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JP2010270645A - インペラの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】成形体１Ｓの仕上処理に要する時間を大幅に短縮して、タービンインペラ１の一連の製造時間を短くすること。
【解決手段】射出成形用金型１９のキャビティ３７に金属粉末とバインダとの混合物を射出することにより、仕上前形状と相似形の成形体１Ｆを成形し、成形体１Ｆに含まれるバインダを脱脂し、成形体１Ｆを焼成して焼結させることにより、仕上前形状の成形体１Ｓを作製し、成形体１Ｓにおけるブレードの外縁に相当する部位１１Ｓ及びホイールの嵌合穴に相当する部位７Ｓに対して鍛造を行うことにより、成形体１Ｓをインペラ１の仕上形状に仕上げること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用過給機等の過給機に用いられるタービンインペラ等のインペラを製造するための製造方法に関する。
車両用過給機に用いられるタービンインペラは、背面中心部に車両用過給機におけるロータ軸（タービン軸）の端部と嵌合可能な嵌合穴が形成されたタービンホイールと、このタービンホイールの外周面に間隔を置いて一体形成された複数枚のタービンブレードとを備えている。また、タービンホイールの嵌合穴及びタービンブレードの外縁は、高い寸法精度及び形状精度に仕上げられている。そして、タービンインペラを製造するには、次のように行う。
即ち、精密鋳造によってタービンインペラの仕上前形状（中間形状）の成形体を作製する。続いて、成形体におけるタービンブレードの外縁に相当する部位及びタービンホイールの嵌合穴に相当する部位に対して機械加工を行うことにより、タービンブレードの外縁及びタービンホイールの嵌合穴を最終的に形成して、成形体をタービンインペラの仕上形状（最終形状）に仕上げる。以上により、成形体からなるタービンインペラの一連の製造を終了する。
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１に示すものがある。
特開２００１−２５４６２７号公報
ところで、タービンインペラの構成材料として使用されるインコネル等の耐熱合金は難加工材であって、機械加工によってタービンブレードの外縁等を高い寸法精度及び形状精度に仕上げることは非常に厄介である。そのため、機械加工による成形体の仕上処理（タービンインペラの仕上処理）に多くの時間を要し、一連のタービンインペラの製造時間が長くなり、タービンインペラの生産性（製造性）及びタービンインペラの製造の作業性を向上させることが困難であるという問題がある。
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のインペラの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の特徴は、背面中心部に過給機におけるロータ軸の端部と嵌合可能な嵌合穴が形成されたホイールと、このホイールの外周面に間隔を置いて一体形成された複数枚のブレードと備えてなるインペラを製造するための製造方法において、前記インペラの仕上前形状を反転する形状（相補する形状）と相似形の成形面を有した射出成形用金型を用い、前記射出成形用金型の前記成形面によって区画されるキャビティに金属粉末とバインダとの混合物を射出することにより、仕上前形状と相似形の成形体を成形する射出工程と、前記射出工程の終了後に、前記成形体に含まれる前記バインダを脱脂（除去）する脱脂工程（除去工程）と、前記射出工程の終了後に、前記成形体を焼成して焼結させることにより、前記成形体を仕上前形状まで熱収縮させて、仕上前形状の前記成形体を作製する焼結工程と、前記焼結工程の終了後に、鍛造用金型を用い、前記成形体における前記ブレードの外縁に相当する部位及び前記ホイールの前記嵌合穴に相当する部位に対して鍛造を行うことにより、前記ブレードの外縁及び前記ホイールの前記嵌合穴を最終的に形成して、前記成形体前記成形体を前記インペラの仕上形状に仕上げる鍛造工程と、
を具備したことを要旨とする。
なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「インペラ」には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるタービンインペラの他に、遠心力を利用して空気を圧縮するコンプレッサインペラが含まれる。また、「仕上前形状」とは、前記成形体を仕上げる直前の中間形状のことをいい、「仕上形状」とは、前記成形体を仕上げた後の最終形状のことをいう。
