JP6963833B2

JP6963833B2 - 車両用ホイールの製造方法

Info

Publication number: JP6963833B2
Application number: JP2019135962A
Authority: JP
Inventors: 修二郎稲谷
Original assignee: 株式会社レイズエンジニアリング
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2039-07-24
Also published as: JP2021016935A; CN112296362A; US20210023608A1; US11684983B2

Description

本発明は、車両用ホイールの製造方法に関し、意匠面の３次元形状面に対して母材金属の金属光沢性が高く鏡のような鏡面光沢面を形成する方法に関するものである。

従来、車両用ホイールにおいては、意匠性を高めるために意匠面に母材金属を一部露出させた光輝面を形成することが行われている。この光輝面を形成する方法として、例えば、エンドミル（回転工具）で意匠面を削って母材金属を露出させた後、光輝性を高めるためにバフ研磨を行う方法が知られている（特許文献１〜４）。また、バフ研磨を施すと、製造工程が増加し、製造時間増やコストアップとなる他、バフ研磨特有の濁りのある光沢になってしまうため、それらを解決するために、旋盤により車両用ホイールを回転させながらダイヤモンドバイトを用いて意匠面を切削加工することにより、バフ研磨を不要とする方法も提案されている（特許文献５）。

特開平７-２２３１２６号公報特開平６-３３５８５４号公報特開平６-７１５５２号公報特開平７-２７６１４８号公報特開平８-３４２０１号公報

しかしながら、旋盤による切削加工では、光輝面をスポークの天面又はリムフランジ意匠面側等の特定の一面内にしか形成することができず、また、バフ研磨では、鏡のような高い金属光沢性を有する面に仕上げることができなかった。すなわち、旋盤加工は、回転するワークに対して刃物を当ててワーク表面を切削するため、自動化が容易な２次元平面に加工範囲が限定される。そのため、旋盤では、スポークの天面から側面の範囲や飾り窓の内周面等のような３次元形状面に対して光輝面を形成することはできなかった。バフ研磨の場合、ワークを回転又はバフを回転させながらバフを当てて研磨するため、バフ研磨面は、研磨のみであれば高光沢の光輝面を形成できるが、その後クリア塗装をするとバフ研磨の特性上、無数の細かい研磨痕が現われて濁りのある光沢となり、鏡のような高い光沢性を有する面に仕上げることができなかった。一方、マシニングセンタにより回転工具のエンドミル（多刃切削工具）を用いて意匠面を切削して光輝面を形成することも可能であるが、エンドミルでは、回転する多刃により材料表面を断続的に削っていくため、エンドミルの加工溝内には工具送り方向に対して交差方向に多数の切削目が形成される。そのため、エンドミルの切削加工面は、多数の切削目が残り鏡のような高い光沢性を有する面にすることができなかった。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、意匠面の３次元形状面に対して母材金属の金属光沢性が高く鏡のような鏡面光沢面を形成することを可能とする車両用ホイールの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る車両用ホイールの製造方法は、
意匠面の３次元形状面に母材金属の金属光沢が外観される面を形成する工程を含み、前記工程後に無色クリア又はカラークリアの塗料を塗装して意匠面にクリア層を形成する車両用ホイールの製造方法であって、
前記工程は、ホイール本体を回転軸回りに回転させないように固定し、バイト工具の刃先を前記ホイール本体における意匠面の３次元形状面に接触させた状態で、前記３次元形状面に対してスクイ面が工具進行方向を向くように前記バイト工具の向きを変更させつつ前記３次元形状面に倣って前記バイト工具を３次元的かつ連続的に相対移動させて３次元連続切削加工を施し、前記３次元形状面において母材金属が露出し金属光沢性の高い加工面に仕上げた鏡面光沢面を自動的に形成し、
前記バイト工具は、刃先がＲ形状であり、この刃先のＲ半径が前記３次元形状面の加工範囲の最小Ｒ半径以下のものを使用し、
前記３次元連続切削加工に使用する加工機械は、４軸以上の軸制御ができ且つ前記３次元形状面の３次元形状データに基づいてコンピュータ数値制御できるものを使用し、
前記３次元連続切削加工では、前記バイト工具をμｍ単位で超精密に位置制御しながら移動させて前記バイト工具の移動軌跡による線状の加工溝を形成して、前記加工溝内には工具送り方向に対して交差方向に切削目が残らない平滑な加工面に仕上げられ、
前記鏡面光沢面は、前記の複数の加工溝が同一方向に延びて平行且つ等間隔に配列され、この鏡面光沢面上に１５μｍ厚〜５０μｍ厚の前記クリア層を形成して入射角６０°の正反射率が６８％以上の高い金属光沢性を有する面とされているものである。

