JP2023049487A - サスペンション部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム合金製の熱間型鍛造品であるサスペンション部品において、鍛造加工の仕方と製品強度の関係を特定して適切な強度設計を提供する。【解決手段】所定形状のアルミニウム合金製の熱間型鍛造品であるサスペンション部品とアルミニウム合金製のビレットとを準備し、サスペンション部品の車両組み付け状態の車両前後方向、車両幅方向、車両上下方向等の荷重が負荷された際の主応力方向を確認し、所定形状にビレットを鍛造加工する際に生じる最大主ひずみ方向と前記主応力方向とのなす角度を第１角度、ビレットを鍛造加工する際の主ひずみ方向と前記主応力方向とのなす角度を第２角度とし、第１角度および第２角度に依拠して変化する機械的強度を設定し、第１角度が９０度および第２角度が０°のときの機械的強度を基準値として設定し、機械的強度が前記基準値の９５％以上となる第１角度および第２角度にて前記ビレットを鍛造加工することを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、サスペンション部品の製造方法に関する。

自動車用のサスペンション部品は、タイヤと車体をつなぐ重要保安部品である。従って、サスペンション部品には、高靭性、高強度、および高剛性などの性能が要求される。また、燃費向上の観点から、サスペンション部品には軽量化も要求される。そのため、サスペンション部品としてアルミニウム合金製の熱間型鍛造品がしばしば使用される。

例えば、特許文献１には、アルミニウム合金製の熱間型鍛造品であるサスペンション部品が開示されている。具体的には、外力が印加された場合の最大応力発生部位の負荷応力方向において、結晶方位から算出されるシュミット因子の逆数の平均が２．３以上であること、を特徴とするサスペンション部品などの自動車用足回り部品が開示されている。これにより、十分な強度の確保を図っている。

特開２０１５－１１６８４６号公報

アルミニウム合金製の熱間型鍛造品は、最終形状が同じでも鍛造加工の仕方が変わることで、製品強度が変わる。特にサスペンション部品のような複雑な形状においては、鍛造加工の仕方と製品強度の関係は未だ明確になっていない。そのため、機械的性質がある程度ばらつくことを許容して設計し、安全上低強度域に合わせて設計するのが通例である。しかし、このような設計では、高強度域に合わせて設計した場合に比べて製品質量およびコストが増加する。

本発明は、アルミニウム合金製の熱間型鍛造品であるサスペンション部品において、鍛造加工の仕方と製品強度の関係を特定して適切な強度設計を実現することを課題とする。

本発明は、
所定形状のアルミニウム合金製の熱間型鍛造品であるサスペンション部品とアルミニウム合金製のビレットとを準備し、
前記サスペンション部品において、車両組み付け状態の車両前後方向、車両幅方向、および車両上下方向の少なくとも１つの方向の荷重が負荷された際の最大主応力と最小主応力の絶対値が大きい方の方向である主応力方向を確認し、
前記所定形状に前記ビレットを鍛造加工する際に生じる最大主ひずみ方向と前記主応力方向とのなす角度を第１角度と定義し、
前記所定形状に前記ビレットを鍛造加工する際に生じる中間主ひずみ方向と前記主応力方向とのなす角度を第２角度と定義し、
前記第１角度および前記第２角度に依拠して変化する機械的強度を設定し、
前記第１角度が９０度および前記第２角度が０°のときの前記機械的強度を基準値として設定し、
前記機械的強度が前記基準値の９５％以上となる前記第１角度および前記第２角度にて前記ビレットを鍛造加工する
ことを含む、サスペンション部品の製造方法を提供する。

本願発明者らは、鍛造加工の仕方を第１角度および第２角度によって規定するとともに、第１角度および第２角度と機械的強度（製品強度）との関係を特定し、適切な強度設計が可能となることを見出した。換言すれば、鍛造加工の仕方と機械的強度（製品強度）の関係を第１角度および第２角度に基づいて特定できるため、適切な強度設計を実現できる。従って、例えば、サスペンション部品の最終形状が同じ場合でも鍛造加工の仕方の違いによって生じ得る製品強度の違いを評価できる。なお、第１角度と第２角度の設定の仕方については、鍛造加工を実行する金型の形状またはビレットの初期形状等によって異なり得るが、これらを試行錯誤により変更して機械的強度が基準値の９５％以上となる範囲を探索することができる。ここで、上記機械的強度は、例えば、引張強度、０．２％耐力、または、これらに相当する材料の特性値を採用し得る。

前記サスペンション部品の製造方法では、
前記サスペンション部品において、前記荷重が負荷された際の最大応力の８割以上の応力が発生する領域である高応力領域を確認してもよく、
少なくとも前記高応力領域において前記機械的強度を前記基準値の９５％以上とするように前記ビレットを鍛造加工してもよい。

