JP4317906B1

JP4317906B1 - 可変ベーンの製造方法

Info

Publication number: JP4317906B1
Application number: JP2008262547A
Authority: JP
Inventors: 喜光寒川; 勝則中川
Original assignee: 株式会社テクネス
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2028-10-09
Also published as: JP2011157816A; WO2010041735A1; EP2343441B1; CN102177324B; EP2343441A4; CN102177324A; HUE028680T2; EP2343441A1

Abstract

【課題】切削加工無しで、軸部と翼部の寸法を所望する寸法精度に納めることができる可変ベーンの製造方法を提供する。
【解決手段】最終製品の目標寸法に対して、翼部２の高さが＋０．３％〜＋０．９％、翼部２の厚みが−０．６％〜−０．０％、軸部３の直径が＋０．３％〜＋０．９％、翼部２の下端から軸部３の下端までの長さが−０．６％〜−０．０％の範囲にあり、且つ焼結密度が相対密度９５％以上の焼結品を準備し、この焼結品をプレス第一工程において、翼部２の高さ方向・厚み方向を同時に所望する製品の寸法とし、プレス第二工程において、翼部２と軸部３の同軸度を所望する製品の寸法とし、プレス第三工程において、軸部３の真円度を所望する製品の寸法とする。
【選択図】図４

Description

本発明は自動車エンジン等に用いられるターボチャージャに組み込まれる可変ベーンを製造する方法に関する。より詳しくは、金属粉末射出成形（ＭＩＭ法）により得られた焼結品を、翼部の高さと厚みを修正する金型、翼部形状を修正する金型、及び軸部を修正する金型によりプレスし、切削加工無しで翼部、軸部共に所定の寸法とできる可変ベーンの製造方法に関する。

自動車エンジン等に用いられるターボチャージャは、低速回転時においてもエンジンが効率よく出力を得ることが出来るように排気ガスの流速を増幅させ、この排気エネルギーを利用して排気側のタービンが回転することで、排気側タービンに直結された吸気側のタービンを回転させ、強制的に空気をエンジン内に取り込むように設計されており、排気ガスの流量と流速を調節する部品として、複数の可変ベーンを備えている。
この可変ベーンは回転の中心軸と排気ガスの流量と流速を調整する翼部からなり、翼部は先端に行くほど薄肉になっている。

従来からこの可変ベーンに関しては切削加工から製造される方法が採られてきたが、加工時間が非常にかかり、加工機１台あたり日産１００〜５００個程度と非常に効率の悪いものであった。

そのため、いくつかの製法が提示されている。特許文献１では材料となる鋼材を冷間鍛造工程及び研磨工程により製品を製造する。特許文献２ではロストワックス若しくはＭＩＭ法により製造された素材を用いて軸は転造方法、高さ方向はプレスにより製造する事により製品の製造を行っている。特許文献３ではＭＩＭ法の焼結品を用いて軸部を研磨加工する事により製品を製造している。

特許文献１では鍛造工程と研磨加工工程を必要とするため、素材はステンレス合金の板材を用意すれば良いが、後加工にかかる時間と素材の有効活用の面では量産時の生産速度向上とコストダウンに限界がある。また、複雑薄肉形状になった場合には鍛造では所望する製品形状を作成することが困難である。

特許文献２ではロストワックス若しくはＭＩＭ法により作られた素材をプレスと転造工程により製造するものの、素材の加工方法が言及されておらず、軸方向転造工程で生じる後加工は避けられない。また、高さ方向を上部からの一軸プレスにより精度を向上させるが、特に従来のＭＩＭ法では、脱脂、焼結時に、製品寸法に対して±０．５％以上の寸法ばらつき・変形が発生するため、高さ方向をプレスにより寸法精度向上させても、ベーン部の変形を修正することは困難であり、結果として、多くの箇所を切削、研磨加工せざるを得ない。
具体的には翼部の高さが１０ｍｍであった場合には、従来のＭＩＭ製法により得られた製品の寸法ばらつきは±０．０５ｍｍ発生する。しかしながら、翼部の幅方向にも±０．０５ｍｍ程度の変形を生じるため、プレスで高さ方向の寸法を所望する寸法にできても、翼部の幅方向（厚み方向）ではプレスされた際に圧縮によりふくらみを生じるため、高さ方向だけでなく幅方向にも寸法精度に優れた焼結品でないと、計算通りの高さ、幅を有する翼部の形状を得ることが出来ない。また、翼部及び軸の同軸度においても、従来のＭＩＭ焼結品での同軸度のばらつきは±０．０５ｍｍ程度発生するため、機械加工法及びプレスにより軸の寸法精度を寸法内に納めたとしても、同軸度を０．０１ｍｍ以内に納めるためには翼部の機械加工は避けられない。

特許文献３も同様にＭＩＭ法による加工法については言及されておらず、最終的には軸部の研磨ベーン部との直角度の精度向上のためには研磨加工が避けられない。併せて翼部にねじれそりが発生した場合には精度の高い製品をプレス法においてのみ得ることは困難である。
特許第３８３３００２号公報特許第３９４４８１９号公報特開２００８−８８８４９号公報

