JP2020515773A - ブレーキディスクおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

重量が軽くかつ剛性を高めることができ、ディスクプレートとハブとの結合構造の改善により重量を最小化し、生産性を高められるように、摩擦面を提供し、中央に穴が形成されたディスクプレート、前記ディスクプレートの中央に形成された穴に結合されるハブを含むブレーキディスクを製造する方法であって、ディスクプレートを準備する段階と、平板形態のハブを準備する段階と、ディスクプレート一面に平板形態のハブを位置させる段階と、前記ディスクプレートとハブをしまりばめにより接合する段階とを含むブレーキディスクの製造方法を提供する。

Description

本発明は、車両のディスクブレーキおよびその製造方法に関する。
一般に車両のブレーキ装置は、走行中の自動車を減速または停止させるために用いられる装置である。
ブレーキ装置に用いられるブレーキディスクは、摩擦部材である加圧パッドとの摩擦により発生する摩擦力を利用して車両の運動のエネルギーを熱エネルギーに放出することによって車両の制動を行う。
ブレーキディスクは、摩擦面を提供するリングやドラム形態のディスクプレートとディスクプレートに接合され、ディスクプレートを車軸に結合させるハブを含む。
このようなブレーキディスクは、車両の燃費向上のために軽量化が求められ、重量が軽くかつ強度が高く、耐熱性、耐摩耗性および耐久性を備える必要がある。
そこで、重量が軽くかつ剛性を高められるブレーキディスクおよびその製造方法を提供する。
また、高マンガン鋼を適用することによりディスクプレートとハブとの結合構造を改善し、重量を最小化し、結合力を高められるブレーキディスクおよびその製造方法を提供する。
また、ディスクプレートとハブをより簡単でかつ容易に結合して生産性を高めて製造コストを減らせるブレーキディスクおよびその製造方法を提供する。
このために本実施形態の製造方法は、摩擦面を提供し、中央に穴が形成されたディスクプレートと前記ディスクプレートの中央に形成された穴に結合されるハブを含むブレーキディスクを製造する方法であって、ディスクプレートを準備する段階と、ハブを準備する段階と、前記ディスクプレートに対してハブをしまりばめにより接合する段階とを含み得る。
前記接合する段階は、前記ディスクプレートに対してハブをホットスタンピング（ｈｏｔ ｓｔａｍｐｉｎｇ）して接合する段階を含み得る。
前記ホットスタンピングして接合する段階は、成形機内にディスクプレートを配置する段階と、ハブを高温で加熱する段階と、加熱したハブをディスクプレートに位置させる段階と、ハブがディスクプレート穴に接合されるように加圧成形してしまりばめにより接合させる段階と、ハブを急冷する段階とを含み得る。
前記接合する段階は、前記ディスクプレートに対してハブをコールドスタンピング（ｃｏｌｄ ｓｔａｍｐｉｎｇ）して接合する段階を含み得る。
前記コールドスタンピングして接合する段階は、成形機内に組み立てられたディスクプレートとハブを配置する段階と、常温でハブをディスクプレートの穴に加圧してしまりばめにより接合させる段階とを含み得る。
前記接合する段階は、前記ディスクプレートに対してハブをハイドロフォーミング（ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ）して接合する段階を含み得る。
前記ハイドロフォーミングして接合する段階は、成形機内に組み立てられたディスクプレートとハブを配置する段階と、ハブに液圧を加えてハブをディスクプレートの穴に加圧してしまりばめにより接合させる段階とを含み得る。
前記ディスクプレートは、マンガン（Ｍｎ）が１６〜２０重量％以上の高マンガン鋼からなる。
前記ディスクプレートは、炭素（Ｃ）０．９〜１．３１重量％、マンガン（Ｍｎ）１６〜２０重量％、ケイ素（Ｓｉ）０．０１〜０．０３重量％、クロム（Ｃｒ）２．２〜２．８重量％、銅（Ｃｕ）０．３〜０．７重量％、残部はＦｅおよびその他不可避不純物を含み得る。
前記ハブは、ディスクプレートと同じ材質からなる。
前記ハブは、ディスクプレートと相異する材質からなる。
前記ハブは、ホウ素鋼材質からなる。
前記ハブは、ディスクプレートと相異する材質の一般構造用鋼材からなる。
前記ディスクプレートを準備する段階において、前記ディスクプレートの中央に凹凸形状の穴を加工する段階をさらに含み得る。
前記ハブを準備する段階において、前記穴の内周面に接するハブの接合部を前記ディスクプレートの穴に対応する形状に加工する段階をさらに含み得る。
