JP4393118B2 - 車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの製造方法に係り、特に、円筒形に加工されたアルミニウム合金板材の両端突合せ部を摩擦撹拌接合してなる管体を用いて得られる、車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムを有利に製造する方法に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
従来から、二輪乃至四輪自動車や起動車両、起重機、自転車等の車両用ホイールの一種として、アルミニウム合金製のリムを有し、このリムに対してディスクやスポーク等が一体的に設けられてなるホイールが、知られている。このアルミニウム合金製リムは、軽量性や成形性に優れているところから、かかるリムを有する車両用ホイールが、特に、自動車用やバイク用、自転車用のホイールとして、好適に使用されている。
【０００３】
ところで、このような車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの製造方法の一種として、先ず、優れた強度を有する５０００系アルミニウム合金よりなる板材を円筒状にロール加工して、その周方向において突き合わされる突合せ部を溶接等にて接合し、一体化することにより管体を得、そして、この管体を目的とする形状に成形加工する手法が、知られている。
【０００４】
そして、近年では、材料を加熱溶融させずに固相状態のままで接合せしめる固相接合の一種たる摩擦撹拌接合が注目され、車両用ホイール、特に自動車用ホイールのリムの製造に際して、上述の如き円筒状にロール加工された板材の突合せ部の接合等に、適用され始めてきている（例えば、特許文献１乃至５参照）。
【０００５】
すなわち、この摩擦撹拌接合方式を利用したアルミニウム合金製リムの製造手法では、円筒状にロール加工された５０００系アルミニウム合金の板材の突合せ部に対して、ロッド状の回転冶具の先端に同心的に設けたピンを、かかる回転冶具と共に一体的に回転させつつ差し込み、相対的に移動させることにより、摩擦熱を発生せしめて、その摩擦熱にて、突合せ部を塑性加工可能な状態と為し、更にピンの高速回転による撹拌作用にて、突合せ部の組織を入り交わらせ、以て、それらの突合せ部を溶融せしめることなく接合せしめる摩擦撹拌接合操作が、実施されるのである。
【０００６】
このような車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの製造手法によれば、リムを与えるアルミニウム合金板材の突合せ部の接合の際に、突合せ部が何等溶融せしめられることがないため、かかる突合せ部を溶融溶接する場合とは異なって、バリや溶接特有の接合不良の発生が解消され、しかも入熱が少なく、接合部の強度低下や歪みが有利に抑制され得るのであり、その結果として、優れた接合品質と強度を有するリムが、有利に製造され得ることとなるのである。
【０００７】
ところが、かかる従来のアルミニウム合金製リムの製造手法においては、アルミニウム合金板材の突合せ部を摩擦撹拌接合する際に、ピンの高速回転による撹拌作用にて入り交わらされる突合せ部の組織を、回転治具の肩部にて押し固めつつ、接合を確実に進行せしめる上で、多くの場合、回転治具が、その中心軸を、突合せ部の法線に対して接合進行方向において適度な角度（例えば、３°）をもって後傾する状態で、相対的に移動せしめられることとなる。
【０００８】
このため、そのような摩擦撹拌接合方式を利用した、従来のリムの製造手法では、リムの中間成形品である管体に形成される接合部の表面に、回転治具の肩部におけるエッジ部の食い込みによる窪みが、接合部の延出方向に沿って形成されて、かかる接合部における幅方向中央部位の板厚が、０．１ｍｍ程度減少してしまうことが避けられなかった。そして、そのような管体に対して所定の成形加工を施す際に、薄肉化された接合部の幅方向中央部位において、応力集中が惹起され、それにより、最終的に得られるリムにおいて、接合部に亀裂が生じたり、場合によっては、接合部が破断するといった極めて重大な問題が生ずることがあったのである。
【０００９】
【特許文献１】
特表２０００−５０９３４２号公報
【特許文献２】
特開２０００−１４２００３号公報
【特許文献３】
特開２００１−８８５０４号公報
【特許文献４】
特開２００３−５４２０６号公報
【特許文献５】
特開２００３−９４１７７号公報
【００１０】
【解決課題】
ここにおいて、本発明は、上述せる如き事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、円筒形に曲げ加工された５０００系アルミニウム合金よりなる板材の周方向の突合せ部を摩擦撹拌接合することにより、かかる突合せ部に沿って延びる接合部を形成してなる管体を用いて得られるアルミニウム合金製リムにおいて、摩擦撹拌接合操作の実施により接合部が部分的に薄肉化されていても、かかる接合部に亀裂や破断等が生ずることがなく、優れた接合品質が有利に確保され得る、車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムを、有利に製造可能な手法を、提供することにある。
【００１１】
【解決手段】
そして、本発明者等が、それらの課題を解決するために、種々検討してゆく過程で、５０００系アルミニウム合金のＯ材よりなる板材に対して摩擦撹拌接合操作を実施した場合、接合部を切断して、その断面におけるビッカース硬さを、ＪＩＳ Ｚ２２４４に従って測定した値にて表される接合部の断面の硬さが、接合部以外の母材部を切断して、その断面におけるビッカース硬さを、接合部の断面硬さの測定方法と同様な方法で測定した値にて表される母材部の断面の硬さよりも若干硬くなることに着目した。これは、摩擦撹拌接合操作中に、接合部の温度が５００℃程度まで上昇して、かかる接合部の結晶粒が、動的再結晶により、母材部よりも細かくなるためと考えられる。そして、本発明者等による更なる研究の結果、特別な条件の下で摩擦撹拌接合操作を実施することによって、前記母材部の断面の硬さ（ビッカース硬さ）に対する前記接合部の断面の硬さ（ビッカース硬さ）の増加率と、摩擦撹拌接合操作の実施により薄肉化された接合部の幅方向中央部位の板厚の、母材部の板厚に対する減少率との関係をコントロールすることが出来、また、それらの関係が、特定の関係となっているときに限って、接合部に亀裂や破断が、何等生じないことを見出したのである。
