JP5100671B2

JP5100671B2 - プロペラ羽根の製造方法、プロペラ羽根及び送風機

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Publication number: JP5100671B2
Application number: JP2009013287A
Authority: JP
Inventors: 寛士後藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: JP2010169030A

Description

本発明は、プロペラ羽根の製造方法、プロペラ羽根及び該プロペラ羽根を備える送風機に関する。

従来、モータの回転軸に取着されるスパイダーと、このスパイダーに接合されるブレードとを備え、上記スパイダーと上記ブレードとの接合面に接着剤を塗布するとともに、上記接着剤により上記スパイダーの周側部をシールするようにし、上記スパイダーと上記ブレードとをスポット溶接またはリベットにより接合したプロペラ羽根が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、モータの回転軸に取着されるスパイダーと、このスパイダーに固着され、固着部分より回転方向に大きく突き出す先端部を持つブレードとを備え、回転により軸方向に送風するようにしたプロペラ羽根であって、上記スパイダーを上記ブレードより風の流れに対して下流側に配置するとともに、上記ブレードには絞り部を設け、この絞り部に下流側から上記スパイダーを面接触の関係に絞り込み、ブレード表面とスパイダー表面とがほぼ同一面となるよう金属用の接着剤を使って固着し、上記スパイダーと上記ブレードとをスポット溶接またはリベットにより接合したプロペラ羽根が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

上記のスパイダー部材としては、板厚約４ｍｍの高張力鋼板が用いられ、ブレード部材としては、板厚約１ｍｍの高張力鋼板が用いられている。また、スパイダーとボスの接合は、一般的に、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、リベット接合又はかしめ等により行なわれている。

実公平５−４５８３８号公報実公平７−２３６００号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、スパイダーとブレードの接合のために材料を重ね合わせている。そのため、材料歩留りが悪い、という問題があった。また、スパイダーとブレードとを重ね合わせた隙間に雨水が浸入しないように、溶接前に接着剤を塗布している。そのため、接着剤の材料費及び塗布する加工費が発生する、という問題があった。

また、従来のプロペラ羽根においては、スパイダーとブレードに対して、夫々個別に曲げ、絞り等の成形加工を行い、成形加工の後に、両者を組合わせ、溶接やリベット接合等の組立加工を行っていた。従って、例えば、ブレードが３枚のプロペラ羽根の場合には、スパイダー１回＋ブレード３回＝合計４回の曲げ・絞り加工が必要となり、加工の手間がかかっていた。

また、個別に曲げ、絞り加工を行ったスパイダーとブレードを重ね合わせるとき、スプリングバックの影響により、合わせ面形状を一致させることが難しく、プロペラ羽根の寸法精度が出ない。そのため、後工程でバランス修正作業が発生するという加工上の問題と、スパイダーとブレード間に隙間が生じて錆の原因になる、という品質上の問題があった。

上述の材料歩留り、錆、加工工数等の問題は、スパイダーとブレードとを突合せ溶接することにより解決することができるので、従来のＭＩＧ溶接又はＴＩＧ溶接による突合せ溶接が試行された。しかしながら、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接は、材料への入熱量が多いため、特に、薄板のブレード側の熱歪みが大きくなり、実用に適さなかった。そのため、スパイダーとブレードとの接合には、スポット溶接やリベット接合といった接合法を取らざるを得なかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、材料歩留りがよく、接着剤を用いる必要がなく、曲げ（及び絞り）加工工数が少なく、寸法精度が高い、プロペラ羽根の製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、平板状のスパイダー及び該スパイダーと板厚又は材質の異なる複数の平板状のブレードを準備する工程と、前記複数のブレードを前記スパイダーにレーザ溶接して平板状のプロペラ羽根を形成する工程と、前記平板状のプロペラ羽根を曲げ加工して立体的なプロペラ羽根を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、材料歩留りがよく、接着剤を用いる必要がなく、曲げ・絞り加工工数が少なく、寸法精度が高い、プロペラ羽根の製造方法が得られる、という効果を奏する。

