KR101153083B1 - 휠의 제조 방법과 그 휠 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휠의 제조 방법과 그 휠에 관한 것으로서, 단조법에 의해 대직경의 디스크를 갖는 경합금제 휠을 소규모의 프레스기를 이용하여 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 완성시에 디스크 및 림이 되는 원반 부분(3b)과 두꺼운 원통부(3c)를 구비한 주조 또는 단조제의 중간 제품(3)을 소성 변형시키기 쉬운 온도로 가열한 후, 소정의 각도마다 정지하도록 회전시키고, 정지시에 상기 디스크가 되는 부분의 적어도 일부를 금형으로 눌러 하부 금형의 오목부(2a)로 소재를 눌러 구멍(4)을 부가하고, 이 조작을 반복하여 차례로 실시함으로써 상기 디스크가 되는 원반부의 전체에 모양을 부가한 후, 디스크 및 림부의 프레스 성형과 마무리 가공을 실시하는 것을 특징으로 한다.

Description

휠의 제조 방법과 그 휠{METHOD OF PRODUCING WHEEL AND THE WHEEL}

본 발명은 경금속제 차량용 휠의 제조 방법과 그 휠에 관한 것이다.

승용차에 적합하게 이용되는 경금속제 휠은 스프링 하부 하중의 경감에 큰 효과를 보여 조종성(操縱性)이 향상되고, 연비의 개선을 가져오고 있다. 또한, 제조 방법으로서는 주조법 또는 단조법에 의해 제조되어 의장성이 우수한 휠이 제공되어 있다. 보다 경량이고 디자인성이 우수한 휠을 요구하여 현재는 승용차의 경합금제 휠의 장착률은 60%를 초과한다고 일컬어지고 있다. 승용차의 고속화에 따라 브레이크 시스템의 대형화와 휠의 대직경화가 요구되고, 디스크의 직경은 해마다 커져 이미 17인치를 초과하는 추세이다.

경합금제 휠의 소재는 주로 알루미늄 또는 마그네슘이 이용되지만, 치밀한 금속 조직을 얻어 강성을 높이기 위해 단조법이 바람직하게 이용된다.

본원 발명에 따른 단조법에 관한 선행 기술로서는 일본 특허공개공보 소60-127040호를 예로 들 수 있다. 이 특허 문헌에 기재된 발명은 두꺼운 외부 둘레 테두리를 구비한 디스크 형상으로 단조하는 공정과, 상기 성형재를 소요 형상의 에지부 및 오목한 구멍 형상으로 장출 형성된 소요 창구멍부를 구비한 디스크부, 또는 상기 디스크부와 일체로 연속되는 링부를 단조 성형하는 공정과, 상기 성형재의 오 목한 구멍 형상으로 장출된 창구멍부의 바닥을 절삭 제거함으로써 창구멍을 개구하는 공정과, 상기 개구된 창구멍의 내부 둘레 테두리의 모따기를 실시하는 공정으로 이루어진 알루미늄 휠의 제조 방법이다.

그러나, 디스크의 직경이 18인치 정도 미만이면 8000톤급 프레스기로 디스크 전체면을 누르는 것이 가능하지만, 18인치 보다 큰 직경의 디스크면을 충분히 누르는 것은 곤란하며, 1만톤 전후의 프레스기가 필요하다.

소규모의 프레스기를 이용하여 큰 면적을 갖는 부재를 단조 성형하는 방법으로서는 부분 단조법이 있고, 간단한 형상의 원반을 성형하는 방법으로서는 일본 특공소58-12092호에 기재된 방법을 예로 들 수 있다. 이 특허 문헌에 기재된 방법은 실을 정경(整經)할 때 이용하는 빔 플랜지를 단조하는 방법이며, 소재의 일부를 차례대로 누르는 것으로 큰 프레스기를 필요로 하지 않고, 상부 금형을 적절히 변경하여 서서히 원반을 크게 하는 방법으로서, 플랜지의 직경을 30인치 이상으로 형성할 수 있지만, 소재를 눌러 연신시키는 과정에서 소재는 원둘레 방향과 함께 반경 방향으로도 연신하므로 패턴을 형성할 수 없다.

부분 단조의 다른 방법으로는 회전 단조법이 있고, 다수의 선행 기술이 제안되어 있지만, 기본적으로는 원추면을 갖는 금형의 회전축을 경사지게 하여 원추면을 피성형물에 접촉시키고, 누르면서 원둘레 방향으로 순차 성형하는 방법이고, 대표적인 방법이 일본 특허공개공보 평6-154932호 및 일본 특허공개공보 평6-285575호에 기재되어 있다.

전자는 원반 형상의 디스크 상당부의 외부둘레에 고리 형상으로 융기한 림 상당부를 구비한 소재를 피가공 소재로 하고, 디스크 외면을 성형하는 하부 금형과 내면을 성형하는 상부 금형으로 피가공 소재를 압축하면서 회전시키고, 성형 롤러를 디스크 외부둘레의 융기된 림 상당부에 접촉시켜 일체형 휠을 완성시키는 방법이다. 또한, 후자는 상하 금형에 원둘레상에 일정한 진폭으로 교대로 오목부와 볼록부를 형성한 쌍을 이루는 상부 틀과 하부 틀을 사용하고, 최초로 1 군데의 오목부와 볼록부를 합치시켜 누르고, 이를 기점으로 하여 금형을 회전시키면서 단조를 실시하고 있다. 이와 같은 회전 단조법에서는 피가공 소재는 외부둘레 방향으로 재료의 이동이 실시되므로, 방사상으로 연신되는 디스크 패턴은 성형 가능하지만 복잡한 패턴은 성형이 곤란하다고 생각된다.

