JP2008248765A - コンプレッサ羽根車の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイカスト形成における鋳造欠陥の発生を防止し、高い空力学的性能が期待でき、安価なコンプレッサ羽根車を効率的かつ安定して形成できるコンプレッサ羽根車の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、ハブ軸部と、ハブ面、ディスク面、外周面とを有するハブディスク部と、複数の羽根部とを有してなる羽根車形状に対応するキャビティを、ハブ面と外周面を形成するハブ面形成金型とディスク面を形成するディスク面形成金型とで画成するにおいて、ハブ面形成金型とディスク面形成金型とからなるパーティングラインには間隙を設ける、ダイカスト形成されてなるコンプレッサ羽根車の製造方法である。例えばアルミニウム合金やマグネシウム合金からなる羽根車が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶、建設機械、自動車等において、内燃機関からの排気ガスを利用して圧縮空気を送るために用いられる過給機の吸気側に使用される、コンプレッサ羽根車の製造方法に関する。

過給機の吸気側において、コンプレッサ羽根車は、外気を吸引して圧縮するために回転される。そして、コンプレッサ羽根車によって圧縮された空気は、内燃機関に供給されて内燃機関の出力を向上させる。一般に、コンプレッサ羽根車は、外気の吸引および圧縮の効率を高めるために、空力学的曲面を有する複数のブレードがハブ軸の周りに放射状に配列された複雑な形状に形成されていることが多い。そして、ブレードは、すべて同一の形状の羽根を配置したり、形状の異なる長羽根とスプリッタ羽根とも呼ばれる短羽根とを交互に配置したり、ブレード空間にアンダーカットを有していたりといった、所望の形状に選択される。

また、近年、上述のように複雑な形状を有するコンプレッサ羽根車を、ダイカスト形成によって鋳造形成する手段が検討されている。ダイカスト形成は、上述したプラスターモールド鋳造法やロストワックス鋳造法よりも、鋳造の短サイクル化や製造コストなどの生産性や、機械的特性や鋳肌などの品質において、格段の有利性が期待される。例えば、鋳造毎の鋳型の製作が不要となること、鋳造後の清浄処理が不要となること、金型を用いることから寸法精度や意匠性が向上してニアネットシェイプ化が進み、これによる機械加工の低減など、様々な有利性が期待される。

例えば、ＷＯ２００６０９０７０１Ａ１号公報（特許文献１）やＷＯ２００６０９０７０２Ａ１号公報（特許文献２）には、マグネシウム合金などの比較的軽量な合金を使用してダイカスト形成されてなるコンプレッサ羽根車（以下、羽根車という）が提案される。そして、これら特許文献１、２には、ダイカスト形成に利用できる金型装置（以下、従来金型という）が開示されている。従来金型を用いて画成した羽根車形状に対応する空間形状を有するキャビティの断面の一例を図４に模式的に示す。

従来金型によって画成したキャビティ３０は、ハブディスク部のディスク面を形成する固定金型となるディスク面形成金型３１と、羽根部とハブ面およびハブディスク部の外周面を形成する複数のスライド金型となるハブ面形成金型３２とが、互いに密着して型合せされて画成される。これにより、従来金型のキャビティ３０は、羽根車の主形状に対応する空間形状として画成されるとともに、キャビティ３０に注入された溶湯がディスク面形成金型３１とハブ面形成金型３２との間から漏れ出すことを防止している。また、このキャビティ３０においては、ディスク面形成金型３１とハブ面形成金型３２とが型合せされる個所に、型合せ線となるパーティングラインが形成される。このパーティングラインは、ダイカスト形成において、羽根車のハブディスク部の外周部に痕跡として確認されることとなる。

実際には、ハブ面形成金型３２の角縁３２ａとディスク面形成金型３１との接線が上述したパーティングラインとなる。そして、この接線が羽根車に対して転写されて痕跡となる。すなわち、従来金型を用いてダイカスト形成した羽根車には、ハブディスク部のディスク面と外周面とで形成される外縁つまりエッジに一致して形成される。よって、得られた羽根車は、ハブディスク部の外周部にパーティングラインとしての格別な痕跡が残存しない滑らかな鋳肌を有することができ、空力学的に優れたコンプレッサ羽根車となる。

