JP4469370B2 - 過給機用羽根車およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、過給機用羽根車に係わり、例えば内燃機関からの排気ガスを利用し圧縮空気を送る過給機の吸気側に使用される過給機用羽根車に関するものである。本発明は、過給機用羽根車の製造方法に関するものでもある。

自動車等のエンジンに組込まれる過給機は、エンジンからの排気ガスにより排気側の羽根車を回転させて同軸上にある吸気側の羽根車を回転させ、圧縮空気をエンジンに供給してエンジン出力を向上させる。排気側の羽根車はエンジンから排出される高温の排気ガスに曝されるため、一般にＮｉ基超耐熱合金が使用され、形状もそれほど複雑ではないためにロストワックス鋳造法により製造されている。一方、吸気側の羽根車は、高温に曝されないため、主にアルミニウム合金で形成されているが、最近では、燃焼効率を上げる為により高速回転が求められており、軽量で高強度であるチタン合金の適用が検討されている。さらに、チタン合金よりも軽量化できるマグネシウム合金の適用も検討されている。

この吸気側の羽根車は、圧縮空気の圧縮率向上を図るために、通常、形状の異なる長短二種類の羽根を交互に複数隣接配置した複雑な羽根形状をしている場合が多い。アルミニウム合金製の鋳造羽根車の場合には、プラスターモールド法が適用され、一般的に柔軟性のあるゴム模型を用いて石膏鋳型を製作することにより製造される。また、マグネシウム合金を用いる場合にも、プラスターモールド法の適用が可能である。これらの場合に用いられるゴム模型は、まず羽根車単体のマスターモデルを製作し、そのマスターモデルを用いてシリコーン系ゴムの鋳型を製作し、さらに、そのゴム鋳型にシリコーン系ゴムを注入して得られ、寸法精度に若干問題があるものの、複雑形状を再現することが可能である。

しかし、チタン合金のような活性金属を鋳造する場合、石膏型を用いたプラスターモールド法では、石膏型とチタン溶湯との反応が激しく、適用することができないため、溶製材を５軸切削加工したチタン合金製羽根車などが製造されている。しかしながら、チタン合金は難切削材であるために、非常に高コストであり、また大量生産には不向きである。したがって、チタン合金の鋳造には、チタン合金に対して安定なジルコニアやイットリアのようなセラミックシェルを使用可能なロストワックス鋳造法の適用が検討されている。

ロストワックス鋳造法を適用する場合、金型に射出成形して製品と実質的に同一形状の消失性模型を製作する必要がある。たとえば、ＵＳ２００２／０１８７０６０Ａ１（ＪＰ−Ａ−２００３−９４１４８に対応する）で、ダイインサート（スライド金型）を消失性模型の羽根部から引き出せるように羽根形状を再設計し、ロストワックス鋳造法にて製造したチタンコンプレッサ羽根車が提案されている（前記特許文献では、インベストメント鋳造と表現されている）。この提案は、チタン合金製の羽根車を比較的安価に大量生産できるという点で優れたものである。

しかしながら、前記特許文献に記載された方法では、２次元的に移動するスライド金型が消失性模型から引抜けるように羽根形状を再設計するため羽根形状が極端に制限され、高い空力学的性能を持つ複雑形状の羽根車を製造することが難しい。
また、前記特許文献においては、短長羽根が交互に隣接する羽根車の場合は長羽根と短羽根の間を１から３個のスライド金型で分割し、消失性模型から離型することも提案されているが、金型構造が複雑になり寸法精度が出難くなる。さらに、金型が多くなると金型の分割面に発生するパーティングラインが消失性模型の各羽根間のハブ面あるいはブレード面に多く発生することで、羽根車におけるパーティングライン対応部がブレード間の空気の流れを阻害し、空力学的性能に悪影響を及ぼす可能性がある。
本発明の目的は、これらの問題点を解決し、高い空力学的性能が期待できる過給機用羽根車およびその製造方法を提供することである。

