JP2017226005A - 乗用車用ホイールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造時における冷却時間を短縮する点において有利であり、リム中央部とその近傍の材料強度（機械的性質）を改善した、乗用車用ホイールの製造方法の提供。
【解決手段】鋳型キャビティ３２に注入された溶湯Ｗが、リム原形部１２のディスク部側リム原形端部１２ａと反ディスク部側リム原形端部１２ｂとの双方から、リム原形部１２の幅方向中央に向って凝固するように冷却が施される。そのため、リム原形部１２の幅方向の一方から他方に向って凝固する場合に比べて、冷却時間を短縮でき、生産性が向上する。リム原形部の少なくとも幅方向中間部に減肉を伴う塑性加工を施すことで、凝固が遅く欠陥が残りやすいリム中央部とその近傍の材料強度（機械的性質）を改善させることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、重力鋳造工程を有する乗用車用ホイールの製造方法に関する。

特許第５２０５６５５号公報は、傾動式の重力鋳造装置を用いて行う乗用車用ホイールの製造方法を開示している。詳しくは、湯口から湯道を通して鋳型内のキャビティに溶湯を充填した後、遮蔽手段により湯道を遮蔽し、ガス供給手段によりガス口から鋳型内にガスを供給して鋳型内の溶湯をガス加圧する技術を開示している。

しかし、上記の公報開示の技術には次の問題点がある。
リム部を形作る鋳型キャビティ部分の溶湯を凝固させる順序は、リム部の鋳造時における冷却時間に影響を及ぼすものである。しかし、上記公報には、リム部を形作る鋳型キャビティ部分の溶湯を凝固させる順序についての記載がない。そのため、鋳造時における冷却時間を短縮する点において改善の余地がある。また、凝固が遅く欠陥が残りやすいリム中央部とその近傍の材料強度（機械的性質）を改善させる必要がある。

特許第５２０５６５５号公報

本発明の目的は、鋳造時における冷却時間を短縮する点において有利であり、リム中央部とその近傍の材料強度（機械的性質）を改善した、乗用車用ホイールの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） ディスク原形部とリム原形部とを備える中間素材を、重力鋳造により鋳造する重力鋳造工程を有し、
重力鋳造工程では、鋳型キャビティに溶湯を注入した後、鋳型キャビティに注入された溶湯が、リム原形部の幅方向の一方の端部であるディスク部側リム原形端部と他方の端部である反ディスク部側リム原形端部との双方から、リム原形部の幅方向中央に向って凝固するように冷却が施され、
重力鋳造工程後に、リム原形部の少なくとも幅方向中間部に減肉を伴う塑性加工を施してリム部を形成する塑性加工工程を有する、乗用車用ホイールの製造方法。
（２） 塑性加工工程で施される塑性加工は、フローフォーミング加工である、（１）記載の乗用車用ホイールの製造方法。
（３） 重力鋳造工程では、ディスク部側リム原形端部を形作る鋳型キャビティ部分より反ディスク部側リム原形端部を形作る鋳型キャビティ部分が上側となる状態で鋳型キャビティに溶湯が注入されており、反ディスク部側リム原形端部からリム原形部の幅方向中央に向う凝固は、反ディスク部側リム原形端部を形作る鋳型キャビティの上部にある押湯形成空間に溶湯を加圧するガスを供給することで行われる、（１）または（２）に記載の乗用車用ホイールの製造方法。
（４） ガスは、反ディスク部側リム原形端部を形作る鋳型キャビティ部分に充填した溶湯が所定温度まで低下したときに供給開始される、（３）記載の乗用車用ホイールの製造方法。
（５） 重力鋳造工程は、溶湯を貯留するホッパーを有し、ホッパー内に溶湯を貯留する倒設状態と、ホッパー内の溶湯を湯口から鋳型キャビティに注ぎ込み鋳造を行う立設状態と、の間で傾動可能である傾動式重力鋳造装置を用いて行われる、（１）〜（４）のいずれか１つに記載の乗用車用ホイールの製造方法。

上記（１）または（２）の乗用車用ホイールの製造方法によれば、鋳型キャビティに注入された溶湯が、ディスク部側リム原形端部と反ディスク部側リム原形端部との双方から、リム原形部の幅方向中央に向って凝固するように冷却が施されるため、リム原形部の幅方向の一方から他方に向って凝固する場合に比べて、冷却時間を短縮でき、生産性が向上する。
さらに、重力鋳造工程後に、リム原形部の少なくとも幅方向中間部に減肉を伴う塑性加工を施してリム部を形成する塑性加工工程を有するため、リム部の軽量化が可能となり、その結果ホイール全体の軽量化を図ることができる。さらに、凝固が遅く欠陥が残りやすいリム中央部とその近傍の材料強度（機械的性質）を改善させることができる。

