JP2012187660A - 金属加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料内部に短時間で複雑な形状の通路を形成する金属加工方法を提供する。
【解決手段】金属材料の内部に、前記金属材料の一端から他端へ貫通する通路を形成する金属加工方法であって、前記通路を形成する範囲に対し、前記金属材料の一端と他端とを連通する貫通孔８を設ける第一工程と、当該貫通孔８の内面の一部を覆う電気絶縁層を設ける第二工程と、前記電気絶縁層を設けた前記貫通孔８に放電ワイヤＷ１を挿通させる第三工程と、前記放電ワイヤＷ１に通電し、該放電ワイヤＷ１と前記貫通孔８の内面における前記電気絶縁層が存在しない非絶縁部９との間で放電を行い、前記非絶縁部９の加工を行なう第四工程とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属材料の内部に一端から他端へ貫通する通路を形成する金属加工方法に関するものである。

例えばコンプレッサ等に用いられるインペラは、一般に回転軸に固定されるハブと、ハブの表面に突出して設けられる複数のブレードと、このブレードの上方を覆うシュラウドとを互いに溶接接合することにより製造される。
しかし上記溶接接合部がインペラ破壊の起点となる可能性があるため、当該溶接接合部が存在しないことによって強度信頼性の高いワンピースインペラの需要が近年高まっている。

ここで、上記ワンピースインペラの製造方法については、機械加工や型彫放電加工を用いて素材から直接最終形状を形成する方法が存在する。また、流路入口及び出口からそれぞれ別の工具を挿入する放電加工を行い当該流路を形成する方法（特許文献１参照）も開示されている。

特開２０１０−８９１９０号公報

しかしながら、上記の機械加工や型彫放電加工を用いたワンピースインペラの製造方法においては当該加工の性質上、作業に時間を要し作業効率が悪化する問題がある。
また特許文献１に示す放電加工を用いた場合、流路の入口及びで次からそれぞれ工具を挿入するため、流路が湾曲している場合には当該工具が届かないこともあり、加工範囲が制限されてしまうことがあった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、インペラの加工に限定せず、金属材料内部に短時間で複雑な形状の通路を形成する金属加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。
即ち本発明に係る金属加工方法は、金属材料の内部に、前記金属材料の一端から他端へ貫通する通路を形成する金属加工方法であって、前記通路を形成する範囲に対し、前記金属材料の一端と他端とを連通する貫通孔を設ける第一工程と、当該貫通孔の内面の一部を覆う電気絶縁層を設ける第二工程と、前記電気絶縁層を設けた前記貫通孔に放電ワイヤを挿通させる第三工程と、前記放電ワイヤに通電し、該放電ワイヤと前記貫通孔の内面における前記電気絶縁層が存在しない非絶縁部との間で放電を行い、前記非絶縁部の加工を行なう第四工程とを備えることを特徴とする。

このような金属加工方法においては、まずワイヤカット放電加工を行うため、放電ワイヤを挿通させる貫通孔を設ける。その後、上記電気絶縁層を通じ上記貫通孔内部に挿通させた上記放電ワイヤへ通電し、上記非絶縁部と当該放電ワイヤとの間のみで放電がなされ、ワイヤカット放電加工が行われる。この結果当該貫通孔を内面から拡張し上記金属材料内部に通路を形成することができる。
このとき当該電気絶縁層の当該貫通孔内部側の先端部においては、ワイヤカット放電加工の加工開始の起点となり、放電ワイヤをいずれの方向に動作させても、当該起点においては当該貫通孔内面と接触することはない。このためこの起点を基準に当該放電ワイヤを上下左右自在に遊動させながら様々な方向にワイヤカット放電加工を施すことが可能となる。即ちこの起点は放電ワイヤ遊動の支点となる。

ここで、上記ワイヤカット放電加工は直線的に加工を行うことは可能だが、例えば湾曲したような複雑な形状をなす通路の加工形成を行なう場合には、上記放電ワイヤが加工面と接触してしまう可能性があり、加工が困難であった。

これに対して本発明では、当該電気絶縁層の先端の位置を当該貫通孔内部で移動させることで、上記放電ワイヤの上記支点を当該貫通孔内部で自在に移動させながら当該支点を加工開始の起点とした短距離の直線加工を連続的に行うことができる。

従ってこのような金属加工方法によれば、上記放電ワイヤを上下左右自在方向に遊動させながら短距離の直線加工を連続的に行うことにより、上記貫通孔を任意の方向へ拡張する。

そして上記ワイヤカット放電加工を粗加工として施した後に必要に応じて最終仕上げ加工を行なうことにより、金属材料内部に複雑形状をなす通路を迅速に形成でき、加工工数の低減が可能となる。

