JP2013238173A - 回転機械用のブレードの製造方法及びこれに用いられるバランスウェイトの鋳込み用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械用のブレードの製造方法及びこれに用いられるバランスウェイトの鋳込み用治具を提供する。
【解決手段】加工済ブレードにおいて、ボス用突出部と軸用突出部を翼形部の両端に設けた加工対象ブレードを得る。ブレードのボス用突出部及び軸用突出部にボス側センタ穴と軸側センタ穴を形成する。翼形部がバランスウェイト中に埋め込まれるようにバランスウェイトを加工対象ブレードに取付ける。軸側センタ穴とボス側センタ穴の少なくとも一方をセンタで支持して、バランスウェイトが加工対象ブレードに取付けられる一体化ブレードを回転させ軸側突出部及びボス用突出部を旋削加工する。バランスウェイトの取付けにおいて、軸側センタ穴とボス側センタ穴を通る直線上近傍に一体化ブレードの重心が位置するようにバランスウェイトを加工対象ブレードに取付ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば蒸気タービンやガスタービン等の回転機械に用いられるブレードの製造技術に関し、特に、ブレードの翼形部の両端側にボス及び軸がそれぞれ設けられるブレードの製造方法及びこれに用いられるバランスウェイトの鋳込み用治具に関する。

従来から、例えばガスタービンの圧縮機のような回転機械の可変静翼として、軸及びボスを有するブレードを用いることがある。可変静翼は、回転機械における作動流体の流量を調節することを目的としている。この目的を達成するため、可変静翼は、翼形部の両端に設けられるボス及び軸を支軸としてアクチュエータで回動しうるように構成され、作動流体の流れ方向に対して翼形部がなす角度を調整可能となっている。

この種のブレード（可変静翼）では、その本来の機能（作動流体の流量調節）を実現するために、ブレードの回動中心（すなわち軸及びボスの芯）に対して所望の位置関係で翼形部の三次元曲面形状が形成されている必要がある。また、アクチュエータによるブレードの回動が適切に行われるためには、ブレードを回動させるためのトルクが所期の範囲内に収まる必要があり、そのためには軸及びボスの芯が精度良く一致していなければならない。

そこで、この種のブレードの軸及びボスを加工する際、次のような手順により加工を行うことがあった。
最初に軸及びボスにセンタ穴を形成し、このセンタ穴を利用して、旋盤等を用いた旋削を行って軸の仕上げ加工をする。このとき、軸とボスの間の翼形部が複雑な三次元形状を有するために、特段の処置を採らずに旋削を行うと旋削時におけるブレードの高速回転によってブレードの回転振れが生じて、高精度な加工が困難になる。そこで、円筒状の治具でブレードを囲んで、治具の内周面から張り出した複数のボルトによりブレードの翼形部を突っ張って固定した状態で軸の旋削を行う手法を採用することがある。これにより、旋削加工中におけるブレードの回転振れを抑制して、軸の加工精度を向上させることができる。
軸の仕上げ加工を終えた後、今度はボスの荒加工を旋削にて行う。このときにも、上述の円筒状治具を用いてブレードの回転振れを防止しながら、ボスの荒加工を行う必要がある。そのため、軸の加工後にブレードから治具を一旦取り外して、ブレードを反転させて治具を再度取り付けた状態でボスの加工を行う。
その後、旋削加工時における円筒状治具のボルトの突っ張りにより生じたブレードの歪みを修正した上で、マシニングセンタ等による切削加工により翼形部の仕上げを行う。その後、ボス端部の不要な部分を切断し、再びブレードの歪み修正を行う。そして、ボスの端部にセンタ穴を再び形成した後（ここでセンタ穴の形成が必要になるのは最初に形成しておいたセンタ穴がボス端部の切断により失われるためである）、このセンタ穴を利用して旋削によりボスの仕上げ加工を行う。

なお、軸及びボスを有するブレードの製造方法に関するものではないが、特許文献１には、タービンブレードのルート部とシュラウド部を加工する際、ルート部とシュラウド部の間に位置する羽根部を羽根把持具によって把持した状態で、該羽根把持具を中央旋回チャックに取り付けて、加工ヘッド及び中央旋回チャックによる多軸制御によりエンドミルを用いた切削を行うことが記載されている（特許文献１の段落００４９及び図８参照）。このとき、羽根把持具は円筒形状であり、筒内に配置された位置決めピンをタービンブレードの羽根部に突き当てた状態で、筒内に液体を充填してこれを凝固させることで羽根部を把持するようになっている（特許文献１の段落００５３並びに図１１及び１２参照）。

特開２０１０−１７４８７６号公報

しかしながら、軸及びボスを有するブレードの従来の製造方法では、上述のように円筒状治具の内周面から張り出した複数のボルトによりブレードの翼形部を突っ張って固定した状態で軸やボスの旋削加工を行っていたため、ブレードの拘束が不安定であり、加工精度を向上させることが困難であった。
また従来の製造方法では、複数のボルトによりブレードの翼形部を突っ張ることで円筒状治具によるブレードの固定を行っていたため、ボルトによる拘束力が翼形部の歪みの原因になっていた。すなわち、翼形部は複雑な三次元形状を有するから、ボルトで翼形部を強く拘束しなければ、旋削加工時におけるブレードの高速回転中、遠心力や風損（風切り）によって回転振れが生じて加工精度が低下するおそれがある。ところが、円筒状治具におけるボルトの拘束力は強くすると、肉厚が薄い翼形部は歪んでしまう。結果的に、円筒状治具を用いた軸の仕上げ加工後に翼形部の歪み修正を余儀なくされ、この歪み修正の精度が軸とボスの同心度に悪影響を及ぼす可能性があった。
さらに旋盤を用いた軸の仕上げ加工を行った後、円筒状治具を一旦取り外してボスの旋盤加工を行う必要があることから、この際に軸とボスの加工の基準がずれて、軸とボスの同心度を確保することが難しかった。