上記（３）の乗用車用ホイールの製造方法によれば、反ディスク部側リム原形端部からリム原形部の幅方向中央に向う凝固は、反ディスク部側リム原形端部を形作る鋳型キャビティの上部にある押湯形成空間にガスを供給することで行われるため、重力鋳造で必要とされる押湯量を削減でき、生産性向上、コスト低減を図ることができる。

上記（４）の乗用車用ホイールの製造方法によれば、ガスは、反ディスク部側リム原形端部を形作る鋳型キャビティ部分に充填した溶湯が所定温度まで低下したときに供給開始されるため、適切なタイミングで溶湯をガス加圧することができる。また、リム原形部の凝固組織および形状を適切な状態にすることができる。

上記（５）の乗用車用ホイールの製造方法によれば、重力鋳造工程が傾動式重力鋳造装置を用いて行われるため、鋳型に溶湯を注入するための湯道を満たす溶湯量が少なくて済み、コスト低減を図ることができる。

本発明実施例の乗用車ホイールの製造方法で用いられる重力鋳造装置の、倒設状態にあるときにおける断面図である。 本発明実施例の乗用車ホイールの製造方法で用いられる重力鋳造装置の、倒設状態と立設状態との間の途中にあるときにおける断面図である。 本発明実施例の乗用車ホイールの製造方法で用いられる重力鋳造装置の、立設状態にあるときにおける断面図である。 本発明実施例の乗用車ホイールの製造方法で用いられる重力鋳造装置の、湯道が遮蔽手段によって遮蔽された状態にあるときにおける断面図である。 本発明実施例の乗用車ホイールの製造方法で用いられる重力鋳造装置の、ガスを注入して溶湯を凝固させるときにおける断面図である。 本発明実施例の乗用車ホイールの製造方法における重力鋳造工程で鋳造される中間素材の断面図である。 本発明実施例の乗用車用ホイールの製造方法における塑性加工工程で用いられる塑性加工装置の断面図である。なお、図面の明瞭化のために、装置の断面表示は省略している。 本発明実施例の乗用車用ホイールの製造方法における塑性加工工程後の素材断面図である。

以下に、本発明実施例の乗用車用ホイールの製造方法を、図面を参照して、説明する。乗用車用ホイール（以下、単にホイールともいう）１は、アルミニウム合金製であり、図８に示すように、ディスク部２とリム部３とが一体となっているホイールである。

本発明実施例の乗用車用ホイールの製造方法は、（ａ）図１〜図６に示すように、ディスク原形部１１とリム原形部１２とを備える中間素材（中間生成体またはプリフォームといってもよい）１０を重力鋳造により鋳造する重力鋳造工程と、（ｂ）図７、図８に示すように、中間素材１０のリム原形部１２を塑性加工してリム部３を形成する塑性加工工程と、を有する。

上記（ａ）の重力鋳造工程は、図１〜図３に示すように、重力鋳造装置３０を用いて行われる。重力鋳造装置３０は、鋳型３１を有する。鋳型３１は、下型３１ａと上型３１ｂと横型３１ｃを備えており、これらの型３１ａ、３１ｂ、３１ｃを油圧シリンダ等により結合することで、鋳造品（中間素材１０）を鋳造するキャビティ（鋳造空間）３２を形成する。重力鋳造装置３０は、溶湯Ｗを貯留するホッパー３３を有し、ホッパー３３内に溶湯Ｗを貯留する倒設状態３０ａ（図１）と、ホッパー３３内の溶湯Ｗを湯口３４からキャビティ３２に注ぎ込み鋳造を行う立設状態３０ｂ（図３）と、の間で傾動可能である傾動式重力鋳造装置である。湯口３４は、１個のみ設けられており、鋳型３１が立設状態３０ｂにあるときにおける上型３１ｂまたは横型３１ｃの上面に形成されている。ホッパー３３と湯口３４との間には、単一の湯道３５を備える開閉体３６がスライド可能に設けられており、開閉体３６が油圧シリンダ３６ａ等でスライドすることで湯口３４を開閉可能となっている。

