JP2018505806A - フロントフランジおよびリムを含む軽合金ハイブリッドホイールの製造方法 - Google Patents

Abstract

軽合金ハイブリッドホイールの製造方法は、以下の別個の工程フェーズ段階を実施する。‐タイヤビードシートを構成することができる内部形状（２ａ）を有するフランジ（２）を作るステップ‐一方の側で、タイヤビードシートを構成することができる外部形状（１ａ）と、他方の側でフランジ（２）の一部（２ｂ）と組み立てるための円形フランク（１ｂ）とを有するリムを作るステップ‐フランジ（２）のシート（２ａ）とリム（１）の円形フランク（１ｂ）においてフランジ（２）をリム（１）に組み立てるステップリム（１）とフランジ（２）との組み立てが、溶接部の両側にアクセス可能な位置でピンを使用する単一摩擦撹拌溶接（５）によって、リム（１）の円形フランク（１ｂ）とフランジ（２）とが溶接されることによって行われることを特徴とする。

Description

本発明は、特に車両、自動車用のホイールの技術分野に関し、特に自動車産業用に設計された、例えばアルミニウムまたはマグネシウムをベースとする軽合金部品の製造のための鋳造および鍛造分野に関する。

例えば、成形によって得られるモノブロックのリムおよびフランジを有するホイールの作製が知られているが、複雑かつ高価な技術的手段を必要とし、非常に大きな厚み寸法が不可欠となり、このようにして得られたホイールの重量は、現在の要求に対して大きすぎるものとなる。

図１による従来技術に関して、２つの前述の態様に関して、リム（１）部品とフロントフランジ（２）またはホイールフランジとを含む２つの部品のハイブリッドホイール（Ｒ）が知られており、２つの部品は、異なる接続手段によって互いに結合されている。

１つの有効な手段が、例えば特許文献１に提案されており、それは、特定のプロセスに従って得られる２つの部品のハイブリッドホイールに対応する。リムとフランジとの間の接続は、摩擦撹拌溶接作業によって得られる溶接によって提供される。本技術は、出願人の子会社の１社によって利用されており、市場の要求に適切に対応している。しかし、このプロセスの実施は、競争的な価格を維持しながら、例えば２０〜３０％のオーダーの製品重量の減少を得るという新しい市場要件に関してはいくつかの欠点が生じる。さらに、特許文献１において、ホイールの鍛造リムは、最終的なリムの形状を得るために、積層または摩擦によって変形される遠心鋳造チューブに基づいている。これらの作業は時間、およびコストがかかる。

一方、本出願人は、鋳造ステップと、「ＣＯＢＡＰＲＥＳＳ」というブランド名で知られているアルミニウム合金部品のための鍛造ステップとを組み合わせた技術を利用する。この技術は特許文献２に定義されており、軽合金アルミニウム合金の鋳造により鋳物プリフォームを製造し、このようにして得られたプリフォームをプリフォームの寸法よりも著しく小さい寸法の鍛造型に移送して鍛造工程を行うことにより得るべき最終部品の形状を作ることが可能となる。その後、鍛造後に得られた最終的なピースのリム部でバリ取りを行う。

出願人は既に、この技術を特許文献３に定義されているホイールの製造に使用している。この特許では、ホイールのフランジは、重量増加を可能にするＣＯＢＡＰＲＥＳＳ技術を使用して製造されている。この工程中、フランジは２つのダイの間で鍛造工程を受ける。この鍛造工程は高価であり、特にこれらの鍛造型の製造がコストに大きな影響を与える小さいシリーズの場合には高価である。

タイヤのビード（４）を支持し、かつ拘束するために、シート（３）として機能するプロファイルがホイールのリムに配置されなければならないことが想起される。この領域を小さくするために、リム部（１）をフランジ部（２）に接続するための２つの溶接部（５）の間に空洞（６）を形成することによって凹部が実現される（図５）。

他の解決策が先行技術に従って提案されている。したがって、フランジの重量の減少の観点から、タイヤビードシートのための異なる凹部の解決策が記載されている。

例えば、特許文献４では出願人が一つの解決策を開示しており、タイヤビードシートの１つがホイールリムの壁の内面から内側に延びて、自己支持する一方、ホイールリムの外側形状がホイールリムの内側形状によって押し付けられていない。部品の全周に亘って延びるこの形状により重量の削減が可能であるが、この構成ではバルブの穿孔と位置決めの実現が困難である。