ここで、３次元連続切削加工とは、３次元形状面に対してバイト工具を接触させた状態で３次元的かつ連続的に相対移動させながら切削加工する方法であり、旋盤により回転するワークの２次元平面にバイト工具を接触させる旋盤加工とは異なる方法である。
鏡面光沢面は、バイト工具で削った加工溝内には工具送り方向に対して交差方向に切削目を残さない加工面となるが、バフ研磨面のように無数の研磨痕が形成される加工面や、エンドミル（回転工具）の加工面のように加工溝内には工具送り方向に対して交差方向の切削目が多数形成される加工面とは異なるものである。

本発明によれば、バイト工具による３次元連続切削加工を施した加工溝内には工具送り方向に対して交差方向に切削目が残らない平滑な加工面に仕上げることができる。これにより、バフ研磨不要で、高い反射率を有する加工面を形成することができる。この加工面は、反射率が高く、バフ研磨では得られない金属光沢性が高く鏡のような鏡面光沢面となる。しかも、この鏡面光沢面を旋盤加工では形成できない意匠面の３次元形状面に対して連続して形成することができる。従って、３次元形状面である意匠面を様々な方向から眺めてもそこに有する鏡面光沢面が全体的に又は部分的に鏡のように輝いて見えるようになり、その結果、金属光沢感が格段に高く意匠性に優れた車両用ホイールを提供することができる。

実施形態における意匠面の３次元形状面に鏡面光沢面を形成する方法を説明するための模式図である。実施形態における３次元連続切削加工で意匠面の３次元形状面に鏡面光沢面を形成した車両用ホイールを示す斜視図である。スポークに形成した場合の鏡面光沢面において、この鏡面光沢面を形成する複数の加工溝の配列パターンを模式的に示すスポーク部分の斜視図であり、同図（a）は縦縞型パターン、同図（b）は横縞型パターンをそれぞれ示している。意匠面に形成した金属露出部分の拡大写真であり、同図（a）はバフ研磨で磨いて仕上げた加工面、同図（b）はボールエンドミルで形成した加工面、同図（c）は本発明方法の３次元連続切削加工で形成した加工面（鏡面光沢面）をそれぞれ示している。

以下に、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態は、車両用ホイール１の意匠面の３次元形状面に対して母材金属を露出させて金属光沢性が高く鏡のような鏡面光沢面８を形成する方法である。すなわち、車両用ホイール１の製造の際、加工機械により車両用ホイール１の意匠面の３次元形状面に対して、図１に示すようにバイト工具９を３次元的かつ連続的に相対移動させながら切削して母材金属を露出させて金属光沢性の高い鏡のような加工面に仕上げた鏡面光沢面８を３次元形状面に自動的に形成する方法（適宜、３次元連続切削加工という。）である。

本方法により製造する車両用ホイール１は、例えばアルミニウム合金等の軽合金製であり、鋳造又は鍛造等で成形したホイール本体１０から形成されている。図２に示すように、車両用ホイール１は、リム部２とディスク部３とにより構成されている。なお、本発明方法は、車両用ホイール１の材質等を問わず適用可能であり、また、リム部２とディスク部３とが一体構造か分割構造かのいずれのタイプにも適用可能である。