図１は、本発明にかかるプロペラ羽根の製造方法の実施の形態１を従来方法と対比させて示す製造工程図である。図２は、実施の形態１のブレードの板取図である。図３は、実施の形態１のスパイダーの板取図である。図４−１は、ブレードとスパイダーとボスとを組合わせた実施の形態１のプロペラ羽根を示す平面図である。図４−２は、ブレードとスパイダーとボスとを組合わせた実施の形態１のプロペラ羽根を示す断面図である。図５−１は、下面合わせの突合せレーザ溶接方法を示す断面図である。図５−２は、下面合わせの突合せレーザ溶接後の溶接部の拡大断面図である。図６は、上面合わせの突合せレーザ溶接方法を示す断面図である。図７は、ワーク間に隙間を設けたレーザ溶接方法を示す断面図である。図８は、ブローホールを示す断面写真である。図９−１は、溶接端部に発生するノッチを示す断面写真である。図９−２は、ワークにタブを設けて溶接した状態を示す平面図である。図１０は、実施の形態１のタブ切断工程を示す平面図である。図１１は、タブ切断後の実施の形態１のプロペラ羽根を示す平面図である。図１２は、ボスとスパイダーとの実施の形態１のレーザ溶接方法を従来のＭＩＧ溶接方法と対比して示す断面図である。図１３−１は、ボスとスパイダーとの全周レーザ溶接方法を示す平面図である。図１３−２は、ボスとスパイダーとの全周レーザ溶接方法を示す断面図である。図１４は、ボスとスパイダーとの部分レーザ溶接方法を示す平面図である。図１５は、曲げ加工後の実施の形態１のプロペラ羽根を示す平面図である。図１６は、本発明にかかるプロペラ羽根の製造方法の実施の形態２の当て板を用いたレーザ溶接方法を示す図である。図１７は、本発明にかかるプロペラ羽根の製造方法の実施の形態３の重ねレーザ溶接方法を示す断面図である。図１８は、実施の形態１〜３のプロペラ羽根を備えた送風機を示す側面図である。

以下に、本発明にかかるプロペラ羽根の製造方法、プロペラ羽根及び送風機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるプロペラ羽根の製造方法の実施の形態１を従来方法と対比させて示す製造工程図であり、図２は、実施の形態１のブレードの板取図であり、図３は、実施の形態１のスパイダーの板取図であり、図４−１は、ブレードとスパイダーとボスとを組合わせた実施の形態１のプロペラ羽根を示す平面図であり、図４−２は、ブレードとスパイダーとボスとを組合わせた実施の形態１のプロペラ羽根を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、プレス機により、板厚約１．０ｍｍの高張力鋼板のコイル材１０から、プロペラ羽根１台につき３枚のブレード１１を打ち抜いて準備する。打ち抜かれた平板状のブレード１１には、凹円弧状の接合部１１ａの両端部に突起状のタブ１１ｂが形成されている。

また、図１及び図３に示すように、プレス機により、板厚約４．０ｍｍの高張力鋼板の定尺材或いはスケッチ材２０から、プロペラ羽根１台につき１枚のスパイダー２１を打ち抜いて準備する。打ち抜かれた平板状のスパイダー２１には、凸円弧状の接合部２１ａの両端部に突起状のタブ２１ｂが形成されている。また、旋盤等により、図示しない線材から、図４−２に示すような円筒状のボス３１を切り出して準備する。

実施の形態１のプロペラ羽根の製造方法では、図４−１に示すように、準備された平板状の３枚のブレード１１とスパイダー２１、スパイダー２１とボス３１とを組合せ、図１及び図４−２に示すように、レーザ溶接にて接合する。３種類の部品の組合せに際しては、各部品の相対位置が決まるような専用治具を用い、各部品をセットした状態でレーザ溶接を行なう。

図１に示すように、従来の技術では、スパイダーとボスをＭＩＧ溶接にて接合し、次に、スパイダーの曲げ加工を行い、別個に曲げ加工した３枚のブレードとの間に接着剤を塗布した上で、スポット溶接を行っていたが、実施の形態１では、上述のように、スパイダー２１及びブレード１１が平板の状態でレーザ溶接を行なっている。

レーザ溶接は、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ等の様々な方式が実用化されているが、本発明のプロペラ羽根の製造方法では、いずれの方式も利用可能である。実施の形態１では、ＣＯ_２レーザによる溶接を行なう。

図５−１は、下面合わせの突合せレーザ溶接方法を示す断面図である。溶接条件は、ワークの材質と板厚の組合せにより変わるが、例えば、板厚４ｍｍの高張力鋼板と板厚１ｍｍの高張力鋼板の溶接にＣＯ_２レーザを用いる場合は、４ｋＷ、１５００ｍｍ／ｍｉｎの条件で溶接を行なうことが可能である。