(발명이 해결하고자 하는 과제)

본 발명은 상기 사정을 고려하여 이루어진 것으로서, 단조법에 의해 대직경의 디스크를 갖는 경합금제 휠을 소규모의 프레스기를 이용하여 단조하는 방법을 제공하는 것이다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명은 경금속제 차량용 휠의 제조 과정에 있어서, 완성 시에 디스크 및 림이 되는 부분을 구비한 주조 또는 단조제의 중간 제품을 소성 온도로 가열하고, 소정의 각도마다 정지하도록 회전시키고, 정지시에 상기 디스크가 되는 부분의 적어도 일부를 금형으로 눌러 모양을 부가하고, 이 조작을 반복 실시함으로써 상기 디스크가 되는 부분의 전체에 모양을 형성하고, 디스크 및 림부의 프레스 성형과 마무리 가공을 실시하는 것을 특징으로 한다.

여기서 말하는 소성 온도는 소재가 가압에 의해 소성 변형되기 쉬운 온도이며, 알루미늄이나 마그네슘 등의 경금속 소재에서는 420℃ 내지 450℃가 바람직한 범위이다. 또한, 휠의 호칭 직경이 18인치 이상이 되는 경우, 디스크의 직경은 대략 17인치 이상이 되지만, 이와 같은 직경의 디스크 전체를 가압하여 단조하고, 동시에 패턴을 형성하는데는 8000톤급의 프레스기가 필요해지고 있다. 그러나, 이와 같은 대형 프레스기는 고가이며, 설치하는데도 그만한 장소를 준비하는 것이 필요하므로, 보다 소규모의 프레스기를 이용하여 대직경의 디스크를 제조할 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 정지시의 누름 면적이 좁은 경우와 넓은 경우에 따라서 다르지만, 전술한 프레스기에 대해 비교적 소규모인 예를 들면 1000톤 내지 4000톤급 프레스기를 이용하여 부분적으로 단조를 실시하는 것으로 대형의 디스크를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 중간 제품은 빌릿(billet)을 누르고, 우선 중심부에 허브가 되는 볼록 형상부와 그 외부 둘레에 원반을 형성하고, 그 둘레 테두리에는 림이 되는 두꺼운 원통부를 구비하고 있다. 이와 같은 중간 제품은 원반부에 패턴을 형성하지 않으므로 금형을 변경하면서 순차 연신하는 것만으로 성형 가능하며, 소규모의 프레스기로 제조할 수 있다.

주조품의 경우는 상기 중간 제품을 성형하여 이용한다. 프레스기는 통상 종방향으로 추력을 작용시키도록 하고 있으므로, 추력을 부여하는 측의 금형을 상부 금형으로 하고, 다른쪽 금형을 하부 금형이라고 기재한다.

직경 17인치의 원반부는 1300 내지 1600 ㎠가 되므로 패턴을 프레스 성형하는 경우, 1 ㎠ 당 약 4 톤의 가압력이 필요하고, 개산(槪算)이지만 6000톤급의 프레스기가 필요하다. 3000톤급의 프레스기에서는 프레스 압력이 부족하므로 원반 전체를 가압하여 패턴을 형성할 수 없으므로 부분 단조를 실시한다.

휠의 디스크부의 디자인은 구멍을 형성하여 실시하지만, 회전 밸런스를 취하기 위해 동일한 형상의 구멍이 등간격으로 배치되고, 그 간격이 부분 단조의 1 피치가 된다. 상부 금형에는 구멍의 형상을 볼록한 형상으로 형성한 볼록부를 한 부분 또는 복수 부분에 설치하도록 하고, 프레스 압력에 여유가 있는 한 복수 부분에 볼록부를 형성한다. 그러나, 자유 단조가 되어 소재의 유동이 생기므로 하부 금형에는 상기 볼록부에 대응하는 위치에 오목부 또는 구멍을 설치한다.

또한, 하부 금형은 중간 제품이 자유롭게 회전하지 않도록 두꺼운 원통부를 외부에서 억제하는 고정식(fixing up) 형태로 한다. 하부 금형은 회전 각도를 지시하는 제어부를 구비하며, 패턴의 1 피치마다 회전과 정지를 반복하도록 하고, 정지했을 때 상부 금형을 강하시킨다. 따라서, 상부 금형에서 가압할 때 압출되는 소재 부분은 하부 방향으로 이동된다.

상부 금형은 패턴의 1 피치보다 약간 넓은 면적을 누르도록 하여 소재를 전부 누른다. 상부 금형의 교환은 상기 일본 특공소58-12092호에 개시되어 있는 수평 방향으로 복수의 상부 금형이 슬라이드 가능하게 고정되어 있는 것이 바람직하다. 본 장치의 구성에 대해 상세하게는 후술한다.

부분 단조로 원반부에 패턴을 구성하는 구멍을 성형하는 경우, 눌려진 부분의 소재가 그 주위로 연신되는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 구멍의 개구부 둘레에 접촉하는 금형의 볼록부의 능선을 형성하는 형상은 곡면 형상 또는 90도를 포함한 예각 형상으로 구성한다.