開閉体３６が湯口３４を開いている状態で、図１に示す倒設状態３０ａから、図２の斜めの状態を経て図３に示す略９０度起き上がらせた立設状態３０ｂまで鋳型３１を回転させることで、ホッパー３３に貯留されていた溶湯Ｗは、ホッパー３３から単一の湯道３５および単一の湯口３４を通って、キャビティ３２に注ぎ込まれる。

キャビティ３２は、鋳型３０が立設状態３０ｂにあるときにおける、下型３１ａと上型３１ｂとの間に形成されたディスク原形部成形用空間３２ａと、下型３１ａおよび上型３１ｂの外周面と横型３１ｃの内周面間に形成されたリム原形部成形用空間３２ｂと、を有する。両空間３２ａ、３２ｂはつながっており、ディスク原形部成形用空間３２ａの溶湯Ｗが凝固して図６に示されるディスク原形部１１（ホイール１のディスク部２となる部分）が成形され、リム原形部成形用空間３２ｂの溶湯Ｗが凝固して図６に示されるリム原形部１２（ホイール１のリム部３となる部分）が成形される。

リム原形部成形用空間３２ｂは、図１〜図３に示すように、リム原形部１２の幅方向の一方の端部であるディスク部側リム原端形部１２ａを成形する第１部分３２ｂ１と、リム原形部１２の幅方向の他方の端部である反ディスク部側リム原形端部１２ｂを成形する第２部分３２ｂ２と、リム原形部１２の幅方向中央部を含んで第１部分３２ｂ１と第２部分３２ｂ２との間の部分（幅方向中間部１２ｃ）を成形する第３の部分３２ｂ３と、を備える。

第１部分３２ｂ１は、リム部３の対応箇所に近い形状である。第２部分３２ｂ２および第３部分３２ｂ３は、リム部３の対応箇所とは異なる形状であり、リム部３の対応箇所より厚くなっている。詳しくは、第２部分３２ｂ２および第３部分３２ｂ３は、先端（第１部分３２ｂ１から離れる方向）に向って広がる（径大となる）円錐形状となっている。なお、第２部分３２ｂ２は、リム部３の対応箇所に近い形状とされていてもよい。

重力鋳造装置３０は、ディスク部側リム原形端部１２ａを形作る鋳型キャビティ部分である第１部分３２ｂ１より、反ディスク部側リム原形端部１２ｂを形作る鋳型キャビティ部分である第２部分３２ｂ２が上側となる状態で、キャビティ３２に溶湯Ｗが注入されるようになっている。

重力鋳造装置３０は、さらに、鋳型３１内にガスを供給するガス供給部３７を有する。ガス供給部３７は、図５に示すように、鋳型３１の押湯形成空間（キャビティ３２の上部空間）３２ｃにガスを供給する。ガス供給部３７は、第１、第２のガス供給部３７ａ、３７ｂを有している。第１、第２のガス供給部３７ａ、３７ｂは、ガスの供給タイミングを異ならせることができるように互いに独立して設けられていてもよく、ガスの供給タイミングを等しくするように一体的に設けられていてもよい。第１のガス供給部３７ａは、ディスク原形部成形用空間３２ａの上部に形成される第１の押湯形成空間３２ｃ１にガスを供給する。第２のガス供給部３７ｂは、リム原形部成形用空間３２ｂの第２部分３２ｂ２の上部に形成される第２の押湯形成空間３２ｃ２にガスを供給する。供給されるガスは、たとえば、空気、不活性ガス等である。ガス供給部３７から押湯形成空間３２ｃにガスが供給されることで、溶湯Ｗが加圧される。

上記（ａ）の重力鋳造工程では、キャビティ３２内に溶湯Ｗを注入した後、キャビティ３２内に注入された溶湯Ｗが、リム原形部１２の一方の端部であるディスク部側リム原形端部１２ａと他方の端部である反ディスク部側リム原形端部１２ｂとの双方から、リム原形部１２の幅方向中央に向って凝固するように冷却が施される。

ディスク部側リム原形端部１２ａは、キャビティ３２の閉塞されている先端部分（第１部分３２ｂ１）で成形されるため、溶湯Ｗが注入されると真先に凝固し始める。そのため、ディスク部側リム原形端部１２ａからリム原形部１２の幅方向中央に向う凝固は、溶湯Ｗをキャビティ３２に注入するだけで自然に行われる。