特許文献５は別の実施例を記載しているが、異なる製造技術を使用している。タイヤビードシートの低応力領域に機械加工により凹部が形成される。これらの凹部は、ホイールのバランスをとるだけでなく重量を減少させる。しかし、これらの凹部の機械加工は、長く、費用のかかる作業である。

したがって、上述の従来技術によれば、タイヤビードシート内に凹部を実現するための既存の解決策は、相当な金属除去を必要とするため、費用がかかり時間がかかる。

特許文献６は、２つの部品のハイブリッドホイールの他の実施例が記載されている。リムは、金属ストリップの圧延によって形成され、このストリップの両端部が溶接される。フロントフランジは、タイヤビードシートの凹部を一体化した鋳造や鍛造で作られる。リムとフロントフランジは、例えば電子ビーム、アーク溶接、摩擦、慣性などの溶接によって組み立てられる。この第２の溶接作業は、ホイールの外側で行われ、それから機械加工される。

欧州特許出願公開第０ ８５４ ７９２号明細書 欧州特許出願公開第１１９ ３６５ 号明細書 仏国特許出願公開第２ ９８１ ６０５号明細書 欧州特許出願公開第１２３００９９号明細書 米国特許第５２７１６６３号明細書 米国特許第６５３６１１１号明細書

したがって、出願人のアプローチは、上述の技術に基づいて、既知の解決策に関連して改善され、市場のニーズに対応する２ピース軽合金ハイブリッドホイールの設計解決策を検討することである。

したがって、出願人は、特定の作業フェーズから始めて新しいプロセスを設計し、開発した。

したがって、本発明の第１の特徴によれば、特にフロントフランジおよびリムを含む、特にアルミニウムまたはマグネシウムに基づく軽合金ハイブリッドホイールの製造プロセスは、以下の個別の工程フェーズを実施する。
‐ フランジは、タイヤビードシートを構成することができる内部形状を有して作られる。
‐ リムは、一方の側で、タイヤビードシートを構成することができる外部形状と、他方の側で、フランジの一部と組み立てるための円形フランクとを有して作られる。
‐ フランジは、フランジのシートとリムの円形フランクにおいてリムに組み立てられる。

方法は、リムとフランジとの組み立てが、溶接部の両側にアクセス可能な位置でピンを使用する単一摩擦撹拌溶接によって、リムの円形フランクとフランジとが溶接されることによって行われることを特徴とする。

ピンを用いた摩擦溶接は、英語の「Friction Stir Welding」やＦＳＷとして知られている。溶接は、材料をペースト状、つまりに固相に混合することによって行われる。この技術は、材料の融解を含む従来の技術を使用して非溶接可能またはほとんど溶接不可能な合金（例えばアルミニウム）を溶接することを可能にする。また、固相溶接により、液体−固体移行時に発生する可能性のある気泡の発生を避けることができる。材料は、従来の技術と比較して熱影響部（ＴＡＺ）がより良好な機械的特性を有するように、より小さな温度上昇を受ける。したがって、静的応力および疲労下での溶接部の強度が向上する。

有利には、フランジのシートに凹部が形成され、前記凹部はホイールの外周を覆わず、リムアセンブリ円形領域の方向に向けられたＵ字形の形状を有する。

フランジは、鋳造、鍛造、または二重鋳造および鍛造工程によって作ることができる。

第１の実施形態によれば、二重鋳造および鍛造工程は、鋳物プリフォームの鋳造工程、鋳物プリフォームの鍛造型への移送、フランクを得るための鋳物プリフォームの鍛造工程、および前記フランクを得るためのバリ取りを含む。

第２の実施形態によれば、二重鋳造および鍛造工程は、鋳物プリフォームの鋳造工程、前記鋳物プリフォームの保管、加熱することができるオーブンへの前記鋳物プリフォームの移送、前記プリフォーム鋳型の鍛造型への移送、フランクを得るための前記鋳物プリフォームの鍛造工程、および前記フランクを得るためのバリ取りを含む。

好ましくは、フランクが二重鋳造および鍛造工程によって製造される場合、鋳造工程中にフランクのタイヤビードシート内に凹部が形成される。

好都合に、リムは以下の連続工程によって作られる：円形フランクを製造する工程；前記円形フランクを最終リムのサイズまで単一のステップで拡張する工程；フランジに溶接されない側部にのみ肩部を有する、最終形状及び輪郭のリムを得るような、円形フランクの冷間又は熱間フロースピニングの工程。