本発明者は、半径方向にアンダーカットが形成された形状をロストワックス鋳造法を適用して製造することを試み、消失性模型製造時に特定の構造を持つスライド金型の適用と、その離型動作の最適化を検討し、本発明に到達した。
すなわち本発明の製造方法は、中心軸から半径方向に広がるハブ面を有するディスク形状のハブと、該ハブから延在する複数のブレードであって、空力学的な曲面であるブレード面、および、外周辺を構成するトレイリングエッジ面とフィレット面とリーディングエッジ面を有する長羽根と短羽根が交互隣接関係で配列された前記ブレードとで成る羽根車形状を有し、隣接する一対の長羽根に囲まれた各空間に、前記空力学的な曲面を得るために形成された前記ブレードのアンダーカット部分が前記中心軸から半径方向に向かう方向に存在する、ロストワックス鋳造された過給機用羽根車の製造方法において、
ａ．前記過給機用羽根車と実質的に同一形状を有する消失性模型を形成する工程、
ｂ．該消失性模型を耐火物でコーティングした後、前記消失性模型を消失除去させて鋳型を形成する工程、および
ｃ．該鋳型を用いて鋳造する工程を有しており、
前記消失性模型を形成する工程ａは、前記中心軸に対して半径方向に移動可能な、前記空間の数に相当する数のスライド金型を、中心軸線方向で開閉移動可能な可動金型と固定金型の間に、前記中心軸に向かって放射状に配列して型締め密接し、かつ、前記各スライド金型を、短羽根形状に対応する形状を有する有底溝部と、ハブ面形状に対応する形状を有するハブキャビティ画成部と、ブレード面形状に対応する形状および隣接するスライド金型と密接することでトレイリングエッジ面形状とフィレット面形状とリーディングエッジ面形状に対応する形状を有するブレードキャビティ画成部とを有するように形成することで前記羽根車形状に対応するキャビティを画成し、該キャビティに消失性材料を射出成形し、次いで前記各スライド金型を前記中心軸から半径方向に移動させつつ該中心軸から半径方向に移動する動線の回りに回動させることで前記各空間に前記ブレードの前記アンダーカット部分を形成する消失性模型から離型する工程とし、もって、前記長羽根の前記ブレード面以外の、外周辺を構成するトレイリングエッジ面、フィレット面、およびリーディングエッジ面のみに、前記スライド型の型締め密接により形成されるパーティングラインに対応する形状のパーティングライン対応部が形成されるようにする過給機用羽根車の製造方法である。

本発明においては、消失性模型を形成する工程で用いる金型装置を、中心軸線方向で開閉移動可能な可動金型と固定金型、および中心軸に対して半径方向に移動可能なスライド金型と該スライド金型を支持するスライド支持具を具備するものとし、該スライド支持具を駆動させて前記スライド金具を連動可能とすることができる。
また、スライド金型は複数のコアを接合して一体に構成することができる。そして、スライド金型を消失性模型から離型させる動線は、羽根車の中心軸が垂線となる２次元平面のＸＹ座標上の動線と、該ＸＹ座標上の動線回りの回転成分を含む動線とすることが好適である。
そしてまた、鋳型は、消失性模型にジルコニア系、イットリア系、またはカルシア系のいずれかの耐火物をコーティングし、さらにシリカ系、アルミナ系、またはジルコン系のいずれかの耐火物をコーティングし乾燥させた後に、オートクレーブで消失性模型を消失除去し、高温焼成させて形成することができる。

