JP2019517389A - 少なくとも部分的に金属合金から構成される部品を製造するための方法、および最適化方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、少なくとも部分的に金属合金から構成される部品(20)を製造するための方法に関係し、その方法は、部品(20)の本体(21)を製造することから成る冶金製造ステップa1)を含み、方法が、応力の下にある部品(20)の領域(Z4、Z5、Z6)において、局所的な補強部(40、50、60)を本体(21)に直接的に形成することから成る補強ステップa2)を続いて含むことを特徴とする。本発明は、部品を最適化するための方法にも関係する。

Description

本発明は、少なくとも部分的に金属合金から構成される部品を製造するための方法に関する。本発明は、部品のための最適化方法にも関する。
本発明の分野は、金属(鉄または非鉄)合金から全部または一部が構成される部品の製造の分野であり、前記製造は、連続的な鋳造加工および鍛造加工を含む。
サン・ジャン・インダストリーズ(Saint-Jean Industries)は、30年以上前にアルミニウムおよび合金についてのCOBAPRESS(商標)方法を開発した。この技術は、具体的には特許文献１、特許文献２、および特許文献３に記載されているように、単一の鍛造加工における鋳造予備成形品を鍛造することから成る。
COBAPRESS方法は、ほとんどの自動車製造業者におけるサスペンション用途で非常に効果的であることが判明している。具体的には、従来の鋳造と比較して、機械的特性の著しい向上、特に支援の減少の著しい向上が、この方法で可能である。また、この方法は、コストおよび達成可能な幾何学的複雑性の観点において、鍛造と比較して競争力がある。
特許文献２は、鋳造予備成形品におけるインサートの位置決めと、次に予備成形品を叩いて最終部品を得ることとを記載している。インサートは、材料の変形によって固定的および永久的に一体化され、それによって局所的に補強された領域を定める。インサートは、傍らで形成されてから、予備成形品によって構成された部品の本体に付け加えられるが、これこそが本発明が回避しようとしていることである。
今日、自動車業界、航空業界、および産業界において、構造物の重量を減らすことは、安全性、環境基準、および他の基準の発展と結び付いた不可欠なことになっている。
構造物についての重量の目標は、構造への応力の増加、および、市場と両立するコストの目標と共に、絶えず低下している。今日のほとんどの場合では、これらの制約は、材料、工程、重量、およびコストの選択を伴う妥協につながっている。
例として、部品の特定の領域が大きな応力を受ける場合、この部品全体のための材料がこれらの領域によって決められることになり、この材料の選択に関連してより高いコストをもたらす。
欧州特許出願公開第0 119 365号明細書 欧州特許出願公開第0 586 314号明細書 欧州特許出願公開第2 877 353号明細書
本発明の目的は、向上された製造方法を提案することである。
この点において、本発明は、少なくとも部分的に金属合金から構成される部品の製造方法に関係し、その方法は、部品の本体を製造することから成る冶金製造ステップa1)を含み、方法が、部品の応力の下にある領域において、局所的な補強部を本体に形成することから成る補強ステップa2)を次に含むことを特徴とする。
したがって、例えばその疲労抵抗または硬度といった部品の機械的特性は、本発明によって局所的に向上できる一方で、補強された部品の質量をできるだけ最小に維持し、付け加えられる部品を使用しない。代替または補足として、本発明が空間の節約をもたらすため、部品の一部が局所的に減らせる。さらに、例えば剛性といった部品の全体の性能が、本発明によって向上できる。
第1の実施形態によれば、冶金製造ステップa1)は、鋳造予備成形品を製造することから成る鋳造加工a11)と、その後、鋳造予備成形品を鍛造して部品の本体を得ることから成る鍛造加工a12)と、を含む。この冶金製造ステップa1)はCOBAPRESS方法の実施に対応する。
第2の実施形態によれば、冶金製造ステップa1)は、部品の本体を製造することから成る鋳造加工a11)を含む。この鋳造加工a11)に鍛造加工a12)が続くことはない。
第3の実施形態によれば、冶金製造ステップa1)は、部品の本体を製造することから成る鍛造加工a12)を含む。この鍛造加工a12)に鋳造加工a11)が先行することはない。
本発明は、金属合金本体を備える既存部品の設計を最適化するための方法にも関係し、その方法は、以下の連続する段階、すなわち、
