JP4134876B2

JP4134876B2 - 車両用ホイール、およびその鋳造装置

Info

Publication number: JP4134876B2
Application number: JP2003348534A
Authority: JP
Inventors: 紀夫南; 謙納臼居
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2023-10-07
Also published as: JP2005112132A

Description

本発明は、サイドゲートを含む複数のゲートを有する低圧鋳造装置により鋳造され、全体がアルミニウム合金等の軽合金で形成された車両用ホイール、およびその鋳造装置に関する。

自動車（乗用車等）に装着されている車両用ホイールとしては、車体を軽量化するために、例えば低圧鋳造の手法により全体がアルミニウム合金で形成されたアルミホイールが使用されている。アルミホイールは、タイヤが装着されるリム部と車軸に装着されるディスク部と両者が交差する部位を形成するクロス部から構成されている。このアルミホイールの鋳造方法としては、種々の方法が実用化されているが、最近は、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されているサイドゲートを含むマルチゲートから注湯する鋳造方法が注目されている。この鋳造方法によれば、リム部成形キャビティに設けたサイドゲートとディスク部成形キャビティに設けたセンターゲートから注湯することによりリム部、ディスク部およびクロス部を有するホイール素材を鋳造し、この素材からサイドゲートを含む非製品部を除去することにより、アルミホイールが製造される。この鋳造方法によれば、ディスク部を薄くしかつリム部からディスク部に向う指向性凝固を行うので、軽量化したホイールが得られるという利点がある。またアルミホイールを含めて車両用ホイールは、軽量であることに加えて、所定の安全基準を満足することが必要とされるので、衝撃試験や回転曲げ試験を行って所定の機械的強度を具備することを確認した上で出荷される。しかしてこれらの試験に合格しても、ホイール内部に微細な鋳造欠陥があるような場合には、それが検出されないことも考えられ、さらに高い安全性を保証するために、ホイールの各部の鋳造組織を検討して、それが特定の関係を満たすような鋳造方案を採用することが行われている。例えば、特許文献３には、鋳物のミクロ組織の大きさの示度として、デンドライトアームスペーシング（以下ＤＡＳIIという）に注目し、ＤＡＳIIが小さい程微細な組織になり、機械的強度が高くなるといった知見に基づいて、（１）リム胴部のＤＡＳII＞リム先端部のＤＡＳII、（２）ディスク中心部のＤＡＳII＞ディスク支承部のＤＡＳII、（３）リム胴部及びリム支承部のＤＡＳIIは同一かまたはリム胴部のＤＡＳII＞リム支承部のＤＡＳIIとすることにより、車両の保安上、安全を満たすアルミホイールが得られることが記載されている。
特開２０００−２５４７６６号公報（第３−５頁、図１）特開２００１−２８７０１４号公報（第２−３頁、図１）特許第２８１７９２５号公報（第３−５頁、図１）

アルミホイールもその口径は多岐にわたっており、口径によって鋳造方案（金型形状・構造）が異なる。すなわち、口径が１７インチ以上の大型のホイールを鋳造する場合は、小口径のホイールを鋳造する場合と同じ鋳造方案では薄肉で軽量な鋳造品が得られずまた鋳造欠陥が発生するので、湯流れや凝固形態を検討して金型形状や冷却構造が決定される。しかして金型形状や冷却構造が変更されると、アルミホイールの鋳造組織も変化するので、全ての口径のホイールについて例えば特許文献３に記載された関係を満足しても安全性が保障されるとは限らない。大口径ホイールの強度を確保するためには、ディスク面の冷却速度を早くする必要があり、特にスポーク部での強度が高いことが必要とされるので、下型温度を下げるなどして下型での冷却速度を最適化することが重要となる。しかしながら単純に下型温度を下げただけでは、鋳造欠陥が発生し易く改良の余地が有った。

