JP6725418B2 - 熱間成形ホイールディスクを製造するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は車輪のホイールディスクを製造する方法に関するものであり、当該方法において、ホイールディスクは鋼から構成されたブランクから熱間成形によって製造され、ブランクは、熱間成形の際またはその後に少なくとも部分的に硬化され、好適にはプレス硬化され、ブランクは少なくとも１つのパンチと少なくとも１つのダイを用いて熱間成形され、少なくとも１つの開口部が熱間トリミング手段を用いてブランクに導入される。本発明はさらに、鋼から構成されたブランクからホイールディスクを製造する装置に関するものであり、当該装置はブランクの熱間成形を実行してホイールディスクを提供するのに適しており、かつ、熱間成形用の少なくとも１つのパンチと少なくとも１つのダイを有しており、少なくとも１つの開口部をブランクに導入するために熱間トリミングを実行する手段が設けられる。

自動車の車輪はセーフティクリティカルな構成要素であり、したがって動作時の変動が大きい機械的負荷に恒久的に耐え得る必要がある。従来の鋼製ホイールは、ホイールハブとの接続を確保するホイールディスクと、タイヤを保持するホイールリムバンドから構成される。現在では、ホイールディスクは、最大１１段階を伴う多段階プレスでの冷間成形によって製造されている。ここでは、４００乃至６００ＭＰａの強度を有する冷間成形可能なマイクロ合金の二相鋼のみがほぼ使用されている。鋼製ホイールの耐用年数を別として、重量は重要な役割を果たすものであり、特に、材料コスト、ばね下質量、回転慣性、ひいては燃料消費にも影響がある。原則的に、強度が高い材料、例えば高い耐振性の材料を使用することができる。しかしながら、鋼材料の強度が増大すると、材料の成形性の程度は一般に低下するため、冷間成形可能な材料を軽量構造とする可能性はないように思われる。熱間成形を利用することによって、高い成形性に対する要求を満たすと共に、非常に高い強度と寸法精度とを同時に有する構成要素を得ることが可能となる。熱間成形をする際、ブランクを成形挙動が著しく向上する温度まで加熱することが好ましい。例えば、成形における著しい改善は、オーステナイト構造への構造転換の際に得られる。このため、ブランクを鋼の組成に依存するＡ_ｃ１温度点を超える温度まで加熱する必要がある。熱間成形時の材料の優れた成形性により、特に、鋼材料がオーステナイト構造を有する場合には、冷間成形に必要とされる成形ステップの多くを大幅に減らすことができる。この点について、できる限り多くの成形ステップまたは加工ステップを工具に置き換えることができ、ひいては後の作業を排除することができる。しかしながら、熱間成形の前にブランクに導入することができない様々な穿孔部をホイールディスクの製造中に設けなければいけないという問題がある。今まで、このような穿孔部は、構成要素を硬化し焼き戻した後に導入しなければいけなかったが、材料の厚さが例えば３ｍｍを超える場合、穿孔はレーザ切断によってのみ行うことができる。一般に、ホイールディスクの開口部、例えばホイールボルト穴は、高い寸法精度を有している必要があるため、これらの穴部を熱間成形前に導入することはできない。さらに、ホイールボルトを受けるための標準的形状も必要となる。熱間成形後に穴部をホイールディスクに導入することは多大な経費と関連している。このことは、後の機械的トリミングは相当量の摩損を伴うため、例えば、穴を後にレーザ切断ことにも当てはまる。

本願出願人に遡って独国出願公開第１０３２３８３３Ａ１号は、ホイールディスクを焼き戻し鋼から、例えば２２ＭｎＢ５型のマンガンボロン鋼から熱間成形によって製造することを開示している。シートメタル要素であって、少なくとも複数の領域が硬化され、シートメタルブランクから製造され、突出環部を有する少なくとも１つの開口部を有するシートメタル要素の製造がさらに、独国出願公開第１０２０１１１１７０６６Ａ１によって既に知られている。

