JP2018075624A - アルミニウム合金部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間でかつ品質のよい製造を可能にするアルミニウム合金部品、及びその製造方法を提供する。【解決手段】アルミニウム合金をダイカスト鋳造加工して最終形状に近い中間体を成形するダイカスト鋳造工程１と、ダイカスト鋳造工程１において成形した中間体を冷間鍛造加工して最終形状に成形する冷間鍛造工程３と、を有する製造方法により、アルミニウム合金から駆動用ギヤ等のアルミニウム合金部品を製造する。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金により製造されるアルミニウム合金部品、及びその製造方法に関する。

近年、車両等の各種機器において、軽量化を図るため、アルミニウム合金を素材として製造された部品が使用されてきている。アルミニウム合金により部品を製造する方法としては、鋳造、鍛造、切削等の各種加工方法が知られている。

例えばギヤのように複雑な形状で精度を要する部品を製造する場合には、切削加工が適している。しかし、複雑な形状を製造する場合には、切削加工では製造時間が大幅に増加し、その結果部品コストの増加を招いてしまう。そこで、まず素材であるアルミニウム合金を鋳造加工により最終形状に近い形状に成形し、その後切削加工により最終形状に成形する方法が考えられる。

また、特許文献１には、素材であるアルミニウム合金を鋳造加工して部品の外形を成形する鋳造工程と、当該鋳造工程により成形した部品をプレス機により加圧して最終形状に成形する鍛造工程と、を有するアルミニウム合金部品の製造方法が開示されている。特許文献１に開示された製造方法では、鋳造加工により最終形状に近い形状に部品を短時間で成形し、その後に鍛造加工によって部品の細かな形状を短時間で比較的精度よく成形することができる。

特開平１１−４７８６９号公報

しかしながら、上記のように、鋳造加工の後に切削加工を実行してアルミニウム合金部品を製造する方法では、特に複雑な形状の製品を製造する場合では、依然として切削工程の作業時間を多く必要とすることから、更なる製造時間の低減が要求されている。

また、特許文献１における製造方法では、鍛造加工の際に延びを確保するため素材を設定しているので、鋳造工程における溶融したアルミニウム合金の流動性、所謂湯流れ性が十分なものではない。したがって、鋳造工程において湯皺や湯境などの欠陥が発生する可能性があり、製品の品質が低下する虞がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、短時間でかつ品質のよい製造を可能にするアルミニウム合金部品、及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のアルミニウム合金部品の製造方法は、アルミニウム合金をダイカスト鋳造加工して中間体を成形する鋳造工程と、前記鋳造工程により成形した前記中間体を冷間鍛造加工する鍛造工程と、を有する。

このように構成したアルミニウム合金部品の製造方法によれば、始めに鋳造工程におけるダイカスト鋳造加工により最終形状に近い形状の中間体を短時間で成形することができる。そして、この中間体を、鍛造工程における冷間鍛造加工により短時間で精度の高い形状の、かつ強度の高いアルミニウム合金部品を製造することができる。

ダイカスト鋳造工程においては、溶融されたアルミニウム合金が金型内に注湯された際に急速に冷却する。したがって、ダイカスト鋳造加工後の中間体の圧延性を向上させることができ、その後の冷間鍛造加工を良好に行なうことができる。また、冷間鍛造加工を行なうことで、熱間鍛造加工よりも加工後のアルミニウム合金部品の温度変化に伴う形状変化を抑え、部品精度を向上させることができる。

また、アルミニウム合金は、Ｓｉを４．０〜６．５重量％含有することが望ましい。

これにより、Ｓｉを４．０〜６．５重量％含有することで、溶融状態でのアルミニウム合金の流動性を向上させ、鋳造工程における注湯を良好に行なうことができる。

また、アルミニウム合金は、Ｆｅを０．２１〜０．７重量％含有することが望ましい。

これにより、鋳造工程におけるアルミニウム合金と金型との焼き付けを防止することができる。

また、本発明のアルミニウム合金部品は、アルミニウム合金をダイカスト鋳造加工して中間体を成形し、当該中間体を冷間鍛造加工して成形される。

これにより、ダイカスト鋳造加工により最終形状に近い形状の中間体を短時間で成形することができる。更に、この中間体を冷間鍛造加工して精度の高い形状の、かつ強度の高いアルミニウム合金部品にすることができる。

また、本発明のアルミニウム合金部品は、動力伝達用のギヤであり、前記ダイカスト鋳造加工において歯部の外形を最終形状より小さく成形された前記中間体を、前記冷間鍛造加工により前記歯部の形状を最終形状に成形して製造される。