上記の製造方法により、ブレードに囲まれた空間において、長羽根の前記ブレード面以外の、外周辺を構成するトレイリングエッジ面、フィレット面、およびリーディングエッジ面のみに、前記スライド型の型締め密接により形成されるパーティングラインに対応する形状のパーティングライン対応部が形成されるようにすることができる。これにより、ブレードに囲まれた空間のハブ面およびブレード面のいずれにもパーティングライン対応部が存在しない空力学的性能に優れた新規な過給機用羽根車を得ることができる。
すなわち、本発明の過給機用羽根車は、中心軸と、該中心軸から半径方向に広がるハブ面を有するディスク形状のハブと、
該ハブから延在する複数のブレードであって、空力学的な曲面であるブレード面、および、外周辺を構成するトレイリングエッジ面とフィレット面とリーディングエッジ面を有する長羽根と短羽根が交互隣接関係で配列された前記ブレードとで成る羽根車形状を有し、隣接する一対の長羽根に囲まれた各空間に、前記空力学的な曲面を得るために形成された前記ブレードのアンダーカット部分が前記中心軸から半径方向に向かう方向に存在する、ロストワックス鋳造された過給機用羽根車において、
該過給機用羽根車は、
前記中心軸に対して半径方向に移動可能な、前記空間の数に相当する数のスライド金型を、中心軸線方向で開閉移動可能な可動金型と固定金型の間に、前記中心軸に向かって放射状に配列して型締め密接することで画成された羽根車形状に対応するキャビティに対する消失性材料の充填によって形成された消失性模型を用いて鋳造されて成る鋳造品であり、
前記スライド金型は、短羽根形状に対応する形状を有する有底溝部と、ハブ面形状に対応する形状を有するハブキャビティ画成部と、ブレード面形状に対応する形状および隣接するスライド金型と型締め密接することでトレイリングエッジ面形状とフィレット面形状とリーディングエッジ面形状に対応する形状を有するブレードキャビティ画成部とを有するように形成された金型構成部材であり、
前記長羽根の前記ブレード面以外の、外周辺を構成するトレイリングエッジ面、フィレット面、およびリーディングエッジ面のみに前記スライド型の型締め密接により形成されるパーティングラインに対応する形状のパーティングライン対応部を有することを特徴としている。

本発明においては、ロストワックス鋳造法の適用により、鋳型にチタン合金を鋳造することで、チタン合金の過給機用羽根車とすることができる。
なお、本発明は、チタン合金でなくても、その他アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄系合金などの一般的な鋳造材料でも適用できる。チタン合金は、軽量で高強度という点で、本発明の適用に特に適しているものである。
また本発明は、空力学的性能に優れた過給機用羽根車とすることができるので、過給機の吸気側羽根車に特に適しているものである。

本発明によれば、ブレードに囲まれた空間のハブ面およびブレード面にパーティングライン対応部が存在せず、空力学的性能に優れた過給機用羽根車を提供することができ、工業上極めて有効である。

［図１］過給機用羽根車の一例を示す模式図である。
［図２］ブレードの一例における簡略図である。
［図３］金型装置の一例を示す全体図である。
［図４］固定金型の一例を示す要部矢視図である。
［図５］スライド金型の一例を示す模式図である。
［図６］スライド金型とスライド支持具の接合構造の一例を示す側面図である。
［図７］スライド金型の離型動作の一例を示す模式図である。
［図８］スライド金型を連動可能とする構成の一例を示す模式図である。

上述したとおり、本発明の重要な特徴は、隣接する一対の長羽根に囲まれた各空間に、空力学的な曲面を得るために形成されたブレードのアンダーカット部分が中心軸から半径方向に向かう方向に存在する形状をロストワックス鋳造法を適用して製造することを試み、消失性模型製造時に特定の構造を持つスライド金型の適用と、その離型動作を最適化したことにある。
具体的には、消失性模型を形成する工程として、中心軸に対して半径方向に移動可能な、前記空間の数に相当する数のスライド金型を、中心軸線方向で開閉移動可能な可動金型と固定金型の間に、前記中心軸に向かって放射状に配列して型締め密接し、かつ、前記各スライド金型を、短羽根形状に対応する形状を有する有底溝部と、ハブ面形状に対応する形状を有するハブキャビティ画成部と、ブレード面形状に対応する形状および隣接するスライド金型と密接することでトレイリングエッジ面形状とフィレット面形状とリーディングエッジ面形状に対応する形状を有するブレードキャビティ画成部とを有するように形成することで前記羽根車形状に対応するキャビティを画成し、該キャビティに消失性材料を射出成形し、次いで前記各スライド金型を前記中心軸から半径方向に移動させつつ該中心軸から半径方向に移動する動線の回りに回動させることで前記各空間に前記ブレードの前記アンダーカット部分を形成する消失性模型から離型する工程を採用する。
本発明の重要な特徴の一つであるスライド金型は、短羽根形状の有底溝部と、隣接する各長羽根間の空間形状とを有するものであって、短羽根を含む長羽根間の空間、単純に表現すると羽根２枚分の空間を一つのスライド金型により成形することができるものである。