ＷＯ２００６０９０７０１Ａ１号公報 ＷＯ２００６０９０７０２Ａ１号公報

しかしながら、ダイカスト形成するにおいて、羽根車のハブディスク部の外周部では、ガス欠陥や溶湯の不廻りなどの鋳造欠陥を生じることがあった。これは、キャビティ３０に残存する大気などのガスが、キャビティ３０に注入された溶湯の押圧によって押しやられ、終には逃げ場を失って、ハブディスク部の外周部に対応するハブ面形成金型３２の角縁３２ａの近傍に残留してしまうことによると考えられた。
また、船舶、建設機械、自動車等に用いられるコンプレッサ羽根車は、高圧縮させるために高速回転されるために優れた引張強さや疲労強度が要求される部品である。それ故に、羽根車には鋳造欠陥を皆無とし、所望の機械的特性を付与し、信頼性を確かなものにすることが重要となる。

本発明の目的は、上述したダイカスト形成の有利性を活かすとともに、羽根車をダイカスト形成するにおいて鋳造欠陥の発生を防止し、さらには、高い空力学的性能を有する安価なコンプレッサ羽根車を効率的かつ安定して形成できる、コンプレッサ羽根車の製造方法を提供することである。

本発明者は、ハブ面形成金型とディスク面形成金型とからなるパーティングラインに間隙を設けることにより、上述の課題を解決できることを見出し本発明に到達した。
すなわち本発明は、ダイカスト形成されてなるコンプレッサ羽根車の製造方法であって、ハブ軸部と、ハブ面、該ハブ面の反対面となるディスク面、該ディスク面と前記ハブ面に連なる外周面とを有する前記ハブ軸部から半径方向に延在するハブディスク部と、前記ハブ面に配設された複数の羽根部とを有してなる羽根車形状に対応するキャビティを、前記ハブ面と前記外周面を形成するハブ面形成金型と前記ディスク面を形成するディスク面形成金型とで画成するにおいて、前記ハブ面形成金型と前記ディスク面形成金型とからなるパーティングラインには間隙を設ける、コンプレッサ羽根車の製造方法である。

本発明において望ましくは、パーティングラインには０．１〜５ｍｍの間隙を設ける、コンプレッサ羽根車の製造方法である。
また、望ましくは、パーティングラインには０．１〜１ｍｍの間隙を設ける、コンプレッサ羽根車の製造方法である。

本発明のコンプレッサ羽根車の製造方法は、マグネシウム合金を用いてダイカスト形成する場合に適用できる。
また、本発明コンプレッサ羽根車の製造方法は、アルミニウム合金を用いてダイカスト形成する場合に適用できる。

本発明の製造方法によれば、上述したダイカスト形成の有利性を活かすとともに、羽根車をダイカスト形成するにおいて鋳造欠陥の発生を防止し、高い空力学的性能を有する安価なコンプレッサ羽根車を効率的に安定して形成することができ、工業上極めて有効な技術となる。

本発明の重要な特徴は、上述したようにハブディスク部のハブ面と外周面を形成するハブ面形成金型とディスク面を形成するディスク面形成金型とからなるパーティングラインに間隙を設けたことにある。

従来金型において生じやすいガス欠陥や不廻りなどの鋳造欠陥を防止するためには、例えば、ガスが残留しやすい個所にガスの逃げ場（以下、ガスベント部という）を設けてガスを逃がすことや、さらには、溶湯が廻り難い個所にオーバーフロー部を設けて溶湯を十分に充填することは有効である。そこで、上述したように、ハブ面形成金型とディスク面形成金型とで形成されるパーティングラインに間隙を設ける本発明の構成とすることにより、この間隙をガスベント部やオーバーフロー部として利用できるようになり、ハブディスク部の外周部に生じやすいガス欠陥や溶湯の不廻りなどの鋳造欠陥を防止できる。

本発明では、パーティングラインによって形成された非製品部の基部は、羽根車のハブディスク部の外周面内に限定され形成されている。これにより、オーバーフロー部などを形成しても、ダイカスト形成の後に成形体から非製品部を除去する際、例えばハブディスク部の外周面をハブ軸部の軸方向に沿ってダイカットするなどの冷間プレスやトリミングといった生産効率のよい安価な除去手段を適用し、簡易かつ容易に除去することができる。それ故に、ダイカスト形成を適用する利点となる生産効率や製造コストを損ねることがなく、高い空力学的性能が期待できる安価なコンプレッサ羽根車を得ることができる。

以下、上述したハブ面形成金型とディスク面形成金型とで形成される本発明におけるパーティングラインについて具体例を挙げて、図面を用いて説明する。
図１は、本発明において、コンプレッサ羽根車（以下、羽根車という）をダイカスト形成するために画成したキャビティの断面の一例を模式的に示す断面図である。羽根車の形状に対応する空間形状を含むキャビティ１は、羽根車のディスク面を形成するためのディスク面形成金型２とハブ面を含む羽根部とハブディスク部の外周面を形成するためのハブ面形成金型３とを型合せした状態で画成されている。