従って本発明の目的は、サイドゲートを用いた大口径で軽量かつ機械的強度が高い車両用ホイールを提供することである。

大口径ホイールの強度を確保するためには、ディスク面となる部分の冷却速度を速くする必要があることは前述した通りであるが、リム部の窓部に臨む部分では成形空間の容積が少ないためにスポーク部などのディスク部の他の部分よりも冷却速度が速まる。その結果窓部に臨む部分にあるリム部よりも円周方向に沿ってサイドゲートから遠ざかる部分にあるリム部の冷却速度が遅くなり、リムの円周方向に沿った指向性凝固が行われず、引け巣などの鋳造欠陥が発生することが判明した。この現象はサイドゲートから離れるにしたがって顕著になる。
そこで、本発明者らは、最適な指向性凝固を実現するための鋳造方案を鋭意検討した結果、クロス部での凝固を一部遅らせることにより、サイドゲートに向かう指向性凝固を実現できることが知見され、本発明に想到した。
すなわち本発明は、タイヤが装着されるリム部と車軸に装着されるディスク部と両者が交差する部位を形成するクロス部からなり、少なくとも一対のサイドゲートに連なる成形空間で鋳造される車両用ホイールにおいて、前記車両用ホイールはサイドゲートから円周方向に沿って左右各々に１０°〜６０°の範囲にわたってクロス部の肩部側から保温する構造を持つ鋳造装置によって製造され、前記クロス部の外周側のＤＡＳII（Ｄ_Ｏ）は内周側のＤＡＳII（Ｄ_ｉ）と同等かまたはそれより大きい値を有し、かつ、前記リム部において前記サイドゲートの位置と前記サイドゲート同士から最も離れた位置の中間位置におけるＤ_ＯとＤ_ｉの差は、前記サイドゲートの位置でのＤ_ＯとＤ_ｉの差よりも大きいことを特徴とするものである。

上記各ＤＡＳIIはホイールの中心軸に対して４５°傾いた直線に沿って等間隔で３箇所以上の位置で測定された数値であり、図４に示すディスク部の窓部に沿った断面図で説明すれば、Ｄ_Ｏが最外周側かつクロス部の肩部のほぼ中央部の測定値、Ｄ_ｉがＤ_Ｏから４５°傾いた方向に沿って測定した最内周側(窓部の鋳肌表面から０．５ｍｍ深さ)での測定値である。図３に示すディスク部のスポーク部に沿った断面図で説明すれば、内周側のＤＡＳII（Ｄ_ｉ）は窓部の外周円に沿った部位で測定された値である。但し、中心軸に対して３０〜６０°の範囲で傾いた直線に沿って測定をしても同様の傾向は観察可能である。このように、ホイールの中心軸に対して所定角度（例えば４５°）だけ傾いた直線上で測定されたＤＡＳIIは、サイドゲートを用いた鋳造方案では鋳造欠陥が発生し易い部位であるクロス部の肩部の健全性の程度を表示した数値であり、中心軸に向かって斜めに指向性凝固が行われたことを示す指標となる。本発明においては、サイドゲートの位置（図２中Ｈ１）ではＤ_ＯはＤ_ｉとほぼ同等であり、例えばＤ_ＯとＤ_ｉの差が１０μｍ未満である。サイドゲートの位置とサイドゲート同士から最も離れた位置の中間位置（Ｈ_３）におけるＤ_ＯとＤ_ｉの差は、サイドゲートの位置（Ｈ_１）でのＤ_ＯとＤ_ｉの差よりも大なる値を有することが好ましい。さらにはサイドゲート同士から最も離れた位置（Ｈ_５）でのＤ_ＯとＤ_ｉの差は、サイドゲートの位置（Ｈ_１）でのＤ_ＯとＤ_ｉの差よりも大なる値を有するとともに、前記中間位置（Ｈ_３）でのＤ_ＯとＤ_ｉの差よりも小なる値を有することが好ましく、例えばこの中間位置（Ｈ_３）でのＤ_ＯとＤ_ｉの差は１０μｍ以上である。またクロス部のＤＡＳIIは外周側に行くに従い増加する傾向にあることが好ましい。

