(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホイールディスク周方向に不均一な板厚分布を有し、周方向において応力集中部位の板厚が応力が集中しない部位の板厚に比べて大とされており、前記応力集中部位がホイールディスクの飾り穴、ボルト穴、ハブ穴の周囲を含んでいるホイールディスクを、板から揺動鍛造により成形する方法であって、揺動パンチにホイールディスクの板厚に変化をつけるための凹凸部を揺動パンチ周方向に複数箇所形成しておき該揺動パンチを、前記揺動パンチの軸芯まわりの回転を伴わずに、菊モーションの揺動をさせることにより揺動鍛造中の揺動パンチと周方向に板厚が変化するディスク素材との回転方向位置ずれを防止させて、ホイールディスクを成形するホイールディスクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホイールディスクの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホイールは、図８に示すように、環状のリム２（タイヤを保持する部品）と皿状のディスク１（ホイールを車両に取り付ける部品）とを溶接接合したものからなる。
バス、トラックなど大型ホイールのディスクは、従来、図７に示すように、平板素材３から円形ブランク材４をプレス打ち抜きし、プレス機５で絞り成形してディスク形状を出し、ハブ穴６や飾り窓７をプレスにより穴抜きし、ナット座８をマルチドリルで皿加工して、作製していた。
平板からの絞り成形によるディスクは、図８に示すように、ほぼ半径方向に等厚断面に作製される。また、一部、コールドスピニング加工によりハブ取付け部から端部（半径方向外周端部）に向かって徐々に板厚を減少させたホイールディスクも提案されているが、スピニング加工上板厚変化はホイールディスク半径方向のみに限定され、周方向に板厚を変化させることはできなかった。
一方、ディスクの車両への取付け部とリムへの取付け部との間には飾り窓があけられており、また、取付部にはホイール取付用のボルト穴があけられている。飾り窓はホイールが車両に取付けられたときホイールの内側に位置するブレーキシステムの冷却機能をもっている。
車両に取付けられたホイールは、車両取付け部とタイヤから与えられる繰返し負荷荷重に耐え、かつより軽量であることが望まれるため、ボルト穴や飾り窓などの低疲労寿命部位によって製品寿命や素材板厚（したがって製品重量）が左右されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ホイールの耐久強度はホイール形状とディスク板厚分布にて決まる発生応力分布によって支配されるにもかかわらず、素材形状、加工方法に制約された絞り形状のディスクに、所定の冷却効果を得る飾り窓を加工したり、車輛仕様に一致したボルト穴を加工するため、最も発生応力が低い所に飾り窓などの低疲労寿命部位を位置させる設計とすることはできない。
したがって、ホイールの耐久強度を保証するのに、素材の板厚そのものを厚くしたり、強度が高い高級材料を使用し、ホイール全体を強化することによって対策している。それによりホイールの耐久強度上不必要な部分まで強化され、軽量化、コストダウンの阻害となっている。
本発明の目的は、高応力発生部位など必要部位のみを強化したホイールディスクの製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  ホイールディスク周方向に不均一な板厚分布を有し、周方向において応力集中部位の板厚が応力が集中しない部位の板厚に比べて大とされており、前記応力集中部位がホイールディスクの飾り穴、ボルト穴、ハブ穴の周囲を含んでいるホイールディスクを、板から揺動鍛造により成形する方法であって、揺動パンチにホイールディスクの板厚に変化をつけるための凹凸部を揺動パンチ周方向に複数箇所形成しておき該揺動パンチを、前記揺動パンチの軸芯まわりの回転を伴わずに、菊モーションの揺動をさせることにより揺動鍛造中の揺動パンチと周方向に板厚が変化するディスク素材との回転方向位置ずれを防止させて、ホイールディスクを成形するホイールディスクの製造方法。
【０００５】
上記（１）のホイールディスクの製造方法では、凹凸部を形成してある揺動パンチを用いてディスクを揺動鍛造するので、周方向に不均一となる板厚分布をもつディスクを成形することができる。