【００１２】
すなわち、本発明は、かくの如き知見に基づいて完成されたものであって、先ず、その対象とするところは、５０００系アルミニウム合金のＯ材よりなる板材を円筒形に曲げ加工して、開先が設けられることなく該板材の厚みに等しい端面の全面に亘って互いに突き合わされる、該板材の両端部の突合せ部を摩擦撹拌接合することにより、該突合せ部に沿って延びる接合部を形成してなる管体を用いて得られる、車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムにおいて、前記接合部の断面の硬さ：Ｈ（Ｈｖ）と、該接合部以外の母材部の断面の硬さ：ｈ（Ｈｖ）と、前記摩擦撹拌接合操作の実施前後における、該接合部の幅方向中央部位の板厚減少量：ΔＴ（ｍｍ）と、該母材部の板厚：ｔ（ｍｍ）とが、次式：
（Ｈ−ｈ）／ｈ≧ΔＴ／ｔ
を満足するように構成したことを特徴とする、車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムにある。
【００１３】
要するに、この本発明に従う車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムにあっては、円筒形に曲げ加工されたアルミニウム合金板の互いの突合せ部に対する摩擦撹拌接合操作の実施により増大せしめられた接合部の断面の硬さ（ビッカース硬さ）の、母材部の断面の硬さ（ビッカース硬さ）に対する増加率が、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率と同じか若しくはそれよりも大きくされている。
【００１４】
それ故、かかるアルミニウム合金製リムにおいては、摩擦撹拌接合操作の実施後に、接合部の幅方向中央部位の板厚が減少せしめられていても、そのような接合部の幅方向中央部位における板厚の減少に伴う強度の低下が、かかる部位における硬さの増加分で十分に補われ得、それによって、例えば、製造過程で中間成形品として得られる管体に対する所定の成形加工の実施時に、板厚が減少せしめられた接合部の幅方向中央部位での応力集中に起因して、接合部に亀裂が生じたり、或いは接合部が破断したりするようなことが、有利に解消され得る。
【００１５】
従って、このような本発明に従う車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムにあっては、亀裂部分や破断部分等が何等存在しない健全な接合部を有する、優れた接合品質が安定的に確保され得、以て、摩擦撹拌接合による接合方式を利用して製造された従来品に比して、品質性能が、極めて効果的に高められ得るのである。
【００１６】
そして、本発明にあっては、前述せる技術的課題の解決のために、５０００系アルミニウム合金よりなる板材を円筒形に曲げ加工した後、開先が設けられることなく該板材の厚みに等しい端面の全面に亘って互いに突き合わされる該板材の両端部の突合せ部に対して、ロッド状の回転治具の先端に同心的に設けたピンを、該回転治具と共に一体回転させつつ差し込み、相対的に移動させることによって、該突合せ部を摩擦撹拌接合して、該突合せ部に沿って接合部を形成することにより、所定の管体を成形し、その後、かかる管体を加工して、上述せる車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムを製造するに際して、前記板材として、５０００系アルミニウム合金のＯ材よりなる板材を用いて、かかる板材の前記突合せ部の内面に、所定の裏当て治具を接触配置した後、前記回転治具の先端に設けたピンを５００〜１８００ｒｐｍの回転速度で該回転治具と共に一体回転させつつ、該ピンの先端から該裏当て治具までの距離が０．１〜０．４ｍｍとなる深さ位置にまで、該ピンを該突合せ部に差し込み、その後、該回転治具を、該突合せ部の法線に対して該回転治具の中心線が０°以上、５°以下となる角度をもって該ピンの進行方向において後傾させた状態で、該ピンを１５０〜８００ｍｍ／ｍｉｎの速度で、該突合せ部に対して相対的に移動せしめて、前記摩擦撹拌接合操作を行なうことにより、形成される前記接合部の断面の硬さ：Ｈ（Ｈｖ）と、該接合部以外の母材部の断面の硬さ：ｈ（Ｈｖ）と、前記摩擦撹拌接合操作の実施前後における、該接合部の幅方向中央部位の板厚減少量：ΔＴ（ｍｍ）と、該母材部の板厚：ｔ（ｍｍ）とが、次式：（Ｈ−ｈ）／ｈ≧ΔＴ／ｔを満足するように構成した前記管体を得ることを特徴とする、車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの製造方法を、その要旨とするものである。
【００１７】
すなわち、この本発明に従う車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの製造方法にあっては、先ず、５０００系アルミニウム合金のＯ材よりなる板材を用いて、これを円筒形に曲げ加工し、そして、この曲げ加工されたアルミニウム合金板の互いの突合せ部に対して、回転治具のピンを所定の深さ位置まで差し込んだ状態下において、回転治具を、その回転速度と移動速度、更にはその移動時における傾き角度が、それぞれ特定の範囲内の値とされた条件の下で、回転させつつ、相対的に移動させることにより、摩擦撹拌接合操作が実施されて、接合部が、突合せ部に沿って延びるように形成されるようになっている。そして、そのような特定の条件の下での摩擦撹拌接合操作が実施されることにより、接合部の断面の硬さが適度に増大せしめられ、しかも、かかる接合部の断面硬さの、母材部の断面の硬さに対する増加率が、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率と同じか若しくはそれよりも大きな値とされるようになっている。
【００１８】
それ故、このような本発明手法においては、目的とするリムの中間成形品たる管体に対する所定の成形加工の実施時に、接合部の薄肉部分で生ずる応力集中に起因して、接合部に亀裂や破断が生じたりするようなことが、有利に解消され得る。