本発明の車両用ホイールを製造するためには、サイドゲートを基準に円周方向に沿って左右に１０°〜６０°の範囲にわたってクロス部の肩部側から保温する構造の鋳造方案を適用することが好ましい。保温する範囲が１０°未満であると、リム部の円周方向への指向性凝固が不十分となり、上記ＤＡＳ分布が得られず、一方保温する範囲が６０°を超えると、凝固時間が長くなり、鋳造サイクルタイムが増大するので、いずれも不都合である。

本発明において、ＤＡＳIIの値は、α−Ａｌデンドライト相を主体とするアルミニウム合金組織中の主軸の両側に存在する複数個の２次アームの間隔を測定し、その平均値（単位：μｍ）で示したものである。

本発明によれば、タイヤが装着されるリム部と車軸に装着されるディスク部とが交差する部位を形成するクロス部のＤＡＳIIが、外周側が内周側と同等かまたはそれより大きい値を示すホイールの組織形態とすることで、ディスク面のＤＡＳIIを小さく保った上でサイドゲートから遠ざかる部位の品質も確保することができ、結果として大口径でかつ肉厚の薄い軽量な車両用ホイールを得ることができる。また、サイドゲートを基準に円周方向に沿って左右に１０°〜６０°の範囲にわたってクロス部の肩部側から保温する構造の鋳造方案を適用したため、リム部の円周方向への指向性凝固を実現できる。

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明で使用される金型装置の断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３及び図４はアルミホイールの要部を模式的に示す断面図、図５はクロス部のＤＡＳII分布を示す図である。

図１において、１は低圧鋳造用金型であり、ホイールデザインに応じた表面形状を有する下型１１、上型１２、これらと嵌合して成形キャビティ１４を形成する横型１３ａ、１３ｂと、下型１１を固定するベース１５ａと、上型１２を支持するベース１５ｂとを備えている。キャビティ１４は、ディスク部キャビティ１４ａ及びリム部キャビティ１４ｂを含み、各キャビティはゲート（湯口）を介して溶湯の供給部に連通している。すなわちリム部キャビティ１４ｂはサイドゲート１６ａ、１６ｂを介して溶湯保持炉（不図示）に連なるストーク１８ａ、１８ｂに連通している。サイドゲート１６ａ、１６ｂは、ホイールの軸心を挟んで対称位置に存在するように配置されている（図２参照）。またディスク部キャビティ１４ａは、センターゲート１７を介して保持炉（不図示）に連なるストーク１８ｃに連通している。図示しないが、リム部の円周方向への指向性凝固を実現するために、金型１の内部にリム部キャビティ１４ａ、１４ｂのうちクロス部となる部分の凝固を遅らせる手段が設けられている。クロス部上方を保温してその部分の凝固を遅らせるためには、例えば横型１３ａ、１３ｂの一部に保温手段または加熱手段を設ける、あるいはリム部キャビティ１４ａ、１４ｂをクロス部の上部に余肉部を付加した形状とすればよい。

