JP2019203417A - インペラの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インペラの材料としてチタンアルミを採用した場合でも、生産性の悪化を抑制すること。【解決手段】タービンインペラの製造方法は、ハブ鍛造工程、翼部鍛造工程、及び組付け工程を有する。ハブ鍛造工程では、鋳造にて製造されたチタンアルミの素材を熱間鍛造することによって、本体の表面に溝を有したハブを製造する。翼部鍛造工程では、鋳造にて製造されたチタンアルミの素材を熱間鍛造することによって、翼部を製造する。組付け工程では、ハブを加熱膨張させた状態で本体の溝に翼部の端部を挿入し、本体に翼部を結合することによりハブに翼部を組み付ける。【選択図】図３

Description

本発明は、インペラの製造方法に関する。

車載内燃機関から排出される排気の運動エネルギーを利用して、車載内燃機関に空気を過給するターボチャージャが従来から用いられている。例えば特許文献１に記載のターボチャージャは、インペラシャフトと、インペラシャフトの軸方向の端部に設けられたインペラと、を備えている。インペラは、インペラシャフトの軸方向の端部に設けられた錐体状のハブと、ハブの周りに設けられた翼部と、を備えている。なお、インペラは排気の熱を受けて高温になりやすいため、耐熱性に優れた材料をインペラに用いることが望ましい。一般には、ニッケル系合金をインペラに用いている。

特開２００８−２５５８９５号公報

ところで、インペラシャフトを中心としたインペラの振れ回りが生じると、インペラからインペラシャフトに作用する荷重が過剰に大きくなってしまうおそれがある。また、ターボチャージャの圧縮効率の向上を図る目的で、インペラとインペラ周りのハウジングとの隙間は可能な限り小さく設定されている。そのため、インペラの振れ回りが生じると、インペラがインペラ周りのハウジングに接触してインペラが損傷してしまうおそれがある。

なお、インペラの回転数がある程度高いときに上記のインペラの振れ回りが生じやすい。インペラの重量が大きいほど、低いインペラの回転数から上記のインペラの振れ回りが生じやすい。このため、従来では、インペラの振れ回りを抑制するために、インペラの回転数をインペラの重量に応じた回転数に制限せざるを得ず、その結果、ターボチャージャによって実現可能な過給圧も制限されてしまっていた。

ここで、近年ではターボチャージャの過給圧をより高くしたいという要求がある。過給圧を高くするためには、インペラの回転数をより高くまで設定できるよう、より軽量な材料をインペラの材料に採用する必要がある。

そこで、チタンアルミをインペラの材料として採用することが考えられる。チタンアルミは、ニッケル系合金と同様に耐熱性に優れ、ニッケル系合金よりも密度が低い。同じ形状のインペラ同士で比較して、チタンアルミを用いたものの方がニッケル系合金を用いたものよりも軽量となる。このため、インペラの振れ回りを考慮しても、チタンアルミを用いたインペラでは、ニッケル系合金を用いたインペラよりも高い回転数まで設定可能となる。そして、チタンアルミを用いたインペラでは、ターボチャージャの過給圧もより高くまで実現させることができるようになる。

しかしながら、チタンアルミをインペラの材料として採用する場合、インペラの従来の製造方法は採用困難である。すなわち、インペラの従来の製造方法として、例えば精密鋳造が挙げられる。精密鋳造では、通常の鋳造と比較して材料をゆっくりと型の中に流すことにより、インペラのような複雑な形状のものでも製造することができる。しかしながら、チタンアルミは酸化しやすい性質を持つため、チタンアルミを材料に採用して精密鋳造を行おうとすると、材料を型の中に流している間に材料が酸化しやすく、歩留まりが低下するおそれがある。このため、生産性の悪化が懸念される。

この他に、インペラの従来の製造方法としては総切削も挙げられる。しかしながら、チタンアルミは高硬度材料であるため、チタンアルミを材料に採用して総切削を行おうとすると、総切削の際に切削工具が大きな負荷を受けて、切削工具の寿命が比較的短くなる。このため、切削工具の交換頻度が高くなり、生産性の悪化が懸念される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、インペラの材料としてチタンアルミを採用した場合でも、生産性の悪化を抑制することのできるインペラの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するインペラの製造方法は、ターボチャージャに適用されるインペラであって、インペラシャフトの軸方向の端部に設けられるとともに、板状のディスクと、前記ディスクを底とした錐体状をなす本体と、を備えたハブと、前記ハブの周りに設けられた翼部と、を備えるインペラの製造方法であって、鋳造にて製造されたチタンアルミの素材を熱間鍛造することによって、前記本体の表面に溝を有した前記ハブを製造するハブ鍛造工程と、鋳造にて製造されたチタンアルミの素材を熱間鍛造することによって、前記翼部を製造する翼部鍛造工程と、前記ハブを加熱膨張させた状態で前記溝に前記翼部の端部を挿入し、前記本体に前記翼部を結合することにより前記ハブに前記翼部を組み付ける組付け工程と、を有する。