本発明の特徴によると、前記射出工程、前記脱脂工程、及び前記焼結工程を経ることによって仕上前形状の前記成形体が作製されているため、換言すれば、精密鋳造に比べて寸法精度及び形状精度に優れた金属粉末射出成形法によって仕上前形状の前記成形体が作製されているため、仕上前形状を前記インペラの仕上形状に極力近づけることができる。また、仕上前形状を前記インペラの仕上形状に極力近づけた上で、前記成形体における前記ブレードの外縁に相当する部位及び前記ホイールの前記嵌合穴に相当する部位に対して鍛造を行っているため、機械加工による仕上げを行うことなく、前記ブレードの外縁及び前記ホイールの前記嵌合穴を高い寸法精度及び形状精度に仕上げることができる。
本発明によれば、機械加工による仕上げを行うことなく、前記ブレードの外縁及び前記ホイールの前記嵌合穴を高い寸法精度及び形状精度に仕上げることができるため、前記成形体の仕上処理（前記インペラの仕上処理）に要する時間を大幅に短縮して、前記インペラの一連の製造時間を短くして、前記インペラの生産性（製造性）及び前記インペラの製造の作業性を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る射出工程及び射出成形用金型を説明する図である。 本発明の実施形態に係る脱脂工程を説明する図である。 本発明の実施形態に係る焼結工程を説明する図である。 本発明の実施形態に係る鍛造工程及び鍛造用金型を説明する図である。 本発明の実施形態に係るタービンインペラの側断面図である。 図６（ａ）は、仕上前形状の成形体の側断面図、図６（ｂ）は、仕上形状のタービンインペラの側断面図である。
本発明の実施形態に係るタービンインペラ、本発明の実施形態に係る射出成形用金型、本発明の実施形態に係る鍛造用金型、及び本発明の実施形態に係るインペラの製造方法について、図１から図６を参照して順次説明する。なお、図面中、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向、「Ｕ」は、上方向、「Ｄ」は、下方向を指してある。
図５に示すように、本発明の実施形態に係るタービンインペラ１は、車両用過給機に用いられ、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるものである。また、タービンインペラ１は、金属粉末射出成形によって成形された成形体１Ｆ（図２及び図３参照）を焼結してなるものであって、後述の射出工程、脱脂工程、焼結工程、鍛造工程を経ることによって製造されるものである。
タービンインペラ１は、タービンホイール３を備えており、このタービンホイール３の外周面は、タービンインペラ１（タービンホイール３）の軸方向から径方向外側に向かって延びている。また、タービンホイール３の背面中心部には、車両用過給機におけるロータ軸（タービン軸）５の端部と嵌合可能な嵌合穴７が形成されている。ここで、タービンインペラ１の回転バランスを十分に確保するため、タービンホイール３の嵌合穴７は高い寸法精度及び形状精度に仕上げられている。
タービンホイール３の外周面には、複数枚のタービンブレード９が周方向に間隔を置いて一体形成されている。また、各タービンブレード９の外縁１１は、車両用過給機におけるシュラウド（ハウジングのシュラウド又はハウジングの一部に相当するシュラウドリング）１３に沿うように延びてあって、各タービンブレード９の入口縁（上流縁）１５は、車両用過給機における可変ノズル１７（特開２０００−２６５８４４号公報参照）の径方向内側に位置している。ここで、車両用過給機のタービン性能を十分に確保するため、各タービンブレード９の外縁１１及び入口縁１５は、タービンホイール３の嵌合穴７と同様に、高い寸法精度及び形状精度に仕上げられている。
続いて、本発明の実施形態に係る射出成形用金型について説明する。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る射出成形用金型１９は、本発明の実施形態に係るインペラの製造方法の実施に用いられるものであって、射出成形用金型１９の具体的な構成は、次のようになる。
