JP3989814B2 - 回転体素材のアンバランス測定装置およびアンバランス測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタービンホイール等の回転体のアンバランスを素材段階で測定することができるアンバランス測定装置および測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
８００℃以上の高温に晒されるターボチャージャのタービンホイール等は耐熱合金の鋳造品で製造されることが多い。そして、１０万ｒｐｍ以上で高速回転する際の騒音を低減するためにタービンホイールの回転アンバランスは可能な限り小さくする必要がある。ところで従来は、このような回転体のアンバランス測定を鋳造直後の素材段階で行うことができず、ユーザにおいて回転体素材に必要な加工を行って軸体に組付けた後に、実際に軸体と一体に回転させてアンバランス測定を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこれでは、メーカにおける鋳造段階で生じたアンバランスなのか、ユーザでの加工等により生じたアンバランスなのか区別が困難で、アンバランス解消のための対策を立て難いという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、メーカにおける鋳造後等の素材段階で回転体のアンバランス測定を可能とすることにより、ユーザに対してアンバランスの充分小さい素材製品を提供することができる回転体素材のアンバランス測定装置と測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のアンバランス測定装置（１）では、回転テーブル（２）を支持して回転させられるスピンドル（１１）と、回転するスピンドル（１１）の軸直方向の振動量を検出する振動検出手段（１８）と、スピンドル（１１）の回転を検出する回転検出手段（１７）と、回転テーブル（２）上に設けられて、回転体素材（４）を、その回転軸がスピンドル（１１）の回転軸（Ａｘ）に一致するように保持する保持治具（３）とを具備し、上記保持治具（３）を、上記回転軸（Ａｘ）に軸心を一致させて設けたシリンダ部材（５１）と、シリンダ部材（５１）内に上下方向へ移動自在に配設され、付勢部材（５２）によってシリンダ部材（５１）外へ付勢させられるとともに、上端面を凹球面状の受け面（５３ａ）としたピストン部材（５３）と、回転テーブル（２）上に設けられて回転軸（Ａｘ）に向けて径方向の内外方へ同期して同量移動させられ、シリンダ部材（５１）の外周面に当接する、回転軸（Ａｘ）周りに間隔を置いて配置された複数のブロック状チャック（３２）と、回転体素材（４）の凸部（４２）を受け面（５３ａ）に押しつけて位置決めする押え部材（３４）とで構成する。
【０００６】
本発明においては、回転するスピンドルの各回転角における軸直方向の振動量を検出することにより、回転体素材のアンバランスを測定することができる。これにより、ユーザにおける加工前の、素材段階での回転体のアンバランスを正確に測定することができるから、メーカにおいてアンバランス解消対策を容易に講じることが可能となる。この際、押え部材で回転体素材を受け面に押しつけると、付勢部材の付勢力によって受け面が適度な荷重で回転体素材の凸部に当接し、受け面の凹球面中心方向へ凸部が適当に滑り移動して回転体素材の回転軸がスピンドルの回転軸に一致させられるとともに、この状態で回転体素材が位置決めされる。
【００１２】
なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１にはアンバランス測定装置の構成を模式的に示す。測定装置１内には垂直姿勢で回転自在に支持されたスピンドル１１が設けてあり、当該スピンドル１１は、これに設けたプーリ１２に懸架したベルト１３によってモータ１４に連結されて、一定速度で回転させられる（図１の矢印）。なお、スピンドル１１は軸直方向へ一定範囲で移動可能である。スピンドル１１にはギヤ１５，１６を介してエンコーダ１７が連結されて、スピンドル１１の一回転毎に基準信号Ｓａが出力される。また、スピンドル１１の軸直方向の振動量を検出する公知の振動検出器１８が付設されて、振動量に応じた振動信号１８ａが出力される。これら基準信号Ｓａと振動信号１８ａは詳細を後述する演算器１９に入力している。スピンドル１１には回転テーブル２が軸心を一致させて支持固定されており、回転テーブル２は測定装置１の頂板１０上に露出している。この回転テーブル２上に回転体素材を保持するための詳細を後述する保持治具３が配設してある。なお、回転テーブル２を含む本測定装置の主要部は（株）長浜製作所製の立形バランシングマシンを利用して実現することができる。