図５−１に示すように、薄板鋼板を突合わせてレーザ溶接を行なう場合、レーザ焦点位置を少し厚板側にずらし、厚板側を溶かして薄板側と接合するようにするとよい。焦点位置がずれて薄板側に焦点が当たると、入熱量が大きすぎて薄板側が溶け落ちるおそれがある。

逆に、厚板側に大きく焦点位置がずれると、溶融熱が薄板側に届かなくなる。上述の条件でレーザ溶接を行なう場合、レーザ焦点位置は、厚板端部（ワーク端面）から０．２５ｍｍ厚板側を狙い、端部からのずれ量を、一定の範囲内に収める。このようにすれば、図５−２に示すような、きれいな溶接部が得られる。

図６は、上面合わせの突合せレーザ溶接方法を示す断面図である。図６に示すように、ワーク上面を合わせた状態でレーザ溶接を行なうことも可能である。この場合も、レーザ焦点位置は、厚板端部（ワーク端面）から０．２５ｍｍ厚板側を狙い、端部からのずれ量を、一定の範囲内に収める。また、厚板中心と薄板中心を合わせた状態でレーザ溶接することも可能であり、製品機能や加工上の都合に合わせて適切な突合せ位置を選べばよい。

図７は、ワーク間に隙間を設けたレーザ溶接方法を示す断面図である。図７に示すように、薄板鋼板をレーザ溶接で突合せ溶接するとき、ワーク間の隙間は重要なポイントである。隙間の間隔が大きいと薄板側へ熱が伝わらず溶接不良となる。また、一見、溶着しているように見えても、溶融金属が不足してブローホール等の溶接欠陥が出やすい。

例えば、板厚４ｍｍの鋼板と板厚１ｍｍの鋼板とをＣＯ_２レーザで溶接する場合、ワーク間の間隔が０．４ｍｍまでは溶接可能であるが、０．４ｍｍを超えると溶接不良となる。また、間隔が０．２ｍｍ以上の箇所では、図８に示すようなブローホールが発生する。溶接時のワーク間隔は、極力ゼロとするのが望ましい。例えば、溶接前工程でプレス等によるせん断加工を行う場合は、ワーク間隔に影響するので、バリやカエリ等の発生を抑える必要がある。

レーザ溶接を行う場合、上述したように、レーザ光の焦点位置及びワーク間の間隔が重要である。従来の技術のように、各部品の曲げ（及び絞り）加工を行った後で突合せ溶接を行う場合、溶接線が３次元的になり、焦点位置を合わせるティーチング作業が難しい。また、各部品の端面を合わせることも難しく、溶接不良が発生し易い。実施の形態１では、平板状態でレーザ溶接を行った後に、プロペラ羽根の曲げ（及び絞り）加工を行うので、ワークの端面が合わせ易く、また、ティーチング作業が容易となる。

レーザ溶接により薄板鋼板の突合せ溶接を行なう場合、溶接線端部に、図９−１に示すような、ノッチと呼ばれる肉ヒケが発生し、プロペラ羽根の強度低下を引き起こす。実施の形態１では、接合部１１ａ、２１ａ（図２、図３参照）の両端部に突起状のタブ（余肉）１１ｂ、２１ｂを形成し、レーザ溶接後にタブ１１ｂ、２１ｂを切除することにより、この問題を解決した。

図９−２は、ワークにタブを設けてレーザ溶接した状態を示す平面図である。図９−２に示すタブ１１ｂ、２１ｂは、板厚１ｍｍと４ｍｍの場合のものであるが、Ｒ寸法を５ｍｍの半円状とした。タブ１１ｂ、２１ｂの大きさは、発生するノッチの大きさを考慮して決定する。タブ１１ｂ、２１ｂの大きさは、少なくとも発生するノッチ以上の大きさとする。

ブレード１１とスパイダー２１のレーザ溶接後にタブ１１ｂ、２１ｂを削除するが、タブ１１ｂ、２１ｂの削除方法としては、プレスによるせん断やレーザによる切断等がある。図１０は、実施の形態１のタブ切断工程を示す図である。切断刃Ａ及び切断刃Ｂを有するタブ切断用のパンチ４１を取付けたタブ切断型４０を用いることにより、２箇所のタブ１１ｂ、２１ｂを一度に切断することができる。３枚のブレード１１を有するプロペラ羽根９１の場合、プロペラ羽根９１を回転させながら３回のタブ切断を行えば、図１１に示すような、ノッチの無い平板状のプロペラ羽根９１が形成される。

