JP2013006236A - インペラの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インペラ材の材質に関わらず高性能なインペラの加工方法を提供する。
【解決手段】円盤状をなすディスクに径方向に延びるブレードが周方向に間隔をあけて複数設けられ、これらブレードの間に流路が形成されたインペラの加工方法であってインペラ材に対して放電加工を施すことにより流路を形成する流路放電加工工程Ｓ２と、該放電加工によって流路に形成された変質層を除去する第一研磨工程Ｓ３と変質層を除去した流路の表面にさらに研磨を施す第二研磨工程Ｓ４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、遠心圧縮機等の遠心回転機に使用されるインペラの加工方法に関するものである。

例えば遠心圧縮機等に用いられるインペラは、一般に回転軸に固定されるディスクと、ディスクの表面に突出して設けられる複数のブレードと、このブレードをディスクと反対側から覆うカバーとによって構成される。そしてこのディスクとブレードとカバーとによって囲まれた空間が流体が流通する流路となっている。
そして、インペラの一種として、上記ディスクとブレードとカバーとが母材となるインペラ材から一体的に加工されることによって製造される強度信頼性の高いワンピースインペラが知られている。

例えば特許文献１には、ステンレスのワンピースインペラ加工の際に流路入口及び出口とすべき位置からそれぞれ別の工具を挿入し放電加工を施すことにより上記流路を形成した後、この流路表面に形成される疲労破壊の起点となり得る変質層を除去する仕上研磨加工として電解研磨や流体研磨を施す手法が開示されている。

特開２０１０−８９１９０号公報

しかしながら、インペラ材として例えば耐食性の低い低合金鋼や炭素鋼やニッケル鋼等を用いた場合、放電加工後の流路表面の仕上研磨加工に電解研磨を採用すると、流路表面に腐食ピットが生成されてしまうため疲労強度が低下してしまう。また、この腐食ピットの生成によって流路の表面粗さが増大し、流体が流路内を流動する際の流動抵抗が増しエネルギー損失が発生する。
一方、流体研磨を仕上研磨加工に用いた場合には、流路隅部に研磨不良が残存し流路表面に対し十分な表面粗さを達成できず、流体が流路内を流動する際の流動抵抗が増大することによってエネルギー損失が発生する。この結果インペラの性能低下が懸念される。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、耐食性の低い材質のインペラに対して性能向上を図ることができるインペラの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、本発明は以下の手段を採用している。
即ち本発明に係るインペラの加工方法は、円盤状をなすディスクに径方向に延びるブレードが周方向に間隔をあけて複数設けられ、これらブレードの間に流路が形成されたインペラの加工方法であってインペラ材に対して放電加工を施すことにより前記流路を形成する流路放電加工工程と、該放電加工によって前記流路に形成された変質層を除去する第一研磨工程と、前記変質層を除去した前記流路の表面にさらに研磨を施す第二研磨工程とを備えることを特徴とする。

このようなインペラの加工方法によれば、インペラ材の流路とすべき位置に放電加工を施すことによって複雑形状をなす流路を精度よく形成することができる。そして当該放電加工によって形成された流路表面に対し第一研磨工程を実行することにより変質層を除去し、変質層を起点とした疲労破壊等を回避できる。
なお、上記変質層を除去した際、インペラの材質によっては流路表面の金属光沢が失われることがあるが、本発明においては第一研磨工程の実行後にさらに研磨を施す第二研磨工程を実行することによって、流路表面に金属光沢を付与することができる。

さらに前記第一研磨工程は、前記変質層の除去に加えて表面粗さを低減させる電解研磨を施すことが好ましい。

放電加工によって形成された流路表面の変質層を電解研磨によって除去し、当該変質層を起点とした割れ等を伴う疲労破壊を回避できる。また、この変質層除去に加え表面粗さを低減することもでき、流体の流動損失防止によるさらなるインペラの性能向上を図ることができる。