このキャビティ１では、ディスク面形成金型２とハブ面形成金型３とからなるパーティングラインにおいて、羽根車のハブディスク部の外周面内に対応する位置に間隙４を設けている。そして、この間隙４は、ダイカスト形成された羽根車形状の成形体において、ハブディスク部の外周面内に対応する位置に確認されることになる。また、間隙４は、ディスク面形成金型２とハブ面形成金型３とからなるパーティングラインの全域に渡って設けてもよいし、ハブディスク部の外周面の円周方向に対応させてパーティングラインの円周方向において複数の個所に分散させて設けてもよい。望ましくは、羽根車の羽根部の合計枚数の半数以上間隙を分散させて設けることである。例えば、羽根部の合計枚数が１２枚ならば、羽根部に対応する位置に分散させて、６個所以上の間隙を設けることが望ましい。

上述した間隙４は、ダイカスト形成においては、キャビティ１からのガスの逃げ場となるガスベント部としても利用できるし、キャビティ１に溶湯を十分に充填するためのオーバーフロー部としても利用できる。例えば、ガスベント部を設けることにより、キャビティ１にガスが残留している場合でもガスベント部から残留ガスを排出できるので、羽根車のハブディスク部の外周部に対応する個所におけるガス欠陥を防止できる。また例えば、オーバーフロー部を設けることにより、羽根車のハブディスク部の外周部に対応する個所にも溶湯が十分に充填でき、不廻りなどの鋳造欠陥が防止される。

間隙に対し、オーバーフロー部としての作用効果を期待する場合、パーティングラインは０．１〜５ｍｍの間隙を有していることが望ましい。間隙が５ｍｍを超えると、この間隙に溶湯が充填されて形成される非製品部の基部が肉厚に形成されてしまい、非製品部の除去において生産性や品質などを損ねてしまうことがある。より望ましくは、０．５〜２ｍｍの間隙を設けることである。また、溶湯のオーバーフロー部として設けた間隙は、ガスベント部としての作用効果も期待できる。

また、間隙に対し、ガスベント部のみの作用効果を期待する場合、パーティングラインは０．１〜１ｍｍの間隙を有していることが望ましい。１ｍｍ以下の間隙は、この間隙に溶湯が充填され難いため、間隙による非製品部の形成が防止できる。あるいは、間隙によって非製品部が形成された場合でも、形成された非製品部の基部の肉厚は薄くなるため、非製品部をその基部から容易に折り取ることができる。間隙が１ｍｍを超えると、非製品部の除去においてはプレスやトリミングなどの除去手段を必須として要することがある。より望ましくは０．１〜０．３ｍｍとし、間隙に溶湯をさらに浸入し難くして非製品部の形成を妨げつつガスを排出させることである。

上述したようにオーバーフロー部として間隙４を設けることで画成される間隙キャビティ１ｂは、ダイカスト形成された成形体においては非製品部を形成することとなる。すなわち、キャビティ１によってダイカスト形成された成形体は、羽根車キャビティ１ａによって形成される製品部つまり羽根車と、間隙キャビティ１ｂによって形成される非製品部などを有するものとなる。そして、成形体の製品部つまり羽根車には、ハブ面形成金型３の角縁３ａを含む外周面形成部５と、間隙４の基部である羽根車キャビティ１ａと間隙キャビティ１ｂとの境界とからなるパーティングラインが、羽根車のハブ面の側とディスク面の側とを区分するハブディスク部の外周面内に確認されることとなる。なお、図１中には、明確化のために上記境界を実線で示している。

本発明におけるハブ面形成金型は、羽根車の複数の羽根部とハブ面およびハブディスク部の外周面に対応するキャビティを画成可能な金型とすることができる。例えば、複数の羽根部とハブ面およびハブディスク部の外周面に対応する空間形状を有する単体の金型であってもよい。また、複数の金型を組み合わせることにより、上記空間形状を有することができる金型であってもよい。あるいは、開閉自在な複数の金型であって、型締め時に一体となることにより、上記空間形状を有することができる金型であってもよい。

また、ハブ面形成金型は、可動金型として構成できる。これにより、複雑な形状を有する成形体を効率よく離型させることができる。例えば、羽根部の形状が簡易な羽根車の場合には、ハブ面形成金型の可動方向を羽根車のハブ軸部の軸線方向もしくは軸線方向に近似する方向に構成することが望ましい。また例えば、羽根車の羽根部においてハブ軸部の半径方向外向にアンダーカットを有している場合には、ハブ面形成金型の可動方向を羽根車のハブ軸部の軸線方向に対して半径方向に移動可能に構成し、加えて、その移動軸線に対して回動可能に構成することが望ましい。ハブ面形成金型を上述のように構成することにより、ダイカスト形成された羽根車形状の成形体の離型が容易となる。