b1) 例えば数値シミュレーションによって、既存部品の応力の下にある領域を特定する段階、
b2) 変更された本体を備える最適化された部品を、応力の加えられる領域において本体に形成される少なくとも1つの局所的な補強部を提供することで定める段階、
b3) 最適化された部品の本体に合う冶金製造工具を定める段階、
b4) 最適化された部品の本体を工具で製造する段階、および
b5) 最適化された部品の応力の下にある領域において、局所的な補強部を本体に直接的に形成する段階、
を含む。
単独または組み合わせて検討される本発明の他の有利な特徴によれば、
- 部品は、自動車(具体的には、ピボット式サスペンション、方向アーム、サスペンションアーム、車体台枠構造部品など)、航空機器、産業機器、または医療装置のための構造部品である。
- 局所的な補強部は、部品の本体と少なくとも50%接触して配置される表面を有する。
- 局所的な補強部は、部品の本体と実質的に結合する。
- いくつかの局所的な補強部が、部品の応力の下にある1つ以上の領域において、本体に形成される。
- 方法は、冶金製造ステップa1)と補強ステップa2)との間に、補強される領域の表面を準備するステップを含む。
- 方法は、補強ステップa2)の後、補強された領域において部品を仕上げるステップを含む。
- 方法は、ステップa1)およびa2)の間に、本体の少なくとも一部分に適用される表面処理のステップを含む。
- 方法は、ステップa2)の後で、部品の少なくとも一部分に適用される表面処理のステップを含む。
- 本体および局所的な補強部は異なる金属合金から作られる。
- 本体は金属合金から作られ、局所的な補強部は複合材料から作られる。
- 本体は金属合金から作られ、局所的な補強部はセラミック材料から作られる。
- 局所的な補強部はコールドスプレイによって形成される。
- 局所的な補強部はマイクロアーク酸化処理によって形成される。
- 局所的な補強部は、その最終的な形を取る複合組立体を、部品の本体に付着させることで形成される。
- 局所的な補強部は樹脂を焼き付けることで形成される。
- 局所的な補強部は付加製造によって形成される。
- 局所的な補強部は、既存部品の本体の元の部分の代わりに使用される。
- 局所的な補強部は、既存部品の本体に、嵌められるか、オーバーモールドされるか、または押し付けられるインサートの代わりに使用される。
- 最適化された部品は、既存部品と実質的に同じ寸法を有する。
- 最適化された部品は、既存部品と比較して局所的に小さくされる寸法を有する。
本発明は、単に非限定的な例として提供され、添付の図を参照して行われる以下の記載を読むことで、より良く理解されるものである。
鋳造加工と、その後の鍛造加工とに従って製造され、金属合金本体を備える、最先端の技術に適合する部品の上面図である。 図1からの部品の側面図である。 部品の設計のための最適化方法を示す、図1に類似する図である。 部品の設計のための最適化方法を示す、図2に類似する図である。 応力の加えられる領域において本体に形成される局所的な補強部を備える、本発明により最適化された部品を示す、図1に類似する図である。 応力の加えられる領域において本体に形成される局所的な補強部を備える、本発明により最適化された部品を示す、図2に類似する図である。 図6の線VII-VIIに沿った断面図である。 本発明により最適化された部品の第2の実施形態を示す、図3に類似する図である。 本発明により最適化された部品の第2の実施形態を示す、図4に類似する図である。 本発明により最適化された部品の第2の実施形態を示す、図5に類似する図である。 本発明により最適化された部品の第2の実施形態を示す、図6に類似する図である。 本発明により最適化された部品の第2の実施形態を示す、図7に類似する図である。
単一品の本体11と、本体11に嵌められた環状のインサート18と、を備える部品10が、図1〜図4に示されている。例として、部品10は自動車サスペンション部品である。
本体11は、2つの連続する鋳造加工および鍛造加工に従って、例えばアルミニウム合金といった金属合金から作られている。本体11は、主要部分12と、端部分13と、部分12および13を連結する長尺部分14と、を備える。2つの貫通した開口15および16が部分12に配置されている。開口15は実質的に長方形の区域を有し、開口16は円形の区域を有している。
インサート18は、例えば鋼鉄といった金属合金から作られており、本体11に形成された開口16に(具体的にはCOBAPRESSによって)嵌められているか、オーバーモールドされているか、または押し付けられている。インサート18は、本体11と、開口16を通じて配置される図示されていない要素と、の間に、熱的接続、摩擦抵抗、潤滑などの、様々な機能を提供する。