上記（１）のホイールディスクの製造方法では、揺動パンチに菊モーションを行わせることにより、揺動パンチと成形される材料の間で回転方向のずれが発生することを防止または抑制することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明実施例のホイールディスクを示しており、図２は本発明のもう一つの実施例のホイールディスクを示している。
一般のホイールでは、飾り穴のコーナＲ部、リムとディスクとの溶接結合部、ホイールの車両への取付け部などに応力が集中することが、有限要素法による解析の結果から知られている。加えて、これらの応力集中部位は打ち抜き等の塑性加工成形により作製されるため製造上からも切欠きが生じやすい部位でもある。したがって、これらの部位は疲労強度上、安定した高品質を確保しにくい部位である。
【０００７】
本発明実施例のホイールディスク１０は、板から成形によって作られるホイールディスクが対象であり、鋳造ホイールは含まない。本発明実施例のホイールディスク１０は、図１、図２に示すように、ホイールディスク周方向に不均一な板厚分布を有し、ホイールディスク周方向において応力集中部位の板厚が応力が集中しない部位の板厚に比べて大とされている。
【０００８】
図１のホイールディスク１０では、板厚を増大された応力集中部位は飾り窓１１の周りの部分１２であり、Ａ−Ａ断面に示すように、ディスク周方向において、この部分１２の板厚は部分１２の外側の部分１３の板厚より大とされている。ディスク半径方向には、Ｂ−Ｂ断面に示すように、応力が集中するディスクのハブへの取付け部１４の板厚を大としてあり、半径方向外周にいくに従って薄くすることが望ましい。ただし、半径方向の板厚変化はなくてもよい。
【０００９】
図２のホイールディスク１０は、バス、トラック用の大型ホイール用のホイールディスクであり、ハブへの取付け部１４は、隣接するナット座１５の間の部分に溝１７を作ってその肉を寄せることにより、板厚増大部１６としてある。ナット座１５のまわりの部分１６は応力が集中する部位でもあり、ディスク周方向において、溝１７より板厚が増大された板厚増大部となっている。
【００１０】
上記構造のホイールディスク１０は、周方向に板厚を変化させて応力集中部位の板厚を厚くしたので、その部分に応力が集中しても板厚が厚くなっている分応力が小さくなり、疲労強度が向上する。また、周方向全体にわたって板厚を厚くするものではないから、従来のように疲労強度を得るために周方向全体にわたって板厚を厚くする場合に比べて、強度を保証したまま、大幅な軽量化とコストダウンをはかることができる。
また、図２の構造の場合は、部分１６の板厚増大により応力を緩和させるほか、溝１７による板厚減少により取付けナットの緩みが抑制される。
【００１１】
板の成形から作製されたホイールディスクにおいて、周方向の板厚変化を有するホイールディスクが従来存在しなかった理由は、スピニング加工においては、ロールがワークに対して相対回転しながら加工するので、ワークを周方向に均一に加工してしまい、周方向に局部的に形状、板厚を変化させることができないからであり、また従来のプレス加工では全面加工と１回のプレスによる成形のために全応力集中部位を増厚するに必要な大きなプレス力を従来のプレス機で得ることができないからである。
しかし、本発明実施例の方法は、特殊な形状の揺動パンチを用いた揺動鍛造により、周方向の板厚変化を有するホイールディスクの製造を可能にし、しかも比較的小さな加工力での製造を可能にした。
【００１２】
本発明実施例のホイールディスクの製造方法は、図３〜図６に示すように、ホイールディスク周方向に不均一な板厚分布を有するホイールディスク１０を揺動鍛造により成形する方法であって、揺動パンチ２１にホイールディスク１０の板厚に変化をつけるための凹凸部２２を揺動パンチ周方向に複数箇所形成しておき、揺動パンチ２１を揺動させながらホイールディスク１０を成形する方法からなる。揺動パンチ２１の揺動においては、揺動パンチ２１が揺動パンチ軸芯２３まわりに回転されないまま、揺動パンチ軸芯２３を揺動鍛造装置２０の軸芯２４に対して揺動させる。
【００１３】
揺動パンチ軸芯２３の揺動鍛造装置軸芯２４に対する揺動は、図３において揺動パンチ軸芯２３を揺動鍛造装置軸芯２４まわりに回転させたときに図５において揺動パンチ軸芯２３が揺動鍛造装置軸芯２４に対して左右に揺動する回転モーションによって生じる揺動や、図６において揺動パンチ軸芯２３を揺動鍛造装置軸芯２４を中心にして菊の花びら状に運動させたときに揺動パンチ軸芯２３が揺動鍛造装置軸芯２４に対して揺動する菊モーションによって生じる揺動、などを含む。菊モーションの揺動では、揺動パンチ２１の加圧中心の軌跡も、図４に示すように菊の花びら状となる。
【００１４】