つまり、短羽根形状の有底溝部は、短羽根を成形するキャビティとなり、複数のスライド金型を中心軸に向かって放射状に配置して画成される空間が、長羽根および中心軸の形状を定めるキャビティになる。これにより、前記過給機用羽根車と実質的に同一の形状のキャビティを形成することができる。
このように隣接する一対の長羽根に囲まれた空間を単一のスライド金型で画成することにより、金型のシンプル化ができるとともに、前記空間の数に相当する数のスライド金型を隣接させて型締め密接することで、該空間において、長羽根のブレード面以外の、外周辺を構成するトレイリングエッジ面、フィレット面、およびリーディングエッジ面のみに、隣接するスライド金型で形成されるパーティングラインを設けることができる。これにより、隣接する一対の長羽根に囲まれた前記空間にはパーティングラインは存在せず、よって、得られる消失性模型と実質的に同一形状を有する鋳造羽根車における隣接する一対の長羽根に囲まれた空間のハブ面およびブレード面には、パーティングライン対応部が存在しない。

本発明においては、このように配置したスライド金型に、消失性材料を射出成形するのであるが、中心軸から半径方向に向かう方向にアンダーカットが存在する形状を対象とするため、スライド金型を中心軸の半径方向に形成する２次元空間上で移動させて離型しようとしても、離型することが出来ない。
そこで、本発明においては、前記スライド金型を、中心軸から半径方向に移動させつつ該中心軸から半径方向に移動する動線の回りに回動させて離型させることにした。
つまり、スライド金型を消失性模型から離型させる動線を、羽根車の中心軸が垂線となり半径方向に広がる２次元平面のＸＹ座標上の動きでなす動線に加えて、該ＸＹ座標上の動きでなす動線回りの回転成分を加えることで、半径方向にアンダーカットが形成された形状であっても、離型可能としたものである。また、ブレード形状などによっては、スライド金型をさらに中心軸方向であるＺ座標方向に移動させる動きを加えてもよい。

次に、このようにして得られた消失性模型を耐火物でコーティングした後、前記消失性模型を加熱などの手法により消失除去する。さらに焼成することで強度の高い鋳型を得ることもできる。そして、前記鋳型にチタン合金や、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの溶解材料を鋳造することで前記消失性模型と実質的に同一形状の羽根車を得ることができる。
上述した製造方法によって得られる過給機用羽根車は、ブレードに囲まれた空間のハブ面及びブレード面のいずれにもパーティングライン対応部が存在しないため、空力学的性能にすぐれた過給機用羽根車となる。

次に、本発明の過給機用羽根車について具体例を挙げ、図面に基づいて説明する。初めに、過給機用羽根車の形状について一例を挙げて説明する。図１は内燃機関用過給機に使用される長羽根と短羽根が交互に隣接して形成されたブレードを有する過給機用羽根車１の模式図であり、図２は羽根車１のブレード簡略図（明確化のため長羽根２枚と短羽根１枚のみ記載）である。中心軸２０から半径方向に広がるハブ面２に長羽根３と短羽根４がそれぞれ複数枚放射状に突設し、長羽根３と短羽根４はそれぞれ複雑な空力学的曲面形状のブレード面５を表裏に有している。
図１において、ブレード面５は、長羽根３、短羽根４のそれぞれの半径方向の外周面に相当するトレイリングエッジ面２１およびフィレット面２２、さらに長羽根３、短羽根４それぞれの最上部に相当するリーディングエッジ面２３を含まない曲面部である。また、長羽根３、短羽根４よりなるブレードに囲まれた空間のハブ面２およびブレード面５は、図２の斜線部に対応する。

なお、本発明で云うブレード面とは、例えば図１に示す過給機用羽根車１において、長羽根３の外周辺を構成するトレイリングエッジ面２１およびフィレット面２２、さらに長羽根の最上部となるリーディングエッジ面２３を含まない曲面部を意味する。
また、本発明で云うパーティングラインとは消失性模型において、金型の分割面に形成される段差および金型の分割部分に消失性模型材料が差し込むことにより発生する線状跡を意味しており、消失性模型においてパーティングラインが発生した場合、鋳造品（本発明における羽根車）にもパーティングライン対応部としてそのまま転写される。すなわち、消失性模型においてパーティングラインが形成されなければ、鋳造品においてもパーティングライン対応部が形成されることは無い。
また、本発明に適用する短羽根形状の有底溝部と、隣接する各長羽根間の空間形状とを有するスライド金型としては、消失性模型との離型時に一体で可動するもので有れば良く、スライド金型を一体で作製したものでも良いが、複数のコアを作製した後にボルト締めやロウ付け等により接合して一体化したものであっても良い。例えば、図５に示すスライド金型８においては、２つのコア２５、２６を接合面２７で接合して一体に構成している。
これは有底溝部として薄肉曲面形状である短羽根のキャビティ形状を得ようとすると、溝加工のみでは難しい場合も多く、分割することでスライド金型の製造が容易になるためである。