リム部２は、円筒部２１と、円筒部２１の両端部に設けられているリムフランジ２２（アウター側とインナー側）とを備えている。ディスク部３は、車両ハブと嵌合するハブ穴４１を有するハブ取付部４と、ハブ取付部４からリム部２へ延設される複数のスポーク５と、スポーク５間の飾り穴６とを備えている。車両用ホイール１の意匠面は、車両用ホ
イール１の車両取付状態で外側から見えるリム部２及びディスク部３の表側面５２であり、スポーク５の天面５１及び側面５２やアウター側のリムフランジ２２の内周面２３等を含む。意匠面は、３次元形状を有し、例えば、丸みのあるＲ状、丸みのない角状、凸状、凹状等の様々な立体形状を有している。

車両用ホイール１の意匠面は、基調色のカラー塗装が施された着色面７と、母材金属の金属光沢が外観される鏡面光沢面８とを有する。着色面７と鏡面光沢面８との上層には無色又は有色のクリア層が形成されている。着色面７は、ホイール本体１０の金属素地上に塗装でプライマー層、基調色のカラーコート層、クリアコート層を順に形成した層構造を有するが、このような層構造に限らず、様々な層構造とすることができる。鏡面光沢面８は、カラーコート層を形成した後に、又はカラーコート層の上にクリアコート層を形成した後に、本方法の３次元連続切削加工で母材金属を露出させて鏡のように仕上げた面である。なお、本発明方法は、着色面７を有さない意匠面にも適用することができる。

鏡面光沢面８は、意匠面の３次元形状面に形成されている。３次元形状面は、立体形状を有する面のことであり、隣り合う２面、多面、曲面、球面、凸面、凹面、ひねり面等のような空間的ひろがりを持った面である。実施形態における鏡面光沢面８は、スポーク天面５１からスポーク側面５２に連続する３次元形状面に形成されている。具体的に、スポーク天面５１は、外径側が略平坦な平坦面であり、内径側が山形でホイール中心方向へ斜めに延びる傾斜面となっており、鏡面光沢面８は、このスポーク天面５１の周方向の半分の範囲からスポーク側面５２にかけて形成されている。なお、鏡面光沢面８は、実施形態の位置に限らず、意匠面における３次元形状面のどこかに形成することができ、例えば、凸部、凹部又は段部等を有するスポーク天面５１やスポーク側面５２、湾曲部を有する飾り穴６の内周面等、また、スポーク天面５１、スポーク側面５２、リム部２の内周面及びリムフランジ２２の内周面２３のうちの隣接する２面に連続する面等、旋盤加エできないような立体形状を有する面に任意に形成することができる。

次に、鏡面光沢面８の形成方法について説明する。
鏡面光沢面８を形成するには、上述のとおり、加工機械によりバイト工具９を用いて３次元連続切削加工を行うことにより形成する。

本方法に使用する加工機械は、４軸以上の加工軸を具備し、各軸をコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）のもとで超精密に移動させる加工機械を使用する。この加工機械は、ＸＹＺの直進３軸に、Ｃ方向（軸線まわりの方向）に向きを自由変更できる第４軸を具備する４軸制御可能な加工機械、又はこの４軸に加えてＢ方向（軸線の傾き方向）に角度を自由変更できる第５軸を具備する５軸制御可能な加工機械等を使用することができる。４軸以上
の位置制御は、バイト工具９を取り付ける主軸とワークのホイール本体１０を取り付けるベッドとの間で相対的に実行される。また、加工機械は、意匠面の３次元形状データに基づいてコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）により各軸を超精密（例えば、μm単位の精度）に移動させる。このような加工機械として、例えば、マシニングセンタの工具を取り付ける主軸が自由回転することなく主軸を回転方向の所定位置にしっかり固定できるように改良したものであってもよい。