일례로서 스포크(spoke)를 성형하는 부분은 상기 볼록부의 능선을 곡면 형상으로 하고, 약간이지만 소재의 솟아오름(bulging)을 실시하여 단조 표면(face)을 남기도록 한다. 상기 구멍의 림에 접촉하는 측에는 림과 스포크가 접합하는 부분 이외의 부분에 형성되는 바닥이 있는 압입 자국부가 설치되고, 압입 자국부의 벽면의 일부에 에어 밸브가 부착된다.

따라서, 관통하는 구멍을 형성하는 경우, 구멍을 성형한 부분의 소재가 림측으로 흐르지 않도록 하기 위해 일부에 예각 형상의 능선을 구성한 볼록부를 갖는 상부 금형을 이용한다. 또한, 상기 바닥이 있는 압입 자국부를 성형하는 금형은 림측에 소재의 흐름이 생기지 않도록 일부에 예각으로 교차하지만 교점에 곡면을 구성한 볼록부를 갖는 상부 금형을 이용하여 관통하는 구멍측에 소재를 누르도록 하지만, 최종 단계에서 완성 형상에 합치하는 금형을 이용하여 성형한다.

이와 같이, 패턴을 구성하는 구멍을 성형하는 경우, 2 종류 내지 3 종류의 금형을 사용하지만, 금형의 교환은 프레스기의 누름측의 단부에 레일을 설치하여 기에 금형을 매달아 설치하고, 적절히 교환하는 것으로 금형 교환 시간을 단축한다. 상기 프레스기에 대해서는 실시예에 의해 상세하게 기재한다. 그리고, 상부 금형의 예각 형상으로 구성된 볼록부 능선부가 누르는 부분에 대응하는 하부 금형의 오목부 또는 구멍의 개구 부분의 능선은 동일하게 예각 형상으로 구성하고, 소재를 전단하도록 작용시킨다.

원반부에 패턴을 형성한 중간 제품은 원반부의 둘레 테두리에 설치된 두꺼운 원통부에 스피닝법에 의해 림을 형성한다. 그 수법은 본 특허 출원인이 이미 취득한 일본 특허 제1769730호에 개시되어 있는 바와 같이, 형성된 패턴의 구멍 형상에 합치한 요철면을 갖는 맨드릴에 의해 구멍을 설치한 원반부를 끼우면서 회전시키고, 롤러를 압접(壓接)시켜 림을 소정 형상으로 성형한다.

이와 같이 하여 휠 단조용 프레스기에 대해 소규모의 프레스기에 의해 임의의 패턴이 형성된 직경이 17인치 이상의 디스크를 구비한 경합금제 휠이 완성된다.

상기 수단에서는 중간 제품의 디스크가 되는 부분에 모양을 형성하는 구멍을 뚫고 있지만, 상기 구멍의 개구 면적보다 약간 작은 개구 면적을 갖는 캐칭 구멍(catching hole)을 설치하고, 상기 캐칭 구멍에 하부 틀에 설치한 볼록부를 끼우고, 림이 되는 부분과 디스크가 되는 부분을 밀봉 프레스 성형하는 것도 가능하다.

도 3에 도시한 Y자형 스포크를 형성한 휠을 참조하면 통상 호칭 직경이 18인치인 경우, 그 직경은 비드 시트부의 직경을 가리키며, 외부 림의 최외 직경은 498 mm 정도가 되므로 정면도를 평면적으로 본 경우의 면적은 1947 ㎠이며, 관통하는 디스크부의 구멍의 개구 면적은 713 ㎠이므로 개구율은 713/1947=36.6%가 된다.

이 구멍의 각 변에서 5 mm 정도 작은 구멍을 캐칭 구멍으로 한 경우의 개구 면적은 490 ㎠이고, 개구율은 490/1947=25.2%이다. 경합금 소재를 밀봉형 단조하는 경우의 소요 프레스압(누르는 힘)은 종래의 실적값을 참조한 경우에 기준으로서 4톤/㎠은 필요하며, 상기 정면도를 평면적으로 본 경우의 면적에 4 톤을 곱하면 7788톤이 된다. 8000톤 프레스기가 필요하게 된다. 따라서, 상기 캐칭 구멍을 설치한 경우의 소요 프레스압은 25% 경감되지만, 그래도 6000 톤급의 프레스가 필요하다. 바꿔 말하면, 18인치 휠을 6000톤급의 프레스기로 프레스 성형, 즉 단조할 수 있게 된다.

본 발명에서는 하부 금형에 설치한 볼록부를 캐칭 구멍에 끼우고, 3000톤급의 프레스기를 이용하여 밀봉형 단조를 실시하지만, 림부와 디스크부의 전체 면을 누르는 최종 장면에서는 분할된 상부 금형을 이용하여 부분 단조를 실시하고 있다.

단, 디스크 모양의 구멍의 크기에 좌우되지만, 휠 경량화를 위해서는 구멍은 유효한 방법이며, 상기 개구율 25%는 오히려 적을지도 모른다. 캐칭 구멍에 상당하는 중량은 최종 제품의 중량에 포함되지 않으므로 경금속 소재의 소요량이 많아지는 것은 부정하지 않지만, 구멍을 뚫은 소재는 재이용할 수 있다.

