CN100577327C - 增压机用叶轮的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在由邻接的一对长叶片划分的各空间中的轮毂面及翼片面上不存在分型线对应部、且空气动力学性能优良的金属模铸造的增压机用叶轮。本发明的制造方法中，作为金属模铸造的工序，在朝向中心轴以放射状多个排列具有短叶片形状的有底槽部、和邻接的一对长叶片间的空间形状的滑动金属模而划分的空间，将熔融金属铸造成形，然后使所述滑动金属模转动且使其沿中心轴的半径方向移动而脱模。由此，可提供在由邻接的一对长叶片划分的各空间中的轮毂面及翼片面上均不存在分型线对应部的增压机用叶轮。

Description

增压机用叶轮的制造方法
技术领域
本发明涉及一种增压机用叶轮及其制造方法，其应用于利用来自内燃机的废气输送压缩空气的增压机。
背景技术
目前，装入汽车等的发动机的增压机，通过利用来自发动机的废气使排气侧的叶轮旋转而带动同轴上吸气侧的叶轮旋转，将压缩空气供给到发动机从而提高发动机的功率。由于排气侧的叶轮暴露在从发动机排出的高温废气中，所以一般使用Ni基超耐热合金，由于形状也没有那么复杂，所以一直利用蜡模铸造法(lost wax process)制造。另一方面，由于吸气侧的叶轮不暴露在高温中，所以主要应用铝合金。为了提高压缩空气的压缩率，通常，该吸气侧的叶轮，大多做成将不同形状的长短两种叶片多个交替邻接配置的复杂的叶片形状。
最近，为了提高燃烧效率，要求吸气侧的叶轮更高速旋转，从而正在探讨特开2003-94148号公报(专利文献1)中公开的比铝合金更高强度的钛合金的应用。另外，在现有的铝合金制的叶轮中，为了谋求空气动力特性的改善，也对叶轮的叶片形状或尺寸精度的改善进行了研究。并且，比铝合金强度更高、比钛合金更轻的镁合金的应用也正在进行研究。
吸气侧的叶轮的制造应用蜡模铸造法时，有必要制作向金属模注射成形，而与制品实质上同一形状的消失性模型。例如，在专利文献1中，将叶片形状进行再设计以使模衬(滑动金属模)从消失性模型的叶片部引出，从而在专利文献1中提出：用表现为熔模铸造的蜡模铸造法制造的叶轮。该方案是能够比较廉价地大量生产钛合金制叶轮的优化方案。
在由铝合金和镁合金构成的铸件的制造中，多使用不易形成铸造缺陷、可以得到良好的尺寸精度，并且能够以高循环大量生产铸件表面光滑的铸件的金属模铸造法。金属模铸造法是将熔融或半熔融的熔融金属直接填充入金属模而形成铸件的铸造法。而且，金属模铸造法例如根据注向金属模的熔融金属的供给压力而区分为低压铸造法、重力铸造法、加压铸造法等。并且，金属模铸造法根据熔融金属的供给方式而区分为吸引铸造法、减压铸造法、注射铸造法等。特别是，给熔融金属加压并填充到金属模的加压铸造法通常还称为压模铸造法，由于浇铸性好不易产生冷却不均而被广泛应用。另外，将半熔融的熔融金属供给金属模的注射铸造法也称为thixo mold法，由于是相比于现有的压模铸造法将熔融金属温度低的半熔融金属在金属模中注射成形，从而能够减少成形体的收缩及裂纹等凝固缺陷，并且能够得到较高的尺寸精度。
作为用金属模铸造而制造的叶轮，例如，在特开2000-213493号公报(专利文献2)中公开了通过相对于轮毂部独立形成叶片部并结合而一体化的叶轮，而其为在叶片部没有根切(under cut)的简易形状的叶轮。另外，例如特开2004-291032号公报(专利文献3)中，公开了将由铝合金或镁合金构成的装饰品、各种容器、精密部件、照相机、计算机等精密设备的框架体，汽车部件、办公机械部件等各种成形品进行成形的成形机，但其适用的形状限于框架体等脱模容易的简易形状。