これによれば、インペラの製造方法としてハブ鍛造工程と翼部鍛造工程とを有し、それぞれで熱間鍛造を採用することにより、精密鋳造や総切削をせずにハブと翼部とを簡単に作ることができる。そして、組付け工程でハブと翼部とを一体にできる。よって、インペラの材料としてチタンアルミを採用した場合でも、製造方法として精密鋳造や総切削を採用した場合のような生産性の悪化を抑制することができる。

また、インペラは全体形状が複雑であるため、一度の鍛造だけで、ハブと翼部とが一体となった状態のインペラを製造することは困難である。上記方法では、ハブと翼部とを別体として製造している。ハブや翼部はインペラの全体形状よりは単純な形状であるため、ハブ及び翼部の製造方法に鍛造を用いることができる。

仮に総切削でインペラを製造しようとすると、完成品のインペラよりも体積量の大きいチタンアルミ素材を用意して切削することになる。そのため、製造に際しては切削する分の材料のロスが避けられない。上記方法では、ハブと翼部とを鍛造によって製造しているため、総切削で製造する場合のような材料のロスを抑えることができる。

上記インペラの製造方法において、前記組付け工程の後工程であって、前記インペラに熱処理を行う熱処理工程をさらに有するとよい。
これによれば、インペラにおいて強度をより向上させるとともに残留応力を除去することができる。

上記インペラの製造方法において、前記インペラは、車載内燃機関から排出された排気が流れるタービンハウジング内に収容されているとよい。
タービンハウジング内のインペラ（タービンインペラ）は、タービンハウジング内に導入された排気が直接接触することで回転する。そのため、タービンインペラは、とくに排気の熱の影響を受けて高温になりやすい。上記方法によれば、とくに高温化が懸念されるタービンインペラの材料として、耐熱性に優れたチタンアルミを採用することができる。

この発明によれば、インペラの材料としてチタンアルミを採用した場合でも、生産性の悪化を抑制することができる。

実施形態におけるターボチャージャの概略断面図。 タービンインペラの上面図。 タービンインペラの製造工程図。 （ａ）はハブ鍛造工程において溝が形成される前のハブを模式的に示す側面図、（ｂ）はハブ鍛造工程において溝が形成された後のハブを模式的に示す側面図。 翼部鍛造工程において形成される翼部を模式的に示す斜視図。 （ａ）は組付け工程においてハブの本体の溝に翼部が組み付けられる前の様子を模式的に示す断面図、（ｂ）は組付け工程においてハブの本体の溝に翼部が組み付けられた後の様子を模式的に示す断面図。

以下、インペラの製造方法を具体化した一実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。本実施形態のターボチャージャは、車載用ターボチャージャであり、車載内燃機関に適用される。ターボチャージャは、車載内燃機関の排気のエネルギーを利用して吸気を圧縮し、圧縮した空気を内燃機関に供給する過給装置である。

図１に示すように、ターボチャージャ１１のハウジング１２は、ベアリングハウジング１３と、ベアリングハウジング１３の一端に連結されたタービンハウジング１４と、ベアリングハウジング１３の他端に連結されたコンプレッサハウジング１５とを有する。ベアリングハウジング１３は、ベアリングハウジング１３を軸方向に貫通する軸孔１３ａを備え、この軸孔１３ａ内にはベアリング１７が設けられている。インペラシャフト１６は、ベアリング１７を介してベアリングハウジング１３に回転可能に支持されている。

ターボチャージャ１１は、インペラシャフト１６の軸方向の両端部のうち、一端にタービンインペラ２２を備え、他端にコンプレッサインペラ３２を備える。なお、インペラシャフト１６の軸方向とは、インペラシャフト１６の中心軸線Ｌの延びる方向である。タービンインペラ２２、インペラシャフト１６、及びコンプレッサインペラ３２は一体回転可能となっている。タービンインペラ２２は、タービンハウジング１４のタービン室１４ａ内に収容されている。コンプレッサインペラ３２は、コンプレッサハウジング１５のコンプレッサ室１５ａ内に収容されている。