したがって本発明は、前記問題を解決するため、切削加工を行わず、プレス加工法のみによって、寸法精度の高い可変ベーンを製造することができる方法を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、最終製品と近似した形状を有する焼結品であって、所望する最終製品と一定の関係を有する焼結品を準備し、この焼結品をプレス第一工程において、翼部の高さ方向・厚み方向（幅方向）を同時に所望する製品の寸法とし、プレス第二工程において、翼部と軸部の同軸度を所望する製品の寸法とし、プレス第三工程において、軸の真円度を所望する製品の寸法とすることにより、切削加工無しで、軸部と翼部の寸法を所望する寸法精度（目標寸法±０．０１ｍｍ〜０．０５ｍｍ以下）に納めることに成功し、前記課題を解決した。

すなわち本発明は、平板状の翼部と、前記翼部の下方に位置する円柱状の軸部を備えた可変ベーンを製造する方法であって、
所望する最終製品と近似した形状を有する焼結品をプレスする工程を含み、
前記焼結品が、翼部と軸部の一体形成品であって、最終製品の目標寸法に対して、翼部の高さが＋０．３％〜＋０．９％、翼部の厚みが−０．６％〜−０．０％、軸部の直径が＋０．３％〜＋０．９％、翼部の下端から軸部の下端までの長さが−０．６％〜−０．０％の範囲にあり、且つ焼結密度が相対密度９５％以上であること、及び
前記プレス工程が、三段階の工程を含み、
プレス第一工程において、軸部挿通孔を有する下型と、翼部の下端面以外の形状を有する上型により、前記焼結品をプレスして、翼部の高さと厚みを整えること、
プレス第二工程において、前記翼部の厚みを２分割する面にて前記可変ベーンを分割した形状をそれぞれ有する上型と下型により、前記焼結品の翼部と軸部を同時にプレスして、翼部に対する軸部の角度並びに軸部の同軸度を整えること、
プレス第三工程において、前記可変ベーンの軸部に対応する半円柱体の形状をそれぞれ有する上型と下型により、前記焼結品の軸部を、前記プレス第二工程と９０度異なる方向からプレスして、前記軸部の真円度を整えること
を特徴とする。

プレス第一工程で用いる金型は、翼部より下方の軸部を挿通することにより、焼結品を保持する下型と、翼部の下端面以外の形状を有する上型（すなわち、翼部の高さ方向と厚み方向の形状を同時に規定することができる）とからなる。なお、前記上型は、翼部の上側にも軸部が存在する可変ベーンを製造する場合は、翼部の形状に加えて、翼部より上側の軸部の形状も含む金型とする。上型を下型に向けてプレスすることにより、翼部は下側に圧縮されながら、翼部上面が圧縮されて側面部が膨らんで変形するとともに、側面部が金型形状に倣うことで、所望する翼部の高さと側面及び翼の形状並びに翼に対する軸の直角度を達成する。
プレス第二工程で用いる金型は、前記翼部の厚みを２分割する面にて可変ベーン（翼部および軸部）を分割した形状をそれぞれ有する上型と下型とからなり、製品を横方向に下型で固定し、上型を下側に圧縮し翼部と軸部を同時にプレスすることにより、翼部に対する軸部の垂直度並びに翼部に対する軸部の同軸度を得る。
さらにプレス第三工程で用いる金型は、可変ベーンの軸部に対応する半円柱体の形状をそれぞれ有する上型と下型からなり、前記焼結品の翼部より下方に位置する軸部をプレス第二工程から９０度回転させた状態で、上下プレスを行う事により軸部の真円度を得る。

上記プレス加工を行うに際し、プレスされる焼結品として、所望する最終製品の寸法に対して翼部と軸部の各寸法が上記寸法範囲内にある焼結品を用いることにより、切削加工無しで、軸部と翼部の各寸法を所望する寸法精度（目標寸法±０．０１〜０．０５ｍｍ以下）に納めることができる。また、相対密度９５％以上の焼結品を用いることにより、プレス後の寸法精度を所望する寸法精度に納めることができ、且つ、高温使用に耐える機械的強度を有する可変ベーンを製造することができる。

前記焼結品は、相対密度９８％以上の焼結品であることがより好ましい。また、３６０度方向からプレス曲げ加工が出来るマルチフォーミングマシンを用いれば、前記プレス第一工程からプレス第三工程までを連続して行うことができ、プレス工程を省力化することができる。

前記プレス工程に使用する焼結品を製造するためには、
金属粉末（ａ）に有機バインダ（ｂ）を添加し加熱混合した後、粉砕若しくはペレット化して射出成形材料を得、当該成形材料を射出成形して成形体を作製し、得られた成形体を加熱脱脂する工程を有する方法において、
前記金属粉末（ａ）として平均粒径１〜２０μｍ、タップ密度が３．５ｇ／ｍ^３以上の金属粉末を用いること、
前記有機バインダ（ｂ）としてポリアセタール（ｂ１）を５〜４０Ｖｏｌ％、及びポリプロピレン（ｂ２）を５〜４０Ｖｏｌ％含有する有機バインダを用いること、
前記金属粉末（ａ）に前記有機バインダ（ｂ）を添加する工程において、（ａ＋ｂ）に対し、（ｂ）が３０〜６０Ｖｏｌ％となるように添加すること、
により、上記可変ベーンの製造に適した焼結品を得ることができる。

また、前記焼結品の製造工程において、
脱脂工程が減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気及び大気圧水素雰囲気のいずれかで最高温度８００℃以下で行われること、及び
焼結工程が減圧不活性ガス雰囲気、加圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気及び大気圧水素雰囲気のいずれかで１０００℃以上１５００℃以下で行われる事が好ましい。