【００１９】
従って、かくの如き本発明に従う、車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの製造方法によれば、亀裂部分や破断部分等が何等存在しない健全な接合部を有する優れた接合品質が安定的に確保され得て、高い品質性能を発揮する、目的とするアルミニウム合金製リムが、極めて有利に製造され得るのである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明に係る車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの製造方法の構成について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。
【００２１】
先ず、図１には、本発明に係る製造手法に従って製造された車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの一例としての自動車用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムが、その半截断面形態において、概略的に示されている。かかる図１から明らかなように、本実施形態のアルミニウム合金製リム１０は、略円筒形状を呈しており、その一方の開口部を閉塞するように、略円盤状のディスク１２（図１において二点鎖線で示す）が、内孔内に嵌挿された状態で接合され、一体化せしめられることによって、所定の自動車用ホイールを与え得るようになっている。
【００２２】
また、このリム１０は、優れた強度を有する５０００系アルミニウム合金のＯ材よりなる板材を円筒形に曲げ加工した状態下で、その周方向において突き合わされる突合せ部を摩擦撹拌接合し、一体化することにより形成された、中間成形品としての管体に対して、所定の成形加工が施されることにより、構成されている。
【００２３】
すなわち、リム１０にあっては、図１に破線で示される如き、前記アルミニウム合金板材を周方向において突き合わた突合せ部１４に対して、ロッド状の回転冶具の先端に同心的に設けたピンを、かかる回転冶具と共に一体的に回転させつつ差し込み、相対的に移動させることにより、突合せ部１４とその両側部位とにおいて生ずる摩擦熱にて、それらの部位が塑性加工可能な状態とされ、更に、ピンの高速回転による撹拌作用にて、突合せ部１４の両側部位の組織が入り交わらされて、かかる両側部位が溶融せしめることなく接合せしめられて、形成された管体に対して、所定のフレア加工やロール加工等の成形加工が施されることにより、構成されている（図３参照）。これによって、ピンの高速回転により可塑化状態で撹拌された突合せ部１４の両側部位（図１において２本の二点鎖線で囲まれた領域）が、かかる突合せ部１４に沿って延びる、帯状形態を呈する接合部１６とされる一方、この接合部１６を除いた残り部分の全部が、母材部１８とされ、そして、全体として、所望の形状とされているのである。
【００２４】
また、図１には明示されてはいないものの、かかるリム１０においては、接合部１６の幅方向中央部位に、回転治具のエッジ部の食込みによる窪みが形成されて、接合部１６の幅方向中央部位の板厚が、母材部１８の板厚に比して、僅かに小さくされている。更に、そのようなリム１０における接合部１６の断面の硬さ：Ｈ（Ｈｖ：ビッカース硬さ）が、上述の如き摩擦撹拌接合操作が実施される前の突合せ部１４の硬さ、つまり、それと同一の硬さを有する母材部１８の断面の硬さ：ｈ（Ｈｖ）よりも適度に増大せしめられている。
【００２５】
そして、本実施形態のリム１０にあっては、特に、摩擦撹拌接合操作の実施前の突合せ部１４の硬さに対する接合部１６の断面の硬さ：Ｈ（Ｈｖ：ビッカース硬さ）の増加率、換言すれば、母材部１８の断面の硬さ：ｈに対する接合部１６の断面の硬さ：Ｈの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈが、摩擦撹拌接合操作の実施前における接合部１６の幅方向中央部位に相当する部位の板厚に対する接合部１６の幅方向中央部位の板厚の減少率、即ち、母材部１８の板厚：ｔに対する摩擦撹拌接合操作の実施前後における、接合部１６の幅方向中央部位の板厚減少量：ΔＴの割合：ΔＴ／ｔと同じか若しくはそれよりも大きな値とされている。
【００２６】
何故なら、上記せる接合部１６の断面硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈの値が、前記せる如き摩擦撹拌接合操作の実施前後における、接合部１６の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔの値よりも小さい場合には、摩擦撹拌接合操作の実施によって減少せしめられた接合部１６の幅方向中央部位の強度が、かかる部位の硬さの増加分で補われることがなく、そのために、リム１０の製造過程で得られる管体に対するフレア加工やロール加工等による成形加工時に、接合部１６の薄肉部分で生ずる応力集中によって、接合部１６に亀裂や破断が生じたりするような懸念が、何等払拭され得ないからである。従って、ここでは、リム１０に対して、亀裂部分や破断部分等が全く存在しない健全な接合部１６を有する優れた接合品質を付与する上で、接合部１６の断面硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈの値が、摩擦撹拌接合操作の実施前後における、接合部１６の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔの値と同じか若しくはそれよりも大きくされている必要があるのである。
【００２７】
なお、本実施形態においては、接合部１６に切断面が形成されるように、リム１０を径方向に切断して、かかる接合部１６に形成される切断面におけるビッカース硬さを、ＪＩＳ Ｚ２２４４に従って測定して得られる値が、接合部１６の断面硬さ：Ｈとされており、また、母材部１８の任意の部位に切断面が形成されるように、リム１０を径方向に切断して、かかる母材部１８に形成される切断面におけるビッカース硬さを、接合部１６の断面硬さの測定方法と同様な手法により測定して得られる値が、母材部１８の断面硬さ：ｈとされている。更に、摩擦撹拌接合操作の実施前後における、接合部１６の幅方向中央部位の板厚減少量：ΔＴは、母材部１８の板厚：ｔから接合部１６の幅方向中央部位の板厚：Ｔを差し引いた値：Ｔ−ｔにて表される（図３参照）。
