JP2015039723A - 車輪または車輪中心部の鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】品質を効果的に向上させると共にスポークの肉厚を薄くして鋳造サイクルを短縮することができる車輪または車輪中心部の鋳造方法を提供すること。【解決手段】低圧鋳造法を用いて車輪または車輪中心部を鋳造するにあたり、溶湯を金型内に注入した後、前記溶湯の凝固過程において輪芯中心部の穴加工を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、車両部品、特に車輪または車輪中心部の鋳造方法に関する。

シリンダーヘッドやアルミホイールなどの車両部品の製造に低圧鋳造法が用いられている。低圧鋳造法は、溶湯を加圧した状態で金型底部の湯口より下から上へ金型内に注入して凝固させることにより、鋳物を製造する方法である。溶湯に加える圧力は、通常、０．０２〜０．０９ＭＰａである。低圧鋳造法は、例えば、以下のような利点を有する。溶湯を下から上へ重力と逆方向に金型キャビティに注入するため、注入速度が安定かつ制御可能となり、空気の巻き込みや異物の混入を有効に抑えることができる。溶湯を加圧した状態で注入して凝固させるため、適当な冷却システムを組み合わせれば、金型キャビティ内への溶湯供給の点で有利であり、鋳物内部の欠陥を減らすことができる。寸法精度が良いため、輪郭が鮮明で良好な外観を有する鋳物を歩留まり良く形成することができる。設備と金型のコストが低いため、鋳物を安価に製造することができる。

これらの利点を有することから、低圧鋳造法は、車両部品、特に車輪または車輪中心部を製造する主要な方法になっている。車輪は、輪芯、スポークおよびリムからなる。低圧鋳造法で車輪を製造するには、輪芯、スポークおよびリムに対応する３つの金型キャビティに溶湯を順次注入した後、リム、スポーク、輪芯の順で、凝固と供給を繰り返す必要がある。車輪中心部は、輪芯およびスポークからなる。低圧鋳造法で車輪中心部を製造するには、輪芯およびスポークに対応する２つの金型キャビティに溶湯を順次注入した後、スポーク、輪芯の順で、凝固と供給を繰り返す必要がある。車輪と車輪中心部の構造的な特徴により、低圧鋳造法は、主に以下のような欠点を有する。湯道が長く順次凝固させる必要があるため、鋳造サイクルが長くなる。輪芯は、溶湯を最後に凝固させる必要があるため、製造時の肉厚が厚くなる。スポークは、溶湯の供給通路として、通常、設計上の肉厚を厚くしたり、製造時の肉厚を厚くしたりする必要があるため、輪芯とスポークの凝固が遅くなり、その結果、輪芯とスポークを構成する鋳物部分の結晶粒が大きくなり力学的性能が低下する。また、溶湯の凝固過程における供給効果が弱まるため、スポークにクサレが発生したり、スポークとリムの間のホットスポット部に収縮穴が発生したりする。

本発明は、前記従来の低圧鋳造法の欠点に鑑みてなされたものであって、その目的は、品質を効果的に向上させると共にスポークの肉厚を薄くして鋳造サイクルを短縮することができる車輪または車輪中心部の鋳造方法を提供することにある。

本発明の鋳造方法は、低圧鋳造法を用いて車輪または車輪中心部を鋳造する方法であって、溶湯を金型内に注入する工程と、前記溶湯の凝固過程において輪芯中心部の穴加工を上から下へ行う工程とを含むことを特徴とする。

ある態様では、前記金型は上型と下型を有しており、前記上型の中心位置に前記上型に対して上下動可能な棒状部材を設置し、前記棒状部材を前記溶湯内に押下して前記輪芯中心部の穴加工を行うことが好ましい。このとき、前記棒状部材の押下速度と押下量はサーボ圧力システムにより制御することが好ましい。好ましい穴加工条件として、前記棒状部材の押下速度を０．０００５〜０．０１ｍ／ｓに、前記棒状部材の押下圧力を１０〜１００ＭＰａに設定する。ある態様では、前記棒状部材が前記金型の湯口の鉛直上方に位置し、前記棒状部材の直径が前記湯口の直径より大きいことが好ましい。ある態様では、前記金型の湯口を強制的に冷却し、前記湯口近傍の溶湯を凝固させた後、前記穴加工を行うことが好ましい。