さらに、前記焼結品の製造工程において、相対密度９４％以上の第一次焼結品を作製した後、熱間等方圧加圧法により相対密度を９８％以上とすることが好ましい。

本発明によれば、機械加工を行なわず、焼結品をプレス加工することのみにより、寸法精度の高い可変ベーンを製造することが出来る。
また、焼結品の製造において、上記金属粉末の粒径、タップ密度、バインダ量、バインダ成分を採用することにより、従来よりも寸法精度の高い可変ベーン製造用の焼結品を、ＭＩＭ法により製造することができる。

ターボチャージャに使用される可変ベーンは図１に示すとおり、排気ガスの流量を調節する翼部（ノズルベーン部）と、翼部を回転可能に軸支する軸部（ベーンシャフト部）とを有し、軸部は翼部の中央付近の回転中心位置から少なくとも一方側（下側）に連接されている。軸部は円柱形であり、翼部は平板状であって、且つ先端に行くほど細くなるくさび形の形状をしている。また、翼部は排気ガスの流量を容易に調整するために細く非対称に湾曲している場合が多く、組み込みの安定性と動作時の安定性を向上することができる。
また、軸部において、翼部に連接されている反対側の端面は、成型面のままの平面形状をし、かつ当該端面と軸部の周壁面との境が曲面とされていることが好ましい。このようにすることにより、機構的に不必要な機械加工される部分がなく、且つ強度が向上する。また、軸部の端部が曲面とされているので、組み込みの安定性と回動の安定性を向上させることができる。

製品形状には翼の上面がフラット（図１Ａ参照）のものと、上面にも回転軸を有するもの（図１Ｂ参照）の２種類に分けられる。製品の製造方法を図２（製造フローチャート）に示す。

可変ベーンの製造においては、所望の最終製品と近似した形状を有する焼結品をまず製造する必要があり、これは、原料となる金属を粉体としたものを使用し、これに必要量の有機バインダを添加して得られる成形材料を用いて、あらかじめ製品の焼結後の収縮率を考慮した金型で成型し成形体を作成する。

可変ベーンで用いられる金属は耐食性があり耐熱鋼の金属材料からなる。焼結品を製造するための好ましい金属材料として、Ｎｉ，Ｃｒの含有量がそれぞれＮｉ:１９．０〜２２．０ｗｔ％，Ｃｒ:２３．０〜２７．０ｗｔ％であるＳＵＳ３１０，ＳＣＨ２１(ＨＫ３０)が主に用いられる。その他、Ｎｉ基合金であるインコネル等が用いられる。
このような金属材料からなる金属粉末として、通常水アトマイズ若しくはガスアトマイズ法より製造された合金粉末を用いるが、これらアトマイズ法により作られた合金粉末以外に、焼結時に合金成分となるように調整し元素粉末を組成にあわせて添加して用いても良い。一般的には水アトマイズ粉末の方がガスアトマイズ粉末よりも大量に生産できるため、製造コストも安価になるが、粉末形状が異形状になりやすいために、タップ密度が低くなりやすく、また粉末中の酸素量も高くなる。これに対してガスアトマイズ粉末の製造コストは高くなるものの、球形の粉末を得ることが容易でタップ密度が高くなる特徴がある。このため、コストとタップ密度を勘案して、水アトマイズ粉末とガスアトマイズ粉末を混合して用いても良い。

本発明にかかる金属粉末（ａ）の平均粒径は１〜２０μｍが好ましい。平均粒径が１μｍを下回る場合には、粉末の表面積が増えることでバインダ添加量が増加し、脱脂時の変形が大きくなる。また、バインダ量が多くなると、焼結時の収縮率も大きくなり、焼結後の寸法ばらつきも大きくなり、後工程のプレス工程で寸法精度の高い製品を得ることは困難である。粉末粒径が２０μｍを越える場合には、焼結密度（相対密度）９５％以上を安定して得ることが困難になり、強度が著しく低下し、製品として使用することができない。より好ましい平均粒径は、５〜１２μｍであり、さらに望ましくは８〜１０μｍである。本発明において、平均粒径とは、レーザー回折・散乱法を使用した粒度分布測定装置を用いて、測定した重量累積５０％の平均径を意味する。このような粒度分布測定装置としては、島津製作所製ＳＡＬＤ−２０００型を用いることができる。

また、本発明にかかる金属粉末（ａ）は、タップ密度が３．５ｇ／ｍ^３以上であることが好ましい。粉末のタップ密度が３．５ｇ／ｍ^３未満の場合には粉末の表面積が増えることで、添加するバインダ量を増やす必要があり、脱脂、焼結時での寸法ばらつきの原因になる。より好ましいタップ密度は４．０ｇ／ｍ^３以上であり、さらに好ましくは４．２ｇ／ｍ^３以上である。上限は特に限定されないが、タップ密度５．０ｇ／ｍ^３以下で十分な効果を得ることができる。
タップ密度は、日本粉末冶金工業会発行の「金属粉のタップ密度試験法」ＪＰＭＡＰ０８に記載の測定方法により測定することができる。