なお、特許文献１に記載のブレード製造方法は、そもそも回転軸に対称な形状の軸及びボスを有するブレードを対象とするものではなく、非対称な形状のルート部及びシュラウド部を有するブレードを対象としている。そのため、ルート部及びシュラウド部の加工は旋削で行うことができず、エンドミルを用いた切削により行っている。（なお、特許文献１において羽根把持具を介してブレードを中央旋回チャックに取り付けているが、エンドミルを用いた切削を行うことが明記されているから、中央旋回チャックの役割はブレードの角度を変えてルート部及びシュラウド部の全周に亘って切削加工を行うためであり、ブレードの高速回転を伴う旋削加工を行うためではないことは明らかである。）したがって、特許文献１における円筒形状の羽根把持具は、切削加工時に確実にブレードを把持するためのものにすぎず、旋削加工時におけるブレードの回転振れの抑制を目的としたものではない。
また、特許文献１には、軸とボスの同心度を如何にして確保するのか何ら記載されていない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、加工対象ブレードの両端側に設けられる軸及びボスの芯を高精度で一致させることができる回転機械用のブレードの製造方法及びこれに用いられるバランスウェイトの鋳込み用治具を提供することを目的とする。

本発明に係る回転機械用のブレードの製造方法は、翼形部と、該翼形部の軸方向の一端側に設けられる軸と、他端側に設けられるボスとを備え、前記軸及び前記ボスを支軸として回動可能な回転機械用のブレードの製造方法において、
加工後にそれぞれ前記ボス及び前記軸となるボス用突出部と軸用突出部が前記翼形部の両端に設けられた加工対象ブレードを得るステップと、前記加工対象ブレードの前記ボス用突出部及び前記軸用突出部にそれぞれボス側センタ穴と軸側センタ穴を形成するステップと、前記加工対象ブレードの前記翼形部がバランスウェイト中に埋め込まれるように前記バランスウェイトを前記加工対象ブレードに取り付けるステップと、前記軸側センタ穴と前記ボス側センタ穴の少なくとも一方をセンタで支持した状態で、前記バランスウェイトが前記加工対象ブレードに取り付けられてなる一体化ブレードを回転させながら前記軸側突出部及び前記ボス用突出部を旋削加工するステップとを備え、前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、前記軸側センタ穴と前記ボス側センタ穴を通る直線上近傍に前記一体化ブレードの重心が位置するように前記バランスウェイトを前記加工対象ブレードに取り付けることを特徴とする。
なお、本明細書において「旋削」とは、例えば旋盤やマシニングセンタを用いて、加工対象物を回転させながら刃物の送り運動を行うことで加工対象物の形状を変化させることをいう。

上記製造方法によれば、翼形部がバランスウェイトに埋め込まれるようにバランスウェイトを加工対象ブレードに取り付けるようにしたので、ブレードの安定した拘束が可能となり、軸及びボスの加工精度を向上させることができる。
また、バランスウェイトは翼形部を包み込んで支持することとなるので、従来の円筒状治具の使用時においてボルトによる翼形部の拘束によって生じるおそれがあった翼形部の歪みを防止できる。よって、軸用突出部及びボス用突出部の何れか一方の旋削加工後における翼形部の歪み修正作業を基本的には省略することができる。すなわち、軸用突出部の旋削加工とボス用突出部の旋削加工との間に翼形部の歪み修正作業を行う必要は基本的にはない。よって、歪み修正作業が軸とボスの同心度に与える悪影響を実質的に無くすことができる。
また、上記製造方法では、加工対象ブレードの軸用突出部及びボス用突出部にそれぞれ軸側センタ穴とボス側センタ穴を形成し、バランスウェイトの取付時に、これらのセンタ穴を通る直線上近傍に一体化ブレードの重心が位置するようにバランスウェイトを取り付ける。そして、軸用突出部及びボス用突出部の旋削加工時に、軸側センタ穴とボス側センタ穴の少なくとも一方をセンタで支持した状態で、一体化ブレードの軸用突出部及びボス用突出部を旋削加工するようにしている。そのため、旋削加工時に、一体化ブレードの重心が、一体化ブレードの回転中心と略一致することとなる。これにより、回転振れを抑制でき加工精度を向上できるとともに、軸及びボスの同心度を精度良く確保できる。