上記金型装置１によれば、次のようにして低圧鋳造が行われる。保持炉内の溶湯を加圧して、ストーク１８ａ、１８ｂを上昇した溶湯はサイドゲート１６ａ、１６ｂから成形キャビティ１４内に注入され、次いでリム部キャビティ１４ｂに充填され、また保持炉（不図示）に連なるストーク１８ｃを介して上昇した溶湯はセンターゲート１７からディスク部キャビティ１４ａに充填される。所定時間経過後、加圧を解除することにより、ストーク１７ａ、１７ｂ、１７ｃ内に残留する溶湯は保持炉内に戻される。キャビティ１４内に注入された溶湯は、インナーフランジ側（リム部の上端部）からアウターフランジ側（リム部の下端部）に向かう指向性凝固が行われ、次いでアウターフランジ部の円周方向に沿って凝固が行われてディスク部が形成される。この鋳造過程で、凝固完了後型開きを行い、図２に示す鋳造品（ホイール素材）が取り出される。このホイール素材から非製品部（サイドゲート部１６ａ、１６ｂ）が除去された後、デザイン面の加工、気密検査、表面処理（塗装）が施されて図３及び図４に示す形状を有するアルミホイールが得られる。図３はスポーク部中央に沿った縦断面図、図４は窓部中央に沿った縦断面図である。このアルミホイール２０は、車軸（不図示）に取り付けられる円板状のディスク部２１と、タイヤ（不図示）が装着されるリム部２２と、その上端部側に形成されたインナーフランジ部２３と、リム部２２の下端部に形成されたアウターフランジ部２４と、ディスク部２１とリム部２２とが交差する部位となるクロス部２５からなる。クロス部の肩部２６とはクロス部の外周面に形成される意匠面とほぼ平行な面の部分である。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳＨ５２０２で規定されたＡＣ４ＣＨ材相当）の溶湯（約４５０℃）を図１に示す金型（約４５０℃）に注入し、所定の圧力（０．０４９〜０．０６３ＭＰａ）で鋳造することにより、図２に示すホイール素材を作製した。ここで使用した金型は、横型１３ａ、１３ｂにクロス部の外周側に近接する保温手段を設けると共に、その保温手段はサイドゲート１６ａ、１６ｂの両側に円周方向に沿って４５°の範囲に位置する構成とした。上記のホイール素材からサイドゲートを含む非製品部を除去して、ディスク部２１に円周方向に等間隔に配置された５本のスポークＳ_１〜Ｓ_５を有するアルミホイール２０（図２参照、１８インチ用）を作製した。このアルミホイール２０について、円周方向に沿ってサイドゲート１６ａの直下とそこから半時計方向に９０°離間した位置までの５箇所（Ｈ_１〜Ｈ_５、等角度間隔）において、ディスク部２１とリム部２２とが交差する部位にあるクロス部２５の内周側から外周側までの５箇所（Ｃ_１〜Ｃ_５、中心軸に対してθ＝４５°だけ傾いた方向）についてＤＡＳIIを測定した。その結果を図５に示す。図５において、各曲線は等ＤＡＳII線を示し、曲線Ｄ_１の下側の領域がＤＡＳII＝３０〜３５μｍ、曲線Ｄ_１と曲線Ｄ_２との間の領域がＤＡＳII＝３５〜４０μｍ、曲線Ｄ_２と曲線Ｄ_３の間の領域がＤＡＳII＝４０〜４５μｍ、曲線Ｄ_３の外側の領域がＤＡＳII＝４５〜５０μｍとなる。

図５から、クロス部２５のＤＡＳIIは、サイドゲートの位置（Ｈ_１）では外周側（Ｃ_５）と内周側（Ｃ_１）とで同等の値（両者の差は１０μｍ未満）を示し、サイドゲートから最も離れた位置（Ｈ_５）ではその差が大きくなり、また、これらの中間位置（Ｈ_３）では、ＤＡＳIIの値は内周側（Ｃ_１）と外周側（Ｃ_５）の差がかなり大きくなる（両者の差は１０μｍ以上）ことがわかる。また全ての円周方向の位置（Ｈ_１〜Ｈ_５）において、ＤＡＳIIは内周側（Ｃ_１）から外周側（Ｃ_５）に行くにしたがって増大している。このようなＤＡＳIIの分布は、インナーフランジ側（リム部２２の上端部）からアウターフランジ側（リム部２２の下端部）に向かう指向性凝固が行われ、次いでアウターフランジ部の円周方向に沿って指向性凝固が行われてディスク部２１が形成されることによると推察される。このような２段階の指向性凝固が行われた場合、当然の結果として、リム部２２のＤＡＳIIは、リム下端部の値よりもリム上端部の値が小さくなり、かつリム下端部では、サイドゲートの近傍とそこから遠ざかる位置とでＤＡＳIIの値に大きな差異はないが、リム上端部においてはサイドゲートから遠ざかるに従ってＤＡＳIIの値が小さくなる傾向になる。