また、有機バインダ（ｂ）として、ポリアセタール（ｂ１）を５〜４０Ｖｏｌ％、及びポリプロピレン（ｂ２）を５〜４０Ｖｏｌ％含有する有機バインダを用いる。有機バインダにおいて、ポリアセタール及びポリプロピレンを用いることで、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル、アクリル樹脂を用いた従来のバインダと比較して脱脂時の変形量が抑えられる。
ポリアセタールは成形体の強度を高め、焼結における６００℃以下での成形体の変形を防止し、且つ焼結後において炭化物が残留しない物質として不可欠である。ポリプロピレンは成形体にじん性を付与し、焼結の割れ及び添加した低融点化合物の分離を阻止する。そして、ポリプロピレンもまた、焼結後において炭化物が残留しないという特質をもっている。
ポリアセタール、ポリプロピレンの添加量が各々有機バインダの全量（ｂ）に対して５Ｖｏｌ％未満の場合には脱脂時の変形が大きくなり、規定する焼結後の寸法精度を得ることができない。またポリアセタール、ポリプロピレンの添加量が各々有機バインダの全量（ｂ）に対して４０Ｖｏｌ％を超えると、成形時の粘度が高くなり金型内に成形材料を完全に充填することができない。
より好ましいポリアセタールの含有量は１０〜３０Ｖｏｌ％であり、より好ましいポリプロピレンの含有量は１０〜３０Ｖｏｌ％である。

ポリアセタール及びポリプロピレン以外の材料としては下記の有機材料を用いる事ができる。
流動性を付与し、脱脂性を向上するために脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、フタル酸エステル、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、カルナバワックス、モンタン系ワックス、ウレタン化ワックス、無水マレイン酸変性ワックス及びポリグリコール系化合物等が用いられる。特に好ましい材料としてパラフィンワックス、脂肪酸エステル、ポリプロピレンワックスが挙げられる。

また、成形時の流動性並びに成形体に柔軟性を付与するためにポリエチレン、アモルファスポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル共重合体、アクリル樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、グリシジルメタクリレート樹脂等を用いることができる。特に好ましい材料として、ポリエチレン、アモルファスポリオレフィンが挙げられる。

上記流動性、脱脂性を向上させるために、併せて上記流動性並びに柔軟性を付与するために、前記金属粉末（ａ）と前記有機バインダ（ｂ）の全量（ａ＋ｂ）に対し、前記有機バインダ（ｂ）を３０〜６０体積％（Ｖｏｌ％）とすることが好ましく、３５〜５０体積％とすることがより好ましい。
上記割合とした有機バインダと金属粉末を１６０〜１８０℃程度で２時間程度加熱混練し、金属粉末を有機バインダと完全に分散混合させる。この後、取り出して押し出し機若しくは粉砕機で直径５ｍｍ程度のペレット状にしてこれを用いて成形材料にする。

焼結品は、プレスによる寸法変化を考慮して、翼部については、高さ方向に最終製品として所望する寸法の＋０．３％〜＋０．９％、厚み方向に最終製品として所望する寸法の−０．６％〜−０．０％の範囲となるように、および、軸部については、直径が最終製品として所望する寸法の＋０．３％〜＋０．９％、翼部より下方の軸部の長さが最終製品として所望する寸法の−０．６％〜−０．０％の範囲となるように作成される必要がある。
そして、成形においては、焼結後の寸法を考慮して金型形状を決定する必要がある。これらの寸法は焼結後若しくは熱間等方圧加圧法後に得られる寸法であって、焼結密度により寸法が異なるため、金型設計は以後の寸法変化を十分に考慮する必要がある。このため、金型の寸法は上記寸法精度を考慮して設計する必要があり、さらに、成形から焼結への収縮率をあらかじめ計算しておく必要がある。

従来の有機バインダ系では脱脂工程中で変形を生じ、上記焼結品の寸法範囲で製品を得ることは非常に困難であるが、上述した金属粉末の粒径、タップ密度、バインダ量、バインダ成分とすることにより、従来よりも寸法精度の高い焼結品をＭＩＭ法により製造することができる。

なお、可変ベーンの翼部の厚みは、図１に示すように、翼部の後端側（図１では左側）から先端側（図１では右側）にかけて次第に小さくなっているため、翼部の厚みは測定箇所によって異なる。本発明において、最終製品の目標寸法に対して翼部の厚みが−０．６％〜−０．０％の範囲にあるとは、最終製品と焼結品（最終製品と近似した形状を有する）とを対応する箇所で測定した場合に、その差が上記範囲にあることを意味する。
翼部の高さ、軸部の直径、翼部の下端から軸部の下端までの長さについても、それらが測定箇所によって変化する場合は、翼部の厚みと同様、最終製品と焼結品とをそれぞれ対応する箇所で測定した場合に、その差が上記範囲内にあることを意味する。

金型は、射出成形機に取り付けて成形を行うが、得られる成形体の取り数は製品の大きさ、量産数量を勘案して、一つの金型で１個取りから８個取りまで行うことができる。金型の取り数、製品の大きさに合わせて、射出成形機の容量を適宜調節する。一般的には型締め力２０トン〜１００トン程度の成形機を用いて成形を行う。成形体に気泡、クラック等の不良が発生しないように射出速度、圧力を調整するとともに、金型には金型内の空気並びに成形材料から発生するガスを効果的に逃がすためのガス逃げを設ける必要がある。これら有効なガス逃げが無い場合には、成形体中に空気若しくは成形材料から発生するガスが取り込まれて、成形体に気泡が生じる。