さらに前記第二工程において、前記電気絶縁層が絶縁素材のチューブとされ、前記チューブの端部が耐熱素材とされることが好ましい。

上記チューブは形状変更が容易であるため、貫通孔内部での放電ワイヤの支点即ちワイヤカット放電加工開始の起点を移動させ易い。従ってより複雑な形状をなす通路の加工が可能となり、加工工数の低減を達成できる。

また上記チューブの端部を耐熱素材とすることで、加工後に高温になった上記放電ワイヤの熱によってチューブ端部が破損することを回避できる。

そして前記第二工程において、前記電気絶縁層が絶縁素材のコーティングとされてもよい。

上記コーティングを用いて上記電気絶縁層を形成することで、コーティング範囲を容易に変化させることができ、放電ワイヤの支点即ちワイヤカット放電加工の加工開始起点を移動させ易くなる。この結果複雑な形状をなす通路の加工が容易となりさらなる加工工数低減が可能となる。

また前記第一工程において貫通孔を設ける際に電解加工が用いられることが好ましい。

電解加工を用いることによって、上記貫通孔の形状の選択範囲が広がる。例えば湾曲した通路等を形成する場合、最終形状となる当該通路に合わせて湾曲した貫通孔を形成することができ、この結果、複雑な形状をなす通路の加工の容易化とさらなる加工工数削減が可能となる。

本発明に係る金属加工方法によれば、貫通孔内部に設けた支点を利用したワイヤカット放電加工により粗加工を行うことで、金属材料内部に複雑な形状の通路を迅速に形成することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係るワンピースインペラの斜視図である。 本発明の第一実施形態に係るワンピースインペラの製造方法に関し、図１の上面図であって、貫通孔を設ける第一工程を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るワンピースインペラの製造方法に関し、図１の上面図であって、貫通孔へ絶縁チューブと放電ワイヤを挿通させる第二工程及び第三工程を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るワンピースインペラの製造方法に関し、図１の上面図であって、貫通孔内面に絶縁コーティングを行なう第二工程を示す図である。 本発明の第三実施形態に係るワンピースインペラの製造方法に関し、図１の上面図であって、ＳＴＥＭ放電加工を用いて貫通孔を設ける第一工程を示す図である。

以下、図１から図３を参照し、本発明の第一実施形態に係るワンピースインペラ１（以下単にインペラ１と称する）の製造方法について説明する。
本実施形態により製造されるインペラ１は、流体Ｒの増圧を行なうコンプレッサや、逆に流体Ｒから機械エネルギーを得るタービン等の回転機械に用いられる。
またこのインペラ１は、軸線Ｏを中心として互いに一体をなすハブ２とシュラウド３とブレード４とから構成される。

ハブ２は略円盤状をなす部材であって、軸線Ｏ方向一方側を向く端面が小径とされ他方側の端面が大径とされる。これら二つの端面は、一端側から他端側に向かうに従って漸次拡径する曲面によって接続されている。

ブレード４は上記ハブ２における曲面から立ち上がるように周方向に一定間隔をあけて複数（本実施形態においては６枚）が設けられている。
また当該ブレード４は、それぞれ当該ハブ２の径方向内側から外側に向かうに従って周方向の一方向に向かって湾曲するように延在しており、隣接する当該ブレード４の間の径方向内側は、軸線Ｏの一方側に向かって立ち上がり当該軸線Ｏ方向に流体Ｒを流入させる導入口６が開口している。

シュラウド３は、複数の上記ブレード４を軸線Ｏ方向一方側から覆うようにこれらブレード４と一体に設けられた部材である。またこのシュラウド３は軸線Ｏを中心とした円盤形状をなし、具体的には軸線Ｏ方向一方側に向かうに従って漸次縮径する傘形状をなす。そしてその径方向内側は軸線Ｏ方向一方側に立ち上がる円筒形状をなす。
また、隣接する上記ハブ２とブレード３とシュラウド４との間の領域は流体Ｒの流通する流路５となっている。

またここでインペラ１の中央には軸線Ｏ方向に貫通する嵌合孔７が設けられ、軸線Ｏ方向から当該嵌合孔７へ図示しない回転軸等が挿入されることで、当該インペラ１と当該回転軸等とが一体で回転する。

