JP2016172342A - 羽根車の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】強化繊維を含む溶融樹脂が流入するゲートの側からその反対である反ゲートの側に向けて、溶融樹脂を前記キャビティに充填する射出工程と、充填された溶融樹脂に必要な圧力を付与する保圧工程と、を備え、射出工程及び保圧工程において、ゲートの側から反ゲートの側に向けて、温度が低くなるように温度勾配を設ける指向性冷却を行う。本発明の羽根車の製造方法によると、反ゲートの側の温度が低いので、溶融樹脂の温度低下に伴う収縮が反ゲートの側に生じる。一方で、ゲートの側の温度を高くすることで、反ゲートの側の収縮分に対してゲートの側から溶融樹脂を補充できるので、収縮による内部の引張残留応力や割れの発生を防止できる。
【選択図】図1
Description
ところが、環境保護の観点から、排気量の小さい自動車への志向が高まる中で、小排気量のエンジンの出力を補うために、ターボチャージャの需要が高まっている。その中で、ターボ車特有のいわゆるターボラグの低減が望まれている。
そこで本発明は、繊維強化樹脂で構成される羽根車を射出成形により製造する際に、内部割れの発生を抑制することを目的とする。
この製造方法は、回転軸線の方向に沿い、かつ、強化繊維を含む溶融樹脂が流入するゲートの側からその反対である反ゲートの側に向けて、溶融樹脂をキャビティに充填する射出工程と、充填された溶融樹脂に必要な圧力を付与する保圧工程と、を備え、射出工程及び保圧工程において、ゲートの側から反ゲートの側に向けて、相対的に温度が低くなるように温度勾配を設ける指向性冷却を行うことを特徴とする。
また、本発明の保圧工程において、ゲートの冷却を開始するまで、射出圧力の保持が行われることが好ましい。
また、本発明の保圧工程において、ゲートの近傍における溶融樹脂の温度が、当該樹脂の融点とガラス転移温度との間の温度域で保持することが好ましい。
また、本発明の保圧工程において、射出圧力は100MPa以上で行われることが好ましく,140MPa以上で行われることがより好ましい。
この場合、溶融樹脂が背面側から正面側に向けた第一の向きで射出される場合には、冷却用ピンは、正面側から挿入され、その先端がボスの背面側から正面側に後退して配置されることが好ましい。また、溶融樹脂が正面側から背面側に向けた第二の向きで射出される場合には、冷却用ピンは、背面側から挿入され、その先端がボスの正面側から背面側に後退して配置されることが好ましい。いずれの場合であっても、冷却用ピンの先端は、製品部キャビティの内部、特に最大径位置の内部に留まる。
本実施形態に係る羽根車は、図10に示すようなターボチャージャ1に適用される。
ターボチャージャ1は、排気を受けて回転するタービン羽根車17と、このタービン羽根車17に追従する回転によって吸気及び圧縮をして図示を省略する当該機関のシリンダへと送り込むコンプレッサ羽根車10とを備えている。
コンプレッサ羽根車10とタービン羽根車17とは、ターボチャージャ1の内部に回転可能に軸支されたシャフト19によって一体となって回転するように連結されている。
コンプレッサハウジング20は、コンプレッサ羽根車10の正面側に、吸気を導入するための吸入口21と、コンプレッサ羽根車10の外周に、渦巻き状に延びるコンプレッサ通路23と、を備えている。このコンプレッサ通路23は、コンプレッサ羽根車10の外周部に開口する吐出口22に接続されている。
タービンハウジング30は、タービン羽根車17の外周に、渦巻き状に延びるスクロール通路33を備えている。図示を省略する内燃機関より排出された排気は、このスクロール通路33に導入され、スクロール通路33を通過する過程で回転力を得た排気は、図10に矢印にて示すように、スクロール通路33の内面に形成された導入口32を通じてタービン羽根車17のタービンブレード18へと吹き付けられる。こうして吹き付けられた排気によって、タービン羽根車17が回転される。なお、タービン羽根車17に吹き付けられた排気は、タービン羽根車17の正面側に開口した排出口31を通じて排出される。