上記回転機械用のブレードの製造方法において、前記バランスウェイトが低融点金属であり、前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、前記加工対象ブレードをその長手方向が鉛直方向になるように鋳込み用治具内に設置し、前記鋳込み用治具に前記低融点金属を注入した後、該低融点金属を凝固させるようにしてもよい。
このように、バランスウェイトとして低融点金属を用いることにより、加工対象ブレードへのバランスウェイトの着脱が容易に行える。すなわち、低融点金属は比較的低い温度で溶融するので、鋳込み用治具内に注入するために容易に流動化させることができる。また、バランスウェイトの取り外し時には、低融点金属は軟質のものが多いことから容易に削り落としたり、加熱して流動化させることで加工対象ブレードから容易に分離したりすることができ、簡単に取り外し可能である。
なお、低融点金属とは、比較的低温（例えば５０℃〜２００℃程度）で溶融する金属であり、例えば、亜鉛、インジウム、ガリウム、錫、ビスマス、鉛等を主成分とした合金を用いることができる。具体的には、はんだや、ウッド合金、ローズ合金等を用いてもよい。

前記鋳込み用治具は、上部が開放された有底円筒形状であってもよい。
通常、低融点金属は溶融状態から凝固する際に膨張するので、上部が開放された鋳込み用治具を用いることによって、膨張により生じる治具内圧力を上部から開放することができ、低融点金属の凝固時における翼形部の歪みの発生を抑制することができる。

前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、前記鋳込み用治具に注入された前記低融点金属を下方から上方に向けて凝固させるようにしてもよい。
このように、鋳込み用治具内の低融点金属を下方から上方に向けて凝固させることによって、膨張により生じる治具内圧力を上方へ逃がすことができ、低融点金属の凝固時における翼形部の歪みの発生を抑制することができる。

また、前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、前記低融点金属として前記翼形部の材料よりも比重が大きい材料を用いるようにしてもよい。
このように低融点金属として翼形部の材料よりも比重が大きい材料を用いることによって、一体化ブレード全体の慣性への翼形部の寄与を小さくし、軸用突出部及びボス用突出部の旋削加工時における一体化ブレードの安定した回転が可能となる。よって、軸及びボスの加工精度の向上を図ることができる。

上記回転機械用のブレードの製造方法において、前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、前記鋳込み用治具のセンタが前記ボス側センタ穴に嵌合するように、前記鋳込み用治具の底面の穴に前記ボス用突出部を挿入した後、前記鋳込み用治具に前記低融点金属を注入するようにしてもよい。
このように、ボス用突出部を鋳込み用治具の底面の穴に挿入して、鋳込み用治具のセンタがボス側センタ穴に嵌合するように、加工対象ブレードを鋳込み用治具内に配置することによって、ボス側センタ穴を基準に一体化ブレードの重心を定めることができる。よって、一体化ブレードの重心をボス側センタ穴と軸側センタ穴を通る直線上近傍に容易に位置させることが可能となり、旋削加工中における一体化ブレードの回転中心に一体化ブレードの重心位置を略一致させて軸及びボスの同心度をより一層向上させることができる。

上記回転機械用のブレードの製造方法において、前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、内周面に凸部を有する前記鋳込み用治具に前記低融点金属を注入することによって、外周面に前記凸部の反転形状である切欠きを有する前記バランスウェイトを前記翼形部の周りに形成してもよい。
これにより、切欠きの重量分だけ一体化ブレードの重量を低減することができる。また、バランスウェイトの取り外し時に破壊する場合、切欠きを起点としてバランスウェイトを破壊しやすくなり、バランスウェイトをブレードから容易に分離することが可能になる。

本発明に係るバランスウェイトの鋳込み用治具は、翼形部と、該翼形部の軸方向の一端側に設けられる軸と、他端側に設けられるボスとを備える回転機械用ブレードの製造に用いられるバランスウェイトの鋳込み用治具であって、加工後にそれぞれが前記ボスと前記軸となるボス用突出部及び軸用突出部が前記翼形部の両端に設けられた加工対象ブレードの前記ボス用突出部が挿入される凹部を有する底板部と、前記翼形部を収納可能であり、前記底板部とともに前記バランスウェイトの鋳込み空間を形成する円筒部と、前記凹部内に設けられ、前記ボス用突出部に形成されたボス側センタ穴と嵌合する下側センタと、前記円筒部より上方に設けられ、前記軸用突出部に形成された軸側センタ穴と嵌合する上側センタと、前記ボス側センタ穴が前記下側センタと嵌合し、且つ、前記軸側センタ穴が前記上側センタと嵌合した状態で前記加工対象ブレードを支持するサポート部とを備える。

上記バランスウェイトの鋳込み用治具によれば、底板部に設けられる凹部に加工対象ブレードのボス用突出部が挿入されるとともに、凹部に設けられる下側センタにボス側センタ穴が嵌合される。また、鋳込み用治具の円筒部の上方に設けられる上側センタに軸側センタ穴が嵌合されるようになっている。このように、軸側センタ穴及びボス側センタ穴が、下側センタ及び上側センタで所定位置に位置決めされることによって、軸側センタ穴及びボス側センタ穴の鋳込み用治具に対する相対的な位置が決まる。したがって、この鋳込み用治具を用いれば、加工対象ブレードの周りにバランスウェイトを鋳込んで形成される一体化ブレードの重心を軸側センタ穴及びボス側センタ穴を基準として定めることができる。よって、一体化ブレードの重心をボス側センタ穴と軸側センタ穴を通る直線上近傍に容易に位置させることが可能となり、旋削加工中における一体化ブレードの回転中心に一体化ブレードの重心位置を略一致させて軸及びボスの同心度をより一層向上させることができる。

