JP3944819B2 - Method of manufacturing variable wing blade portion applied to exhaust guide assembly in VGS type turbocharger - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車用エンジン等に用いられるターボチャージャに関するものであって、特にこのものに組み込まれる排気ガイドアッセンブリの可変翼を一対の対向型によって挟み込み、翼幅寸法に相当する羽根高さを仕上げるようにした製造方法に係るものである。
【0002】
【発明の背景】
自動車用エンジンの高出力化、高性能化の一手段として用いられる過給機としてターボチャージャが知られており、このものはエンジンの排気エネルギによってタービンを駆動し、このタービンの出力によってコンプレッサを回転させ、エンジンに自然吸気以上の過給状態をもたらす装置である。ところでこのターボチャージャは、エンジンが低速回転しているときには、排気流量の低下により排気タービンがほとんど働かず、従って高回転域まで回るエンジンにあってはタービンが効率的に回るまでのもたつき感と、その後の一挙に吹き上がるまでの所要時間いわゆるターボラグ等が生ずることを免れないものであった。またもともとエンジン回転が低いディーゼルエンジンでは、ターボ効果を得にくいという欠点があった。
【0003】
このため低回転域からでも効率的に作動するVGSタイプのターボチャージャが開発されてきている。このものは排気タービンの外周に配設された複数の可変翼(羽)によって、少ない流量の排気ガスを絞り込み、排気の速度を増し、排気タービンの仕事量を大きくすることで、低速回転時でも高出力を発揮できるようにしたものである。このためVGSタイプのターボチャージャにあっては、別途可変翼の可変機構等を必要とし、周辺の構成部品も従来のものに比べて形状等をより複雑化させなければならなかった。
【0004】
そしてこのようなVGSタイプのターボチャージャにおける可変翼を製造するにあたっては、例えばロストワックス鋳造に代表される精密鋳造法や、金属射出成形法等によって、翼部と軸部とを一体に形成した金属素材(可変翼の原形となる素形材)を形成した後、素形材の翼部に研磨加工を施し、排気タービンの幅寸法に対応した適宜の羽根高さに加工する手法がある。
【0005】
しかしながらこのような研磨は広義的には切削加工の一手法であり、素形材の翼部に、このような加工を施すことは、以下に示すような点において問題があった。すなわちこの種のターボ装置は、一般に高温・排ガス雰囲気下で使用されるため、可変翼についても、優れた耐熱性や耐酸化性等を有するSUS310S等の耐熱ステンレス鋼が適用されるものであるが、このような素材は、一般に難切削性の材質であり、研磨に長時間を要し、加工に手間がかかる、という問題があった。加えて、可変翼は一基のターボチャージャについて10〜15個程度必要となるため、実際に自動車が月産3万台程度、量産された場合には、可変翼は月に30万〜45万個製造する必要があり、研磨加工では到底対応し切れるものではなかった(切削加工では一日に500個程度が限界であった)。
【0006】
このようなことから可変翼の翼部を、研磨(切削)を要することなく加工することにより、生産効率を向上させ、ひいては可変翼の量産化を具現化し得る製造方法として、素形材の翼部を一対の対向型によって挟み込み、翼部を所望の形状や寸法精度に仕上げるプレス手法が案出されている。しかしながらこのように可変翼の翼部をプレスによって形成する手法では、機能上必要な寸法精度を実現することが極めて難しかった。すなわち可変翼の原形である素形材を、形状や寸法ともに目的の可変翼に極近い、いわゆるニヤネットシェイプ状態に形成することが難しく、また素形材の形成手法によっては、嵩密度が低くなる等、素形材の性状に不都合を生じる場合があり、従ってこのような素形材をプレスして形成する可変翼には、当然、所望の精度が実現しづらいものであった。
【0007】
また可変翼は、翼部と軸部とを一体に具えた機能部品であることに因み、翼部と軸部の取り付け角度を一定に維持しながらプレスすることが極めて難しく、場合によってはプレス工程において、翼部と軸部の取り付け角度に狂いを生じ、排気ガスを絞り込む可変翼として、充分に機能し得ないことがあった。もとより可変翼は軸部を中心として回動することにより、翼部で排気ガスを絞り込むものであり、翼幅寸法に相当する羽根高さ等はもちろん、翼部と軸部との取り付け角度も、その性能に大きく関与する重要な寸法値である。このようなことから可変翼の翼部をプレスによって仕上げ形成する手法は、実用化の段階までには至っていないのが現状であった。
【0008】
また近年、特にディーゼル車においては、環境保護等の観点から大気中に放出される排気ガスが強く規制される現状にあり、元来エンジン回転が低いディーゼルエンジンにおいては、NOX や粒子状物質(PM)等を低減するためにも低回転域からエンジンの効率化が図れるVGSタイプのターボチャージャの量産化が、切望されるものであった。
【0009】
【開発を試みた技術的課題】
本発明はこのような背景を認識してなされたものであって、素形材の翼部をプレスによって仕上げ形成することを前提としながら、翼部の羽根高さ寸法等を高い精度で実現し得る新規な翼部の製造方法の開発を試みたものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
すなわち請求項1記載のVGSタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリに適用される可変翼の翼部の製造方法は、エンジンから排出された比較的少ない排気ガス(G) を適宜絞り込み、排気ガス(G) の速度を増幅させ、排気ガス(G) のエネルギで排気タービン(T) を回し、この排気タービン(T) に直結されたコンプレッサで自然吸気以上の空気をエンジンに送り込み、低速回転時であってもエンジンが高出力を発揮できるようにしたVGSタイプのターボチャージャに組み込まれる可変翼(1) の製造方法であって、