前記ホットスタンピングして接合する段階において、ハブは９００℃〜９５０℃の温度で加熱し得る。
前記ホットスタンピングして接合する段階において、ハブに対する加圧力は、１２〜２２ＫＮ／ｃｍ２であり得る。
前記コールドスタンピングして接合する段階において、ハブに対する加圧力は、４０〜６４ＫＮ／ｃｍ２であり得る。
前記ハイドロフォーミングして接合する段階において、ハブに対する加圧力は、６０〜１００ＫＮ／ｃｍ２であり得る。
本実施形態のブレーキディスクは、摩擦面を提供し、中央に穴が形成されたディスクプレートと前記ディスクプレートの中央に形成された穴に結合されるハブを含み、前記ハブは、ディスクプレートにしまりばめにより接合され得る。
前記ハブは、ホットスタンピングしてディスクプレートに接合され得る。
前記ハブは、コールドスタンピング（ｃｏｌｄ ｓｔａｍｐｉｎｇ）してディスクプレートに接合され得る。
前記ハブは、ハイドロフォーミングしてディスクプレートに接合され得る。
前記ディスクプレートと前記ハブは、異種材質であり得る。
前記ディスクプレートは、マンガン（Ｍｎ）が１６〜２０重量％以上の高マンガン鋼からなる。
前記ディスクプレートは、炭素（Ｃ）０．９〜１．３１重量％、マンガン（Ｍｎ）１６〜２０重量％、ケイ素（Ｓｉ）０．０１〜０．０３重量％、クロム（Ｃｒ）２．２〜２．８重量％、銅（Ｃｕ）０．３〜０．７重量％、残部はＦｅおよびその他不可避不純物を含み得る。
前記ハブは、ホウ素鋼材質からなる。
前記ハブは、ディスクプレートと同じ材質からなる。
前記ハブは、ディスクプレートと相異する材質の一般構造用鋼材からなる。
前記穴は、凹凸形状からなる。
前記ハブは、前記穴に接する面が穴の凹凸形状に対応する形状からなる。
前記ディスクプレートは、表面に冷却穴がさらに形成され得る。
前記ブレーキディスクは、ディスクプレートが単一板材形態のソリッド（ｓｏｌｉｄ）構造であり得る。
以上説明したように本実施形態によれば、高マンガン鋼材質からなり、ディスクプレートの厚さを減らすことができるため、剛性を十分に確保しながらも従来に比べて重量を３０％以上軽量化することができる。
また、ディスクプレートとハブをホットスタンピング工程や、コールドスタンピング工程またはハイドロフォーミング工程によって加圧しまりばめにより接合することによって、二つの部材間の連結のために別途の構成を追加しないので、ブレーキディスクの重量を最小化することができる。
また、生産工程が単純化され、ブレーキディスクの生産性を高めることができ、より低いコストでブレーキディスクの競争力を高めることができる。
また、ディスクプレートとハブとの間の接合力を高めることができ、ハブの剛性を高めることができる。
また、バンドタイプ（ｖｅｎｔｅｄ ｔｙｐｅ）の冷却穴を有するディスクを製造せずにソリッドタイプ（ｓｏｌｉｄ ｔｙｐｅ）で製造しても熱間変形問題の発生を防止することができる。したがって、従来の量産車種の前輪ブレーキを後輪ブレーキ形態であるソリッドタイプで製造して適用することができる。
本発明の実施形態によるブレーキディスクの製造過程を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるブレーキディスクの製造過程を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるブレーキディスクの製造過程を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるブレーキディスクのホットスタンピング工程またはコールドスタンピング工程を説明するための概略的な図である。 本発明の実施形態により製造されたブレーキディスクを示す図である。 本発明の実施形態により製造されたまた他のブレーキディスクを示す図である。 （ａ）本発明の実施形態により製造されたブレーキディスクを従来と比較実験した結果を示すグラフである。（ｂ）本発明の実施形態により製造されたブレーキディスクを従来と比較実験した結果を示すグラフである。
以下、添付した図面を参照して本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施形態を説明する。本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に理解できるように、後述する実施形態は本発明概念と範囲を外れない限度内で多様な形態に変形することができる。図面において同一または類似の部分は可能な限り同じ図面符号を使って示す。
