型に向かって移動させて上記ディスク素材を加圧することにより、行なわれる。
特許３４３５９０６号公報

上記特許文献１の方法では、鍛造時にスポーク部の肉の一部が径方向（スポーク部の延び方向）に外に向かって塑性流動する。そのため、鍛造されたディスクの周縁が真円にならず、スポーク部に対応する位置が突出する不都合が生じる。

上記のような不都合を防止するためには、横型を用いる等してスポーク部の肉が径方向に塑性流動するのを抑え込むことが考えられるが、この場合、金型装置が複雑かつ高価になってしまう。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、周方向に間隔をおいて配置されるとともに径方向に延びる複数のスポーク部と、これらスポーク部間に配置された複数の窓とを有する軽合金製の鋳造ディスク素材を鍛造する金型装置において、上記鋳造ディスク素材を挟んで加圧することにより鍛造する第１，第２の一対の型を備え、上記第１，第２型の少なくとも一方のスポーク部成形面に、上記スポーク部の延び方向と交差する方向に延びる細長い突条を形成したことを特徴とする。

上記装置によれば、突条により、鍛造時に上記スポーク部の肉が径方向に塑性流動するのを抑制するので、鍛造されたディスクの周縁において上記スポーク部に対応する箇所に突出等の変形が生じるのを回避ないしは抑制できる。

好ましくは、上記ディスクが車両用ホイールのディスクであって、上記突条が上記第２型にのみ形成され、上記第２型が、上記ディスクの車両側の面を成形する。これによれば、第２型の突起により成形された溝がスポーク部の車両側の面すなわち裏側の面にあるので、外観を損ねることがなく、この溝を消すための処理も不要である。

好ましくは、上記第１型には、円環状の係止段差が形成されており、上記鍛造の際に、上記デイスク素材の周縁がこの係止段差に係止される。これによれば、ディスク周縁の真円を確実に維持できる。しかも上記突起によりスポーク部の肉の径方向への塑性流動が抑制されるので、上記のような簡単な形状の係止段差で係止してもディスクの周縁部に反り等が生じるのを回避ないしは抑制できる。

好ましくは、上記第１型は、スポーク部成形面として凹面を有するとともに、この凹面の両側縁に連なる平坦面とを有し、上記第２型の成形面は各スポーク部に対応して凸面とこの凸面の両側縁に連なる平坦面とを有し、上記第２型の平坦面は、上記凸面の両側縁に隣接する第１領域と、この第１領域に連なる第２領域とを有し、上記第２型の凸面および上記平坦面の第１領域は、上記スポーク部成形面として提供されて、上記第１型のスポーク部成形面である凹面と対峙し、上記第１型の平坦面と上記第２型の平坦面の第２領域との間には、上記スポーク部の余肉を逃がすための狭いギャップが形成され、上記突条は、上記第２型のスポーク部成形面において上記凸面にのみ形成されている。
これによれば、スポーク部において、荷重を担うサイドリブに溝が形成されないので、スポーク部の強度低下を招くことはない。

好ましくは、上記突条が上記スポーク部の延び方向に間隔をおいて複数形成されている。これによれば、スポーク部の余肉の径方向への塑性流動をより一層確実に抑制することができる。

好ましくは、上記突条が上記ディスク素材の延び方向と直交する方向に延びている。これによれば、効率良くスポーク部の肉の径方向への塑性流動を抑制することができる。

好ましくは、上記突条の高さが０．５ｍｍ〜８ｍｍである。これによれば、スポーク部の強度低下を招かずにスポーク部の肉の径方向への塑性流動を確実に抑制できる。

好ましくは、上記鍛造において上記スポーク部の少なくとも一部の領域で減肉が生じ、上記突条が上記スポーク部の減肉が生じる領域を通るように形成されている。これによれば、効率良くスポーク部の肉の径方向への塑性流動を抑制することができる。

