JP5608248B2 - サスペンション部品のテーパ孔明け加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ナックルを初めとする軽合金からなるサスペンション部品のテーパ孔明け加工方法に関する。

自動車部品の内でも、特にサスペンション部品は最重要保安部品であり、高い強度の材料を用いる必要があることから、従来は、一般的に鉄系材料により形成されていた。近年の環境問題等の観点から、軽量化による燃費向上などの施策のため、アルミニウム合金などの軽合金材料を用いたサスペンション部品が多用されつつある。
軽合金材料は鉄系材料よりは強度が低いものの、断面形状を適切に選択することにより、サスペンション部品を過度に大型化することなく所要の強度を確保することができる。しかしながら、他部品との締結部等、局部的に高い応力が発生する部位を補強するためには、部分的に肉厚を増す必要があり、他部品との干渉を生じる等の不都合が生じ得る。

特許文献１には、鋳造軽合金からなるフロントアクスルビームのキングピン支持部を補強するために、キングピンボス部に同軸配置された円筒形部分を含む鋼製の補強材を鋳込むことが教示されている。しかしながら、補強材を鋳込むために鋳造工程が煩雑化或いは高コスト化し、鋼製の材料を用いることにより軽量化が阻害され、更には異種金属同士の接触による電食の対策が必要となるなどの問題が生じる。

日本国特許庁公開特許（特開平９−１７５１０３）公報

このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、他部品との結合などの目的で軽合金からなるサスペンション部品に設けられるテーパ孔の内周部の強度を高め得るような、サスペンション部品のテーパ孔明け加工方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、軽合金からなるサスペンション部品に、低コストでかつ高い精度をもってテーパ孔を形成し得るテーパ孔明け加工方法を提供することにある。

本発明の第３の目的は、軽合金からなるサスペンション部品に、所要の強度を確保するために局部的に肥大化した部分を設けることなくテーパ孔を形成し得るテーパ孔明け加工方法を提供することにある。

本発明によれば、このような課題は、軽合金からなるサスペンション部品のテーパ孔明け加工方法であって、テーパ付き下孔を設けた軽合金からなるサスペンション部品母材を準備するステップと、前記母材を、前記下孔の小径側をもって、ダイス上に配置するステップと、前記下孔の大径側から前記下孔内に向けて、先細のテーパ形状を有するパンチを押し込むステップとを含み、前記下孔内に向けて前記パンチを押し込むのに伴ない、前記下孔の内周壁を少なくとも部分的に擦り取り、かつ前記下孔の内周面の全体を塑性的に圧縮するように、前記パンチの外形が定められていることを特徴とするテーパ孔明け加工方法を提供することにより達成される。

ここで、「擦り取り」とは、パンチの前縁により、対象部材の表面の肉を前方に押す動作を指し、その結果として、押された肉に隣接する部材の部分に塑性流動が引起される。「塑性的に圧縮する」とは、パンチを下孔内に押し込むことにより、パンチのテーパ付き外周面が下孔の内周面に押し付けられることを指し、パンチを下孔内に押し込む運動の結果として、同じく隣接する部材内に塑性流動が引起される。

このようにして、パンチの小径端により下孔の内周壁を擦り取り、或いはパンチの外周面を強い圧力を伴なって、下孔の内周面上で引き摺ることにより、下孔の内周壁の材料に塑性流動を引起し、同部分を硬化するような合金組織の変化を引起す。この変化は、テーパ孔の周囲に限定され、母材の残余の部分は、所与の靭性等の機械的特性を維持する。従って、補強部材を付加することなく、テーパ孔の外周部の強度、特に疲労強度を効果的に高めることができる。

前記パンチの先端の外径が、前記下孔の大径端又はその近傍の内径よりも大きいものとすることにより、テーパ孔の略全長に渡って母材内で塑性流動を引起し、テーパ孔内周面全体に硬化処理を施すことができる。

前記下孔のテーパ角が、前記パンチのテーパ角と略等しいものとすることもできるが、所望に応じて、前記下孔のテーパ角が、前記パンチのテーパ角よりも小さいテーパ角を有するものとすることもできる。このように両部分のテーパ角を適宜定めることにより、下孔の内周面の各部に於ける材料の擦り取り量及び圧縮量（即ち、材料の擦り取り量及び圧縮量の軸線方向の分布）を管理し、所望の態様の硬化処理を実行することができる。

また、容易に理解できるように、前記パンチ及び前記下孔は、円形断面を有するものに限らず、楕円形の断面を有する錐体、多角錐形など、非円形断面を有するテーパ形状を有するものであって良い。