如上所述，吸气侧的叶轮做成具有长短两种叶片的复杂叶片形状的情况较多，特别是在叶片部具有根切的情况下不用现有的金属模铸造法，通常，适用在具有柔软性的橡胶模型中流入石膏制作铸型的石膏模法。该橡胶模型，首先制作叶轮单体的原型(master model)，在该原型中流入硅酮类橡胶而制作橡胶型，进而，在该橡胶型中注入硅酮类橡胶而制作橡胶模型，从而能够再现复杂形状，但与金属模铸造法相比，存在尺寸精度低的问题。
专利文献1：特开2003-94148号公报
专利文献2：特开2000-213493号公报
专利文献3：特开2004-291032号公报
本发明者进行了如下研究：吸取与石膏模法相比尺寸精度优良、铸件表面光滑美观、机械加工也少的金属模铸造法的优点，着眼于使蜡模铸造法中的消失性模型实质上与叶轮成为相同形状，将熔融金属直接注入消失性模型的成形用金属模而形成叶轮。但是，在由长叶片和短叶片交替邻接而形成的翼片所包围的空间，从中心轴向半径方向设置了根切的叶轮的情况下，铸造后的开模较难。此外，例如即使采用专利文献1的方法所用的消失性模型的成形用金属模，为了从二维移动的滑动金属模所铸造的叶轮拔出而对叶片形状进行再设计，叶片形状极端受到限制，制造具有高空气动力学性能的复杂形状的叶轮变得困难。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供可期待具有高的空气动力学性能的增压机用叶轮及其制造方法。
本发明者尝试将熔融金属在金属模中直接铸造而成形在半径方向形成了根切的形状的叶轮，并对在铸造的金属模中应用具有特定结构的滑动金属模、和其脱模动作的最佳化进行研究，从而完成了本发明。
即，在本发明的增压机用叶轮的制造方法中，所述增压机用叶轮由金属模铸造而成，具有从中心轴沿半径方向扩展的盘形状的轮毂、从该轮毂延伸的多个翼片，所述翼片由具有空气动力学曲面的长叶片和短叶片以交替邻接关系排列而成，并且在翼片所包围的空间从中心轴沿半径方向形成有根切，其中，所述金属模铸造的工序为如下工序：在朝向中心轴以放射状多个排列具有短叶片形状的有底槽部、和邻接的一对长叶片间的空间形状的滑动金属模而划分的空间，将熔融金属铸造成形，然后使所述滑动金属模转动且使其沿中心轴的半径方向移动而脱模。
在本发明中，金属模铸造的工序所用的金属模装置，具备可在中心轴线方向开闭移动的可动金属模、固定金属模、以及可相对中心轴沿半径方向移动的多个滑动金属模、在各滑动金属模上支承该滑动金属模的滑动支承件，可通过驱动各滑动支承件而使所述多个滑动金属模连动。
另外，滑动金属模可通过接合多个型芯(即，多个构成部件)而构成为一体。而且，优选使各个滑动金属模从铸造成形的叶轮脱模的动作路线，由叶轮的中心轴成为垂线的二维平面的XY坐标上的第一动作路线、包括该XY坐标上的动作路线旋转的旋转分量的第二动作路线构成。
根据上述制造方法，能够在由翼片包围的空间，只在构成长叶片的外周边的后沿面、角部过渡面、及前沿面形成分型线对应部。由此，能够得到在翼片所包围的空间的轮毂面及翼片面上均不存在分型线对应部的空气动力学性能优良的新型的增压机用叶轮。