得られた成形体を脱脂炉に入れ、添加した有機バインダを除去する。有機バインダを除去する脱脂炉は減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気及び大気圧水素ガス雰囲気のいずれかを用いて行うが、脱脂機能を具備した焼結装置の場合には脱脂焼結を一貫して行うことができる。また、脱脂炉にはバッチ式の脱脂炉若しくは連続式（ベルト式、プッシャー式、ウォーキングビーム式）脱脂炉を用いることができる。特に脱脂の際には変形量が大きくなることを勘案して、変形を最小限に食い止めるように成形体の形状に沿った形状の治具を用いて脱脂を行うことが効果的である。

脱脂雰囲気は減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気及び大気圧水素雰囲気のいずれかで最高温度８００℃以下で行われる。
脱脂雰囲気が空気中の場合には３００℃以上で粉末が酸化し、焼結後の酸素量が高くなることで、焼結品強度に大きな影響を及ぼす。このことから、脱脂雰囲気は減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気及び大気圧水素雰囲気が用いられる。不活性ガスには窒素若しくはアルゴンが使用されるが、コストを考慮して窒素ガスの使用が望ましい。また、脱脂時の昇温速度は脱脂時の変形を考慮して室温から４００℃以下においては５０℃／ｈｒが望ましい。また、脱脂時には成形体の変形を考慮した治具を用いることで、成形体の脱脂時の変形を抑える事ができる。
脱脂の温度は８００℃以下であるが、３００℃程度では有機バインダが３０％程度残留しやすく、６００℃以上では有機バインダが完全に除去されやすいため、焼結工程に移動させる際に成形体が崩れる恐れがあり、より好ましい脱脂温度は最高４００℃〜５００℃である。また、これらの成形体の崩れを防止する方法として、脱脂機能を具備した焼結炉を用いると効果的であり、脱脂終了後も温度を下げることなく焼結に移行することができる。また、連続式（ベルト式、プッシャー式、ウォーキングビーム式）脱脂炉と同じく連続式（ベルト式、プッシャー式、ウォーキングビーム式）焼結炉を連結させることで、脱脂から焼結を中断させることなく連続で処理を行うことができる。

焼結工程では焼結雰囲気に減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気、加圧不活性ガス雰囲気及び大気圧水素雰囲気のいずれかが用いられる。不活性ガスには焼結時の材料にステンレス材料が多く用いられることから、材料の窒化を考慮してアルゴンガスを用いることが好ましい。また焼結温度は１０００℃以上１５００℃以下で行われるが１０００℃未満では焼結が不十分であり、１５００℃を超えると焼結時に溶融する。焼結密度が９５％以上になるためには１２００〜１４００℃が望ましく、さらには１２５０℃〜１３８０℃が望ましい。また、焼結時の焼結密度の向上と焼結時の寸法ばらつきを考慮して最高温度で２〜４時間程度保持する事が望ましい。脱脂工程と同じく、焼結工程においても高温時に変形を生じるため、焼結品の変形を防止するための治具を用いると効果的である。

脱脂、焼結においては生産量を考慮して、多品種少量の場合にはバッチ式の脱脂炉、焼結炉を用い、数量が増加した場合には脱脂、焼結をプッシャー式連続炉、ウォーキングビーム式連続炉、ベルト式連続炉を用いて連続で処理する工程を用いる事で生産量を飛躍的に向上することができる。

焼結品の密度を相対密度で９５％以上にすることで、高温時での機械的強度、並びに硬度を保持することができる。相対密度が９５％に満たない場合には高温時での機械的強度特に伸び及び硬度が低下し、高温時の連続使用が困難である。
焼結品の相対密度は、アルキメデス法によって測定することができる。

得られた焼結品は、さらに焼結密度を高めて機械的強度を向上させ、高温域での機械的強度の信頼性を向上させるために、さらに熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ法）で処理されることが効果的であり、焼結温度よりも１０℃〜１００℃程度低温で１０ＭＰａ〜１８０ＭＰａ程度の高圧で処理を行うことで、内部にピンホールの無い、相対密度９８％以上の焼結品を安定して得ることができる。また、焼結工程時に最高６ＭＰａ程度の加圧処理を行える焼結ＨＩＰ装置を用いることで、後工程にＨＩＰ法を用いずに相対密度９８％以上の焼結品を得ることが可能である。

焼結後若しくはＨＩＰ工程後の焼結品を図４及び図５に示すプレス工程で所望する最終製品寸法にする。
プレス第一工程で翼部の高さ方向、幅（厚み）方向を同時に所望する製品の寸法にし、プレス第二工程で翼部と軸部の同軸度を所望する製品の寸法にし、プレス第三工程で軸の真円度を所望する製品の寸法にすることにより、切削加工無しで、軸部と翼部の寸法を所望する形状に加工することができる。
以下、各プレス工程をより詳細に説明する。

プレス第一工程（翼部の寸法調整）
プレス第一工程では、金型は、焼結品を保持する下型と、翼部の高さ方向と幅方向を同時に規定する上型からなり、上型を下型に向けてプレスすることにより、翼部は下側に圧縮されながら、翼部上面が圧縮されて側面部が膨らんで変形するとともに、側面部が金型形状に倣うことで、所望する翼部の高さと側面及び翼の形状並びに翼に対する軸の直角度が達成される。

プレス第二工程（翼部と軸部の同軸度調整）
プレス第二工程では、金型は、可変ベーンの翼部と軸部を２分割（翼部の厚みを２分割する面にて分割）した形状をそれぞれ有する上型と下型からなり、焼結品を横方向に下型で固定し、上型を下側に向けてプレスすることにより、翼部と軸部を同時に圧縮して、翼部に対する軸の垂直度並びに翼部に対する軸の同軸度を得る。