【００２８】
ところで、このような構造を有する自動車用ホイールにおけるアルミニウム合金製リム１０を製造する際には、例えば、以下に示す如き手順に従って、その作業が進められることとなる。
【００２９】
すなわち、先ず、図２に示される如く、目的とするリム１０を与え得る大きさと板厚とを有する帯状のアルミニウム合金板材２０が、準備される。なお、ここで準備されるアルミニウム合金板材２０は、５０００系アルミニウム合金よりなるものであれば、その材質が何等限定されるものではなく、また、リム１０の形成材料として従来から使用される展伸材や鋳物材等の中から適宜に選択され得るが、その質別がＯ材である必要がある。
【００３０】
何故なら、前述せるように、ここでは、最終的に得られるリム１０における接合部１６の断面の硬さが、母材部１８の硬さよりも大きくされている必要があるが、このような接合部１６の断面硬さの増大は、質別がＯ材である５０００系アルミニウム合金板材に対して、摩擦撹拌接合を行なうことにより始めて実現され得るからである。これは、５０００系アルミニウム合金のＯ材よりなる板材が、摩擦撹拌接合操作中に、５００℃程度まで温度上昇して、接合部１６の結晶粒が、動的再結晶により、母材部１８の結晶粒よりも細かくなるためと考えられる。
【００３１】
そして、そのような５０００系アルミニウム合金のＯ材よりなる帯状の板材２０が、例えば、ロール加工（ロールフォーミング）等の公知の曲げ加工手法により、突き合わされる両端部の所定幅部分を残して、円筒形に曲げられて、周方向において両端部が突き合わされてなる形態の円筒状成形体２２が形成される。かくして、この円筒状成形体２２にあっては、アルミニウム合金板材２０の周方向において突き合わされる両端部の突合せ部１４が、円筒状成形体２２の軸方向延びる形態とされており、また、周方向において突き合わされるアルミニウム合金板材２０の両端部が、突合せ部１４を間にして、その両側に位置せしめられた平坦部２４，２４とされている。
【００３２】
なお、このような突合せ部１４の両側の平坦部２４，２４の形成には、公知の手法が適宜に採用され、また平坦化工程も、曲げ加工工程と同時に行なわれる他、曲げ加工工程の後に行なう等の手法を採用することが可能であるが、このような平坦部２４，２４を形成することなく、アルミニウム合金板材２０の全体を円筒形に曲げ加工して、円筒状成形体２２を形成し、そして、かかる円筒状成形体２２の両端突合せ部１４に対して、後述する摩擦撹拌接合操作を実施しても、何等差し支えない。
【００３３】
次ぎに、図３に示される如く、円筒状成形体２２の内部に、例えば、鋼板からなる裏当て治具２５が、その厚さ方向の一方面において、突合せ部１４の両側の平坦部２４，２４の裏面に接触せしめられるように配置された後、かかる突合せ部１４が摩擦撹拌接合されて、リム１０の中間成形体たる管体２６が、形成される。なお、この管体２６の形成工程では、突合せ部１４の摩擦撹拌接合が、公知の手法に基づいて、実施される。
【００３４】
すなわち、ロッド状の回転冶具２８の先端に同心的に設けたピン３０が、かかる回転冶具２８と共に、その軸心回りに一体回転せしめられつつ、内部に裏当て治具２５が配置された円筒状成形体２２の突合せ部１４に差し込まれる。このとき、ピン３０が突合せ部１４を貫通しない状態で、回転冶具２８の肩部が平坦部２４，２４の表面（外面）に当接するまで、ピン３０が突合せ部１４に差し込まれることにより、それら突合せ部１４及び平坦部２４，２４と、ピン３０及び回転冶具２８の下部との接触面において摩擦熱が発生せしめられて、その周囲が可塑化されると共に、ピン３０の高速回転に伴う撹拌作用にて、突合せ部１４の両側の平坦部２４，２４の組織が互いに入り交じり合わされる。そして、そのような状態下で、かかるピン３０及び回転冶具２８が、突合せ部１４に沿って相対的に移動せしめられることにより、組織が入り交じり合わされた各平坦部２４，２４にて、平坦な接合部１６が、突合せ部１４に沿って延びるように形成され、以て、円筒状成形体２２が、その突合せ部１４において一体的に接合される。
【００３５】
なお、このような摩擦撹拌接合の実施に際しては、ピン３０の高速回転による撹拌作用にて入り交わらされる突合せ部１４の組織を、回転治具２８の肩部にて押し固めつつ、接合を確実に進行せしめる上で、図４に示されるように、回転治具２８が、その進行方向（図４中、矢印アに示される方向）に対して後傾する状態で、突合せ部１４に対して相対移動せしめられる。このため、かかる回転治具２８の肩部におけるエッジ部２９が突合せ部１４に食い込んで、接合部１６の幅方向中央部位に、その全長に亘って、窪みが形成されて、かかる部位が、母材部１８に比して、僅かに薄肉となる。
【００３６】
そして、ここでは、特に、かくの如き摩擦撹拌接合操作が、以下の如き特別な条件の下で、実施されることとなる。即ち、回転治具２８とピン３０の回転速度は、５００〜３０００ｒｐｍの範囲内の値とされる。
【００３７】
何故なら、かかる回転速度が５００ｒｐｍを下回る場合には、回転速度が遅すぎるため、ピン３０の回転に伴う撹拌作用が不十分となって、突合せ部１４の両側の平坦部２４，２４の組織を十分に入り交じり合わせることが困難となるばかりでなく、ピン３０及び回転冶具２８の下部との接触面において生ずる摩擦熱が小さ過ぎて、接合部１６の温度が、動的再結晶を惹起させる温度にまで上昇せず、そのために、動的再結晶による結晶粒の微細化に起因する接合部１６の断面の硬さの増大が望めなくなって、断面の硬さが適度に高められた、健全な接合部１６の形成が困難乃至は不能となるからである。
【００３８】
一方、回転治具２８とピン３０の回転速度が３０００ｒｐｍを越える場合には、ピン３０の高速回転に伴う撹拌作用にて、突合せ部１４の両側の平坦部２４，２４の組織を互いに入り交じり合わせる上で、ピン３０の回転速度が必要以上に速過ぎるため、ピン３０の回転速度に突合せ部１４の材料の撹拌が追いついていかず、組織を十分に入り交じり合わせることが出来なくなり、健全な接合部１６の形成に悪影響を及ぼす恐れが生じるからである。なお、突合せ部１４の両側の平坦部２４，２４の組織が十分に入り交じり合わされると共に、適度に硬さが高められた健全な接合部１６を形成するためには、摩擦撹拌接合操作における回転治具２８とピン３０の回転速度が５００〜１８００ｒｐｍの範囲内の値とされていることが、より好ましいのである。
