CN102428258A - 用于增压器的叶轮的制造方法 - Google Patents

Abstract

具备在轴方向上延伸的轮部和在上述轮部的周围排列的多个叶片的叶轮如下制造，组装具有适合成形上述叶轮的外径的内腔且能够分割成多个的铸型，向上述铸型内注射包含由金属或陶瓷构成的粉末和粘合剂的混练物，成形生坯，对上述生坯进行脱脂及烧结以得到烧结物，在具有适合修正上述叶轮的外形的内腔的模具内，装入上述烧结物，通过对上述模具进行加压而修正上述叶轮的外形。

Description

用于增压器的叶轮的制造方法

技术领域

本发明涉及用于增压器的叶轮的制造方法。

背景技术

在内燃机发动机中，以送入更多的空气为目的，经常使用增压器。增压器具备压缩机，通过驱动压缩机来对空气进行加压并将其提供给发动机。在被称为涡轮增压器的形式的增压器中，具备接受发动机的排气的涡轮，而且由涡轮从排气摄取的能量驱动压缩机。另一方面，在狭义的增压器(超级增压器)中，发动机的曲轴与压缩机连接，并驱动该压缩机。

涡轮增压器的涡轮具备用于将气流转换为旋转力的叶轮。通常，叶轮由围绕旋转轴的轮和从轮向径向延伸的多个叶片构成。各叶片相对于轴方向具有斜度，而且具有机翼形状，因此受到排气的气流而旋转，由此能够从排气中摄取能量。为了达到高的空气动力学的特性，叶片需要精密地形成复杂的形状。而且，由于涡轮进行竟达到数十万rpm的高速旋转，因此极小的形状变形也可能成为异常旋转的原因。因此，在制造上需要极高的精度，其允许公差根据部位仅为数十μm。

另一方面，由于涡轮叶轮暴露在高温的排气中，因此必须承受例如800℃左右的高温。因此，例如需要使用耐热合金，而这本质上极其难加工，所以难以使用大部分依赖于机械加工的一般的工艺。为了减小对机械加工的依赖性，在制造涡轮叶轮时，作为一个例子应用根据精密铸造的一体成形，但例如像各叶片的周缘那样的需要锋利形状的部位无法仅通过铸造来实现。即使使用精密铸造，也无法省略由机械加工进行的精加工。

相关技术公开在日本专利公开公报2001-254627号中。

发明内容

本发明人为了不进行精加工而能精密地制造复杂形状，正在研究将粉末注射成形应用于涡轮叶轮的制造。虽然在精密地实现如同叶片那样的壁薄且锋利的形状方面，能够得到满意的结果，但是发现在烧结的过程中容易产生极小变形的问题。本发明是为克服这种问题而做出的。

根据本发明的第一方案，制造叶轮的方法如下，该叶轮具备在轴方向上延伸的轮部和在上述轮部的周围排列的多个叶片：组装具有适合成形上述叶轮的外径的内腔且能够分割成多个的铸型，向上述铸型内注射包含由金属或陶瓷构成的粉末和粘合剂的混练物，成形生坯，对上述生坯进行脱脂及烧结以得到烧结物，在具有适合修正上述叶轮的外形的内腔的模具内，装入上述烧结物，通过对上述模具进行加压而修正上述叶轮的外形。

根据本发明的第二方案，叶轮具备在轴方向上延伸的轮部和在上述轮部的周围排列的多个叶片，上述叶轮如下制造：组装具有适合成形上述叶轮的外径的内腔且能够分割成多个的铸型，向上述铸型内注射包含由金属或陶瓷构成的粉末和粘合剂的混练物，成形生坯，对上述生坯进行脱脂及烧结以得到烧结物，在具有适合修正上述叶轮的外形的内腔的模具内，装入上述烧结物，通过对上述模具进行加压而修正上述叶轮的外形。

附图说明

图1是说明注射成形本发明的一实施方式的叶轮的工序的图，是铸型及生坯的剖视图。

图2是表示对上述生坯进行脱脂的步骤的示意性剖视图。

图3是表示对已脱脂的上述生坯进行烧结的步骤的示意性剖视图。

图4是说明上述实施方式的修正工序的剖视图。

图5是上述实施方式的叶轮的剖视图。

图6是说明由上述修正工序引起的上述叶轮的形状变化的剖视图，(a)表示修正前，(b)表示修正后。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施方式。为了便于说明，在图中以L、R表示的方向分别作为左方向、右方向，以U、D表示的方向分别作为上方向、下方向，而这些表示方法不构成对本发明的限定。