前記母材が軽合金鋳造部品からなるものとすることにより製品の設計自由度が高まり、前記下孔を、前記母材の鋳造時に同時に形成することが可能となり、本発明の利点が特に顕著となる。前記母材は、ナックル、アーム、ビーム及びサブフレームからなる群から選択されたサスペンション部品をなすものであって良い。

必要に応じて、前記パンチによりテーパ孔を形成するステップに引き続いて、前記テーパ孔の小径端の外周に形成されたバリを除去し、かつ座面を形成するステップを更に含むものとすることができる。

このように、本発明の主な側面によれば、予めテーパ下孔が設けられたサスペンション部品母材をダイス上に配置し、テーパ下孔と略同形かつ僅かに大径のパンチを下孔内に押し込むことにより、下孔の内周面を少なくとも部分的に擦り取り、かつ下孔の内周面の全体を圧縮する。その結果、下孔の内周壁の材料に塑性流動を引起し、局部的な硬化処理がなされ、補強部材を付加することなく、テーパ孔の外周部の強度、特に疲労強度を高めることができる。

本発明の方法により孔明け加工される軽合金製ナックルを示す分解斜視図である。 図１の軽合金製ナックルの孔明け加工されるべき部分の異なる加工ステップに於ける状態を示す断面図である。 本発明の孔明け加工方法の加工ステップを示すフロー図である。 本発明に基づく孔明け加工後の軽合金組織を示す図である。 本発明に基づく孔明け加工後の硬度分布を示すグラフである。 本発明の方法により孔明け加工された軽合金製ナックルの試験方法を示すダイヤグラム図である。 本発明に基づく孔明け加工がなされたものと、従来の方法により孔明け加工がなされたものとについて行なわれた疲労試験の結果を対比するグラフである。

図１は本発明が適用された鋳造アルミニウム合金製の左前輪用のナックル１を示す。ナックル１からはアーム２が前方に延出し、その遊端に上下方向に貫通するテーパ孔３が設けられている。本実施例では、テーパ孔３は、下方に向けて縮径された円錐台形をなす。タイロッド４の先端にはボールジョイント５が設けられている。ボールジョイント５からは、テーパ孔３と補完的なテーパを付けられたスタッド６が延出し、かつテーパ孔３内に挿入されている。スタッド６の先端には雄ねじ部が設けられ、該雄ねじ部には、ワッシャ７を介してナット８が螺合されている。このようにして、ナット８を締結することにより、タイロッド４の先端を、ボールジョイント５を介して、ナックル１のアーム２に結合することができる。タイロッド４の他端は、図示外の操舵機構に連結されている。

次に、このナックル１の製造方法、特にテーパ孔３の形成方法を図２及び３を参照して説明する。先ず、図示されない鋳造金型を用いて、ナックル母材を鋳造する（ステップＳＴ１）。そのとき、適切な中子を用いて、図２（ａ）に示すようなテーパ下孔３’を設ける。テーパ下孔３’は、所望に応じて機械加工により形成することもできる。所望に応じて、残留応力を低減するために、ナックル母材を熱処理する（ステップＳＴ２）。

図２（ｂ）に示すように、ナックル母材を、テーパ下孔３’の小径側の面をもって、ダイス１０上に配置する（ステップＳＴ３）。ダイス１０には、テーパ下孔３’よりもやや大径の開口１２が設けられており、ナックル母材は、テーパ下孔３’が開口１２と同心をなすように配置される。次に、ストリッパ１１を、ダイス１０とは反対側のナックル母材の面上に配置する。ストリッパ１１にも、テーパ下孔３’と同心かつやや大径の開口１３が設けられている。また、ストリッパ１１の開口１３には、テーパ下孔３’と同方向のテーパが付けられている。

更に、図２（ｃ）に示すように、テーパ下孔３’と同様のテーパが付けられたパンチ１４を、その小径端側から、ストリッパ１１の開口１３を通過して、テーパ下孔３’内に押し込む（ステップＳＴ４）。これは、冷間のプレス加工として実行される。本実施例の場合、テーパ下孔３’の大径端の内径（ａ）は、パンチ１４の先端即ち小径端の外径（ｂ）以下となっている（ａ≦ｂ）。ａ＜ｂであれば、加工開始当初から、パンチ１４の先端面が加工素材であるアーム２の上面（テーパ下孔３’の外周縁部分）に当接し、パンチ１４のテーパ下孔３’内への押し込みによって、加工開始当初から下孔３’の内周面を擦り取ることが行われることになる。