即，本发明的增压机用叶轮，由金属模铸造而成，具有中心轴、从中心轴沿半径方向扩展的盘形状的轮毂、从该轮毂延伸的多个翼片，所述翼片由具有空气动力学曲面的长叶片和短叶片以交替邻接关系排列而成，并且从中心轴沿半径方向形成有根切，其特征在于，在由邻接的一对长叶片划分的各空间，只在构成长叶片的外周边的后沿面、角部过渡面、及前沿面具有分型线对应部。
在本发明中，通过在金属模中对铝合金进行铸造，可以制成铝合金制的增压机用叶轮。另外，本发明不用铝合金也可以，也可以适用其它的镁合金等一般的铸造材料。
本发明的叶轮可以作为增压机的吸气侧的叶轮而使用。这种情况下，尤其是适用铝合金和镁合金这样的轻量的铸造材料。另外，镁合金具有比铝合金更轻且比强度更大的特点，因此，尤其适于本发明。
(发明效果)
根据本发明，能够提供在翼片所包围的空间的轮毂面及翼片面上不存在分型线对应部、且具有优良的空气动力学性能的增压机用叶轮，其在工业上极为有效。
附图说明
图1是表示增压机用叶轮的一例的模式图；
图2是翼片的一例的简略图；
图3是表示金属模装置的一例的整体图；
图4是表示固定金属模的一例的主要部分透视图；
图5是表示滑动金属模的一例的模式图；
图6是表示滑动金属模与滑动支承件的接合构造的一例的侧视图；
图7是表示滑动金属模的脱模动作的一例的模式图；
图8是表示使滑动金属模可连动的构成的一例的模式图。
具体实施方式
如上所述，本发明的重要特征在于，尝试应用将熔融金属直接填充到金属模中而成形从中心轴沿半径方向形成了根切的形状的金属模铸造法来进行制造，在铸造熔融金属的金属模中应用具有特定结构的滑动金属模、和将其脱模动作进行了最佳化。
具体来说，作为金属模铸造工序，在朝向中心轴以放射状多个排列具有短叶片形状的有底槽部、和邻接的一对长叶片间的空间形状的滑动金属模而划分的空间，将熔融金属铸造成形，然后使所述滑动金属模转动且使其沿中心轴的半径方向移动而脱模的工序。
本发明的重要特征之一的滑动金属模，其为具有短叶片形状的有底槽部和邻接的一对长叶片间的空间形状的金属模，并且能够由一个滑动金属模成形包含短叶片的长叶片间的空间，简单地表现则为2片长叶片的空间。即，短叶片形状的有底槽部成为使短叶片成形的空腔，将多个滑动金属模向中心轴以放射状配置而划分的空间，成为确定长叶片及中心轴形状的空腔。由此，能够形成与所述增压机用叶轮实质上同一形状的空腔。
这样通过用单一滑动金属模划分2片长叶片的空间，能实现金属模的简单化，同时在该空间内，可以只在构成长叶片的外周边的后沿(trairingedge)面、角部过渡(fillet)面、及前沿(leading adge)面上设置分型线对应部。由此，在该空间不存在分型线，因而，在得到的铸造叶轮的翼片所包围的空间的轮毂面及翼片面上不存在分型线对应部。
在本发明中，是在这样配置的滑动金属模中将熔融金属铸造成形，但由于将在半径方向形成了根切的形状看作对象，所以即使在沿中心轴的半径方向形成的二维空间上移动滑动金属模而要脱模，也无法进行脱模。
因此，在本发明中，使所述滑动金属模一边转动一边沿中心轴的半径方向移动而进行脱模。即，对于滑动金属模从所铸造的叶轮脱模的动作路线，在叶轮的中心轴成为垂线且沿半径方向扩展的二维平面的XY坐标上的动作所构成的动作路线上，加上该XY坐标上的动作所构成的动作路线轨迹的旋转分量，由此，即使是在半径方向上形成了根切的形状，也能够进行脱模。另外，根据翼片形状等，还可加上使滑动金属模进一步沿中心轴方向即Z坐标方向移动的动作。
由上述制造方法得到的增压机用叶轮，由于翼片所包围的空间的轮毂面及翼片面均不存在分型线对应部，因此成为空气动力学性能优良的增压机用叶轮。
