(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リム部およびディスク部を有する車両用ホイールを鋳造するための車両用ホイールの製造方法において、ディスク部を形成するキャビティに開口されたセンターゲート、およびリム部を形成するキャビティにおける前記ディスク部キャビティの全体よりも高い位置に開口されたサイドゲートから、気密性を持つ１つの保持炉から供給される溶湯をそれぞれの前記キャビティに注湯する車両用ホイールの製造方法であって、サイドゲートに繋がる湯道に絞りを入れることで、サイドゲートから溶湯が注湯されるタイミングをセンターゲートから溶湯が注湯されるタイミングより遅くしたことを特徴とする車両用ホイールの製造方法。
【請求項２】
前記サイドゲートに繋がる湯道の最小断面積Ｓ２と最大断面積Ｓ１からなる絞りＳ２／Ｓ１は０．１以上０．５以下で、前記センターゲートに繋がる湯道の最小断面積Ｓ４と最大断面積Ｓ３からなる絞りＳ４／Ｓ３は０．８以下であることを特徴とする請求項１に記載の車両用ホイールの製造方法。
【請求項３】
前記センターゲートに繋がる湯道の最小断面積Ｓ４はセンターゲートのキャビティ開口部での断面積である請求項１又は２に記載の車両用ホイールの製造方法。
【請求項４】
前記サイドゲートに繋がる湯道の最小断面積Ｓ２はストーク中に絞りを設けた場所の断面積である請求項１乃至３の何れかに記載の車両用ホイールの製造方法。
【請求項５】
前記サイドゲートは、センターゲートよりも高い位置に開口していることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の車両用ホイールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽合金製の車両用ホイールに関し、特にディスク部を形成するキャビティとリム部を形成するキャビティに溶湯の注湯口を設けた金型を用いる低圧鋳造装置およびそれを用いた低圧鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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２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固定部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２（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２（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、ディスク部のハブ固定部２５に堰（センターゲート）を設け、そこから溶湯を注入し、デザイン部からリム部２４に向けて溶湯を注入する方法（センターゲート方案）がある。また、リム部２４に複数（通常は２個）の堰（サイドゲート）を設け、そこから溶湯を注入する方法（サイドゲート方案）も採用されている。
センターゲート方案では、溶湯充填後の凝固形態として、センターゲートから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、ハブ固定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、サイドゲート方案では、デザイン部自体が、凝固し易いハブ固定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】
上述した各方案の欠点を解消すべく、特許文献１から特許文献３に記載されるように、ディスク中心部（ハブ固定部）とリム部にそれぞれ溶湯を注湯するための堰を設け、これらの堰から金型内に注湯する方案（マルチゲート方案）が提案されている。この鋳造方法によれば、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】
しかし、このマルチゲート方案を用いた場合、溶湯はセンターゲートとサイドゲートから注湯されるため、各溶湯がディスク面で合流しやすい。つまりこのマルチゲート方案は、最も意匠性が重視されるディスク面で湯境が発生しやすく、外観不良を持つ車両用ホイールとなりやすいという問題がある。
特許文献２ではこの問題を解決するためにサイドゲートをセンターゲートよりも高い位置に設けることが記載されている。これは、低圧鋳造方法は溶湯の注湯方式がストークおよび金型内の湯道を介して静的に下側から充填させる方案であることを利用したものであり、各ゲートから溶湯が注湯されるタイミングを変えることが記載されている。センターゲートとサイドゲートを上記のように配置することで、センターゲートから注湯された溶湯がディスク部を満たした後、サイドゲートから注湯された溶湯が注ぎ込まれる。このため、湯境がディスク面で発生しずらくなる。