本方法に使用するバイト工具９は、刃先がＲ形状のものが使用される。刃先のＲ半径は、意匠面の加工範囲となる３次元形状面の最小Ｒ半径以下のものを使用することが好ましい。これにより、バイト工具９のＲ形状の刃先を意匠面の様々な３次元形状面に対して３次元形状線に忠実に接触移動させて連続的に切削加工を行うことが容易となり、また、刃先と３次元形状面との切削抵抗が抑えられて切削加工面の平滑性を向上することができる。バイト工具９の刃先の材質は、鏡面切削に好適な天然又は人工のダイヤモンドが使用されるが、これに限らず、ｃＢＮ焼結体、セラミックス、サーメット、超硬合金等の各種のものを使用できる。

前記加工機械により車両用ホイール１の意匠面の３次元形状面に鏡面光沢面８を形成する際、加工機械のベッドにホイール本体１０を取り付け、主軸にバイト工具９を取り付ける。ホイール本体１０は、前工程で基調色となる着色面７を形成したものであるが、デザイン上着色面７を有しないホイール本体１０であってもよい。加工機械は、通常のマシニングセンタのように回転工具を使うのではなく、ベッドに固定したホイール本体１０（ワーク）に対し、バイト工具９をホイール本体１０の意匠面に沿わせる加エプログラムで動かせることを特徴とする。この際、バイト工具９を具備する主軸の向きを固定とし、ホイール本体１０をベッドごと第４軸として所定の加工範囲内で角度指令で回転させるか、ホイール本体１０及びベッドは回転せず、バイト工具９を具備した主軸をＸ／Ｙ／Ｚ軸に加えた第４軸として角度指令できるものでもよい。すなわち、この加工機械は、一般的な旋盤のように角度指令がなく、ホイール本体１０を連続回転させながらバイトをＸ／Ｚ軸の２次元で動かす加工とは異なる。また、加工機械は、ＡＴＣ（自動工具交換装置）を備え、自動交換でバイト工具９の取り付けが行われるものでもよい。この場合、同一の加工機械でホイール本体１０の外形の粗削り加工や穴加工等は通常の回転工具での加工を行っておくことができ、複数の機械を使用することなく、車両用ホイール１を効率的かつ経済的に製造することができる。

そして、加工機械を作動させ、予め入力されたホイール本体１０における意匠面の３次元形状データに基づいて、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）により超精密にバイト工具９を位置制御しながら移動させて意匠面の３次元形状面の母材金属を露出させるように切削加工を行う。このとき、バイト工具９の刃先をホイール本体１０における意匠面の３次元形状面に接触させた状態で、３次元形状面に対してスクイ面が工具進行方向を向くようにバイト工具９の向きを変更させつつ３次元形状面に倣ってバイト工具９を３次元的かつ連続的に精密（例えば、μｍ単位の精度）に相対移動させる３次元連続切削加工を行う。この３次元連続切削加工の際、バイト工具９は、３次元形状面に倣って移動するように、３次元形状面の凹凸や隣り合う２面間の凸角などの３次元形状に刃先の位置を連続的に合わせるように位置制御される。また、バイト工具９は、スクイ面が工具進行方向を向くように、３次元形状面に対して一定範囲にスクイ面を保持させながら、スクイ面の向きと加工線の向きを連続的に合わせるように位置制御される。

この３次元連続切削加工により意匠面の３次元形状面の加工範囲においてバイト工具９を同一ピッチで同一方向に移動させ、バイト工具９の移動軌跡による線状の浅い加工溝８１を１本ずつ形成していく。これにより、３次元形状面の加工範囲には、バイト工具９の移動軌跡により複数の加工溝８１が同一方向に延びて平行且つ等間隔に精密に形成され、母材金属の露出した鏡面光沢面８が自動的に形成される。

このように鏡面光沢面８は、複数の浅い加工溝８１が同一方向に延びて平行且つ等間隔に精密に配列されている。複数の加工溝８１の配列パターンは、ディスク部３の径方向に延びる縦稿型のパターン（図３（a）参照）、ディスク部３の周方向に延びる横縞型のパターン（図３（b）参照）、斜め方向に延びる斜め縞型のパターン（不図示）等のように、様々なパターンとすることができる。また、各加工溝８１の間隔も任意に設定できる。