また、前記第一研磨工程は、研磨剤を用い機械的に研磨する手法であってもよい。

放電加工によって形成された流路へ研磨剤を流通させることにより変質層を研削除去し、当該変質層を起点とした疲労破壊等を回避しインペラの性能向上を図ることができる。

本発明に係るインペラの加工方法によれば、耐食性の低い材質のインペラに対して流路表面へ仕上研磨加工を施すことができ、高性能なインペラを取得できる。

本発明の第一実施形態に係るワンピースインペラの正面図である。 本発明の第一実施形態に係るワンピースインペラの側断面図である。 本発明の第一実施形態に係るワンピースインペラの加工工程を示すフロー図である。 本発明の第一実施形態に係るワンピースインペラの加工方法に関し、第一の流路形成工程を説明する側断面図である。 本発明の第一実施形態に係るワンピースインペラの加工方法に関し、第二の流路形成工程を説明する側断面図である。 本発明の第一実施形態に係るワンピースインペラの加工方法に関し、化学研磨工程を説明する側断面図である。 本発明の第二実施形態に係るワンピースインペラの加工方法に関し、試験片に機械的な研磨（機械加工）を施した後の加工面の表面粗さを示すグラフである。 本発明の第二実施形態に係るワンピースインペラの加工方法に関し、試験片に機械的な研磨（機械加工）を施した後に化学研磨を施した場合の加工面の表面粗さを示すグラフである。

以下、図１から図６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）の加工方法について説明する。
本実施形態において製造されるインペラ１は、回転軸に組み付けられ回転体として流体Ｗの増圧を行なう遠心圧縮機等の遠心回転機に搭載されるものである。
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ディスク２とブレード３とカバー４とから構成される。

ディスク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３は上記ディスク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１０枚）が設けられている。
また、当該ブレード３は、それぞれ当該ディスク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３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Ｗを流入させる導入口１１が開口している。

カバー４は、複数のブレード３を軸線Ｏ方向一方側から覆うようにこれらブレード３と一体に設けられた部材である。また、このカバー４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、ディスク２とブレード３とカバー４との間の領域は流体Ｗの流通する流路１２となっている。

さらに、インペラ１の中央には軸線Ｏ方向に貫通する嵌合孔１３が設けられている。この嵌合孔１３には、図示しない回転軸等が軸線Ｏ方向から挿入される。これによってインペラ１と回転軸等とが一体に回転する。

次に、上記インペラ１の加工方法の手順について説明する。
図３はインペラ１の加工工程を示すフロー図であって、この加工工程は外形形成工程Ｓ１と、流路放電加工工程Ｓ２と、第一研磨工程Ｓ３と、第二研磨工程Ｓ４とを備えている。

まず、インペラ１の外形形成工程Ｓ１を実行する。即ち、円筒形状をなす鋼材を切り出し、この切り出した鋼材の外周面をフライス盤等を用いて切削する。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が形成される。
次いで、上記インペラ材５の中央にドリル等を用いて軸線Ｏ方向に貫通する孔を形成し、これを嵌合孔１３とする。さらに、機械加工を用いることにより、インペラ材５の小径側の端面における嵌合孔１３の外周側に周方向に間隔をあけて複数の凹部２２を形成する。この凹部２２はインペラ１における導入口１１となるものである。このようにして、外径形成工程Ｓ１により嵌合孔１３及び複数の凹部２２を有するインペラ材５が製作される。このインペラ材５はインペラ１を製作する際の母材となるものである。

なお、鋼材としては、低合金鋼や炭素鋼、低温用鋼等（クロム含有量が１３％以下の鉄系合金鋼とフェライト系ステンレス鋼）のような耐食性の低いものが用いられている。

続いて、流路放電加工工程Ｓ２を実行する。この流路放電加工工程Ｓ２は、第一流路形成工程及び第二流路形成工程の二段階の工程を有している。
まず、第一流路形成工程を実行し、図４に示すように上記インペラ材５において、ブレード３とディスク２とカバー４とに挟まれた空間の流路１２を形成しようとする位置に対し、径方向外側の外周面へ銅等からなる第一加工用電極Ｗ１を近接させる。そしてこの第一加工用電極Ｗ１とインペラ材５との間に通電することによって放電加工を施す。その後、径方向内側へ向かって第一加工用電極Ｗ１を挿入しながら放電加工を進行させることにより流路１２とすべき範囲の中途まで放電加工を施す。これによってインペラ材５の径方向外側の外周面から径方向内側に向かって延びる流路１２の一部とされる長孔形状の空間が形成される。

ここで、上記放電加工は、電極と被加工金属との間に発生するアーク放電によって被加工物表面を除去する非接触加工の一種である。この放電加工では導電性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。

そして次に第二流路形成工程を実行する。
図４に示すように、上記第一流路形成工程において放電加工を施した後には未加工領域２１が残されている。この未加工領域２１は第一流路形成工程において加工不可能であった領域であり、この第二流路形成工程において当該未加工領域２１を除去する。