また、特許文献３では、低圧鋳造機としてセンターゲート、サイドゲートに連結するストークに各々ポットを設けたものが記載され、このポットで溶湯の流入量を各ストーク毎に調節することが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２６９９２３号公報
【特許文献２】特許第３５７３３３８号公報
【特許文献３】特開平２００６−３４６７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２のようにセンターゲートとサイドゲートに高低差を付けても、ディスク面に湯境が発生する現象が若干ながら継続しており、鋳造不良を低減するためのさらなる検討が必要と思われる。また、特許文献３のような言わば弁構造を各ストークに設ける手段では、弁となる部分で溶湯中のノロなどが詰まって不具合が多発することが容易に想定でき、逆に歩留まりを悪化させることが懸念される。また、５００℃以上の溶湯中で駆動部材を制御することは鋳造装置のメンテナンスが困難になると思われ、実用するには多々課題が残る。
よって本発明では、上記の問題を解決し、簡易な構造でメンテナンスも従来並に容易であり、かつ効果的に車両用ホイールのディスク面での湯境の発生を抑えることが可能な低圧鋳造装置および低圧鋳造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明の車両用ホイールの製造方法は、リム部およびディスク部を有する車両用ホイールを鋳造するための車両用ホイールの製造方法において、ディスク部を形成するキャビティに開口されたセンターゲート、およびリム部を形成するキャビティにおける前記ディスク部キャビティの全体よりも高い位置に開口されたサイドゲートから、気密性を持つ１つの保持炉から供給される溶湯をそれぞれの前記キャビティに注湯する車両用ホイールの製造方法であって、サイドゲートに繋がる湯道に絞りを入れることで、サイドゲートから溶湯が注湯されるタイミングをセンターゲートから溶湯が注湯されるタイミングより遅くしたことを特徴とする。なお、本発明でいう湯道とは、保持炉中のストーク下端部からゲートまでの溶湯が流れる通路全体を指すものとする。本発明において前記サイドゲートに繋がる湯道の最小断面積Ｓ２と最大断面積Ｓ１からなる絞りＳ２／Ｓ１は０．１以上０．５以下で、前記センターゲートに繋がる湯道の最小断面積Ｓ４と最大断面積Ｓ３からなる絞りＳ４／Ｓ３は０．８以下とすることが好ましい。
【００１０】
前記センターゲートに繋がる湯道の最小断面積Ｓ４となる位置はセンターゲートのキャビティ開口部であることが好ましい。
【００１１】
前記サイドゲートに繋がる湯道の最小断面積Ｓ２となる位置はストーク中の絞りを設けた場所であることが好ましい。
【００１２】
前記サイドゲートは、センターゲートよりも高い位置に開口している低圧鋳造装置を用いることが好ましい。
【００１３】
前記サイドゲートは、ディスク部キャビティの全体よりも高い位置に開口している低圧鋳造装置を用いることが好ましい。
【００１４】
これらの低圧鋳造装置を用いて、気密性を持つ１つの保持炉から各ストークを介してキャビティに溶湯を供給する鋳造を行うことで、保持炉を複数設けずとも各ゲートから溶湯が注湯されるタイミングを変えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の低圧鋳造装置は、サイドゲートに繋がる湯道の最大断面積と最小断面積の差を大きくしたことで、サイドゲート側の湯道で溶湯に大きな圧力損失を発生させ、センターゲートから溶湯が注湯されるタイミングとサイドゲートから溶湯が注湯されるタイミングの差をさらに拡大した。このため、デザイン面のキャビティはセンターゲートからの溶湯で充填され、その後にリム部のキャビティはサイドゲートからの溶湯で充填される。車両用ホイールのスポーク（デザイン面）部分に発生する鋳肌凹、不周り、湯ジワ、キラワレ、湯境の発生を極力防ぐことができ、歩留まりが改善して生産性が向上し、かつコストを下げることができる。
また、サイドゲートに繋がるストーク、もしくはサイドゲートの湯道とストークとの連結部の近傍には溶湯を加熱・保温するための発熱手段を備ければ、センターゲート側のストークよりもサイドゲート側のストークの断面積を小さくしても、湯詰まりが起きることなく量産に適用できる。
また、センターゲートよりもサイドゲートを高い位置に設けることで、上記の本発明によるセンターゲートとサイドゲート注湯される溶湯のタイミングの差がさらに大きくなり、車両用ホイールのディスク面での湯境の発生を防ぐことができる。
このサイドゲートを、ディスク部キャビティ全体よりも高い位置に設けることで、その効果はさらに顕著に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
