JP4727532B2 - タービンロータの製造方法および排気ターボ過給機用タービンロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ターボ過給機用タービンロータ、小型ガスタービン用タービンロータの製造等に適用され、タービン翼部と該タービン翼部寄りの外周に１個または軸方向に沿って複数個の溝が刻設されたロータ軸とを電子ビーム溶接により接合してなるタービンロータの製造方法および排気ターボ過給機用タービンロータの製造方法に関する。

比較的小型の排気ターボ過給機用タービンロータを製作するにあたっては、通常、該タービンロータのタービン翼部と該タービン翼部寄りの外周に１個または軸方向に沿って複数個のシール部材嵌挿用のリング状溝が刻設されたロータ軸とを、前記タービン翼部及びロータ軸を回転させながら電子ビーム溶接により接合する方法が採られている。
図５は、かかる排気ターボ過給機用タービンロータの電子ビーム溶接による製作方法として、特許文献１（特開２００１−２５４６２７号公報）等で提供されているタービンロータの製作手順を示すフローチャートである。

図５において、タービン翼部とロータ軸とを次のステップで別個に製作する。
即ち、タービン翼部は精密鋳造によって製作する（図５のステップ（４））。
ロータ軸は、先ず、シールリング用溝を含む外周部の切削及び仕上加工を行なう（ステップ（１））。次いでロータ軸の切削、仕上加工品に焼入れ等の表面硬化処理を行う（ステップ（２））。次いで表面硬化処理後のロータ軸について外周面の研削仕上げを行なう（ステップ（３））。以上のステップによって、ロータ軸は単体最終寸法に仕上げられる。

次に、以上のようにして別個に製作したタービン翼部の精密鋳造品とロータ軸の単体最終寸法品とを、前記タービン翼部及びロータ軸を回転させながら電子ビーム溶接により接合する（ステップ（５））。
かかるタービン翼部とロータ軸との電子ビーム溶接にあたっては、前記特許文献１においては、タービン翼部とロータ軸との接合部分にボス及びボス穴を形成して嵌め合せ、該接合部分を周方向に等角度隔てた複数点で同時に電子ビーム溶接する。
次に、以上のステップで製作したタービンロータについて、最終的にタービン翼部の外周面を研削してタービンロータを完成する（ステップ（６））。該タービンロータの完成品は、動的バランス調整装置に取り付けて動的バランスの調整を行なう（ステップ（７））。

特開２００１−２５４６２７号公報

前記特許文献１（特開２００１−２５４６２７号公報）にて提供されている従来技術においては、図５に示されるように、精密鋳造されたタービン翼部とロータ軸とを電子ビーム溶接により接合する際には、ロータ軸はシールリング用溝を含む外周部の切削及び仕上加工（図５のステップ（１））を施した後、表面硬化処理（ステップ（２））及び外周面の研削仕上げ（ステップ（３））を施して最終寸法に仕上げ、このロータ軸の単体最終寸法仕上品とタービン翼部とを電子ビーム溶接により接合する工程となっている。