次に、上記インペラ１の製造方法の手順について説明する。
まず作業者はインペラ材１０の作製工程を実行する。即ち作業者は円筒形状をなす鋼材等の金属材料を切り出し、次いで切り出した当該金属材料の外周面をフライス盤等を用いて切削する。また、上記インペラ材１０の中央にドリル等を用いて軸線Ｏ方向に貫通する孔を設けこれを嵌合孔７とする。これによって外周面と一方の端面との間に当該外周面から当該端面に向かうに従って漸次縮径する曲面を備えた嵌合孔７を有するインペラ材１０を作製する。このインペラ材１０はインペラ１を作製する際の母材となるものである。

続いて作業者は貫通孔形成工程（第一工程）を実行する。即ち、図２に示すように上記インペラ材１０において、ブレード４とハブ２とシュラウド３とに挟まれた空間の流路５を形成しようとする位置に対し、導入口６を開口させる面から、もしくは径方向外側の外周面から流路５及び当該ブレード４を形成すべき部位に干渉しないよう、ドリル等を用いて貫通孔８を設ける。

続いて作業者は電気絶縁部形成工程（第二工程）を実行する。図３に示すように上記貫通孔８よりも短い電気絶縁チューブＷ２を当該貫通孔８内部へ挿入する。即ち電気絶縁チューブＷ２の貫通孔８内部側の先端に加工開始の起点となる支点Ｓを形成する。ここでこの電気絶縁チューブＷ２には例えばシリコンや塩ビやセラミック等の非金属性の材料が用いられる。

その後放電ワイヤ設置工程（第三工程）として当該電気絶縁チューブＷ２を通じ上記貫通孔８に放電ワイヤＷ１を挿通させる。

続いて加工工程（第四工程）として放電ワイヤＷ１に通電することで、当該電気絶縁チューブＷ２の存在しない貫通孔８内面の非絶縁部と当該放電ワイヤＷ１との間のみで放電がなされ、ワイヤカット放電加工が開始される。そして当該電気絶縁チューブＷ２の貫通孔８内部側の先端部を支点Ｓ即ちワイヤカット放電加工の加工開始の起点として、放電ワイヤＷ１を上下左右自在に遊動させながら加工を行なう。また、当該電気絶縁チューブＷ２の先端の位置を貫通孔８内部で移動させることで、放電ワイヤＷ１の支点Ｓを貫通孔８内部で自在に移動させながら貫通孔８を内面から拡張し、上記インペラ材１０の内部に流路５及びブレード４を形成する。

なおワイヤカット放電加工とは一般に、極細の金属ワイヤ電極と被加工金属とを水槽や油槽へ浸漬させた状態で放電させることで加工すべき部位を溶融除去する非接触加工の一種である。このワイヤカット放電加工では導電性のある材料であれば硬い材質であっても容易に複雑な形状の加工が可能である。

上記放電ワイヤＷ１は加工後に高温となるため、当該放電ワイヤＷ１の熱によって当該電気絶縁チューブＷ２の先端部が破損することを回避するため、当該先端部には耐熱素材が用いられている。

そして、上記の通りワイヤカット放電加工を行うのみでは加工目的とする流路５及びブレード４の最終形状を形成することは困難である。従って、上記ワイヤカット放電加工を粗加工とし、最終的には機械加工や型彫放電加工等を用いて最終仕上げ加工を行なう。

以上のようなインペラ１の製造方法によれば、上記貫通孔８内部であって当該電気絶縁チューブＷ２の存在しない非絶縁部９に対しワイヤカット放電加工を適用できる。即ち上記貫通孔８内部へ挿入された上記電気絶縁チューブＷ２の貫通孔８内部側の先端を支点Ｓとして、当該放電ワイヤＷ１を上下左右自在方向へ遊動させることにより、当該貫通孔８を内面から任意の方向へ拡張しながらワイヤカット放電加工を行うことにより、ハブ２とシュラウド３とに挟まれた空間にブレード４と流路５とを形成できる。

ここで、ワイヤカット放電加工は機械加工や型彫放電加工等の他の加工方法と比較し、加工に要する時間が短いため加工工数低減が可能である。しかし当該ワイヤカット放電加工は直線的に加工を行なうものであり、例えば湾曲するような複雑な形状をなす流路５の加工が困難という問題があった。

これに対し本実施形態においては、当該電気絶縁チューブＷ２の挿入位置の移動や長さを変更することにより、放電ワイヤＷ１の支点Ｓを任意に移動させながら短距離の直線加工を連続的に行ない、湾曲形状等の複雑な形状をなすブレード４と流路５を形成することが可能となる。

このような電気絶縁チューブＷ２を用いたワイヤカット放電加工によって、当該ワイヤカット放電加工の迅速性を生かし、ハブ２とシュラウド３とに挟まれた空間に複雑な形状をなすブレード４と流路５とを形成する粗加工ができる。