これを出発点として、本発明は車輪のホイールディスクを製造する方法を規定するという目的に基づいており、当該方法を用いて、ホイールディスクが重量の更に削減し、要求される形状および安全要求を実現するように、ホイールディスクを高い精度をもって簡単に製造することができる。さらに、本発明の目的は、本発明による方法を実行するための装置を提案することにある。

本発明の第１の教示によると、示した目的は、少なくとも１つの開口部が熱間トリミングの際に少なくとも１つのトリミングボルトおよび適用ボルトを用いて導入される、車輪のホイールディスクを製造する方法において実現し、適用ボルトは適用ボルトの長手方向に変化する断面形状を有する少なくとも１つの領域を有しており、適用ボルトを用いて、少なくとも１つの開口を変化する断面形状を介して調整する。

熱間成形中における、開口部を熱間成形されたホイールディスクに導入するためのブランクのトリミングでさえ、熱間トリミング時の工具の摩耗を著しく低下させることが分かっており、したがって、ホイールディスクの機械的トリミングは低費用かつ低経費とすることが可能となる。さらに、少なくとも領域に変化する断面形状を有する適用ボルトによって、導入された開口部をトリミングした直後に調整することができる。ここではさらに、この調整を温かい状態で、すなわち、例えば鋼の組成に依存するＭ_Ｓ開始点を超える温度といった高温で行い、少ない力を必要とするように使用することもできる。マッシブ（ｍａｓｓｉｖｅ）成形および調整は、適用ボルトを使用することで開口領域に対して同時に行うことができる。ここで、マッシブ成形とは、例えば、アプセットあるいは鍛造を意味するものと理解されたい。

最初のブランクのシートメタル厚は、例えば、１ｍｍ乃至７ｍｍの範囲内、好適には２ｍｍ乃至５ｍｍの範囲内であるため、重量を更に削減することができる。強度が高い材料を選択することによって、シートメタル厚を小さくすることができる。特に、焼戻し鋼とも称されるマンガンボロン鋼を使用する場合、熱間成形は複数の領域において少なくとも硬化またはプレス硬化を同時に実現する可能性を生じさ、その結果、完成したホイールディスクは軽量で高い強度を有することとなる。熱間トリミングおよび熱間成形は、実際のプレス硬化の前に完了することが好ましい。

本発明による方法の第１の改良によると、少なくとも１つのトリミングボルトおよび少なくとも１つの適用ボルトを使用して、ホイールディスクのホイールボルト穴、通気穴、および／またはホイールハブ穴を熱間トリミングの際に導入する。３種類の穴全てが高い精度要求を満たす必要があり、割れの影響を受けにくくしなければならない。本発明による方法を用いる場合、特に開口の切断縁部の領域をマッシブ成形に付すという選択肢があり、その結果、開口領域における割れのリスクが低減する。さらに、特に平滑な開口縁部は、仕上げ作業をすることなくマッシブ成形によって得ることができる。

ホイールディスクを製造するための経費は、ホイールディスクを提供するためのブランクの熱間成形および熱間トリミングを１回の動作ストロークで行うことによって、さらに低減される。特に、本発明によるトリミングボルトおよび適用ボルトを使用することにより、１回の動作ステップあるいは動作ストロークで本方法を実行することが可能となる。

本発明による方法の更なる改良によると、熱間トリミングの際に対応トリミングボルトが侵入する少なくとも１つの中空適用ボルトを使用する。第１に、特に耐久性の高い切断縁部を適用ボルトによって提供することができる。第２に、トリミングされた材料を取り除くように移動させる可能性がある。さらに、中空の適用ボルトと、それに対応する対応トリミングボルトは、トリミングを、例えばパンチおよび／またはダイの動きと連結させることができる。

本方法の更なる改良によると、開口部の切断縁部は、少なくとも部分的にマッシブ成形によって形成される。例えば、円錐あるいは球状に座ぐったホイールボルト穴の要求形状は、少なくとも部分的なマッシブ成形によって簡単に作成することができる。さらに、対応する開口縁部は、開口領域における割れのリスクを低減し、開口部に必要な剛性を確保する。