以下で使われる技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解する意味と同じ意味を持つ。辞書に定義されている用語は、関連技術文献と現在開示されている内容に合う意味を持つものと追加解釈され、定義されていない限り理想的または公式的に過ぎる意味には解釈されない。
図１は本実施形態によるブレーキディスクの製造過程を概略的に示す。
図１に示すように、本実施形態によるブレーキディスク１０の製造工程を調べれば、摩擦面を提供するディスクプレート１２と前記ディスクプレートに結合されるハブ１４をそれぞれ準備する段階と、準備したディスクプレートに対してハブをホットスタンピング（ｈｏｔ ｓｔａｍｐｉｎｇ）してしまりばめにより接合する段階とを含む。
前記ディスクプレート１２は、摩擦面を提供する円形の板構造物であり、中央にはハブ１４が結合されるように穴１３が形成されてリング形態をなす。前記ディスクプレートの中央に形成される穴１３は、内周面に沿って凹部と凸部が繰り返し形成された凹凸形状で加工され得る。穴が凹凸形状をなすことによってハブとの結合力が増大する。
前記ディスクプレート１２は、マンガン（Ｍｎ）が１６〜２０重量％以上の高マンガン鋼からなる。
このように、制動のための摩擦面を提供するディスクプレートを制動性能、耐摩耗性が良く、熱変形が少ない高マンガン鋼で形成することによって、ブレーキディスクの制動性能、耐摩耗性の向上と共に、靱性、耐衝撃性、熱間変形抵抗を同時に向上させることができる。
本実施形態において、前記ディスクプレート１２は、炭素（Ｃ）０．９〜１．３１重量％、マンガン（Ｍｎ）１６〜２０重量％、ケイ素（Ｓｉ）０．０１〜０．０３重量％、クロム（Ｃｒ）２．２〜２．８重量％、銅（Ｃｕ）０．３〜０．７重量％、残部はＦｅおよびその他不可避不純物を含み得る。
多くの実験結果、上記した本実施形態の高マンガン鋼素材のディスクプレートを備えたブレーキディスクの場合、一般炭素鋼素材のディスクプレートを備えたブレーキディスクと比較して高い摩擦係数と高い熱伝導を有するため制動性能と放熱性能がいずれも向上することを確認することができた。
前記ハブ１４は、ディスクプレート１２に結合されてディスクプレートを車体の車軸に結合させるための構造物である。前記ハブ１４は、ディスクプレート１２と相異する材質からなる。前記ハブは、ホットスタンピングのために高温で成形性に優れ、冷却後に剛性がある材質からなる。本実施形態において、前記ハブはホウ素鋼材質からなる。前記ハブは、ディスクプレートにホットスタンピングで接合されるものであればホウ素鋼の他に多様な素材からなってもよい。
本実施形態において、前記ハブ１４は円形の平板形態で準備する。または前記ハブは、円板をプレスで加圧成形してあらかじめ所望する形態にプレフォーミング（ｐｒｅ ｆｏｒｍｉｎｇ）して準備し得る。
平板形態のハブ１４は、ホットスタンピング工程によってディスクプレート１２の穴にしまりばめにより接合される。
ホットスタンピング（ｈｏｔ ｓｔａｍｐｉｎｇ）は、高温状態の素材をプレスで成形して急冷して製造する工程を意味し、本実施形態ではディスクプレートに対してハブが高温状態で加熱成形および急冷され、ディスクプレートにしまりばめ構造で接合される。
本実施形態において、ディスクプレートに対してハブがホットスタンピングで接合する段階は、成形機内にディスクプレートを配置する段階と、ハブを高温で加熱する段階と、加熱したハブをディスクプレートに位置させる段階と、ハブがディスクプレートの穴に接合されるように加圧成形してしまりばめにより接合する段階と、ハブを急冷する段階とを含む。
そのために、ハブはホットスタンピング工程によってディスクプレートの穴にしまりばめにより接合される。例えば、準備したハブは加熱炉により高温状態で加熱し、加熱したハブはディスクプレートが配置された成形機の金型に移動し、成形機のパンチによってプレスされてディスクプレートの穴に高圧で密着して接合された後に急冷される。
すなわち、図１に示すように、ホットスタンピングのための成形機１００の上部ダイ１１２と下部ダイ１１０上にディスクプレート１２と高温で加熱したハブ１４を配置してパンチ１２０でハブ１４を加圧する。ハブはパンチによって塑性変形されてディスクプレートに密着する。
そのために、図３に示すように、ハブ１４がパンチ１２０により加圧されてディスクプレート１２の穴１３の内周面にしまりばめにより密着するように成形される。塑性変形されたハブは、成形機のダイおよびハブと接しているディスクプレートにより急速冷却される。ホットスタンピング工程によってハブが加圧されながら穴に対するハブの接合面はディスクプレートの穴の閉断面形状に成形され、穴に強く密着して接合される。