これにより、短時間で、精度の高い形状でありかつ強度の高い動力伝達用のギヤを製造することができる。

本発明によれば、ダイカスト鋳造加工後に冷間鍛造加工を行って、アルミニウム合金部品を製造するので、短時間でかつ精度及び強度の高いアルミニウム合金部品を製造することができる。これにより、品質の優れたアルミニウム合金部品を短時間でコストを抑えて製造することができる。

また、ダイカスト鋳造加工によりアルミニウム合金を急速に冷却し、中間体の圧延性を向上させるので、冷間鍛造加工を良好に行なうことができ、アルミニウム合金部品の品質を向上させることができる。例えばＳｉ（シリコン）の含有量を増加させることで、冷間鍛造加工における圧延性を確保した上で、鋳造工程での湯流れ性を向上させて、表面欠陥の発生を抑え更なる品質向上を図ることができる。

本実施形態のアルミニウム合金部品の製造方法の工程を示す説明図である。 冷間鍛造工程において使用する金型及び中間体の形状を示す斜視図である。 冷間鍛造工程において使用する金型及び中間体の形状を示す斜視図である。 冷間鍛造工程における加圧完了時の金型の状態を示す斜視図である。 冷間鍛造工程における加圧完了時の金型の状態を示す縦断面図である。 冷間鍛造工程における加圧前の中間品の外歯の形状を示す拡大図である。 冷間鍛造工程における加圧後の駆動用ギヤの外歯の形状を示す拡大図である。 中間体に鋳巣が発生した状態の一例を示す断面図である。 図８に示す中間体の冷間鍛造工程による加圧後の状態を示す断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。

図１は、本実施形態のアルミニウム合金部品の製造方法の工程を示す説明図である。図２は、冷間鍛造工程において使用する金型及び中間体の形状を示す斜視図である。図３は、冷間鍛造工程において使用する金型及び中間体の形状を示す斜視図であり、特に下パンチの形状を詳細に示す。図４は、冷間鍛造工程における加圧完了時の金型の状態を示す斜視図である。図５は、冷間鍛造工程における加圧完了時の金型及び駆動用ギヤの状態を示す縦断面図である。図６は、冷間鍛造工程における加圧前の中間品の外歯の形状を示す拡大図である。図７は、冷間鍛造工程における加圧後の中間品の外歯の形状を示す拡大図である。

本実施形態では、アルミニウム合金により車両の駆動用ギヤ等のアルミニウム合金部品を製造する方法について説明する。

本実施形態の製造方法により製造する駆動用ギヤは、例えば平歯車である。駆動用ギヤは、例えば車両に搭載されたモータ等の駆動源と走行用タイヤとの間で駆動力を伝達する駆動系に使用される部品であり、軽量かつ高い強度が要求される。

本実施形態の駆動用ギヤは、素材としてアルミニウム合金を用いて製造される。このアルミニウム合金は、主材量としてのＡｌ（アルミニウム）に、Ｓｉ（シリコン）を４．０〜６．５重量％、Ｆｅ（鉄）を０．２１〜０．７重量％、その他Ｍｇ（マグネシウム）やＭｎ（マンガン）を微量含有している。

図１に示すように、本実施形態のアルミニウム合金部品の製造方法では、ダイカスト鋳造工程１、ショットブラスト工程２、冷間鍛造工程３を有している。なお、ダイカスト鋳造工程１は本発明の鋳造工程に該当し、冷間鍛造工程３は本発明の鍛造工程に該当する。

始めにダイカスト鋳造工程１では、素材であるアルミニウム合金を溶融して金型に高圧の状態で圧入して冷却し、最終形状に近い中間体を成形する。本工程において、アルミニウム合金の溶融温度である湯温については、ダイカスト鋳造加工において一般的に設定される温度に対して若干高い温度に設定するとよい。例えば本実施形態のアルミニウム合金での一般的な湯温の設定温度である摂氏６８０度に対し、摂氏７２０度に設定するとよい。

なお、本実施形態では、アルミニウム合金部品として平歯車である駆動用ギヤが製造されるが、ダイカスト鋳造工程１において形成される中間体についても、最終形状である駆動用ギヤと略同一形状の平歯車とする。但し、中間体は、最終形状である駆動用ギヤより周方向の外形、即ち外歯の部分を僅かに小さく、上下厚さを僅かに大きく成形するとよい。