次のバリエーションによると、トリミングした材料を下方に切り抜くことによって熱間トリミングを行う場合、トリミングした材料を容易に取り除いて移動させるために重力を利用することができる。

本方法の更なる改良によると、簡単な押込式案内手段をブランクの熱間成形用装置において使用することができ、トリミングボルトおよび少なくとも１つの適用ボルトの移動経路を簡単に確保するように、少なくとも１つのトリミングボルトおよび少なくとも１つの適用ボルトの移動経路を、パンチおよび／またはダイの移動経路に連結させる。

その代替として、例えば、少なくとも１つのトリミングボルトおよび少なくとも１つの適用ボルトの移動経路が、パンチおよび／またはダイの移動経路とは別個に動作することも少なくとも部分的には可能である。この動作は例えば、液圧式、気圧式、またはサーボ電気的に行うことができ、ある程度は、熱間トリミングを実行する時間および工具の位置に関して高い柔軟性を可能にする。本方法の更なる改良によると、成形されるブランクは、ホールドダウン手段を使用することなく、熱間トリミングと一体的な熱間成形を実行してホイールディスクを提供するように切断されることが特に好ましい。これにより、成形時の材料供給が最小限となるため、熱間成形の際の成形力はさらに低減する。

最後に、本方法の更なる実施形態によると、マンガンボロン鋼、多相鋼、または多層鋼の複合材料からなるブランクを熱間成形してホイールディスクを提供する。マンガンボロン鋼、およびその他の焼き戻し鋼は熱間成形後にプレス硬化することができ、これにより、特に高い強度を実現する。これは、多相鋼および相応の硬化可能あるいはプレス硬化可能な鋼の複合材料にも当てはまる。

本方法の更なる教示によると、示した目的は、少なくとも１つのトリミングボルトおよび少なくとも１つの対応適用ボルトが設けられた、ホイールディスクを製造するための装置によって実現し、適用ボルトは当該適用ボルトの長手方向に変化する断面形状を有する少なくとも１つの領域を有し、適用ボルトの変化する断面形状を有する領域を用いて開口部を調整するための手段が設けられている。

既に上述したように、熱間成形を提供し、一体化したトリミングボルトと適用ボルトを有する装置によって、ブランクまたは熱間成形したホイールディスクの熱間成形およびトリミングを同時に実現し、その結果、成形力が低下することに加えて、ホイールディスクにおける高精度の開口部を同時に作成することもできる。押込式案内手段を、例えば、適用ボルトの変化する断面形状領域を用いた開口部を調整する手段として設けることができ、この押込式案内手段は、装置のクローズ工程およびパンチをダイへと引き込む際に適用ボルトを対応して移動させることができる。

少なくとも１つの適用ボルトは、対応トリミングボルトが適用ボルト内へと侵入できるように中空設計であることが好ましい。トリミングボルトが適用ボルト内へと侵入することによって、工具のトリミングボルトおよび適用ボルトの移動は、簡単な押込式案内手段を介して簡単に実現することができる。特に、この構成の場合、ホイールディスクを提供するためのブランクの熱間成形と、熱間トリミングとを一度の動作サイクルで実行するという点についての利点をも提供する。例えば、中空設計の適用ボルトは、例えば、特に高い剛性を有しているため、適用ボルトは高強度の切断縁部を提供することができる。

少なくとも１つのトリミングボルトが対応適用ボルト内に上方から侵入するようにトリミングボルトが配置されている場合、トリミングボルトによって生じたブランクのトリミングされた材料は、装置の領域から対応適用ボルトを通って除去することができる。特に、重力が、トリミングされた材料を当該装置の領域から外へと自動的に移動させることができる。