コンプレッサ羽根車10は、図1(a)に示すように、図10に示したシャフト19と同軸に設けられる円盤状のハブ11と、ハブ11の一方の面側から各々が立ち上がり、吸気の流路を形成する複数の羽根形状のコンプレッサブレード15と、を備えている。なお、コンプレッサ羽根車10において、コンプレッサブレード15が設けられる側を正面11a、その反対側を背面11bと定義する。また、コンプレッサ羽根車10において、回転軸線Cに近い側を内径側とし、遠い側を外径側とする。
ハブ11は、正面11aが、外径側から内径側に向かうのにつれて連続的に突出するように湾曲している。ハブ11は、シャフト19が嵌合されるボス孔12を備えるとともに、ボス孔12の周囲には、コンプレッサ羽根車10の回転軸線Cを取り囲むボス13を備える。
コンプレッサブレード15は、本実施形態では、長翼15aと短翼15bの2種類を備えており、長翼15aと短翼15bは交互に配列されている。
コンプレッサ羽根車10を繊維強化樹脂により形成するには、強化繊維を含む溶融樹脂を回転軸線Cに沿って射出する。そうすると、ボス孔12の周囲のいわゆるスキン層において、強化繊維Fは射出方向に沿って配向されるので、そのままでは回転軸線Cに沿って配向される。
しかし、本実施形態によるコンプレッサ羽根車10は、ボス孔12の周囲を囲むボス13のスキン層に対応する部分について、配向の向きが異なる二つの部分を備える。つまり、本実施形態は、回転軸方向断面で捉えると、図1(a)に示すように、強化繊維Fがボス13(ハブ11)の径方向に対して傾斜する配向領域(以下、第1領域α)と、強化繊維Fがボス13(ハブ11)の回転軸線Cに沿う配向領域(以下、第2領域β)と、を備える。
コンプレッサ羽根車10が回転している間に、コンプレッサ羽根車10のボス13の部分には、図1(b)に示すように、主応力SPが周方向に生じる。特に、第1領域αは、ハブ11の外径が大きく肉厚が厚いために、第2領域βに比べて大きい主応力SPが生じる。そこで、回転による主応力SPに強度的に対応するためには、第1領域αのように強化繊維Fを径方向に傾斜して配向させることで、主応力SPに対する強度を確保する。この第1領域αは、ハブ11の外径が最大になる回転軸線C方向の位置を含んでいる。
一方で、コンプレッサ羽根車10は、ボルトによる締め付けにより固定されるが、この締め付けによりボス13の部分には、回転軸線Cに沿う圧縮応力が生じる。第2領域βにおいては、主応力SPよりもこの圧縮応力に対向することを優先させるために、第2領域βにおいては、強化繊維Fを回転軸線Cに沿うように配向させる。
強化繊維を含む溶融樹脂を回転軸線Cに沿って射出すると、強化繊維Fは回転軸線Cに沿って配向されるので、第2領域βを得ることは比較的に容易と言えるが、第1領域αを得るには格別の処置が必要である。以下、図2を参照して説明する。なお、図2は、コンプレッサ羽根車10を成形するためのキャビティ42とスプルーRの外径を示しているが、説明の必要上、コンプレッサ羽根車10に対応する部位にはコンプレッサ羽根車10における符号を付している。
流動状態にある溶融樹脂のキャビティ壁面の近傍、つまりスキン層に相当する部分にはせん断応力が作用するため、溶融樹脂中の強化繊維は溶融樹脂の流動方向に配向する。一方、キャビティ壁面から離れた厚さ方向の中央付近、つまりコア層に相当する部分にはせん断応力が作用しないため、溶融樹脂中の強化繊維は溶融樹脂の流動方向と直交する方向に配向する。すなわち、成形品の肉厚の中心部分では流動方向と直交かる方向に強化繊維が配向するため、平板状の成形品の肉厚の中心部分では強化繊維は幅方向に配向し、円柱状の成形品の肉厚の中心部分では強化繊維は円柱の横断面内にランダムに配向する現象がある。本発明はこの現象を利用している。