また、本発明は、周方向に間隔をおいて配置されるとともに径方向に延びる複数のスポーク部と、これらスポーク部間に配置された複数の窓とを有する軽合金製のディスク素材を鋳造し、上記鋳造ディスク素材を第１，第２の一対の型で挟んで加圧し、上記スポーク部の減肉を伴うように鍛造することにより、ディスクを得る方法において、上記第１，第２型の少なくとも一方におけるスポーク部成形面に、上記スポーク部と交差する方向に延びる細長い突条を形成し、この突条により、上記鍛造時に上記スポーク部の余肉が径方向に塑性流動するのを抑制することを特徴とする。
この方法によれば、突条の案内作用により、上記鍛造時に上記スポーク部の余肉が径方向に塑性流動するのを抑制するので、鍛造されたディスクの周縁において上記スポーク部に対応する箇所が突出するのを効率良く回避ないしは抑制できる。

以上説明したように本発明の鍛造金型装置および鍛造方法によれば、鍛造されたディスクの周縁においてスポーク部に対応する箇所に突出等の変形が生じるのを回避ないしは抑制できる。

以下、本発明の第１実施形態をなすアルミ合金製（軽合金製）の車両用ホイールの製造方法について図１〜図８を参照しながら説明する。製造方法の説明に先立って、完成品であるアルミ合金製の車両用ホイール１について図１を参照しながら説明する。車両用ホイール１は、ディスク１０と、このディスク１０の周縁に一体に形成されたリム２０とを有している。

上記ディスク１０は、中央取付部１１と、この中央取付部１１から径方向，外方向に延びる複数本（本実施形態では５本）のスポーク部１２とを有している。これらスポーク部１２は周方向に等間隔をなして配置されており、スポーク部１２間には窓１３が形成されている。

上記中央取付部１１の中心部にはハブ穴１１ａが形成され、その周囲にはハブボルト挿通用の穴１１ｂが形成されている。

上記スポーク部１２の表側の面（ホイール１が車両に装着された時に車両の反対側に位置して露出する面）は、その横断面形状の輪郭がＵ字形をなして凸曲面となっている。

上記スポーク部１２の裏側の面（ホイール１が車両に装着された時に車両側に位置する面）には、スポーク部１２の長手方向（ディスク１０の径方向）に長い凹部１２ａが形成されている。凹部１２ａの両側縁に隣接する部位が、スポーク部１２の長手方向に延びるサイドリブ１２ｂとなっている。凹部１２ａの中央には、サイドリブ１２ｂより低いセンターリブ１２ｃが、スポーク部１２の長手方向に延びて形成されている。

上記サイドリブ１２ｂとセンターリブ１２ｃは平坦面を有している。凹部１２ａにおいてセンターリブ１２ｃに隣接した部位が他の部位に比べて薄肉となっている。この薄肉部位を符号１２ｄで示す。

スポーク部１２の裏側の面には、長手方向と直交する方向（スポーク部１２の幅方向，ディスク１０の周方向）に延びる複数（本実施形態では５本）の溝１２ｘが、長手方向にほぼ等間隔をなし互いに平行をなして形成されている。本実施形態では、これら溝１２ｘは、上記凹部１２ａの底面において上記薄肉部位１２ｄを通るようにして形成されている。

上記溝１２ｘの深さは、０．５〜８ｍｍとするのが好ましい。０．５ｍｍより浅いと後述する径方向への余肉流動抑制効果が発揮されず、８ｍｍより深いと上記効果が殆ど増大せずに強度の低下が生じるからである。薄肉部位１２ｄの厚さが３〜１０ｍｍの場合には、溝１２ｘの深さを０．５〜２ｍｍとするのが好ましい。

図７に最も良く示すように、溝１２ｘは、その両端に向かって徐々に深さが減少し、両端（本実施形態では凹部１２ａの両側縁）でゼロとなっている。これは応力集中を回避するためである。