揺動鍛造においては、揺動パンチ２１の加圧領域２５（たとえば、図３の例ではハッチを施した領域）は揺動パンチ２１の揺動に従って順次移動し、ディスク素材のうち揺動パンチ２１の加圧領域にある部分のみが形状成形、板厚増減が行われる。この加圧成形領域はディスク周方向に一部に過ぎないので、従来のプレス成形のように周方向全域にわたって成形する場合に比べて、ディスク形状の成形およびディスク板厚の増減に要する荷重（成形力）は小さく、装置容量上から成形、板厚増減可能の範囲にある。
【００１５】
図３、図４は飾り窓があけられる部分とその周りの部分を含む部分を揺動鍛造において板厚を変化させたい部分２６とした場合を示している。揺動パンチ２１には部分２６と揺動鍛造時に加圧接触する部位に凹凸部２２が形成されている。凹凸部２２は部分２６が板厚を増大させたい部分（飾り窓の周りの部分）である場合には凹部からなり、部分２６が板厚を減少させたい部分（ナット座の間の部分）である場合には凸部からなる。揺動鍛造中に、板厚を変化させたい部分２６が加圧領域２５に入った時に、その部分２６は板厚を変化される。
【００１６】
揺動鍛造においては、揺動パンチ２１が揺動パンチ軸芯２３まわりに回転されないので、揺動パンチ２１の凹凸部２２とディスク素材の板厚を変化させたい部分２６との位置はずれないか、またはずれにくい。しかし、揺動パンチ２１の揺動パンチ軸芯２３まわりの回転は積極的に止められてはいないので、かつ揺動パンチ２１の凹凸部２２からの反力の周方向成分を受けてディスク素材が周方向にずれることもあるので、図３の回転モーションの揺動では、揺動パンチ２１の凹凸部２２とディスク素材の板厚を変化させたい部分２６との位置が揺動鍛造中にずれることがある。
【００１７】
しかし、図４の菊モーションの揺動鍛造では、とくに図６の球面軸受中心軌跡が描く菊の花びらが周方向に１周してきた時に軌跡の始端と終端とが一致する場合には、揺動パンチ２１の凹凸部２２とディスク素材の板厚を変化させたい部分２６との位置が揺動鍛造中にずれないことが、試験によって確かめられた。その理由は、揺動パンチ２１の凹凸部２２からの反力がディスク素材を周方向に押さないからであると考えられる。
したがって、揺動鍛造においては、ずれ防止の点から、揺動パンチ２１に菊モーションを行わせることが望ましい。
【００１８】
上記のホイールディスクの製造方法では、凹凸部２２を形成してある揺動パンチ２１を用いてディスクを揺動鍛造するので、周方向に不均一となる板厚分布をもつディスク１０を成形することができる。しかも、プレスに比べてはるかに小さな成形荷重で済む。
【００１９】
図５、図６は本発明実施例の、ホイールディスク周方向に不均一な板厚分布を有するホイールディスク１０を製造する、揺動鍛造装置２０からなる、ホイールディスク製造装置を示している。このホイールディスク製造放置は、一対の型と、揺動機構と、からなる。一対の型は、ホイールディスク１０の板厚に変化をつけるための凹凸部２２が揺動パンチ周方向に複数箇所形成された揺動パンチ２１および揺動パンチの対向型２７からなる。揺動機構は、球面軸受３２を介して揺動パンチ２１と連結され、２つのモータ２８、２９と２つの偏心ローター３０、３１を有し、揺動パンチ２１を揺動させる。
【００２０】
ホイールディスク製造装置は、さらに、揺動パンチ２１と対向型２７の一方を他方に向かって付勢する油圧シリンダ３３を有している。また、対向型２７はディスク素材が揺動鍛造中に半径方向に位置ずれを起こすことを防止するためのセンターガイド３４を有しており、ディスク素材のセンター穴はセンターガイド３４に係合される。揺動パンチ２１の凹凸部２２はホイールディスクの板厚を増減させたい部位に対応する部位に形成されており、図５では飾り窓の周り部分を板厚増大させるために揺動パンチ２１に凹部を形成した場合を示してある。
【００２１】
揺動パンチ２１は上方に延びるアーム２１ａを有している。また、球面軸受３２は、球面接触面で互いに摺動接触する内側部材と外側部材を有している。アーム２１ａはその上端部分で球面軸受３２の内側部材に保持されている。
偏心ローター３０は円形の外周面と円形の内周面とを有しており、偏心ローター３０の外周面と内周面とは互いに偏心している。同様に、偏心ローター３１は円形の外周面と円形の内周面とを有しており、偏心ローター３１の外周面と内周面とは互いに偏心している。
【００２２】