本发明的一实施方式的叶轮能够用于例如车辆用的涡轮增压器，当然也能用于其他用途。以下为了便于说明，对涡轮增压器的涡轮叶轮的情况进行说明。

涡轮增压器大致包括涡轮部、轴部和压缩机部。涡轮叶轮起到在涡轮部从发动机的排气中摄取能量，并转换为旋转动能的作用。该旋转动能通过轴部的轴传递到压缩机部，利用压缩机部压缩空气并向发动机输出。

参照图5，轴的轴方向左端与涡轮叶轮1的右端的底座7以能够围绕轴一起旋转的方式结合。该结合利用焊接，但如果可以的话也可以使用钎焊或嵌合等其他方法。

涡轮叶轮1由通过后述的粉末注射成形而成形为一个整体的金属或陶瓷构成，并且具备在轴方向上延伸的轮部3、从轮部3向径向延伸的多个叶片9。叶片9的周围由涡轮壳体的护罩13包围，为了其旋转不受干扰，各叶片9的各外边缘11相对于护罩13的内表面确保适当的间隙。而且，护罩13具有将来自发动机的排气向叶片9引导的喉部，喉部在周方向上包围叶片9的右端侧。在喉部也可以设置可变喷嘴17来调节其开度。排气经由喉部引导到叶片9之间，并对涡轮叶轮1提供旋转动能之后，向位于图5左方的排气口排出。

多个叶片9与轮部3一体成形，并在轴的周围以等间隔排列。如果可以的话也可以不是等间隔。各叶片9为了受到排气的气流而产生转矩，相对于轴的方向具有斜度，而且优选具有机翼形状。由此，涡轮叶轮1从排气中摄取能量，能够驱动轴9。为了使气流的迂回变得最小，各叶片9的各外边缘11接近护罩13。

如上所述，轮部3在其右端具有底座7。底座7既可以是比轮部3的右端稍微后退的凹坑，也可以是向轮部3的内部进入相当程度的孔。或者如果可以的话，也可以是贯通至左端的孔。优选设有从底座7的边缘向右方突出的周壁。总之，底座7为了与轴9的左端嵌合而构成。

涡轮叶轮1通过粉末注射成形来制造。以下参照图1说明用于粉末注射成形的装置。

在粉末注射成形中使用铸型19和注射成形机。注射成形机具备用于支撑铸型19的固定支架21及可动支架27。此外，注射成形机具有未图示的注射机、注射喷嘴43、用于驱动可动支架27的驱动器等。

铸型19由SKD11(JIS G 4404)等适当的金属构成，并且能够适当地分割。在图1的例子中，铸型19被分割成台架23和外铸型33，外铸型33在周方向上再分割成多个。台架23的成形面25与外铸型33的成形面35的组合，分隔成适合成形涡轮叶轮1的外形的内腔37。而且台架23具有适合成形底座7的结构。由于通过烧结产生20％左右的体积收缩，因此铸型19及台架23考虑这种体积收缩而设计。

优选在铸型19与可动支架27之间插入块体29。块体29具有圆锥形的凹面31，铸型19具有与此对应的锥面。若通过凹面31与锥面抵接，可动支架27对铸型19进行加压，则外铸型33的各部分在周方向上彼此紧密接触。而且优选具备用于使外铸型33分别向径向移动的驱动器。该驱动器也可以构成为与可动支架27同步地驱动外铸型33。

固定支架21还具备与注射喷嘴43连通的直浇道97，台架23具有与直浇道97连通而使注射物通过的横浇道41及浇口39。横浇道41以贯通台架23的方式设置。浇口39向内腔37的右端设置开口。浇口39、直浇道97也可以代替台架23或者加上台架23，设置在外铸型33或其他要素上。

在进行了粉末注射成形及烧结之后，通常，为了修正表面及形状使其与规定尺寸及允许误差范围一致，进行修正工序。以下参照图4说明用于修正工序的装置。

在修正工序中使用模具47和冲压装置。作为冲压装置，能够使用适当能力的一般的冲压装置。冲压装置具备用于支撑模具47的块体和持有加压力并能够向铅垂方向移动的压头59。