上記バランスウェイトの鋳込み用治具において、前記円筒部は、前記バランスウェイトの外周面に切欠きを形成するための凸部が内周面に設けられていてもよい。
これにより、切欠きの重量分だけ一体化ブレードの重量を低減することができる。また、バランスウェイトの取り外し時に破壊する場合、切欠きを起点としてバランスウェイトを破壊しやすくなり、バランスウェイトをブレードから容易に分離することが可能になる。

本発明によれば、加工対象ブレードの安定した拘束が可能で、軸及びボスの加工精度を向上させることができる。また、翼形部の歪みの発生を抑制でき、歪み修正作業が軸とボスの同心度に与える悪影響を実質的に無くすことができる。さらに、旋削加工時における回転振れを抑制でき、加工精度を向上できるとともに、軸及びボスの同心度を精度良く確保できる。

加工対象ブレードの構成例を示す図である。 加工済ブレードの構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るブレードの製造方法を示すフローチャートである。 センタ穴形成ステップを説明する図である。 ボスの荒加工ステップを説明する図である。 バランスウェイト取り付けステップを説明する図である。 軸の旋削加工（仕上げ加工）ステップを説明する図である。 ボスの旋削加工（仕上げ加工）ステップを説明する図である。 翼形部のプロファイル加工ステップを説明する図である。 一体化ブレードの保持治具の構成例を示す斜視図である。 バランスウェイトの鋳込み用治具の構成例を示す斜視図である。 図５の鋳込み用治具のＢ−Ｂ線断面図である。 図５の鋳込み用治具の開放状態を示す斜視図である。 バランスウェイトの鋳込み用治具の変形例を示す斜視図である。 図８の鋳込み用治具で作製された一体化ブレードの斜視図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１Ａは加工対象ブレードの構成例を示す図で、図１Ｂは加工済ブレードの構成例を示す図である。なお、本実施形態に係る製造方法により最終的に得られる加工済ブレード１０としては、例えばガスタービンのコンプレッサに用いられる可変静翼が挙げられる。但し、これに限定されるものではなく、以下で説明する製造方法は、任意の翼型を有する翼形部１１の両端にボス１２と軸１５がそれぞれ設けられたブレード１０全般に適用可能である。

図１Ａに示す加工対象ブレード１は、本実施形態に係る製造方法が適用される未完成のブレードである。この加工対象ブレード１は、翼形部２と、翼形部２の一端側に設けられるボス用突出部３と、翼形部２の他端側に設けられる軸用突出部４とを有する。なお、ここで翼形部２、ボス用突出部３及び軸用突出部４は、それぞれ余肉が付いた状態となっている。

図１Ｂに示す加工済ブレード１０は、本実施形態に係る製造方法によって最終的に得られるブレードの構成例を示している。このブレード１０は、プロファイル加工によって所望の翼型に形成された翼形部１１と、翼形部１１の一端側に設けられ旋削加工されたボス１２と、翼形部１１の他端側に設けられ旋削加工された軸１５とを有する。ボス１２の基部にはボス側つば部１４が設けられている。同様に、軸１５の基部には軸側つば部１７が設けられている。なお、同図では、ボス１２及び軸１５の先端部に、加工の基準として用いられた凸部１３，１６が残存した状態を示している。ボス１２の凸部１３にはボス側センタ穴３ａが形成され、軸１５の凸部１６には軸側センタ穴４ａが形成されている（図３Ａ参照）。これらの凸部１３，１６は、最終的には、切断によって除去されてもよい。

［回転機械用のブレード製造方法］
図２のフローチャートに従って、本発明の実施形態に係るブレードの製造方法の概要を説明する。
まず最初に、加工対象ブレード作製ステップ（Ｓ１）において、上記した図１Ａに示すように、翼形部２の両端にボス用突出部３及び軸用突出部４がそれぞれ設けられた加工対象ブレード１を作製する。加工対象ブレード１は、例えば鍛造により作製される。ここで、ボス用突出部３は加工後にボス１２となる部位で、軸用突出部４は加工後に軸１５となる部位である。

次に、センタ穴形成ステップ（Ｓ２）において、加工対象ブレード１の軸用突出部４及びボス用突出部３にそれぞれ軸側センタ穴４ａとボス側センタ穴３ａを形成する（図３Ａ参照）。そして、ボス荒加工ステップ（Ｓ３）で、ボス用突出部３の荒加工を行う（図３Ｂ参照）。続いて、バランスウェイト取り付けステップ（Ｓ４）において、加工対象ブレード１の翼形部２がバランスウェイト５中に埋め込まれるようにバランスウェイト５を加工対象ブレード１に取り付けて、翼形部２がバランスウェイト５で包み込まれた一体化ブレード１’を作製する（図３Ｃ参照）。このステップでは、軸側センタ穴４ａとボス側センタ穴３ａを通る直線Ｏ上近傍に一体化ブレード１’の重心が位置するように、バランスウェイト５を加工対象ブレード１に取り付ける。そして、バランスウェイト５を取り付けた状態で、軸仕上げ加工ステップ（Ｓ５）で軸用突出部４の旋削加工（図３Ｄ参照）を行った後、ボス仕上げ加工ステップ（Ｓ６）でボス用突出部３の旋削加工を行う（図３Ｅ参照）。これらの仕上げ加工のステップでは、軸側センタ穴４ａとボス側センタ穴３ａの少なくとも一方をセンタ２１で支持した状態で、軸用突出部４及びボス用突出部３を旋削加工する。軸用突出部４及びボス用突出部３の加工後、バランスウェイト取り外しステップ（Ｓ７）で、加工対象ブレード１からバランスウェイト５を取り外す。そして、プロファイル加工ステップ（Ｓ８）において、翼形部２のプロファイル加工を行う（図３Ｆ参照）。なお、軸仕上げ加工ステップ（Ｓ５）及びボス仕上げ加工ステップ（Ｓ６）は、同時に行ってもよいし、ボス仕上げ加工ステップ（Ｓ６）を行った後に軸仕上げ加工ステップ（Ｓ５）行うようにしてもよい。また、翼形部２のプロファイル加工は、バランスウェイト取り付けステップ（Ｓ４)の前に行ってもよい。