低圧鋳造方法は溶湯を静的に上昇させる方案である。複数のストークやゲートを用いて鋳造する場合、理論的に考えればストークやゲートの断面積に係わらず、注湯される全ての溶湯は同じ高さを保持したままストーク、湯道、金型キャビティ中を上昇していくことになる。しかしながら、特許文献２に記載するようにセンターゲートとサイドゲートの高さに差を設けて生産しても、完全に湯境の発生を防ぐことはできなかった。本発明者等が詳細な調査を行った結果、前記のようにセンターゲートとサイドゲートの高さに差が有っても、センターゲートから入ってきた溶湯はディスク面に設けられた冷却手段により湯周りの速度が遅くなり、溶湯がディスク面を充填する前にサイドゲートから注湯された溶湯がディスク面に流れ込んでいることが解った。これは、センターゲートは通常キャビティの開口部の寸法が実質的にホイールの形状から最大径４０ｍｍ程度に制限され、一方、ストークは湯詰まりしないように最小径７０ｍｍ程度が確保されるため、湯道としてかなり絞られた形状となることが要因と推察される。低圧鋳造のような溶湯の上昇速度が遅い方案であっても大きな圧力損失が生じており、サイドゲートの湯道より溶湯の注湯速度が大幅に遅くなっている。
【００１７】
本発明は、サイドゲートに繋がる湯道に絞りを入れることで、センターゲートの湯道と同様に圧力損失を生じさせ、サイドゲートから溶湯が注湯されるタイミングを遅くしたことが特徴である。
湯道の断面積とは、溶湯が通過する通路の断面積を指す。最小断面積となる部分は、ゲートの開口部や金型中の湯道の一部、ストークの一部などである。
【００１８】
マルチゲートの低圧鋳造方案は、デザイン部の薄肉化やその組織の微細化が可能であり、軽量かつ高強度の車両用ホイールが得られる。溶湯を注湯するためのセンターゲートは、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。さらにはスポーク部全体よりもサイドゲートが高いことが好ましい。
【００１９】
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い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。サイドゲートが、リム部の壁とクロス部の横壁の２辺でＬ字型に形成されていると、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。よって、リム部の縦壁のみにサイドゲートの開口部を形成することが好ましい。
【００２０】
本発明においてはＪＩＳに定めるＡＣ４Ｃ，またはＡＣ４ＣＨ材相当のアルミ合金材料を用いて鋳造を行っている。例えばＣｕ０．２０質量％以下、Ｓｉ６．５〜７．５質量％以下、Ｍｇ０．２５〜０．４５質量％以下、Ｚｎ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｃｒは不純物であり総量は０．８質量％以下、残部Ａｌとなる組成のアルミ合金材料を用いることが好ましい。
【００２１】
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である。
図１において、金型は、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からからなる。ディスク部キャビティ６０はハブ固定部のキャビティとデザイン部のキャビティからなり、リム部キャビティ６１はインナーフランジ、アウターフランジ、リム中央部、クロス部などのキャビティからなる。ハブ固定部のキャビティにはセンターゲート１１ａが、ディスク中央部のキャビティには各々サイドゲート１１ｂ及び１１ｃが形成され、各ゲートは、金型内の湯道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、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１５が収容された保持炉１６に挿入されている。保持炉１６は外部雰囲気に対して気密性を有する。バルブ１８から圧入された気体により容器１７内の気圧が高まることで、溶湯１５の湯面が押され、溶湯１５は各ストーク１３を介してキャビティ内に注湯される。また、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。
【００２２】
上記構成による動作を説明する。まず密閉容器１７内の気圧を上昇することにより、溶湯１５はストーク１３ａ、１３ｂ及び１３ｃから金型内の湯道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。センターゲートへ繋がる湯道は、この図中ストーク１３ａの下端部からセンターゲートの開口部１１ａまでであり、サイドゲートへ繋がる湯道は、ストーク１３ｂ、１３ｃの下端部から金型内の湯道１２ｂ、１２ｃを介してサイドゲートの開口部１１ｂ，１１ｃまでである。
【００２３】
上記マルチゲート鋳造方案による溶湯の凝固過程を詳述すると、次の通りである。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、デザイン部のキャビティからハブ固定部のキャビティに向って凝固が進行する。一方、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、リム部キャビティの上端からその下端に向って凝固が進行する。デザイン部とリム部のそれぞれに湯口がついているため注湯が容易であり、デザイン部キャビティ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。