模具47由SKD11(JIS G 4404)等适当的金属构成，并且能够适当地分割。在图4的例子中，模具47被分割为基台51和外模具53，外模具53在周方向上再分割成多个。模具47的基台51安放在块体上，然后在基台51上安放外模具53。基台51的上表面与外模具的内表面53的组合，分隔出内腔。该内腔具有与涡轮叶轮1的最终形状的外形一致的形状。或者，也可以在与修正无关的部位，对最终形状的外形赋予余量。即，由于内腔具有这种形状，因此是适合于修正烧结后的涡轮叶轮1S的外形的形状。外模具53在周方向上分割成多个要素，各要素分别插入到各叶片9S之间，邻接的各对要素夹持各叶片9S。而且，在被分割的外模具53的各要素中，部位55对应于叶片9S的部位11S(参照图6的(a))，部位57对应于叶片9S的部位15S(参照图6的(a))。

优选在模具53与压头59之间插入块体61。块体61具有圆锥形的凹面63，模具53具有与此对应的锥面。若通过凹面63与锥面抵接，压头59被下压，则在外模具53的各要素上作用彼此紧密接触的方向的力。或者，也可以设置向径向驱动各要素的驱动器。

优选在基台51上设置与底座7的形状吻合的冲头65。冲头65与贯通基台51的杆69连接，杆69被液压缸等驱动器驱动而升降。冲头65按压烧结物1S的部位67，并且在部位67实现底座7的形状。

涡轮叶轮1的制造包括以下各工序。

首先进行注射物M的混练。该注射物M适合使用金属粉末或陶瓷粉末与粘合剂的混合物。

作为金属粉末或陶瓷粉末，能够按照所要求的特性利用各种原材料的粉末。考虑到涡轮叶轮所需的耐热性，能够举出例如Ni基耐热合金(INCONEL713C、IN100、MAR-M246等)的粉末或氮化硅、硅铝氧氮耐热陶瓷等陶瓷粉末。

作为粘合剂，能够使用公知的粉末注射成形用粘合剂。作为这种粉末注射成形用粘合剂，例如能够适合使用例如在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等热塑性树脂中添加了石蜡等添加物的物质。该粘合剂在注射后固化之后，保持注射物的状态直至后述的脱脂工序，在脱脂工序中分解并蒸发，其痕迹不留在烧结物中。

金属粉末或陶瓷粉末与粘合剂的混合物加热至例如100至150℃，进行混练。混练的温度能够根据混练物的组成适当选择。在混练后，适当冷却而得到注射物M。

在准备注射物M之后，在固定支架21上安放台架23及外铸型33的各要素。也可以在这些部件上预先涂敷公知的分型剂。利用驱动器将外铸型33向径向内侧移动，使外铸型33的各结构要素彼此抵接。然后将其抵接块体29，利用可动支架27进行加压。也可以使根据驱动器的外铸型33的移动与可动支架27的移动同步。由此，外铸型33和台架23彼此紧密接触，从而组装成铸型19。

注射物M为了使其具有充分的流动性而加热至例如160至200℃，并且在以100MPa左右加压的同时通过注射喷嘴43注射到铸型19内。加热温度及注射压力可以根据混练物的组成适当选择。通过适当冷却而使注射物固化，成形生坯1F。

然后，通过驱动驱动器，可动支架27从铸型19分开，而且外铸型33从生坯1F分开。

如上所述，成形的生坯1F考虑到烧结引起的收缩，比最终形状以体积比大20％左右。生坯1F具备在烧结后成为底座7的部位7F，这也比最终形状以体积比大20％左右。

参照图2，该生坯1F被导入适当的可控气氛炉71中。在炉内导入氮气，在保持氮气气氛的同时，利用石墨加热器等适当的加热机构将炉的内部加热到不超过800℃的适当的温度，并保持30分钟以上。利用该脱脂工序，包含于生坯1F中的粘合剂熔化、分解、蒸发而被除去。

另外，脱脂工序代替上述方法，也可以替换成利用适当的溶剂来溶出的方法等其他公知的方法。

参照图3，脱脂后的生坯1F导入到可控制气氛的炉73中。使炉73的内部处于适当的减压状态，利用石墨加热器等适当的加热机构将炉的内部加热到适当的烧结温度，例如1000至1500℃，并保持适当的时间，例如一小时或其以上。通过该烧结工序，在烧结进行的同时生坯1F引起收缩。其结果，得到图3中用双点划线表示的烧结物1S。烧结物1S比生坯1F以体积比小20％左右，与最终形状大致一致，但包括伴随烧结引起的稍微的变形。