そして上記ワイヤカット放電加工による粗加工を行なった後、最終仕上げ加工として機械加工や型彫放電加工等を行ない、当該機械加工や当該型彫放電加工等のみを全加工工程に適用する場合と比較し、当該機械加工や当該型彫放電加工等で加工する加工部位が減少するため、結果として全加工工程の総工数を低減できる。

次に図４を参照して、本発明の第二実施形態に係るインペラ１の製造方法について説明する。
なお第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

この第二実施形態は、電気絶縁部形成工程（第二工程）の手法が第一実施形態と相違する。即ちこの第二実施形態においては、上記貫通孔８内面の一部をコーティングＷ３によって電気絶縁する。
当該貫通孔８内部の当該コーティングＷ３の先端を放電ワイヤＷ１の支点Ｓとして、通電した放電ワイヤＷ１を上下左右自在方向へ遊動させ、コーティングＷ３がなされていない貫通孔８内面の非絶縁部９との間でワイヤカット放電加工を行い、当該貫通孔８を任意の方向へ拡張しながら流路５を形成することができる。

上記のようなコーティングＷ３を用いてワイヤカット放電加工を行うことにより、任意の方向へ貫通孔８を拡張しながら上記ハブ２と上記シュラウド３に挟まれた空間に複雑な形状をなすブレード４と流路５とを迅速に形成できる。

次に図５を参照して、本発明の第三実施形態に係るインペラ１の製造方法について説明する。
なお第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

この第三実施形態は、貫通孔形成工程（第一工程）の手法が第一実施形態と相違する。即ちこの第三実施形態においては、貫通孔８を設ける際にＳＴＥＭ放電加工を用いる。

ここで上記ＳＴＥＭ放電加工とは電解加工の一種であり、電解液（硝酸）を流しながら電極（チタンチューブ）と被加工物とに電圧をかけ、電解作用を利用して加工する加工方法である。被加工物に熱応力や機械応力がかからず、小径の深孔加工を得意としドリル等の切削加工と比較し加工速度が速い。また湾曲した孔を形成することも可能である。

このＳＴＥＭ放電加工を用いることにより、様々な形状をなす貫通孔８を容易に形成できる。例えば湾曲した流路５を形成する際、当該流路５の形状に沿って湾曲した貫通孔８を形成することによりワイヤカット放電加工を容易化でき、より複雑な形状の流路５の形成が可能となり、また加工工数を削減できる。

以上、本発明の実施形態ついて詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において多少の加工方法変更も可能である。

例えば上記インペラ材１０に対し、上記ブレード４及び上記流路５を形成しようとする位置に干渉しない範囲内において、上記貫通孔８を複数設けてもよい。この場合、上記電気絶縁チューブＷ２の挿入位置及び上記コーティングＷ３の塗布位置の選択範囲が広がり、上記放電ワイヤＷ１の支点Ｓの位置選択の自由度が増す。従って加工方向の自由度が増し、複雑な形状をなす流路５をさらに短時間で形成することができ、さらなる加工工数低減を達成できる。

また本実施形態においてはワンピースインペラの加工例を説明したが、これに限定されることなく、金属材料内部に通路を形成する加工全般に適用できる。

１…インペラ、２…ハブ、３…シュラウド、４…ブレード、５…流路、６…導入口、
７…嵌合孔、８…貫通孔、９…非絶縁部、１０…インペラ材、Ｏ…軸線、Ｓ…支点、
Ｒ…流体、Ｗ１…放電ワイヤ、Ｗ２…電気絶縁チューブ、Ｗ３…コーティング

Claims (4)

1. 金属材料の内部に、前記金属材料の一端から他端へ貫通する通路を形成する金属加工方法であって、
   前記通路を形成する範囲に対し、前記金属材料の一端と他端とを連通する貫通孔を設ける第一工程と、
   当該貫通孔の内面の一部を覆う電気絶縁層を設ける第二工程と、
   前記電気絶縁層を設けた前記貫通孔に放電ワイヤを挿通させる第三工程と、
   前記放電ワイヤに通電し、該放電ワイヤと前記貫通孔の内面における前記電気絶縁層が存在しない非絶縁部との間で放電を行い、前記非絶縁部の加工を行なう第四工程とを備えることを特徴とする金属加工方法。
2. 前記第二工程において、前記電気絶縁層が絶縁素材のチューブとされ、前記チューブの端部が耐熱素材とされることを特徴とする請求項１に記載の金属加工方法。
3. 前記第二工程において、前記電気絶縁層が絶縁素材のコーティングとされることを特徴とする請求項１に記載の金属加工方法。
4. 前記第一工程において貫通孔を設ける際に、電解加工が用いられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の金属加工方法。

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