この可変翼 (1) は、回動中心となる軸部(12)と、実質的に排気ガス(G) の流量を調節する翼部(11)とを一体に具え、更に軸部 (12) の先端部に、翼部 (11) に対して適宜の傾斜状態に形成された基準面 (15) を有するものであり、
可変翼(1) を製造するにあたっては、原形となる金属の素形材(W) を出発素材とするものであり、この素形材(W) に適宜の加工を施すことによって、あるいは予め素形材(W) を得る段階において、形状及び寸法を目的の可変翼(1) に近づけたニヤネットシェイプ状態とし、このニヤネットシェイプ状態に形成した素形材(W) を、一対の対向型(6) によって挟み込んでプレスし、可変翼(1) の翼幅寸法に相当する羽根高さ(h) を仕上げるものであり、
この際、前記対向型 (6) は、素形材 (W) を保持する保持型 (61) と、保持型 (61) に対して相対的に接近離反する押圧型 (62) と、基準面 (15) を受け入れて素形材 (W) の位置決めを行うカム型 (63) とを具えて成り、
更に前記保持型 (61) には軸部受入部 (61a) が形成され、前記押圧型 (62) には翼部受入部 (62a) が形成されるものであり、
プレスを行う際には、カム型 (63) によって可変翼 (1) を適宜の姿勢に規制した状態で、前記保持型 (61) と押圧型 (62) とによって素形材 (W) の翼部 (11) を挟み込み、完成状態としての羽根高さ(h) の精度を実現するようにしたことを特徴として成るものである。
この発明によれば、ニヤネットシェイプ状態に形成した素形材をプレスし、翼部の羽根高さを所望精度に加工するため、羽根高さを仕上げるにあたり、手間のかかる切削加工を要することがなく、仕上げ工程の効率化が図れる。またこのようなことに因み、可変翼の製造工程から一切の切削加工を排除することが可能であり、可変翼の量産体制を具現化し得るものである。
また、軸部受入部が形成された保持型と、翼部受入部が形成された押圧型とによって、翼部を挟み込み、羽根高さを所望精度に仕上げるため、プレスの際に翼部や軸部等を不用意に湾曲させてしまうことが、ほぼ完全に解消され、高精度のプレス仕上げを、より一層現実のものとする。
また、プレス仕上げを行う際、カム型が可変翼をほぼ一定の姿勢に規制するため、軸部と翼部との取り付け角度、すなわち基準面と翼部との傾斜状態が高精度に実現できる。なお素形材(可変翼)の仕上げプレスは、軸部(基準面)をカム型によって保持した、位置決め状態で行われるとともに、軸部を基準として翼部の取り付け状態を幾らか修正する、矯正効果も期待できる。
【0011】
また請求項2記載のVGSタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリに適用される可変翼の翼部の製造方法は、前記請求項1記載の要件に加え、前記ニヤネットシェイプ状態の素形材(W) は、翼部(11)の羽根高さ(h) の精度が、完成状態に対して+0.05〜+0.15mmの範囲に形成されることを特徴として成るものである。
この発明によれば、プレス仕上げを受ける素形材は、完成状態の羽根高さに対して+0.05〜+0.15mm程度のニヤネットシェイプ状態に形成されるため、羽根高さを所望の精度(一例として目標寸法に対して±0.01mmの公差範囲)に実現できる。また素形材の精度範囲が具体的数値として設定されるため、プレス仕上げがより円滑且つ確実に行え、仕上げ加工の一層の効率化が図れる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。説明にあたっては本発明によって製造される可変翼1を適用したVGSタイプのターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリAについて説明しながら、併せて可変翼1について説明し、その後、本発明である可変翼の翼部の製造方法について説明する。
排気ガイドアッセンブリAは、特にエンジンの低速回転時において排気ガスGを適宜絞り込んで排気流量を調節するものであり、一例として図1に示すように、排気タービンTの外周に設けられ実質的に排気流量を設定する複数の可変翼1と、可変翼1を回動自在に保持するタービンフレーム2と、排気ガスGの流量を適宜設定すべく可変翼1を一定角度回動させる可変機構3とを具えて成るものである。以下各構成部について説明する。
【0013】
まず本発明を実質的に適用した可変翼1について説明する。このものは一例として図1に示すように排気タービンTの外周に沿って円弧状に複数(一基の排気ガイドアッセンブリAに対して概ね10個から15個程度)配設され、そのそれぞれが、ほぼ同程度づつ回動して排気流量を適宜調節するものである。そして各可変翼1は、翼部11と、軸部12とを具えて成る。翼部11は、主に排気タービンTの幅寸法に応じて一定幅を有するように形成されるものであり、その幅方向における断面が概ね翼状に形成され、排気ガスGが効果的に排気タービンTに向かうように構成されている。なおここで翼部11の幅寸法を便宜上、羽根高さhとする。
また軸部12は、翼部11と一体で連続するように形成されるものであり、翼部11を動かす際の回動軸に相当する部位となる。
【0014】
そして翼部11と軸部12との接続部位には、軸部12から翼部11に向かって窄まるようなテーパ部13と、軸部12より幾分大径の鍔部14とが連なるように形成されている。なお鍔部14の底面は、翼部11における軸部12側の端面と、ほぼ同一平面上に形成され、この平面が、可変翼1をタービンフレーム2に取り付けた状態における摺動面となり、可変翼1の円滑な回動状態が確保される。更に軸部12の先端部には、可変翼1の取り付け状態の基準となる基準面15が形成される。この基準面15は、後述する可変機構3に対しカシメ等によって固定される部位であり、一例として図1、2に示すように、軸部12を対向的に切り欠いた平面が、翼部11に対してほぼ一定の傾斜状態に形成されて成るものである。