このため、かかる従来技術にあっては、タービン翼部とロータ軸とを電子ビーム溶接により接合する時点では、ロータ軸はタービン翼部との電子ビーム溶接の接合部寄りの外周にシール部材嵌挿用のリング溝を含む外径形状を所定寸法に仕上げた単体最終寸法仕上品の形態となっており、かかる単体最終寸法仕上品からなるロータ軸とタービン翼部とを電子ビーム溶接により接合することから、電子ビーム溶接による加熱によって、電子ビーム溶接接合部寄りの外周に形成されているシール部材嵌挿用のリング状溝に溶接歪みが発生し易い。
そして、かかる従来技術にあっては、前述のようなリング状溝の溶接歪みの発生に伴って、シール部材のリング状溝が主として軸方向に拡張されて、シール部材がリング状溝に「ガタ」が形成された状態で嵌入されることとなって、シール部のシール不良が誘発され、シール部からのガス洩れやシール部材の嵌合不良による該シール部材の焼付き等の不具合が発生し易い。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、タービン翼部とロータ軸とを電子ビーム溶接によるロータ軸のシール部材嵌挿用のリング状溝の変形を防止して、かかる変形に伴うシール部からのガス洩れやシール部材の嵌合不良による該シール部材の焼付き等の不具合の発生を回避し得て、高い加工精度の高品質のタービンロータを得ることを可能としたタービンロータの製造方法および排気ターボ過給機用タービンロータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、タービン翼部と該タービン翼部寄りの外周に１個または軸方向に沿って複数個の溝が刻設されたロータ軸とを、前記タービン翼部及びロータ軸を回転させながら電子ビーム溶接により接合するタービンロータの製造方法であって、
前記ロータ軸に前記溝の加工を除いた第１次加工を施してから、該ロータ軸に表面硬化処理を施し、次いで、かかる表面硬化処理後のロータ軸について外表面の研削仕上げを行いロータ軸の半製品を製作し、その後、別個に製作した前記タービン翼部を電子ビーム溶接により接合して前記タービンロータの半製品を製作し、次いで前記半製品のタービンロータのタービン翼部に研削を施してから前記溝の加工形成を施し、その後、前記溝の外周部に研削加工を施して完成するとともに、
前記電子ビーム溶接は、前記ロータ軸とタービン翼部との溶接接合部の周方向において互いに水平方向で反対側の２箇所に電子ビームを放射するように、該電子ビームを放射する電子銃を前記ロータ軸の両側に対をなして配置し、対をなす前記電子銃の電子ビーム発射中心と前記タービンロータの中心とを結ぶ電子銃中心線と電子ビームの放射中心線とのなす角を、前記タービン翼部及びロータ軸の回転方向に対して後退する方向の後退角αに保持して電子ビームを放射することを特徴とする。

そして、前記製造方法を排気ターボ過給機用タービンロータに適用した発明は、タービン翼部と該タービン翼部寄りの外周に１個または軸方向に沿って複数個の溝が刻設されたロータ軸とを、前記タービン翼部及びロータ軸を回転させながら電子ビーム溶接により接合する排気ターボ過給機用タービンロータの製造方法であって、
前記ロータ軸を前記溝の加工を除いた第１次加工を施してから、該ロータ軸に表面硬化処理を施し、次いで、かかる表面硬化処理後のロータ軸について外表面の研削仕上げを行いロータ軸の半製品を製作し、その後、別個に製作した前記タービン翼部を電子ビーム溶接により接合して前記タービンロータの半製品を製作し、次いで前記半製品のタービンロータのタービン翼部に研削を施してから前記溝の加工形成を施し、その後、前記溝の外周部に研削加工を施し、前記電子ビーム溶接にあたっては、前記ロータ軸とタービン翼部との溶接接合部の周方向において互いに水平方向で反対側の２箇所に電子ビームを放射するように、該電子ビームを放射する電子銃を前記ロータ軸の両側に対をなして配置し、対をなす前記電子銃の電子ビーム発射中心と前記タービンロータの中心とを結ぶ電子銃中心線と電子ビームの放射中心線とのなす角を、前記タービン翼部及びロータ軸の回転方向に対して後退する方向の後退角αに保持して電子ビームを放射することを特徴とする。