次に、ショットブラスト工程２は、ダイカスト鋳造工程１で成形した中間体のバリ取りを行なう。

次に、冷間鍛造工程３では、ショットブラスト工程２においてバリ取りを行なった中間体を冷間鍛造加工により成形する。冷間鍛造工程３では、例えば図２、３に示すように、金型としてダイ１１、下パンチ１２、上パンチ１３を使用する。

ダイ１１は、両端が開口した円筒状に形成された金型であり、その孔１１ａの内周壁に平歯車の内歯１１ｂが形成されている。内歯１１ｂはダイ１１の内周壁を上端部から下端部まで上下方向全てに亘って設けられている。また、ダイ１１の内歯１１ｂは、最終形状である駆動用ギヤ２０の外歯２０ａに完全に噛み合う形状に設定されている。

下パンチ１２は、両端面が互いに平行な平面である円柱状の部材であり、その先端部（上端部）の外周部にダイ１１の内歯１１ｂに噛み合う外歯１２ａが形成されている。

上パンチ１３は、両端面が互いに平行な平面である円柱状の部材であり、その先端部（下端部）の外周部にダイ１１の内歯１１ｂに噛み合う外歯１３ａが形成されている。

冷間鍛造工程３では、内歯１１ｂが形成されているダイ１１の孔１１ａに下側から下パンチ１２の先端部を挿入した状態で、ダイ１１及び下パンチ１２をプレス機によって支持する。次に、ダイ１１の孔１１ａにダイカスト鋳造工程１において成形した中間体１０を挿入して、下パンチ１２の先端面上に載せる。そして、ダイ１１の孔１１ａの上側から上パンチ１３の先端部を挿入し、ダイ１１内で下パンチ１２と上パンチ１３で中間体１０を挟み込む。

図４、５に示すように、図示しないプレス機により上パンチ１３を下方に向けて移動させ、下パンチ１２の先端面と上パンチ１３の先端面との距離を駆動用ギヤ２０の最終形状の厚さとなるまで加圧する。これにより、最終形状の駆動用ギヤ２０が成形される。

中間体１０の外歯１０ａ（歯部）は、ダイ１１の内歯１１ｂよりも小さく成形されているので、図６に示すように、冷間鍛造工程３における加圧前では、ダイ１１の内歯１１ｂと中間体１０の外歯１０ａとは隙間を有する。そして、冷間鍛造工程３における加圧後では、図７に示すように、ダイ１１の内歯１１ｂと駆動用ギヤ２０の外歯２０ａとの隙間がなくなり、駆動用ギヤ２０の外歯２０ａは、ダイ１１の内歯１１ｂに合わせて形状が正確に規定される。

なお、駆動用ギヤ２０等のアルミニウム合金部品が、冷間鍛造工程３において成型が不能な細かな形状を要する場合には、本工程の後に切削加工を行なう切削工程４を実施すればよい。

また、冷間鍛造工程３において、サーボプレス機を用いることが望ましい。サーボプレス機により加圧速度及び加圧方向を制御することで、焼き付きを抑え、より精度・品質の高い鍛造加工が可能となる。これにより、サーボ制御を行なわないプレス機を使用した場合と比較して、製造した駆動用ギヤ２０等のアルミニウム合金部品の品質を向上させることができる。また、冷間鍛造工程３後のアルミニウム合金部品の品質を向上させることにより、冷間鍛造工程３後に切削工程４を行なう場合でも、切削工程４における切削工数を低減させることができる。

以上のように、本実施形態の製造方法では、始めにダイカスト鋳造工程１により最終形状に近い形状の中間体１０を成形するので、高精度に成形する必要がなく短時間で容易に中間体１０を成形することができる。そして、この中間体１０を、冷間鍛造工程３により精度の高い駆動用ギヤ２０を製造することができる。

本実施形態の製造方法では、ダイカスト鋳造加工の後に冷間鍛造加工を行なうことで駆動用ギヤ２０を製造するので、ダイカスト鋳造加工のみで製造した駆動用ギヤよりも精度の良いものとすることができる。また、ダイカスト鋳造加工の後に切削加工を行なう方法と比較して、切削工数を減少またはなくすことができるので、大幅に製造時間を短縮させることができる。これにより、駆動用ギヤ２０のコストを低減させることができる。