【００３９】
また、ピン３０の突合せ部１４への挿入深さとしては、ピン３０の先端から、円筒状成形体２２の内部に配置された裏当て治具２５までの距離：ｄが０．１〜０．４ｍｍとなる範囲内とされる（図４参照）。ピン３０の先端から裏当て治具２５までの距離：ｄが０．１ｍｍ未満となる極めて深い位置にまでピン３０が突合せ部１４に挿入された状態で摩擦撹拌接合操作が実施されると、ピン３０が、突合せ部１４を貫通して、鋼板製の裏当て治具２５に接する恐れがあり、また、そのように、ピン３０が裏当て治具２５に接した場合には、ピン３０が破損する危惧が生ずる。また、ピン３０の先端から裏当て治具２５までの距離：ｄが０．４ｍｍを越える深さ位置にピン３０が突合せ部１４に挿入されて、摩擦撹拌接合操作が実施される場合には、ピン３０の挿入深さが浅過ぎるため、ピン３０の高速回転による撹拌作用が、突合せ部１４の両側における平坦部２４，２４の厚さ全体に行き渡らず、その結果として、接合部１６の裏面側部分において接合不良が生じ易くなる。
【００４０】
従って、ピン３０の損傷を未然に防ぎつつ、欠陥のない接合部１６を形成する上において、ピン３０の突合せ部１４への挿入深さが上述の如き範囲内とされた状態で、摩擦撹拌接合が実施されることが望ましく、また、そのようなピン３０の挿入深さは、ピン３０の先端から、円筒状成形体２２の内部に配置された裏当て治具２５までの距離：ｄが０．１〜０．３ｍｍとなる範囲内とされていることが、より望ましいのである。
【００４１】
さらに、ここでの摩擦撹拌接合操作は、ピン３０が突合せ部１４に差し込まれた状態で相対移動せしめられることにより進められることとなるが、その際には、図４に示される如く、回転治具２８が、突合せ部１４の法線に対して、回転治具２８の中心線が０°以上、５°以下となる角度：θをもって、ピン３０の進行方向において後傾せしめられた状態で、突合せ部１４に対して相対移動せしめられる。
【００４２】
何故なら、回転治具２８の後傾角度：θが０°未満、即ち、回転治具２８が前傾状態で、突合せ部１４に対して相対移動せしめられると、ピン３０の高速回転による撹拌作用にて入り交わらされる突合せ部１４の組織を、回転治具２８の肩部にて押し固めることが出来ずに、健全な接合部１６の形成が困難となるからである。また、回転治具２８の後傾角度：θが５°よりも大きい場合には、回転治具２８の肩部におけるエッジ部２９が、突合せ部１４に、必要以上に深く食い込み、それによって、接合部１６の幅方向中央部位に深い窪みが形成され、その結果、かかる部位が著しく薄肉化されて、接合強度の低下が惹起されることとなるからである。なお、このような様々な問題の発生を有効に回避するためには、回転治具２８の後傾角度：θが２〜４°の範囲内とされていることが、より好ましい。
【００４３】
更にまた、そのような回転治具２８の突合せ部１４に対する相対移動時の移動速度は、１５０〜８００ｍｍ／ｍｉｎとされている必要がある。この回転治具２８の相対移動速度が１５０ｍｍ／ｍｉｎを下回るような遅い速度である場合、摩擦撹拌接合操作の所要時間が長くなり過ぎて、目的とするリム１０の生産性が低下してしまう。また、回転治具２８の相対移動速度が８００ｍｍ／ｍｉｎを上回る場合には、余りにも高速であるために、回転治具２８の回転速度が規定速度を下回る場合と同様に、ピン３０の回転に伴う撹拌作用が不十分となって、突合せ部１４の両側の平坦部２４，２４の組織を十分に入り交じり合わせることが困難となるばかりでなく、ピン３０及び回転冶具２８の下部との接触面において生ずる摩擦熱が小さ過ぎて、接合部１６の温度が、動的再結晶を惹起させる温度にまで上昇せず、そのために、動的再結晶による結晶粒の微細化に起因する接合部１６の断面の硬さの増大が望めなくなって、断面の硬さが適度に高められた、健全な接合部１６の形成が困難乃至は不能となる。
【００４４】
従って、ここでは、目的とするリム１０の生産性の低下を防止しつつ、断面の硬さが適度に高められた、健全な接合部１６を形成する上で、回転治具２８の相対移動速度が上述の如き範囲内とされている必要があり、また、そのような特徴をより効果的に発揮させるためには、回転治具２８の突合せ部１４に対する相対的な移動速度が、３００〜７００ｍｍ／ｍｉｎの範囲内とされていることが、更に望ましいのである。
【００４５】
かくして、本実施形態においては、上述せる如き特別な条件の下で摩擦撹拌接合操作が行なわれることにより、断面の硬さが適度に高められると共に、幅方向中央部位の板厚の減少量が可及的に少なく抑えられ、しかも接合不良のない健全な接合部１６が、有利に形成される。そして、それによって、母材部１８の断面硬さ：ｈに対する接合部１６の断面硬さ：Ｈの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈが、母材部１８の板厚：ｔに対する摩擦撹拌接合操作の実施前後における、接合部１６の幅方向中央部位の板厚量：ΔＴの割合：ΔＴ／ｔと同じか若しくはそれよりも大きな値とされるのである。
【００４６】
而して、そのような接合部１６の形成により、円筒状成形体２２が、その突合せ部１４において一体的に接合されて、リム１０の中間成形体である管体２６が形成された後、必要に応じて、かかる管体２６の平坦な接合部１６が研磨され、更に、この接合部１６に対して、円弧状に成形せしめる公知の矯正加工が施されて、管体２６が円形形状に成形加工される。そして、その後、円形形状とされた管体２６が、一般的なフレア加工やロール加工等の成形加工手法により、所望の形状に成形加工され、以て、目的とする、所望の形状を有するアルミニウム合金製リム１０が得られる。
【００４７】
その後、かくして得られたリム１０にあっては、その内孔内に、鍛造等により別途に形成されたディスク１４が嵌挿され、摩擦撹拌接合手法や各種の溶接手法により接合されて、一体化せしめることによって、自動車用ホイールとして完成されるようになっているのである。
【００４８】