本実施形態において、前記ディスクプレートに対してハブをホットスタンピングして接合する時、ハブは９００℃〜９５０℃の温度で加熱し得る。
ホットスタンピング接合過程でハブに対する加熱温度が前記範囲を外れる場合、素材の塑性変形量が増加して変形が発生する恐れが高まる。
前記ディスクプレートに対してハブをホットスタンピングして接合する過程で、ハブに対する加圧力は１２〜２２ＫＮ／ｃｍ２であり得る。
ホットスタンピング接合過程でハブに対する前記加熱温度から素材を冷却して成形が行われるとき素材軟化による適正加圧力は１２〜２２ＫＮ／ｃｍ２であり得る。加圧力が前記範囲を外れる場合、素材の塑性変形量が増加して変形が発生する恐れが高まる。
このように、高マンガン鋼材質のディスクプレートにホウ素鋼材質のハブがホットスタンピングで接合されることによって、リベットやボルトなど別途の締結のための器具を用いずにディスクプレートにハブを迅速でかつ強力に接合することができ、ブレーキディスクの軽量化を高めることができる。また、ディスクプレートにハブをより簡単に結合させることによって高い生産性と低いコストでブレーキディスクの製作が可能である。
また、ディスクプレートに接合されるハブがホットスタンピング工程を経ることによって熱処理効果が付与され、ハブの剛性を高めることができる。
ここで前記ディスクプレート１２の穴１３は、凹凸形状からなっており、前記ハブ１４を成形する過程で、前記穴を通るハブの外周面がディスクプレートの中央に形成された穴の凹凸形状に対応する形状に塑性変形される。そのために、ディスクプレートの穴１３と成形されたハブ１４の側面が凹凸形状で互いにかみ合わさるので、その結合力をより高めることができる。
図２はまた他の実施形態によるブレーキディスクの製造過程を概略的に示す。
図２に示すように、本実施形態によるブレーキディスク１０の製造工程を調べると、摩擦面を提供するディスクプレート１２と前記ディスクプレートに結合されるハブ１４をそれぞれ準備する段階と、準備したディスクプレートに対してハブをコールドスタンピング（ｃｏｌｄ ｓｔａｍｐｉｎｇ）してしまりばめにより接合する段階とを含む。
前記ディスクプレート１２は、上述した内容と同様であるため、詳細な説明は省略する。
前記ハブ１４は、ディスクプレート１２に結合されてディスクプレートを車体の車軸に結合させるための構造物である。本実施形態において、前記ハブはディスクプレートと同じ材質からなる。これとは異なり、前記ハブ１４はディスクプレート１２と相異する材質からなる。前記ハブはディスクプレートにコールドスタンピングにより接合されるものであれば、高マンガン鋼の他に多様な素材からなってもよい。例えば、前記ハブは一般構造用鋼材からなってもよい。
本実施形態において、前記ハブ１４は、円板をプレスで加圧成形してあらかじめ所望する形態でプレフォーミング（ｐｒｅ ｆｏｒｍｉｎｇ）して準備し得る。または前記ハブは、円形の平板形態で準備し、コールドスタンピング時に所望する形態に成形され得る。
準備したハブ１４は、コールドスタンピング工程によってディスクプレート１２の穴にしまりばめにより接合される。
コールドスタンピング（ｃｏｌｄ ｓｔａｍｐｉｎｇ）は、常温状態で素材をプレスして所望する形態に塑性加工する工程を意味し、本実施形態ではディスクプレートに対してハブがコールドスタンピングによって外側に加圧変形されながらディスクプレートの穴にしまりばめ構造で接合される。
本実施形態において、ディスクプレートに対してハブがコールドスタンピングにより接合する段階は、成形機内に組み立てられたディスクプレートとハブを配置する段階と、常温でハブがディスクプレートの穴にしまりばめにより接合されるようにハブを加圧成形する段階とを含み得る。ここで、ディスクプレートとハブを組み立てることは、ディスクプレートとハブの中心を合わせて互いに接するようにするか、ディスクプレートの穴に突出成形されたハブの中央部を挟んで結合することを意味する。
したがって、ハブはコールドスタンピング工程によってディスクプレートの穴に加圧されながらしまりばめにより接合される。
すなわち、図２に示すように、コールドスタンピングのための成形機２００の上部ダイ２１２と下部ダイ２１０上に常温状態のディスクプレート１２とハブ１４を配置し、パンチ２２０でハブ１４を加圧する。ハブは、パンチの加圧力によって塑性変形される。そのために、ハブ１４がパンチ２２０により塑性変形されながらディスクプレート１２の穴１３の内周面に結合面が密着する。