要素14、15、および16にそれぞれ対応する部品10の応力の下にある領域Z4、Z5、およびZ6が、図3および図4に示されている。
本発明の状況では、部品10の応力の下にある領域は、部品10が使用中であるとき、大きな機械応力、熱応力、摩擦応力、および/または摩耗応力を受ける領域であるとして定義されている。これらの応力は、その環境(部品が組み込まれる機械的システム、外部要因など)に起因して部品の動作上の完全性を保つために特定の配慮を要求する限りにおいて、大きいと称される。
例として、以下のようなものがある。
- 機械応力は、この領域によって被られる屈曲、捩じれ、けん引、および/または圧縮の力によって引き起こされ得る。
- 熱応力は、この領域によって被られる永久的または一時的な局所的な温度上昇によって引き起こされ得る。
- 部品に沿って延び、この領域における部品の表面と擦れ得る電気ケーブルによって引き起こされる摩擦の制約。
- 部品が搭載された自動車が走行している地面からこの領域への物質の噴霧によって引き起こされ得る摩耗の制約。
実際、部品10の領域Z4、Z5、およびZ6は使用中に同じ応力を受けない。
領域Z4では、金属合金から作られた部分14の重量を、その機械的性能を下げることなく低減させることが追求される。この目的のために、この部分14の外部分140が複合材料によって置き換えられ得る。
領域Z5では、部品10の抵抗を、本体11を作り上げる材料を変えることなく向上させることが、開口15の領域において追求される。この目的のために、開口15の周りに位置付けられる部分150は、本体11の金属合金より抵抗のある金属合金によって置き換えられ得る。
領域Z6では、部分12の重量を、開口16の領域における部品10の性能を低減することなく低減させることが追求される。この目的のために、鋼鉄挿入体18は、金属粒子(アルミニウム、銅、コバルト、ニッケル、モリブデン、アルミニウム準結晶の合金など)を含む粉末のコールドスプレイによって開口16に形成される被覆によって置き換えられ得る。
当然ながら、満足すべき仕様書に依存して他の解決策が選択され得る。
本発明による部品20が図5〜図7に示されている。部品20は、図1〜図4に示した部品10が最適化されたものである。部品20は、部品10と同様の機能および寸法を有する。
部品20の一部の構成要素は、前述した部品10の構成要素と互換性があり、簡潔性の目的のために、同じ符号を有している。部品20の他の構成要素は、部品10と違いがあり、数字を10だけ大きくした符号を有している。
部品20は、本体21と、部品10の領域Z4、Z5、およびZ6にそれぞれにおいて、本体21に直接的に形成された様々な局所的な補強部40、50、および60とを備えている。
前述したように、領域Z4、Z5、およびZ6は使用中に同じ応力を受けない。これらの条件の下で、本体21と局所的な補強部40、50、および60とを構成する材料の選択は、性能、重量、およびコストの観点において、妥協である。
本体21は、2つの連続する鋳造加工および鍛造加工に従って、例えばアルミニウム合金といった金属合金から作られている。本体21は、主要部分22と、端部分13と、部分22および13を連結する長尺部分24とを備える。2つの貫通した開口15および16が部分22に配置されている。
領域Z4では、本体21は、局所的な補強部40として提供される長尺部分24を備える。部分24は金属合金から作られ、補強部40は複合材料から作られる。例えば、補強部40は、ほとんど完成した状態を有する、樹脂でプレコートされた炭素繊維、ガラス繊維、または熱可塑性物質繊維(具体的には、Kevlarのブランド名で知られているポリ(p-フェニレンテレフタルアミド))の層によって形成される。補強部40は、本体21に付着され、直接的に本体21において最終的な形を取る複合要素の形態になる。補強部40は、部分14および24が実質的に同じ寸法を有するように、本体11の部分140の代わりに使用される。補強部40であれば、部品20は、その機械的性能を低減させることなく、領域Z4においてより軽量にすることができる。
領域Z5では、補強部50が本体11の部分150の代わりに使用される。開口15は、部分22においてこの補強部50を貫いて形成される。開口15は、部品10および20について同じ寸法を有する。補強部50は、例えばコールドスプレイによって、本体11の合金よりも強い合金から作られる。部品20の強度は、本体11と比較して本体21の材料を変えることなく、部品10と比較して開口15の近くで向上される。
