JP2006299815A

JP2006299815A - スクリューロータの製造方法及びスクリューロータ

Info

Publication number: JP2006299815A
Application number: JP2005118183A
Authority: JP
Inventors: Kouji Wada; 皇二和田; Tatsutomo Nishihara; 達知西原
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】高強度なパイプ状素材でも容易に塑性加工することができ、生産性を向上することができるスクリューロータの製造方法及びスクリューロータを提供する。
【解決手段】螺旋状の歯部２を有する中空のスクリューロータ１の製造方法において、パイプ状素材５に軸方向に縮短する力（図２中矢印Ａ）を加えつつ、パイプ状素材５の内側に配置され歯部２の形状に対応したねじ状型６とパイプ状素材５の外側に配置され歯部２を成形するための成形工具７とを用いて絞り加工して、パイプ状素材５に歯部２を成形する。
【選択図】図２

Description

本発明は、螺旋状の歯を有する中空のスクリューロータの製造方法及びスクリューロータに関する。

スクリュー流体機械の一例であるスクリュー圧縮機は、回転軸が平行でかつ螺旋状の歯部が噛み合うようにそれぞれ回転する雄ロータ及び雌ロータと、これら雄ロータ及び雌ロータを収納するケーシングとを備えており、雄ロータ及び雌ロータの歯溝とケーシングの内壁とで被圧縮流体を圧縮する作動室が形成されている。そして、雄ロータ及び雌ロータ（以降、これらを総称してスクリューロータと称す）等が被圧縮流体の断熱圧縮により温度上昇して熱膨張するため、スクリューロータ同士の隙間及びスクリューロータとケーシングの隙間は、熱膨張のぶんだけ余裕をみて大きくし、運転中に各部材が接触して損傷するのを防止するようになっている。このとき、スクリューロータの上昇温度及びそれに伴う熱膨張は一様または一定でなく、最大熱膨張を考慮して隙間を大きくするので、圧縮機の性能が低下する要因となっていた。また、スクリューロータが中実構造である場合は、慣性モーメントが大きいため、大きな起動トルクが必要となって起動制御が困難になり、また例えば省エネを目的とした回転数制御も困難になる。

そこでこれに対応するため、中空部に冷却媒体を流通することが可能な中空構造のスクリューロータが提唱されている。中空構造のスクリューロータの一例としては、従来、噛み合い部及び底部を板材で一体成形した中空のロータ本体と、このロータ本体の底部の内周側に嵌入され例えばスポット溶接等で接合された中空のロータシャフトとを備えた構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術におけるロータ本体の製造方法は、ロータ本体の外周側形状を持った分割金型を用い、この分割金型の内部に適度なプレス性（延性）を持ったパイプ状の素材を配置し、このパイプ状素材の内側から高圧流体で加圧し、これによってパイプ状素材を膨張させて金型に押圧し、上記噛み合い部及び底部を成形するようになっている。

特開平８−２８４８５６号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、上記ロータ本体の製造方法では、パイプ状素材を内側から加圧して膨張させ金型に押圧して成形するようになっており、パイプ状素材の谷部はほとんど延びず、噛み合い部の厚み寸法が歯元から歯先に向かうに従って徐々に薄くなるように成形する。このようなパイプ状素材の塑性加工方法では、比較的強度の小さい塑性材料を用いなければ容易に行えず、言い換えれば、スクリュー流体機械等に必要とされる高強度なパイプ状素材を塑性加工することは困難であった。

本発明の目的は、高強度なパイプ状素材でも容易に塑性加工することができ、生産性を向上することができるスクリューロータの製造方法及びスクリューロータを提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、螺旋状の歯部を有する中空のスクリューロータの製造方法において、パイプ状素材に軸方向に縮短する力を加えつつ、前記パイプ状素材の内側に配置され前記歯部の形状に対応したねじ状型と前記パイプ状素材の外側に配置され前記歯部を成形するための成形工具とを用いて絞り加工して、前記パイプ状素材に前記歯部を成形する。

本発明においては、まず、歯部形状に対応したねじ状型をパイプ状素材の内側に配置し、歯部を成形するための例えばねじ形状（詳細には、パイプ状素材を隔ててねじ状型に噛み合いながら回転するねじ形状）の成形工具をパイプ状素材の外側に配置する。そして、パイプ状素材に軸方向に縮短する力を加えつつ、パイプ状素材及びねじ状型をともに軸心廻りに回転させ、一方、成形工具を軸心廻りにその反対方向に回転させる。この状態で、成形工具をパイプ状素材に押し付けると、押し付けられた部分が縮短（座屈）しながら成形工具とねじ状型の間に押し込まれる。その結果、パイプ状素材に螺旋状の歯部を成形することができる。