従来の技術では、ボス３１とスパイダー２１とはＭＩＧ溶接、スパイダー２１とブレード１１とはスポット溶接で接合していたので、接合工程を分ける必要があった。実施の形態１の製造方法では、スパイダー２１とブレード１１とをレーザ溶接する際、スパイダー２１とボス３１も同時にレーザ溶接するようにし、接合工程を１工程に集約している。

図１２は、ボスとスパイダーとの実施の形態１のレーザ溶接方法を従来のＭＩＧ溶接方法と対比して示す断面図である。図１２に示すように、従来の技術のＭＩＧ溶接では、溶接棒を斜めにして溶接を行なっていた。実施の形態１のレーザ光による溶接では、図１２に示すように、（１）斜めにレーザ光を照射、（２）重ね溶接、（３）突合せ溶接等の溶接方法を行なうことができる。

（１）の場合には、レーザ光の照射位置により溶接条件が異なるが、（２）及び（３）の溶接方法を採用すれば、スパイダー２１とブレード１１の溶接条件と同一条件での溶接が可能である。例えば、スパイダー２１の板厚が４ｍｍの場合、ＣＯ_２レーザを使用すれば、４ｋＷ、１５００ｍｍ／ｍｉｎという条件で溶接を行なうことができる。

図１３−１は、ボスとスパイダーとの全周レーザ溶接方法を示す平面図であり、図１３−２は、ボスとスパイダーとの全周レーザ溶接方法を示す断面図であり、図１４は、ボスとスパイダーとの部分レーザ溶接方法を示す平面図である。プロペラ羽根９１の駆動時において、スパイダー２１とボス３１の接合部に発生する応力は、スパイダー２１とブレード１１の接合部に発生する応力に比べて低いので、必ずしも図１３−１及び図１３−２に示すような全周溶接とする必要はなく、図１４に示すような部分溶接としてもよい。

タブ切断が終了した平板状のプロペラ羽根９１は、プレス機と曲げ（及び絞り）型により、曲げ（及び絞り）加工を行う。図１５は、曲げ（及び絞り）加工後の実施の形態１のプロペラ羽根を示す平面図である。従来の技術では、スパイダー２１及びブレード１１を、溶接前に個別に曲げ加工していたが、実施の形態１では、一度で全ての曲げ（及び絞り）加工を行なうので、寸法精度が出し易く、きれいな曲面形状を出すことができる。また、曲げ（及び絞り）加工の寸法精度が良いので、従来行っていたバランス修正の工程を無くすことができる。

実施の形態２．
図１６は、本発明にかかるプロペラ羽根の製造方法の実施の形態２の当て板を用いたレーザ溶接方法を示す図である。レーザ溶接時のノッチ対策として、厚板側と同じ材質、板厚の当て板５０を、図１６に示すワークとの位置関係にセットする。レーザ溶接を行うとき、当て板５０の一部にもレーザ光が当たるようにティーチングを行い、当て板５０の一部を溶融させ、ワーク端部で不足する溶融金属を補うようにする。

溶接作業終了後、当て板５０とワークとが溶着しているため、次工程で当て板切断工程が必要となる。この場合、ワークセット時に、当て板５０との間にＣ＝０．５〜１．０ｍｍ程度の隙間を設けておけば、次工程での切断が容易である。当て板５０の切断方法は、プレスによるせん断、レーザ光による切断等があり、プレスによるせん断は、上述のタブ切断と同様の設備及び金型により行なうことができる。

実施の形態３．
図１７は、本発明にかかるプロペラ羽根の製造方法の実施の形態３の重ねレーザ溶接方法を示す断面図である。図１７に示すように、実施の形態３のプロペラ羽根９３は、スパイダー２３とブレード１３とを重ねてレーザ溶接している。この場合、レーザ光の焦点位置については、実施の形態１の突合せ溶接に比べ、厳しい管理が不要となるメリットがある。

また、従来の技術と同様に、スパイダー２３及びブレード１３の曲げ（及び絞り）加工を行った後にレーザ溶接を行なうことも可能である。ただし、スパイダー２３とブレード１３との間隙が大きいと、厚板（スパイダー２３）側に溶融熱が伝わらず溶接不良となることがあるので注意を要する。