最後に、トリミングボルトおよび適用ボルトの移動制御をパンチおよび／またはダイの移動経路と連結させる手段を設けることができる、または、トリミングボルト、適用ボルト、パンチおよび／またはダイを別個に移動制御する手段を設けることができる。例えば押込式案内手段を介する連結した移動制御は、トリミングボルト、適用ボルト、およびパンチおよび／またはダイの移動制御に係る特に簡単な構成によって、工程の信頼性を向上させる。他方、トリミングボルト、適用ボルト、パンチおよび／またはダイの別個の移動制御を提供する代替案では、ホイールディスクの製造時における特定の作業ステップの調製に関して高い柔軟性をもたらす。トリミングボルトが、例えば適用ボルトに侵入するタイミング、またはパンチによってトリミングを行うタイミングは、別個に制御することができる。

本発明は、例示的な実施形態を図面と共に参照して以下に詳しく説明する。
図１は、自動車の車輪の斜視図を示している。 図２は、正面図における車輪のホイールディスクを示している。 図３乃至５は、本方法の３つの異なる時点における、ブランクからホイールディスクを製造する装置の例示的な実施形態を概略的な断面図に示している。 図３乃至５は、本方法の３つの異なる時点における、ブランクからホイールディスクを製造する装置の例示的な実施形態を概略的な断面図に示している。 図３乃至５は、本方法の３つの異なる時点における、ブランクからホイールディスクを製造する装置の例示的な実施形態を概略的な断面図に示している。 図６乃至８は、本方法を実行する際のトリミングボルトおよび適用ボルトの相互作用を概略的な断面図に示している。 図６乃至８は、本方法を実行する際のトリミングボルトおよび適用ボルトの相互作用を概略的な断面図に示している。 図６乃至８は、本方法を実行する際のトリミングボルトおよび適用ボルトの相互作用を概略的な断面図に示している。

まず最初に、図１は概略図に、ホイールディスク１とホイールリムバンド２から構成された一般的な車輪を図示している。ホイールディスク１は一体的に密着するようにホイールリムバンド２に接続され、ホイールハブの力をホイールリムバンド２に伝達する。

図２はホイールディスク１を正面図に示している。ホイールディスク１が有する３種類の開口部を見ることができる。最初に、ホイールハブ穴３が中央に設けられており、同心円状に配置された全部で５つのホイールボルト穴４が周りを取り囲んでいる。ブレーキの通気に必要な通気穴５が、ホイールディスクの外側領域に更に設けられている。寸法公差を超えてしまうと、ホイールディスク１は、例えば車輪の使用時に不安定になるといった問題を生じさせるため、ホイールハブ穴３、ホイールボルト穴４、および通気穴５は、極めて精確にホイールディスクに導入しなければならない。

図３、４、および５は次に、３つの異なる時点における車輪のホイールディスクを製造する方法を示しており、便宜上、ブランク６は図３にのみ図示されている。このブランク６は、例えば、材料のＡ_ｃ１温度点を超える温度まで加熱されて、図３に示す装置内へと配置される。この状態では、成形性の程度に良い影響があるオーステナイト構造が主に表れる。この装置はパンチ７とダイ８を具えており、これらを用いてブランク６を熱間成形する。熱間成形は一般に、高温にて、すなわち、ブランクが、例えば好適な成形条件を保証するオーステナイト構造を有する場合に行われる。

図３はさらにトリミングボルト９と適用ボルト１０を示しており、適用ボルト１０は中空設計であって、適用ボルト１０の断面形状が変化する領域１０ａを有している。図４に示すように、この方法の過程にわたって、パンチ７がダイ８に設けられた開口部に侵入し、その結果、例えば、ホイールディスクの車軸収容穴３を打ち抜く。図４では、トリミングボルト９は、例えば、ブランク上に位置しており、ブランクをまだ切断していない。しかしながら、このトリミング時間は原則的に、大体は自由に選択することができる。トリミングボルト９が次いで適用ボルト１０内に導入され、図４および図５には図示されていないブランク６は、ホイールボルト穴が生じるように領域をトリミングする。図５では、例えば、トリミングボルトが適用ボルト内に侵入している。適用ボルト１０はさらに、変化する断面形状を有する領域１０ａを有している。したがって、適用ボルトの断面は、この領域において垂直方向下方に向かって増大する。