このように、本実施形態では、高強度の５０００系アルミニウム合金板材２０を円筒状に曲げた状態で、その両端の突合せ部１４を、固相接合方式の一種たる摩擦撹拌接合手法により接合して、管体２６を形成し、この管体２６から、目的とするホイール１０のリムを形成するようにしたものであるところから、突合せ部１４の接合方式として、溶接接合を採用する場合とは異なって、リム１０において、優れた接合品質と強度、更には高度な生産性が、確保され得るのである。
【００４９】
そして、本実施形態においては、特に、円筒形に曲げ加工されたアルミニウム合金のＯ材よりなる板材２０の両端の突合せ部１４が、特別な条件の下で摩擦撹拌接合されて、母材部１８の断面の硬さに対する接合部１６の断面の硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈが、母材部１８の板厚：ｔに対する接合部１６の幅方向中央部位の板厚：Ｔの減少率：ΔＴ／ｔと同じか若しくはそれよりも大きくされているため、接合部１６の幅方向中央部位における板厚の減少に伴う強度の低下が、かかる部位における硬さの増加分で十分に補われ得る。それによって、リム１０の中間成形品たる管体２６に対する所定の成形加工の実施時に、板厚が減少せしめられた接合部１６の幅方向中央部位での応力集中に起因して、接合部１６に亀裂が生じたり、或いは接合部１６が破断したりするようなことが、有利に解消され得る。
【００５０】
従って、かくの如き本実施形態によれば、亀裂部分や破断部分等が何等存在しない健全な接合部１６を有して、優れた接合品質が安定的に確保され得るアルミニウム合金製リム１０が、高い品質性能をもって、極めて有利に製造され得ることとなるのである。
【００５１】
なお、本実施形態では、本発明を、自動車用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムとその製造方法に適用した例が示されていたが、本発明は、その他、自動車用ホイール以外の車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムとその製造方法の何れにも、有利に適用され得るものであることは、言うまでもないところである。
【００５２】
【実施例】
以下に、本発明の幾つかの実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記した発明の実施の形態以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。
【００５３】
＜実施例１＞
先ず、板厚：３ｍｍ、幅：３００ｍｍ、長さ：９００ｍｍのＪＩＳ−Ａ−５４５４アルミニウム合金のＯ材よりなる板材を準備し、この板材を、公知のロール加工により円筒形に曲げて、長さ方向の両端部が周方向において互いに突き合わされてなる円筒状成形体を成形した。次いで、この円筒状成形体における突合せ部の裏側に、鋼板からなる裏当て冶具を配置した。
【００５４】
そして、引き続き、先端にピンが同心的に設けられた鋼製の回転冶具を用いて、上述の如き状態とされた円筒状成形体の突合せ部を、公知の摩擦撹拌接合手法により摩擦撹拌接合して、かかる突合せ部に沿って延びる接合部を形成し、以て、円筒状成形体が突合せ部において一体的に接合されてなる管体を得た。
【００５５】
なお、この円筒状成形体の突合せ部の摩擦撹拌接合操作は、回転治具として、肩部の直径（先端面の直径）：１６ｍｍ、先端のピン直径：４ｍｍ、ピン高さ：２．８ｍｍで、且つピンの外周面にＭ５のねじ加工が施されてなるものを用い、回転速度：１５００ｒｐｍ、回転冶具の突合せ部に対する相対移動速度、つまり接合速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ、後傾角度：３°、ピン先端と裏当て治具との距離：０．２ｍｍの条件の下で、実施した。
【００５６】
その後、かくして得られた管体に対して、拡管率２０％フレア加工を公知に手法により実施して、目的とするリム（実施例１）を得た。そして、この実施例１のリムにおける接合部での亀裂や破断の有無を目視により確認したところ、そのような亀裂や破断は、何等認められなかった。
【００５７】
また、かかる実施例１のリムの母材部の板厚と接合部における幅方向中央部位の板厚をそれぞれ測定したところ、母材部の板厚：ｔが３ｍｍで、接合部における幅方向中央部位の板厚：Ｔは２．９ｍｍとなっており、かかる部位の摩擦撹拌接合操作の実施前後における板厚減少量：ΔＴ（＝Ｔ−ｔ）が０．１ｍｍとなっていた。更に、実施例１のリムを、接合部と母材部とに切断面がそれぞれ形成されるように、径方向において切断して、かかる接合部に形成される切断面と母材部に形成される切断面のビッカース硬さを、ＪＩＳ Ｚ２２４４に従って、試験荷重：４９Ｎの条件で、それぞれ測定することにより、実施例１のリムにおける接合部の断面硬さ：Ｈと母材部の断面硬さ：ｈとを各々求めたところ、前者の値は、Ｈｖで６５であり、また後者の値は、Ｈｖで５８であった。
【００５８】
そして、それらの測定値に基づいて、母材部の断面の硬さに対する接合部の断面の硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈを算出した結果、その値が０．１２であり、また、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔを算出した結果、その値が０．０３であった。これらの算出値から、実施例１のリムでは、母材部の断面の硬さに対する接合部の断面の硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈが、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔよりも大きくされていることが確認された。また、かかる実施例１のリムにおける接合部と母材部とを、それぞれ把持して、リムが破断するまで引張した結果、母材部において、引張破断が生じた。
【００５９】
＜実施例２＞
先ず、板厚：３ｍｍ、幅：３００ｍｍ、長さ：９００ｍｍのＪＩＳ−Ａ−５１８２アルミニウム合金のＯ材よりなる板材を準備し、この板材を、公知のロール加工により円筒形に曲げて、長さ方向の両端部が周方向において互いに突き合わされてなる円筒状成形体を成形した。次いで、この円筒状成形体における突合せ部の裏側に、鋼板からなる裏当て冶具を配置した。