鏡面光沢面８を形成した後、着色面７及び鏡面光沢面８の保護ないしカバーリング等のために意匠面全体に無色又は有色のクリア塗料を塗装して無色透明又は有色透明のクリア層を形成する。これにて意匠面の３次元形状面に着色面７と鏡面光沢面８とを形成した車両用ホイール１が製造される。

以上の鏡面光沢面８の形成方法によれば、バイト工具９による３次元連続切削加工を施した加工溝８１内には工具送り方向に対して交差方向に切削目が残らない平滑な加工面に仕上げることができ、パフ研磨を不要とし、高い反射率を有する加工面を形成することができる。この加工面により形成される鏡面光沢面８は、反射率が高く、パフ研磨では得られなかった高い金属光沢性を有し、鏡のような面となる。しかも、この鏡面光沢面８を旋盤加工では形成できない意匠面の３次元形状面に対して連続して形成することができる。従って、３次元形状面である意匠面を様々な方向から眺めてもそこに有する鏡面光沢面８が全体的に又は部分的に鏡のように輝いて見えるようになり、その結果、金属光沢感が格段に高く意匠性に優れた車両用ホイール１を提供することができる。

また、鏡面光沢面８は、複数の加工溝８１が同一方向に延びて平行且つ等間隔に精密（例えば、μｍ単位）に配列された加工面とするので、３次元形状の鏡面光沢面８をどの方向から眺めても高い金属光沢感を出現することができる。つまり、３次元形状面において加工溝８１が長さ方向に湾曲する箇所では加工溝８１の長さ方向に対しても光反射させることができ、また、加工溝８１が３次元形状面の湾曲する方向に複数並べられている箇所ではそれら加工溝８１の配列方向に沿って光反射させることができる。従って、鏡面光沢面８が光って見える範囲を広範囲とすることができる。

また、複数の加工溝８１を平行且つ等間隔に配列するので、各加工溝８１の間隔を狭くすれば、加工溝８１の長さ方向に延びる加工軌跡線（加工溝８１の両幅に残る側壁部分）の高さを低くでき（例えば、平均高さ１μｍ以下）、表面粗さがより小さくなって反射率を更に高くすることができ、鏡面光沢面８の鏡面度合いを更に向上することができる。また、各加工溝８１の間隔を狭くしない場合でも加工溝８１をなるべく浅く形成することで加工溝８１による加工軌跡線の高さを低くでき（例えば、平均高さ１μｍ以下）、表面粗さを小さくし反射率を更に高くすることができる。

以上の効果を検証するため、本発明方法の３次元連続切削加工による加工面（鏡面光沢面８）、これとの対比としてバフ研磨仕上げの研磨面及びボールエンドミルによる加工面について、それぞれ５０倍に拡大して観察した。

バフ研磨面は、図４（a）の拡大写真に示すように、バフの回転によりランダムな方向に研磨痕が無数に形成されており、全体的に白く濁った光沢性に劣る面となっていた。ボールエンドミルの加工面は、図４（b）の拡大写真に示すように、ボールエンドミルで形成した多数の加工溝内には、多刃の回転刃による切削目が工具送り方向に対して交差方向に多数形成されており、全体的に白みを帯びた光沢性に劣る面となっていた。これに対して、本発明方法の３次元連続切削加工による加工面は、図４（c）の拡大写真に示すように、バイト工具９で形成した多数の加工溝８１内には、工具送り方向に対して交差方向に切削目が残らず平滑に仕上げられており、また、加工面は全体的に鏡のように輝いて光沢性に優れた面となっていることが確認された。

また、本発明方法の３次元連続切削加工を施したスポーク天面５１における鏡面光沢面８の正反射率（入射角６０°）を、クリア層の未塗装の場合、、クリア層をその厚さを変えて形成した場合について、測定機（堀場製作所製の高光沢グロスチェッカーＩＧ−４１０）にて測定した。対比として、バフ研磨後にクリア層を形成した市販品（ＢＭＷＭ５、Ｍ６のシリーズに装備するＦＵＣＨＳ社製の車両用ホイール）のスポーク天面における光輝面の正反射率（入射角６０°）についても前記の測定機にて測定した。