タービンハウジング１４内には、渦巻き状に延びるスクロール通路１４ｂが設けられている。また、タービンハウジング１４においてベアリングハウジング１３と反対側に位置する部分には、排気口１４ｃが設けられている。スクロール通路１４ｂ及び排気口１４ｃは、車載内燃機関の排気通路に連通している。

コンプレッサハウジング１５内には、渦巻き状に延びるスクロール通路１５ｂが設けられている。また、コンプレッサハウジング１５においてベアリングハウジング１３と反対側に位置する部分には、吸気口１５ｃが設けられている。スクロール通路１５ｂ及び吸気口１５ｃは、車載内燃機関の吸気通路に連通している。

ターボチャージャ１１においては、燃焼室から排出された排気が排気通路を介してスクロール通路１４ｂに送り込まれる。このスクロール通路１４ｂからタービンインペラ２２へと排気が吹き付けられることにより、タービンインペラ２２が回転する。タービンインペラ２２に吹き付けられた後の排気は、タービン室１４ａから排気口１４ｃを介して図示しない触媒コンバータへと送り出される。

タービンインペラ２２が回転すると、タービンインペラ２２の回転力がインペラシャフト１６を介してコンプレッサインペラ３２に伝達され、コンプレッサインペラ３２が回転するようになる。このようにコンプレッサインペラ３２が回転すると、吸気口１５ｃを通過した空気が、コンプレッサ室１５ａからスクロール通路１５ｂを介して燃焼室へと強制的に送り込まれるようになる。

次に、タービンインペラ２２の形状について、図１及び図２を参照して説明する。
図１及び図２に示すように、タービンインペラ２２は、円形板状のディスク２３と、ディスク２３を底とした円錐状をなす本体２４と、を有したハブ２５を備えている。また、本体２４の周りには、複数の翼部２６が設けられている。翼部２６は板状をなしており、本体２４の先端２４ａから基端２４ｂ（ディスク２３）にかけて、本体２４の表面に沿って取り付けられている。また、翼部２６は、本体２４の周方向において互いに間隔をもって本体２４の表面に取り付けられている。そして、タービンインペラ２２は、ボルト等によってインペラシャフト１６の端部に固定されている。

なお、コンプレッサインペラ３２は、タービンインペラ２２と略同一の形状である。上記のタービンインペラ２２の形状の説明において、タービンインペラ２２をコンプレッサインペラ３２として読み替えれば、コンプレッサインペラ３２の形状の説明になる。

次に、タービンインペラ２２の製造方法の説明と併せて、本実施形態の作用について図３〜図６を参照して説明する。
図３に示すように、タービンインペラ２２の製造方法は、ハブ鍛造工程、翼部鍛造工程、組付け工程、熱処理工程、及びシュラウド加工工程を有する。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、ハブ鍛造工程は、熱間鍛造によってタービンインペラ２２のハブ２５を製造する工程である。ハブ鍛造工程では、まず鋳造にて製造された円柱状のチタンアルミ素材（インゴット）を用意する。そして、そのチタンアルミ素材を加熱して、同じく加熱した型に入れて密閉鍛造する。なお、このときのチタンアルミ素材及び型の温度は、いずれも１３００〜１５００℃程度に設定することが好ましい。これにより、図４（ａ）に示すように、円形板状のディスク２３と、ディスク２３を底とした円錐状をなす本体２４と、を有したハブ前駆体２５ｂが形成される。

その後、ハブ鍛造工程では、別の型に取り換え、先に形成された図４（ａ）に示すハブ前駆体２５ｂを型に入れて密閉鍛造する。このときのハブ前駆体２５ｂ及び型の温度も、１３００〜１５００℃程度に設定することが好ましい。これにより、図４（ｂ）に示すように、本体２４の表面に溝２４ｃが形成されたハブ２５が形成される。溝２４ｃは、本体２４の先端２４ａから基端２４ｂにかけて、本体２４の表面に沿って形成される。また、溝２４ｃは、本体２４の周方向において互いに間隔をもって本体２４の表面に形成される。

