JP3573338B2 - 車両用ホイールの低圧鋳造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽合金製の車両用ホイールを金型キャビティ内で低圧鋳造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のロードホイールには種々の材質、構造のものがあるが、自動車の軽量化及び外観や意匠性の向上を目的として、アルミホイールに代表される軽合金製ホイールを装着する比率が増大している。この軽合金製ホイールは、通常低圧鋳造法で製造されることが多い。即ち、低圧鋳造法では、溶湯が金型キャビティ内に低速で充填されるので、ガスの巻込み及び酸化物の発生が他の鋳造法に比べて極力抑制される。
【０００３】
一般に軽合金製ホイール３０は、図６に示すようにボルトとナットにより車軸に取付けられる厚肉のハブ部３１と厚肉部と薄肉部が混在するデザイン部３２からなるディスク部３３と、タイヤが取着される薄肉のリム部３４から構成されている。図６（ａ）において、３５はフロントフランジ部、３６はリアフランジ部、３７はリム部とディスク部が交差するクロス部、３８はリム中央部である。なお、デザイン部３２は図６（ｂ）に示すように、スポーク部３９と意匠穴３９´からなる。車両の燃費向上の点から、ホイールの形状変更による軽量化が検討されている。この場合、ハブ部及びリム部は車体やタイヤとの取回しの点から大幅な形状変更はできないので、デザイン部の形状変更（例えば意匠穴の面積を大きくすることあるいはスポーク部を薄肉化すること）による軽量化が行われているが、大幅な軽量化は極めて困難である。
【０００４】
上記ホイールを低圧鋳造で製造する場合、ハブ部３１にゲートを設け、そこから溶湯を注入し、デザイン部３２及びリム部３４と溶湯をこの順に注入する方法（センターゲート法）あるいはリム部の端部（クロス部３７）に複数（通常は２個）のゲートを設け、そこから溶湯を注入する方法（サイドゲート法）が採用されている。
センターゲート法では、溶湯充填後の凝固形態として、ゲートの押し湯効果を十分に発揮させるために、リム部、デザイン部、ハブ部の順に指向性凝固を行わせている。しかしこの鋳造方法では、デザイン部は厚肉部と薄肉部が混在した複雑形状を有するので、リム部からディスク部に向かう指向性凝固を達成することが困難である。
一方、サイドゲート法では、デザイン部自体が、凝固し易いハブ部への溶湯補給通路として機能するので、デザイン部での良好な湯流れを確保するために、デザイン部は厚肉となり、この鋳造方法でもホイール全体の大幅な軽量化は困難である。
【０００５】
上述した従来法の欠点を解消すべく、ディスク中心部（ハブ部）とリム端にそれぞれゲートを設け、これらのゲートから金型内に注湯することが提案されている（例えば特開平５−２６９５６３号、同６−２６９９２３号参照）。この鋳造方法（３ゲート法）によれば、デザイン部の厚さを薄くしてもリム部からディスク部に向かう指向性凝固を達成できるので、ホイールの大幅な軽量化が可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した３ゲート法により、軽量化ホイールは得られるが、実用上からいくつかの問題点がある。すなわち前記公報では、本来強度の点から十分に組織の微細化がなされていなければならない部位（クロス部及びフロントフランジ部）にサイドゲートが設けられているので、機械的強度が不十分となり、強度不足を補うために意図している肉厚よりも厚くする必要がある。またリム部からディスク部に向う指向性凝固を達成するために、デザイン部に冷却手段を設けることが行われるが、これのみでは必ずしも良好な指向性凝固が行われるとは限らず、鋳造欠陥が発生し易い。
【０００７】