上記溝１２ｘの幅は、０．５ｍｍ〜１５ｍｍである。この範囲を外れると、後述する径方向への余肉流動抑制効果が発揮されない。

上記溝１２ｘの横断面形状は、湾曲した形状例えば曲率半径が０．５〜１０ｍｍの円弧に近い形状をなしており、溝１２ｘと凹部１２ａの底面との境も湾曲面となっている。これにより、応力の集中を回避している。

上記溝１２ｘは、薄肉部位１２ｄを通れば１本でもよいが、本実施形態のように薄肉部位１２ｄがスポーク部１２の長手方向に延びている場合には、複数本形成するのが好ましい。溝１２ｘを複数本形成する場合には、溝１２ｘ間の間隔を３ｍｍ以上にするのが好ましい。

上記リム２０は両側縁に位置する一対のフランジ２１ａ，２１ｂと、このフランジ２１ａ，２１ｂ間に隣接するビードシート２２ａ，２２ｂと、ビードシート２２ａ，２２ｂ間に位置するリムドロップ２３とを有して薄肉に形成されている。

上記車両用ホイール１の製造工程について説明する。まず、図３，図５に示す形状の車両用ホイール素材１’を鋳造する。このホイール素材１’は、ディスク素材１０’とリム２０とを一体に有している。

鋳造直後には、ディスク素材１０’の中央には湯口に対応する湯口成形部が残っているが、鋳造後にホイール素材２のバリ取りを行なう際に、ディスク素材１０’の中央をくり抜いて湯口成形部を除去している。なお、湯口成形部を残したまま後述の鍛造を行ってもよい。

上記ディスク素材１０’は、上記最終製品のホイール１のディスク１０に近い形状をしており、対応する構成部には同番号を付してその詳細な説明を省略する。特に、ディスク素材１０’の全領域にわたる表側の面形状と、中央取付部１１の形状は、最終製品のディスク１０と殆ど同じである。

図５に最も良く示すように、ディスク素材１０’のスポーク部１２は、最終製品のディスク１０のスポーク部１２と基本的に似た形状であるが厚肉になっている。これは、鋳造時に十分な量の溶湯を通すために流通断面積を大きくする必要があるからである。

詳述すると、センターリブ１２ｃの高さ（符号Ｈ１で示す）は、最終製品のセンターリブ１２ｃとほぼ同じであるが、サイドリブ１２ｂの高さ（符号Ｈ２で示す）は、最終製品のサイドリブ１２ｂより高い。また、凹部１２ａにおいて、センターリブ１２ｃに隣接する部位１２ｄの厚み（符号Ｔｈで示す）は、最終製品の薄肉部位１２ｄより厚い。

次に、鋳造された上記ホイール素材１’におけるディスク素材１０’の鍛造について詳述する。この鍛造には、図２〜図４に示す金型装置が用いられる。この金型装置は、下型３０（第１型）と上型４０（第２型）とを備えている。

上記下型３０の上面は、成形面３１と、この成形面３１の周縁に形成された円環状の係止段差３２を有している。

上記成形面３１は、ディスク素材１０’の表側の面形状と略等しい。成形面３１は、スポーク部１２の表側の湾曲面形状に対応して複数の凹面３１ａ（下型のスポーク部成形面）を有している。スポーク部１２間の窓１３に対応する部位は、平坦面３１ｂとなっている。平坦面３１ｂは凹面３１ａの幅方向の両側縁に連なっている。

上記上型４０の下面は成形面４１を有している。この成形面４１の中央部は、上記ディスク素材１０’の中央取付部１１の裏側の面形状とほぼ等しい。さらに、成形面４１はスポーク部１２に対応した複数の凸面４１ａと、この凸面４１ａの幅方向両側縁に連なる平坦面４１ｂを有している。この凸面４１ａは２山形状をなし、その幅方向中央が平坦面４１ｃをなしている。