도 1a, 도 1b, 도 1c는 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 금형과 휠의 중간 제품을 도시한 종단면도로서, 도 1a는 상부 금형이 중간 제품의 위쪽에 있는 상태를 도시하고, 도 1b는 상부 금형이 강하하여 원반부에 구멍을 압출하는 상태를 도시하고, 도 1c는 구멍 가공 후의 중간 제품을 도시한 도면,

도 2a, 도 2b는 도 1의 상부 금형과 휠과의 위치 관계를 도시한 사시도로서, 도 2a는 상부 금형을 아래쪽에서 본 상태이고, 도 2b는 휠을 도시한 도면,

도 3은 도 1의 휠 부분 단조의 범위를 도시한 설명도,

도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d는 도 3의 압입 자국부의 성형 요령을 도시한 도면으로서, 도 4a는 압입 자국부를 성형하는 범위를 도시한 설명도, 도 4b 및 도 4c는 성형 공정을 도시한 단면도, 도 4d는 완성된 압입 자국부의 단면도이다.

도 5는 캐칭 구멍을 설치한 본 발명의 다른 실시 태양을 도시한 설명도,

도 6은 스피닝 가공에 의한 림의 성형 상태를 도시한 단면도,

도 7은 실시예 2의 캐칭 구멍을 설치한 휠 원부재의 일부 정면도,

도 8a, 도 8b, 도 8c, 도 8d는 실시예 2의 휠 성형 공정을 도시한 단면도로서, 도 8a는 휠 원부재를 도시한 도면, 도 8b는 캐칭 구멍 가공을 실시한 상태를 도시한 도면, 도 8c는 프레스 공정의 모식 단면 설명도, 도 8d는 프레스 성형 후의 중간 부재를 도시한 도면,

도 9a, 도 9b, 도 9c, 도 9d는 실시예 2의 단조 상태를 도시한 설명도로서, 도 9a는 캐칭 구멍을 설치한 휠 원부재의 일부 정면도를 도시하고, 도 9b 내지 도 9d는 도 9a의 A-A' 화살표 단면도로서 프레스 성형 과정을 도시한 도면, 및

도 10은 본 발명의 각 실시예의 상부 금형의 교환 방법을 설명하는 프레스기의 측면도이다.

중심부에 허브가 되는 볼록부와 이것의 외부 둘레에 원반을 형성하고, 그 둘레 테두리에는 림이 되는 두꺼운 원통부를 일체로 구비한 중간 제품을 출발 부재로 하고, 상기 원반에 볼록부를 설치한 금형을 부분적으로 차례대로 누르고, 눌려진 부분의 소재를 펀칭하여 패턴을 형성하고, 상기 두꺼운 원통부를 스피닝 가공하여 직경이 17인치 이상인 디스크를 구비한 휠을 실현하였다.

실시예 1

도 1a는 본 발명의 회전 단조에 이용하는 금형과 중간 제품을 도시한 모식 종단면도이다. 도면 부호 “1”은 상부 금형이고 수직 방향으로 상하 운동을 실시한다. “2”는 하부 금형으로서, 도시하지 않은 구동 장치에 의해 회전하는 베드(bed)(39)상에 설치되어 있고, 소정의 각도를 회전하여 정지하는 운동을 반복하도록 회동 제어된다. “3”은 알루미늄, 마그네슘 등의 경합금제의 중간 제품이고, 중심부에 허브가 되는 볼록부(3a)와 그 외부 둘레에 원반부(3b) 및 그 둘레 테두리에 림이 되는 두꺼운 원통부(3c)를 구비하고 있다. 도시하지 않지만, 중간 제품과 금형의 주위를 버너로 가열하여 소성 변형하기 쉬운 420℃ 내지 450℃로 유지한다. 상부 금형(1)에는 볼록부(1a)가 설치되어 하부 방향으로 소정 길이 강하되고, 상기 원반부(3b)를 눌러 구멍 또는 압입 자국부에 의해 디스크 패턴을 형성한다.

도 1b는 상부 금형(1)이 강하하여 볼록부(1a)가 원반부(3b)를 펀칭하는 상태를 도시한 모식 종단면도이다. 펀칭된 소재는 하부 금형(2)에 설치된 오목부(2a)로 이동한다. 오목부(2a)는 파선으로 나타내는 구멍이라도 좋다. 볼록부(1a)가 원반부(3b)를 1 회의 누름으로 압출하는 깊이는 2 mm 내지 5 mm 정도이고, 상부 금형이 후퇴한 후 하부 금형은 디스크 패턴의 1 피치만 회동하여 정지하고, 다시 상부 금형이 강하하여 소정의 깊이로 원반부의 일부를 압출한다. 이 조작을 반복 실시하고, 소재가 압출된 부분은 구멍이 되어 디스크 패턴을 형성한다. 도 1c는 원반부에 구멍(4)을 설치한 중간 제품(3')의 종단면도이다.

도 2b에 예시한 휠(6)의 디스크(5) 패턴을 형성하는 부분을 누르는 볼록부(1a, 1b)는 1군데에만 한정되지 않고 사용하는 프레스기의 허용 압력에 여유가 있으면 복수 부분을 눌러도 좋다. 반대로 누르는 능력이 부족하여 1 회에 소정의 패턴을 형성할 수 없는 경우는 복수 종류의 금형을 차례로 교환하면서 눌러 서서히 패턴을 명확화할 수도 있다.