成形ブランク６を熱間成形する際の実際の熱間トリミングは、図６乃至８において詳しく説明する。図６乃至８は、図３乃至５に示す装置によるトリミング領域１１を拡大し抜き出して図示している。

図６は、図３乃至図５の例示的な実施形態によるトリミングボルト９、熱間成形ブランク６、および適用ボルト１０を図示している。この方法の図６に示す時点では、トリミングボルトがブランク６上に配置され、適用ボルトの方向へと更に移動している。図７に示すように、トリミングボルトが、例えば適用ボルト１０内へと侵入し、トリミングした材料を成形領域から適用ボルトを通って移動させる。トリミングボルトは、トリミングされたブランク６の材料を成形領域から重力下方方向へと移動させることが好ましい。開口部をトリミングした後、適用ボルト１０が垂直方向上方に移動し、これにより、変化する断面形状１０ａを有する領域がブランク６の開口部を調整する。例えば、図８に示すように、調整の際、開口領域を厚くすることができる、または円錐状あるいは球状の座ぐり部を形成することができる。例えば、ブランク６の開口領域の縁部６ａを厚くすることができる。切断縁部の面を厚くする、あるいは平らにすることによって、開口部は強い強度と耐割れ性を得る。さらに、ホイールディスクの剛性に課された更なる要求事項もまた、適用ボルトの変化する断面形状を介した、例えば、鍛造またはアプセットといったマッシブ成形によってもたらすことができる。加えて、ダイあるいはパンチ７の残りの領域が、開口部を調整する際のマッシブ成形を提供することができる。

ブランク６は、好適には２ｍｍ乃至７ｍｍ、特に好適には３ｍｍ乃至５ｍｍの厚さを有している。著しく厚い壁厚がトラックホイール用に提供されるホイールディスクに必要とされることもある。

図６乃至８に示す当該方法の原理を用いると、ホイールディスク１のホイールボルト穴４を取り入れることができるだけでなく、中央のホイールハブ穴と通気穴をホイールディスクに取り入れることもできる。図６乃至８を参照して分かるように、ブランク６の熱間成形と熱間トリミングは、１回の動作ステップで行うことが好ましい。

トリミングボルト、適用ボルト、パンチおよびダイの移動経路を制御する手段は、図３乃至５および６乃至８には図示されていない。しかしながら、個々の開口をトリミングまたは調整するタイミングは、トリミングボルト、適用ボルト、パンチおよびダイの移動経路を別個に作動させる場合には、高い柔軟性をもって選択することができることは容易に考えられる。トリミングボルト、適用ボルト、パンチおよびダイの移動経路を特に簡単に制御するために、単純な動作連結手段、例えば、押込式案内手段を設けることもできる。押込式案内手段は極めてロバストであるが、高精度の移動経路を提供することができる。

成形されるブランクは高温であるため、熱間成形時および熱間トリミング時の成形力は、例えば、複数の領域をプレス硬化したホイールディスクの後の強度に対して、比較的低い。この点で、比較的容易かつ費用効果の高い製造方法を断念することなく、本発明による方法によって製造されたホイールディスクによって、更なる重量を削減する可能性を見出すことができる。

Claims (16)