本発明の鋳造方法によれば、従来の低圧鋳造機に棒状部材を設置し、輪芯中心部の穴加工を行うことにより、溶湯の凝固過程における強制供給（「強制フィーディング」ともいう。）を実現することができる。その結果、車輪または車輪中心部の緻密性と力学的性能が向上する。また、生産効率や材料利用率が向上し、車輪中心部の穴加工工数が減少するため、コストダウンを図ることができる。しかも、実際の生産に利用しやすいという利点もある。

本発明の鋳造方法に使用可能な縦型鋳造機において、溶湯を注入する前の金型キャビティの状態を示す部分断面図である。 図１の縦型鋳造機において、穴加工を行う際の金型キャビティの状態を示す部分断面図である。

本発明の鋳造方法は、低圧鋳造法を用いて車輪または車輪中心部を鋳造する方法であって、溶湯を金型内に注入する工程と、前記溶湯の凝固過程において輪芯中心部の穴加工を行う工程とを含み、溶湯の凝固過程における強制供給を実現するものである。

ここで、「溶湯」とは、通常、流動状態の溶融金属または合金である。その具体例としては、低圧鋳造法に用いられるものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、アルミニウム基合金、マグネシウム基合金、チタン基合金、銅基合金などが挙げられる。低圧鋳造法を用いるため、溶湯は、通常、炉内に保持した坩堝内の溶湯表面を加圧することにより、給湯管（「ストーク」ともいう。）を通じて押し上げられ、金型内に注入される。金型内で鋳物が形成される空間は、通常、「金型キャビティ」と呼ばれる。それゆえ、溶湯を金型内に注入することを「溶湯を下から上へ金型キャビティに充填する」と表現することもできる。車輪または車輪中心の一構成要素である輪芯には、その中心部に穴を形成する必要がある。本発明の鋳造方法では、好ましくは溶湯の凝固過程において棒状部材を押し込むことにより穴を形成することから、輪芯中心部の穴加工を行うことを「輪芯中心部の加工穴に上から下への局部押出成形を実施する」と表現することもできる。この場合、棒状部材を「押出棒」と呼ぶこともある。

本発明の鋳造方法は、低圧鋳造法の利点を十分に活用するものである。つまり、金型キャビティに溶湯が穏やかに注入されるため、空気の巻き込みや異物の混入が抑制される。そして、凝固過程で穴加工を行えば、金型キャビティ全体に溶湯を強制供給することができ、加圧下で溶融金属が結晶化する共に凝固するため、微細な組織と良好な力学的性能を有する鋳物が得られる。

従来の低圧鋳造法では、車輪を形成する際に輪芯からスポークおよびスポークとリムの連結部に溶湯を確実に供給するために、スポークの肉厚を厚くすることにより、凝固過程における溶湯の供給通路を確保している。しかし、肉厚を厚くすると、この部分の凝固が遅くなるため、収縮穴が発生しやすくなる。これに対し、本発明の鋳造方法では、輪芯の穴加工を行って、輪芯からスポークおよびスポークとリムの連結部に溶湯を強制供給することにより、鋳物の緻密性と品質を向上させると共に、スポークの肉厚を適宜減少させ、鋳物の軽量化を実現することができる。

また、従来の低圧鋳造法では、車輪または車輪中心部に十分な溶湯を供給するために、輪芯の肉厚を厚くする必要がある。これに対し、本発明の鋳造方法では、輪芯の穴加工を行い、この部分の溶湯を利用して、輪芯からスポークおよびスポークとリムの連結部に溶湯を強制供給し、輪芯の凝固時間を短縮し、生産効率や材料利用率を向上させると共に、輪芯中心部の穴加工工数を減少させることができる。

さらに、本発明の鋳造方法は、低圧鋳造法に輪芯の穴加工を追加するだけであるため、品質を保証しつつ生産コストを大幅に低減することができる。

本発明の鋳造方法では、上型と下型を有する金型を用い、上型の中心位置に上型に対して上下動可能な棒状部材を設置し、棒状部材を前記溶湯内に押下して輪芯中央部の穴加工を行うことが好ましい。このようにすれば、外力で棒状部材を押下して溶湯を局部に押し込み、溶湯への押下力を有効に伝えることができ、さらに強い溶湯供給効果を発揮することができるからである。