さらに前記公報では、センターゲートの高さとサイドゲートの高さとの間に差がないので、溶湯の充填時期に差がなく、溶湯がデザイン部で合流することになる。したがって下型冷却を行い、下型表面温度が３５０℃程度の低い温度になる場合には、デザイン面に湯境不良が発生する。下型表面温度が高く湯境不良が発生しない場合でも、溶湯がデザイン面で合流するので、溶湯中に酸化物やガスが巻き込まれるおそれがある。デザイン面が切削仕様であると、この酸化物のために外観不良が発生することがある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、高強度でかつ軽量化した車両用ホイールを鋳造欠陥なく得ることができる低圧鋳造法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、リム部並びにハブ部及びデザイン部を含むディスク部とを有する車両用ホイールに対応する形状を有する金型内で車両用ホイールを低圧鋳造する方法において、ディスク部を形成するキャビティの中心部にセンターゲートを、リム部を形成するキャビティにサイドゲートを設け、かつ前記サイドゲートのキャビティ開口部をセンターゲートのキャビティ開口部よりも上方位置に具備し、各ゲートから溶湯を注入して当該キャビティに充填する、という技術的手段を採用した。
【００１０】
本発明では、３ゲート法により低圧鋳造を行うので、デザイン部の薄肉化やその組織の微細化を達成することができる。特に本発明では、センターゲートはサイドゲートのキャビティ開口部下端部よりも低い位置にあるので、センターゲートから注入された溶湯とサイドゲートから注入された溶湯はデザイン面で合流せず、もって健全なデザイン面が得られる。当然ながら前記のように湯境が最も目立つのはデザイン面であるため、サイドゲートの位置はリム端やデザイン面よりも高くすることが好ましい。デザイン面とは図６でいえばデザイン部の下側にあたるホイールの表面位置である。さらにはデザイン部全体よりもサイドゲートが高いことが好ましい。
【００１１】
また、図４（ｂ）に示すように、サイドゲートをクロス部よりも上側に設けることで、構造上サイドゲートが折り取りやすくなる。折り取る際に応力が車両用ホイールに与える影響が小さくなるので高真円度のアルミホイールを鋳造することが可能である。クロス部とはリム部とディスク部とが交差している部分を指す。
【００１２】
例えば図４（ａ）に示す鋳造方案に於いて図５（ａ）に示すようにリム部中央とクロス部との２辺でＬ字型にゲートとホイールキャビティが連結している。よってサイドゲートを座屈させて除去するには構造力学的に大きな力が必要となり、ホイールに多大な曲げ応力、せん断力がかかる。このホイールに熱処理を施すと、前記曲げ応力等の影響でホイールの真円度が悪化する可能性がある。図５（ｂ）に示すようにサイドゲートとリム部中央との略直線状である接続断面形状となる。これによりサイドゲートを折り取る際のホイールにかかるひずみを低減し、高真円度を保つことが可能である。
また、さらなる効果として、図５（ａ）の１１ｄのようなクロス部と連通するキャビティ開口部がなくキャビティ下方向の湯流れ性を抑制し溶湯の円周方向の湯回り性を高めることができる。これによりキャビティ下方向の湯流れ性を抑制するためデザイン面に湯境を発生しなくなる。また円周方向で組織の偏りが小さくなり、周方向に強度のバラツキが少ないホイールとすることが可能である。
【００１３】
図５（ｂ）のようにする場合、サイドゲートの下端部からクロス部上端部までのリム中央部厚さを有する部分の距離が２ｍｍ以下では金型構造上強度的な不安が残る。また、４０ｍｍ以上ではサイドゲートからの溶湯がクロス部に回りきらず、クロス部でのひけ等による鋳造欠陥が多発しやすくなる。よってサイドゲートの下端からクロス部上端までの距離ｔは好ましくは２〜４０ｍｍ、さらに好ましくは４〜２０ｍｍ程度とする。
【００１４】
通常サイドゲートの開口部近傍及びクロス部とリム部との境には湯回り性を向上するために適度（１〜２０ｍｍ）のＲを設ける。本願で述べるサイドゲート下端部およびクロス部上端部とはこのＲを含めないサイドゲートの下端部、クロス部の上端部を示す。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面により説明する。
図１は本発明を実施するための鋳造装置の要部を示す断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視図（但し、横型と下型を上部から見た図）、図３は図２のＢ−Ｂ矢視図である。