この製造方法によれば、強度の求められる領域（高応力領域）を確認し、少なくとも当該高応力領域に対して上記機械的強度による評価を行うことができる。従って、効率的に強度設計を行うことができる。

前記サスペンション部品の製造方法では、前記機械的強度をｆ（θ１，θ２）、前記第１角度をθ１、前記第２角度をθ２として、以下の式で表してもよい。

この製造方法によれば、機械的強度を具体的に定式化しているため、数値計算により機械的強度を判断して設計できる。なお、定式化は、本願発明者らが実験的に第１角度および第２角度を様々に変更してアルミニウム合金製の鍛造材の引張強度について確認し、確認した引張強度に基づいて得られた近似関数による。

本発明によれば、アルミニウム合金製の熱間型鍛造品であるサスペンション部品において、鍛造加工の仕方と製品強度の関係を特定して適切な強度設計を実現することができる。

本発明の実施形態に係るサスペンション部品の製造方法を示すフローチャート。 サスペンション部品の一例であるロワアームの模式的な平面図。 本発明の実施形態における鍛造型加工工程を示すフローチャート。 図２のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図。 実験に使用した試験片を示す平面図。 最大主ひずみ方向と引張方向のなす角度および中間主ひずみ方向と引張方向とのなす角度に対する引張強度を示すグラフ。 高応力領域を例示するサスペンション部品の平面図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るサスペンション部品の製造方法を示すフローチャートである。

本実施形態の製造方法では、アルミニウム合金などの材料を溶解し（ステップＳ１－１）、溶解した材料を連続的に鋳造し所定の長さに切断することで、所定の長さの棒状のビレットを得る（ステップＳ１－２）。ビレットの断面形状は、様々であるが、例えば円形、楕円形、または多角形等であり得る。また、このとき、ビレットには均熱処理も施される。次いで、ビレットに対して、曲げ、潰し、荒化工、および仕上げ加工などの複数の鍛造型加工を実行することにより所定の形状に成形し（ステップＳ１－３）、バリなどの不要な部分を切除する（ステップＳ１－４）。これにより、製品形状が完成する。次いで、溶体化処理、水焼入れ処理、および、人工時効処理などの熱処理を施す（ステップＳ５）。この熱処理により、製品強度が向上する。なお、鍛造加工の仕方によって、製品としての鍛造品には相当塑性ひずみが様々に生じるが、当該相当塑性ひずみは、２．０～３．０であることが好ましい。

図２は、サスペンション部品１の一例であるロワアームの模式的な平面図である。本実施形態では、サスペンション部品１としてロワアームを例示するが、サスペンション部品１は他の任意の部品であってもよい。以下の本実施形態では、鍛造加工を伴うサスペンション部品１の製造方法について説明する。図２では、車両前後方向を符号Ｘで示し、車両幅方向を符号Ｙで示し、車両上下方向を符号Ｚで示している。

サスペンション部品１は、アルミニウム合金製の熱間型鍛造品である。サスペンション部品１は、平面視において概ねＬ字形をしている。サスペンション部品１は、取付部２～４を有している。サスペンション部品１は、取付部２～４において他部品に取り付けられる。

車両組み付け状態において取付部２～４には荷重が負荷され得る。図示の例では、取付部２に対して荷重が車両前後方向において車両後ろ向きに仮想的に負荷されている（荷重Ｗ参照）。この場合、図示の破線で示す矢印Ａ１のように最大主応力が発生し、一点鎖線で示す矢印Ａ２のように最小主応力が発生する。ここで、最大主応力は引張方向の応力を示し、最小主応力は圧縮方向の応力を示している。仮に、取付部２において、荷重Ｗが車両前後方向において車両前向きに負荷された場合には、最大主応力と最小主応力の関係が図２の状態から反転する。

本実施形態では、サスペンション部品１において、車両組み付け状態の車両前後方向（Ｘ方向）、車両幅方向（Ｙ方向）、および車両上下方向（Ｚ方向）の少なくとも１つの方向の荷重が負荷された際の最大主応力と最小主応力の絶対値が大きい方の方向を主応力方向という。主応力方向は、図示のように、サスペンション部品１の各部において様々に異なり得る。サスペンション部品１は、取付部２～４の少なくとも１つに対して荷重が負荷された場合には主応力方向に対して大きな力を受けるため、主応力方向に対して高い強度が求められる。

図３は、本発明の実施形態における鍛造型加工工程を示すフローチャートである。また、図４は、図２のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。