本発明方法によれば、タービンロータ、特に排気ターボ過給機用タービンロータの製造にあたり、ロータ軸を電子ビーム溶接の接合部寄りの外周に配置されるシール部材嵌挿用のリング状溝の加工形成を残した形態で第１次加工を施し、該ロータ軸の前記第１次加工後に、該ロータ軸に硬化処理及び外径研削加工を施してから、該ロータ軸の半製品と精密鋳造等によって別個に製作されたタービン翼部とを電子ビーム溶接により接合して前記タービンロータの半製品を製作し、次いで、このタービンロータ半製品のタービン翼部に研削を施し、最終段階で前記リング状溝の加工形成を含む最終仕上加工を施すので、電子ビーム溶接時に高温に加熱される電子ビーム溶接接合部寄りの外周に配置されているシール部材嵌挿用のリング状溝の加工形成を残した形態でロータ軸の第１次加工を行なっておいて、タービン翼部とロータ軸とを該ロータ軸に前記リング状溝が形成されない状態で電子ビーム溶接を行なっておくことにより、電子ビーム溶接の加熱による前記リング状溝の形状への影響を皆無とし、電子ビーム溶接後に前記リング状溝を加工形成することにより、前記従来技術のような、電子ビーム溶接の加熱に伴うリング状溝の溶接歪みの発生を伴うことなく、前記リング状溝を加工形成することができる。

これにより、シール部材嵌挿用のリング状溝を電子ビーム溶接による熱変形の発生のない高精度の寸法で加工形成できて、前記従来技術のような電子ビーム溶接に伴うシール部材がリング状溝との間の「ガタ」の形成を回避できて、シール部材がリング状溝に正確な嵌合状態で以って嵌挿され、シール部材のシール不良の発生及びこれに伴うシール部からのガス洩れやシール部材の嵌合不良による該シール部材の焼付き等の不具合の発生を防止でき、高い加工精度の高品質のタービンロータを得ることができる。

また本発明によれば、電子ビーム溶接を、前記ロータ軸とタービン翼部との溶接接合部の周方向において互いに反対側の２箇所に電子ビームを放射するように、該電子ビームを放射する電子銃をロータ軸の両側に対をなして配置し、対をなす前記電子銃の電子ビーム発射中心とタービンロータの中心とを結ぶ電子銃中心線と電子ビームの放射中心線とのなす角を、タービンロータの回転方向に対して後退する方向の後退角αに保持して電子ビームを放射することにより行なうようにすれば、電子ビームを前記後退角αにて放射することにより、電子ビーム溶接部における単位面積当たりの電子ビームパワーの分散を図ることが可能となり、ワーク（タービン翼部及びロータ軸）の進行方向（回転方向）に対して電子ビームのビードが集中せずに均一化される。

また、前記後退角αを保持して電子ビームをワークの表面に放射するので、従来技術のような電子ビームを前記後退角αを設けずにワークの表面に直角に放射する場合に比べて、電子ビームのビードの方向性を目標方向に正確に保持し易く、且つワークの溶融金属の流動が前記後退角αの方向に安定して行なわれるので、電子ビーム溶接接合部における溶融金属の流れが一方向に安定して行なわれる。
以上により、電子ビーム溶接接合をワーク（タービン翼部及びロータ軸）の全周に亘ってむらなく均一に行なうことができ、品質の安定したタービンロータが得られる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図３は本発明が適用されるタービンロータの側面図である。
図４は本発明が適用される排気ターボ過給機のタービンロータの軸心に沿う断面図、図３は前記実施例におけるタービンロータの側面図である。
図４，３において、１はタービンハウジング、５はコンプレッサハウジング、６は該タービンハウジング１とコンプレッサハウジング５との間に配置されて両者を結合する軸受箱である。
２はタービンロータで、図３のように、精密鋳造で製作されたタービン翼部２１と該タービン翼部２１寄りの外周に１個または軸方向に沿って複数個（この例では２個）のリング状の溝２２，２３が刻設されたロータ軸４とを電子ビーム溶接により接合して形成される。２４は溶接接合部である。
３は前記タービンロータ２の前記タービン翼部２１とは反対側の端部にボルトにより固定されたコンプレッサホイールである。７，７は前記タービンロータ２を前記軸受箱６に回転自在に支持する軸受である。また、４ｚはタービンロータ２の回転軸心である。