即ち、射出成形機における固定フレーム２１の左側面には、射出成形用一体型２３が着脱可能に設けられており、この射出成形用一体型２３は、左側に、タービンインペラ１の背面（タービンホイール３の背面）の仕上前形状（中間形状）を反転する形状（相補する形状）と相似形の副成形面２５を有している。また、射出成形機における左右方向へ移動可能な可動フレーム２７の右側面には、ガイドブロック２９が着脱可能に設けられており、このガイドブロック２９の右側面には、円錐台状の窪み３１が形成されている。そして、ガイドブロック２９の窪み３１には、複数（タービンブレード９の枚数と同数）の射出成形用分割型３３が径方向へ拡縮移動可能に設けられており、複数の射出成形用分割型３３は、射出成形用一体型２３に対向してあって、内側に、タービンインペラ１の背面を除くタービンインペラ１の大部分の最終形状を反転する形状と相似形の主成形面３５を有している。ここで、複数の射出成形用分割型３３は、射出成形用一体型２３と非接触状態にある場合に、可動フレーム２７を左右方向へ移動させると、射出成形用一体型２３に対して接近離隔する方向へ一体的に移動するようになっており、射出成形用一体型２３と接触状態にある場合に、可動フレーム２７を左右方向へ移動させると、径方向へ拡縮移動するようになっている。
射出成形用金型１９の型締め時に、射出成形用一体型２３の副成形面２５と複数の射出成形用分割型３３の主成形面３５によってキャビティ３７が区画されるようになっている。また、射出成形用一体型２３の副成形面２５には、ゲート３９が形成されており、射出成形用一体型２３の内部には、ゲート３９に連通したランナー４１が形成されてあって、ランナー４１は、射出成形機における射出ノズル４３にスプール４５を介して接続可能である。
続いて、本発明の実施形態に係る鍛造用金型について説明する。
図４に示すように、本発明の実施形態に係る鍛造用金型４７は、本発明の実施形態に係るインペラの製造方法の実施に用いられるものであって、鍛造用金型４７の具体的な構成は、次のようになる。
即ち、鍛造プレス機における支持フレーム４９の上側面には、鍛造用固定ブロック５１が着脱可能に設けられている。そして、鍛造用固定ブロック５１には、複数（タービンブレード９の枚数と同数）の鍛造用分割型５３が径方向へ拡縮移動可能に設けられており、複数の鍛造用分割型５３は、内側に、仕上前形状の成形体１Ｓにおけるタービンブレードの外縁に相当する部位１１Ｓ（図６（ａ）参照）に対して鍛造を行う外縁鍛造部５５、仕上前形状の成形体１Ｓにおけるタービンブレードの入口縁に相当する部位１５Ｓ（図６（ａ）参照）に対して鍛造を行う入口縁鍛造部５７を有している。また、鍛造プレス機における昇降可能（上下方向へ移動可能）なラム５９の下側面には、作動ブロック６１が着脱可能に設けられており、この作動ブロック６１の下側面には、円錐台状の窪み６３が形成されている。ここで、作動ブロック６１の窪み６３を複数8の鍛造用分割型５３に接触させた状態で、ラム５９を昇降させると、複数の鍛造用分割型５３は径方向へ拡縮移動するようになっている。
鍛造用固定ブロック５１における複数の鍛造用分割型５３の中心部には、鍛造用パンチ６５が昇降可能（換言すれば、鍛造用固定ブロック５１の厚み方向へ移動可能）に設けられており、この鍛造用パンチ６５は、先端側に、成形体１Ｓにおけるタービンホイールの嵌合穴に相当する部位７Ｓ（図６（ａ）参照）に対して鍛造を行う穴鍛造部６７を有している。また、鍛造用固定ブロック５１における鍛造用パンチ６５の下側には、鍛造用パンチ６５を押上げる押上げロッド６９が昇降可能に設けられており、この押上げロッド６９は、油圧シリンダ等のロッド昇降用アクチュエータ（図示省略）の駆動によって昇降するものである。
続いて、本発明の実施形態に係るインペラの製造方法について説明する。
本発明の実施形態に係るインペラの製造方法は、タービンインペラ１を製造するための方法であって、射出工程、脱脂工程、焼結工程、鍛造工程を備えている。そして、各工程の具体的な内容は、次のようになる。
(i)射出工程
図１に示すように、油圧シリンダ等のフレーム移動用アクチュエータ（図示省略）の駆動により可動フレーム２７を右方向へ移動させることにより、複数の射出成形用分割型３３を一体的に右方向へ移動させて、射出成形用一体型２３に接触させる。更に、フレーム移動用アクチュエータの駆動により可動フレーム２７を複数の射出成形用分割型３３に対して右方向へ移動させることにより、複数の射出成形用分割型３３を径方向内側へ収縮移動させて、射出成形用金型１９の型締めを行う。