其次，举出具体例并基于附图说明本发明的增压机用叶轮。首先，举一例说明有关增压机用叶轮的形状。图1是内燃机用增压机所使用的具有长叶片和短叶片交替邻接而形成的翼片的增压机用叶轮1的模式图，图2是叶轮1的翼片简略图(为了明确化，只记载了2片长叶片和1片短叶片)。从中心轴20沿半径方向扩展的轮毂面2上，分别以放射状突出设置有多片长叶片3和短叶片4，长叶片3和短叶片4在表面和里面分别具有复杂的空气动力学曲面形状的翼片面5。
在图1中，翼片面5是不含相当于长叶片3、短叶片4各自的半径方向的外周面的后沿面21及角部过渡面22、还有相当于长叶片3、短叶片4各自的最上部的前沿面23的曲面部。并且，由长叶片3、短叶片4构成的翼片所包围的空间的轮毂面2及翼片面5与图2的斜线部的空间10对应。
另外，本发明中所说的翼片面是指，例如在图1所示的增压机用叶轮1中，不含构成长叶片3的外周边的后沿面21及角部过渡面22、还有成为长叶片的最上部的前沿面23的曲面部。
此外，本发明所说的分型线意味着熔融金属进入在金属模的分型面形成的台阶及金属模的分型部分，由此产生的线状轨迹。
另外，作为应用于本发明的具有短叶片形状的有底槽部和邻接的一对长叶片间的空间形状的滑动金属模，只要是在与所铸造的叶轮脱模时可一体移动即可。此外，滑动金属模既可以是将滑动金属模制作为一体，也可以是在制作多个型芯后用螺栓紧固及焊接等接合而一体化。例如，在图5所示的滑动金属模8中，将两个型芯25、26在接合面27处接合而构成为一体。这是因为若要得到作为有底槽部的薄壁曲面形状的短叶片的空腔形状，只进行槽加工难以实现的情况也较多，通过分型就可使滑动金属模的制造变得容易。
应用将熔融金属直接在金属模中铸造而成形图1的增压机用叶轮的铸造法，用以下的工序进行制造。首先，准备在金属模中铸造的熔融金属，其次，将熔融金属供给到铸造机中，在金属模中将熔融金属铸造成形后，如图7所示移动金属模并开模，从而将铸造成形的成形体18即叶轮脱模。该铸造的叶轮的脱模工序在本发明的制造方法中是最重要的工序。
图3所示为一例应用于本发明的金属模装置。金属模由在叶轮的中心轴线20的方向上开闭自如的可动金属模6、固定金属模7及相对于叶轮的中心轴线20可在半径方向移动的多个滑动金属模8、支承这些的多个滑动支承件9构成。
另外，图4为固定金属模7的主要部分透视图(为了明确化，只记载滑动金属模8和滑动支承件9各一个)，图5是滑动金属模8的模式图。一个滑动金属模8由轮毂空腔划分部11、翼片空腔划分部12、及有底槽部13(用虚线记载)的部分构成。轮毂空腔划分部11划分含有一个短叶片并且邻接的一对长叶片间的空间的轮毂面2。翼片空腔划分部12划分邻接的一对长叶片的相对的两个翼片面5、和在翼片所包围的空间中形成分型线的后沿面21、角部过渡面22、前沿面23。而且，有底槽部13划分短叶片。即，一个滑动金属模8划分相当于图2的斜线部所示的空间10的形状。
另外，图6是表示滑动金属模8和滑动支承件9的接合构造的侧视图。滑动金属模8以经由设置在固定销16的前端的轴承15的旋转轴线14为旋转中心，旋转自如地安装于固定在滑动支承件9上的固定销16，从而与滑动支承件9连结。
根据这种构造，滑动金属模8以旋转轴线14为中心，阻力小且可容易地旋转。而且，如图4所示，在固定金属模7中，在滑动金属模8的半径方向的可动范围内的底面上设置有环状支承板17，滑动金属模8由支承板17支承。该支承板17可向叶轮的中心轴线20方向移动。而且，在可动金属模6和固定金属模7的开模之际，使支承板17向离开滑动金属模8的一侧移动，形成使滑动金属模8旋转自如的结构，此时，滑动金属模8只由滑动支承件9支承。另外，在合模时，使支承板17返回到原有位置，成为约束滑动金属模8的旋转的结构。