かかる排気ターボ過給機の作動時において、エンジンの排気マニホールド（図示省略）から排出される排気ガスはタービンハウジング１内の渦巻状のスクロール通路８を通ってタービン翼部２１の外周から該タービン翼部２１を半径方向に流れて排気ガス出口通路９に流出することによりタービンロータ２を回転駆動する。
そして、該タービンロータ２の回転により、これに固定されたコンプレッサホイール３が回転駆動され、空気入口通路１０から吸入した空気を加圧する。該コンプレッサホイール３で高圧に加圧された空気（給気）はコンプレッサハウジング５内の渦巻状の空気出口通路１１から図示しないエンジンのシリンダに供給される。
本発明は、かかる構成をそなえたタービンロータの電子ビーム溶接による製造方法に係るものである。

図１は、本発明の第１実施例に係る排気ターボ過給機用タービンロータの製作手順を示すフローチャートである。
図１において、前記タービン翼部２１とロータ軸４とを次のステップで別個に製作する。
即ち、前記タービン翼部２１は精密鋳造によって製作する（図１のステップ（４））。
ロータ軸４は、図３に示されるように、電子ビーム溶接の溶接接合部２４寄りの外周に配置される２個のリング状の溝２２，２３の加工形成しない状態で切削する該ロータ軸４の第１次加工を行なう（ステップ（１））。次いで、このロータ軸４の第１次仕上加工品に焼入れ等の表面硬化処理を施す（ステップ（２））。次いで、かかる表面硬化処理後のロータ軸４について外周面４ｂ（図３参照）の研削仕上げを行なう（ステップ（３））。
以上のステップによって、単体最終寸法に仕上げられたロータ軸４の半製品が得られる。

次に、以上のようにして別個に製作したタービン翼部２１の精密鋳造品とロータ軸４の単体半製品とを、前記タービン翼部２１及びロータ軸４を回転させながら電子ビーム溶接により溶接接合部２４（図３参照）で接合する（ステップ（５））。
次いで、以上のステップで電子ビーム溶接接合したタービンロータ２について、タービン翼部２１の外周面２１ａ（図３参照）を研削する（ステップ（６））。
以上の工程により、前記タービンロータ２は前記リング状の溝２２，２３のみを残した状態での半製品となる。
そして、このタービンロータ２について、前記リング状の溝２２，２３を加工形成し、必要に応じて該ロータ軸４の溝２２，２３の外周部に研削加工を施タービンロータ２を完成する（ステップ（７））。
該タービンロータ２の完成品は、動的バランス調整装置に取り付けて動的バランスの調整を行なう（ステップ（８））。

かかる第１実施例によれば、排気ターボ過給機用タービンロータ２の製造にあたり、ロータ軸４について、電子ビーム溶接の溶接接合部２４寄りの外周に配置されるシール部材嵌挿用のリング状の溝２２，２３の加工形成を残した形態で該ロータ軸４の第１次加工を行ない、該ロータ軸４の前記第１次加工後に該ロータ軸４に表面硬化処理及び外径研削加工を施して得られた該ロータ軸４の半製品と、精密鋳造によって別個に製作されたタービン翼部２１とを電子ビーム溶接により接合して前記タービンロータ２の半製品を製作し、次いでかかるタービンロータ２半製品のタービン翼部２１に外径研削を施し、最終段階で前記リング状の溝２２，２３の加工形成を含む最終仕上加工を施すので、電子ビーム溶接時に高温に加熱される溶接接合部２４寄りの外周に配置されているシール部材嵌挿用のリング状の溝２２，２３の加工形成を残した形態でロータ軸４の第１次加工を行なっておいて、タービン翼部２１とロータ軸４とを該ロータ軸４に前記リング状の溝２２，２３が形成されない状態で電子ビーム溶接を行なっておくことにより、該電子ビーム溶接の加熱による前記溝２２，２３の形状への影響を皆無とし、電子ビーム溶接後に前記溝２２，２３を加工形成することにより、前記従来技術のような電子ビーム溶接の加熱に伴うリング状の溝２２，２３の溶接歪みの発生を伴うことなく、前記リング状の溝２２，２３を加工形成することができる。