도 2a는 상부 금형(1)을 아래쪽에서 본 사시도를 도시하며, 인접하는 다른 2 개의 패턴을 중심 회전 대칭 위치에 한쌍 설치한 것으로서, 원반부를 가압할 때 밸런스가 취해지기 쉬워 가공 효율이 배로 증가한다.

상부 금형(1)의 볼록부(1a)에 대응하는 디스크(5)의 구멍은 구멍 "4a"이고, 마찬가지로 1b에 대응하는 구멍은 구멍 "4b"이다. 디스크(5)의 전체, 즉 원반(3b)의 전체를 눌러 패턴을 형성하는 단조법과는 달리 패턴의 1 피치마다 조금씩 누르므로 스포크(7)(도 2b 참조)는 약간 솟아오르는 것 밖에 기대할 수 없고, 원반의 두께가 거의 스포크의 두께가 되지만 스포크의 상부면에는 단조 표면의 빌릿을 형성할 수 있다. 도 1a에 도시한 중간 제품(3)은 주조 또는 단조에 의해 제조되지만, 단조제가 금속 조직의 밀도가 높으므로 기계 강도가 높고, 원반의 두께를 보다 얇게 할 수 있다. 원반부에 구멍을 형성한 후 그 내면측을 절삭 가공하여 디스크가 완성된다.

경합금제 휠의 디스크는 일반적으로 스포크를 형성하기 위해 스포크 이외의 부분에 구멍을 뚫고 있으므로 부분 단조법으로 디스크를 성형하는 경우의 금형으로 누르는 범위는 도 3에 예시한 2 종류로 크게 구분할 수 있다. 디스크(5)는 Y자형 스포크(7)와 구멍(4a, 4b)으로 이루어지고, 스포크와 림(8)의 접합부에 바닥이 있는 압입 자국부(9a, 9b)가 형성되어 있다. 상기 도면 중 B로 나타내는 범위는 해칭으로 나타내는 구멍(4a)과 구멍(4b)의 절반 2 군데가 누르는 범위이다. 이 경우는 스포크가 양측에서 끼워지게 되고, 약간이지만 소재가 솟아올라 단조 표면을 형성할 수 있다. 해칭부는 구멍이 성형되므로 가는 스포크에 대해 바람직하다.

C로 나타내는 범위는 스포크(7a)는 양측에서 끼워지지만, 7b는 자유롭게 되어 있다. 이 경우는 누름에 의한 소재의 이동을 적게 하기 위해, 1 회의 프레스에 의한 소재의 누름 깊이를 적게 하여 스포크의 변형을 방지하거나 거의 수직으로 펀칭하도록 금형 볼록부의 형상을 설정한다.

예시한 도면과는 다른, 예를 들면 5개 스포크와 같은 스포크 자체의 폭이 큰 경우는 1 회의 누름 깊이를 깊게 해도 스포크의 변형의 정도는 적다. 이와 같이 하부 금형을 소정의 각도 회전시켜 차례로 누르므로 1 회의 누름 깊이는 2 mm 내지 5 mm가 적절하고, 스포크의 형상에 따라 적절히 선택된다. 상부 금형의 누르는 범위는 상기 B 또는 C로 나타내는 범위보다 약간 넓게 하여 복수회의 누름에 의한 금형의 경계에서의 소재의 치우침없이 누르도록 한다.

상기 스포크(7)와 림(8)의 접합부에 설치되는 바닥이 있는 압입 자국부(9a, 9b)의 성형의 요령을 도 4a 내지 도 4d를 이용하여 설명한다. 도 4a는 완성된 디스크(5)의 일부를 도시한 정면도이며, 구멍(4a, 4b)은 이미 뚫어져 있다. 프레스에 의한 누름 범위는 D로 나타내는 범위이고, 완성 상태의 일부 단면을 도 4d에 도시한다. 압입 자국부(9a, 9b)를 성형할 때의 소재의 형상은 구멍(4a, 4b)을 펀칭 한 나머지 부분(9)이며, 성형 완료시의 압입 자국부의 바닥부(10)는 테이퍼면을 형성하여 구멍측으로 경사지게 하고 있다.

따라서, 나머지 부분(9)의 소재는 구멍(4a, 4b)측으로 이동시킬 필요가 있다. 따라서, 도 4b에 도시한 볼록부(11a)를 구비한 상부 금형(11)으로 복수회 누르고, 소재를 구멍(4a, 4b)측으로 밀어내고, 도 4c에 도시한 단면 형상으로 변형시킨다. 계속해서, 볼록부(12a)를 구비한 상부 금형(12)을 이용하여 누르는 것으로, 도 4d에 도시한 압입 자국부(9a, 9b)가 형성되고, 동시에 스포크(7)가 림(8a)에 접합되는 부분이 완성된다.

스포크와 디스크가 접합하는 부분의 단면 형상은 여러 가지 있고, 상기 압입 자국부의 경사면은 디스크의 직경을 크게 보이게 하는 효과와 접합부 및 림의 강도를 향상시키는 구조로 되어 있고, 휠 완성 시에는 에어 밸브를 장착하는 면이 된다. 또한, 2 피스 휠은 림과 디스크를 체결하는 패스너 볼트의 장착면에 이용된다. 스포크와 디스크의 접합부의 형상은 반드시 본 실시예와 같은 형상에 한정되지 않고 에어 밸브를 장착하는 면을 외부 림에 설치하는 경우도 있고, 단면 형상도 다르게 되어 있다.