在本发明中，滑动金属模的旋转轴线的确定是重要的。作为具体的方法，可以预先通过使用了CAD/CAM的三维模型评定图2所示的空间10的半径方向的根切。另外，作为其它的方法，首先制作包括夹着一个短叶片而邻接的一对长叶片的部分模型，使树脂等流入该部分模型而得到评定用模型。而且，即使实际上从部分模型尝试拔出该评定用模型也能够进行评定。根据上述方法等，确定从叶轮脱模必须的成为滑动金属模8的动作路线的旋转轴线14。另外，优选评定不与叶轮接触的完全的根切方向，但由于实际上在铸造后的冷却中已成形的成形体18产生若干收缩，因此，滑动金属模和成形体18之间存在数十微米到数百微米的空间。此外，有时成形体18自身也有可能产生若干弹性变形，在CAD/CAM解析的阶段，即使滑动金属模8的动作路线相对于叶轮有某种程度的干涉，也能够在对尺寸精度没有影响的情况下进行脱模。
在本发明中，上述旋转轴线14根据根切的方向而并非一定要与叶轮的中心轴线20垂直，并且，也不必与中心轴线20相交。例如，滑动金属模8也可以与中心轴线20方向呈几度的角度而使其后退移动。
如图3所示，将上述滑动金属模8按叶轮的空间10的个数环状配置在固定金属模7上，通过使各个滑动金属模8和可动金属模6以及固定金属模7进行合模密接，由此划分相当于叶轮1的形状的空腔。而且，使用注射成形铸造机等铸造机将熔融或半熔融状态的熔融金属填充到该空腔中而成形。
其次，对脱模时从铸造成形的成形体18沿半径方向后退移动滑动金属模8时的具体的动作进行说明。铸造成形后，如图3所示，使可动金属模6从固定金属模7分离后使其继续移动而开模。然后，使支承板17向从滑动金属模8离开的一侧移动，只由滑动支承件9支承滑动金属模8，从而使滑动金属模8旋转自如。而且，如图4所示，将滑动支承件9沿在固定金属模7的上面以放射状形成的多个槽19向中心轴线20的半径方向引出。此时，如图6所示，在滑动支承件9的底部设置导向销24，从而还能够引导滑动支承件9。
如图6所示，滑动金属模8经由设置在旋转轴线14上的轴承15而用固定销16连结在滑动支承件9上，因此，沿叶轮的长叶片及短叶片的表面形状以旋转轴线14为中心，阻力小且自然地旋转而脱模。另外，轴承15由内外环构成，内环固定在固定销16上，外环固定在滑动金属模8上。
图7表示其具体的旋转动作。另外，在图7中，为了方便，对滑动金属模8划分相当于图2所示的空间10的空腔的部分标注了阴影线。这是为了说明滑动金属模8的脱模动作。图7(a)～(d)表示滑动金属模8从成形体18脱模的状态。伴随脱模，滑动金属模8一边沿中心轴线20的半径方向后退移动，一边以旋转轴线14为中心旋转，最终如图7(d)那样脱模。这样一来，在由翼片包围的空间，只在构成长叶片3的外周边的后沿面21、角部过渡面22、以及前沿面23上形成分型线对应部。即，能够得到在相当于图2所示的空间10的轮毂面2及翼片面5的部位不存在分型线的叶轮。