【００６０】
そして、引き続き、先端にピンが同心的に設けられた鋼製の回転冶具を用いて、上述の如き状態とされた円筒状成形体の突合せ部を、公知の摩擦撹拌接合手法により摩擦撹拌接合して、かかる突合せ部に沿って延びる接合部を形成し、以て、円筒状成形体が突合せ部において一体的に接合されてなる管体を得た。
【００６１】
なお、この円筒状成形体の突合せ部の摩擦撹拌接合操作は、回転治具として、実施例１において用いられたものと同じものを用い、回転速度：１３５０ｒｐｍ、回転冶具の突合せ部に対する相対移動速度、つまり接合速度：４００ｍｍ／ｍｉｎ、後傾角度：３°、ピン先端と裏当て治具との距離：０．２ｍｍの条件の下で、実施した。
【００６２】
その後、かくして得られた管体に対して、拡管率２０％フレア加工を公知に手法により実施して、目的とするリム（実施例２）を得た。そして、この実施例２のリムにおける接合部での亀裂や破断の有無を目視により確認したところ、そのような亀裂や破断は、何等認められなかった。
【００６３】
また、かかる実施例２のリムの母材部の板厚と接合部における幅方向中央部位の板厚をそれぞれ測定したところ、母材部の板厚：ｔが３ｍｍで、接合部における幅方向中央部位の板厚：Ｔは２．９ｍｍとなっており、かかる部位の摩擦撹拌接合操作の実施前後における板厚減少量：ΔＴ（＝Ｔ−ｔ）が０．１ｍｍとなっていた。更に、実施例１のリムにおける接合部と母材部のそれぞれの断面硬さを求めたときと同様な方法により、実施例２のリムにおける接合部の断面硬さ：Ｈと母材部の断面硬さ：ｈとを、それぞれ求めたところ、前者の値は、Ｈｖで９０であり、また後者の値は、Ｈｖで８５であった。
【００６４】
そして、それらの測定値に基づいて、母材部の断面の硬さに対する接合部の断面の硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈを算出した結果、その値が０．０６であり、また、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔを算出した結果、その値が０．０３であった。これらの算出値から、実施例２のリムでは、母材部の断面の硬さに対する接合部の断面の硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈが、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔよりも大きくされていることが確認された。また、かかる実施例１のリムにおける接合部と母材部とを、それぞれ把持して、リムが破断するまで引張した結果、母材部において、引張破断が生じた。
【００６５】
＜比較例１＞
先ず、実施例１で用いられたアルミニウム合金板材と同一の板材を準備し、この板材に対して公知のレベラー矯正操作を行なって、かかる操作の実施に伴う加工硬化により、準備された板材を若干硬くした。次いで、この硬化せしめられた板材を、実施例１と同様にして、曲げ加工し、円筒状成形体を成形した後、実施例１と同様な手法と条件により、かかる円筒状成形体の突合せ部に対する摩擦撹拌接合を行なって、円筒状成形体が突合せ部において一体的に接合されてなる管体を得た。
【００６６】
その後、かくして得られた管体に対して、拡管率２０％フレア加工を公知に手法により実施して、目的とするリム（比較例１）を得た。そして、この比較例１のリムにおける接合部を目視により確認したところ、接合部に亀裂が発生しており、また、かかるリムでは、フレア加工部が全長破断して、所望の形状に成形され得なかったことが、確認された。
【００６７】
引き続き、そのような比較例１のリムの母材部の板厚と接合部における幅方向中央部位の板厚をそれぞれ測定したところ、母材部の板厚：ｔが３ｍｍで、接合部における幅方向中央部位の板厚：Ｔは２．９ｍｍとなっており、かかる部位の摩擦撹拌接合操作の実施前後における板厚減少量：ΔＴ（＝Ｔ−ｔ）が０．１ｍｍとなっていた。更に、実施例１のリムにおける接合部と母材部のそれぞれの断面硬さを求めたときと同様な方法により、比較例１のリムにおける接合部の断面硬さ：Ｈと母材部の断面硬さ：ｈとを、それぞれ求めたところ、前者の値は、Ｈｖで６４であり、また後者の値は、Ｈｖで６３であった。
【００６８】
そして、それらの測定値に基づいて、母材部の断面の硬さに対する接合部の断面の硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈを算出した結果、その値が０．０２であり、また、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔを算出した結果、その値が０．０３であった。これらの算出値から、比較例１のリムでは、母材部の断面の硬さに対する接合部の断面の硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈが、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔよりも小さくなっていることが認められた。
【００６９】
＜比較例２＞
先ず、実施例２で用いられたアルミニウム合金板材と同一の板材を用い、この板材を、実施例１と同様にして、曲げ加工し、円筒状成形体を成形した。次いで、回転治具の後傾角度を６°とした以外は実施例１と同様な条件の下で、実施例１と同様な手法により、かかる円筒状成形体の突合せ部に対する摩擦撹拌接合を行なって、円筒状成形体が突合せ部において一体的に接合されてなる管体を得た。
【００７０】
その後、かくして得られた管体に対して、拡管率２０％フレア加工を公知に手法により実施して、目的とするリム（比較例２）を得た。そして、この比較例２のリムにおける接合部を目視により確認したところ、接合部に亀裂が発生しており、また、かかるリムでは、フレア加工部が全長破断して、所望の形状に成形され得なかったことが確認された。
【００７１】