このように本発明においては、パイプ状素材を縮短させながらねじ状型及び成形工具を用いて絞り加工する。これにより、パイプ状素材の厚み寸法がほとんど変化しないように絞り加工することができ、高強度なパイプ状素材でも容易に塑性加工することができる。また、ニアネットシェイプに塑性加工することができるので、切削加工等の加工工数を低減してコスト低減を図ることができる。したがって、スクリューロータの生産性を向上することができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記パイプ状素材の軸方向一方側の部分の全周に亘って前記歯部を成形し、その後、前記パイプ状素材の全周に亘って軸方向他方側に順次前記歯部を成形する。

例えばパイプ状素材の軸方向全体に歯部を成形する場合は、軸方向における歯溝（及び歯山）の数を多くして成形しようとするので、それら成形中の歯溝（及び歯山）が加工硬化して、上述した軸方向に縮短する力を遮ってしまう可能性がある。このような場合、軸方向に縮短する力が十分に作用せず、厚み寸法を薄く伸ばすような絞り加工となってしまい、高強度なパイプ状素材では塑性加工が困難となる。そこで本発明においては、例えば軸方向寸法が比較的短い成形工具を用いた絞り加工により、まずパイプ状素材の軸方向一方側の部分の全周に亘って歯部を成形し、その後、成形工具をパイプ状素材の軸方向他方側に移動させて、パイプ状素材の全周に亘って軸方向他方側に順次歯部を形成する。このような手順により、パイプ状素材の絞り加工を施す部分に軸方向に縮短する力が十分に作用するので、高強度なパイプ状素材でも容易に塑性加工することができる。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記成形工具は、前記パイプ状素材を隔てて前記ねじ状型に噛み合いながら回転するねじ形状を有する。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記成形工具は、その軸心方向が前記パイプ状素材及びねじ状型の軸心方向と所定の角度をなすように配置される。

（５）上記目的を達成するために、本発明は、螺旋状の歯部を有する中空のスクリューロータであって、前記歯部は、パイプ状素材に軸方向に縮短する力を加えつつ、前記パイプ状素材の内側に配置され前記歯部の形状に対応したねじ状型と前記パイプ状素材の外側に配置され前記歯部を成形するための成形工具とを用いて絞り加工して成形される。

本発明によれば、高強度なパイプ状素材でも容易に塑性加工することができ、生産性を向上することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態によるスクリューロータの全体構造を表す軸方向断面図である。

この図１において、スクリューロータ１は、スクリュー圧縮機等に用いられる雄ロータであり、外周側に形成された螺旋状の歯部２と、この歯部２と略相似形状にかつ径方向中心部を含めて中空に形成された中空部３と、歯部２の軸方向両端側（図１中上・下側）に形成された円筒状の軸部４Ａ，４Ｂとを有する。なお、軸部４Ａ，４Ｂの軸方向外側には、図示しない略円筒状の軸部材がそれぞれ接合される。

このような中空構造のスクリューロータ１は、例えば中空部２に冷却媒体を流通すると、スクリューロータ１の回転に伴って冷却媒体が螺旋状の中空部２に沿うように移動して効率よく冷却するので、スクリューロータ１の熱膨張を小さくするようになっている。その結果、スクリュー圧縮機の性能及び信頼性を向上するようになっている。また、中実構造のスクリューロータに比べ重量が低減されるので、慣性モーメントが小さくなり、起動トルクが低減して起動制御が向上するとともに回転数制御の応答性も向上するようになっている。

次に、上記スクリューロータ１の製造方法について説明する。図２は、本実施形態のスクリューロータ１の製造方法を説明するための概略構成を表す軸方向断面図である。

この図２において、例えばステンレス製のパイプ状素材５と、このパイプ状素材５の内側に配置され、上記歯部２の内周側（言い換えれば、中空部３）を成形するためのねじ状型６と、パイプ状素材５の外側に配置され、歯部２の外周側を成形するための成形工具７とが設けられている。