即ち、図５に示すように、上記インペラ材５においてブレード３とディスク２とカバー４とに挟まれた空間の流路１２を形成しようとする位置に対し、銅等からなる第二加工用電極Ｗ２を凹部２２から挿入し加工面に近接させ、この第二加工用電極Ｗ２とインペラ材５との間に通電することによって放電加工を施す。この第二加工用電極Ｗ２の先端は流路１２形状に合わせ湾曲した鉤型形状をなしており、当該第二加工用電極Ｗ２を径方向外側へ向かって挿入しながら放電加工を進行させることによって上記未加工領域２１を除去することができる。この結果、第一流路形成工程と第二流路形成工程とによって形成された流路１２とされる空間同士を結合し、ディスク２とカバー４とによって挟まれた空間に流路１２を形成することができる。

なお、本実施形態においては、上記のように第一流路形成工程及び第二流路形成工程の二段階の作業によって流路１２の形成を行なったが、流路１２の形状が簡素な場合は一回の工程によって加工してもよい。また、第一流路形成工程と第二流路形成工程とのうち、流路１２の形状に応じてどちらの作業を最初に実行してもよい。そして第一加工用電極Ｗ１及び第二加工用電極Ｗ２の形状を流路１２の形状に応じて選択できる。

続いて、電解研磨（第一研磨工程Ｓ３）を実行する。この電解研磨とは一般に硫酸やリン酸等の酸を主体とした電解研磨液と被加工物との間に通電し加工面を溶解することによって研磨効果を得る研磨手法である。具体的には上記電解研磨液中にインペラ１を浸漬しインペラ１側をプラスとし、流路１２内へ設置したグラファイトよりなる電極をマイナスとして直流電流を通電する。これにより流路１２の表面を溶解することによって平滑化する。

続いて、化学研磨（第二研磨工程Ｓ４）を実行する。
この化学研磨においては、市販の８％過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）と４％フッ化水素アンモニウム（ＮＨ_４ＨＦ）を混合し２０℃〜３０℃に保った混合溶液中にインペラ１を浸漬することにより加工面を化学反応によって研磨する。そしてこのときインペラ１は、図６に示すように流路１２の表面以外をマスキングした状態（余肉を残した状態）において上記混合溶液に浸漬され、流路１２の表面のみが研磨される。

以上ようなインペラ１の加工方法においては、第一流路形成工程及び第二流路形成工程における放電加工によって流路１２の表面に形成された変質層、即ち、放電加工の際に加工面が溶融・再凝固することによって形成される硬化層を除去する電解研磨（第一研磨工程Ｓ３）を実行する。これによって、この硬化層を起点とした割れ等を伴う疲労破壊を回避できる。
またこの電解研磨を用いることによって、変質層除去に加え表面粗さの低減を行い、流路１２表面に鏡面仕上げを施すことができる。この結果流体Ｗが流路を流動する際の流動抵抗によるエネルギー損失を防止し、インペラ１の作動効率向上による性能向上を図ることができる。

しかしながら本実施形態における低合金等のインペラ１へ電解研磨を適用した場合、加工面に腐食ピット（約５０μｍ）が生成し、疲労強度の低下及び表面粗さの増大が引き起こされる。
これに対し本実施形態においては、電解研磨を施した後に化学研磨を実行することによって、上記腐食ピットを除去することができ、疲労強度向上と、表面粗さ低減による流路１２の平滑化とが可能となる。さらに、流路１２の表面に金属光沢を付与し意匠性向上も達成できる。

ここで、仮に化学研磨の実行後に電解研磨を実行した場合、流路１２の表面粗さが大きい状態のまま化学研磨を施すこととなり、流路１２の表面がうねり、インペラ１の作動時に流体Ｗの流動抵抗によるエネルギー損失が発生し、インペラ１の作動効率悪化による性能低下を招く。また、電解研磨を実行した後には、最終的に流路１２の表面に腐食ピットが残存してしまう。このため上記のように電解研磨の後に化学研磨を施す必要がある。

従って、電解研磨の後に化学研磨を施すことによって低合金鋼等よりなるインペラ１において流路１２の表面の変質層及び腐食ピットを除去し、流路１２の平滑化及び疲労強度向上を達成でき、より高性能なインペラ１を製造することができる。

次に、第二実施形態に係るインペラ１の加工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様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、加工工程のうち第一研磨工程Ｓ３が第一実施形態と相違する。即ち、第二実施形態では、電解研磨に代えて機械的に研磨する手法である流体研磨を実行する。

上記流体研磨とは一般に、研磨剤を混合した粘土状の物質を加工面に高圧で流し込み、加工面を機械的に研磨し平滑化する手法である。
なお上記変質層を除去する手段としては、流路１２の形状に応じて実行可能な他の機械的に研磨する手法（例えばバレル研磨や切削工具を用いた切削加工等）を用いてもよい。