図１に示す金型によりアルミホイールを鋳造する場合、特定部分の凝固を遅らせる手段が設けられた冷却構造を採用することにより、上記の２段階の指向性凝固が行われるため、鋳造欠陥が発生しても、図２及び図３に示すようにスポークＳ２とリム部２２が交差するクロス部２５の外周側の領域Ｂよりも鋳肌寄りに存在するようになる。従って本発明のＤＡＳII分布を備えることにより、鋳造後の加工により鋳造欠陥を容易に除去することができる。一方、従来の鋳造法で実施されていたように、例えばセンターゲートのみから注湯すると、製品部となるリム部２２の下端部でその内周側の領域（図２にＡで示す）に鋳造欠陥が発生するので、リム部の肉厚を厚くしておき、鋳造後の加工で鋳造欠陥を除去する必要があり、鋳造歩留が低下するという難点を伴う。

本発明で使用される鋳造用金型装置の一例を示す断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。アルミホイールの要部を模式的に示す断面である。アルミホイールの要部を模式的に示す断面である。クロス部のＤＡＳII分布を示す図である。

符号の説明

１：低圧鋳造用金型、１１：下型、１２：上型、１３ａ、１３ｂ：横型、１４：キャビティ、１４ａ：ディスク部キャビティ、１４ｂ：リム部キャビティ、１５ａ、１５ｂ：ベース、１６ａ、１６ｂ：サイドゲート、１７：センターゲート、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ：ストーク
２０：アルミホイール、２１：ディスク部、２２：リム部、２３：インナーフランジ部、
２４：アウターフランジ部、２５：クロス部、２６：肩部

Claims

タイヤが装着されるリム部と車軸に装着されるディスク部と両者が交差する部位を形成するクロス部からなり、少なくとも一対のサイドゲートに連なる成形空間で鋳造される車両用ホイールにおいて、前記車両用ホイールはサイドゲートから円周方向に沿って左右各々に１０°〜６０°の範囲にわたってクロス部の肩部側から保温する構造を持つ鋳造装置によって製造され、前記クロス部の外周側のＤＡＳII（Ｄ_Ｏ）は内周側のＤＡＳII（Ｄ_ｉ）と同等かまたはそれより大きい値を有し、かつ、前記リム部において前記サイドゲートの位置と前記サイドゲート同士から最も離れた位置の中間位置におけるＤ _ＯとＤ _ｉの差は、前記サイドゲートの位置でのＤ _ＯとＤ _ｉの差よりも大きいことを特徴とする車両用ホイール。
前記リム部において、前記サイドゲート同士から最も離れた位置でのＤ_ＯとＤ_ｉの差は、前記サイドゲートの位置でのＤ_ＯとＤ_ｉの差よりも大なる値を有するとともに、前記中間位置でのＤ_ＯとＤ_ｉの差よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の車両用ホイール。
前記リム部において、前記サイドゲートの位置ではＤ_ＯとＤ_ｉの差が１０μｍ未満であり、かつ前記中間位置ではＤ_ＯとＤ_ｉとの差は１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用ホイール。
前記ＤＡＳIIは、前記クロス部の３箇所以上で測定されかつ内周側から外周側に向かって増加することを特徴とする請求項１記載の車両用ホイール。
車両用ホイールの鋳造装置であって、リム部とディスク部と両者が交差する部位を形成するクロス部を成形するためのキャビティを有し、前記リム部を成形するキャビティに設けた少なくとも一対のサイドゲートを備え、かつ、前記サイドゲートから円周方向に沿って左右各々に１０°〜６０°の範囲にわたってクロス部の肩部側から保温する手段が備えられた鋳造装置。