図１の過給機用羽根車をロストワックス鋳造法を用いて、以下の工程により製造する。まず金型を用いて消失性模型を射出成形する。この工程が本発明の製造方法において最も重要な工程である。図３に本発明に適用する金型装置の一例を示す。金型は、羽根車の中心軸２０の方向に開閉自在な可動金型６と固定金型７および羽根車の中心軸２０に対して半径方向に移動可能な複数のスライド金型８と、これを支える複数のスライド支持具９から形成されている。
また、図４は固定金型７の要部斜視図（明確化のためスライド金型８とスライド支持具９をそれぞれ１個のみ記載）であり、図５はスライド金型８の模式図である。１つのスライド金型８は、ハブキャビティ画成部１１、ブレードキャビティ画成部１２、および有底溝部１３（点線で記載）のパートで構成される。ハブキャビティ画成部１１は１つの短羽根を含み隣接する長羽根間の空間におけるハブ面２を画成する。ブレードキャビティ画成部１２は、隣接する長羽根の対向する２つのブレード面５と、ブレードに囲まれた空間においてパーティングラインを形成するトレイリングエッジ面２１、フィレット面２２、リーディングエッジ面２３を画成する。有底溝部１３は短羽根を画成する。すなわち、１つのスライド金型８は、図２の斜線部で示される空間１０に相当する形状を画成する。
また、図６はスライド金型８とスライド支持具９との接合構造を示す側面図である。スライド金型８は、スライド支持具９に固定される固定ピン１６に、固定ピン１６の先端に設けたベアリング１５を介して回転軸線１４を回転中心として回転自在に取り付けられ、スライド支持具９と連結される。

この構造により、スライド金型８は回転軸線１４を中心に抵抗が少なく容易に回転可能となる。また、図４に示すように固定金型７において、スライド金型８の半径方向可動範囲内の底面にリング状の支持板１７が設置され、スライド金型８は支持板１７により支持される。この支持板１７は、羽根車１の消失性模型１８の中心軸２０方向への移動が可能になっている。そして、可動金型６と固定金型７の型開きの際には、支持板１７をスライド金型８と離間する側に移動させてスライド金型８の回転を自在にする構造とし、このときスライド金型８はスライド支持具９のみで支持される。また、型締めの際には、支持板１７を元の位置に戻してスライド金型８の回転を拘束する構造になっている。

本発明において、スライド金型を中心軸から半径方向に移動させて離型させる動線となる回転軸線の決定は重要である。具体的な手法としては、予めＣＡＤ／ＣＡＭを使用した３次元モデルにより、図２に示す空間１０における半径方向外方に存在するアンダーカットに対応する回転軸線を検索することができる。また別の手法としては、先ず１つの短羽根を挟んで隣接する２枚の長羽根を含む部分模型を製作し、この部分模型に樹脂を流し込んで樹脂模型を得る。そして、この樹脂模型を実際に部分模型から引き抜く試みによっても、その引き抜き方向から回転軸線を検索することができる。上述の手法などによって、消失性模型からの離型に必要なスライド金型８の半径方向の動線となる回転軸線１４を決定する。なお、消失性模型に接触しない完全なアンダーカット方向を検索することが好ましいが、実際には消失性模型が約１％程度収縮するため、スライド金型と成形後の消失性模型との間には数十ミクロンから数百ミクロンの空間が存在する。また消失性模型自体弾性変形するため、ＣＡＤ／ＣＡＭ解析の段階で、スライド金型８の動線が羽根車１に対してある程度干渉しても、寸法精度に影響することなく離型が可能となる。