はじめに、図2(a)に示す例では、第一領域αに対応する領域では、センターピン49が存在しないため、ボス13の繊維配向は回転軸線Cの横断面内にランダムに配向し、第二領域βに対応する領域では、センターピン49の外周面によるせん断応力によってボス孔12の周囲は回転軸線C方向に繊維が配向することとなる。
一方で,図2(b)の場合においては、第一領域αに対応する領域にてセンターピン49の外周面によるせん断応力によって回転軸線Cの方向に繊維が配向することとなり、センターピン49の先端49Eの位置に応じて、ボス13に繊維配向の異なる領域を設けることが可能となる。
以上のように、センターピン49を挿入する深さを調整することにより、第1領域αと第2領域βが並存するコンプレッサ羽根車10を得ることができる。
したがって、例えば、図3(b)に示すように、ボス13の横断面において、強化繊維Fがボス13の径方向に対して傾斜するように配向されていてもよい。この傾斜配向の場合にも、強化繊維Fは主応力SPと交差するので、主応力SPに対する強度を担保できる。また、本実施形態は、図3(c)に示すように、周方向に配向される強化繊維F1と傾斜配向される強化繊維F2が混じっていてもよく、本実施形態は、両者を含めて傾斜配向という。
また、強化繊維Fの含有量は、好ましくは5質量%〜60質量%の範囲、より好ましくは25質量%〜45質量%の範囲とすればよい。
強化繊維Fは、同じ繊維長のものを用いることができるが、相対的に長い強化繊維Fと短い強化繊維Fを混在させることができる。
また、コンプレッサ羽根車10は、熱可塑性樹脂及び強化繊維Fに加えて、熱可塑性エラストマを添加することができる。熱可塑性エラストマを含有することで、繊維強化樹脂の延性が向上し割れ発生に対する感度を低減できるとともに、射出成形時の高圧での溶融樹脂の圧縮性が増加し、冷却固化収縮を補うだけの膨張量を確保でき、引張残留応力の発生や割れの防止に有効である。本発明者らの検討によると、0.1質量%〜30質量%の熱可塑性エラストマを含有することにより、引張残留応力や割れを、更に低減できる。
また、ハブ11の背面11bに窪みを設けることにより、ハブ11の肉厚を低減すれば、射出成形時における溶融樹脂の収縮量の絶対値が小さくなるので、引張応力や割れを低減できる。
以上、説明したコンプレッサ羽根車10は、繊維強化樹脂を固定金型と可動金型を備える射出成形機を用いて製造される。
射出成形機は、型締め装置と可塑化装置を備えている。型締め装置は、固定金型が取り付けられる固定ダイプレートと、可動金型が取り付けられた可動ダイプレートとを備え、型開閉用の油圧シリンダの作動により可動ダイプレートを移動させて可動金型を固定金型に強固に当接さて型締めを行う。可動金型と固定金型からなる金型の内部には、コンプレッサ羽根車10を成形するための空隙であるキャビティが形成される。
可塑化装置は、筒型の可塑化シリンダと、可塑化シリンダの内部に設けられるスクリュと、強化繊維と樹脂原料が投入される供給部と、を備える。供給部は、強化繊維を投入する部分と樹脂原料を投入する部分を個別に設けることもできる。
スクリュを回転させることで樹脂原料を溶融し、型締め装置に保持される金型の内部のキャビティに向けて強化繊維Fが分散された溶融樹脂を射出する。
また、可動金型43の内部には、第2ヒータ45Bよりも外側に第3ヒータ45Cが設けられている。第3ヒータ45Cは、可動金型43に形成された円環状の溝に挿入されている。第3ヒータ45Cは、主に、キャビティ42に連なるゲートGを通る溶融樹脂を必要な温度にするために設けられている。
以上のように、第1ヒータ45A、第2ヒータ45B及び第3ヒータ45Cは、溶融樹脂が供給される上流側に設けられている。なお、第1ヒータ45A、第2ヒータ45B及び第3ヒータ45Cの構成要素は任意であり、電熱線を加熱要素として備えるヒータや、加熱した油や加圧水を金型内に設置した温調回路に流通するなど、公知の加熱方法を適用することができる。
また、可動金型43には、コンプレッサ羽根車10にボス孔12を形成するために、中心部にセンターピン49が挿入されている。センターピン49は、正面11aの側から挿入されるが、キャビティ42を貫通することなく、その先端49Eが背面11bの側から後退してキャビティ42の内部に留まっている。その理由は、前述した通りである。