実際には、製造作業中、円形フランクは、意図される用途に適した任意の技術を使用して得ることができる。
好ましい実施形態によれば、円形フランクは、軽合金ビレットの熱間または冷間押出によって作られる。
代替案として、円形フランクは鋳造所での鋳造によって作られる。
代替案として、円形フランクは粉末焼結によって作られる。
本発明の範囲を逸脱することなく、円形フランクを製造するために他の技術を実施することができる。

好ましくは、拡張工程およびフロースピニング工程は冷間で行われる。

より好ましくは：
‐ 摩擦撹拌溶接の前に、組立ゾーンの機械加工工程が行われる。
‐ 摩擦撹拌溶接に続いて、溶接部の底部のバリおよび最終的な欠陥を除去するために、溶接部の両側（内部および外部）の機械加工が行われる。

本発明による方法は、これは本明細書を読むことにより明らかな多くの利点を提供する。

２つではなく１つの溶接部を使用することにより、拡張およびフロースピニング工程は、特許文献３および特許文献４の特許技術と比較して特に簡略化される。

特許文献３および特許文献４と同様に、ホイールは、従来の鋳造製ホイールと比較してより大きな重量増加を有する限り、耐衝撃性の点で製造者の仕様を完全に満たしている。

前述の特許と比較すると、本発明は、２回ではなく１回の工程で生じる拡張工程を単純化し、フロースピニング工程を単純化することができる。なぜなら、最終リム形状の幾何学的形状が１回の溶接のために複雑ではないからである。また、１回の溶接により、多様なフランジ設計が可能になることにも留意すべきである。

これらの特性および他の特性は、残りの記述から明らかになるだろう。

従来技術による、リム部とフロントフランジ部とを有する２つの部品のハイブリッドホイールの実施形態を示す。 タイヤのビードをシートの上に配置してタイヤをリムに取り付ける様子を示す。 先行技術にしたがって、リムの形状を得るために連続する工程Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を概略的に示す。 本発明による連続的な工程Ｐ１（円形フランクを得る）、Ｐ２（前記円形フランクの拡張）、Ｐ３（リムの形状を得るための円形フランクのフロースピニング工程）を概略的に示す。 リム上に形成されたキャビティを有する従来技術によるリムの形状を示す断面図である。 単一溶接の実施とタイヤビードシートの１つの中の凹部の形成を伴う、本発明によるリムの形状を示す断面図である。 凹部を示すハイブリッドホイールの正面図である。

本発明の目的をより具体的にするために、本明細書では限定しない方法で説明し、図面に図示する。

前述の通り、リム（１）の形状は、フランジ（１）との組み立てのための単一の溶接部（５）よって単純化される。リム（１）は、タイヤのシートとして機能するが、ホイールの内側のみに作用する円形形状（１ａ）を有する。タイヤのシートとして作用する他の形状（２ａ）は、フランジ（２）によって実現される。

以下に、本発明の方法の特定の特徴および利点が強調される。

図３および図４は、従来技術および本発明によるリム（１）を得るためのステップをそれぞれ示している。

本発明の範囲内で、リム（１）は、円形フランク（１ｂ）の形のブランクを製造する工程（Ｐ１）、最終リム（１）の寸法に前記円形フランク（１ｂ）を単一のステップで拡張する工程（Ｐ２）、およびフランジ（２）に溶接される側の円形フランク（１ｂ）の残りの部分、フランジ（２）に溶接されない側の肩部（１ａ）を有するようなリム（１）の最終形状および輪郭を得るように、円形フランク（１ｂ）が冷間または熱間でフロースピニングする工程（Ｐ３）に従って製造される。

製造工程（Ｐ１）の１つの好ましい実施形態によれば、軽合金ビレットが製造され、このビレットは熱間または冷間押出によって円形フランク（１ｂ）に変形される。他の公知の技術と比較して、これにより非常に著しい伸びを有するフランク（１ｂ）を得ることができる。したがって、フランク拡張工程（１ｂ）は、冷間成形、すなわち室温で行うことができ、これは、拡張前の加温を防止する。さらに、このより大きな伸びにより、冷間拡張工程（Ｐ２）後で冷間フロースピニング工程（Ｐ３）を行うことができる。リム（１）の材料は、冷間フロースピニング工程（Ｐ３）中に著しい硬化を受ける。フランジ（２）を溶接する前に、リム（１）には熱処理（例えばＴ６：溶体化処理および時効処理）が施され、その間に硬化中に蓄えられたエネルギーは回復する。これにより、リム（１）の材料内に微細な再結晶粒を得ることが可能になる。したがって、その微細構造は非常に微細であり、リム（１）の機械的特性は、熱間コンディショニング技術と比較して改善される。