此外，作为滑动支承件9的移动方法，可以采用以下方法：通过手动使各个滑动支承件后退移动的方法，或优选的滑动支承件9通过连动的结构一体化，同时从叶轮拔出滑动金属模8的方法。例如图8所示，由固定金属模上基座30、固定金属模下基座31、及具有凸轮槽33的凸轮板32构成固定金属模7。而且，使各个滑动支承件9的导向销24与固定金属模上基座30的槽19和所述凸轮槽33连通而使其一体化。而且，将连接有电机及加压驱动缸等驱动装置(未图示)的驱动杆34设置在所述凸轮板32上，经由该驱动杆34驱动凸轮板32，由此使各个滑动支承件9一体化并连动，由此，能够使各个滑动金属模8脱模。进而，还优选自动控制滑动支承件的移动动作。
如上所述铸造成形后，从成形体18中去除不需要的流道、浇口、毛刺等，由此可得到本发明的增压机用叶轮。此外，还可以对得到的叶轮进行镀敷或涂装等表面处理。
由此，可以得到在由翼片包围的空间的轮毂面以及翼片面上均不存在分型线对应部的增压机用叶轮。
在本发明中，只要熔融金属的制造适用于使用的合金，则哪一种方法都可以，但是，例如使用铝合金或镁合金时，只要使用气体式等的直接加热炉或电气式等的间接加热炉、设置在铸造机上的溶解坩埚等来进行溶解即可。而且，熔融金属只要在大气中或惰性气体气氛中处理即可。其次，只要将熔融金属供给到铸造机中，并以具有适于铸造的温度及流动性的熔融或半熔融的状态在金属模中铸造即可。这时，铸造的温度、压力、速度、以及铸造后的冷却形式等的铸造成形条件，只要以适合熔融金属、叶轮形状、铸造机等的方式进行选择即可。另外，将熔融金属在金属模中铸造时，如果应用吸引铸造法及减压铸造法或加压铸造法，则即使叶轮的薄壁部也能够得到良好的浇铸性，故适宜。此外，thixo mold法因成形体的收缩及裂纹等凝固缺陷少而适宜。
(产业上的可利用性)
本发明的叶轮应用于利用来自内燃机的废气输送压缩空气的增压机。

Claims (7)

1、一种增压机用叶轮的制造方法，所述增压机用叶轮由金属模铸造而成，具有从中心轴沿半径方向扩展的盘形状的轮毂、从该轮毂延伸的多个翼片，所述翼片由具有空气动力学曲面的长叶片和短叶片以交替邻接关系排列而成，并且在翼片所包围的空间从中心轴沿半径方向形成有根切，其中，
所述金属模铸造的工序为如下工序：在由多个从中心轴线沿半径方向向外扩展排列的滑动金属模划分的空间内，将熔融金属铸造成形，所述滑动金属模具有用于形成短叶片的有底槽部、和与邻接的一对长叶片间的空间形状相对应的表面形状，然后使所述滑动金属模转动且使其从铸模中心轴沿半径方向向外移动而脱模。
2、如权利要求1所述的增压机用叶轮的制造方法，其中，
所述金属模铸造的工序所用的金属模装置，具备可在所述中心轴线方向开闭移动的可动金属模、固定金属模、以及可相对所述中心轴线沿半径方向移动的所述滑动金属模、支承该滑动金属模的滑动支承件，可通过驱动该滑动支承件而使所述滑动金属模与所述滑动支承件连动。
3、如权利要求1或2所述的增压机用叶轮的制造方法，其中，
所述滑动金属模包括多个相互接合为一体的型芯。
4、如权利要求1或2所述的增压机用叶轮的制造方法，其中，
使每个所述滑动金属模从铸造成形的叶轮脱模的动作路线，由叶轮的中心轴成为垂线的二维平面的X-Y坐标上的第一动作路线、和包含围绕该X-Y坐标上的所述第一动作路线旋转的旋转分量的第二动作路线构成。
5、如权利要求1或2所述的增压机用叶轮的制造方法，其中，
在金属模中对铝合金进行铸造。
6、如权利要求1或2所述的增压机用叶轮的制造方法，其中，
在金属模中对镁合金进行铸造。
7.如权利要求1或2所述的增压机用叶轮的制造方法，其中，
所述增压机用叶轮用在增压机的吸气侧。
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