ここで、図３Ａ〜図３Ｆを参照して、本実施形態に係るブレードの製造方法について詳細に説明する。なお、図３Ａはセンタ穴形成ステップを説明する図で、図３Ｂはボス用突出部３の荒加工ステップを説明する図で、図３Ｃはバランスウェイト取り付けステップを説明する図で、図３Ｄは軸用突出部４の旋削加工（軸仕上げ加工）ステップを説明する図で、図３Ｅはボス用突出部３の旋削加工（ボス仕上げ加工）ステップを説明する図で、図３Ｆは翼形部のプロファイル加工ステップを説明する図である。

図３Ａに示すセンタ穴形成ステップでは、ボス用突出部３の端部にボス側センタ穴３ａを形成するとともに、軸用突出部４の端部に軸側センタ穴４ａを形成する。このとき、ボス側センタ穴３ａと軸側センタ穴４ａが、ほぼ、最終的に得られる加工済ブレード１０のボス１２と軸１５の軸心（加工済ブレード１０の回動中心）になるから、ボス側センタ穴３ａと軸側センタ穴４ａが所望の位置関係になるようにセンタ穴の形成を精度良く行う。

図３Ｂに示すボス荒加工ステップでは、後段のバランスウェイト取り付けステップにおいて、加工対象ブレード１の鋳込み用治具５０へのセットに適したボス用突出部３の外径に調節するために、ボス用突出部３を旋削加工する。図３Ｂに示すように、加工対象ブレード１の軸用突出部４は、保持治具（例えば旋盤のチャック）２０に保持される。このとき、加工対象ブレード１はその長手方向が水平方向となるように保持されることが好ましい。また、ボス用突出部３及び軸用突出部４の同心度を確保する観点から、軸用突出部４を保持治具２０で保持するとともに、ボス側センタ穴３ａをセンタ２１に嵌合させて、加工対象ブレード１を少なくとも２点で支持することが好ましい。なお、保持治具２０とセンタ２１との間に、加工対象ブレード１を回転自在に支持する振れ止め支持機構を設けてもよい。そして、ボス側センタ穴３ａをセンタ２１に嵌合させた状態で、保持治具２０を回転させることにより加工対象ブレード１全体を回転させ、バイト３０を用いてボス用突出部３の外周面を荒加工する。具体的には、後段のバランスウェイト取り付けステップで用いられる鋳込み用治具５０の凹部５６に対応した形状にボス用突出部３を加工する。

図３Ｃに示すバランスウェイト取り付けステップでは、まず、加工対象ブレード１をその長手方向が鉛直方向になるように鋳込み用治具５０内にセットする。鋳込み用治具５０は、主に、円筒部５１と、底板部５５と、底板部５５に形成された凹部５６と、凹部５６の内部に設けられた下側センタ５７と、円筒部５１の上方に設けられた上側センタ６５とを備える。鋳込み用治具５０の具体的な構成例は後述する。この鋳込み用治具５０に加工対象ブレード１を取り付ける際には、ボス側センタ穴３ａが下側センタ５７に嵌合するようにボス用突出部３を凹部５６に挿入するとともに、軸側センタ穴４ａを上側センタ６５に嵌合させる。これにより、軸側センタ穴４ａ及びボス側センタ穴３ａを通る直線Ｏ上近傍に一体化ブレード１’の重心が位置するようにバランスウェイト５が取り付けられる。
次いで、鋳込み用治具５０内に翼形部２が収納された状態で、鋳込み用治具５０内に低融点金属を注入する。これにより翼形部２は、低融点金属に浸漬された状態となる。なお、バランスウェイト５を形成する材料は低融点金属に限定されるものではなく、流動状態で注入した後に凝固可能な材料であればどのような材料であってもよい。

続いて、鋳込み用治具５０内の低融点金属を冷却する。冷却は、自然冷却であってもよいし、強制冷却であってもよい。また、冷却は空冷で行ってもよいし、水冷で行ってもよい。常温で凝固する低融点金属を用いる場合には、特別に冷却手段を用いることなく常温雰囲気中に治具５０を載置して自然冷却してもよい。またこのとき、鋳込み用治具５０に注入された低融点金属を、図中矢印Ａで示すように下方から上方に向けて凝固させるようにしてもよい。具体的には、鋳込み用治具５０の外周側から冷却する場合、鋳込み用治具５０に収容される低融点金属の下方側が上方側より温度が低くなるような温度分布が形成されるようにして低融点金属を冷却する。低融点金属は溶融状態から凝固する際に膨張するので、鋳込み用治具５０内の低融点金属を下方から上方に向けて凝固させることにより、膨張により生じる治具内圧力を徐々に上方へ逃がすことができ、翼形部２の歪みの発生を抑制することができる。低融点金属が完全に凝固したら、低融点金属からなるバランスウェイト５が取り付けられた加工対象ブレード１（以下、一体化ブレード１’と称する）を鋳込み用治具５０から取り外す。