本実施形態のサスペンション部品１の製造方法では、まず、サスペンション部品１に対して、各部における上記主応力方向を確認する（ステップＳ３－１）。

サスペンション部品１として所定形状（製品形状）にビレットを鍛造加工する際に生じる最大主ひずみ方向（例えば、図４において、実線矢印Ａ４で示す。）と上記主応力方向（例えば、図４において、破線矢印Ａ３で示す。）とのなす角度を第１角度（例えば、図４において、符号θ１で示す。）と定義する。同様に、所定形状にビレットを鍛造加工する際に生じる中間主ひずみ方向（例えば、図４において、実線矢印Ａ５で示す。）と上記主応力方向とのなす角度を第２角度（例えば、図４において、符号θ２で示す。）と定義する。そして、第１角度および第２角度に依拠して変化する機械的強度を設定する。例えば、機械的強度は、引張強度、０．２％耐力、または、これらに相当する材料の特性値であり得る。本実施形態では、機械的強度として引張強度を採用する。

第１角度が９０度および第２角度が０度のときの機械的強度を基準値として設定する（ステップＳ３－２）。そして、機械的強度が基準値の９５％以上となる第１角度および第２角度にてビレットを鍛造加工する（ステップＳ３－３）。詳細を後述するが、これは本願発明者らが第１角度および第２角度を設計パラメータとして機械的強度が基準値の９５％以上となる条件を満足することにより、サスペンション部品１の製品強度が十分に確保されることを実験により確認したことによる。

上記サスペンション部品１の製造方法によって、アルミニウム合金製の熱間型鍛造品であるサスペンション部品１において、鍛造加工の仕方と製品強度の関係を特定して第１角度および第２角度に基づいた適切な強度設計を実現できる。

上記サスペンション部品１の製造方法の有効性を確認するべく、以下、アルミニウム合金製の熱間型鍛造品において、鍛造加工の仕方と製品強度の関係について確認した実験について説明する。

図５は、実験に使用したアルミニウム合金製の鍛造材の試験片１０である。試験片１０の寸法については以下の表１の通りである。ここで、Ｄは試験片１０の中央部１１の円形断面の直径を示し、ＧＬは標点間距離を示し、Ｐは中央部１１の長さを示し、Ｒは端部１２と中央部との間の曲率を示し、Ｄ１は端部１２の円形断面の直径を示し、Ｌ１は端部１２の長さを示し、Ｌ０は全長を示している。単位はすべてｍｍである。

実験では、引張圧縮試験機およびビデオ伸び計によって、試験片１０の引張試験および測定を行った。引張速度は、１ｍｍ／分とし、測定のサンプリング間隔は０．１秒とした。実験条件および結果を以下の表２に示す。

上記表２を参照して、試験片１０は、直径Ｄと、断面積Ａ、および標点間距離ＧＬを概ね揃えた２２個を鍛造材から切り出して用意した。鍛造材はひずみ比が１：０：－１となるように７００×２４０×１０５ｍｍの鋳造材ブロックを２４０ｍｍを高さ方向として８０００ｔｏｎｆ油圧鍛造プレスを用いて鍛造して作成した。また、鍛造後の高さを４０ｍｍｍとし、鍛造材内の平均相当塑性ひずみが２．０７となるように調整した。試験片１０は鍛造材から２２方向に切り出して採取することにより、各鍛造方向に対する角度の違う試験片１０を２２個用意した。即ち、２２個の試験片１０は、鍛造工程における最大主ひずみ方向（Ｌ方向）、中間主ひずみ方向（ＬＴ方向）、および最小主ひずみ方向（ＳＴ方向）の各方向に対して引張方向とのなす角度がそれぞれ異なるものについて表２の通り実験した。なお、最大主ひずみ方向（Ｌ方向）、中間主ひずみ方向（ＬＴ方向）、および最小主ひずみ方向（ＳＴ方向）は、それぞれ互いに直交する方向である。

図６は、図５の結果の中で最大主ひずみ方向（Ｌ方向）と引張方向のなす角度θ１（表２の第２列にてＬで示す。）および中間主ひずみ方向（ＬＴ方向）と引張方向とのなす角度θ２（表２の第３列にてＬＴで示す。）に対する引張強度を示すグラフである。結果については、角度θ１＝９０度および角度θ２＝０度のときの引張強度を１００％の基準値ｆ０とし、基準値ｆ０に対する割合で等高線グラフとして表示している。等高線グラフは、上記引張強さの結果を以下の近似関数ｆ（θ１，θ２）で近似したものである。

また、図６において斜線で示す領域は、基準値ｆ０に対して９５％以上の引張強度が確認された領域を示している。当該領域では、サスペンション部品１としての引張強度が十分に確保されることを確認した。