本発明において、上述した回転軸線１４はアンダーカットの方向により羽根車１の中心軸２０と必ずしも垂直になる必要はなく、また、中心軸２０と交わる必要もない。例えば、スライド金型８は中心軸線方向に数度の角度を付けて後退移動させても構わない。
上述したスライド金型８を羽根車の空間１０の個数分固定金型７に図３に示すように環状に配置し、それぞれのスライド金型８と可動金型６および固定金型７を型締め密接することで羽根車１の形状に相当するキャビティを画成する。そして、このキャビティに溶融もしくは半溶融状態の消失性材料を射出成形機を用いて充填成形する。

次に、離型時に消失性模型からスライド金型８を半径方向に後退移動させる際の具体的な動作について説明する。消失性模型を充填成形後、図３に示すように可動金型６を固定金型７から離間させた後に移動させて型開きする。ついで、支持板１７をスライド金型８から離れる側に移動させて、スライド金型８をスライド支持具９のみで支持させ、スライド金型８を回転自在にする。そして、図４に示すように、スライド支持具９を、固定金型７の上面に放射状に形成された複数の溝１９に沿って中心軸線２０の半径方向に引き出す。このとき図６に示すようにスライド支持具９の底部にガイドピン２４を設け、スライド支持具９を案内することもできる。
スライド金型８は、図６に示すようにスライド支持具９に回転軸線１４上に設置されたベアリング１５を介して固定ピン１６により連結してあるため、消失性模型１８の長羽根および短羽根の表面形状に沿って回転軸線１４を中心に抵抗が少なく自然に回転し離型される。なお、ベアリング１５は内外輪から成り、内輪が固定ピン１６に固定され、外輪がスライド金型８に固定されている。

この具体的な回転動作を図７に示す。なお、図７においては、便宜上スライド金型８の図２に示す空間１０に相当するキャビティを画成する部分にハッチングを施している。これはスライド金型８の離型動作を説明するためである。図７（ａ）〜（ｄ）は、スライド金型８が消失性模型１８から離型していく状態を示している。離型に伴いスライド金型８は後退移動しながら回転軸線１４を中心に回転し、最終的に図７（ｄ）のように離型される。このようにして、ブレードに囲まれた空間においては、長羽根３の外周辺を構成するトレイリングエッジ面２１、フィレット面２２、およびリーディングエッジ面２３のみにパーティングライン対応部が形成される。つまり、図２に示す空間１０のハブ面２およびブレード面５に相当する箇所にパーティングラインが存在しない消失性模型１８を得ることができる。
なお、スライド支持具９の移動手段としては、手動で個々のスライド支持具を後退移動させる方法や、好ましくは、スライド支持具９は連動する構造で一体化し、同時に引抜く方法を採用することができる。例えば図８に示すように、固定金型７を、固定金型上ベース３０、固定金型下ベース３１、およびカム溝３３を有するカム板３２で構成する。そして、個々のスライド支持具９のガイドピン２４を、固定金型上ベース３０の溝１９と前記カム溝３３に連通させて一体化させる。そして、モータや加圧シリンダ等の駆動装置（図示せず）を接続した駆動レバー３４を前記カム板３２に設け、この駆動レバー３４を介してカム板３２を駆動させることで、個々のスライド支持具９を一体化させて連動させることができる。さらにはスライド支持具９の移動動作を自動制御することも好ましい。

次に、得られた消失性模型を用いたロストワックス鋳造法を行う。消失性模型はツリー状に数個単位で組立てられ、耐火物をコーティングする。チタン合金などの活性金属を鋳造する場合は、コーティング材料にチタン溶湯との反応の少ない安定な耐火物、例えばジルコニア系、イットリア系、またはカルシア系のコーティング材料を初層として用いるのがよい。次いで、シリカ系、アルミナ系、またはジルコン系のコーティング材料をコーティングするのがよい。初層を含めコーティングは中間層やバックアップ層として複数回の耐火物コーティング処理を繰返すことも好ましく、コーティング後は十分に乾燥させ、オートクレーブで脱ロウすることが好ましい。また、脱ロウ後の鋳型は高温焼成、例えば１０００℃以上で焼成すると強度の高い鋳型が完成する。