上記平坦面４１ｂは、凸面４１ａの両側縁に隣接する第１領域４１ｂ’と、この第１領域４１ｂ’に連なる第２領域４１ｂ”を有している。

上型４０の凸面４１ａと平坦面４１ｂの第１領域４１ｂ’は、上型４０のスポーク部成形面を提供し、上型４０が下死点にある時、下型３０の凹面３１ａと対峙する。また、上型４０が下死点にある時、上型４０の平坦面４１ｂの第２領域４１ｂ”は、ギャップ５０を介して下型３０の平坦面３１ｂと対峙する。本実施形態では、ギャップ５０は約１ｍｍである。

上記上型４０の成形面４１の凸面４１ａには、スポーク部１２の長手方向と直交する方向に延びる複数（本実施例では５本）の突条４１ｘが互いに平行をなして形成されている。これら突条４１ｘは、ディスク１０の溝１２ｘを成形するものであり、上記溝１２ｘに関する形状，寸法に関する記述は全て突条４１ｘに適用されるので、説明を省略する。なお、突条４１ｘの高さは溝１２ｘの深さに対応する。

鍛造に際して、まず図３に示すように、ディスク素材１０’を下型３０の成形面３１にセットする。この際、上記ディスク素材１０’の周縁が係止段差３２で係止される。

次に、上型４０を降下させてディスク素材１０’を加圧する。この際、スポーク部１２は、上型４０の凸面４１ａおよび平坦面４１ｂの第１領域４１ｂ’と下型３０の凹面３１ａとの間の成形空間で加圧されて減肉される。これにより、ディスク素材１０’のスポーク部１２は、図６に示すように成形される。減肉の量を理解するために、鍛造前のスポーク部１２の形状を想像線で示す。

上記上型４０の凸面４１ａは、スポーク部１２の凹部１２ａを成形する。上型４０の平坦面４１ｂの第１領域４１ｂ’は、平坦面を有するサイドリブ１２ｂを成形する。

センターリブ１２ｃの隣接部位１２ｄは、最も大きく減肉されて薄肉部位となる。この部位１２ｄは、薄肉にしてもスポーク部１２の強度に大きく影響を与えない。ここでの減肉量は６０％以下とする。６０％を超えると微小クラックが発生する可能性があるからである。本実施形態では、４０〜５０％である。この減肉によりスポーク部１２の軽量化を図ることができる。

サイドリブ１２ｂの高さＨ２は、上記鍛造により減少する。本実施形態では、約３ｍｍ減少する。これにより、サイドリブ１２ｂの組織は改質され鋳造時に生じた欠陥を解消するので、サイドリブ１２ｂの強度が向上する。

上記鍛造に際して、スポーク部１２の余肉は、上型４０の突条４１ｘにより、スポーク部１２の長手方向に沿う外向きの塑性流動を抑制され、これにより、成形部の面圧を上げることができ、巣の消滅と、意匠面の平滑性の確保を行なうことができる。

上記のように、スポーク部１２の余肉はスポーク部１２の長手方向への塑性流動を抑制されているが、それでも若干量は塑性流動しようとする。しかし、下型３０の係止段差３２によりディスク素材１０’の周縁が係止されているので、ディスク素材１０’の周縁の真円度を確保することができる。なお、この余肉の一部の塑性流動が係止段差３２で阻止されると、ディスク素材１０’に応力が生じ、その周縁部が反って下型３０の成形面３１の間から浮こうとする。しかし、上述したように突条４１ｘによりスポーク部１２の長手方向の塑性流動が抑制されているため、この反り量は微小であり、後述するスピニング加工や寸法出しにより解消することができる。

上記のように突条４１ｘにより径方向への塑性流動が抑制されているため、上記スポーク部１２の余肉の大部分は、スポーク部１２の幅方向すなわちディスク素材１０’の周方向（図４の矢印参照）に塑性流動し、下型３０の平坦面３１ｂと上型４０の平坦面４１ｂの第２領域４１ｂ”との間のギャップ５０へと逃げる。本実施形態では、上型４０の突条４１ｘは、この周方向の塑性流動を案内する役割も担う。この周方向の塑性流動の案内は径方向の塑性流動の抑制効果をより一層高める。