【００１４】
保持治具３の斜視図を図２に示し、その側面図を図３に示す。保持治具３は軸心を一致させて回転テーブル２に固定された円柱形の基体３１を備えている。当該基体３１の上面にはスピンドル１１の回転軸Ａｘ周りに等間隔で三ヶ所に、径方向へ延びるスライド溝３１１が形成されて、これらスライド溝３１１内に、下面に歯形（図示略）が形成された直方体ブロック状のチャック３２が摺動可能に配設されている。各チャック３２の上面には図３に示すように、回転体素材としての、鋳造されたままで未加工のタービンホイール素材（以下、ホイール素材という）４の翼体４１下面が載置されて、その回転軸が垂直になった水平姿勢で支持されている。なお、各チャック３２の内端にはチャック本体の断面形状よりも小径の押し突起３２１が突出形成されている（図３）。
【００１５】
３つのチャック３２はそれぞれ下面の歯形が基体３１内に設置された図略のウェッジブロックの歯形に噛合し、各ウェッジブロックがスラストリング（図示略）によって同時に周方向へ移動させられると、各チャック３２は同位置から同期して同量だけ径方向の内外方へスライド溝３１１内を移動させられる。そこで、回転体素材４を上面で支持しつつ３つのチャック３２を径方向の内方へ移動させると、図３に示すように各チャック３２の押し突起３２１の先端が、ホイール素材４の下面中心に形成された軸体接合用の円筒状ボス部４２の外周面に当接して、ホイール素材４を基体３１の中心に向けて移動させ、ホイール素材４の回転軸がスピンドル１１の回転軸Ａｘに一致した状態でホイール素材４を保持する。なお、この時の保持力、すなわち押し突起３２１の締め付けトルクは、ボス部４２の変形を生じない限度で最適の大きさとする必要があり、例えば１０Ｎ・ｍとする。
【００１６】
上記基体３１上にはこれを径方向へ横断するように、両端の縦梁３３１とこれら縦梁３３１の上端間に架設された横梁３３２よりなる門形の架台３３が設けてあり、横梁３３２の中央に、外周にネジ部を形成した押え棒３４が上下方向へ貫通して設けられている。押え棒３４の位置はスピンドル１１の回転軸Ａｘに一致しており、押え棒３４を下降させてその先端をホイール素材４の上面中心に当接させてホイール素材４をチャック３２の上面との間で位置決めする。なお、このような保持治具３の主要部はドイツ国フォルカート（ＦＯＲＫＡＲＤＴ）社製のチャック具を利用して実現することができる。
【００１７】
このような構造のアンバランス測定装置１において、ホイール素材４を保持治具３で位置決めした状態で回転テーブル２を定速で回転させ、振動検出器１８でスピンドル１１の軸直方向の振動量を検出する。その一例を図４に示す。ホイール素材４にアンバランスがあると、エンコーダ１７の基準信号Ｓａが入力する回転位置を位相角０°として（図４（２））、位相角θ1，θ2でそれぞれ振動量が正負のピーク値Ｍ1，Ｍ2を示すようになる（図４（１））。これを図５（１）にグラフで示す。図５（１）でピーク値Ｍ1，Ｍ2を示す点Ｐ1,Ｐ2間の位相角はそれぞれθ1，θ2であり、その差（θ2−θ1）が１８０°にならないのは、ホイール素材４のアンバランスに、スピンドル１１等の回転機構部のアンバランスが加わっているからである。そこで演算器１９（図１）では、点Ｐ1,Ｐ2を結ぶ線の中間点Ｐｍの座標を算出して、これが原点に来る（図５（２））ように補償演算をする。これにより新たな点Ｐ1´,Ｐ2´（図５（３））間の位相差は１８０°となり、この時の原点から点Ｐ1´（ないし点Ｐ2´）までの距離Ｕｍがアンバランスの大きさ（ｇ・ｃｍ）を示し、位相角θが、０°位置からのアンバランスの方向を示す。
【００１８】