【００２４】
センターゲートに繋がる湯道で、最大断面積Ｓ３となる部分はストーク１３ａとした。ストーク１３ａは一律同径の円筒状である。一方、最小断面積Ｓ４となる部分はセンターゲートのキャビティ開口部１１ａとした。
また、サイドゲートに繋がる湯道で、最大断面積Ｓ１となる部分はストーク１３ｂ、１３ｃの中腹部とした。一方、最小断面積Ｓ２となる部分はストーク１３ｂ、１３ｃの下端に設けられた絞り部分１３ａとした。
また、サイドゲートに繋がる湯道には、溶湯を加熱・保温するための発熱手段２０を設け、湯詰まりが起こらないようにしている。
【００２５】
本実施例では、表１に示すように断面積Ｓ１〜Ｓ４の各部材の寸法を変え、水モデルで実験し、その場合の、センターゲートから溶湯が注湯され始めてからサイドゲートから溶湯が注湯され始めるまでの時間の差を測定した。
【００２６】
【表１】
0005046106.tif 000002
【００２７】
No.1-10はサイドゲートをリム端部に設けてサイドゲートとセンターゲートの高低差をつけない従来の鋳造装置と同一条件で実験を行ったものである。センターゲートの湯道で溶湯の圧力損失が起こり、サイドゲートの方から先に溶湯が注湯されてしまう。
No.1-9のように、サイドゲートとセンターゲートの高低差を設けた鋳造装置を用いたものでも、サイドゲート側の湯道の絞りが殆ど無いものでは、サイドゲートとセンターゲートから溶湯が注湯される時間差は殆ど無い。
No.1-1はセンターゲート側の湯道の形状を最小断面積Ｓ４と最大断面積Ｓ３との比Ｓ４／Ｓ３が０．１６（ストーク直径φ１００ｍｍ、キャビティ開口部φ４０ｍｍ）になるようにし、かつ、サイドゲート側の湯道の形状を最小断面積Ｓ２と最大断面積Ｓ１との比Ｓ２／Ｓ１が０．２５（ストーク直径φ１００ｍｍ、ストーク下端部φ５０ｍｍ）になるようにしたものである。この鋳造装置を用いたことで、サイドゲートとセンターゲートから溶湯が注湯される時間差が９．４秒得られた。
No.1-2は、No.1-1に対して、サイドゲート側の湯道の形状を、最小断面積Ｓ２と最大断面積Ｓ１との比Ｓ２／Ｓ１は同じ０．２５、（但し、ストーク直径φ１４０ｍｍ、ストーク下端部φ７０ｍｍ）になるようにしたものである。サイドゲート側のストーク断面積は変わっても、湯道の最大断面積S1と最小断面積Ｓ２の比が同じであれば、注湯の時間差はほとんど差が見られない。
No.1-3,1-4は、No.1-1,1-2の鋳造装置に対して、センターゲートの湯道の絞りをさらに大きく（Ｓ４／Ｓ３＝０．１２）したものである。センターゲートへの注湯速度は速い方が好ましいため、本来なら湯道の最大断面積S1と最小断面積Ｓ２の比Ｓ４／Ｓ３は大きい方が好ましい。そのためセンターゲートのキャビティへの開口部も大きい方が好ましいが、前記のように製品形状により寸法が決定されてしまう。最も小さくなる場合を想定して、キャビティへの開口部（Ｓ４）の寸法を３５ｍｍとして実験を行ったが、サイドゲート側の絞り量のＳ２／Ｓ１が０．２５であれば、溶湯の注湯される時間に十分な差が得られる。
No.1-5,1-6は、No.1-1,1-2の鋳造装置に対して、センターゲート側の湯道の絞り量を小さくしたものである。（ストーク直径φ７５ｍｍ、キャビティ開口部φ４０ｍｍ）センターゲート側の湯道で溶湯の圧力損失があまり無いため、他の実施例よりも溶湯の注湯される時間に十分な差が得られている。
No.1-7,1-8は、サイドゲートの湯道の絞り量を、徐々に大きくしたものである。溶湯の圧力損失が十分でなく、溶湯の注湯される時間の差は小さくなっている。
また、湯道を通過する溶湯に圧力損失を起こさせるには、断面積を徐々に変えた湯道よりも、急激に断面積が変化する形状の方が効果が大きい。よって、サイドゲート側で設けた絞りは、ストーク１３ｂ、１３ｃの下端部に異なる内径の円筒体をはめ込むような形状にすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の低圧鋳造装置の主要部を示す図である。
【図２】車両用ホイールの一例である。
【符号の説明】
【００２９】
１  低圧鋳造装置、２  下型、３  上型、４，５  横型、６  キャビティ、７  下型プラテン、８  下型ベース、９  上型ベース、１０  ボルト、１１ａ  センターゲート、１１ｂ，１１ｃ  サイドゲート、１２ａ  センターゲートの湯道、１２ｂ，１２ｃ  サイドゲートの湯道、１３ａ  センターゲートに繋がるストーク、１３ｂ，１３ｃ  サイドゲートに繋がるストーク、１４  下型冷却通路、１５  溶湯、１６  保持炉、１７  密閉容器、１８  バルブ、３０  車両用ホイール、６０  ディスク部キャビティ、６１  リム部キャビティ
【図１】
0005046106.tif 000003
【図２】
0005046106.tif 000004