この流体研磨を実行し、研磨剤を混合した粘土状の物質を流路１２内へ流入させることによって放電加工後に流路１２の表面に形成された変質層を除去し、当該変質層を起点とした割れ等を伴う疲労破壊を回避できる。さらに流路１２の表面に金属光沢を付与することもできる。

ここで、流体研磨実行による流路１２の表面の変質層除去後には、流路１２の隅部においては研磨剤が行き届かず研磨不良が残存してしまい、この結果十分な表面粗さを達成できない恐れがある。
これに対して本実施形態では上記流体研磨の後に化学研磨を実行することによって変質層の除去と表面粗さ低減とを達成でき、さらに、流路１２の表面に金属光沢を追加付与し、意匠性向上をも図ることができる。

ここで、仮に流体研磨を実行せずに化学研磨のみを実行した場合、研磨工数を削減できるといった利点はある。しかしながら流路１２表面に流体研磨を施さない場合には流路１２の表面粗さが大きく、このような流路１２の表面に化学研磨を施した場合、流路１２の表面にうねりが発生する。従って、このうねりによってインペラ１の作動時に流体Ｗの流動抵抗が発生し、この流動抵抗によるエネルギー損失によってインペラ１の作動効率が悪化しインペラ１の性能低下を招いてしまう。この点、まず流体研磨を実行することによって表面粗さの低減を行った状態において化学研磨を施すことができるため、流路１２のうねり発生を抑制しインペラ１の性能低下を回避できる。

上記のように流体研磨の後に化学研磨を施すことによって、低合金鋼等の材質のインペラ１に対して、放電加工の結果流路１２の表面に生成される変質層を除去でき、また流路１２の平滑化を行なうことによって高性能なインペラ１を製造することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細説明を行なったが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば化学研磨において、インペラ１のマスキングを行なわず治具等を用いて上記混合溶液を流路へ流通させる方法によって研磨を行なってもよい。
また、第二研磨工程Ｓ４は化学研磨に限定されない。

化学研磨による表面粗さの低減効果について図７及び図８を参照して説明する。
図７は上記インペラ１と同じ材質の試験片に機械加工を施した場合の加工面の表面粗さを測定した実験結果を示し、測定距離と表面粗さとの関係を示すグラフである。この実験結果はカットオフ波長を０．８ｍｍとした場合の実験データを示し、算出平均粗さＲａは１．１９０μｍ、最大高さＲｚは５．６９０μｍ、十点平均粗さＲｚＪは７．９４２μｍとなった。
これに対し図８は、機械加工を施した後の上記試験片にさらに化学研磨を施した場合の実験結果を示したものであり、図７と同様に測定距離と表面粗さとの関係を示すグラフとなっている。この実験結果も上記同様にカットオフ波長を０．８ｍｍとした場合の実験データを示しており、算出平均粗さＲａは０．２８１μｍ、最大高さＲｚは２．０４３μｍ、十点平均粗さＲｚＪは２．４６５μｍとなった。
以上のことから、機械加工後に化学研磨を行なった場合の実験結果の方がいずれの実験データにおいても良好な数値を示し、機械加工後の化学研磨によってさらに表面粗さを低減できることがわかった。

１…インペラ、２…ディスク、３・・・ブレード、４…カバー、５…インペラ材、１１…導入口、１２…流路、１３…嵌合孔、２１…未加工領域、２２…凹部、Ｏ…軸線、Ｓ１…外形形成工程、Ｓ２…流路放電加工工程、Ｓ３…第一研磨工程、Ｓ４…第二研磨工程、Ｗ…流体、Ｗ１…第一加工用電極、Ｗ２…第二加工用電極

Claims (3)

1. 円盤状をなすディスクに径方向に延びるブレードが周方向に間隔をあけて複数設けられ、これらブレードの間に流路が形成されたインペラの加工方法であって、
   インペラ材に対して放電加工を施すことにより前記流路を形成する流路放電加工工程と、
   前記放電加工によって前記流路に形成された変質層を除去する第一研磨工程と、
   前記変質層を除去した前記流路の表面にさらに研磨を施す第二研磨工程とを備えることを特徴とするインペラの加工方法。
2. 前記第一研磨工程は、前記変質層の除去に加えて表面粗さを低減させる電解研磨を施す工程であることを特徴とする請求項１に記載のインペラの加工方法。
3. 前記第一研磨工程は、研磨剤を用いて機械的に研磨を施す工程であることを特徴とする請求項１に記載のインペラの加工方法。

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