なお、バランスウェイト取り付けステップにおいては、周面に凸部５９（図８参照）を有する鋳込み用治具５０’を用いて、バランスウェイト５の外周面に、凸部５９の反転形状である切欠き５ａ（図９参照）を設ける構成としてもよい。これにより、切欠き５ａの重量分だけ翼形部２の重量を軽減させたバランスウェイト５を形成することが可能となる。

図３Ｄに示す軸仕上げステップでは、ボス用突出部３は保持治具（例えば旋盤のチャック）２０により固定され、一方軸用突出部４の軸側センタ穴４ａはセンタ２１により支持される。そして、軸用突出部４の軸側センタ穴４ａをセンタ２１に嵌合させた状態で、保持治具２０を回転させることにより一体化ブレード１’全体を回転させ、バイト３１を用いて軸用突出部４を旋削加工（仕上げ加工）する。ここで、保持治具２０は、図４に示す構成を採用してもよい。同図に示す保持治具２０は、バランスウェイト５を３本のチャック２０ａで保持する。チャック２０ａは円盤部２０ｂに取り付けられており、円盤部２０ｂを回転させることにより、チャック２０ａに保持されたバランスウェイト５を回転させる。このとき、バランスウェイト５の外周に平坦面５ｂを形成しておき、この平坦面５ｂをチャック２０ａが掴むようにしてもよい。なお、平坦面５ｂは、上述の鋳込み用治具５０に平坦面５ｂの反転形状である凸部を設けておくことで、バランスウェイト取付けステップにて形成してもよい。

この後、一体化ブレード１’を保持治具２０及びセンタ２１から取り外して、図３Ｅに示すボス仕上げステップを行う。すなわち、今度はバランスウェイト５の外周面を保持治具２０に保持させ、ボス用突出部３のボス側センタ穴３ａをセンタ２１に支持させる。そして、ボス用突出部３のボス側センタ穴３ａをセンタ２１に嵌合させた状態で、保持治具２０を回転させることにより一体化ブレード１’全体を回転させ、バイト３２を用いてボス用突出部３を旋削加工（仕上げ加工）する。その後、加工対象ブレード１の軸用突出部４の凸部１６を切断してもよい。
ボス用突出部３及び軸用突出部４の加工が終わったら、翼形部２を覆うバランスウェイト５を取り除く。バランスウェイト５を取り除く方法としては、翼形部２を損傷させないようにバランスウェイト５を削り取ってもよいし、加熱によりバランスウェイト５を溶融して取り除いてもよい。

図３Ｆに示すプロファイル加工ステップでは、軸用突出部４を保持治具２２に保持させ、例えばエンドミルを用いて翼型部２のプロファイル加工を行う。
プロファイル加工後は、加工対象ブレード１の歪みを修正する。ここで、ボス用突出部３の凸部１３を切断してもよい。これにより図１Ｂに示すような加工済ブレード１０が得られる。

本実施形態の製造方法によれば、翼形部２がバランスウェイト５に埋め込まれるようにバランスウェイト５を加工対象ブレード１に取り付けるようにしたので、ブレード１の安定した拘束が可能となり、このためボス１２及び軸１５の加工精度を向上できる。また、バランスウェイト５は翼形部２を包み込んで支持することとなるので、従来の円筒状治具におけるボルトによる翼形部２の拘束時に生じるおそれがあった翼形部２の歪みを防止できる。よって、軸用突出部４及びボス用突出部３の何れか一方の加工後における翼形部２の歪み修正作業を基本的には省略することができる。すなわち、軸用突出部４の旋削加工とボス用突出部３の旋削加工との間に翼形部２の歪み修正作業を挟む必要が基本的にはない。よって、歪み修正作業がボス１２及び軸１５の同心度に与える悪影響を実質的に無くすことができる。

また、上記製造方法では、加工対象ブレード１の軸用突出部４及びボス用突出部３にそれぞれ軸側センタ穴４ａとボス側センタ穴３ａを形成し、バランスウェイト５の取付時に、これらのセンタ穴４ａ，３ａを通る直線上近傍に一体化ブレード１’の重心が位置するようにバランスウェイト５を取り付ける。そして、軸用突出部４及びボス用突出部３の旋削加工時に、軸側センタ穴４ａとボス側センタ穴３ａの少なくとも一方をセンタ２１で支持した状態で、一体化ブレード１’の軸用突出部４及びボス用突出部３を旋削加工するようにしている。そのため、旋削加工時に、一体化ブレード１’の重心が、一体化ブレード１’の回転中心Ｏと略一致することとなる。これにより、回転振れを抑制でき加工精度を向上できるとともに、ボス１２及び軸１５の同心度を精度良く確保できる。