【0015】
なお可変翼1は、完成状態以前の翼部11と軸部12とを一体で具えた金属素材(以下素形材Wとする)がまず形成され、この素形材Wに対し、適宜の加工を施して目的の形状や寸法精度を実現させ、完成品としての可変翼1を得るものである。ここで最終的に翼部11や軸部12が形成される素形材Wの各部分を、それぞれ翼部形成部11a、軸部形成部12aと定義する。そして本発明では、形状及び寸法を目的の可変翼1に近づけたニヤネットシェイプ〔Near Net Shape〕状態の素形材Wを得るようにし、このものを一対の対向型(プレス型)によって挟み込み、可変翼1の翼幅寸法である羽根高さhを仕上げ、完成状態の可変翼1としての精度を実現するものである。
【0016】
次にタービンフレーム2について説明する。このものは、複数の可変翼1を回動自在に保持するフレーム部材として構成されるものであって、一例として図1に示すように、フレームセグメント21と保持部材22とによって可変翼1を挟み込むように構成される。そしてフレームセグメント21は、可変翼1の軸部12を受け入れるフランジ部23と、後述する可変機構3を外周に嵌めるボス部24とを具えて成る。なおこのような構造からフランジ部23には、周縁部分に可変翼1と同数の受入孔25が等間隔で形成されるものである。また保持部材22は、図1に示すように中央部分が開口された円板状に形成されている。そしてこれらフレームセグメント21と保持部材22とによって挟み込まれた可変翼1の翼部11を、常に円滑に回動させ得るように、両部材間の寸法は、ほぼ一定(概ね可変翼1の翼幅寸法程度)に維持されるものであり、一例として受入孔25の外周部分に、四カ所設けられたカシメピン26によって両部材間の寸法が維持されている。ここでこのカシメピン26を受け入れるためにフレームセグメント21及び保持部材22に開口される孔をピン孔27とする。
【0017】
なおこの実施の形態では、フレームセグメント21のフランジ部23は、保持部材22とほぼ同径のフランジ部23Aと、保持部材22より幾分大きい径のフランジ部23Bとの二つのフランジ部分から成るものであり、これらを同一部材で形成するものであるが、同一部材での加工が複雑になる場合等にあっては、径の異なる二つのフランジ部を分割して形成し、後にカシメ加工やブレージング加工等によって接合することも可能である。
【0018】
次に可変機構3について説明する。このものはタービンフレーム2のボス部24の外周側に設けられ、排気流量を調節するために可変翼1を回動させるものであり、一例として図1に示すように、アッセンブリ内において実質的に可変翼1の回動を生起する回動部材31と、この回動を可変翼1に伝える伝達部材32とを具えて成るものである。回動部材31は、図示するように中央部分が開口された略円板状に形成され、その周縁部分に可変翼1と同数の伝達部材32を等間隔で設けるものである。なおこの伝達部材32は、回動部材31に回転自在に取り付けられる駆動要素32Aと、可変翼1の基準面15に固定状態に取り付けられる受動要素32Bとを具えて成るものであり、これら駆動要素32Aと受動要素32Bとが接続された状態で、回動が伝達される。具体的には四角片状の駆動要素32Aを、回動部材31に対して回転自在にピン止めするとともに、この駆動要素32Aを受け入れ得るように略U字状に形成した受動要素32Bを、可変翼1の先端の基準面15に固定し、四角片状の駆動要素32AをU字状の受動要素32Bに嵌め込み、双方を係合させるように、回動部材31をボス部24に取り付けるものである。
【0019】
なお複数の可変翼1を取り付けた初期状態において、これらを周状に整列させるにあたっては、各可変翼1と受動要素32Bとが、ほぼ一定の角度で取り付けられる必要があり、本実施の形態においては、主に可変翼1の基準面15がこの作用を担っている。また回動部材31を単にボス部24に嵌め込んだままでは、回動部材31がタービンフレーム2と僅かに離反した際、伝達部材32の係合が解除されてしまうことが懸念されるため、これを防止すべく、タービンフレーム2の対向側から回動部材31を挟むようにリング33等を設け、回動部材31に対してタービンフレーム2側への押圧傾向を賦与するものである。
このような構成によって、エンジンが低速回転を行った際には、可変機構3の回動部材31を適宜回動させ、伝達部材32を介して軸部12に伝達し、図1に示すように可変翼1を回動させ、排気ガスGを適宜絞り込んで、排気流量を調節するものである。
【0020】
本発明によって製造される可変翼1を適用した排気ガイドアッセンブリAの一例は、以上のように構成されて成り、以下、可変翼1の製造方法について説明しながら、本発明の可変翼の翼部の製造方法について併せて説明する。
(1)素形材の準備工程
この工程は、翼部形成部11aと軸部形成部12aとを一体に具え、可変翼1の原形となる金属の素形材Wを準備する工程である。そしてこのような素形材Wを形成するにあたっては、精密鋳造、金属射出成形、ブランク材の打ち抜き等、適宜の手法が適用可能であり、以下これらの手法について概略的に説明する。
【0021】
(a)精密鋳造
例えば精密鋳造法を代表するロストワックス法は、目的の製品(ここでは可変翼1)を形状、大きさ共に、ほぼ忠実にろう模型で再現し、このろう模型のまわりを耐火物で被覆した後、中のろう部分を溶かし出して、耐火物(被覆物)のみを得、これを鋳型として鋳造を行う手法である。このように精密鋳造では、鋳型を目的の製品通りに、ほぼ忠実に形成することによって、鋳造品(素形材W)を高精度に再現し得るものである。しかしながら本実施の形態では、鋳造にあたって、耐熱鋼(合金)を主要母材とした処女材を適用するとともに、含有されるC(炭素)、Si(ケイ素)、O(酸素)量を適正化、例えばC、Si、Oの各々の重量%を0.05〜0.5%、0.5〜1.5%、0.01〜0.1%とすることで、溶融金属の湯流れ性を向上させて、鋳造品の寸法精度を、より一層向上させ、素形材Wをよりニヤネットシェイプ状態に形成することが可能である。また例えば、注湯後、鋳型とともに鋳込んだ金属素材を急冷することによって、型破砕までの時間を短縮し、素形材Wの凝固粒の微細化を図り、その後の転造加工において、シャープエッジ(軸部12の転造によって、軸部12表面の金属素材が塑性流動を起こし、軸部12の先端部から突出状態に形成される鋭角部位)を発生させ難くする技術的工夫も適宜採り得るものである。