偏心ローター３０はその外周面で枠体３５によって回転自在に支持されており、偏心ローター３０と枠体３５との摺動接触面はベアリング３６となっている。偏心ローター３０の内周面に偏心ローター３１の外周面が摺動自在に接触しておりその摺動面はベアリング３７となっている。また、偏心ローター３１の内周面に球面軸受３２の外側部材の外周面が摺動自在に接触しておりその摺動面はベアリング３８となっている。偏心ロータ３１の内周面の中心と球面軸受３２の中心は一致している。ただし、球面軸受３２の外側部材と内側部材は互いに同心である。偏心ロータ３０はモーター２８によって回転され、偏心ローター３１はモーター２９によって回転される。
【００２３】
この構造によって、球面軸受３２の中心は、偏心ロータ３０、３１の回転角度の組み合わせることによって、とり得る最大円（図６の円）の内側で任意の位置をとり得る。したがって、揺動パンチ２１に任意の揺動（回転モーション、菊モーションなど）を行わせることができる。
【００２４】
偏心ローター３０が偏心量Ａ−Ｂ＝ｒ、偏心ローター３１が偏心量Ｃ−Ｄ＝ｒをもって、偏心ローター３０を正転、偏心ローター３１を逆転させた時、アーム２１ａの上端部の球面軸受３２の中心の軌跡（ｘ，ｙ）は、つぎの式で表される。
ｘ＝ｒ・ｃｏｓ（ωo ・ｔ）＋ｒ・ｃｏｓ（ωi ・ｔ−ωo ・ｔ）
ｙ＝−ｒ・ｓｉｎ（ωo ・ｔ）＋ｒ・ｓｉｎ（ωi ・ｔ−ωo ・ｔ）
ここで、ｔ：時間
ωo ：偏心ローター３０の角速度（時計まわり方向が正）
ωi ：偏心ローター３１の角速度（反時計まわり方向が正）
ｒ：偏心ローター３０の偏心量＝偏心ローター３１の偏心量
【００２５】
図６は菊モーションの場合の球面軸受３２の中心の軌跡（ｘ，ｙ）を示している。図６中、１、２、３、４、５の順に軌跡を描いていく。軌跡の始点と終点が一致して、綺麗な花びらとなるには、ｎを整数として、ωi とωo の間につぎの関係が成り立つように、ωi とωo を選定する。
ωi ＝ｎ・（ωi −２ωo ）
綺麗な花びら軌跡を描かせることによって、揺動鍛造中に揺動パンチ２１とディスク素材１０が回転方向に位置ずれを起こすことが防止されることが試験によって確かめられた。
【００２６】
上記製造装置は、揺動パンチ２１に周方向に複数箇所に、凹凸部２２を有していて、この揺動パンチ２１を揺動機構によって揺動させ、対向型２７を揺動パッチ２１側に付勢しつつ、ディスク素材を成形するので、ディスク素材の板厚を周方向に変化させることができ、ディスク素材に周方向に複数箇所、板厚増大部、または板厚減少部を成形することができる。とくに、揺動パンチ２１に菊モーションを行わせる場合は、揺動鍛造中の揺動パンチ２１とディスク素材１０の回転方向位置ずれを防止でき、綺麗な成形ができる。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１のホイールディスクの製造方法では、凹凸部を形成してある揺動パンチを用いてディスクを揺動鍛造するので、周方向に不均一となる板厚分布をもつディスクを成形することができる。
請求項１のホイールディスクの製造方法では、揺動パンチに菊モーションを行わせることにより、揺動パンチと成形される材料の間で回転方向のずれが発生することを防止または抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例のホイールディスクのＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面を伴なう部分正面図である。
【図２】  本発明のもう一つの実施例のホイールディスクのＣ−Ｃ断面を伴なう部分正面図である。
【図３】  本発明の一実施例のホイールディスクの製造方法における加圧軌跡の一例（回転モーション）を示すホイールディスクの正面図である。
【図４】  本発明の一実施例のホイールディスクの製造方法における加圧軌跡のもう一例（菊モーション）を示すホイールディスクの正面図である。
【図５】  本発明の一実施例のホイールディスクの製造装置の断面図である。
【図６】  図５の装置で菊モーションを行った時の球面軸受の中心の軌跡図である。
【図７】  従来のホイールディスクの製造工程図である。
【図８】  従来の製造方法で作製されたホイールディスクの部分断面図である。
【符号の説明】
１０  ホイールディスク
１１  飾り窓
２０  揺動鍛造装置
２１  揺動パンチ
２２  凹凸部
２６  板厚を変化させたい部分
２７  対向型
２８、２９  モーター
３０、３１  偏心ローター
３２  球面軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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