本発明の過給機用羽根車をチタン合金により製造する場合、チタン合金の溶解は水冷銅ルツボを用いた高周波誘導溶解が好ましく、一般的に７３３Ｐａ以下の真空中またはＡｒなどの不活性ガス雰囲気中において溶解される。チタン合金としては、軽量、高強度であり一般的に最も広く使用されているＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＪＩＳ６０種）等が利用できる。また、チタン合金は湯流れ性の悪い材質であるが、吸引鋳造もしくは遠心鋳造を適用すると、薄肉の羽根車であっても湯回り性が向上し十分に溶湯を充填できるため好適である。

また、本発明の過給機用羽根車をアルミニウム合金により製造する場合、アルミニウム合金の溶解はガス式などの直接加熱炉や電気式などの間接加熱炉によることが好ましく、大気中であっても不活性ガス雰囲気であってもよい。アルミニウム合金には高強度で耐振性のよい例えばＡｌＳｉＭｇ系のＡＣ４ＣやＡＣ４ＣＨあるいはＡｌＳｉＣｕ系のＡＣ４Ｂ（ＪＩＳ Ｈ２２１１）等が利用できる。また、アルミニウム合金の鋳造性は格別悪いものではないが、吸引鋳造もしくは減圧鋳造によれば薄肉の羽根車であっても湯回り性が向上するので好ましい。

また、本発明の過給機用羽根車をマグネシウム合金により製造する場合、溶解はガス式などの直接加熱炉や電気式などの間接加熱炉によることが好ましく、大気中であっても不活性ガス雰囲気であってもよい。マグネシウム合金には強度や靭性のあるＭｇＺｎＺｒ系のＺＫ５１ＡやＺＫ６１Ａ、あるいは希土類、Ｙ、Ｃｕ、Ａｇなどが添加され高温強度のあるＱＥ２２Ａ、ＥＺ４１Ａ、ＺＣ６３Ａ、ＷＥ４３Ａ、ＷＥ５４Ａ（ＪＩＳ Ｈ２２２１）等が利用できる。また、マグネシウム合金においてもアルミニウム合金と同様に吸引鋳造や減圧鋳造を適用すると羽根車の薄肉部であっても湯回り性がよくなるため好適である。

上述のチタン合金や、アルミニウム合金、マグネシウム合金などによる鋳造後、耐火物や不要な押し湯などを除去し、さらにはサンドブラストやメッキ等の表面処理を行ってもよく、これによりブレードに囲まれた空間のハブ面およびブレード面のいずれにもパーティングライン対応部が存在しないチタン合金製等の過給機用羽根車を得ることができる。

本発明は、自動車等のエンジンに組込まれる過給機で用いられる羽根車に係わり、高い空力学的性能を期待できる同羽根車をロストワックス鋳造法で製造する技術に関するものである。

Claims (11)