射出成形用金型１９の型締めの完了後に、射出ノズル４３からスプール４５、ランナー４１、ゲート３９を経由してキャビティ３７に耐熱金属粉末（金属粉末の一例）と溶融状態のバインダとの混合物Ｍを射出して、キャビティ３７内にバインダを硬化させる。これにより、タービンインペラ１の仕上前形状と相似形の成形体１Ｆ（図２及び図３参照）を成形することができる。なお、バインダとしては、ポリスチレン，ポリメチルメタアクリレート等の複数種の樹脂とパラフィンワックス等のワックスとからなるものを使用する。
キャビティ３７内にバインダを硬化させた後に、フレーム移動用アクチュエータの駆動により可動フレーム２７を複数の射出成形用分割型３３に対して左方向へ移動させることにより、複数の射出成形用分割型３３を径方向外側へ拡張移動させる。更に、フレーム移動用アクチュエータの駆動により可動フレーム２７を左方向へ移動させることにより、複数の射出成形用分割型３３を一体的に左方向へ移動させて、射出成形用金型１９の型開きを行う。そして、適宜の離型処理を行うことにより、成形体１Ｆを射出成形用金型１９から取り外す。
(ii)脱脂工程（除去工程）
射出工程の終了後に、図２に示すように、脱脂炉用治具（図示省略）を用いて、成形体１Ｆを脱脂炉７１の所定位置にセットする。そして、脱脂炉７１内を窒素ガス雰囲気中に保ちつつ、脱脂炉７１のヒータ（図示省略）によって成形体１Ｆを所定の脱脂温度まで加熱する。これにより、成形体１Ｆに含まれるバインダを脱脂（除去）することができる。
なお、バインダを脱脂する手法は、前述の加熱脱脂に限るものでなく、溶出脱脂、溶剤脱脂等の別の手法を採用しても構わない。
(iii)焼結工程
脱脂工程の終了後に、図３に示すように、焼結炉用治具（図示省略）を用いて、成形体１Ｆを焼結炉７３の所定位置にセットする。そして、焼結炉７３内を真空雰囲気中に保ちつつ、焼結炉７３のヒータ（図示省略）によって成形体１Ｆを所定の焼結温度まで加熱して、成形体１Ｆを焼成して焼結させる。これにより、図３において仮想線で示すように、成形体１Ｆを高密度化して仕上前形状（中間形状）まで熱収縮させて、仕上前形状の成形体（焼結体）１Ｓを作製することができる。
(iv)鍛造工程
焼結工程の終了後に、図４に示すように、仕上前形状の成形体１Ｓを鍛造用金型４７の所定位置にセットする。そして、油圧シリンダ等のラム昇降用アクチュエータ（図示省略）の駆動によりラム５９を下降（下方向へ移動）させることにより、作動ブロック６１を一体的に下降させて、作動ブロック６１の窪み６１を複数の鍛造用分割型５３に接触させる。更に、ラム昇降用アクチュエータの駆動によりラム５９を複数の鍛造用分割型５３に対して下降させることにより、複数の鍛造用分割型５３を作動ブロック６１を径方向内側へ収縮移動させて、各鍛造用分割型５３の外縁鍛造部５５及び入口縁鍛造部５７によって成形体１Ｓにおけるタービンブレードの外縁に相当する部位１１Ｓ及び入口縁に相当する部位１５Ｓに対して鍛造を行う。また、ロッド押上げ用アクチュエータの駆動により押上げロッド６９を上昇（上方向へ移動）させて、鍛造用パンチ６５を押上げることにより、鍛造用パンチ６５の穴鍛造部６７によって成形体１Ｓにおける嵌合穴に相当する部位７Ｓに対して鍛造を行う。これにより、タービンブレード９の外縁１１、タービンブレード９の入口縁１５、及びタービンホイール３の嵌合穴７を最終的に形成して、成形体１Ｓをタービンインペラ１の仕上形状に仕上げることができる。
成形体１Ｓを仕上形状に仕上げた後に、ロッド押上げ用アクチュエータの駆動により押上げロッド６９を下降させて、鍛造用パンチ６５をタービンホイール３の嵌合穴７から離脱させる。また、ラム昇降用アクチュエータの駆動によりラム５９を複数の鍛造用分割型５３に対して上昇させることにより、複数の鍛造用分割型５３を作動ブロック６１を径方向外側へ拡張移動させる。更に、ラム昇降用アクチュエータの駆動によりラム５９を上昇させることにより、作動ブロック６１を一体的に上昇させて、作動ブロック６１の窪み６１を複数の鍛造用分割型５３に対して離反させる。これにより、タービンインペラ１を鍛造用金型４７から取り出すことができる。
以上により、成形体１Ｓからなるタービンインペラ１の一連の製造が終了する。
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