ねじ状型６は、例えば中実円柱構造であり、その外周側に歯部２の形状に対応した（言い換えれば、歯部２と略相似形状の）螺旋状のねじ溝６ａが形成されている。なお、ねじ状型６の外周側径寸法Ｄ_１は、パイプ状素材５の内周側径寸法Ｄ_２とほぼ同じになっている（実際には、パイプ状素材５にねじ状型６を挿入するための隙間ぶんだけ若干小さい）。

そして、図示しない固定手段（例えば固定リングの締着等）でパイプ状素材５の軸方向一方側（図２中下側）端部がねじ状型６に固定され、また図示しない圧力付与手段によってパイプ状素材５の軸方向他方側（図２中上側）端部に軸方向に縮短する力（矢印Ａで図示）が加えられるようになっている。また、ねじ状型６を回転駆動する回転装置（図示せず）が設けられ、これによってねじ状型６及びこのねじ状型６に固定されたパイプ状素材５がともに軸心Ｍ_１廻りに図２中矢印Ｂ方向に回転するようになっている。

成形工具７は、パイプ状素材５を隔ててねじ状型６に噛み合いながら回転するねじ形状を有しており、例えば１つの螺旋状の歯７ａが形成されている。また、成形工具７は、その軸方向寸法Ｌが比較的短くなっており、軸方向における歯山の数が多くとも２つ（後述の図３参照）となっている。なお、成形工具７の歯７ａのピッチＰ_１は、成形する歯部２のピッチＰ_２と同じにしている（後述の図３参照）。

そして、成形工具７を回転駆動する回転装置（図示せず）が設けられ、これによって成形工具７が軸心Ｍ_２廻りに図２中矢印Ｃ方向（パイプ状素材５及びねじ状型６の回転方向とは反対方向）に回転するようになっている。そして、パイプ状素材５及びねじ状型６の回転と成形工具７の回転とは同期するように制御され、パイプ状素材５を隔ててねじ状型６と成形工具７が互いに噛み合いながら回転することを可能としている。なお、本実施形態では、パイプ状素材５及びねじ状型６の軸心Ｍ_１と成形工具７の軸心Ｍ_２とが平行配置されている。

また、成形工具７をパイプ状素材５の径方向（図２中左右方向）及び軸方向（図２中上下方向）に移動させる移動装置（図示せず）が設けられている。そして、図２に示すように、パイプ状素材５及びねじ状型６の軸心Ｍ_１と成形工具７の軸心Ｍ_２との距離が所定の距離Ｘとなるように移動した場合、成形工具７の螺旋状歯７ａとねじ状型６のねじ溝６ａの間にパイプ状素材５が押し込まれて、歯部２が成形されるようになっている。

次に、本実施形態によるスクリューロータ１の製造方法の詳細手順を説明する。図３及び図４は、本実施形態によるスクリューロータの製造方法を説明するための斜視図である。なお、図３は、パイプ状素材５の軸方向一方側部分に歯部２を形成した状態（前述の図２に示す状態と同様）を表し、図４は、その後、パイプ状素材５の軸方向他方側に歯部２を形成した状態を表している。

まず、パイプ状素材５の内側にねじ状型６を配置し、パイプ状素材５の軸方向一方側（図３中下側）端部をねじ状型６に固定する。そして、パイプ状素材５の軸方向他方側（図３中上側）端部から軸方向に縮短する力（矢印Ａで図示）を加えつつ、パイプ状素材５及びねじ状型６をともに軸心Ｍ_１廻りに一方向（図中矢印Ｂ方向）に回転させる。一方、成形工具７を軸心Ｍ_２廻りにその反対方向（図中矢印Ｃ方向）に回転させる。

そして、パイプ状素材５及びねじ状型６の軸心Ｍ_１と成形工具７の軸心Ｍ_２との距離が所定の距離Ｘ（前述の図２参照）となるまで、成形工具７をパイプ状素材５に近づく方向（図３中左方向）に移動し、成形工具７をパイプ状素材５に押し付けると、その押し付けられた部分が縮短（座屈）しながら成形工具７の螺旋状歯７ａとねじ状型６のねじ溝６ａの間に押し込まれる。その結果、パイプ状素材５の軸方向一方側の部分の全周に亘って螺旋状の歯部２を成形する（図３参照）。