상기한 바와 같이, 디스크 패턴을 형성하는 구멍은 부분 단조에 의해 조금씩 압출되어 구멍이 개구되지만, 패턴의 형상에 따라서는 펀칭 가공으로 한번에 개구를 형성하는 것도 가능하다. 그러나, 펀칭 가공에 의해 개구를 형성할 경우는 스포크의 상면에 빌릿이 형성되지 않으므로 디버링(deburring)이나 모따기 등의 마무리 가공을 실시할 필요가 있다.

펀칭에 의해 구멍을 형성하는 다른 이용법으로서, 도 5에 해칭으로 나타내는 캐칭 구멍(13a, 13b)을 미리 설치한다. 부분 단조의 경우, 금형의 볼록부가 원반부를 압출시킬 때 누르는 부분의 소재가 변형될 때의 저항에 의해 소재를 주위로 약간이지만 무리하게 넓히는 경향이 있으므로 이를 방지하기 위해 소정 구멍의 개구 면적보다 작은 개구 면적을 갖는 캐칭 구멍을 미리 펀칭기로 가공하고, 그 후 상부 금형의 볼록부를 접촉시켜 가압하면 소재는 캐칭 구멍으로 흐르기 쉬워져 디스크 패턴의 정밀도가 향상되고, 또한 금형이 누르는 추력도 적게 해결된다.

원반부로의 구멍 가공이 종료되어 디스크 패턴을 성형한 중간 제품을 하부 금형에서 취출하고, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 구멍에 적어도 일부를 끼워 맞춰지는 요철면을 갖는 맨드릴(14, 15)로 디스크를 끼우면서 회전축(17)을 중심으로 회전시키고, 두꺼운 원통부(3c)에 스피닝 롤러(16)를 눌러 스피닝 가공을 실시하여 림(8a, 8b)을 성형하여 일체형 휠을 완성시킨다.

실시예 2

본 실시예는 도 5에 의한 상기 실시예의 설명시에 캐칭 구멍(13a, 13b)을 설치하여 눌려지는 재료가 흐르기 쉬워지는 것을 설명하였지만, 상기 캐칭 구멍이 상부 금형의 누르는 힘을 경감시키는 것에 착안한 것이다.

본 실시예에서는 우선 도 8a에 도시한 휠 원부재(18)를 경금속제 빌릿에서 부분 단조에 의해 작성한다. 이 경우의 부분 단조법은 하부 금형을 소정 각도 회전시켜 정지한 후, 상부 금형을 강하시켜 빌릿의 일부를 누르는 동작을 반복하여 빌릿을 연신시키는 것이다.

휠 원부재(18)는 원반 형상이지만, 둘레 테두리부에 림부 원부재(19), 중앙에는 디스크부 원부재(20)를 형성하고 있다. 계속해서,도 8b에 도시한 바와 같이 캐칭 구멍(13a, 13b)을 펀칭하여 휠 원부재(18a)를 형성한다.

도 8c는 단조 성형에 대해 개략적으로 도시한 모식 단면도로서, 하부 금형(21)은 캐칭 구멍(13a, 13b)에 끼우는 볼록부(21a, 21b) 및 림부 원부재(19)가 눌려질 때 변형하는 부분을 받아내는 오목부(21c)를 설치하고 있다. 상부 금형(22)의 누름면에는 캐칭 구멍 주변부를 누르는 돌출부(22a), 림을 성형하는 돌출부(22b) 및 디스크 중앙의 볼트 구멍을 성형하는 돌출부(22c)가 형성되어 있다. 도 8d는 프레스 성형 후의 중간 제품(23)의 단면도로서, 프레스 성형에 대해 상세히 다음에 설명한다.

상기 구성하에 하부 금형(21)을 고정하여 상부 금형(22)을 강하시키는 것으로 밀봉 단조의 형태가 되지만, 캐칭 구멍의 면적에 상당하는 부분은 가압 대상에서 제외되므로 상부 금형의 누르는 힘은 그 만큼 경감된다.

도 7에 도시한 Y자형 스포크를 디자인한 경우, 캐칭 구멍의 총 면적은 18인치 휠 정면의 전체 면적의 25% 정도가 된다. 상부 금형이 강하하여 돌출부(22a, 22b, 22c)가 휠 원부재(18a)에 접촉하기 시작할 때는 휠 원부재의 전체면을 누르는 것이 아니라 돌출부에 대응하는 부분뿐이므로 그 누르는 면적은 매우 적고, 휠 원부재의 정면 면적의 20% 미만이다.

따라서, 휠 원부재 전체를 처음부터 밀봉 단조하여 18인치 휠 정면 형상을 완성시킬 경우에는 제조 실적을 참조하면 8000톤급의 프레스기가 필요하지만, 그 20 %의 1600톤이면 좋게 된다. 그러나, 압출되는 원재료를 소성 변형시키기 위한 에너지가 소비되므로 2000톤은 필요해진다.

또한, 상부 금형의 상기 돌출부가 소정의 강하량을 거의 마치기 전에는 이동된 원재료와 그 이동에 의해 변형된 당초의 부재 원료 전체를 누르지 않으면 안되므로 이 장면에서는 디자인된 디스크 및 림의 형상 전체를 누르지 않으면 안되고, 8000톤의 프레스 압력이 필요해진다. 그러나, 캐칭 구멍의 면적분은 경감되므로 그 25%는 누르는 힘이 경감되고, 6000톤의 프레스기가 있으면 좋게 된다.