棒状部材の一端にサーボ圧力システムを接続し、棒状部材の押下速度（「変位速度」ともいう。）と押下量（「変位量」ともいう。）をサーボ圧力システムにより制御すれば、溶湯の強制供給を定量的に制御することができる。サーボ圧力システムは、出力速度が安定しており、出力変位が高精度であるという特徴を有する。それゆえ、棒状部材を安定的な押下圧力（「押出圧力」ともいう。）により一定速度で精度良く移動させることができる。その結果、溶湯の強制供給を比較的理想の形で制御することができ、鋳物の緻密性と品質を一層向上させることができる。

棒状部材の好適な押下速度は、０．０００５〜０．０１ｍ／ｓである。棒状部材の押下速度がこの範囲内であれば、溶湯を十分に強制供給して、形状と肉厚の異なるスポークおよびリムを精度よく形成することができる。

棒状部材の好適な押下圧力は、１０〜１００ＭＰａである。棒状部材の押下圧力が低すぎると、溶湯を強制供給することができないことがある。逆に、棒状部材の押下圧力が高すぎると、鋳物が変形したり、金型に高い圧力が加わったりすることがある。

棒状部材を設置する位置は、金型底部に設けられた湯口（「裏湯口」ともいう。）の鉛直上方（通常、略真上）であることが好ましい。また、棒状部材の直径は、湯口の直径より大きいことが好ましい。穴加工時に棒状部材が下方に移動する際に、十分な押下力が湯口に作用して、鋳物が金型から容易に分離するようにし、かつ溶湯の供給通路が詰まることを防止するためである。

本発明の鋳造方法では、溶湯を金型キャビティに注入した後、金型の湯口を強制的に冷却し、湯口近傍の溶湯を凝固させた後、溶湯の供給通路（「溶湯流路」ともいう。）を遮断してから、穴加工を行うことが好ましい。穴加工の際に、金型キャビティ内の溶湯が給湯管を通じて坩堝に逆流することを防止し、溶湯の強制供給を確実にするためである。

本発明の鋳造方法は、自動車や自転車などの車両部品、特に車輪または車輪中心部の鋳造に有用である。

以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

下記実施例１〜３では、本発明の鋳造方法により、自動車の車輪を製造した。なお、低圧鋳造機として、ＹＺ０２型の縦型鋳造機を採用し、サーボ圧力システムとして、型番ＥＸＬＡＲ−ＦＴ８０のサーボ圧力機を用いた。

前記縦型鋳造機の主要部を図１および２に示す。図１は溶湯を注入する前の金型キャビティの状態を示す図であり、図２は、図１の縦型鋳造機において、穴加工を行う際の金型キャビティの状態を示す図である。金型キャビティ１は上型２、横型５および下型６から形成される。上型２と横型５は可動金型、下型６は固定金型である。湯口４は下型６の底部中央に位置する。溶湯は湯口４より下から上へ金型内に注入される。上型２の中心位置には、棒状部材３が設置されている。棒状部材３は、上型２に対して上下動可能である。棒状部材３を上型２から下へ伸ばして金型キャビティ１内の溶湯に押下することにより、輪芯中心部の穴加工を上から下へ行うことができる。棒状部材３の上端には、好ましくはサーボ圧力システムの出力端子が接続されており、サーボ圧力システムにより棒状部材の押下速度と押下量を制御することができる。