図５に示すように、翼部鍛造工程は、熱間鍛造によってタービンインペラ２２の翼部２６を製造する工程である。翼部鍛造工程では、まず鋳造にて製造された板状のチタンアルミ素材（インゴット）を用意する。そして、そのチタンアルミ素材を加熱して、同じく加熱した型に入れて密閉鍛造する。なお、このときのチタンアルミ素材及び型の温度は、いずれも１３００〜１５００℃程度に設定することが好ましい。これにより、図５に示すように、板状の翼部２６が複数形成される。なお、翼部鍛造工程を終えた翼部２６おける端部２６ａの厚みは、ハブ鍛造工程を終えたハブ２５における本体２４の溝２４ｃの幅よりも若干大きくなっている。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、組付け工程は、焼き嵌めによってハブ２５に翼部２６を組み付ける工程である。図６（ａ）に示すように、組付け工程では、まずハブ２５を加熱膨張させるとともに、溝２４ｃの幅を広げる。これにより、溝２４ｃの幅は、翼部２６の端部２６ａの厚みよりも大きくなる。そして、翼部２６の端部２６ａを本体２４の溝２４ｃに挿入する。こうして溝２４ｃに翼部２６が挿入された状態で、ハブ２５を常温に戻す。

その後、組付け工程では、図６（ｂ）に示すように、ハブ２５が常温への移行に伴って収縮して、翼部２６の端部２６ａの表面に本体２４の溝２４ｃの内面が圧接した状態となる。これにより、翼部２６は本体２４に結合され、翼部２６はハブ２５に組み付けられる。

そして、本実施形態では、組付け工程の後工程として、熱処理工程及びシュラウド加工工程を行う。熱処理工程では、タービンインペラ２２を加熱することでタービンインペラ２２に熱処理を行う。また、シュラウド加工工程では、熱処理工程の後に、ハブ２５の本体２４の周方向にタービンインペラ２２を回転させながら本体２４の表面からの翼部２６の突出長さを調整する。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）タービンインペラ２２の製造方法としてハブ鍛造工程と翼部鍛造工程とを有し、それぞれで熱間鍛造を採用することにより、精密鋳造や総切削をせずにハブ２５と翼部２６とを簡単に作ることができる。そして、組付け工程でハブ２５と翼部２６とを一体にできる。よって、タービンインペラ２２の材料としてチタンアルミを採用した場合でも、製造方法として精密鋳造や総切削を採用した場合のような生産性の悪化を抑制することができる。

（２）タービンインペラ２２は全体形状が複雑であるため、一度の鍛造だけで、ハブ２５と翼部２６とが一体となった状態のタービンインペラ２２を製造することは困難である。上記実施形態では、ハブ２５と翼部２６とを別体として製造している。ハブ２５や翼部２６はタービンインペラ２２の全体形状よりは単純な形状であるため、ハブ２５及び翼部２６の製造方法に鍛造を用いることができる。

（３）仮に総切削でタービンインペラ２２を製造しようとすると、完成品のタービンインペラ２２よりも体積量の大きいチタンアルミ素材を用意して切削することになる。そのため、製造に際しては切削する分の材料のロスが避けられない。上記実施形態では、ハブ２５と翼部２６とを鍛造によって製造しているため、総切削で製造する場合のような材料のロスを抑えることができる。

（４）組付け工程の後工程として熱処理工程をさらに行っている。これによれば、タービンインペラ２２において強度をより向上させるとともに残留応力を除去することができる。

（５）タービンインペラ２２は、タービンハウジング１４内に導入された排気が直接接触することで回転する。そのため、タービンインペラ２２は、とくに排気の熱の影響を受けて高温になりやすい。上記実施形態では、こうしてとくに高温化が懸念されるタービンインペラ２２の材料として、耐熱性に優れたチタンアルミを採用することができる。

（６）仮に別体のハブ２５と翼部２６とを組み付けるのではなく、はじめからハブ２５と翼部２６とが一体となった状態でタービンインペラ２２を鍛造で製造する場合では、鍛造工程後の製品に不具合が生じたらタービンインペラ２２ごと取り除く必要がある。一方、ハブ２５と翼部２６とを別体として製造している上記実施形態では、鍛造工程後の製品に不具合があったとしても、その不具合のあるハブ２５や翼部２６だけを取り除けばよい。したがって、上記実施形態では、鍛造工程後の製品に不具合があった際、材料のロスを小さくすることができる。

（７）密閉鍛造によってハブ２５及び翼部２６を製造している。そのため、鍛造に際してバリが生じにくく、形成後にバリ除去の必要がない。
（８）ハブ２５及び翼部２６は、いずれも同じ材料であるチタンアルミ素材を用いて製造されている。そのため、材料の違いに起因するハブ２５と翼部２６との間での熱膨張の差はなくなるため、ハブ２５と翼部２６とを好適に組み付けることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