【0022】
(b)金属射出成形
この手法は、材料となる金属粉にバインダ(主に金属粉どうしを結合させる添加剤であり、一例としてポリエチレン樹脂、ワックス、フタル酸エステルの混合物)を混練し、可塑性を賦与した後、金型内に射出して所望の形状に形成して、バインダを除去した後、焼結する手法であり、精密鋳造とほぼ同様に、ニヤネットシェイプ状態の成形品(素形材W)が得られるものである。この際、独立泡(金属粒子間の球状間隙)を小さく且つ均一に生じさせるべく、30分から2時間程度の時間をかけた焼結を行ったり、成形品にHIP(Hot Isostatic Pressingの略;熱間静水圧プレス)処理を施し、成形品の嵩密度を向上させることが可能である。また金属粉の形状を空気アトマイズや水アトマイズ等によって極力、球状且つ微細化し、素形材Wの高温回転曲げ疲労性を向上させる技術的工夫も適宜採り得るものである。
【0023】
(c)ブランク材の打ち抜き
この手法は、ほぼ一定の厚さ(一例として約4mm程度)を有した帯鋼等から、目的の可変翼1を実現し得るボリューム(金属素材の体積)を有するように打ち抜いたブランク材を素形材Wとする手法である。もちろん打ち抜き加工は、通常、打ち抜き方向がストレートであるため、打ち抜き工程のみで、例えば軸部12の断面を、ほぼ円状に形成することは不可能であり、打ち抜かれたブランク材の軸部形成部12aは、ほぼ四角状断面を呈するのが一般的である。このため打ち抜き工程の後、転造工程に移行するまでの間に、例えばほぼ四角形状断面を呈した軸部形成部12aに、鍛造加工や圧印加工等を施してほぼ円形状断面に造形するものである。すなわち実質的には、打ち抜き工程と造形工程とによって、精密鋳造や金属射出成形等と同程度のニヤネットシェイプ状態の素形材Wを得るものであり、従って軸部12先端の基準面15等も、この造形段階において形成するのが一般的である。
【0024】
なお、造形工程で断面形状を変化させるような場合には、打ち抜かれたブランク材(素形材W)の軸部形成部12a等の隅角部にコーナR(フィレット加工)や面取り加工を施し、円形状等の完成形状に近づけておく技術的工夫が適宜採り得る。これによって金属素材のデッドメタルフロウ状態が防止され、実質的な造形工程において金属素材の円滑な塑性流動が促進されるものである。因みに造形工程では、翼部11も同時に所望の形状(ニヤネットシェイプ状態)に形成することが可能である。
【0025】
(2)軸部の加工
このように素形材Wを得る段階で、このものをニヤネットシェイプ状態に形成したり、あるいは素形材Wに適宜の加工を施すことによって(素形材Wが完成状態の可変翼1から遠い場合)、素形材Wをニヤネットシエイプ状態に形成すると、今度は、この素形材Wの軸部形成部12aが所望の径太さに加工される。これには例えば転造装置が適用され、軸部形成部12aが一対のダイスで押さえ付けられ、素形材Wとダイスとを相対的に回転させながら実質的な転造が施される。なおここで軸部形成部12aを所望の径寸法精度に加工するのに転造手法を採ったのは、可変翼1を効率的に量産するためであるが、製造数が少なかったり、多品種少量生産である場合、あるいは転造に伴いシャープエッジが生じ易いような場合等にあっては、軸部12を切削によって加工することも可能である。
なお精密鋳造法や金属射出成形法等によって、軸部12を所望の径寸法精度に形成する加工(例えば上記転造加工)を要しない程度まで、ニヤネットシェイプ状態の素形材Wが得られる場合には、上記軸部の加工工程は省略することが可能である。
【0026】
(3)翼部のプレス加工
軸部形成部12aを、ほぼ所望の径寸法に加工した後、ニヤネットシェイプ状態の素形材Wは、一対の対向型によって挟み込まれ、羽根高さh等の翼部11の形状や寸法等が所望の精度に仕上げられる。なおこのようなプレス仕上げを受ける素形材Wの羽根高さhは、完成状態に対して+0.05〜+0.15mmの精度範囲に形成されるものであり、これがプレスによって目標寸法±0.01の公差に仕上げられ、完成状態の可変翼1を得るものである。このように素形材Wの翼部形成部11aをプレスし、所望精度の羽根高さhを実現するには、素形材Wを目的の可変翼1に極めて近いニヤネットシェイプ状態に形成する必要がある。逆に言えば、目的の可変翼1から遠い素形材Wを、プレス加工しても、所望精度の羽根高さhを実現することは、ほとんど不可能であり、また多くの場合、翼部11や軸部12が不用意に湾曲したり、翼部11と軸部12との取り付け状態に狂いを生じるものである。
【0027】
そして素形材Wの翼部11を仕上げるプレス装置としては、一例として図3に示すような一対の対向型6が適用されるものであり、このものは、可変翼1を不動状態に保持する保持型61と、この保持型61に対して相対的に接近離反する押圧型62とを具えて成るものである。また保持型61には、可変翼1を保持するために、軸部12(軸部形成部12a)を受け入れる軸部受入部61aが彫り込まれるとともに、押圧型62には、翼部11(翼部形成部11a)を受け入れる翼部受入部62aが彫り込まれており、これら保持型61と押圧型62とによって、翼幅方向から素形材Wを挟み込み、羽根高さhを仕上げるものである。このように仕上げプレスは、可変翼1の周囲が対向型6によって包囲された状態で加圧されるため、翼部11や軸部12等が不用意に曲がったり、変形したりすることが、ほぼ完全に解消され得るものである。
【0028】