射出工程、脱脂工程、及び焼結工程を経ることによって仕上前形状の成形体１Ｓが作製されているため、換言すれば、精密鋳造に比べて寸法精度及び形状精度に優れた金属粉末射出成形法によって仕上前形状の成形体１Ｓが作製されているため、仕上前形状をタービンインペラ１の仕上形状に極力近づけることができる。また、仕上前形状をタービンインペラ１の仕上形状に極力近づけた上で、成形体１Ｓにおけるタービンブレードの外縁に相当する部位１１Ｓ、タービンブレードの入口縁に相当する部位１５Ｓ、及びタービンホイールの嵌合穴に相当する部位７Ｓに対して鍛造を行っているため、機械加工による仕上げを行うことなく、タービンブレード９の外縁１１、タービンブレード９の入口縁１５、及びタービンホイール３の嵌合穴７を高い寸法精度及び形状精度に仕上げることができる。
従って、本発明の実施形態によれば、成形体１Ｓの仕上処理（タービンインペラ１の仕上処理）に要する時間を大幅に短縮して、タービンインペラ１の一連の製造時間を短くして、タービンインペラ１の生産性（製造性）及びタービンインペラ１の製造の作業性を向上させることができる。
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、本発明の実施形態に係るインペラの製造方法の製造対象をタービンインペラ１からコンプレッサインペラ（図示省略）に変更する等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
１ タービンインペラ
１Ｆ 成形体
１Ｓ 成形体（焼結体）
３ タービンホイール
７ 嵌合穴
７Ｓ 嵌合穴に相当する部位
９ タービンブレード
１１ 外縁
１１Ｓ 外縁に相当する部位
１５ 入口縁
１５Ｓ 入口縁に相当する部位
１７ 可変ノズル
１９ 射出成形用金型
２１ 固定フレーム
２３ 射出成形用一体型
２５ 副成形面
２７ 可動フレーム
２９ ガイドブロック
３１ 絞り部
３３ 射出成形用分割型
３５ 主成形面
３７ キャビティ
４３ 射出ノズル
４７ 鍛造用金型
４９ 支持フレーム
５１ 鍛造用固定ブロック
５３ 鍛造用分割型
５５ 外縁鍛造部
５７ 入口縁鍛造部
５９ ラム
６１ 作動ブロック
６５ 鍛造用パンチ
６７ 穴鍛造部
６９ 押上げロッド
７１ 脱脂炉
７３ 焼結炉

Claims (3)

  1. 背面中心部に過給機におけるロータ軸の端部と嵌合可能な嵌合穴が形成されたホイールと、このホイールの外周面に間隔を置いて一体形成された複数枚のブレードと備えてなるインペラを製造するための製造方法において、
    前記インペラの仕上前形状を反転する形状と相似形の成形面を有した射出成形用金型を用い、前記射出成形用金型の前記成形面によって区画されるキャビティに金属粉末とバインダとの混合物を射出することにより、仕上前形状と相似形の成形体を成形する射出工程と、
    前記射出工程の終了後に、前記成形体に含まれる前記バインダを脱脂する脱脂工程と、
    前記射出工程の終了後に、前記成形体を焼成して焼結させることにより、前記成形体を仕上前形状まで熱収縮させて、仕上前形状の前記成形体を作製する焼結工程と、
    前記焼結工程の終了後に、鍛造用金型を用い、前記成形体における前記ブレードの外縁に相当する部位及び前記ホイールの前記嵌合穴に相当する部位に対して鍛造を行うことにより、前記ブレードの外縁及び前記ホイールの前記嵌合穴を最終的に形成して、前記成形体を前記インペラの仕上形状に仕上げる鍛造工程と、を具備したことを特徴とするインペラの製造方法。
  2. 前記射出成形用金型は、
    前記ホイールの背面の仕上前形状を反転する形状と相似形の副成型面を有した射出成形用一体型と、
    前記射出成形用一体型と対向し、前記射出成形用一体型に対して接近離隔する方向へ移動可能でかつ径方向へ拡縮移動可能であって、前記ホイールの背面を除く前記インペラの大部分の仕上前形状を反転する形状と相似形の主成形面を有した複数の射出成形用分割型とを備えてなることを特徴とする請求項１に記載のインペラの製造方法。
  3. 前記鍛造用金型は、
    鍛造用固定ブロックと、
    前記鍛造用固定ブロックに径方向へ拡縮移動可能に設けられ、前記成形体における前記ブレードの外縁に相当する部位に対して鍛造を行う外縁鍛造部を有した複数の鍛造用分割型と、
    前記鍛造用固定ブロックにおける複数の前記鍛造用分割型の中心部に前記鍛造用固定ブロックの厚み方向へ移動可能に設けられ、前記成形体における前記ホイールの前記嵌合穴に相当する部位に対して鍛造を行う穴鍛造部を有した鍛造用パンチと、を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインペラの製造方法。
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