ギャップ５０へ逃げた余肉により図６に示すように窓１３の側縁にバリ５１が形成される。上型４０の突条４１ｘにより最終製品であるディスク１０の溝１２ｘが形成される。

なお、減肉量が小さい場合には、係止段差３２がなくてもディスク素材１０’の周縁の変形量を許容範囲に抑えることができ、また、ディスク素材１０’の周縁を係止段差３２で係止したとしても上述の周縁部の反りは生じない。

最後に、サイドリブ１２ｂを約１．５ｍｍ程度切削してバリ５１を除去し、図７，図８に示すディスク１０を得る。

上記ディスク素材１０’の鍛造の後、ハブ穴１１ａ，ハブボルト挿通用の穴１１ｂを形成し、必要に応じて寸法出しのための切削，表面処理を行なって最終製品である図１のホイール１を得る。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。これら実施形態において第１実施形態に対応する構成部には同番号を付してその詳細な説明を省略する。

図９に示す第２実施形態では、上型４０の凸面４１ａに、スポーク部１２の幅方向に延びる突条４１ｘに加えてスポーク部１２の長手方向に沿う突条を形成する。この場合、鍛造により、図９に示すようにスポーク部１２には長手方向に沿う溝１２ｙが形成される。第１実施形態のように、幅方向の突条４１ｘのみを有する場合に比べて、余肉の周方向への塑性流動が抑制されるため、径方向の塑性流動性の抑制効果は弱まるが、成形圧を上昇させる効果が得られる。

図１０に示す第３実施形態では、第１実施形態のセンターリブ１２ｃを省略し、スポーク部１２の最終形状を断面Ｕ字形になるように成形する。厚さは均一厚さにしてもよい。

また、第３実施形態では、上型の凸面に、向きの異なる傾斜突条を交差させて網目状に形成している。これにより、スポーク部１２の凹部１２ａには向きの異なる傾斜溝１２ｚが網目状に成形される。この場合、傾斜した突条のスポーク部１２の幅方向に対する傾斜角度は好ましくは４５°未満、より好ましくは２５°〜３５°にする。

本発明は上記実施形態に制約されず、種々の形態を採用可能である。例えば、上記実施形態では下型にディスク素材をセットし、上型を下降させてディスク素材を加圧鍛造したが、上型を固定し、下型を上昇させてディスク素材を加圧鍛造してもよい。また、上記実施形態の上型と下型を逆に配置してもよい。この場合、突条を形成した型にディスク素材がセットされることになる。また、ディスク素材を加圧鍛造する一対の型は水平方向に対峙するようにしてもよい。

ホイール素材は、最終製品のリムよりはるかに厚く形状も異なる筒形状のリム素材を有していてもよい。リム素材は、ディスク鍛造後にスピニング加工することにより、最終製品形状またはそれに近い形状のリムとなる。

上記実施形態において、上型に、筒形状の押さえ部、または円環状態に間隔をおいて複数配置された押さえ部を設けてもよい。この場合、鍛造時に上記押さえ部の内周がリムまたはリム素材の周縁に接し、押さえ部の先端縁が、段差３２の近傍のディスク素材の周縁部（リムフランジ部）を押し付ける。これにより、ディスク素材の周縁部およびリム（またはリム素材）の変形を、一層低減させることができる。

上記実施形態ではディスクとリムが一体をなす車両用ホイールについて説明したが、リムと別体をなす車両用ホイールのディスクを製造する方法に適用してもよい。また、車両用ホイール以外の用途に用いられるディスクの製造に適用してもよい。