上記実験結果と本実施形態のサスペンション部品１の製造方法とを対応して見ると以下のように説明できる。

本実施形態の第１角度は上記角度θ１に対応し、第２角度は上記角度θ２に対応する。また、本実施形態の機械的強度は、近似関数ｆ（θ１，θ２）に対応する。従って、第１角度θ１および第２角度θ２を好適に設定して機械的強度ｆ（θ１，θ２）が基準値ｆ０の９５％以上となるようにビレットを鍛造加工することで、サスペンション部品１の強度を十分に確保できる。よって、従来まで明確に特定されていなかった鍛造加工の仕方と製品強度の関係を第１角度θ１および第２角度θ２によって評価でき、サスペンション部品１の好適な強度設計を実現できる。

以上のように、本願発明者らは、鍛造加工の仕方を第１角度および第２角度によって規定するとともに、第１角度および第２角度と機械的強度（製品強度）との関係を特定し、適切な強度設計が可能となることを見出した。換言すれば、鍛造加工の仕方と機械的強度（製品強度）の関係を第１角度および第２角度に基づいて特定できるため、適切な強度設計を実現できる。従って、例えば、サスペンション部品１の最終形状が同じ場合でも鍛造加工の仕方の違いによって生じ得る製品強度の違いを評価できる。なお、第１角度と第２角度の設定の仕方については、鍛造加工を実行する金型の形状またはビレットの初期形状等によって異なり得るが、これらを試行錯誤により変更して機械的強度が基準値の９５％以上となる範囲を探索することができる。

また、上記近似関数の機械的強度ｆ（θ１，θ２）を使用すると、具体的に定式化しているため、数値計算により機械的強度ｆ（θ１，θ２）を判断して設計できる。

図７は、高応力領域を例示するサスペンション部品１の平面図である。

図７において、斜線で示す領域は、車両組み付け状態の車両前後方向、車両幅方向、および車両上下方向の少なくとも１つの方向の荷重が取付部２～４に負荷された際に最大応力の８割以上の応力が発生する領域を高応力領域Ｓとして例示している。高応力領域Ｓでは、高い強度が求められる。

好ましくは、サスペンション部品１に対して、高応力領域Ｓを確認し、少なくとも高応力領域Ｓにおいて前述のように機械的強度を基準値の９５％以上とするようにビレットを鍛造加工する。

これにより、強度の求められる領域（高応力領域Ｓ）を確認し、少なくとも当該高応力領域に対して機械的強度による評価を行うことができる。従って、効率的に強度設計を行うことができる。

また、高応力領域Ｓを確認するのが困難である場合には、サスペンション部品１のうち取付部２～４を除く周縁部５において前述のように機械的強度を基準値の９５％以上とするようにビレットを鍛造加工してもよい。周縁部５は、高い強度を求められる傾向にあり、効率的に強度設計を行うことができる。

以上より、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、サスペンション部品１は、ロワアーム（図２，７参照）以外にも、アッパーアーム、リンク、ハイマウントナックル、リアキャリアであってもよい。

１ サスペンション部品
２～４ 取付部
５ 周縁部
１０ 試験片
１１ 中央部
１２ 端部

Claims (3)

1. 所定形状のアルミニウム合金製の熱間型鍛造品であるサスペンション部品とアルミニウム合金製のビレットとを準備し、
   前記サスペンション部品において、車両組み付け状態の車両前後方向、車両幅方向、および車両上下方向の少なくとも１つの方向の荷重が負荷された際の最大主応力と最小主応力の絶対値が大きい方の方向である主応力方向を確認し、
   前記所定形状に前記ビレットを鍛造加工する際に生じる最大主ひずみ方向と前記主応力方向とのなす角度を第１角度と定義し、
   前記所定形状に前記ビレットを鍛造加工する際に生じる中間主ひずみ方向と前記主応力方向とのなす角度を第２角度と定義し、
   前記第１角度および前記第２角度に依拠して変化する機械的強度を設定し、
   前記第１角度が９０度および前記第２角度が０°のときの前記機械的強度を基準値として設定し、
   前記機械的強度が前記基準値の９５％以上となる前記第１角度および前記第２角度にて前記ビレットを鍛造加工する
   ことを含む、サスペンション部品の製造方法。
2. 前記サスペンション部品において、前記荷重が負荷された際の最大応力の８割以上の応力が発生する領域である高応力領域を確認し、
   少なくとも前記高応力領域において前記機械的強度を前記基準値の９５％以上とするように前記ビレットを鍛造加工する、請求項１に記載のサスペンション部品の製造方法。
3. 前記機械的強度を以下の式で表す、請求項１または請求項２に記載のサスペンション部品の製造方法。
   

   

   
   

   

   ｆ（θ１，θ２）：前記機械的強度
   θ１：前記第１角度
   θ２：前記第２角度

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