反ディスク部側リム原形端部１２ｂからリム原形部１２の幅方向中央に向う凝固は、反ディスク部側リム原形端部１２ｂを成形する第２部分３２ｂ２の上部にある第２の押湯形成空間３２ｃ２に溶湯Ｗを加圧するガスを供給することで行われる。反ディスク部側リム原形端部１２ｂからリム原形部１２の幅方向中央に向って凝固するように、ガスの温度、供給量、供給時間を制御する。ガスは、第２のガス供給部３７ｂから供給され、溶湯Ｗを凝固させるのに十分な温度とされており、第２部分３２ｂ２に充填した溶湯Ｗが所定温度まで低下したときに供給開始される。なお、この「所定温度」は、溶湯Ｗの材料の凝固点よりも高く、キャビティ３２内の溶湯Ｗをガス加圧した際に溶湯Ｗの表面が飛び散らない程度の粘度を維持できる温度である。

通常の重力鋳造では、溶湯の凝固は、湯口３４から最も遠いディスク原形部１１で始まり、リム原形部１２の下部（ディスク部側リム原形端部１２ａ）、中間部（幅方向中間部１２ｃ）、上部（反ディスク部側リム原形端部１２ｂ）の順に進み、さらに押湯部に向って進む。しかし、本発明では、鋳型３１に溶湯Ｗが満たされた後、開閉体３６をスライドさせて湯口３４を閉じた後、第２の押湯形成空間３２ｃ２に所定温度以下のガスを注入し、反ディスク部側リム原形端部１２ｂから溶湯Ｗを冷却する。そのため、溶湯Ｗの凝固は、湯口３４から最も遠いディスク原形部１１で始まり、その後、リム原形部１２の上部（反ディスク部側リム原形端部１２ｂ）で始まる。ディスク原形部１１から始まった凝固は、リム原形部１２の下部（ディスク部側リム原形端部１２ａ）、中間部（幅方向中間部１２ｃ）の順に進み、リム原形部１２の上部（反ディスク部側リム原形端部１２ｂ）から始まった凝固は中間部（幅方向中間部１２ｃ）に向かって進む。すなわち、幅方向中間部１２ｃの凝固が最後となる。そのため、幅方向中間部１２ｃに巣ができるおそれがある。この巣を除去する（潰す）ことを目的の一つとして上記（ｂ）の塑性加工工程が行われる。

上記（ａ）の重力鋳造工程にて中間素材１０を成形した後、鋳造時のバリ取り、ディスク原形部１１の中央にハブ穴の粗加工を行う前加工工程を経て、上記（ｂ）の塑性加工工程が行われる。

上記（ｂ）の塑性加工工程は、図７、図８に示すように、リム原形部１２の少なくとも幅方向中間部１２ｃの幅方向中央部またはその近傍の加工を行う。塑性加工工程では、リム原形部１２の少なくとも幅方向中間部１２ｃに減肉を伴う塑性加工を施してリム部３を形成する。塑性加工工程で施される塑性加工は、スピニング加工（フローフォーミング加工）である。スピニング加工は、リム部３の形状に近い形状のマンドレル４０に中間素材１０をセットして回転させ、スピニングロール４１をマンドレル４０の形状に沿ってマンドレル４０の軸方向（中間素材１０の軸方向、ホイール１の軸方向と同じ）に移動させることで行われる。本発明図示例では、塑性加工は、リム原形部１２のディスク部側リム原形端部１２ａには行われず、リム原形部１２の幅方向中央部１２ｃと反ディスク部側リム原形端部１２ｂの両方に行われる場合を示しているが、反ディスク部側リム原形端部１２ｂの形状が最終形状のリム部形状の対応箇所に近い形状とされている場合、反ディスク部側リム原形端部１２ｂの塑性加工は不要である。

本発明実施例の乗用車用ホイールの製造方法は、さらに、上記（ｂ）の工程後に、溶体化工程、時効工程、仕上げ切削加工、塗装の各工程を、この順に有していてもよい。なお、溶体化工程は、上記（ａ）の重力鋳造工程の後であり時効工程の前であれば、どの順番であってもよい。

つぎに、本発明全実施例の作用、効果を説明する。
本発明実施例では、重力鋳造工程において、鋳型キャビティ３２内に注入された溶湯Ｗが、ディスク部側リム原形端部１２ａと反ディスク部側リム原形端部１２ｂとの双方から、リム原形部１２の幅方向中央に向って凝固するように冷却が施されるため、リム原形部１２の幅方向の一方から他方に向って順に凝固する場合に比べて、冷却時間を短縮でき、生産性が向上する。