なおこのような羽根高さhのプレス仕上げにあたっては、翼部11と軸部12との取り付け状態をほぼ一定に維持することが、可変翼1の安定な回動状態を確保することになり、ひいては排気ガイドアンセンブリAの性能向上に寄与するものである。従って本発明においては、軸部12を受け入れる保持型61の受入底部側(図3では下方)に、更に基準面15を保持するカム型63を具えるものである。すなわち素形材Wは、カム型63に形成された基準面受入部63aに、基準面15を挿入し、ほぼ一定の姿勢に保持され、位置決めされた状態で、プレス仕上げが施されるものである。これによって、翼部11と軸部12との取り付け状態、すなわち翼部11と基準面15との傾斜状態を、ほぼ一定に維持しながらプレス仕上げを行うことができ、翼部11と軸部12との取り付け位置の高精度化を図り、またそのバラツキを可及的に抑制するものである。
【0029】
このように素形材Wの仕上げプレスは、基準面15をカム型63に挿入するとともに、軸部12を保持型61で保持することによって、素形材W(可変翼1)を適宜の姿勢に規制した状態で行われる。このためプレスは、素形材Wを位置決めした状態で行うとともに、軸部12を基準として翼部11の取り付け状態を、幾分か修正し得るものであり、プレスそのものに多少の矯正効果が期待できる。
【0030】
なお上述したように、仕上げプレスによって素形材Wは羽根高さhのみならず、翼部11表面の形状等も適宜仕上げられるものである。
また図3に示した実施の形態では、対向型6の作動方向(分離方向)をほぼ鉛直に設定し、保持型61を下方に、押圧型62を上方に配置しているが、必ずしも、型割れ方向、あるいは保持型61や押圧型62の配置もこれに限定されるものではない。
更にまたこの実施の形態では、軸部12を所望の径寸法に加工してから、翼部11の仕上げプレスを行うように説明したが、必ずしもこの順序通りに行う必要はなく、翼部11の仕上げプレスを行ってから軸部12の加工を行っても構わない。
【0031】
(4)バレル処理
この工程は、プレス工程を終了した素形材W(この状態で素形材Wは、ほぼ可変翼1の完成状態を呈している)を全体的に表面研磨する工程であり、例えば素形材Wとメディアと呼ばれる添加剤とをバレル容器に入れ、バレル容器を回転もしくは振動させることによって、素形材Wとメディアとを衝突させて、素形材Wの表面を仕上げるものである。なおこのバレル処理によって、素形材Wはバリ(特にプレス工程において形成された一対の対向型6の合わせ目のバリ)が効果的に取り除かれるものである。
【0032】
【発明の効果】
まず請求項1記載の発明によれば、切削加工を要することなく、ニヤネットシェイプ状態に形成した素形材Wの羽根高さhを仕上げることができる。このため可変翼1の製造工程から切削加工を排除する、切削レス化に寄与し、可変翼1の量産化を現実的なものとする。
また、可変翼1は、その周囲が対向型6によって取り囲まれた状態、すなわち軸部12が保持型61で包囲され、翼部11が保持型61と押圧型62とで包囲された状態で、プレスされるため、翼部11や軸部12等が不用意に曲がったり、変形したりすることが、ほぼ完全に防止される。特に翼部11は、先端部が薄肉状であるため、一般的には、歪み易いものであるが、本発明では、この歪みが可及的に抑制される。このため羽根高さhを含め、随所に高い寸法精度を実現した可変翼1を仕上げ得る。
また、カム型63によって軸部12(基準面15)を基準としたプレス加工を行うため、可変翼1(素形材W)を適宜の姿勢に規制した、位置決めを施したプレスを行うとともに、プレス加工そのものに、軸部12を基準にして翼部11を若干修正する、矯正効果が期待できる。
【0033】
また請求項2記載の発明によれば、現実に可変翼1をプレス加工によって仕上げ得る素形材Wの精度(ニヤネット率)を具体的なものとする。すなわち、目的の可変翼1から程遠い素形材Wをプレスしても、所望の寸法精度(一例として目標寸法に対して±0.01の公差)は得られないため、プレス仕上げを行うには、素形材Wをニヤネットシェイプ状態に形成することが前提となる。もちろん単に素形材Wの寸法や形状を、目的の可変翼1に近づけるだけでなく、例えば金属射出成形によって素形材Wを得る場合においては、そのままでは素形材Wの嵩密度が低くなり易いため、成形品に熱間静水圧プレス処理を施して高密度化を図る等、適宜、素形材Wの性状を向上させる必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る可変翼を組み込んだVGSタイプのターボチャージャを示す斜視図(a)、並びに排気ガイドアッセンブリを示す分解斜視図(b)である。
【図2】 本発明に係る可変翼を示す正面図並びに左側面図である。
【図3】 素形材を挟み込み、可変翼の羽根高さを所望精度に仕上げる対向型を示す断面図である。
【符号の説明】
1 可変翼
2 タービンフレーム
3 可変機構
6 対向型
11 翼部
11a 翼部形成部
12 軸部
12a 軸部形成部
13 テーパ部
14 鍔部
15 基準面
21 フレームセグメント
22 保持部材
23 フランジ部
23A フランジ部(小)
23B フランジ部(大)
24 ボス部
25 受入孔
26 カシメピン
27 ピン孔
31 回動部材
32 伝達部材
32A 駆動要素
32B 受動要素
33 リング
61 保持型
61a 軸部受入部
62 押圧型
62a 翼部受入部
63 カム型
63a 基準面受入部
A 排気ガイドアッセンブリ
G 排気ガス
h 羽根高さ
T 排気タービン
W 素形材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a turbocharger used in an engine for automobiles and the like, and in particular, a variable blade of an exhaust guide assembly incorporated in the turbocharger is sandwiched between a pair of opposed types so as to finish a blade height corresponding to the blade width dimension. This relates to the manufacturing method described above.