本発明方法を用いて製造された車両用ホイールを裏側から見た斜視図である。 本発明方法の第１実施形態で用いられる鍛造金型装置の上型成形面の要部を示す斜視図である。 同金型装置を、ホイールの径方向に沿って断面にした図である。 同金型装置の要部をホイールの径方向と直交する方向に沿って断面にした図である。 鋳造後、鍛造前におけるディスク素材のスポーク部の拡大横断面図である。 鍛造後，バリ取り前におけるディスク素材のスポーク部の拡大横断面図である。 バリ取り後におけるディスク素材のスポーク部の拡大横断面図である。 ディスク素材の鍛造後におけるホイール素材の径方向断面図である。 本発明方法の第２実施形態により製造されたディスクを裏側から見た斜視図である。 本発明方法の第３実施形態により製造されたディスクのスポーク部を裏側から見た図である。

符号の説明

１ 車両用ホイール
１０ ディスク
１０’ ディスク素材
１２ スポーク部
１２ｘ 溝
１３ 窓
１０’ ディスク素材
３０ 下型（第１型）
３１ 成形面
３１ａ 凹面
３１ｂ 平坦面
４０ 上型（第２型）
４１ａ 凸面
４１ｂ 平坦面
４１ｂ’ 第１領域
４１ｂ” 第２領域
４１ｘ 突条
５０ ギャップ

Claims (9)

1. 周方向に間隔をおいて配置されるとともに径方向に延びる複数のスポーク部と、これらスポーク部間に配置された複数の窓とを有する軽合金製の鋳造ディスク素材を鍛造する金型装置において、
   上記鋳造ディスク素材を挟んで加圧することにより鍛造する第１，第２の一対の型を備え、
   上記第１，第２型の少なくとも一方のスポーク部成形面に、上記スポーク部の延び方向と交差する方向に延びる細長い突条を形成したことを特徴とするディスクの鍛造金型装置。
2. 上記ディスクが車両用ホイールのディスクであって、上記突条が上記第２型にのみ形成され、上記第２型が、上記ディスクの車両側の面を成形することを特徴とする請求項１に記載のディスクの鍛造金型装置。
3. 上記第１型には、円環状の係止段差が形成されており、上記鍛造の際に、上記デイスク素材の周縁がこの係止段差に係止されることを特徴とする請求項２に記載のディスクの鍛造金型装置。
4. 上記第１型は、スポーク部成形面として凹面を有するとともに、この凹面の両側縁に連なる平坦面とを有し、上記第２型の成形面は各スポーク部に対応して凸面とこの凸面の両側縁に連なる平坦面とを有し、
   上記第２型の平坦面は、上記凸面の両側縁に隣接する第１領域と、この第１領域に連なる第２領域とを有し、
   上記第２型の凸面および上記平坦面の第１領域は、上記スポーク部成形面として提供されて、上記第１型のスポーク部成形面である凹面と対峙し、
   上記第１型の平坦面と上記第２型の平坦面の第２領域との間には、上記スポーク部の余肉を逃がすための狭いギャップが形成され、
   上記突条は、上記第２型のスポーク部成形面において上記凸面にのみ形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のディスクの鍛造金型装置。
5. 上記突条が上記スポーク部の延び方向に間隔をおいて複数形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鍛造金型装置。
6. 上記突条が上記ディスク素材の延び方向と直交する方向に延びていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のディスクの鍛造金型装置。
7. 上記突条の高さが０．５ｍｍ〜８ｍｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のディスクの鍛造金型装置。
8. 上記鍛造において上記スポーク部の少なくとも一部の領域で減肉が生じ、上記突条が上記スポーク部の減肉が生じる領域を通るように形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のディスクの鍛造金型装置。
9. 周方向に間隔をおいて配置されるとともに径方向に延びる複数のスポーク部と、これらスポーク部間に配置された複数の窓とを有する軽合金製のディスク素材を鋳造し、
   上記鋳造ディスク素材を第１，第２の一対の型で挟んで加圧し、上記スポーク部の減肉を伴うように鍛造することにより、ディスクを得る方法において、
   上記第１，第２型の少なくとも一方におけるスポーク部成形面に、上記スポーク部と交差する方向に延びる細長い突条を形成し、この突条により、上記鍛造時に上記スポーク部の余肉が径方向に塑性流動するのを抑制することを特徴とするディスクの鍛造方法。

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