図３のＰ３ステップでは、フランジとリムとの間の接続が２つの溶接を使用して行われる場合に、図５に示すキャビティ（６）を得るために必要なリム（１）の形状が示されている。単純化されたリム形状（１）は、図４のＰ３ステップに見ることができる。この形状は、実際には、図３のＰ３ステップに示されている特許文献３に示されたものよりもはるかに単純である。この単純化は、本発明のホイールに実装された単一の溶接部（５）の使用により可能となる。リム（１）の外部形状（１ａ）は、実際には２つではなく、タイヤビードシートを構成する１つの肩部のみを必要とする。その結果、サイクル時間が増加し、フロースピニング装置を簡単にすることができ、これによりコストを削減することができる。タイヤのシートとして作用する他の形状（２ａ）は、フランジ（２）によって実現される。

図６に示すように単一の溶接部（５）を有することは、二重溶接部に比べて溶接工程を大幅に単純化することができる。実際、溶接は、溶接部が２つの異なる方向にある二重溶接ホイールと異なり、リムに対して垂直な一方向に行われる。溶接棒を回転させる必要はもはやなくなり、組み立ては単純化され、従って安価であり、その一方、サイクル時間及び溶接棒の摩耗は増加する。溶接工程（５）は、フランジ（２）の部分（２ｂ）とリム（１）の円形フランク（１ｂ）との接合部で行われる。

さらに、単一の溶接部（５）を有することにより、溶接部の両側にアクセスすることが可能になる。そして溶接の両面を加工することが可能となる。航空機用のパネルで一般的に使用されているこの機械加工は、摩擦撹拌溶接でしばしば存在する溶接の底部の溶接バリと欠陥を除去することを可能にする。これらの欠陥は、溶接の底部に溶接されていないシームを形成する合金の混合不良に対応する。溶接されていないバリまたはリップは、ホイールに疲労が加わるとクラックの始まりにつながる欠陥である。したがって、その除去は、プロセスの信頼性の観点から大きな利点となる。溶接の両側へのアクセスにより、溶接プロセスの安定性を確保し、欠陥のないことを保証するための、溶接部の周波数貫通テストを行うことも可能になる。２つの溶接部を有するホイールの場合、溶接部の両側へのアクセスは保証されない。したがって、この周波数テストを実行するためにホイールを切断する必要がある。このテストが破壊的である限り、生産の一部を失う結果となり、閉鎖キャビティ（６）を有するホイールのコストが上昇することになる。

本発明にとって本質的かつ重要なことに、バルブ領域も大幅に単純化される。実際に、２つの溶接部を有するホイールの場合、バルブ用の穴がキャビティ（６）の開口部に通じている。大部分の製造業者は、前記開口部が水、砂利または他の物体の保持の可能性につながる限り、ホイール内に空洞を有することを望まない。したがって、キャビティ（６）を閉じ、水が保持されることを防止するために、バルブの穴の周囲の溶接が必要であった。したがって、この溶接は、特許文献３および特許文献４に提示されているプロセスに追加され、それにより追加コストが生じる。

さらに、本発明によれば、溶接前にホイールを２つの部品にすることにより、単一部品ホイールでは脱型できない、より複雑な形状を実現することが可能になる。この技術は、図７に見られるように、フランジ（２）に、例えばキャビティの形で凹部（７）を設けることを可能にする。これらのくぼみは、鋳造または鍛造で、または「ＣＯＢＡＰＲＥＳＳ」プロセスの鋳造段階で行われる。それらは、フランジ（２）を有するとともにホイールの周囲を覆わないタイヤビードシート（３）の１つに位置する。実際には、これらの領域（８）は、ホイールの剛性と抵抗を高めるために中実である。これらの中実エリア（８）はまた、タイヤのフィッティングを大きく助ける。実際に、これらの中実領域がなければ、組み立て中にタイヤビードをキャビティ（７）内に収容することができる。このタイヤビードは、組み立て中にシート内に配置することが困難であり、中実領域がこの作業を大きく助ける傾斜を生成している。