[0002]
BACKGROUND OF THE INVENTION
A turbocharger is known as a turbocharger that is used as a means to increase the output and performance of an automobile engine. This turbocharger drives the turbine by the exhaust energy of the engine, and rotates the compressor by the output of the turbine. It is a device that brings the engine to a supercharged state that is higher than natural intake. By the way, in this turbocharger, when the engine is rotating at a low speed, the exhaust turbine hardly works due to a decrease in the exhaust flow rate. Therefore, in an engine that rotates to a high rotation range, a feeling of stickiness until the turbine rotates efficiently, It was inevitable that so-called turbo lag, etc. would be required for the subsequent blow-up. In addition, the diesel engine with low engine speed originally has a drawback that it is difficult to obtain a turbo effect.
[0003]
For this reason, VGS type turbochargers have been developed that operate efficiently even in the low rotation range. This system uses a plurality of variable blades (blades) arranged on the outer periphery of the exhaust turbine to narrow down the exhaust gas with a small flow rate, increase the exhaust speed, and increase the work of the exhaust turbine. High output can be demonstrated. For this reason, in the VGS type turbocharger, a variable mechanism of a variable blade is required separately, and the peripheral components have to be more complicated in shape and the like than the conventional one.
[0004]
In manufacturing a variable blade in such a VGS type turbocharger, for example, a metal in which a blade portion and a shaft portion are integrally formed by a precision casting method represented by lost wax casting, a metal injection molding method, or the like. There is a method in which after forming a material (a base material that becomes the original shape of a variable blade), the blade portion of the base material is ground and processed to an appropriate blade height corresponding to the width dimension of the exhaust turbine.
[0005]
However, such polishing is a method of cutting in a broad sense, and applying such processing to the wing portion of the shaped material has a problem in the following points. That is, since this type of turbo equipment is generally used in a high temperature / exhaust gas atmosphere, heat resistant stainless steel such as SUS310S having excellent heat resistance and oxidation resistance is applied to variable blades. Such a material is generally a difficult-to-cut material, and has a problem that it takes a long time for polishing and labor is required for processing. In addition, about 10 to 15 variable wings are required for one turbocharger, so if the car is actually mass-produced about 30,000 units per month, the variable wings are about 300,000 to 450,000 per month. It was necessary to manufacture individual pieces, and the polishing process was not completely compatible (about 500 pieces were cut per day in the cutting process).
[0006]
For this reason, as a manufacturing method that can improve the production efficiency by processing the blade portion of the variable blade without requiring polishing (cutting), and thus can realize the mass production of the variable blade, the blade of the base material is used. A pressing technique has been devised in which a part is sandwiched between a pair of opposed molds and a wing part is finished to a desired shape and dimensional accuracy. However, it is extremely difficult to achieve the dimensional accuracy required for the function by the method of forming the blade portion of the variable blade by pressing in this way. In other words, it is difficult to form the original shape of the variable wing in a so-called near-net shape that is very close to the target variable wing in both shape and size, and the bulk density is low depending on the forming method of the shape. Thus, there may be a problem in the properties of the shaped material. Therefore, naturally, it is difficult to achieve the desired accuracy in the variable blade formed by pressing such a shaped material.
[0007]
In addition, variable wings are extremely difficult to press while maintaining a fixed mounting angle between the wings and the shaft, due to the fact that the variable wing is a functional component that integrally includes the wing and the shaft. In the process, the attachment angle between the blade part and the shaft part is distorted, and it may not function sufficiently as a variable blade that narrows the exhaust gas. Of course, the variable wing rotates around the shaft to narrow down the exhaust gas at the wing, and of course the blade angle corresponding to the blade width, etc., as well as the mounting angle between the wing and the shaft, It is an important dimensional value that greatly affects its performance. For these reasons, the method of finishing the blades of the variable blades by pressing has not yet reached the stage of practical use.
[0008]
In recent years, especially in diesel vehicles, the exhaust gas released into the atmosphere is strongly regulated from the viewpoint of environmental protection and the like.X In order to reduce the amount of particulate matter (PM) and the like, mass production of a VGS type turbocharger capable of improving the efficiency of the engine from a low rotation range has been desired.
[0009]
[Technical issues for which development was attempted]
The present invention has been made in view of such a background, and realizes the blade height dimension of the wing portion with high accuracy on the premise that the wing portion of the shaped material is finished by press. This is an attempt to develop a new method for producing a wing part.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
That is, the manufacturing method of the blade portion of the variable blade applied to the exhaust guide assembly in the VGS type turbocharger according to
This variable wing (1) IsShaft that is the center of rotation(12)And substantially exhaust gas(G)Wings that regulate the flow rate of(11)Together withFurther shaft part (12) At the tip of the wing (11) Reference plane formed with an appropriate inclination with respect to (15) Having
Variable wing(1)To manufactureWhatOriginal metal shape material(W)This material is a starting material.(W)By applying appropriate processing to the material or in advance(W)In the stage of obtaining the variable wing of the desired shape and dimensions(1)The near shape of the near net shape and the shape formed in this near net shape state(W)A pair of opposed types(6)Pressed with variable wings(1)Blade height equivalent to the blade width(h)FinishIs,
At this time, the opposed type (6) The raw material (W) Holding mold (61) And holding type (61) Pressing type that approaches and separates relatively (62) And the reference plane (15) Accept the shape material (W) Cam type for positioning (63) And consist of
MoreHolding type (61) The shaft receiving part (61a) Formed with the pressing mold (62) The wing receiving part (62a) Is formed,
When pressing, the cam type (63) By variable wing (1) In a state in which it is regulated to an appropriate posture, (61) And pressing mold (62) And by shape material (W) Wings (11) Sandwiched betweenBlade height as completed(h)It is characterized by realizing the accuracy of the above.