図１において、１は金型であり、ホイールデザインに対応した種々の表面形状を有する下型２と、その上方に位置する上型３と、下型２及び上型３と嵌合してキャビティ６を形成するように左右に摺動可能な横型４、５とを備えている。下型２は、下型プラテン７に固定された下型ベース８上に設置されている。上型３は、上型ベース９にボルト１０で固定されている。キャビティ６は、ディスク部キャビティ６０とリム部キャビティ６１からからなり、ディスク部キャビティ６０はハブ部キャビティ６２とデザイン部キャビティ６３からなり、リム部キャビティ６１はクロス部キャビティ６４と中央部キャビティ６５からなる。ハブ部キャビティ６２にはセンターゲート１１ａが、クロス部キャビティ６４、６４には各々サイドゲート１１ｂ及び１１ｃが形成され、各ゲートは、湯道１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを介してストーク１３ａ、１３ｂ及び１３ｃに連通している。ゲート１１ｂ及び１１ｃは、図２に示すように平面からみてセンターゲート１１ａの両側に対称位置、すなわち各ゲートの中心が同一直線上に位置するように配置されている。これらのストークの下端部は、溶湯が収容された密閉容器（図示せず）に挿入されている。下型２には、デザイン部キャビティ６３に対応する位置に下型冷却通路１４が設けられている。１５は型割れ面である。
【００１６】
上記構成による動作を説明する。まず密閉容器内の溶湯を加圧することにより、溶湯はストーク１３ａ、１３ｂ及び１３ｃから湯道１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを経て、ゲート１１ａ、１１ｂ及び１１ｃからキャビティ６内に充填される。
ここでセンターゲート１１ａと、サイドゲート１１ｂ、１１ｃとの間には高低差があるので、センターゲート１１ａを通過する溶湯はデザイン部キャビティ６３を充填し、サイドゲート１１ｂ、１１ｃを通過する溶湯はリム部キャビティ６１を充填する。即ち溶湯はリム部キャビティ６１で合流する。所定時間経過後、加圧を解除すると、各ストーク内の溶湯は密閉容器内に戻り、キャビティ６内の溶湯が凝固して、図６に示すホイールが得られる。
【００１７】
上記の鋳造工程における溶湯の凝固過程を詳述すると、次の通りである。サイドゲート１１ｂ、１１ｃからキャビティ６内に注入された溶湯は、リム部キャビティ６５の上端からその下端に向って凝固が進行する。一方、センターゲート１１ａからディスク部キャビティ６０に注入された溶湯は、デザイン部キャビティ６３からハブ部キャビティ６２に向って凝固が進行する。従ってデザイン部キャビティ６３に湯流れ機能や溶湯補給機能を持たせるまでもなく、鋳造方案上ホイールデザイン部の薄肉化が可能となる。またデザイン部から凝固が始まるので、デザイン部の組織が微細となり、高強度を維持できる。
しかも本発明では、サイドゲートは、リム端を避けた位置に設けられているので、フロントフランジあるいはリムの中央といった高強度を要する部位の組織が微細になり、もって強度上からみてもデザイン部の薄肉化が可能となる。
【００１８】
サイドゲートをリム部キャビティ６１の端部［図４（ｃ）の実線で示す位置］あるいはクロス部キャビティ６４の側面［図４（ｃ）の破線で示す位置］に設けると、デザイン面に湯境が発生する可能性がある。本発明では、上述したようにセンターゲートとサイドゲートとの間に高低差があるので、溶湯はデザイン部を避けた位置（リム部）で合流し、もって健全なデザイン面を得ることができる。もちろん本発明によれば、各ゲートからの流動長が短くなり、また凝固時間も短縮されるので、鋳造サイクルタイムの短縮といった生産性向上の効果もある。
【００１９】
（実施例）
以下、実施例及び比較例により本発明を更に具体的に説明する。
（実施例１）
図１に示す鋳造装置を使用し、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ ＡＣ４ＣＨ）の溶湯（約４５０℃）を金型（約４８０℃に加熱）に注入して（圧力０．５〜０．７ｋｇ／ｃｍ^２）、図６に示す形状のアルミホイールを鋳造した。
（実施例２）
サイドゲートを図４（ｂ）に示す位置（サイドゲート下端とクロス部上端との距離ｔ＝２ｍｍ）に設けた鋳造装置を使用した以外は実施例１と同様の条件でアルミホイールを鋳造した。
（実施例３）
サイドゲートを図４（ｂ）に示す位置（サイドゲート下端とクロス部上端との距離ｔ＝１０ｍｍ）に設けた鋳造装置を使用した以外は実施例１と同様の条件でアルミホイールを鋳造した。
（実施例４）
サイドゲートを図４（ｂ）に示す位置に設け、かつサイドゲートに絞りを設けて、接続部分の幅ｗを実施例３の２／３（１０ｍｍ）とした鋳造装置を使用した以外は実施例３と同様の条件でアルミホイールを鋳造した。