≪実施例１≫
まず、上型２、横型５および下型６からなる金型を予熱する。上型２および横型５を移動させて金型を閉め、型締め力を加えて図１に示す状態とする。次いで、溶湯を金型底部の湯口４から金型内に注入し、溶湯を下から上へ金型キャビティ１に充填する。湯口４を強制的に冷却して湯口４近傍の溶湯を凝固させ、溶湯流路を遮断する。溶湯を冷却して液体と固体が混合した半固体状態になった段階で、サーボ圧力機により棒状部材３を移動させて穴加工を行う。このとき、棒状部材３の押下速度を０．０００５ｍ／ｓ、押下圧力を１０ＭＰａに設定する。穴加工を行う際の金型キャビティ１の状態を図２に示す。溶湯が凝固するまで圧力を保持する。溶湯が凝固した後、サーボ圧力機により棒状部材３を上へ移動させる。型締め力を解除し、金型を開けて鋳物を取り出す。金型を閉める段階から前記手順を繰り返し、次の鋳造サイクルに入る。

≪実施例２≫
まず、上型２、横型５および下型６からなる金型を予熱する。上型２および横型５を移動させて金型を閉め、型締め力を加えて図１に示す状態とする。次いで、溶湯を金型底部の湯口４から金型内に注入し、溶湯を下から上へ金型キャビティ１に充填する。湯口４を強制的に冷却して湯口４近傍の溶湯を凝固させ、溶湯流路を遮断する。溶湯を冷却して液体と固体が混合した半固体状態になった段階で、サーボ圧力機により棒状部材３を移動させて穴加工を行う。このとき、棒状部材３の押下速度を０．００５ｍ／ｓ、押下圧力を４０ＭＰａに設定する。穴加工を行う際の金型キャビティ１の状態を図２に示す。溶湯が凝固するまで圧力を保持する。溶湯が凝固した後、サーボ圧力機により棒状部材３を上へ移動させる。型締め力を解除し、金型を開けて鋳物を取り出す。金型を閉める段階から前記手順を繰り返し、次の鋳造サイクルに入る。

≪実施例３≫
まず、上型２、横型５および下型６からなる金型を予熱する。上型２および横型５を移動させて金型を閉め、型締め力を加えて図１に示す状態とする。次いで、溶湯を金型底部の湯口４から金型内に注入し、溶湯を下から上へ金型キャビティ１に充填する。湯口４を強制的に冷却して湯口４近傍の溶湯を凝固させ、溶湯流路を遮断する。溶湯を冷却して液体と固体が混合した半固体状態になった段階で、サーボ圧力機により棒状部材３を移動させて穴加工を行う。このとき、棒状部材３の押下速度を０．０１ｍ／ｓ、押下圧力を１００ＭＰａに設定する。穴加工を行う際の金型キャビティ１の状態を図２に示す。溶湯が凝固するまで圧力を保持する。溶湯が凝固した後、サーボ圧力機により棒状部材３を上へ移動させる。型締め力を解除し、金型を開けて鋳物を取り出す。金型を閉める段階から前記手順を繰り返し、次の鋳造サイクルに入る。

本発明の鋳造方法は、車両部品、特に車輪または車輪中心部の鋳造に有用であり、車両部品の製造分野で多大の貢献をなすものである。

１ 金型キャビティ
２ 上型
３ 棒状部材
４ 湯口
５ 横型
６ 下型

Claims (7)

1. 低圧鋳造法を用いて車輪または車輪中心部を鋳造する方法であって、溶湯を金型内に注入する工程と、前記溶湯の凝固過程において輪芯中心部の穴加工を行う工程とを含むことを特徴とする鋳造方法。
2. 前記金型は上型と下型を有しており、前記上型の中心位置に前記上型に対して上下動可能な棒状部材を設置し、前記棒状部材を前記溶湯内に押下して前記輪芯中心部の穴加工を行う請求項１に記載の鋳造方法。
3. 前記棒状部材の押下速度と押下量をサーボ圧力システムにより制御する請求項２に記載の鋳造方法。
4. 前記棒状部材の押下速度を０．０００５〜０．０１ｍ／ｓに設定する請求項２または３に記載の鋳造方法。
5. 前記棒状部材の押下圧力を１０〜１００ＭＰａに設定する請求項２〜４のいずれか１項に記載の鋳造方法。
6. 前記棒状部材が前記金型の湯口の鉛直上方に位置し、前記棒状部材の直径が前記湯口の直径より大きい請求項２〜５のいずれか１項に記載の鋳造方法。
7. 前記金型の湯口を冷却し、前記湯口近傍の溶湯を凝固させた後、前記穴加工を行う請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋳造方法。