プレス第三工程（軸部の真円度調整）
プレス第三工程では、金型は、翼部より下方の軸部を軸方向に２分割した形状（半円柱形状）をそれぞれ有する上型と下型からなり、プレス第二工程から焼結品の軸部を９０度回転させて上下プレスを行う事により軸部の真円度を得る。

上述した焼結品を、これら三段階のプレス工程で後加工することにより、切削加工を行わずに所望する可変ベーンを得ることができる。プレスに用いる金型材質は寿命を考慮してダイス鋼、ハイス鋼、超硬を用いる。プレス工程は省力化を図るためにパーツフィーダーと順送り装置を用いることで、時間当たりの処理能力を従来の機械加工と比較して大幅に向上させることができ、時間当たりの処理能力を３００〜６００個程度まで高めることができる。

プレス工程をさらに省力化させるために、プレス工程に３６０度方向からプレス曲げ加工ができるマルチフォーミング機を用いることにより、工程の省力化が可能となり、切削加工では軸加工並びに翼部の加工に一台で時間当たり１０〜５０個程度の処理能力を、時間当たり５００〜１０００個程度まで飛躍的に向上させることができる。

さらに、必要に応じてプレス後の製品をバレル研磨、電解研磨により表面粗度を向上させるとともに、バリ除去を行うことができる。

本発明によれば、ＭＩＭ工程により得られた、寸法精度をあらかじめ制御した焼結品を素材に用いることにより、後加工では機械加工による切削工程、研磨工程を行わず、寸法精度に優れた所望する形状の可変ベーンを製造することが出来る。本発明では、特にＭＩＭ法の採用により、従来のロストワックス、板材の打ち抜き加工と比較しても、材料の製造ロスを５％以下に抑えることができるため、コストの削減効果が高く、プレスによる自動化処理により、製造効率は従来の機械加工による製法と比較して５〜１０倍以上になる。また、ＭＩＭ法の採用により、従来では容易に得ることが困難であったより薄肉複雑形状の可変ベーンの量産が可能になる。

本発明にかかる焼結品を製造した。成型材料および加熱混練条件、射出成形条件、脱脂条件、焼結条件等は下記の通りとした。成形体は１００個成形し、脱脂、焼結を行い寸法ばらつきの測定を行った。
・金属粉末：SUS310 平均粒径9.2μm タップ密度4.2g/m³
・有機バインダ組成：ポリアセタール15Vol%、ポリプロピレン25Vol%、アモルファスポリオレフィン10Vol%、パラフィンワックス35Vol%、アクリル樹脂10Vol%、脂肪酸エステル5Vol%
・金属粉末：60Vol% 有機バインダ40Vol%
・加熱混練：180℃ 2時間
・射出成形条件：180℃ 金型温度40℃
・脱脂条件：最高温度500℃（窒素）2時間保持合計時間24時間
・焼結条件：最高温度1350℃（アルゴン、減圧雰囲気）2時間保持

射出成形用の金型は１個取りとし、図３Ａに示す可変ベーンの形状とした。所望する最終製品の寸法は下記のとおりである。Ａ１は翼部の高さ、Ｂ１は翼部の厚み、Ｃ１は軸部の直径、Ｄ１は翼部下方に位置する軸部の長さ（翼部の下端から軸部の下端までの長さ）を示す。
所望する最終製品の寸法
Ａ１：6.0mm（目標寸法）±0.01mm（5.99mm〜6.01mm）
Ｂ１：2.5mm（目標寸法）±0.03mm（2.47mm〜2.53mm）
Ｃ１：4.0mm（目標寸法）±0.01mm（3.99mm〜4.01mm）
Ｄ１：10.0mm（目標寸法）±0.05mm（9.95mm〜10.05m）
軸と翼部の同軸度：0.03mm以内，垂直度：0.03mm以内翼部の平行度：0.03mm以内

成形機は３０トンの型締め圧の成形機を用いた。製造された焼結品の寸法は下記の通りとなった。寸法測定は工具顕微鏡を用いて行った。
製造された焼結品の寸法
Ａ１：6.024mm〜6.044mm（目標寸法＋0.4%〜＋0.73%）
Ｂ１：2.485mm〜2.494mm（目標寸法−0.60%〜−0.24%）
Ｃ１：4.018mm〜4.030mm（目標寸法＋0.45%〜＋0.75%）
Ｄ１：9.955mm〜9.980mm（目標寸法−0.45%〜−0.2%）
軸と翼部の同軸度：0.035mm，垂直度：0.042mm 翼部の平行度：0.038mm
焼結品密度：96.0%

図４に示す工程により、プレス工程を行った。プレス工程後の寸法は下記の通りとなった。
製造された最終製品の寸法
Ａ１：5.994mm〜6.003mm Ｂ１：2.489mm〜2.515mm Ｃ１：3.996mm〜4.004mm Ｄ１：9.984mm〜10.029mm
軸と翼部の同軸度：0.017mm，垂直度：0.009mm 翼部の平行度：0.015mm