引き続き、そのような比較例２のリムの母材部の板厚と接合部における幅方向中央部位の板厚をそれぞれ測定したところ、母材部の板厚：ｔが３ｍｍで、接合部における幅方向中央部位の板厚：Ｔは２．７ｍｍとなっており、かかる部位の摩擦撹拌接合操作の実施前後における板厚減少量：ΔＴ（＝Ｔ−ｔ）が０．３ｍｍとなっていた。更に、実施例１のリムにおける接合部と母材部のそれぞれの断面硬さを求めたときと同様な方法により、比較例１のリムにおける接合部の断面硬さ：Ｈと母材部の断面硬さ：ｈとを、それぞれ求めたところ、前者の値は、Ｈｖで９１であり、また後者の値は、Ｈｖで６３であった。
【００７２】
そして、それらの測定値に基づいて、母材部の断面の硬さに対する接合部の断面の硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈを算出した結果、その値が０．０７であり、また、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔを算出した結果、その値が０．１であった。これらの算出値から、比較例２のリムでは、母材部の断面の硬さに対する接合部の断面の硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈが、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔよりも小さくなっていることが認められた。
【００７３】
これら実施例１及び２のリムと比較例１及び２のリムとを比較すると、本発明手法に規定される特別な条件の下で、特定のアルミニウム合金板材が曲げ加工されてなる円筒状成形体の突合せ部を摩擦撹拌接合することによって、始めて、母材部の断面の硬さに対する接合部の断面の硬さの増加率：（Ｈ−ｈ）／ｈが、母材部の板厚に対する接合部の幅方向中央部位の板厚の減少率：ΔＴ／ｔよりも大きくされたリムが得られ、また、そのようなリムにおいては、接合部の幅方向中央部位が薄肉化されていても、亀裂部分や破断部分等が何等存在せず、しかも極めて高い接合強度を有する健全な接合部が形成され、優れた接合品質が安定的に確保され得ることが、明確に認識され得るのである。
【００７４】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明に従う車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムにあっては、亀裂部分や破断部分等が何等存在しない健全な接合部を有する、優れた接合品質が安定的に確保され得、以て、摩擦撹拌接合による接合方式を利用して製造された従来品に比して、品質性能が、極めて効果的に高められ得るのである。
【００７５】
また、本発明に従う車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの製造方法によれば、亀裂部分や破断部分等が何等存在しない健全な接合部を有する優れた接合品質が安定的に確保され得て、高い品質性能を発揮する、目的とするアルミニウム合金製リムが、極めて有利に製造され得るのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明手法に従って製造された車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの一例を示す半截断面説明図である。
【図２】図１に示された車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムを製造する工程の一例を示す説明図であって、アルミニウム合金板材を円筒形に曲げ加工して円筒状成形体を成形した状態を示している。
【図３】図１に示された車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムを製造する工程の別の例を示す説明図であって、円筒状成形体の突合せ部を摩擦撹拌接合して、管体を成形している状態を示している。
【図４】図１に示された車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムを製造する際に実施される摩擦撹拌接合操作での回転治具の姿勢を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ リム １２ ディスク
１４ 突合せ部 １６ 接合部
１８ 母材部 ２０ 板材
２２ 円筒状成形体 ２４ 平坦部
２５ 裏当て治具 ２６ 管体
２８ 回転冶具 ２９ エッジ部
３０ ピン

Claims (1)

1. ５０００系アルミニウム合金よりなる板材を円筒形に曲げ加工した後、開先が設けられることなく該板材の厚みに等しい端面の全面に亘って互いに突き合わされる該板材の両端部の突合せ部に対して、ロッド状の回転治具の先端に同心的に設けたピンを、該回転治具と共に一体回転させつつ差し込み、相対的に移動させることによって、該突合せ部を摩擦撹拌接合して、該突合せ部に沿って接合部を形成することにより、所定の管体を成形し、その後、かかる管体を加工して、車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムを製造するに際して、
   前記板材として、５０００系アルミニウム合金のＯ材よりなる板材を用いて、かかる板材の前記突合せ部の内面に、所定の裏当て治具を接触配置した後、前記回転治具の先端に設けたピンを５００〜１８００ｒｐｍの回転速度で該回転治具と共に一体回転させつつ、該ピンの先端から該裏当て治具までの距離が０．１〜０．４ｍｍとなる深さ位置にまで、該ピンを該突合せ部に差し込み、その後、該回転治具を、該突合せ部の法線に対して該回転治具の中心線が０°以上、５°以下となる角度をもって該ピンの進行方向において後傾させた状態で、該ピンを１５０〜８００ｍｍ／ｍｉｎの速度で、該突合せ部に対して相対的に移動せしめて、前記摩擦撹拌接合操作を行なうことにより、形成される前記接合部の断面の硬さ：Ｈ（Ｈｖ）と、該接合部以外の母材部の断面の硬さ：ｈ（Ｈｖ）と、前記摩擦撹拌接合操作の実施前後における、該接合部の幅方向中央部位の板厚減少量：ΔＴ（ｍｍ）と、該母材部の板厚：ｔ（ｍｍ）とが、次式：
   （Ｈ−ｈ）／ｈ≧ΔＴ／ｔ
   を満足するように構成した前記管体を得ることを特徴とする、車両用ホイールにおけるアルミニウム合金製リムの製造方法。

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