［バランスウェイトの鋳込み用治具］
図５乃至図７を参照して、本発明の実施形態に係るバランスウェイトの鋳込み用治具の具体的な構成について説明する。なお、図５は、バランスウェイトの鋳込み用治具の構成例を示す斜視図で、図６は、図５の鋳込み用治具のＢ−Ｂ線断面図で、図７は、図５の鋳込み用治具の開放状態を示す斜視図である。

この鋳込み用治具５０は、主に、円筒部５１と、底板部５５と、下側センタ５７と、上側センタ６５と、サポート部とを備える。
円筒部５１は、その中心線が鉛直方向となるように立設され、翼形部２を収納可能であり、底板部５５とともにバランスウェイト５の鋳込み空間を形成する。この円筒部５１は、バランスウェイト５が取り付けられた後の一体化ブレード１’の取り外しを容易にする観点から、周方向に分割可能な構成としてもよい。図５〜７には一例として、円筒部５１が周方向に２つに分割される場合を示している（なお、円筒部５１の分割面はＢ−Ｂ線に沿った面である）。円筒部５１は、半円筒形状の第１半円筒部５２及び第２半円筒部５３とから構成される。第１半円筒部５２及び第２半円筒部５３はそれぞれ、フランジ５２ａ及びフランジ５３ａが形成されている。なお、ボルト等の連結手段によってフランジ５２ａ，５３ａが互いに着脱自在に連結される構成としてもよい。

また、第１半円筒部５２及び第２半円筒部５３は、それぞれ、基台６１上をスライド移動可能となっており、低融点金属の注入時には、フランジ５２ａ，５３ａが互いに当接することにより完全な円筒形状の円筒部５１が形成される。一方、一体化ブレード１’の取り外し時には、第１半円筒部５２及び第２半円筒部５３が、これらの間の距離が開く方向にそれぞれスライド移動することによって円筒部５１が開放される。なお、加工対象ブレード１の鋳込み用治具５０への取り付け時においても、第１半円筒部５２及び第２半円筒部５３を開いてもよく、これにより加工対象ブレード１の治具５０への取り付けが容易となる。

底板部５５は基台６１上に配置され、円筒部５１の底面を構成する。この底板部５５は基台６１と一体に形成されてもよいし、別体で形成されてもよい。底板部５５には、加工対象ブレード１’のボス用突出部３が挿入される凹部５６が形成されている。凹部５６の内周面には、鋳込み用空間から下側センタ５７側への低融点金属の流入を防止するために、シール機構（Ｏリング等）５８が設けられていてもよい。
下側センタ５７は、凹部５６の内部に設けられ、ボス用突出部３に形成されたボス側センタ穴３ａ（図３Ａ参照）に嵌合するようになっている。
上側センタ６５は、円筒部５１の上方に設けられ、軸用突出部４に形成された軸側センタ穴４ａと嵌合するようになっている。

サポート部は、ボス側センタ穴３ａが下側センタ５７と嵌合し、且つ、軸側センタ穴４ａが上側センタ６５と嵌合した状態で加工対象ブレード１を支持する。具体的には、サポート部は、軸用突出部４を把持するクランプ６９と、クランプ６９が先端に取り付けられたアーム部６８と、アーム部６８を支持する支持フレーム６０とを有する。支持フレーム６０は、基台６１に固定されていてもよい。

このような構成を有する鋳込み用治具５０によれば、底板部５５に設けられる凹部５６に加工対象ブレード１のボス用突出部３が挿入されるとともに、凹部５６に設けられる下側センタ５７にボス側センタ穴３ａが嵌合される。また、鋳込み用治具５０の円筒部５１の上方に設けられる上側センタ６５に軸側センタ穴４ａが嵌合されるようになっている。このように、ボス側センタ穴３ａ及び軸側センタ穴４ａが、下側センタ５７及び上側センタ６５で所定位置に位置決めされることによって、軸側センタ穴４ａ及びボス側センタ穴３ａの鋳込み用治具５０に対する相対的な位置が決まる。したがって、この鋳込み用治具５０を用いれば、加工対象ブレード１の周りにバランスウェイト５を鋳込んで形成される一体化ブレード１’の重心を軸側センタ穴４ａ及びボス側センタ穴３ａを基準として定めることができる。よって、一体化ブレード１’の重心をボス側センタ穴３ａと軸側センタ穴４ａを通る直線Ｏ上近傍に容易に位置させることが可能となり、旋削加工中における一体化ブレード１’の回転中心に一体化ブレード１’の重心位置を略一致させてボス１２及び軸１５の同心度をより一層向上させることができる。

なお、上述の実施形態では、円筒形のバランスウェイト５を形成する鋳込み用治具５０について説明したが、図８及び図９に示すように、バランスウェイト５’の外周面に切欠き５ａ’を設けることができる鋳込み用治具５０’としてもよい。ここで、図８はバランスウェイトの鋳込み用治具の変形例を示す斜視図で、図９は図８の鋳込み用治具で作製された一体化ブレードの斜視図である。
図８に示すように、鋳込み用治具５０’の円筒部５１’は、バランスウェイト５０の外周面に切欠き５ａを形成するための凸部５９が内周面に設けられている。この凸部５９は、バランスウェイト５’の周方向の重量分布が偏らないように、円筒部５１’の周方向に均等間隔で複数設けられていることが好ましい。
この鋳込み用治具５０’で形成されたバランスウェイト５’は、図９に示すように、周方向に複数の切欠き５ａが設けられた形状となる。