焼結後においては最終製品寸法を得ることは出来ないが、プレス工程で最終製品寸法公差内の製品を得ることが出来た。

本発明にかかる焼結品を製造した。成型材料および加熱混練条件、射出成形条件、脱脂条件、焼結条件等は下記の通りとした。成形体は１００個成形し、脱脂、焼結を行い寸法ばらつきの測定を行った。
・金属粉末：HK30 平均粒径8.7μm タップ密度4.3g/m³
・有機バインダ組成：ポリアセタール20Vol%、ポリプロピレン20Vol%、アモルファスポリオレフィン10Vol%、パラフィンワックス35Vol%、アクリル樹脂10Vol%、脂肪酸エステル5Vol%
・金属粉末：60Vol% 有機バインダ40Vol%
・加熱混練：180℃ 2時間
・射出成形条件：180℃ 金型温度40℃
・脱脂条件：最高温度500℃（窒素）2時間保持合計時間24時間
・焼結条件：最高温度1350℃（アルゴン、減圧雰囲気）2時間保持
・ＨＩＰ処理：処理温度1200℃（アルゴン、100MPa）2時間保持

射出成形用の金型は１個取りとし、図３Ｂに示す可変ベーンの形状とした。所望する最終製品の寸法は下記のとおりである。Ａ２は翼部の高さ、Ｂ２は翼部の厚み、Ｃ２は軸部の直径、Ｄ２は翼部下方に位置する軸部の長さを示す。
所望する最終製品の寸法
Ａ２：6.0mm（目標寸法）±0.01mm（5.99mm〜6.01mm）
Ｂ２：2.5mm（目標寸法）±0.03mm（2.47mm〜2.53mm）
Ｃ２：4.0mm（目標寸法）±0.01mm（3.99mm〜4.01mm）
Ｄ２：10.0mm（目標寸法）±0.05mm（9.95mm〜10.05m）
軸と翼部の同軸度：0.05mm以内，垂直度：0.03mm以内翼部の平行度：0.03mm以内

成形機は３０トンの型締め圧の成形機を用いた。製造された焼結品の寸法は下記の通りとなった。寸法測定は工具顕微鏡を用いて行った。なお、Ｃ２ａは翼部より下方に位置する軸部の直径を、Ｃ２ｂは翼部より上方に位置する軸部の直径を示す。
製造された焼結品の寸法
Ａ２：6.024mm〜6.049mm（目標寸法＋0.4%〜＋0.82%）
Ｂ２：2.487mm〜2.494mm（目標寸法−0.52%〜−0.24%）
Ｃ２ａ：4.016mm〜4.028mm（目標寸法＋0.4%〜＋0.7%）
Ｃ２ｂ：4.015mm〜4.031mm（目標寸法＋0.38%〜＋0.78%）
Ｄ２：9.961mm〜9.992mm（目標寸法−0.39%〜−0.08%）
軸と翼部の同軸度：0.062mm，垂直度：0.044mm 翼部の平行度0.035mm
焼結品密度：99.2%

図５に示す工程により、プレス工程を行った。プレス工程後の寸法は下記の通りとなった。
製造された最終製品の寸法
Ａ２：5.993mm〜6.005mm Ｂ２：2.479mm〜2.505mm Ｃ２ａ：3.995mm〜4.003mm Ｃ２ｂ：3.996mm〜4.002mm Ｄ２：9.982mm〜10.023mm
軸と翼部の同軸度：0.031mm，垂直度：0.014mm 翼部の平行度：0.016mm

［比較例１］
実施例１と同様の条件にて、以下の焼結体を作製した。
製造された焼結品の寸法
Ａ１：5.985mm〜6.005mm（最終製品の目標寸法−0.25%〜＋0.08%）
Ｂ１：2.490mm〜2.505mm（最終製品の目標寸法−0.4%〜＋0.2%）
Ｃ１：3.985mm〜4.006mm（最終製品の目標寸法−0.38%〜＋0.15%）
Ｄ１：9.985mm〜10.005mm（最終製品の目標寸法−0.15%〜＋0.05%）
軸と翼部の同軸度：0.040mm，垂直度0.044mm 翼部の平行度0.039mm
焼結品密度：96.0%

当該焼結体を用いて、実施例１と同じ条件にて３段階プレスを行った。プレス工程後の寸法は下記の通りとなった。
製造された最終製品の寸法
Ａ１：5.985mm〜6.003mm Ｂ１：2.490mm〜2.515mm Ｃ１：3.986mm〜4.003mm Ｄ１：9.986mm〜10.009mm
軸と翼部の同軸度：0.032mm，垂直度：0.036mm 翼部の平行度：0.030mm

焼結品寸法で最終製品寸法に近づけた製品を作成したが、Ａ１、Ｃ１については最終製品の寸法公差内の製品を得ることが出来なかった。また、同軸度、垂直度を公差内にすることは出来なかった。
これは、プレス工程前の焼結品のＡ１およびＣ１と所望する最終製品の差が大きかったためと考えられる。

さらに、焼結品のＡ〜Ｄの寸法と最終製品の目標寸法との差が最終製品の公差に与える影響を調べるため、実施例１と同様の条件において、様々な焼結品を作成し、プレス後の最終製品とプレス前の焼結品の関係を調べた。結果を表１に示す。

実施例３の結果から、プレス前の焼結品は、所望する最終製品の寸法（目標寸法）に対して、翼部の高さが＋０．３％〜＋０．９％、翼部の厚みが−０．６％〜−０．０％、軸部の直径が＋０．３％〜＋０．９％、翼部の下端から軸部の下端までの長さが−０．６％〜−０．０％の範囲にあり、且つ焼結密度が相対密度９５％以上である場合に、所望する寸法公差の最終製品がプレス工程のみで得られることが分かった。