According to the present invention, the shaped material formed in the near net shape state is pressed and the blade height of the wing portion is processed to a desired accuracy, so that it takes a laborious cutting process to finish the blade height. The finishing process can be made more efficient. In addition, because of this, it is possible to eliminate any cutting process from the manufacturing process of the variable blade, and the mass production system of the variable blade can be realized.
AlsoThe wing part and the shaft part are pressed at the time of pressing in order to sandwich the wing part and finish the blade height to a desired accuracy by the holding mold in which the shaft part receiving part is formed and the pressing mold in which the wing part receiving part is formed. Inadvertently curving and the like is almost completely eliminated, and high-precision press finishing is made even more realistic.
AlsoWhen the press finish is performed, the cam mold regulates the variable wing to a substantially constant posture, so that the mounting angle between the shaft portion and the wing portion, that is, the inclined state between the reference surface and the wing portion can be realized with high accuracy. In addition, the finishing press of the shape material (variable wing) is performed in the positioning state with the shaft portion (reference surface) held by the cam mold, and also corrects the attachment state of the wing portion somewhat with respect to the shaft portion. The effect can also be expected.
[0011]
In addition to the requirement of
According to the present invention, the base material subjected to the press finish is formed in a near net shape state of about +0.05 to +0.15 mm with respect to the blade height in the completed state. (For example, a tolerance range of ± 0.01 mm with respect to the target dimension) can be realized. In addition, since the accuracy range of the base material is set as a specific numerical value, the press finishing can be performed more smoothly and reliably, and the efficiency of the finishing process can be further improved.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described below based on the illustrated embodiments. In the description, while explaining the exhaust guide assembly A in the VGS type turbocharger to which the
The exhaust guide assembly A adjusts the exhaust gas flow rate by appropriately narrowing the exhaust gas G particularly when the engine is running at a low speed. As shown in FIG. 1, as an example, the exhaust guide assembly A is provided on the outer periphery of the exhaust turbine T and substantially exhausts. A plurality of
[0013]
First, the
The
[0014]
A tapered
[0015]
The
[0016]
Next, the
[0017]
In this embodiment, the
[0018]
Next, the
[0019]
In the initial state where a plurality of
With this configuration, when the engine rotates at a low speed, the
[0020]
An example of the exhaust guide assembly A to which the
(1) Preliminary material preparation process
This step is a step of preparing the metal shaped member W that is the original shape of the
[0021]
(A) Precision casting
For example, the lost wax method, which is representative of the precision casting method, reproduces the target product (here, variable wing 1) with a wax model almost faithfully in both shape and size, and then coats the wax model around with a refractory. In this method, the wax part inside is melted to obtain only a refractory (coating material), and this is used as a mold. As described above, in precision casting, a casting (raw material W) can be reproduced with high accuracy by forming a mold almost faithfully in accordance with a target product. However, in the present embodiment, in casting, a virgin material having heat-resistant steel (alloy) as a main base material is applied, and the amount of C (carbon), Si (silicon), and O (oxygen) contained is optimized. For example, by making each weight% of C, Si, and O 0.05-0.5%, 0.5-1.5%, 0.01-0.1%, the molten metal flowability can be improved. It is possible to improve the dimensional accuracy of the cast product, and to form the preform W in a near net shape state. In addition, for example, after pouring, the metal material cast together with the mold is rapidly cooled to shorten the time until mold crushing and to refine the solidified grains of the shaped material W. Technical measures to make it difficult to generate an edge (a sharp portion formed in a protruding state from the tip of the
[0022]
(B) Metal injection molding
This technique involves kneading a binder (mainly an additive that binds metal powders together, for example, a mixture of polyethylene resin, wax, and phthalate ester) with the metal powder that is used as a material. This is a method of injecting into a desired shape, removing the binder, and then sintering, and a molded product with a near-net shape (raw material W) can be obtained in substantially the same manner as precision casting. It is. At this time, in order to generate closed bubbles (spherical gaps between metal particles) in a small and uniform manner, sintering is performed over a period of about 30 minutes to 2 hours, or the molded product is an abbreviation of HIP (Hot Isostatic Pressing); It is possible to improve the bulk density of the molded product by performing an (isostatic pressing) process. In addition, a technical device for making the shape of the metal powder spherical and fine as much as possible by air atomization, water atomization, etc., and improving the high temperature rotational bending fatigue property of the shaped material W can be taken as appropriate.