例えば、下孔３’の大径端の内径は、パンチ１４の小径端の外径よりもやや小さく、下孔３’の小径端の内径は、パンチ１４の小径端の外径よりもより一層小さいものとすることができる。従って、パンチ１４をテーパ下孔３’内に押し込むのに伴ない、パンチ１４の小径端は、最初は最小量の削り代をもって、下孔３’の内周面を擦り取り、最終的には最大量の削り代をもって、下孔３’の内周面を擦り取ることになる。発明者の行った実験によれば、削り代を約１〜５ｍｍの範囲とすることにより、加工困難性を回避し、かつ所要の補強効果が得られることが見出された。同時に、パンチ１４の外周面１５が下孔３’の内周面に強く押し付けられる。このように、パンチ１４の小径端により下孔３’の内周壁を擦り取り、或いはパンチ１４の外周面１５を強い圧力を伴なって、下孔３’の内周面上で引き摺ることにより、下孔３’の内周壁の材料に塑性流動を引起し、同部分の合金組織に変化を引起す。

本実施例の場合、テーパ下孔３’のテーパ角は、パンチ１４のテーパ角に等しい。また、パンチ１４により引起されるテーパ下孔３’外周部の塑性流動により、厚さ方向外向きにアーム２の材料が盛り上がるが、ストリッパ１１の開口１３及びダイス１０の開口１２が、対応するパンチ１４の部分の外径よりも大きく、その結果生じる空隙内に、盛り上がった肉を導出することができる。

図４は、このようにして得られたテーパ孔３の内周壁の合金組織の状態を示す。結晶粒が微細化し、かつテーパ孔３の軸線に沿って引き伸ばされていることが分かる。図５は、テーパ孔３の内周壁部のマイクロビッカース硬度分布を示す。アーム２の内部と、テーパ孔３の内周壁部との間には、約４０ものマイクロビッカース硬度差が生じている。その結果、アーム２の全体的な展延性及び靭性が維持されると同時に、形成されたテーパ孔３の内周壁部の硬度が向上し、アーム２のスタッド６から及ぼされる負荷に耐える能力が向上する。

次に、形成されたテーパ孔３からパンチ１４を抜き取り、ナックル１をダイス１０上から取り除く（ステップＳＴ５）。塑性流動したナックル１の材料が、テーパ孔３の、図２に於ける下方にダレ或いはバリとして垂れ下がり、かつ、それよりも軽度ではあるが、上方に盛り上がることから、これを機械加工により除去し、同時にテーパ孔３の下端の外周部に、図２（ｄ）に示すように、ナット８のための座面９を形成する（ステップＳＴ６）。

本発明に基づくナックル１の耐久性能を評価するために、テーパ孔３を上記したように形成したもの（本実施例）、テーパ孔３をアーム２に嵌め込まれた鋼製のカラーにより画定したもの（比較例１）及びテーパ孔３を、機械加工（例えば切削加工）により、塑性流動を伴なわずに形成したもの（比較例２）について、図６に示すように、テーパ孔３に挿入されたスタッド１６に、その軸線方向に直交する方向（特に、強度が問題となるアーム２の長手方向）から繰り返し負荷を加えたときの疲労強度を比較した。図７にそのような疲労強度試験の結果を示す。５０万回の繰り返し負荷に耐えることが要求されるが、比較例１では、約６７万回の繰り返し負荷後に破断し、比較例２では、約２０万回の繰り返し負荷後に破断した。鋼製のカラーを用いたものは、必要な耐久性を備えているが、鋼製のカラーを嵌め込む必要があり、工数及び費用の点で問題がある。アーム２にテーパ孔３を塑性流動を伴なわずに形成した場合（機械加工による場合）には、必要な耐久性が得られない。本実施例では、約１００万回の繰り返し負荷後にあっても破断することなく、十分な耐久性を有することが示された。

このように、別部材を付加することなく、サスペンション部品に設けられるテーパ孔の内周面の硬度を高め、残余の部材の強度をそのまま維持し得ることから、サスペンション部品の所要の強度を、簡単にしかも低コストで達成することができる。しかも、対応部分を格別肥大化或いは厚肉化する必要がないことから、他部品との干渉を引起すことなく、レイアウト自由度が向上し、転舵角が増大できるといった付帯効果も期待できる。更に、テーパ孔３を、プレス加工により形成することから、高い寸法、形状及び位置精度を容易に達成し、テーパ孔３の内周面を、安価に、機械加工によるものと同等の平滑度とすることができる。