センターピン49は、内部に第4冷却水路49Aが形成されており、図示を省略する供給源から供給される冷却水が内部を循環することにより、キャビティ42に供給される溶融樹脂を中心から冷却することができる。
以上のように、可動金型43は、キャビティ42を外周側及び内周側の双方から冷却する機構を備えているとともに、外周側からの冷却機構は、軸方向に沿って独立して冷却できる冷却機構を備えている。
ヒータによる加熱と冷却水による冷却を制御して温度勾配を付けることで、反ゲートの側P2から溶融樹脂の冷却を行い、溶融樹脂の温度低下に伴う収縮が反ゲートの側P2に発生させる。一方で、ゲートの側P1を加熱・圧力保持することで、反ゲートの側P2の収縮分に対してゲートの側P1から溶融樹脂を補充できるので、収縮による内部の引張応力や割れの発生を防止できる。
次に、溶融樹脂の充填が済んで射出工程が完了した時点から、第1冷却水路47Aにも冷却水を循環させることで、反ゲートの側P2からゲートの側P1への軸線方向の冷却に加え、コンプレッサ羽根車10の半径方向において、キャビティ42の外径側から中心側に向け冷却が進む。したがって、本実施形態によると、半径方向に対する溶融樹脂の収縮に対しても、収縮分に対してゲートの側P1から溶融樹脂を補充できるので、収縮による内部の引張応力や割れの発生を防止できる。また、時間差を置いて第1冷却水路47Aに冷却水を流して、ゲートG及びその近傍領域の冷却を開始することで、ゲートGの直下の樹脂の冷却・固化を進め、最終の冷却固化位置をゲート内部に追い出すことが可能で、肉厚部の引張残留応力の発生や割れの発生を防止できる。
また、指向性冷却を行うことにより、当初に冷却されているハブ11の正面11aと加熱されている背面11bを比べると、背面11bの表面粗さが小さい。射出成形において,金型温度を高い状態で溶融樹脂を射出した場合、樹脂成形品は金型壁面の転写性が向上し、平滑鏡面に仕上げた金型では、成形品の表面平滑性が格段に向上することが知られている。よって、本実施形態では、背面11b側の金型を高温に保持した状態で射出成形することで、背面11bの表面平滑性を向上させている。これは、コンプレッサ羽根車10を回転させている際に、空気との摩擦による発熱を抑えることができることを示唆している。特に、背面11bの側は、圧縮した空気の漏れを防止するため、ベアリングハウジングの固定面と微小な隙間を持って組み付けられ、かつ高速回転するため、空気の摩擦発熱等により、正面11aに比べて温度上昇がしやすい。したがって、本実施形態による指向性冷却を行うことにより、この発熱の低減にも有効である。
図8に示す条件によると、第1冷却水路47Aに冷却水を流してゲートGの冷却を開始するまで、射出圧力の保持(保圧工程)を行い、成形品の収縮分に対してゲートの側P1から溶融樹脂を順次押し込むことができる。そうすると、収縮に対する溶融樹脂の補充と、ゲート直下の製品部最終冷却固化位置の応力や割れの発生を防止できる。
また、保圧工程において、ゲート近傍の樹脂温度が樹脂の融点とガラス転移温度との間の温度域で保持を継続することが好ましい。これにより、樹脂流動が可能な温度域のみに圧力保持を行えば足りるので、射出軸の圧力保持の動力が必要最小限となり、省エネルギーに寄与する。
例えば、強化繊維Fの傾斜配向については、長翼,短翼の二種類のブレードを備える羽根車に限らず、一種類のブレードだけを備える羽根車について適用することができる。
また、以上では羽根車としてコンプレッサ羽根車10を例にして説明したが、タービン羽根車、他の羽根車について、本発明を適用することができる。