したがって、図３に示すように、ハブ１４がパンチ２２０により加圧され、ディスクプレート１２の穴１３の内周面にしまりばめにより密着するように成形される。そのために、コールドスタンピングによりハブとディスクプレートが堅固に接合される。
コールドスタンピング工程によりハブが加圧されながら穴に対するハブの接合面はディスクプレートの穴の閉断面形状に成形されながら穴に強く密着して接合される。このように、コールドスタンピングによりディスクプレートにハブを接合することで接合部の剛性を最高に維持するようにハブを塑性変形させることができる。前記常温とは、大気状態の温度であり、概ね２５℃の温度と理解することができる。
前記ディスクプレートに対してハブをコールドスタンピングして接合する過程では、ハブに対する加圧力は４０〜６４ＫＮ／ｃｍ２であり得る。コールドスタンピングの場合、ディープドローイング概念で成形が行われ、成形荷重を考慮すると前記範囲を外れる場合には、素材の塑性変形量が増加するので変形が発生する恐れが高い。
前記ハブは、高マンガン鋼材質からなっており、引張強度は１１００Ｍｐａ以上であり、伸び率は４５％以上であるため、前記のようにコールドスタンピングして成形しても破断は発生しない。また、ハブは高い引張強度によってディスクプレートの穴にしまりばめにより結合されても最適な強度で接合され得る。そのために、本実施形態において、１．５〜３ｍｍ厚さの高マンガン鋼材質のハブをコールドスタンピングして成形することによって、ディスクプレートの穴にハブを簡単でかつ強力に結合させることができる。
このように、ディスクプレートにハブをより簡単に結合させることによって高い生産性と低いコストでブレードディスクの製作が可能である。
また、高マンガン鋼材質のディスクプレートにハブがコールドスタンピングで接合されることによって、リベットやボルトなど別途の締結のための器具を用いず、ディスクプレートにハブを迅速で強力に接合することができ、ブレーキディスクの軽量化を高めることができる。
ここで、前記ディスクプレート１２の穴１３は、凹凸形状で形成されており、前記ハブ１４を成形する過程で、前記穴を通るハブの外周面がディスクプレートの中央に形成された穴の凹凸形状に対応する形状に塑性変形される。そのために、ディスクプレートの穴１３と成形されたハブ１４の側面が凹凸形状で互いにかみ合わさり、その結合力をより高めることができる。
図３はまた他の実施形態によるブレーキディスクの製造過程を概略的に示す。
図３に示すように、本実施形態によるブレーキディスク１０の製造工程を調べれば、摩擦面を提供するディスクプレート１２と前記ディスクプレートに結合されるハブ１４をそれぞれ準備する段階と、準備したディスクプレートに対してハブをハイドロフォーミング（ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ）してしまりばめにより接合する段階とを含む。
前記ディスクプレート１２は上述した内容と同様であるため以下詳細な説明は省略する。
前記ハブ１４は、ディスクプレート１２に結合され、ディスクプレートを車体の車軸に結合させるための構造物である。本実施形態において、前記ハブはディスクプレートのような材質からなる。これとは異なり、前記ハブ１４はディスクプレート１２と相異する材質からなる。前記ハブは、ディスクプレートにハイドロフォーミングにより接合できるものであれば、高マンガン鋼の他に多様な素材からなってもよい。例えば、前記ハブは一般構造用鋼材からなってもよい。
本実施形態において、前記ハブ１４は、円板をプレスで加圧成形してあらかじめ所望する形態にプレフォーミング（ｐｒｅ ｆｏｒｍｉｎｇ）して準備し得る。または前記ハブは、円形の平板形態で準備し、ハイドロフォーミング時に所望する形態に成形され得る。
準備したハブ１４は、ハイドロフォーミング工程によってディスクプレート１２の穴にしまりばめにより接合される。
ハイドロフォーミング（Ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ）は、素材の外側にプレスを当てて内部で強い圧力で液体を押込んで所望する形態に塑性加工する工程を意味し、本実施形態ではディスクプレートに対してハブがハイドロフォーミングによって外側に加圧変形されながらディスクプレートの穴にしまりばめ構造で接合される。
本実施形態においてディスクプレートに対してハブがハイドロフォーミングにより接合する段階は、成形機内に組み立てられたディスクプレートとハブを配置する段階と、ハブに液圧を加えてハブをディスクプレートの穴に加圧してしまりばめにより接合する段階とを含み得る。ここで、ディスクプレートとハブを組み立てるとは、ディスクプレートとハブの中心を合わせて互いに接するようにするか、ディスクプレートの穴に突出成形されたハブの中央部を挟んで結合することを意味する。