これにより、シール部材嵌挿用のリング状の溝２２，２３を電子ビーム溶接による熱変形の発生のない高精度の寸法で加工形成できて、前記従来技術のような電子ビーム溶接に伴うシール部材がリング状の溝２２，２３との間の「ガタ」の形成を回避できて、シール部材がリング状の溝２２，２３に正確な嵌合状態で以って嵌挿され、該シール部材のシール不良の発生及びこれに伴うシール部からのガス洩れやシール部材の嵌合不良による該シール部材の焼付き等の不具合の発生を防止でき、高い加工精度の高品質のタービンロータ２を得ることができる。

図２は、本発明の第２実施例に係る前記タービンロータの電子ビーム溶接時における電子ビームの放射状況の説明図で、タービンロータの軸心に直角方向に見た図である。
この第２実施例においては、前記タービン翼部２１とロータ軸４とを、該タービン翼部２１及びロータ軸４を回転させながら、次の方法によって電子ビーム溶接を行なう。
即ち、図２において、４ｚはタービンロータ２の回転中心であり、タービン翼部２１とロータ軸４とを図のＮ矢印のように回転させながら、次のようにして電子ビームを放射することにより電子ビーム溶接を行なう。

２５，２５は電子ビームを放射する電子銃で、前記ロータ軸４の両側の回転中心４ｚに対称位置に対をなして配置されている。そして、この第２実施例においては、前記のように対をなして配置された電子銃２５，２５から、前記ロータ軸４とタービン翼部２１との溶接接合部２４の周方向において互いに反対側の２箇所の外周面４ｂに電子ビーム２５ｂ，２５ｂを放射する。
さらに該電子ビーム２５ｂ，２５ｂの放射方向を、対をなす前記電子銃２５，２５の電子ビーム発射中心と前記タービンロータ２の回転中心４ｚとを結ぶ電子銃中心線２５ｚと電子ビーム２５ｂ，２５ｂの放射中心線とのなす角を、前記タービン翼部２１及びロータ軸４の回転方向Ｎに対して後退する方向の後退角αに保持して電子ビーム２５ｂ，２５ｂを放射する。

かかる第２実施例によれば、電子ビーム溶接を、前記ロータ軸４とタービン翼部２１との溶接接合部２４の周方向において互いに反対側の２箇所に電子ビーム２５ｂ，２５ｂを放射するように、該電子ビーム２５ｂ，２５ｂを放射する電子銃２５，２５をロータ軸４の両側に対をなして配置し、対をなす前記電子銃２５，２５の電子ビーム発射中心とタービンロータ２の回転中心４ｚとを結ぶ電子銃中心線２５ｚと電子ビーム２５ｂ，２５ｂの放射中心線とのなす角を、タービンロータ２の回転方向Ｎに対して後退する方向の後退角αに保持して電子ビーム２５ｂ，２５ｂを放射することにより行なうので、前記電子ビーム２５ｂ，２５ｂを前記後退角αにて放射することにより、溶接接合部２４の単位面積当たりの電子ビームパワーの分散を図ることが可能となり、ワーク（タービン翼部２１及びロータ軸４）の進行方向（回転方向Ｎ）に対して電子ビーム２５ｂ，２５ｂのビードが集中せずに均一化される。

また、前記後退角αを保持して電子ビーム２５ｂ，２５ｂをワーク（タービン翼部２１及びロータ軸４）の表面に放射するので、従来技術のような電子ビームをワークの表面に直角に放射する場合に比べて、電子ビーム２５ｂ，２５ｂのビードの方向性を目標方向に正確に保持し易く、且つワーク上の溶融金属の流動が前記後退角αの方向に安定して行なわれるので、電子ビーム２５ｂ，２５ｂの溶接接合部２４における溶融金属の流れが一方向に安定して行なわれる。
以上により、電子ビームによる溶接接合をワーク（タービン翼部及びロータ軸）の全周に亘ってむらなく均一に行なうことができる。