【００２０】
（参考例１）
サイドゲートを図４（ｃ）の実線で示す位置に設けた鋳造装置を使用した以外は実施例１と同様の条件でアルミホイールを鋳造した。
（参考例２）
サイドゲートを図４（ｃ）の破線で示す位置に設けた以外は実施例１と同様の条件で鋳造した。
（比較例１）
サイドゲート［図４（ａ）に示す位置］のみから溶湯を金型に注入した（サイドゲート鋳造法案）以外は実施例１と同様の条件でアルミホイールを鋳造した。
（比較例２）
サイドゲート［図４（ｂ）に示す位置］のみから溶湯を金型に注入した（サイドゲート鋳造法案）以外は実施例１と同様の条件でアルミホイールを鋳造した。上記各例のアルミホイールについて、デザイン面の湯境の有無を目視で観察し、またフロントフランジ部及びリム中央部から試料を切出し、衝撃テストを行った。その結果を表１に示す。また各アルミホイールの重量、鋳造サイクルタイム、およびサイドゲート除去の際の押圧手段にかかる応力も測定し、それらの結果（但し、比較例２を１とした場合の比率で示す）も同じく表１に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
表１から、３ゲート方式（実施例１〜４及び参考例１、２）の低圧鋳造法によれば、サイドゲート方式（比較例１，２）の方法よりもアルミホイールを１０％以上軽量化することができ、また鋳造サイクルタイムも大幅に短縮できることがわかる。また３ゲート方式でしかも、サイドゲートをフロントフランジ部から離れかつクロス部に隣接する位置に設けた場合（実施例１）は、デザイン面に湯境の発生がなくしかも衝撃テストの結果も良好である。さらにサイドゲートをクロス部よりも上方に設けた場合は（実施例２〜４）、最終製品形状にまで影響を及ぼすサイドゲート除去の際に発生するひずみを極力低減することができる。対して、３ゲート方式でも、サイドゲートをリム端（参考例１）に設けた場合はデザイン面に湯境が発生することがあり、かつ機械的強度が低下することがわかる。
【００２３】
【発明の効果】
以上に記述の如く、本発明によれば、キャビティの特定位置に複数のゲートを設けかつ指向性凝固を促進する金型構造としたので、デザイン面が健全で、高強度でかつ軽量化した車両用ホイールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る鋳造装置の要部を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】サイドゲートの位置を示す概略図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）である。
【図５】サイドゲートとホイールキャビティとの接続部を示す概略図（ａ）、（ｂ）である。
【図６】アルミホイールの断面図（ａ）、同平面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１ 金型、２ 下型、３ 上型、４，５ 横型、６ キャビティ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ ゲート、３０ ホイール

Claims (4)

1. リム部並びにハブ部及びデザイン部を含むディスク部とを有する車両用ホイールに対応する形状を有する金型内で車両用ホイールを低圧鋳造する方法において、ディスク部を形成するキャビティの中心部にセンターゲートを、リム部を形成するキャビティにサイドゲートを設け、かつ前記サイドゲートのキャビティ開口部をセンターゲートのキャビティ開口部よりも上方位置に具備し、各ゲートから溶湯を注入して当該キャビティに充填することを特徴とする車両用ホイールの低圧鋳造方法。
2. 前記サイドゲートのキャビティ開口部の位置は車両用ホイールのディスク部側リム端よりも上方に設置する請求項１に記載の車両用ホイールの低圧鋳造方法。
3. 前記サイドゲートのキャビティ開口部の位置は車両用ホイールのデザイン面よりも上方に設置する請求項１に記載の車両用ホイールの低圧鋳造方法。
4. 前記サイドゲートのキャビティ開口部の位置は車両用ホイールのデザイン部全体よりも上方に設置する請求項１に記載の車両用ホイールの低圧鋳造方法。

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