さらにまた、以上説明した実施形態は、コンプレッサ羽根車10の背面11bの側にゲートGを設ける一方、正面11aを反ゲートの側とした例を示したが、本発明方法はこの射出の向き(第一の向き)に限るものでなく、図9に示すように、コンプレッサ羽根車10の正面11aの側にゲートGを設ける一方、背面11bを反ゲートの側とする射出の向き(第二の向き,破線矢印)にすることもできる。この第二の向きで溶融樹脂を射出成形する場合にも、冷却用のセンターピン49は、上記と同じ効果が得られるようにする。つまり、センターピン49は、背面11bの側から挿入され、その先端がボス13の正面11aの側から背面11bの側に後退して配置されることが好ましい。
10 コンプレッサ羽根車
11 ハブ
11a 正面
11b 背面
12 ボス孔
13 ボス
15 コンプレッサブレード
15a 長翼
15b 短翼
17 タービン羽根車
18 タービンブレード
19 シャフト
20 コンプレッサハウジング
21 吸入口
22 吐出口
23 コンプレッサ通路
30 タービンハウジング
31 排出口
32 導入口
33 スクロール通路
40 金型
41 固定金型
42 キャビティ
43 可動金型
43A 第1要素
43B 第2要素
43C 第3要素
44 スプルー金型
45A 第1ヒータ
45B 第2ヒータ
45C 第3ヒータ
47A 第1冷却水路
47B 第2冷却水路
47C 第3冷却水路
49 センターピン
49A 第4冷却水路
49E 先端
C 回転軸線
SP 主応力
α 第1領域
β 第2領域
Claims (8)
- 正面側と背面側を有し、羽根車の回転軸線に沿って形成されるボス孔を有するボスを備えるハブと、
前記ハブの正面側に設けられる複数のブレードと、を備え、強化繊維が分散された樹脂により構成される羽根車を、金型のキャビティに射出成形することにより製造する方法であって、
前記回転軸線の方向に沿い、かつ、前記強化繊維を含む溶融樹脂が流入するゲートの側からその反対である反ゲートの側に向けて、前記溶融樹脂を前記キャビティに充填する射出工程と、
充填された前記溶融樹脂に必要な圧力を付与する保圧工程と、を備え、
前記射出工程及び前記保圧工程において、
前記ゲートの側から前記反ゲートの側に向けて、相対的に温度が低くなるように温度勾配を設ける指向性冷却を行う、
ことを特徴とする羽根車の製造方法。 - 前記射出工程において、
前記キャビティに至るまでの前記溶融樹脂の流入通路、並びに、前記キャビティの前記ゲート及びその近傍領域をその周囲から加熱する一方、
前記キャビティをその周囲から冷却することにより、前記指向性冷却を行う、
請求項1に記載の羽根車の製造方法。 - 前記保圧工程において、
それまで加熱していた前記キャビティの前記ゲート及びその近傍領域を冷却する、
請求項2に記載の羽根車の製造方法。 - 前記ゲートの冷却を開始するまで、射出圧力の保持を行う、
請求項3に記載の羽根車の製造方法。 - 前記保圧工程において、
前記ゲートの近傍における前記溶融樹脂の温度が、当該樹脂の融点とガラス転移温度との間の温度域で保持を継続する、
請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。 - 前記保圧工程における、射出圧力保持は140MPa以上で行われる、
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。 - 前記ボス孔に対応する位置に、内部に冷却水が循環される冷却用ピンを挿入し、
前記キャビティをその内周側からも冷却を行う、
請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。 - 前記溶融樹脂は、前記背面側から前記正面側に向けた第一の向き、または、その逆の第二の向きで射出され、
前記冷却用ピンは、
前記第一の向きで前記溶融樹脂が射出される場合には、前記正面側から挿入され、その先端が前記ボスの前記背面側から前記正面側に後退して配置され、
前記第二の向きで前記溶融樹脂が射出される場合には、前記背面側から挿入され、その先端が前記ボスの前記正面側から前記背面側に後退して配置される、
請求項7に記載の羽根車の製造方法。
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