○ ハブ鍛造工程では、ディスク２３の形成と、本体２４の形成と、本体２４の表面の溝２４ｃの形成とを、一度の鍛造で行うようにしてもよい。この形態のハブ鍛造工程では、図４（ａ）に示すハブ前駆体２５ｂは製造されず、一度の鍛造によって図４（ｂ）に示すハブ２５が製造される。

○ ハブ鍛造工程で用意するチタンアルミ素材は、ハブ２５を製造可能な範囲内で、角柱状や錐体状等、異なる形状のチタンアルミ素材に変更してもよい。
○ 翼部鍛造工程で用意するチタンアルミ素材は、翼部２６を製造可能な範囲内で、角柱状や錐体状等、異なる形状のチタンアルミ素材に変更してもよい。

○ ハブ鍛造工程や翼部鍛造工程では、閉塞鍛造やバリ出し鍛造等、密閉鍛造以外の鍛造の製造方法を用いてもよい。
○ 組付け工程において、圧入によってハブ２５に翼部２６を取り付けてもよい。圧入を用いた組付け工程では、まずハブ２５を加熱膨張させる。なお、この形態では、上記実施形態での焼き嵌めとは異なり、本体２４の溝２４ｃの幅を広げることはしない。そのため、この形態での本体２４の溝２４ｃの幅は、上記実施形態での溝２４ｃの幅ほど大きくはならず、翼部２６の端部２６ａの厚みより大きくはならない。そして、翼部２６の端部２６ａを本体２４の溝２４ｃに圧入する。このとき、翼部２６の端部２６ａの押圧を受けて本体２４の溝２４ｃが変形しながら、溝２４ｃに翼部２６が圧入されていく。溝２４ｃに翼部２６が圧入されたら、その状態でハブ２５を常温に戻す。その後、ハブ２５が常温への移行に伴って収縮して、翼部２６の端部２６ａの表面に本体２４の溝２４ｃの内面が圧接した状態となる。これにより、翼部２６は本体２４に結合され、翼部２６はハブ２５に組み付けられる。

○ 組付け工程で完成したタービンインペラ２２が製品としてそのまま使用可能であれば、組付け工程後の熱処理工程やシュラウド加工工程を省略してもよい。
○ ディスク２３は矩形板状等、円形板状以外の形状であってもよい。この形態では、ディスク２３の形状に合わせて、本体２４の形状も適宜変更する。例えば、ディスク２３が矩形板状である場合では、ディスク２３を底とした四角錐状をなす形状に本体２４の形状を変更する。

○ 図３に示す製造方法を用いて、コンプレッサインペラ３２を製造してもよい。また、タービンインペラ２２及びコンプレッサインペラ３２のいずれも図３に示す製造方法を用いて製造してもよい。

１１…ターボチャージャ、１２…ハウジング、１３…ベアリングハウジング、１３ａ…軸孔、１４…タービンハウジング、１４ａ…タービン室、１４ｂ…スクロール通路、１４ｃ…排気口、１５…コンプレッサハウジング、１５ａ…コンプレッサ室、１５ｂ…スクロール通路、１５ｃ…吸気口、１６…インペラシャフト、１７…ベアリング、２２…タービンインペラ、２３…ディスク、２４…本体、２４ａ…先端、２４ｂ…基端、２４ｃ…溝、２５…ハブ、２５ｂ…ハブ前駆体、２６…翼部、２６ａ…端部、３２…コンプレッサインペラ。

Claims (3)

1. ターボチャージャに適用されるインペラであって、
   インペラシャフトの軸方向の端部に設けられるとともに、板状のディスクと、前記ディスクを底とした錐体状をなす本体と、を備えたハブと、
   前記ハブの周りに設けられた翼部と、を備えるインペラの製造方法であって、
   鋳造にて製造されたチタンアルミの素材を熱間鍛造することによって、前記本体の表面に溝を有した前記ハブを製造するハブ鍛造工程と、
   鋳造にて製造されたチタンアルミの素材を熱間鍛造することによって、前記翼部を製造する翼部鍛造工程と、
   前記ハブを加熱膨張させた状態で前記溝に前記翼部の端部を挿入し、前記本体に前記翼部を結合することにより前記ハブに前記翼部を組み付ける組付け工程と、を有するインペラの製造方法。
2. 前記組付け工程の後工程であって、前記インペラに熱処理を行う熱処理工程をさらに有する請求項１に記載のインペラの製造方法。
3. 前記インペラは、車載内燃機関から排出された排気が流れるタービンハウジング内に収容されている請求項１又は請求項２に記載のインペラの製造方法。