[0023]
(C) Blank blank punching
In this method, a blank material punched out from a steel strip having a substantially constant thickness (about 4 mm as an example) so as to have a volume (a volume of a metal material) capable of realizing the
[0024]
In addition, when changing the cross-sectional shape in the modeling process, corner R (fillet processing) or chamfering is performed on the corner portion of the blank portion (raw material W) such as the shaft
[0025]
(2) Shaft processing
In this way, at the stage of obtaining the shaped material W, this is formed into a near net shape state, or by appropriately processing the shaped material W (from the
The near-net-shaped shaped material W can be obtained by precision casting or metal injection molding to such an extent that processing for forming the
[0026]
(3) Press working of wings
After the
[0027]
And as a press apparatus which finishes the wing |
[0028]
In press finishing of such blade height h, maintaining the attachment state of the
[0029]
Thus, in the finishing press of the shaped member W, the
[0030]
In addition, as mentioned above, not only the blade height h but also the shape of the surface of the
In the embodiment shown in FIG. 3, the operation direction (separation direction) of the opposed
Furthermore, in this embodiment, it has been described that the
[0031]
(4) Barrel processing
This process is a process of polishing the entire surface of the shaped material W that has been subjected to the pressing process (in this state, the shaped material W is almost in the completed state of the variable blade 1). W and an additive called a medium are put in a barrel container, and the barrel container is rotated or vibrated to collide the shaped material W with the media, thereby finishing the surface of the shaped material W. Note that the barrel process effectively removes burrs (particularly, burrs between the pair of
[0032]
【The invention's effect】
First, according to the first aspect of the present invention, the blade height h of the shaped material W formed in a near net shape state can be finished without cutting. For this reason, it eliminates cutting from the manufacturing process of the
The
In addition, in order to perform the pressing process with the shaft portion 12 (reference surface 15) as a reference by the
[0033]
According to the second aspect of the present invention, the accuracy (neanet ratio) of the shaped material W that can actually finish the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view (a) showing a VGS type turbocharger incorporating variable blades according to the present invention, and an exploded perspective view (b) showing an exhaust guide assembly.
FIG. 2 is a front view and a left side view showing a variable wing according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a facing type that sandwiches a shape material and finishes the blade height of a variable blade with a desired accuracy.
[Explanation of symbols]
1 Variable wing
2 Turbine frame
3 Variable mechanism
6 Opposite type
11 Wings
11a Wing formation part
12 Shaft
12a Shaft forming part
13 Taper
14 Buttocks
15 Reference plane
21 frame segments
22 Holding member
23 Flange
23A Flange (Small)
23B Flange (Large)
24 Boss
25 receiving hole
26 Caulking Pin
27 pin hole
31 Rotating member
32 Transmission member
32A driving element
32B passive element
33 rings
61 Holding type
61a Shaft receiving part
62 Pressing type
62a Wing receptionPart
63 Cam type
63a Reference surface receiving part
A Exhaust guide assembly
G exhaust gas
h Blade height
T Exhaust turbine
W Material
Claims (2)
この可変翼 (1) は、回動中心となる軸部(12)と、実質的に排気ガス(G) の流量を調節する翼部(11)とを一体に具え、更に軸部 (12) の先端部に、翼部 (11) に対して適宜の傾斜状態に形成された基準面 (15) を有するものであり、
可変翼(1) を製造するにあたっては、原形となる金属の素形材(W) を出発素材とするものであり、この素形材(W) に適宜の加工を施すことによって、あるいは予め素形材(W) を得る段階において、形状及び寸法を目的の可変翼(1) に近づけたニヤネットシェイプ状態とし、このニヤネットシェイプ状態に形成した素形材(W) を、一対の対向型(6) によって挟み込んでプレスし、可変翼(1) の翼幅寸法に相当する羽根高さ(h) を仕上げるものであり、
この際、前記対向型 (6) は、素形材 (W) を保持する保持型 (61) と、保持型 (61) に対して相対的に接近離反する押圧型 (62) と、基準面 (15) を受け入れて素形材 (W) の位置決めを行うカム型 (63) とを具えて成り、
更に前記保持型 (61) には軸部受入部 (61a) が形成され、前記押圧型 (62) には翼部受入部 (62a) が形成されるものであり、
プレスを行う際には、カム型 (63) によって可変翼 (1) を適宜の姿勢に規制した状態で、前記保持型 (61) と押圧型 (62) とによって素形材 (W) の翼部 (11) を挟み込み、完成状態としての羽根高さ(h) の精度を実現するようにしたことを特徴とするVGSタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリに適用される可変翼の翼部の製造方法。A relatively small amount of exhaust gas (G) discharged from the engine is appropriately throttled, the speed of the exhaust gas (G) is amplified, and the exhaust turbine (T) is rotated by the energy of the exhaust gas (G ). This is a method of manufacturing variable wings (1) incorporated in a VGS type turbocharger that sends air above the natural intake air to the engine with a compressor directly connected to the engine, so that the engine can exhibit high output even at low speeds. There,
The variable vane (1), the axis portion serving as a rotation center (12), wings for adjusting the flow rate of substantially exhaust (G) (11) and a comprising integral, further shank (12) A reference surface (15) formed in an appropriate inclined state with respect to the wing (11) at the tip of the
What is per the producing variable vane (1), a metal formed and fabricated material to be original and (W) are those used as the starting material, by applying an appropriate processing on the formed and fabricated material (W) Alternatively, in the stage of obtaining the shape material (W) in advance, the shape and dimensions are in a near net shape state close to the target variable wing (1) , and the shape material (W) formed in this near net shape state is It is sandwiched between a pair of opposed molds (6) and pressed to finish the blade height (h) corresponding to the blade width dimension of the variable blade (1) .
At this time, the opposed mold (6) includes a holding mold (61) that holds the shaped material (W) , a pressing mold (62) that is relatively close to and away from the holding mold (61) , and a reference surface. Comprising a cam mold (63 ) for receiving (15) and positioning the raw material (W) ,
Further, the holding die (61) is formed with a shaft receiving portion (61a) , and the pressing die (62 ) is formed with a wing receiving portion (62a) ,
When performing the pressing , the blade of the raw material (W) is formed by the holding die (61) and the pressing die (62) in a state where the variable blade (1) is regulated to an appropriate posture by the cam die (63) . A method for manufacturing a blade portion of a variable blade applied to an exhaust guide assembly in a VGS type turbocharger characterized in that the accuracy of the blade height (h) as a completed state is realized by sandwiching the portion (11) .
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