そのために、ハブは、ハイドロフォーミング工程によってディスクプレートの穴に接合面が加圧されながらしまりばめにより接合される。
すなわち、図３に示すように、準備したハブはディスクプレートの穴に突出した中央部が挟まれて組み立てられた状態で成形機３００の金型３１２内に安着する。金型３１２にはハブに液圧を加えるための液体が収容される収容穴３１４が形成されており、ハブとディスクプレートが金型内に安着した状態で収容穴３１４に満たされた液体Ｆを高圧で押し出すとハブが加圧されて外部に押し出されることによりディスクプレートの穴に接合される。
したがって、ハブ１４が液圧により加圧され、ディスクプレート１２の穴１３の内周面にハブの接合面がしまりばめにより密着するように成形される。ハイドロフォーミング工程によって液圧成形の長所である金型の外部に押す圧力を最大限用いることによって、ハブを外側に加圧してディスクプレートの穴の閉断面形状にハブを成形し得る。加圧したハブは、ディスクプレートの穴の閉断面形状に成形され、穴に強く密着して接合される。このように、ハイドロフォーミングによりディスクプレートにハブを接合することによって接合部の剛性を最高に維持するようにハブを塑性変形することができる。
前記ディスクプレートに対してハブをハイドロフォーミングして接合する過程で、ハブに対する加圧力は、６０〜１００ＫＮ／ｃｍ２であり得る。ディスクの内部に単位面積当たり作用する圧力で表現すれば、内径１５０ｍｍ、高さ８ｍｍであるディスクの場合、断面積は３６００ｍｍ２であるため、装備が作用する力が最小６０ＫＮであるときに圧力は１００ＭＰａで計算される。このように単位面積当たり作用する圧力で導き出した時の力６０ＫＮないし１００ＫＮで結合することが好ましく、前記加圧力範囲を外れた場合、素材の塑性変形量が増加して変形が発生する恐れが高い。
前記ハブが高マンガン鋼材質からなる場合、引張強度は１１００Ｍｐａ以上であり、伸び率は４５％以上であるため、前記のようにハイドロフォーミングして成形しても破断は発生しない。また、ハブは高い引張強度によってディスクプレートの穴にしまりばめにより結合されても最適な強度で接合され得る。そのために、本実施形態において、１．５〜３ｍｍ厚さの高マンガン鋼材質のハブをハイドロフォーミングして成形することによって、ディスクプレートの穴にハブを簡単でかつ強力に結合させることができる。
このように、ディスクプレートにハブをより簡単に結合させることによって、高い生産性と低いコストでブレードディスクの製作が可能である。
また、高マンガン鋼材質のディスクプレートにハブがハイドロフォーミングにより接合されることによって、リベットやボルトなど別途の締結のための器具を用いずディスクプレートにハブを迅速でかつ強力に接合することができ、ブレーキディスクの軽量化を高めることができる。
ここで前記ディスクプレート１２の穴１３は、凹凸形状からなっており、前記ハブ１４を成形する過程で、前記穴を通るハブの外周面がディスクプレートの中央に形成された穴の凹凸形状に対応する形状に塑性変形される。そのために、ディスクプレートの穴１３と成形されたハブ１４の側面が凹凸形状で互いにかみ合わさってその結合力をより高めることができる。
図５と図６は本実施形態により製造されたブレーキディスクを示す。
図５はディスクプレート１２の表面に冷却穴が形成されていない構造のブレーキディスクであり、図６はディスクプレート１２の表面に冷却穴１５が一定に配列形成された構造のブレーキディスクを示す。
図５と図６のブレーキディスクは、冷却穴の有無のみ差があり、他の構成は同一であるため、以下、図５に示す実施形態のブレーキディスクを例に説明し、図６の実施形態については以下説明を省略する。
本実施形態のブレーキディスク１０は、摩擦面を提供し、中央に穴１３が形成されたディスクプレート１２と前記ディスクプレート１２の中央に形成された穴１３に結合されるハブ１４を含み、前記ハブ１４は上述した各実施形態の製造方法により製造され、ディスクプレートの穴にしまりばめことで接合された構造になっている。
前記ハブ１４は、穴１３を介して中央部がディスクプレート外側に突出し、突出した中央部の外周面すなわち、穴と接するハブの接合面は、穴にホットスタンピング、コールドスタンピングまたはハイドロフォーミングで接合されている。前記ディスクプレートとハブとの間はホットスタンピング、コールドスタンピングまたはハイドロフォーミングにより接合され、リベットやボルトなど別途の接合のための機構は備えられない。