本発明によれば、タービン翼部とロータ軸とを電子ビーム溶接によるロータ軸のシール部材嵌挿用のリング状溝の変形を防止して、かかる変形に伴うシール部からのガス洩れやシール部材の嵌合不良による該シール部材の焼付き等の不具合の発生を回避し得て、高い加工精度の高品質のタービンロータを得ることを可能としたタービンロータの製造方法を提供できる。

本発明の第１実施例に係る排気ターボ過給機用タービンロータの製作手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施例に係る前記タービンロータの電子ビーム溶接時における電子ビームの放射状況の説明図で、タービンロータの軸心に直角方向に見た図である。 本発明が適用されるタービンロータの側面図である。 本発明が適用される排気ターボ過給機のタービンロータの軸心に沿う断面である。 従来技術を示す図１対応図である。

１ タービンハウジング
２ タービンロータ
２１ タービン翼部
２２，２３ 溝
２４ 溶接接合部
２５ 電子銃
２５ｂ 電子ビーム
３ コンプレッサホイール
４ ロータ軸
４ｚ 回転中心
５ コンプレッサハウジング
６ 軸受箱
７ 軸受

Claims (2)

1. タービン翼部と該タービン翼部寄りの外周に１個または軸方向に沿って複数個の溝が刻設されたロータ軸とを、前記タービン翼部及びロータ軸を回転させながら電子ビーム溶接により接合するタービンロータの製造方法であって、
   前記ロータ軸に前記溝の加工を除いた第１次加工を施してから、該ロータ軸に表面硬化処理を施し、次いで、かかる表面硬化処理後のロータ軸について外表面の研削仕上げを行いロータ軸の半製品を製作し、その後、別個に製作した前記タービン翼部を電子ビーム溶接により接合して前記タービンロータの半製品を製作し、次いで前記半製品のタービンロータのタービン翼部に研削を施してから前記溝の加工形成を施し、その後、前記溝の外周部に研削加工を施して完成するとともに、
   前記電子ビーム溶接は、前記ロータ軸とタービン翼部との溶接接合部の周方向において互いに水平方向で反対側の２箇所に電子ビームを放射するように、該電子ビームを放射する電子銃を前記ロータ軸の両側に対をなして配置し、対をなす前記電子銃の電子ビーム発射中心と前記タービンロータの中心とを結ぶ電子銃中心線と電子ビームの放射中心線とのなす角を、前記タービン翼部及びロータ軸の回転方向に対して後退する方向の後退角αに保持して電子ビームを放射することを特徴とするタービンロータの製造方法。
2. タービン翼部と該タービン翼部寄りの外周に１個または軸方向に沿って複数個の溝が刻設されたロータ軸とを、前記タービン翼部及びロータ軸を回転させながら電子ビーム溶接により接合する排気ターボ過給機用タービンロータの製造方法であって、
   前記ロータ軸を前記溝の加工を除いた第１次加工を施してから、該ロータ軸に表面硬化処理を施し、次いで、かかる表面硬化処理後のロータ軸について外表面の研削仕上げを行いロータ軸の半製品を製作し、その後、別個に製作した前記タービン翼部を電子ビーム溶接により接合して前記タービンロータの半製品を製作し、次いで前記半製品のタービンロータのタービン翼部に研削を施してから前記溝の加工形成を施し、その後、前記溝の外周部に研削加工を施し、前記電子ビーム溶接にあたっては、前記ロータ軸とタービン翼部との溶接接合部の周方向において互いに水平方向で反対側の２箇所に電子ビームを放射するように、該電子ビームを放射する電子銃を前記ロータ軸の両側に対をなして配置し、対をなす前記電子銃の電子ビーム発射中心と前記タービンロータの中心とを結ぶ電子銃中心線と電子ビームの放射中心線とのなす角を、前記タービン翼部及びロータ軸の回転方向に対して後退する方向の後退角αに保持して電子ビームを放射することを特徴とする排気ターボ過給機用タービンロータの製造方法。

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