領域Z6では、インサート18が、開口16にコールドスプレイによって形成される被覆60によって置き換えられる。部品20の部分22は、開口16の近くでその性能を低減させることなく、被覆60でより軽量に作ることができる。
本体21は、補強部40、50、および60と比較して、部品の体積の大部分を作り上げている。
図3および図4の部品10の変形が、図8および図9に示されている。要素14および16にそれぞれ対応する部品10の応力の下にある領域Z4およびZ6が、この変形に示されている。領域Z4では、部分14の2つの外部分141および142が複合材料によって置き換えられ得る。領域Z6では、鋼鉄のインサート18は、開口16にコールドスプレイによって形成される被覆によって置き換えられる。
本発明による部品30が図10〜図12に示されている。部品30は、図8および図9に示した部品10を最適化したものである。部品30は、部品10と同様の機能および寸法を有する。
部品30の一部の構成要素は、前述した部品10の構成要素と互換性があり、簡潔性の目的のために、同じ符号を有している。部品30の他の構成要素は、部品10と違いがあり、数字を10だけ大きくした符号を有している。
部品30は、本体31と、本体31に直接的に形成された様々な局所的な補強部41、42、および60と、を備えている。
本体31は、2つの連続する鋳造加工および鍛造加工に従って、例えばアルミニウム合金といった金属合金から作られている。本体31は、主要部分12と、端部分13と、部分32および13を連結する長尺部分34と、を備える。2つの貫通した開口15および16が部分12に配置されている。
領域Z4では、本体31は、2つの局所的な補強部41および42で提供される長尺部品34を備える。部分34は金属合金から作られ、補強部41および42は複合材料から作られる。補強部41および42は、部分14および34が実質的に同じ寸法を有するように、本体11のそれぞれの部分141および142の代わりに使用される。補強部41および42であれば、部品30は、その機械的性能を低減させることなく、領域Z4においてより軽量になるように作ることができる。
領域Z6では、インサート18が、開口16にコールドスプレイによって形成された被覆60によって置き換えられる。部品20の部分22は、開口16の近くでその性能を低減させることなく、被覆60でより軽量に作ることができる。
さらに、部品10/20/30は、本発明の範囲から逸脱することなく、図1〜図12とは異なるように成形できる。
図5〜図7および図10〜図12の例では、補強部40/41/42/50/60の各々は、部品20/30の本体21/31と結合している。別の言い方をすれば、補強部40/41/42/50/60の各々は、本体21/31と完全に接触して配置される表面を有している。
図示していない変形として、本体と接触している補強の表面は、本体と少なくとも50%(最大で100%)接触して配置されてもよい。好ましくは、補強部の表面は、本体と少なくとも90%接触して配置される。
本発明のどの実施形態であるかに拘わらず、部品20/30は、少なくとも部分的に金属合金から構成され、
- 冶金製造ステップa1)によって製造された金属合金本体21/31と、
- 冶金製造ステップa1)に続く補強ステップa2)の間、部品20/30の応力の下にある領域において本体21/31に直接的に形成される少なくとも1つの局所的な補強部と、
を備える。
本体21/31は、補強部との比較で、部品20/30の体積の大部分を構成している。本体21/31は1つの機能部品だけから構成され得るが、この部品の特徴は補強部によって局所的に向上され得る。各々の補強部は、本体21/31の体積の20%未満、好ましくは、10%未満である体積を有する。
本発明の状況では、局所的な補強部は、コールドスプレイ、マイクロアーク酸化処理、付加製造、型における樹脂の焼き付け、複合組立体(接着剤が乾燥したときに部品の本体においてその最終的な形を取る)の付着、または任意の他の適切な技術によって形成できる。
本発明は、例えば溶接、ネジ留め、または圧入によって、本体へと加えられる部品による補強を排除する。
本発明は、オーバーモールドによって本体と一体化される補強部品も排除する。
本発明の目的は、少なくとも部分的に金属合金から構成される部品20/30の製造方法でもある。
方法は、以下の連続したステップa1)およびa2)を含む。
a1) 部品20/30の本体21/31を製造することから成る冶金製造ステップ。
a2) 局所的な補強部を、部品20/30の応力の下にある領域において本体21/31に直接的に形成することから成る補強ステップ。