上記実施例では、パンチの先端の外径が、下孔３’の大径端の内径よりも等しいか、やや大きいことにより、パンチの先端が、下孔３’の大径端から小径端にかけて、下孔３’の全体に渡って肉を擦り取るようにしている。それにより、テーパ孔３の内周壁を全体的に硬化することができる。しかしながら、所望に応じて、パンチの先端の外径が、下孔３’の大径端の内径よりもやや小さくし、下孔３’の大径端よりもやや下方の位置から、テーパ孔３の内周壁の肉を擦り取るようにしても良い。

また、上記実施例では、パンチのテーパ角が下孔のテーパ角と略等しいものであった。そのため、パンチを下孔内に挿入するに伴ない、下孔３’の内周面を擦り取る削り代が、比較的急激に増大し、下孔３’の大径端から小径端にかけて、塑性流動が不均一となり、所望の硬度分布が得られない惧れがある。また、パンチを押し込むのに要する力が、押し込み量に従って比較的急激に増大する惧れもある。そのような場合には、下孔のテーパ角をパンチのテーパ角よりも小さいものとすることもできる。その場合、パンチを下孔内に挿入するのに伴なう削り代の増大が多少抑制され、パンチを押し込むのに要する力の急激な増大を抑制することができる。特に、パンチの、素材に対する凝着が抑制され、生産性、効率とも良好となる。

逆に、下孔のテーパ角をパンチのテーパ角よりも大きいものとすることもできるが、パンチに打ち抜き素材が凝着し易く、プレス時の抵抗が大となり、素材にクラックが発生し易くなる等の問題がある。

サスペンション部品として、鋳造アルミニウム合金製のナックルを例として挙げているが、本発明は、アーム、ビーム及びサブフレーム等にも適用することができる。また、サスペンション部品の材料としては、マグネシウム合金等の他の軽合金を選択することができ、サスペンション部品の形成方法も、鋳造に限らず、押し出し成形、鍛造などからなるものであって良い。

更に、上記実施例では、パンチ１４及び下孔３’が円錐台形をなすものとしたが、楕円形の断面を有する錐体、多角錐形など、非円形断面を有するテーパ形状を有するものであっても良い。

本発明を特定の実施形態に基づいて詳細に説明したが、上記実施形態はあくまでも例示であって、本発明の範囲は、これらの実施形態によって限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって定められる。

１…ナックル、２…アーム、３…テーパ孔、３’…テーパ下孔、４…タイロッド、５…ボールジョイント、６…スタッド、７…ワッシャ、８…ナット、９…座面、１０…ダイス、１１…ストリッパ、１２、１３…開口、１４…パンチ、１５…外周面、１６…スタッド

Claims (10)

1. 軽合金からなるサスペンション部品のテーパ孔明け加工方法であって、
   テーパ付き下孔を設けた軽合金からなるサスペンション部品母材を準備するステップと、
   前記母材を、前記下孔の小径側をもって、ダイス上に配置するステップと、
   前記下孔の大径側から前記下孔内に向けて、先細のテーパ形状を有する円錐台形をなすパンチを押し込むステップとを含み、
   前記下孔内に向けて前記パンチを押し込むのに伴ない、
   前記パンチの小径端をもって、前記下孔の内周壁を少なくとも部分的に擦り取り、かつ前記下孔の内周面の全体を圧縮するように、前記パンチの外形が定められていることを特徴とするテーパ孔明け加工方法。
2. 前記パンチの先端の外径が、前記下孔の大径端又はその近傍の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のテーパ孔明け加工方法。
3. 前記下孔のテーパ角が、前記パンチのテーパ角と略等しいことを特徴とする請求項１に記載のテーパ孔明け加工方法。
4. 前記下孔のテーパ角が、前記パンチのテーパ角よりも小さいテーパ角を有することを特徴とする請求項１に記載のテーパ孔明け加工方法。
5. 前記パンチ及び前記下孔が円形断面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のテーパ孔明け加工方法。
6. 前記パンチ及び前記下孔が非円形断面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のテーパ孔明け加工方法。
7. 前記母材が軽合金鋳造部品からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のテーパ孔明け加工方法。
8. 前記下孔を、前記母材の鋳造時に同時に形成することを特徴とする請求項７に記載のテーパ孔明け加工方法。
9. 前記パンチによりテーパ孔を形成するステップに引き続いて、前記テーパ孔の小径端の外周に形成されたバリを除去し、かつ座面を形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のテーパ孔明け加工方法。
10. 前記母材が、ナックル、アーム、ビーム及びサブフレームからなる群から選択されたサスペンション部品をなすことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のテーパ孔明け加工方法。

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