図７から分かるように、単純な形状（９）のバルブの穿孔および位置決めを可能にするために、凹部のない領域も残される。凹部（７）は、図６および図７に示すように、溶接部（５）側のＵ字形の形状を有する。

凹部を作ることは新しいことではない。実際には、鍛造または鋳造ステップ中にこれらの凹部を作ることは、機械加工作業を必要としない限り経済的である。これにより、サイクル時間とコストを節約できる。閾値、すなわち有用物質に関連する物質の量もまた減少する。

実際に、そして本発明によれば、これは、プロセスの異なるフェーズの組み合わせにより、実用レベルでは従来技術より非常に多くの利点を有する。従って、これは、重要な研究および開発投資を必要とし、先行技術の教示に由来しない最適化である。

１ リム
１ｂ 円形フランク
２ フランジ
３ タイヤビードシート
４ ビード
５ 溶接部
６ キャビティ
７ 凹部
８ 中実エリア

Claims (15)

1. フロントフランジ（２）およびリム（１）を含む、特にアルミニウムまたはマグネシウムをベースとする軽合金ハイブリッドホイールの製造方法であって、前記方法は、以下の別個の工程フェーズ段階を実施し、
   ‐ 前記フランジ（２）は、タイヤビードシートを構成することができる内部形状（２ａ）を有して作られる
   ‐ 前記リム（１）は、一方の側で、前記タイヤビードシートを構成することができる外部形状（１ａ）と、他方の側で前記フランジ（２）の一部（２ｂ）と組み立てるための円形フランク（１ｂ）とを有して作られる
   ‐ 前記フランジ（２）は、前記フランジ（２）のシート（２ａ）と前記リム（１）の前記円形フランク（１ｂ）において前記リム（１）に組み立てられる、
   前記リム（１）と前記フランジ（２）との組み立てが、溶接部の両側にアクセス可能な位置でピンを使用する単一摩擦撹拌溶接（５）によって、前記リム（１）の前記円形フランク（１ｂ）と前記フランジ（２）とが溶接されることによって行われることを特徴とする方法。
2. 前記フランジ（２）の前記シート（２ａ）に凹部（７）が形成され、前記凹部（７）が前記ホイールの外周を覆わず、前記リム（１）の前記円形フランク（１ｂ）の方向に配向されたＵ字形形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記フランジ（２）が鋳造によって作られることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記フランジ（２）が鍛造によって作られていることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記フランジ（２）が、二重鋳造および鍛造工程によって作られることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記二重鋳造および鍛造工程が、鋳物プリフォームの鋳造工程、前記鋳物プリフォームの鍛造型への移送、フランク（２）を得るための前記鋳物プリフォームの鍛造工程、および前記フランク（２）を得るためのバリ取りを含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記二重鋳造および鍛造操作が、鋳物プリフォームの鋳造工程、前記鋳物プリフォームの保管、加熱することができるオーブンへの前記鋳物プリフォームの移送、前記鋳物プリフォームの鍛造型への移送、フランクを得るための前記鋳物プリフォームの鍛造工程、および前記フランクを得るためのバリ取りを含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. 前記フランク（２）が二重鋳造および鍛造工程によって製造される場合、鋳造工程中に前記フランク（２）上の前記タイヤビードシート（２ａ）内に前記凹部（７）が形成されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
9. 前記リム（１）が、
   ‐ 円形フランク（１ｂ）を製造する工程（Ｐ１）
   ‐ 前記円形フランク（１ｂ）を最終リムのサイズまで単一のステップで拡張する工程（Ｐ２）
   ‐ 前記フランジ（２）に溶接されない側にのみ肩部を有する最終形状および輪郭のリム（１）を得るような、前記円形フランク（１ｂ）の冷間または熱間フロースピニング工程（Ｐ３）
   の連続工程によって製造されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 製造工程（Ｐ１）において、前記円形フランク（１ｂ）は、軽合金ビレットの熱間または冷間押出によって作られることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 製造工程（Ｐ１）において、前記円形フランク（１ｂ）は、鋳造所での鋳造によって製造されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. 製造工程（Ｐ１）において、前記円形フランク（１ｂ）が粉末焼結により製造されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
13. 拡張工程（Ｐ２）および前記フロースピニング工程（Ｐ３）が冷間で行われることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記摩擦撹拌溶接の前に、組立ゾーンの機械加工工程が行われることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記摩擦撹拌溶接の後に、溶接部の底部のバリおよび任意の最終的な欠陥を除去するために、前記溶接部の両側の機械加工が行われることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。

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