また、冷間鍛造工程３において冷間鍛造加工を行なうことで、熱間鍛造加工を行なう場合よりも鍛造加工後の縮みを抑え、精度のよい部品の製造が可能となる。

図８は、中間体１０に鋳巣１４が発生した状態の一例を示す断面図である。図９は、図８に示す中間体１０の冷間鍛造工程による加圧後の状態を示す断面図である。

ところで、図８内に記載された中間体１０のように、ダイカスト鋳造工程１において内部に鋳巣１４が発生した場合、ダイカスト鋳造加工後に切削加工を行なうと、鋳巣１４が表面に表われる可能性があり、表面の品質を著しく損ねる虞がある。本実施形態では、ダイカスト鋳造加工の後に冷間鍛造加工を行なうので、切削加工を行なうよりも内部の鋳巣１４が表面に表われ難い。また、図９に示すように、冷間鍛造加工によって、鋳巣１４等の内部欠陥を潰して消滅させることができる。また、冷間鍛造加工によって部品を加圧することで、鍛流線１５を形成するとともに、組織の微細化によって強度を向上させることができる。これにより、冷間鍛造加工を行なうことで製造した駆動用ギヤ２０の品質を向上させることができる。このように冷間鍛造工程３における冷間鍛造加工によって駆動用ギヤ２０の強度を向上させるので、本実施形態の駆動用ギヤ２０のように軽量かつ強度を必要とするアルミニウム合金部品の製造に好適である。

また、本実施形態の製造方法では、始めにダイカスト鋳造工程１を実行する。ダイカスト鋳造工程では、高温高圧となった素材を金型に注入して急速に冷却するので、粗大な組織の晶出が抑制されるとともに、共晶シリコンが微細形状に整えられる。したがって、ダイカスト鋳造工程１において成型した中間体１０の圧延性を向上させることができる。

このようにダイカスト鋳造加工により中間体１０の圧延性を向上させることができるので、Ｓｉを４．０〜６．５重量％と比較的多く含有しても圧延性が確保される。したがって、ダイカスト鋳造工程１後の冷間鍛造工程３を良好に実施することができる。

そして、素材のアルミニウム合金にＳｉを４．０〜６．５重量％と比較的多く含有させることで、溶融状態での流動性が向上するので、ダイカスト鋳造工程１において金型への充填を容易に行なうことができ、湯皺や湯境などの表面欠陥の発生を抑えることができる。これにより、中間体１０、延いては駆動用ギヤ２０の品質を向上させるとともに、歩留まりを向上させることができる。

また、素材のアルミニウム合金にＦｅを０．２１〜０．７重量％含有させるので、ダイカスト鋳造工程１での焼き付きを防止することができ、表面欠陥の発生を更に抑制することができる。

また、素材のアルミニウム合金にＭｎを微量含有させることで、Ｆｅと同様に、ダイカスト鋳造工程１での焼き付きを防止することができ、表面欠陥の発生を更に抑制することができる。なお、Ｍｎの含有量は、０．３〜１．１重量％にすればよい。

また、素材のアルミニウム合金にＭｇを微量含有させることで、耐力等の機械的強度を向上させることができる。なお、Ｍｇの含有量は、０．４〜１．２重量％にすればよい。

以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えばアルミニウム合金の各種成分については、Ｓｉ以外は適宜変更してもよい。その他、油温等の製造条件についても適宜変更してもよい。本発明は、アルミニウム合金で製造する各種部品に広く適用することができる。

１ ダイカスト鋳造工程（鋳造工程）
３ 冷間鍛造工程（鍛造工程）
１０ 中間体
１０ａ 外歯（歯部）
２０ 駆動用ギヤ（アルミニウム合金部品）

Claims (5)

1. アルミニウム合金をダイカスト鋳造加工して中間体を成形する鋳造工程と、
   前記鋳造工程により成形した前記中間体を冷間鍛造加工する鍛造工程と、
   を有することを特徴とするアルミニウム合金部品の製造方法。
2. 前記アルミニウム合金は、Ｓｉを４．０〜６．５重量％含有することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金部品の製造方法。
3. 前記アルミニウム合金は、Ｆｅを０．２１〜０．７重量％含有することを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム合金部品の製造方法。
4. アルミニウム合金をダイカスト鋳造加工して中間体を成形し、当該中間体を冷間鍛造加工して成形されたアルミニウム合金部品。
5. 前記アルミニウム合金部品は、動力伝達用のギヤであり、前記ダイカスト鋳造加工において歯部の外形を最終形状より小さく成形された前記中間体を、前記冷間鍛造加工により前記歯部の形状を最終形状に成形して製造されたことを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム合金部品。

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