第1の実施形態によれば、ステップa1)は、COBAPRESS方法に従って、鋳造加工と、それに続く鍛造加工と、を含む。
第2の実施形態によれば、ステップa1)は鋳造加工のみを含む。
第3の実施形態によれば、ステップa1)は鋳造加工のみを含む。
方法は、ステップa2)で使用される技術に依存して、ステップa1)とa2)との間に、補強される領域の表面を準備するステップを含み得る。非限定的な例として、この表面を準備するステップは、ブラシ掛け、脱脂、ショットブラスト、機械加工、または沈着を含み得る。複合補強部の場合、沈着は、部品20/30の本体21/31に接着剤を適用することから成り得る。
方法は、補強ステップa2)の後、補強された領域において部品20/30を仕上げるステップも含み得る。非限定的な例として、この仕上げるステップは、機械加工、研磨、または表面処理を含み得る。
方法は表面処理のステップも含み得る。表面処理は、ステップa1)およびa2)の間に、本体21/31の少なくとも一部分に、または、ステップa2)の後で、部品の表面の少なくとも一部分に、適用され得る。
本発明は、金属合金本体11を備える既存部品10の設計を最適化するための方法にも関係する。初めに、この本体11は、例えば鋳造加工および/または鍛造加工に続いて、作られる。
最適化方法は、以下の連続する段階b1、b2、b3、b4、およびb5を含む。
b1) 例えば数値シミュレーションによって、既存部品10の1つ以上の応力の加えられる領域Z4/Z5/Z6を特定する。
b2) 変更された本体21/31を備える最適化された部品20/30を、応力の加えられる領域Z4/Z5/Z6において本体21/31に形成される少なくとも1つの局所的な補強部40、41、42、50、および/または60を提供することで定める。
b3) 最適化された部品20/30の本体21/31を製造するための冶金製造工具(概して、鋳造および/または鍛造)を定める。部品20/30の本体21/31のための製造工具は、部品10の元の本体11のための製造工具と異なる。一部の場合では、本体11を製造するために使用された鋳造の型および鍛造の母型を、本体21/31の製造に使用されるように単に変更することができる。
b4) 最適化された部品20/30の本体21/31を工具で製造する。この段階は、COBAPRESS方法の実施に従って、鋳造加工と、それに続く鍛造加工とを含み得る。代替で、この段階は鋳造加工のみを含んでもよい。
b5) 最適化された部品20/30の応力の下にある領域Z4/Z5/Z6において、局所的な補強部40、41、42、50、60を本体21/31に直接的に形成する。
先に言及した様々な実施形態および変形の技術的な特徴は、全体で、または、それらのうちの一部について、互いと組み合わされてもよい。したがって、部品20/30は、コスト、機能性、および性能の観点において変化させられてもよい。
10 部品
11 本体
12 主要部分
13 端部分
14 長尺部分
15、16 開口
18 インサート
20 部品
21 本体
22 主要部分
24 長尺部分
30 部品
31 本体
32 部分
34 長尺部分、長尺部品
40、41、42、50 局所的な補強部
60 局所的な補強部、被覆
140、141、142 外部分
150 開口15の周りに位置付けられる部分
Z4、Z5、Z6 応力の下にある領域

Claims (18)

  1. 少なくとも部分的に金属合金から構成される部品(20; 30)の製造方法であって、前記方法は、前記部品(20; 30)の本体(21; 31)を製造することから成る冶金製造ステップa1)を含み、
    前記方法が、前記部品(20; 30)の応力の下にある領域(Z4、Z5、Z6)において、局所的な補強部(40、41、42、50、60)を前記本体(21; 31)に直接的に形成することから成る補強ステップa2)を次に含むことを特徴とする製造方法。
  2. 前記冶金製造ステップa1)は、鋳造予備成形品を製造することから成る鋳造加工a11)と、その後、前記鋳造予備成形品を鍛造して、前記部品(20; 30)の前記本体(21; 31)を得ることから成る鍛造加工a12)と、を含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記冶金製造ステップa1)は、前記部品(20; 30)の前記本体(21; 31)を製造することから成る鋳造加工a11)または鍛造加工a12)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  4. 