以上説明したように、本実施形態では、バランスウェイト５を用いることで加工対象ブレード１の安定した拘束が可能であり、軸用突出部４及びボス用突出部３の加工精度を向上させることができる。また、翼形部２の歪みの発生を抑制でき、歪み修正作業がボス１２及び軸１５の同心度に与える悪影響を実質的に無くすことができる。さらに、旋削加工時における回転振れを抑制でき、加工精度を向上できるとともに、ボス１２及び軸１５の同心度を精度良く確保できる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

１ 加工対象ブレード
１’ 一体化ブレード
２ 翼形部
３ ボス（ボス側突出部）
３ａ ボス側センタ穴
４ 軸（軸側突出部）
４ａ 軸側センタ穴
５，５’ バランスウェイト
５ａ 切欠き部
１０ 加工済ブレード
１１ 翼形部
１２ ボス
１５ 軸
２０，２２ 保持治具
２１ センタ
５０ 鋳込み用治具
５１ 円筒部
５２ 第１半円筒部
５２ａ，５３ａ フランジ
５３ 第２半円筒部
５５ 底板部
５６ 凹部
５７ 下側センタ
６０ 支持フレーム
６１ 基台
６５ 上側センタ
６８ アーム部
６９ クランプ

Claims (9)

1. 翼形部と、該翼形部の軸方向の一端側に設けられる軸と、他端側に設けられるボスとを備え、前記軸及び前記ボスを支軸として回動可能な回転機械用のブレードの製造方法において、
   加工後にそれぞれ前記ボス及び前記軸となるボス用突出部と軸用突出部が前記翼形部の両端に設けられた加工対象ブレードを得るステップと、
   前記加工対象ブレードの前記ボス用突出部及び前記軸用突出部にそれぞれボス側センタ穴と軸側センタ穴を形成するステップと、
   前記加工対象ブレードの前記翼形部がバランスウェイト中に埋め込まれるように前記バランスウェイトを前記加工対象ブレードに取り付けるステップと、
   前記軸側センタ穴と前記ボス側センタ穴の少なくとも一方をセンタで支持した状態で、前記バランスウェイトが前記加工対象ブレードに取り付けられてなる一体化ブレードを回転させながら前記軸側突出部及び前記ボス用突出部を旋削加工するステップとを備え、
   前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、前記軸側センタ穴と前記ボス側センタ穴を通る直線上近傍に前記一体化ブレードの重心が位置するように前記バランスウェイトを前記加工対象ブレードに取り付けることを特徴とする回転機械用のブレードの製造方法。
2. 前記バランスウェイトが低融点金属であり、
   前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、前記加工対象ブレードをその長手方向が鉛直方向になるように鋳込み用治具内に設置し、前記鋳込み用治具に前記低融点金属を注入した後、該低融点金属を凝固させることを特徴とする請求項１に記載のブレードの製造方法。
3. 前記鋳込み用治具は、上部が開放された有底円筒形状であることを特徴とする請求項２に記載のブレードの製造方法。
4. 前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、前記鋳込み用治具に注入された前記低融点金属を下方から上方に向けて凝固させることを特徴とする請求項２に記載のブレードの製造方法。
5. 前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、前記低融点金属として前記翼形部の材料よりも比重が大きい材料を用いることを特徴とする請求項２に記載のブレードの製造方法。
6. 前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、前記鋳込み用治具のセンタが前記ボス側センタ穴に嵌合するように、前記鋳込み用治具の底面の穴に前記ボス用突出部を挿入した後、前記鋳込み用治具に前記低融点金属を注入すること請求項２に記載のブレードの製造方法。
7. 前記バランスウェイトを取り付けるステップでは、内周面に凸部を有する前記鋳込み用治具に前記低融点金属を注入することによって、外周面に前記凸部の反転形状である切欠きを有する前記バランスウェイトを前記翼形部の周りに形成することを特徴とする請求項２に記載のブレードの製造方法。
8. 翼形部と、該翼形部の軸方向の一端側に設けられる軸と、他端側に設けられるボスとを備える回転機械用ブレードの製造に用いられるバランスウェイトの鋳込み用治具であって、
   加工後にそれぞれが前記ボスと前記軸となるボス用突出部及び軸用突出部が前記翼形部の両端に設けられた加工対象ブレードの前記ボス用突出部が挿入される凹部を有する底板部と、
   前記翼形部を収納可能であり、前記底板部とともに前記バランスウェイトの鋳込み空間を形成する円筒部と、
   前記凹部内に設けられ、前記ボス用突出部に形成されたボス側センタ穴と嵌合する下側センタと、
   前記円筒部より上方に設けられ、前記軸用突出部に形成された軸側センタ穴と嵌合する上側センタと、
   前記ボス側センタ穴が前記下側センタと嵌合し、且つ、前記軸側センタ穴が前記上側センタと嵌合した状態で前記加工対象ブレードを支持するサポート部とを備えることを特徴とするバランスウェイトの鋳込み用治具。
9. 前記円筒部は、前記バランスウェイトの外周面に切欠きを形成するための凸部が内周面に設けられていることを特徴とする請求項８に記載のバランスウェイトの鋳込み用治具。

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