その後、パイプ状素材５及びねじ状型６の軸心Ｍ_１と成形工具７の軸心Ｍ_２との距離を所定の距離Ｘに保持したまま、成形工具７を軸方向他方側（図４中上側）に移動し、パイプ状素材５の全周に亘って軸方向他方側に順次歯部２を形成する。（図４参照）。

このように本実施形態においては、パイプ状素材５を縮短させながらねじ状型６及び成形工具７を用いて絞り加工する。これにより、パイプ状素材５の厚み寸法がほとんど変化しないように絞り加工することができ、高強度なパイプ状素材５でも容易に塑性加工することができる。また、ニアネットシェイプに塑性加工することができるので、切削加工等の加工工数を低減してコスト低減を図ることができる。したがって、スクリューロータ１の生産性を向上することができる。

また本実施形態においては、成形工具７の軸方向寸法Ｌを比較的短いものとし、その軸方向における歯山の数を多くとも２つとしている。そして、この成形工具７を用いた絞り加工により、まずパイプ状素材５の軸方向一方側の部分の全周に亘って歯部２を成形し、その後、成形工具７をパイプ状素材５の軸方向他方側に移動させて、パイプ状素材５の全周に亘って軸方向他方側に順次歯部２を形成する。このような手順により、パイプ状素材５の絞り加工を施す部分に軸方向に縮短する力が十分に作用し、高強度なパイプ状素材５でも容易に塑性加工することができる。

なお、上記一実施形態においては、パイプ状素材５及びねじ状型６の軸心Ｍ_１と成形工具７の軸心Ｍ_２とを平行配置する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えばパイプ状素材５及びねじ状型６の軸心Ｍ_１と成形工具７の軸心Ｍ_２とが所定の角度をなすように配置して、絞り加工による成形性を向上させてもよい。また、上記一実施形態においては、成形工具７をパイプ状素材５の径方向及び軸方向に移動させる場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えばパイプ状素材５及びねじ状型６を移動させるようにしてもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、スクリューロータとしてスクリュー圧縮機の雄ロータを例にとって説明したが、これに限らず、例えばスクリュー圧縮機の雌ロータ、スクリューポンプのロータ、ルーツブロワのねじれロータ、ウォームギヤ等に適用してもよいことは言うまでもない。

本発明のスクリューロータの一実施形態の全体構造を表す軸方向断面図である。本発明のスクリューロータの製造方法の一実施形態を説明するための概略構成を表す軸方向断面図である。本発明のスクリューロータの製造方法の一実施形態の詳細手順を説明するための斜視図であり、パイプ状素材の軸方向一方側部分に歯部を形成した状態を表す。本発明のスクリューロータの製造方法の一実施形態の詳細手順を説明するための斜視図であり、パイプ状素材の軸方向他方側に順次歯部を形成した状態を表す。

符号の説明

１スクリューロータ
２歯部
５パイプ状素材
６ねじ状型
７成形工具

Claims

螺旋状の歯部を有する中空のスクリューロータの製造方法において、
パイプ状素材に軸方向に縮短する力を加えつつ、前記パイプ状素材の内側に配置され前記歯部の形状に対応したねじ状型と前記パイプ状素材の外側に配置され前記歯部を成形するための成形工具とを用いて絞り加工して、前記パイプ状素材に前記歯部を成形することを特徴とするスクリューロータの製造方法。
請求項１記載のスクリューロータの製造方法において、前記パイプ状素材の軸方向一方側の部分の全周に亘って前記歯部を成形し、その後、前記パイプ状素材の全周に亘って軸方向他方側に順次前記歯部を成形することを特徴とするスクリューロータの製造方法。
請求項１又は２記載のスクリューロータの製造方法において、前記成形工具は、前記パイプ状素材を隔てて前記ねじ状型に噛み合いながら回転するねじ形状を有することを特徴とするスクリューロータの製造方法。
請求項３記載のスクリューロータの製造方法において、前記成形工具は、その軸心方向が前記パイプ状素材及びねじ状型の軸心方向と所定の角度をなすように配置されたことを特徴とするスクリューロータの製造方法。
螺旋状の歯部を有する中空のスクリューロータであって、
前記歯部は、パイプ状素材に軸方向に縮短する力を加えつつ、前記パイプ状素材の内側に配置され前記歯部の形状に対応したねじ状型と前記パイプ状素材の外側に配置され前記歯部を成形するための成形工具とを用いて絞り加工して成形されたことを特徴とするスクリューロータ。