また、前記ディスクプレート１２の穴１３とハブ１４との間の接合面は、互いに対応する凹凸形状をなし、互いにかみ合わさって接合される。そのために、二つの部材間の結合力を増加させることができる。本実施形態において、前記穴とハブの接合面は、鋸歯のような凹凸形状をなすが、前記凹凸形状は鋸歯形態の他に多様な形状で形成されることができる。
本実施形態において、前記ディスクプレート１２は、ソリッド（ｓｏｌｉｄ）形態からなる。ディスクプレートは、二つの板材の間に冷却穴を有する構造のバンド（ｖｅｎｔｅｄ）形態と一つの単一板材からなるソリッド（ｓｏｌｉｄ）形態に区分される。バンド構造のディスクプレートは、冷却効率を上げられるが、鋳造方式で製造されることによって鋳造性が劣る素材の場合、製造が難しく、二つの板材で形成されるため厚さが厚く、重量も重い短所がある。ソリッド構造のディスクプレートは、軽くかつ厚さも薄いため空間性が良いが、冷却効率が劣り熱間変形に脆弱である。そのために、従来にはソリッド構造のディスクプレートの場合、車両の前輪には適用することが難しく後輪に使われている。
本実施形態のディスクプレート１２は、高マンガン鋼素材からなり、ホットスタンピング工程、コールドスタンピング工程またはハイドロフォーミング工程によって製造されることによって、バンド構造の代わりにソリッド構造からなっても熱間変形に十分な抵抗性を有し、高い剛性と大きい耐摩耗性を現わして車両の前輪にも適用が可能である。また、ディスクプレートを鍛造方式で生産が可能になり、ブレーキディスクの重量の軽量化、耐摩耗性の向上および、制動性能の向上などの優れた物性分の確保が容易になる効果がある。
本実施形態により製造されたブレーキディスクと従来の鋳物方式で製造されたバンド構造のブレーキディスクを比較した結果、本実施形態の場合、ブレーキディスクの厚さが１８ｍｍ、重量が７ｋｇで、従来のバンド構造のブレーキディスクの厚さ３２ｍｍ、重量１２ｋｇより大きさと重量を減らして軽量化することができた。
また、ディスクプレートに対してハブがホットスタンピング、コールドスタンピングまたはハイドロフォーミングにより接合され、ボルトなど締結のための機構が別に結合されないので、その重量をより軽量化することができる。本実施形態のブレーキディスクは、高マンガン鋼を適用して軽量化したにもかかわらず、制動性能と耐摩耗性に優れ、ホットスタンピング、コールドスタンピングまたはハイドロフォーミングによる結合構造により生産性を最大化することができる。また、一般構造用鋼材であるハブもホットスタンピング、コールドスタンピングまたはハイドロフォーミングにより剛性が十分に確保され、ブレーキディスクの全体的な強度を高めることができる。
図７は本実施形態により製造したブレーキディスクの制動性能に対する実験結果を示す。
図７において、実施形態は言及したように本実施形態により高マンガン鋼をホットスタンピング工程、コールドスタンピング工程またはハイドロフォーミング工程によって製造されたソリッドタイプのブレーキディスクであり、比較例は従来の一般的に量産されている灰鋳鉄ブレーキディスクである。
実施形態と比較例に対する比較実験は、ＪＳＡＥ ＪＡＳＯ Ｃ４０６規格試験を実施した。
実験結果、図７の（ａ）に示すように、同一制動性能であるとき、実施形態のブレーキ圧力が比較例より低く現れることがわかり、図７の（ｂ）に示すように、比較例より実施形態が高い摩擦係数値で制動性能がより優れることを確認することができる。
以上説明した通り、本発明の例示的な実施形態を図示して説明したが、多様な変形と他の実施形態が当該分野の熟練した技術者によって行われることができる。このような変形と他の実施形態は、添付する特許請求の範囲にすべて考慮されて含まれ、本発明の真の趣旨および範囲を外れないといえる。

Claims (25)

  1. 摩擦面を提供し、中央に穴が形成されたディスクプレートと前記ディスクプレートの中央に形成された穴に結合されるハブを含むブレーキディスクを製造する方法であって、
    ディスクプレートを準備する段階と、
    ハブを準備する段階と、
    前記ディスクプレートに対してハブをしまりばめにより接合する段階と、を含むブレーキディスクの製造方法。
  2. 前記接合する段階は、前記ディスクプレートに対してハブをホットスタンピング（ｈｏｔ ｓｔａｍｐｉｎｇ）して接合する段階を含む、請求項１に記載のブレーキディスクの製造方法。
  3. 前記接合する段階は、前記ディスクプレートに対してハブをコールドスタンピング（ｃｏｌｄ ｓｔａｍｐｉｎｇ）して接合する段階を含む、請求項１に記載のブレーキディスクの製造方法。