例えば、板厚約４ｍｍのスパイダー２３と板厚約１ｍｍのブレード１３を重ね、ブレード１３側からＣＯ_２レーザを照射して重ね溶接を行なう場合、安定した溶接を行うために、間隙を０．２ｍｍ以内に収める必要がある。従って、ワーク形状、寸法及び歪み量に十分な注意を払い、溶接時のワークセット治具に歪みを矯正する機能を持たせる等の工夫が必要である。また、重ね溶接の場合には、溶接後、ワーク間の塗装がし難いので、耐食性に関して注意を要する。

図５−１に示す突合せ溶接の場合は、厚板側全てを溶かすレーザ出力が必要となるが、図１７に示す重ね溶接の場合は、厚板側全てを溶かす必要がないので、レーザ出力を落としたり、溶接速度をＵＰさせることができる。例えば、板厚約４ｍｍと約１ｍｍの鋼板をＣＯ_２レーザで溶接する場合、突合せ溶接の場合は、４ｋＷ、１５００ｍｍ／ｍｉｎの条件で溶接するが、重ね溶接の場合には、４ｋＷ、３０００ｍｍ／ｍｉｎの条件で溶接が可能である。

なお、以上説明した実施の形態１〜３のプロペラ羽根の製造方法では、スパイダー２１、２３の材質とブレード１１、１３の材質は、高張力鋼板としたが、本発明のプロペラ羽根の製造方法においては、スパイダー及びブレードの材質は、高張力鋼板に限られるものではなく、他の金属板であってもよい。また、スパイダーの材質とブレードの材質を異ならせてもよい。

実施の形態４．
図１８は、実施の形態１〜３のプロペラ羽根を備えた送風機を示す側面図である。送風機９０は、実施の形態１〜３の製造方法により製造したプロペラ羽根９１、９３と、プロペラ羽根９１、９３を回転軸９５に取付けたモータ９６と、モータ９６を左右上下に揺動させるブラケット９７と、ブラケット９７を支持するポール９８と、を備えている。

実施の形態４の送風機９０は、プロペラ羽根９１、９３を備えるので、バランス修正作業の頻度が少なく、寸法精度が高く、振動、騒音の少ない送風運転を行なうことができ、製品寿命が長い。

以上説明したように、本発明のプロペラ羽根の製造方法により、高品質、高強度で安価なプロペラ羽根を製造することができる。

１０コイル材
１１、１３ブレード
１１ａ接合部
１１ｂタブ
２０定尺材（スケッチ材）
２１、２３スパイダー
２１ａ接合部
２１ｂタブ
３１ボス
４０タブ切断型
４１パンチ
５０当て板
９０送風機
９１、９３プロペラ羽根
９５回転軸
９６モータ
９７ブラケット
９８ポール

Claims

平板状のスパイダー及び該スパイダーと板厚又は材質の異なる複数の平板状のブレードを準備する工程と、
前記複数のブレードを前記スパイダーにレーザ溶接して平板状のプロペラ羽根を形成する工程と、
前記平板状のプロペラ羽根を曲げ加工して立体的なプロペラ羽根を形成する工程と、
を含むことを特徴とするプロペラ羽根の製造方法。
前記複数のブレードを前記スパイダーに突合せレーザ溶接することを特徴とする請求項１に記載のプロペラ羽根の製造方法。
前記ブレード及びスパイダーの溶接部の端部にタブを設け、前記突合せレーザ溶接後に前記タブを除去することを特徴とする請求項２に記載のプロペラ羽根の製造方法。
前記ブレード及びスパイダーの溶接部の端部に当て板を配置し、前記突合せレーザ溶接後に前記当て板を除去することを特徴とする請求項２に記載のプロペラ羽根の製造方法。
前記複数のブレードを前記スパイダーに重ね合わせレーザ溶接することを特徴とする請求項１に記載のプロペラ羽根の製造方法。
前記複数のブレードを前記スパイダーにレーザ溶接して平板状のプロペラ羽根を形成する工程と同時に、前記スパイダーにボスをレーザ溶接することを特徴とする請求項１に記載のプロペラ羽根の製造方法。
請求項１〜６のいずれか一つに記載のプロペラ羽根の製造方法により製造されたプロペラ羽根。
請求項７に記載のプロペラ羽根を備えることを特徴とする送風機。