また、本発明におけるディスク面形成金型は、羽根車のハブディスク部のディスク面に対応するキャビティを画成可能な金型とすることができる。例えば、ディスク部に対応する空間形状を有する単体の金型であってもよい。また、複数の金型を組み合わせることにより、上記空間形状を有することができる金型であってもよい。

次に、本発明において、コンプレッサ羽根車に使用できる材質について説明する。
コンプレッサ羽根車は、上述したように外気の吸引および圧縮を行う羽根車である。この吸引と圧縮を高効率で行わせるために高速回転される羽根車は、羽根車の質量当たりの耐力、引張強さ、疲労強度などの機械的特性が所望される。それ故に、望ましくは、上述した機械的特性に優れるアルミニウム合金やマグネシウム合金を使用することである。アルミニウム合金やマグネシウム合金を使用してダイカスト形成されてなる羽根車は、軽量かつ高強度の羽根車となることが期待される。

材質の具体例を挙げると、アルミニウム合金としては、ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）−３５４や３５５、ＪＩＳ−ＡＣ４Ｃ、ＡＣ５Ａ、ＡＣ５Ｂなどが好適である。また、ダイカスト形成における金型の焼き付き防止を考慮し、これらの合金にＦｅやＭｎを各々０．０５〜１．０質量％含有させたアルミニウム合金も好ましい。また、マグネシウム合金としては、ＡＳＴＭ−ＡＺ９１Ａ〜ＡＺ９１Ｅ、ＡＳ４１Ａ、ＡＳ４１Ｂ、ＡＭ５０Ａ、ＡＥ４２、ＷＥ４３Ａ、ＷＥ４１Ａ、ＷＥ５４Ａなどが好適である。

本発明の製造方法により、一例として、図２に示す形状を有するコンプレッサ羽根車１１をダイカスト形成して製造した。
図２は、自動車用ターボチャージャの吸気側に使用されるコンプレッサ羽根車１１（以下、羽根車１１という）の模式図である。羽根車１１は、ハブ軸部１２と、ハブディスク部１３と、複数の羽根部とを有している。ハブディスク部１３は、ハブ軸部１２から半径方向に延在するハブ面１４と、ハブ面１４の反対面となるディスク面１５と、外周部にはディスク面１５とハブ面１４に連なる外周面１６とを有している。そして、ハブディスク部１３の外周面１６は円筒面状であって、その外縁１７はディスク面１５と外周面１６とでエッジ状に形成されている。また、複数の羽根部は、合計１２枚の羽根がハブ面１４に配設され、６枚の長羽根１８と、６枚のスプリッタ羽根とも呼ばれる短羽根１９とがそれぞれ交互に放射状に突設されている。また、長羽根１８と短羽根１９のブレード面は、いずれも複雑な空力学的曲面形状を表裏に有している。なお、本発明においては、上述した引用文献１、２に開示されるアンダーカットを有する羽根車形状であってもよい。

まず、上述した形状を有する羽根車１１に対応する空間形状を有するキャビティを画成した。具体的には、ハブディスク部１３のディスク面１５を形成する固定金型となるディスク面形成金型と、長羽根１８と短羽根１９とからなる合計１２枚の羽根部とハブ面１４とを形成する複数のスライド金型からなるハブ面形成金型とを、互いに型合せしてキャビティを画成した。そして、キャビティには、隣接する一対の長羽根１８間であってハブディスク部の外周面に対応する位置に、図１に示すような間隙を合計６箇所に分散させて配設した。また、間隙がキャビティへ開口する開口部の寸法は、羽根車のハブ軸部の軸線方向に対応する方向（高さ）に０．５ｍｍ、パーティングラインに沿う方向（幅）に１０ｍｍとした。

次に、上記金型装置を搭載させたダイカスト成形機に対し、液相線温度５９５℃のＡＳＴＭ−ＡＺ９１Ｄ（マグネシウム合金）を溶解して得た溶湯を供給した。そして、キャビティに溶湯を注入した後は加圧維持してから冷却した。このとき、溶湯注入前のキャビティは大気雰囲気とした。また、キャビティへの溶湯注入は、溶湯温度６４０℃、充填時間０．０２秒に調整した。溶湯充填後は、圧力４０ＭＰａ、時間２秒で加圧維持した後、溶湯が凝固するまで十分に冷却した。