1. 車輪のホイールディスクを製造する方法であって、前記ホイールディスクが鋼から構成されたブランクから熱間成形によって製造され、前記ブランクは前記熱間成形の際またはその後に少なくとも部分的に硬化され、前記ブランクは少なくとも１つのパンチと少なくとも１つのダイを用いて熱間成形され、少なくとも１つの開口部が熱間トリミング手段を用いて前記ブランクに導入される、方法において、
   少なくとも１つの開口部が、少なくとも１つのトリミングボルトおよび適用ボルトを用いて前記熱間トリミングの際に導入され、
   前記適用ボルトは、当該適用ボルトの長手方向の先端側に向かって径が次第に小さくなるよう変化する断面形状を有する少なくとも１つの領域を有し、前記適用ボルトを用いて、前記少なくとも１つの開口部の縁部が前記少なくとも１つの領域と前記少なくとも１つのパンチとの間で塑性変形して圧縮され、これによって、前記少なくとも１つの開口部の圧縮された部分以外の部分が塑性変形して厚くなる、
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、少なくとも１つのトリミングボルトおよび少なくとも１つの適用ボルトを用いて、前記ホイールディスクのホイールボルト穴、通気穴、および／またはホイールハブ穴が前記熱間トリミングの際に導入されることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、前記ブランクの熱間成形および熱間トリミングが、１回の動作ストロークで行われることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法において、前記熱間トリミングの際に、対応するトリミングボルトが内部に侵入する少なくとも１つの中空の適用ボルトを使用することを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法において、前記開口部の切断縁部が、マッシブ成形によって少なくとも部分的に形成されることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法において、前記熱間トリミングが、トリミングされた材料を下方に切り抜くことによって行われることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法において、前記少なくとも１つのトリミングボルトおよび前記少なくとも１つの適用ボルトの移動経路を、前記パンチおよび／または前記ダイの移動経路に連結させることを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法において、前記少なくとも１つのトリミングボルトおよび前記少なくとも１つの適用ボルトの移動経路が、前記パンチおよび／または前記ダイの移動経路とは別個に作動することを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法において、ホールドダウン手段を使用することなく前記熱間トリミングと一体的に前記熱間成形を実行して前記ホイールディスクを提供するように、成形される前記ブランクを切断することを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法において、マンガンボロン鋼、多相鋼、または多層鋼の複合材料から構成されるブランクが熱間成形され、前記ホイールディスクを提供することを特徴とする方法。
11. ブランク（６）からホイールディスク（１）を製造する装置であって、当該装置は前記ブランク（６）の熱間成形を実行して前記ホイールディスク（１）を提供するのに適しており、前記熱間成形のための少なくとも１つのパンチ（７）と少なくとも１つのダイ（８）とを有し、少なくとも１つの開口部（３，４，５）を前記ブランク（６）に導入するために熱間トリミングを実行するための手段（９，１０）が設けられている、装置において、
    少なくとも１つのトリミングボルト（９）および少なくとも１つの対応する適用ボルト（１０）が設けられており、
    前記適用ボルトは、当該適用ボルト（１０）の長手方向の先端側に向かって径が次第に小さくなるよう変化する断面形状を有する少なくとも１つの領域（１０ａ）を有しており、
    前記適用ボルト（１０）の変化する断面形状を有する前記領域（１０ａ）を用いて前記開口部を調整するための手段が設けられており、
    前記少なくとも１つの開口部（３，４，５）の縁部が前記少なくとも１つの領域と前記少なくとも１つのパンチとの間で塑性変形して圧縮され、これによって、前記少なくとも１つの開口部の圧縮された部分以外の部分が塑性変形して厚くなる
    ことを特徴とする装置。
12. 請求項１１に記載の装置において、対応する前記トリミングボルト（９）が前記適用ボルト内に侵入できるように、少なくとも１つの適用ボルト（１０）が中空であることを特徴とする装置。
13. 請求項１１または１２に記載の装置において、前記トリミングボルト（９）および適用ボルト（１０）が、ホイールボルト穴（４）、通気穴（５）、および／またはホイールハブ穴（３）を作成するために設けられていることを特徴とする装置。
14. 請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の装置において、少なくとも１つのトリミングボルト（９）は、当該トリミングボルトが上方から対応する適用ボルト（１０）内に侵入するように配置されていることを特徴とする装置。
15. 請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の装置において、前記パンチ（７）および／または前記ダイ（８）の移動経路と共にトリミングボルト（９）および適用ボルト（１０）を連結して移動制御するための手段が設けられていることを特徴とする装置。
16. 請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の装置において、トリミングボルト（９）、適用ボルト（１０）、パンチ（７）および／またはダイ（８）を別個に移動制御するための手段が設けられていることを特徴とする装置。

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