1. 中心軸と、該中心軸から半径方向に広がるハブ面を有するディスク形状のハブと、
   該ハブから延在する複数のブレードであって、空力学的な曲面であるブレード面、および、外周辺を構成するトレイリングエッジ面とフィレット面とリーディングエッジ面を有する長羽根と短羽根が交互隣接関係で配列された前記ブレードとで成る羽根車形状を有し、隣接する一対の長羽根に囲まれた各空間に、前記空力学的な曲面を得るために形成された前記ブレードのアンダーカット部分が前記中心軸から半径方向に向かう方向に存在する、ロストワックス鋳造された過給機用羽根車において、
   該過給機用羽根車は、
   前記中心軸に対して半径方向に移動可能な、前記空間の数に相当する数のスライド金型を、中心軸線方向で開閉移動可能な可動金型と固定金型の間に、前記中心軸に向かって放射状に配列して型締め密接することで画成された前記羽根車形状に対応するキャビティに対する消失性材料の充填によって形成された消失性模型を用いて鋳造されて成る鋳造品であり、
   前記スライド金型は、短羽根形状に対応する形状を有する有底溝部と、ハブ面形状に対応する形状を有するハブキャビティ画成部と、ブレード面形状に対応する形状および隣接するスライド金型と型締め密接することでトレイリングエッジ面形状とフィレット面形状とリーディングエッジ面形状に対応する形状を有するブレードキャビティ画成部とを有するように形成された金型構成部材であり、
   前記長羽根の前記ブレード面以外の、外周辺を構成するトレイリングエッジ面、フィレット面、およびリーディングエッジ面のみに前記スライド型の型締め密接により形成されるパーティングラインに対応する形状のパーティングライン対応部を有する過給機用羽根車。
2. 過給機用羽根車はチタン合金製である請求項１に記載の過給機用羽根車。
3. 過給機用羽根車はアルミニウム合金製である請求項１に記載の過給機用羽根車。
4. 過給機用羽根車はマグネシウム合金製である請求項１に記載の過給機用羽根車。
5. 過給機用羽根車は過給機の吸気側で使用されることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の過給機用羽根車。
6. 中心軸から半径方向に広がるハブ面を有するディスク形状のハブと、該ハブから延在する複数のブレードであって、空力学的な曲面であるブレード面、および、外周辺を構成するトレイリングエッジ面とフィレット面とリーディングエッジ面を有する長羽根と短羽根が交互隣接関係で配列された前記ブレードとで成る羽根車形状を有し、隣接する一対の長羽根に囲まれた各空間に、前記空力学的な曲面を得るために形成された前記ブレードのアンダーカット部分が前記中心軸から半径方向に向かう方向に存在する、ロストワックス鋳造された過給機用羽根車の製造方法において、
   ａ．前記過給機用羽根車と実質的に同一形状を有する消失性模型を形成する工程、
   ｂ．該消失性模型を耐火物でコーティングした後、前記消失性模型を消失除去させて鋳型を形成する工程、および
   ｃ．該鋳型を用いて鋳造する工程を有しており、
   前記消失性模型を形成する工程ａは、前記中心軸に対して半径方向に移動可能な、前記空間の数に相当する数のスライド金型を、中心軸線方向で開閉移動可能な可動金型と固定金型の間に、前記中心軸に向かって放射状に配列して型締め密接し、かつ、前記各スライド金型を、短羽根形状に対応する形状を有する有底溝部と、ハブ面形状に対応する形状を有するハブキャビティ画成部と、ブレード面形状に対応する形状および隣接するスライド金型と密接することでトレイリングエッジ面形状とフィレット面形状とリーディングエッジ面形状に対応する形状を有するブレードキャビティ画成部とを有するように形成することで前記羽根車形状に対応するキャビティを画成し、該キャビティに消失性材料を射出成形し、次いで前記各スライド金型を前記中心軸から半径方向に移動させつつ該中心軸から半径方向に移動する動線の回りに回動させることで前記各空間に前記ブレードの前記アンダーカット部分を形成する消失性模型から離型する工程とし、もって、前記長羽根の前記ブレード面以外の、外周辺を構成するトレイリングエッジ面、フィレット面、およびリーディングエッジ面のみに、前記スライド型の型締め密接により形成されるパーティングラインに対応する形状のパーティングライン対応部が形成されるようにすることを特徴とする過給機用羽根車の製造方法。
7. 前記消失性模型を形成する工程ａで用いる金型装置は、前記可動金型、前記固定金型、および、前記スライド金型と該スライド金型を支持するスライド支持具を具備し、該スライド支持具を駆動させて前記スライド金型を連動可能とすることを特徴とする請求項６に記載の過給機用羽根車の製造方法。
8. 前記スライド金型の各々は、複数のコアが接合されて一体に構成されていることを特徴とする請求項６または請求項７のいずれかに記載の過給機用羽根車の製造方法。
9. 前記スライド金型を消失性模型から離型させる動線が、羽根車の中心軸が垂線となる２次元平面のＸＹ座標上の動線と、該ＸＹ座標上の動線回りの回転成分を含む動線であることを特徴とする請求項６から請求項８までのいずれかに記載の過給機用羽根車の製造方法。
10. 鋳型は、消失性模型にジルコニア系、イットリア系、またはカルシア系のいずれかの耐火物をコーティングし、さらにシリカ系、アルミナ系、またはジルコン系のいずれかの耐火物をコーティングし乾燥させた後に、消失性模型を消失除去し、高温焼成させて形成することを特徴とする請求項６から請求項９までのいずれかに記載の過給機用羽根車の製造方法。
11. 鋳型にチタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金のいずれかを鋳造することを特徴とする請求項６から請求項１０までのいずれかに記載の過給機用羽根車の製造方法。

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