重力鋳造工程後に、リム原形部１２の少なくとも幅方向中間部１２ｃに減肉を伴う塑性加工を施してリム部３を形成する塑性加工工程を有するため、リム部３の軽量化が可能となり、その結果ホイール全体の軽量化を図ることができる。さらに、凝固が遅く欠陥が残りやすいリム中央部とその近傍の材料強度（機械的性質）を改善させることができる。

反ディスク部側リム原形端部１２ｂからリム原形部１２の幅方向中央に向う凝固は、反ディスク部側リム原形端部１２ｂを形作る鋳型キャビティ（第２の部分３２ｂ２）の上部にある押湯形成空間（第２の押湯形成空間３２ｃ２）にガスを供給することで行われるため、重力鋳造で必要とされる押湯を削減でき、生産性向上、コスト低減を図ることができる。

ガスは、反ディスク部側リム原形端部１２ｂを形作る鋳型キャビティ部分（第２の部分３２ｂ２）に充填した溶湯Ｗが所定温度まで低下したときに供給開始されるため、リム原形部１２の機械的性質を向上させることができる。

重力鋳造工程が傾動式重力鋳造装置３０を用いて行われるため、鋳型３１に溶湯Ｗを注入するための湯道３５を満たす溶湯量が少なくて済み、コスト低減を図ることができる。

本発明実施例では、重力鋳造装置３０が傾動式重力鋳造装置であり、この傾動式重力鋳造装置３０を用いて中間素材１０を鋳造する方法を説明したが、重力鋳造装置３０は、傾動しない固定式であり柄杓等を用いて湯口３４から溶湯Ｗをキャビティ３２に直接注入する装置であってもよい。

１ 乗用車用ホイール
２ ディスク部
３ リム部
１０ 中間素材
１１ ディスク原形部
１２ リム原形部
１２ａ ディスク部側リム原形端部
１２ｂ 反ディスク部側リム原形端部
１２ｃ 幅方向中間部
３０ 重力鋳造装置
３０ａ 倒設状態
３０ｂ 立設状態
３１ 鋳型
３１ａ 下型
３１ｂ 上型
３１ｃ 横型
３２ キャビティ
３２ａ ディスク原形部成形用空間
３２ｂ リム原形部成形用空間
３２ｂ１ 第１部分
３２ｂ２ 第２部分
３２ｂ３ 第３部分
３２ｃ 押湯形成空間
３２ｃ１ 第１の押湯形成空間
３２ｃ２ 第２の押湯形成空間
３３ ホッパー
３４ 湯口
３５ 湯道
３６ 開閉体
３７ ガス供給部
３７ａ 第１のガス供給部
３７ｂ 第２のガス供給部
４０ マンドレル
４１ スピニングロール
Ｗ 溶湯

Claims (5)

1. ディスク原形部とリム原形部とを備える中間素材を、重力鋳造により鋳造する重力鋳造工程を有し、
   重力鋳造工程では、鋳型キャビティに溶湯を注入した後、鋳型キャビティに注入された溶湯が、リム原形部の幅方向の一方の端部であるディスク部側リム原形端部と他方の端部である反ディスク部側リム原形端部との双方から、リム原形部の幅方向中央に向って凝固するように冷却が施され、
   重力鋳造工程後に、リム原形部の少なくとも幅方向中間部に減肉を伴う塑性加工を施してリム部を形成する塑性加工工程を有する、乗用車用ホイールの製造方法。
2. 塑性加工工程で施される塑性加工は、フローフォーミング加工である、請求項１記載の乗用車用ホイールの製造方法。
3. 重力鋳造工程では、ディスク部側リム原形端部を形作る鋳型キャビティ部分より反ディスク部側リム原形端部を形作る鋳型キャビティ部分が上側となる状態で鋳型キャビティに溶湯が注入されており、反ディスク部側リム原形端部からリム原形部の幅方向中央に向う凝固は、反ディスク部側リム原形端部を形作る鋳型キャビティの上部にある押湯形成空間に溶湯を加圧するガスを供給することで行われる、請求項１または請求項２に記載の乗用車用ホイールの製造方法。
4. ガスは、反ディスク部側リム原形端部を形作る鋳型キャビティ部分に充填した溶湯が所定温度まで低下したときに供給開始される、請求項３記載の乗用車用ホイールの製造方法。
5. 重力鋳造工程は、溶湯を貯留するホッパーを有し、ホッパー内に溶湯を貯留する倒設状態と、ホッパー内の溶湯を湯口から鋳型キャビティに注ぎ込み鋳造を行う立設状態と、の間で傾動可能である傾動式重力鋳造装置を用いて行われる、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の乗用車用ホイールの製造方法。

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