その結果、前記市販品（バフ研磨＋クリア層）では、正反射率は３９.１％であった。これに対して、本発明方法による鏡面光沢面８では、正反射率は、クリア未塗装が７３.６％であり、クリア層をそれぞれ２０±５μｍ厚、３５±５μｍ厚、４５±５μｍ厚に形成した場合の正反射率は、それぞれ６９.０％、６８.９％、７０.６％であり、前記市販品と比べて高い反射率を有していた。これより、本発明方法による鏡面光沢面８は、クリア層を形成した場合でも正反射率が６８％以上有し、バフ研磨にクリア層を形成した市販品と比べて格段に高い正反射率を有し、鏡のような高い金属光沢性を有することが確認された。また、本発明方法による鏡面光沢面８は、クリア層を形成した場合でも、クリア未塗装の場合と比べて正反射率が大きく低下することなく、依然として鏡のような高い金属光沢性を保持できることも確認された。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載及びその均等の範囲内で様々な変更を施すことが可能である。

１車両用ホイール
２リム部
３ディスク部
４ハブ取付部
５スポーク
６飾り穴
７着色面
８鏡面光沢面
９バイト工具
１０ホイール本体
２１円筒部
２２リムフランジ
２３内側面
４１ハブ穴
５１天面
５２側面
８１加工溝

Claims

意匠面の３次元形状面に母材金属の金属光沢が外観される面を形成する工程を含み、前記工程後に無色クリア又はカラークリアの塗料を塗装して意匠面にクリア層を形成する車両用ホイールの製造方法であって、
前記工程は、ホイール本体を回転軸回りに回転させないように固定し、バイト工具の刃先を前記ホイール本体における意匠面の３次元形状面に接触させた状態で、前記３次元形状面に対してスクイ面が工具進行方向を向くように前記バイト工具の向きを変更させつつ前記３次元形状面に倣って前記バイト工具を３次元的かつ連続的に相対移動させて３次元連続切削加工を施し、前記３次元形状面において母材金属が露出し金属光沢性の高い加工面に仕上げた鏡面光沢面を自動的に形成し、
前記バイト工具は、刃先がＲ形状であり、この刃先のＲ半径が前記３次元形状面の加工範囲の最小Ｒ半径以下のものを使用し、
前記３次元連続切削加工に使用する加工機械は、４軸以上の軸制御ができ且つ前記３次元形状面の３次元形状データに基づいてコンピュータ数値制御できるものを使用し、
前記３次元連続切削加工では、前記バイト工具をμｍ単位で超精密に位置制御しながら移動させて前記バイト工具の移動軌跡による線状の加工溝を形成して、前記加工溝内には工具送り方向に対して交差方向に切削目が残らない平滑な加工面に仕上げられ、
前記鏡面光沢面は、前記の複数の加工溝が同一方向に延びて平行且つ等間隔に配列され、この鏡面光沢面上に１５μｍ厚〜５０μｍ厚の前記クリア層を形成して入射角６０°の正反射率が６８％以上の高い金属光沢性を有する面とされている車両用ホイールの製造方法。
請求項１に記載の車両用ホイールの製造方法において、
前記鏡面光沢面は、スポークの天面、スポークの側面、リム部の内周面、及びリムフランジの内周面のうちの少なくとも隣接する２面に連続して形成する車両用ホイールの製造方法。
請求項１又は２に記載の車両用ホイールの製造方法において、
前記意匠面は、スポークの天面が一方の側面側にひねられたひねり面を有し、このひねり面に前記鏡面光沢面を形成する車両用ホイールの製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用ホイールの製造方法において、
前記鏡面光沢面は、カラー塗装された着色面の一部に形成する車両用ホイールの製造方法。