도 9a 내지 도 9d는 본 실시예의 단조의 상태를 도시한 설명도로서, 도 9a는 캐칭 구멍을 펀칭한 휠 원부재(18a)의 일부 정면도이다. 캐칭 구멍에는 하부 금형의 볼록부(21a, 21b)가 끼워져 있고, 둘레 테두리부는 림부 원부재(19), 중앙에는 디스크부 원부재(20)를 형성하고 있다. 상부 금형의 돌출부가 누르는 부분을 해칭으로 나타낸다.

도 9b 내지 도 9d는 도 9a의 A-A' 화살표 단면도이며, 캐칭 구멍 주변부를 누르는 상부 금형의 돌출부(22a)가 디스크부 원부재(20)를 누르는 상태를 도시하고 있다. 돌출부(22a)가 강하됨에 따라 디스크부 원부재(20)는 밀봉 단조되어 서서히 솟아오르고, 도 9d에서는 돌출부는 하부 금형에 접촉하지 않고 가장자리 두께 핀(marginal-thickness fin)(20a)를 남겨 강하를 정지시킨다. 상기 가장자리 두께 핀은 단조 종료 후에 선반 가공으로 절삭 제거된다.

도 9c에서 도 9d로 이행하는 단계에서는 림부 원부재(19) 및 디스크부 원부재(20)의 상면은 완성되는 휠의 정면 형상에 접근하여 전체 면을 누르므로 누르는 힘은 6000톤 프레스가 필요해지는 것은 이미 설명하였지만, 3000톤급 프레스기를 사용하는 경우는 상부 금형이 반복되는 패턴 수에 맞춰 적절히 분할하고, 하부 금형을 소정의 각도로 회전시켜 정지(靜止) 고정한 후, 분할된 상부 금형을 강하시켜 누른다. 예를 들면, 도 9a에 도시한 부분을 누르는 4분할된 상부 금형을 회전 대칭 위치에 2 개 배치하고, 하부 금형을 45도 회전시키고, 정지 고정한 후 상부 금형을 강하시켜 누른다. 이 조작을 반복하면서 상기 도 9d의 상태로 이행한다.

이와 같은 부분 단조에서는 한번에 도 9d의 상태로 이행하지 않고, 서서히 이행시키는 것이 필요하고, 변형되는 원부재의 금속 조성의 균일성을 확보한다. 도 9b에서 도 9c의 상태로 이행할 때에는 상부 금형은 일체물을 사용하고, 도 9c에서 도 9d로 이행할 때에는 분할 금형을 사용한다.

실시예 1 및 2에서는 상부 금형을 교환하는 것이 필요하지만 상부 금형을 간단히 교환하는 방법을 도 10을 이용하여 설명한다. 프레스 장치(30)의 상하 이동하는 구동부의 하방 단부에 안내 레일(33)을 수평 방향으로 설치하고, 또한 상기 안내 레일(33)을 따라서 주행하도록 이동 롤러(34)가 설치된 장착대(35)의 하측에 여러 가지 상부 금형(31)(도면에서는 2 종류)을 장착하고, 상기 장착대(35)를 안내 레일(33)에 설치된 유압 또는 모터 등을 이용한 추력을 발생하는 구동 장치(36)에 의해 이동시켜 상부 금형(31)을 교환시키도록 되어 있다.

그리고, 프레스 장치(30)에 설치된 위치 결정 핀(37)과 장착대(35)에 설치된 제 1 걸어맞춤 오목부(38a)가 끼워 맞춰져 장착대(35)가 걸려 고정된 위치에서는 벨트(39)상에 고정된 하부 금형(32)의 상방에 제 1 상부 금형(31)이 위치하고, 또 한 위치 결정 핀(37)과 장착대(35)의 제 2 걸어맞춤 오목부(38b)가 끼워 맞춰져 장착대(35)가 걸려 고정된 위치에서는 하부 금형(32)의 상방에 제 2 상부 금형(31)이 위치하도록 되어 있다.

이와 같이 하여 상부 금형(31)을 교환시키고, 제 1 및 제 2 상부 금형(31)으로 경합금제 소재(29)를 열간 형단조시키도록 한 경우에는 상부 금형(31)의 교환을 단시간에 실시하고, 금형을 교환할 때마다 경합금 소재(29)를 재가열시킬 필요가 없고, 경합금 소재(29)의 형단조를 연속적으로 실시하게 된다.

경합금 소재는 원기둥 형상의 빌릿, 실시예 1에 기재된 중간 제품(3), 실시예 2에 기재된 휠 원부재(18a) 등이 해당한다. 베드(39)에는 소정의 각도를 수평으로 회전시켜 정지 고정하는 장치가 설치되어 있다.

본 발명의 제조 방법에 의하면 소규모의 프레스기를 이용하여 직경이 17인치 이상인 디스크에 임의의 패턴을 실시한 강성이 높은 경합금제 휠을 제공할 수 있다.