このようにして、ユーザにおける加工前の、鋳造後の素材段階でタービンホイールのアンバランスを正確に測定することができるから、メーカにおける鋳造段階で、アンバランス解消対策を容易に立てることが可能となる。なお、本実施形態において、各チャック３２の押し突起３２１をホイール素材４のボス部４２外周に圧接させるのに代えて、押し突起３２１が実質的にボス部４２外周に当接することなくこれに近接することにより当該ボス部４２を位置決めするようにしても良い。これによれば、ボス部４２の変形のおそれを避けることができる。
【００１９】
（第２実施形態）
図６には保持治具３の他の例を示す。本実施形態では、第１実施形態で説明した基体３１上の３つのチャック３２でホイール素材４を直接保持するのに代えて、上記チャック３２で芯出し具５を保持する。すなわち、芯出し具５は上方へ開放する円筒状のシリンダ部材５１を備えており、当該シリンダ部材５１内には下部にゴムクッション体５２が配設してある。ゴムクッション５２上には、シリンダ部材５１の内面に接して上下方向へ摺動可能にピストン部材５３が位置しており、ピストン部材５３の上端はシリンダ部材５１の開口から上方へ突出している。ピストン部材５３の上端部は拡径し、その上面は周縁部を除いて凹球面状の受け面５３ａとなっている。なお、各チャック３２の上面には所定高さのスペーサ板３４が接合されている。他の構造は第１実施形態と同様である。
【００２０】
ピストン部材５３の上記受け面５３ａ上にホイール素材４下面から突出する凸部としてのボス部４２を載せ、この状態で、第１実施形態で説明した押え棒３４の先端でホイール素材４の上面を押さえると、背後のゴムクッション５２の弾性によって上記受け面５３ａが適度な荷重でボス部４２に当接し、この状態でピストン部材５３が押し下げられる。この過程で、受け面５３ａの凹球面中心方向へボス部４２が適当に滑り移動してホイール素材４の回転軸がスピンドルの回転軸Ａｘに一致させられるとともに、ホイール素材４の翼体４１下面がスペーサ板３４の上面に当接してホイール素材４が水平姿勢で位置決めされる。このような保持治具によれば、ボス部４２にチャック３４を圧接させる必要がないからボス部４２の変形を生じるおそれがない。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の回転体素材のアンバランス測定装置および測定方法によれば、メーカにおける鋳造後等の素材段階で回転体のアンバランス測定が可能となり、この結果、ユーザに対してアンバランスの充分小さい素材製品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における、アンバランス測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】保持治具の斜視図である。
【図３】保持治具の側面図である。
【図４】回転テーブルの回転に伴うスピンドルの振動量変化を示す図である。
【図５】スピンドルの振動のピーク値とその位相角を説明する図である。
【図６】本発明の第２実施形態における、保持治具の断面図である。
【符号の説明】
１…アンバランス測定装置、１１…スピンドル、１７…エンコーダ、１８…振動検出器、２…回転テーブル、３…保持治具、３２…チャック、３４…押え棒、４…タービンホイール素材、４２…ボス部、５１…シリンダ部材、５２…ゴムクッション、５３…ピストン部材、５３ａ…受け面、Ａｘ…回転軸。

Claims (1)

1. 回転テーブルを支持して回転させられるスピンドルと、回転する前記スピンドルの軸直方向の振動量を検出する振動検出手段と、前記スピンドルの回転を検出する回転検出手段と、前記回転テーブル上に設けられて、回転体素材を、その回転軸が前記スピンドルの回転軸に一致するように保持する保持治具とを具備し、前記保持治具を、前記回転軸に軸心を一致させて設けたシリンダ部材と、前記シリンダ部材内に上下方向へ移動自在に配設され、付勢部材によって前記シリンダ部材外へ付勢させられるとともに、上端面を凹球面状の受け面としたピストン部材と、前記回転テーブル上に設けられて前記回転軸に向けて径方向の内外方へ同期して同量移動させられ、前記シリンダ部材の外周面に当接する、前記回転軸周りに間隔を置いて配置された複数のブロック状チャックと、前記回転体素材の凸部を前記受け面に押しつけて位置決めする押え部材とで構成した回転体素材のアンバランス測定装置。

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