［比較例２］
実施例１の有機バインダ成分のうち、ポリアセタールをエチレン酢酸ビニル樹脂に置き換えた有機バインダを用いた他は、実施例１と同様にして焼結品の製造を試みた。
しかし、脱脂後、成形体は図６に示すように翼部が３０度以上傾き、大きな変形を生じたため以後の焼結、プレス工程に進むことは出来なかった。

また、ポリプロピレンをポリエチレンに置き換えた有機バインダを用いた場合は、脱脂後、成形体は図６に示すように翼部が１０度以上傾き、大きな変形を生じたため以後の焼結、プレス工程に進むことは出来なかった。

その他、種々の射出成形材料により成形体を作成し、脱脂・焼結を試みた結果、平均粒径が１〜２０μｍであって、タップ密度が３．５ｇ／ｍ^３以上である金属粉末を用い、ポリアセタールを５〜４０Ｖｏｌ％、及びポリプロピレンを５〜４０Ｖｏｌ％含有する有機バインダを用い、且つ、前記金属粉末と前記有機バインダの合計量に対して、有機バインダの量を３０〜６０体積％とした場合に、本発明にかかるプレス工程に使用するのに好適な焼結品が得られることが分かった。

Ａは翼部の上面がフラットな可変ベーンを、Ｂは翼部の上側にも軸部が存在する可変ベーンを示す。それぞれにおいて、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は底面図、（ｄ）は斜視図である。本発明にかかる可変ベーンの製造方法の一実施例を示すフローチャートである。Ａは翼部の上面がフラットな可変ベーンを、Ｂは翼部の上側にも軸部が存在する可変ベーンを示す。翼部の上面がフラットな可変ベーンを三段階にプレスする工程を示す。翼部の上側にも軸部が存在する可変ベーンを三段階にプレスする工程を示す。比較例２の成形体が脱脂後に変形した状態を示す。

符号の説明

１可変ベーン
２翼部
３軸部（翼部より下側に位置する軸部）
３’軸部（翼部より上側に位置する軸部）

Claims

平板状の翼部と、前記翼部の下方に位置する円柱状の軸部を備えた可変ベーンを製造する方法であって、
所望する最終製品と近似した形状を有する焼結品をプレスする工程を含み、
前記焼結品が、翼部と軸部の一体形成品であって、最終製品の目標寸法に対して、翼部の高さが＋０．３％〜＋０．９％、翼部の厚みが−０．６％〜−０．０％、軸部の直径が＋０．３％〜＋０．９％、翼部の下端から軸部の下端までの長さが−０．６％〜−０．０％の範囲にあり、且つ焼結密度が相対密度９５％以上であること、及び
前記プレス工程が、三段階の工程を含み、
プレス第一工程において、軸部挿通孔を有する下型と、翼部の下端面以外の形状を有する上型により、前記焼結品をプレスして、翼部の高さと厚みを整えること、
プレス第二工程において、前記翼部の厚みを２分割する面にて前記可変ベーンを分割した形状をそれぞれ有する上型と下型により、前記焼結品の翼部と軸部を同時にプレスして、翼部に対する軸部の角度並びに軸部の同軸度を整えること、
プレス第三工程において、前記可変ベーンの軸部に対応する半円柱体の形状をそれぞれ有する上型と下型により、前記焼結品の軸部を、前記プレス第二工程と９０度異なる方向からプレスして、前記軸部の真円度を整えること
を特徴とする可変ベーンの製造方法。
前記焼結品が、相対密度９８％以上の焼結品であることを特徴とする、請求項１に記載の可変ベーンの製造方法。
３６０度方向からプレス曲げ加工が出来るマルチフォーミングマシンを用いて前記プレス第一工程からプレス第三工程までを連続して行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の可変ベーンの製造方法。
さらに、前記焼結品を製造する工程を含み、当該焼結品製造工程が
金属粉末（ａ）に有機バインダ（ｂ）を添加し加熱混合した後、粉砕若しくはペレット化して射出成形材料を得、当該成形材料を射出成形して成形体を作製し、得られた成形体を加熱脱脂する工程を有するものであって、
前記金属粉末（ａ）が、平均粒径１〜２０μｍ、タップ密度３．５ｇ／ｍ^３以上の粉末であること、
前記有機バインダ（ｂ）が、ポリアセタール（ｂ１）を５〜４０Ｖｏｌ％、及びポリプロピレン（ｂ２）を５〜４０Ｖｏｌ％含有すること、
前記金属粉末（ａ）に前記有機バインダ（ｂ）を添加する工程において、金属粉末と有機バインダの全量（ａ＋ｂ）に対し、有機バインダ（ｂ）が３０〜６０Ｖｏｌ％となるように添加すること、
を特徴とする、請求項１〜３に記載の可変ベーンの製造方法。
前記焼結品の製造工程において、
脱脂工程が減圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気及び大気圧水素雰囲気のいずれかで最高温度８００℃以下で行われること、及び
焼結工程が減圧不活性ガス雰囲気、加圧不活性ガス雰囲気、大気圧不活性ガス雰囲気及び大気圧水素雰囲気のいずれかで１０００℃以上１５００℃以下で行われる事を特徴とする請求項４に記載の可変ベーンの製造方法。
前記焼結品の製造工程において、相対密度９４％以上の第一次焼結品を作製した後、熱間等方圧加圧法により相対密度９８％以上の焼結品とすることを特徴とする、請求項４または５に記載の可変ベーンの製造方法。