冷却後、上記金型装置を型開きして成形体を離型し、ダイカスト形成された羽根車形状を有する成形体を得た。型開きした金型装置の状態を図３に示す。この際には、ハブディスク部１３のディスク面１５を形成する固定金型となるディスク面形成金型２１と、長羽根１８と短羽根１９およびハブ面１４を形成する複数のスライド金型となるハブ面形成金型２２とを、互いに型合せして画成したキャビティに、羽根車形状を有する成形体２３がダイカスト形成されている。ここで使用したハブ面形成金型２２は、開閉自在な６台のスライド金型であって、型締め時に一体となることにより、隣接する一対の長羽根１８とその間のハブ面１４と１枚の短羽根１９に対応する空間形状を画成する金型である。なお、明確化のため、合計６台配置しているハブ面形成金型２２は１台のみを図示している。また、ハブ面形成金型２２を挟んでディスク面形成金型２１に対向して配置している、湯口などを有する可動金型は図示していない。また、離型した成形体２３としては、羽根車形状の製品部のみを図示し、その他に形成されている湯口や湯道、パーティングラインに対応したバリなどの非製品部については図示していない。

上述のように得られた成形体２３から、非製品部である湯口や湯道、その他の細片などを除去することにより、長羽根１８と短羽根１９とを有する、マグネシウム合金製のコンプレッサ羽根車をダイカスト形成して得ることができた。このとき、ディスク面１５を形成するディスク面形成金型２１と羽根部およびハブ面１４を形成するハブ面形成金型２２とで形成され、間隙を設けたパーティングラインに対応して、ハブディスク部１３の外周面内には、ディスク面１５との外縁１７から０．４ｍｍの高さでバリ状の細片が形成されていた。しかしながら、形成されていたバリ状の細片はトリミングプレスを用いることによってわずかな作業工数で容易に除去でき、生産性を阻害することはなかった。

上述した製造方法によって得られたコンプレッサ羽根車は、ハブ軸部の外径１３ｍｍ、ハブディスク部の外径６９ｍｍ、外周部の肉厚２．５ｍｍであり、羽根部の肉厚は、羽根先端付近０．５ｍｍ、羽根中央付近１．２ｍｍ、ハブ面近傍の羽根付け根２．２ｍｍであった。また、羽根車のハブディスク部の外周部には、ガス欠陥や不廻りといった鋳造欠陥は認められず、健全なコンプレッサ羽根車が得られた。これにより、ハブ面形成金型とディスク面形成金型とからなるパーティングラインには間隙を設ける、本発明の製造方法が有効であることが確認できた。

本発明の製造方法によって得られるコンプレッサ羽根車は、自動車や船舶等の内燃機関に組み込まれる過給機の吸気側で使用される。

本発明の一例となるキャビティを模式的に示す断面図である。 コンプレッサ羽根車の一例を示す模式図である。 金型装置の一例を示す全体図である。 従来金型で画成したキャビティの一例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１．キャビティ、１ａ．羽根車キャビティ、１ｂ．間隙キャビティ、２．ディスク面形成金型、３．ハブ面形成金型、３ａ．角縁、４．間隙、５．外周面形成部、１１．羽根車、１２．ハブ軸部、１３．ハブディスク部、１４．ハブ面、１５．ディスク面、１６．外周面、１７．外縁、１８．長羽根、１９．短羽根、２１．ディスク面形成金型、２２．ハブ面形成金型、２３．成形体、３０．キャビティ、３１．ディスク面形成金型、３２．ハブ面形成金型、３２ａ．角縁

Claims (5)

1. ダイカスト形成されてなるコンプレッサ羽根車の製造方法であって、ハブ軸部と、ハブ面、該ハブ面の反対面となるディスク面、該ディスク面と前記ハブ面に連なる外周面を有する前記ハブ軸部から半径方向に延在するハブディスク部と、前記ハブ面に配設された複数の羽根部とを有してなる羽根車形状に対応するキャビティを、前記ハブ面と前記外周面を形成するハブ面形成金型と前記ディスク面を形成するディスク面形成金型とで画成するにおいて、前記ハブ面形成金型と前記ディスク面形成金型とからなるパーティングラインには間隙を設けることを特徴とするコンプレッサ羽根車の製造方法。
2. パーティングラインには０．１〜５ｍｍの間隙を設けることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサ羽根車の製造方法。
3. パーティングラインには０．１〜１ｍｍの間隙を設けることを特徴とする請求項２に記載のコンプレッサ羽根車の製造方法。
4. マグネシウム合金を用いてダイカスト形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のコンプレッサ羽根車の製造方法。
5. アルミニウム合金を用いてダイカスト形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のコンプレッサ羽根車の製造方法。