  4. 前記接合する段階は、前記ディスクプレートに対してハブをハイドロフォーミング（ｈｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇ）して接合する段階を含む、請求項１に記載のブレーキディスクの製造方法。
  5. コールドスタンピングして接合する段階は、成形機内に組み立てられたディスクプレートとハブを配置する段階と、常温でハブをディスクプレートの穴に加圧してしまりばめにより接合させる段階とを含む、請求項２に記載のブレーキディスクの製造方法。
  6. ホットスタンピングして接合する段階は、成形機内にディスクプレートを配置する段階と、ハブを高温で加熱する段階と、加熱したハブをディスクプレートに位置させる段階と、ハブがディスクプレート穴に接合されるように加圧成形してしまりばめにより接合する段階と、ハブを急冷する段階とを含む、請求項３に記載のブレーキディスクの製造方法。
  7. 前記ハイドロフォーミングして接合する段階は、成形機内に組み立てられたディスクプレートとハブを配置する段階と、ハブに液圧を加えてハブをディスクプレートの穴に加圧してしまりばめにより接合させる段階とを含む、請求項４に記載のブレーキディスクの製造方法。
  8. 前記ディスクプレートを準備する段階において、前記ディスクプレートの中央に凹凸形状の穴を加工する段階をさらに含む、請求項１に記載のブレーキディスクの製造方法。
  9. 前記ハブを準備する段階において、前記穴の内周面に接するハブの接合部を前記ディスクプレートの穴に対応する形状に加工する段階をさらに含む、請求項１に記載のブレーキディスクの製造方法。
  10. 前記ディスクプレートは、マンガン（Ｍｎ）が１６〜２０重量％以上の高マンガン鋼からなる、請求項２ないし９のいずれか一項に記載のブレーキディスクの製造方法。
  11. 前記ディスクプレートは、炭素（Ｃ）０．９〜１．３１重量％、マンガン（Ｍｎ）１６〜２０重量％、ケイ素（Ｓｉ）０．０１〜０．０３重量％、クロム（Ｃｒ）２．２〜２．８重量％、銅（Ｃｕ）０．３〜０．７重量％、残部はＦｅおよびその他不可避不純物を含む、請求項１０に記載のブレーキディスクの製造方法。
  12. ホットスタンピングして接合する段階において、ハブは９００℃〜９５０℃の温度で加熱する、請求項１０に記載のブレーキディスクの製造方法。
  13. 前記ホットスタンピングして接合する段階において、ハブに対する加圧力は１２〜２２ＫＮ／ｃｍ２である、請求項１２に記載のブレーキディスクの製造方法。
  14. コールドスタンピングして接合する段階において、ハブに対する加圧力は４０〜６４ＫＮ／ｃｍ２である、請求項１０に記載のブレーキディスクの製造方法。
  15. ハイドロフォーミングして接合する段階において、ハブに対する加圧力は６０〜１００ＫＮ／ｃｍ２である、請求項１０に記載のブレーキディスクの製造方法。
  16. 摩擦面を提供し、中央に穴が形成されたディスクプレートと前記ディスクプレートの中央に形成された穴に結合されるハブを含み、
    前記ハブは、ディスクプレートにしまりばめにより接合されたブレーキディスク。
  17. 前記ハブは、ディスクプレートにホットスタンピングしてディスクプレートに接合された、請求項１６に記載のブレーキディスク。
  18. 前記ハブは、ディスクプレートにコールドスタンピングしてディスクプレートに接合された、請求項１６に記載のブレーキディスク。
  19. 前記ハブは、ディスクプレートにハイドロフォーミングしてディスクプレートに接合された、請求項１６に記載のブレーキディスク。
  20. 前記ディスクプレートは、マンガン（Ｍｎ）が１６〜２０重量％以上の高マンガン鋼からなる、請求項１６ないし１９のいずれか一項に記載のブレーキディスク。
  21. 前記ハブは、ディスクプレートと相異する材質からなる、請求項２０に記載のブレーキディスク。
  22. 前記穴は、凹凸形状からなる、請求項２０に記載のブレーキディスク。
  23. 前記ハブは、前記穴に接する面が穴の凹凸形状に対応する形状からなる、 請求項２２に記載のブレーキディスク。
  24. 前記ディスクプレートは、表面に冷却穴がさらに形成された、請求項２３に記載のブレーキディスク。
  25. 前記ブレーキディスクは、ディスクプレートが単一板材形態のソリッド（ｓｏｌｉｄ）構造である、請求項２３に記載のブレーキディスク。
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