본 발명의 부분 단조법은 소규모의 프레스기로 대구경의 디스크를 성형할 수 있으므로 설비 비용이 적고 금형도 간소화할 수 있다. 또한, 디스크 패턴의 표면이 단조 표면을 형성하므로 대형의 프레스기에 의한 완전 단조품과 비교해도 손색이 없는 휠이 제공된다.

Claims (8)

1. 경금속제 차량용 휠의 제조 방법에 있어서,

   중심축에 대하여 소정 각도의 회전 대칭으로 배열되는 오목부들 또는 구멍들을 누름면에 가지며, 원고리형상의 오목부를 더 포함하는 하부 금형(2)을 준비하는 단계;

   대응하는 중심축에 대하여 어느 각도 영역에만 하나 이상의 볼록부를 누름면에 가지는 상부 금형(1)을 준비하는 단계;

   적어도 상기 휠의 허브 및 디스크에 각각 대응하는 중심부 및 원반부를 일체로 형성하도록 중간 제품을 주조 또는 단조에 의해 준비하고, 상기 주조 또는 단조에 의해 상기 휠의 림에 대응하는 두께가 두꺼운 원통부가 더 형성되며, 상기 두께가 두꺼운 원통부는 상기 중간 제품의 중심부 및 원반부와 일체로 형성되는 단계;

   상기 중간 제품을 소성 온도로 가열하는 단계;

   상기 중간 제품을 상기 하부 금형(2)에 동축상으로 유지되도록 배치하며, 상기 원통부를 상기 하부 금형(2)의 상기 원고리형상의 오목부에 넣는 단계;

   상기 상부 금형(1)이 상기 하부 금형(2)과 동축상으로 되고, 상기 상부 금형(1)의 각각의 볼록부가 상기 하부 금형(2)의 오목부들 또는 구멍들과 합치되도록, 상기 상부 금형(1)을 상기 하부 금형(2)에 대하여 위치결정하는 단계;

   상기 원반부의 일부에 하나 이상의 구멍을 뚫거나 상기 원반부의 일부를 단조하도록, 상기 상부 금형(1)을 상기 하부 금형(2)에 대하여 밀어서 상기 원반부의 일부를 프레싱하는 단계;

   상기 프레싱 후, 상기 상부 금형(1)을 상기 하부 금형(2)에 대하여 후퇴시키는 단계;

   상기 후퇴 후, 상기 상부 금형(1)에 대하여 상기 하부 금형(2)을 그 중심축 둘레에서 소정 각도 만큼 회전시키는 단계; 및

   상기 프레싱이 상기 하부 금형(2)상의 오목부들 또는 구멍들 전체에 대하여 수행될 때까지, 상기 프레싱, 후퇴 및 회전을 반복하는 단계를

   포함하는 것을 특징으로 하는 휠의 제조 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 원반부상에 구멍들을 펀칭하기 위한 상기 상부 금형(1)상의 상기 볼록부들의 능선들이, 중심축을 따른 단면에서, 90도 또는 예각을 이루는 것을 특징으로 하는 휠의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 위치결정하는 단계 전에, 상기 중간 제품의 중심축 둘레에 소정 각도의 회전대칭으로 배열되도록 상기 중간 제품의 원반부상에 캐칭 구멍을 설치하는 것을 더 포함하고;

   상기 각각의 캐칭 구멍은 상기 오목부들 또는 구멍들 중의 대응하는 하나 보다 작고, 상기 위치결정시 상기 오목부들 또는 구멍들 중의 대응하는 하나에 합치되도록 위치결정되는 것을 특징으로 하는 휠의 제조 방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   누름면에 하나 이상의 볼록부를 중심축에 대하여 어느 각도 영역에만 가지는 상부 금형(11)을 준비하는 단계;

   상기 상부 금형(11)이 상기 하부 금형(2)과 동축상으로 되고, 상기 상부 금형(11)의 각각의 볼록부가 상기 하부 금형(2)의 오목부들 또는 구멍들의 하나의 인접부와 합치되도록, 상기 상부 금형(11)을 하부 금형(2)에 대하여 위치결정하는 단계;

   상기 상부 금형(11)을 상기 하부 금형(2)에 대하여 밀어서 상기 원반부의 일부를 프레싱하는 것에 의해, 상기 하부 금형(2)의 하나 이상의 오목부들 또는 구멍들의 상기 인접부를 단조하는 단계;

   상기 프레싱 후, 상기 상부 금형(11)을 상기 하부 금형(2)에 대하여 후퇴시키는 단계;

   상기 후퇴 후, 상기 상부 금형(11)에 대하여 상기 하부 금형(2)을 그 중심축 둘레에서 소정 각도 만큼 회전시키는 단계; 및

   상기 프레싱이 상기 하부 금형(2)상의 오목부들 또는 구멍들 전체에 대하여 상기 각 인접부에서 수행될 때까지, 상기 프레싱, 후퇴 및 회전을 반복하는 단계를

   더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 상부 금형(11)의 볼록부들 중의 하나에 각각 대응하는 볼록부들을 가지는 상부 금형(12)으로 완성하여, 상기 디스크 상의 구멍들의 패턴 및 상기 휠의 림 상의 압입 자국부(9a, 9b)를 완성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠의 제조 방법.
8. 제 3 항에 있어서,

   상기 볼록부의 능선들이 90도 보다 작은 각도로 예각 형상을 이루도록, 상기 상부 금형(1)상의 각 볼록부들의 선단면이 각각 오목한 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 휠의 제조 방법.

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