前記局所的な補強部(40、41、42、50、60)は、前記部品(20; 30)の前記本体(21; 31)と少なくとも50%接触して配置される表面を有することを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記局所的な補強部(40、41、42、50、60)は、前記部品(20; 30)の前記本体(21; 31)と実質的に結合することを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. いくつかの局所的な補強部(40、41、42、50、60)が、前記部品(20; 30)の応力の下にある1つ以上の領域(Z4、Z5、Z6)において、前記本体(21; 31)に形成されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記冶金製造ステップa1)と前記補強ステップa2)との間に、補強される前記領域(Z4、Z5、Z6)の表面を準備するステップを含むことを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記補強ステップa2)の後、補強された前記領域(Z4、Z5、Z6)において前記部品(20; 30)を仕上げるステップを含むことを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記本体(21; 31)および前記局所的な補強部(50、60)は異なった金属合金から作られることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記本体(21; 31)は金属合金から作られ、前記局所的な補強部(40、41、42)は複合材料から作られることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記局所的な補強部(40、41、42、50、60)はコールドスプレイによって形成されることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
  12. 前記局所的な補強部(40、41、42、50、60)はマイクロアーク酸化処理によって形成されることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
  13. 前記局所的な補強部(40、41、42、50、60)は、その最終的な形を取る複合組立体を、前記部品(20; 30)の前記本体(21; 31)に付着させることで形成されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  14. 前記局所的な補強部(40、41、42、50、60)は樹脂を焼き付けることで形成されることを特徴とする、請求項10または13に記載の方法。
  15. 前記局所的な補強部(40、41、42、50、60)は付加製造によって形成されることを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  16. 金属合金本体(11)を備える既存部品(10)の設計を最適化するための方法であって、以下の連続する段階、すなわち、
    b1) 例えば数値シミュレーションによって、前記既存部品(10)の応力の下にある領域(Z4、Z5、Z6)を特定する段階、
    b2) 変更された本体(21; 31)を備える最適化された部品(20; 30)を、応力が加えられる前記領域(Z4、Z5、Z6)において前記本体(21; 31)に形成される少なくとも1つの局所的な補強部(40、41、42、50、60)を提供することによって定める段階、
    b3) 前記最適化された部品(20; 30)の前記本体(21; 31)に合う冶金製造工具を定める段階、
    b4) 前記最適化された部品(20; 30)の前記本体(21; 31)を前記工具で製造する段階、および
    b5) 前記最適化された部品(20; 30)の応力の下にある前記領域(Z4、Z5、Z6)において、前記局所的な補強部(40、41、42、50、60)を前記本体(21; 31)に直接的に形成する段階、
    を含む方法。
  17. 前記局所的な補強部(40、41、42、50)は、前記既存部品(10)の前記本体(11)の元の部分(140、150)の代わりに使用されることを特徴とする、請求項16に記載の方法。
  18. 前記局所的な補強部(60)は、前記既存部品(10)の前記本体(11)に、嵌められるか、オーバーモールドされるか、または押し付けられるインサート(18)の代わりに使用されることを特徴とする、請求項16に記載の方法。
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