在上述说明中脱脂工序与烧结工序是独立的，但也可以连续地进行这些工序。

在适当冷却之后，导入氮气等并将炉73内设为大气压，取出烧结物1S。然后，烧结物1S如图4所示装入模具47内。

最初，冲头65处于牵引到下方的位置。烧结物1S安放在基台51上，利用其下表面的结构与基台51的结构的一致性而合并在适当的位置。然后，以将外模具53的各要素分别插入叶片9S之间的方式组装外模具53。在外模具53上，以其锥面与凹面63抵接的方式插入块体61，使压头59下降。通过进一步下压压头59，对外模具53的各要素作用彼此紧密接触的方向的力，从而烧结物1S整体地被加压。此时，同时使杆69上升，还利用冲头65对烧结体1S加压。

在该修正工序中，外模具53的各要素利用彼此紧密接触的方向的力，矫正各叶片9的变形，由此修正为其表面和形状与最终形状一致，并且对各叶片9向与其面正交的方向加压。而且，外模具53的各要素分别与各叶片9的部位11S、15S抵接而将这些部位向径向修正，并且向径向加压。同时，外模具53对轮部55的周面在径向向内方向加压，并且对轮部55的上表面向下方加压。另外，利用基台51及冲头65对轮部55的下表面向上方加压。即，烧结体1S的表面准各向同性地全都被加压。该修正工序既可以在冷状态下进行，也可以在适当的温热状态下进行。

在上述修正工序之后，冲头65下降，压头59上升。外模具53的各要素分别向径向外侧移动，取出已修正的涡轮叶轮1。

根据本实施方式，能够制造不进行根据机械加工的精加工，而精密地实现复杂形状的涡轮叶轮。与利用精密铸造的方法相比，尤其在如叶片那样的壁薄且锋利的形状的部位得到高精度。由于不使用机械加工，因此即使是如耐热合金那样的难加工的原材料，也能以高的生产率制造。

另外在修正时整体被加压，因此即使在内部存在如空孔那样的缺陷，也被压扁而消除。而且，该加压使压缩应力残留在涡轮叶轮的尤其表面上。该残留应力以消除由涡轮叶轮的高速旋转引起的拉伸应力的方式作用，因此有助于改善疲劳寿命。

本实施方式适合应用于涡轮增压器的涡轮叶轮上，但也可以应用于需要精度的各种机械部件上。

虽然利用优选的实施方式说明了本发明，但本发明并不局限于上述实施方式。基于上述公开内容，具有该技术领域的普通技术的人员能够通过实施方式的修改或变形来实施本发明。

产业上的可利用性

提供制造无需进行根据机械加工的精加工，而精密地实现复杂形状的涡轮叶轮的方法。

Claims (5)

1.一种制造叶轮的方法，该叶轮具备在轴方向上延伸的轮部和在上述轮部的周围排列的多个叶片，上述制造叶轮的方法的特征在于，

组装具有适合成形上述叶轮的外径的内腔且能够分割成多个的铸型，

向上述铸型内注射包含由金属或陶瓷构成的粉末和粘合剂的混练物，成形生坯，

对上述生坯进行脱脂及烧结以得到烧结物，

在具有适合修正上述叶轮的外形的内腔的模具内，装入上述烧结物，

通过对上述模具进行加压而修正上述叶轮的外形。

2.根据权利要求1所述的制造叶轮的方法，其特征在于，

上述铸型包括台架和在周方向上分割成多个的外铸型。

3.根据权利要求1所述的制造叶轮的方法，其特征在于，

上述模具包括基台和在周方向上分割成多个要素的外模具。

4.根据权利要求3所述的制造叶轮的方法，其特征在于，

上述外模具的上述要素构成为能够分别插入到上述叶片之间。

5.一种叶轮，具备在轴方向上延伸的轮部和在上述轮部的周围排列的多个叶片，该叶轮如下制造，

组装具有适合成形上述叶轮的外径的内腔且能够分割成多个的铸型，

向上述铸型内注射包含由金属或陶瓷构成的粉末和粘合剂的混练物，成形生坯，

对上述生坯进行脱脂及烧结以得到烧结物，

在具有适合修正上述叶轮的外形的内腔的模具内，装入上述烧结物，

通过对上述模具进行加压而修正上述叶轮的外形。

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