JP7061939B2

JP7061939B2 - インペラの製造方法

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Publication number: JP7061939B2
Application number: JP2018137829A
Authority: JP
Inventors: 達也石丸; 孝造本村; 勇希別所
Original assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2022-05-02
Anticipated expiration: 2038-07-23
Also published as: JP2020016157A

Description

この発明は、例えば、過給機、圧縮機、ポンプなどの流体機械に搭載される流体機械用部品の製造に適した流体機械用部品の製造方法に関する。

従来、流体機械用部品の製造方法としては、特開平６－３２８１９２号公報（特許文献１）に開示されているように、複雑に湾曲する複数の羽根板を備えるインペラを鋳造で製造する方法がある。この鋳造は、金型内のキャビティに中子を収容した状態で行われる。

上記中子には複数の溝が設けられており、この溝に注入された溶湯が冷えて固まって、インペラの羽根板が形成される。すなわち、上記中子は、インペラの羽根板と同様に複雑に湾曲する溝を有する。このため、上記中子を複数の分割片を構成する方法が採用されている。

特開平６－３２８１９２号公報

しかしながら、上記従来の流体機械用部品の製造方法には、複数の分割片を組み合わせて中子を形成するため、製造工程数が増加して、製造効率が低下してしまうという問題があった。

そこで、この発明の課題は、製造効率を向上させることができる流体機械用部品の製造方法を提供することにある。

この発明の一態様の流体機械用部品の製造方法は、
周方向に間隔をあけて配置された複数の羽根板を備える流体機械用部品を製造する流体機械用部品の製造方法であって、
第１中子成形型と第２中子成形型とを組み合わせて、上記第１中子成形型と上記第２中子成形型との間にキャビティを形成すると共に、このキャビティに複数の羽根板模型を配置する工程と、
上記第１中子成形型と上記第２中子成形型との間の上記キャビティに中子砂を充填する工程と、
上記中子砂を硬化させて中子にした後、上記第１，第２中子成形型から上記中子を取り出す工程と、
第１鋳型と第２鋳型とを組み合わせて、上記第１鋳型と上記第２鋳型との間にキャビティを形成すると共に、このキャビティに上記中子を収容する工程と、
上記第１鋳型と上記第２鋳型との間の上記キャビティに、上記流体機械用部品の材料である溶湯を注入する工程と
を備え、
上記羽根板模型は、少なくとも一部が上記羽根板と同一形状に形成され、可撓性を有する。

上記態様によれば、上記第１，第２中子成形型から中子を取り出すとき、羽根板模型の少なくとも一部の形状が羽根板と同一形状であるので、中子から羽根板模型を離すと、羽根板と同一形状の例えば溝または貫通孔を中子に形成することができる。

また、上記羽根板を例えば複雑に湾曲させる場合、羽根板模型も複雑に湾曲させることになるが、羽根板模型が可撓性を有するので、中子を壊すことなく、中子から羽根板模型を引き離すことができる。したがって、従来（特開平６－３２８１９２号公報）のような分割片で中子を形成しなくて済むので、製造効率を向上させることができる。

一態様の流体機械用部品の製造方法では、
上記羽根板模型はゴムから成る。

上記態様によれば、上記羽根板模型をゴムで構成するので、羽根板模型の製造コストの上昇を抑制することができる。

一態様の流体機械用部品の製造方法では、
上記羽根板模型の曲げ弾性率は４５０ＭＰａ～６００ＭＰａの範囲内である。

上記態様によれば、上記中子に羽根板模型で溝または貫通孔を形成する場合、羽根板模型の曲げ弾性率が６００ＭＰａ以下であるので、中子を壊さことなく、中子から羽根板模型を引き離し易くなる。

また、その場合、羽根板模型の曲げ弾性率が４５０ＭＰａ以上であるので、中子砂が硬化する前に、羽根板模型が変形するのを防ぐことができる。

一態様の流体機械用部品の製造方法では、
上記流体機械用部品はインペラである。

上記態様によれば、上記流体機械用部品はインペラであるので、インペラの製造効率を向上させることができる。

一態様の流体機械用部品の製造方法では、
上記インペラは、上記羽根板の回転軸方向の一方側に配置された第１シュラウドと、上記羽根板の回転軸方向の他方側に配置された第２シュラウドとを有する。

上記態様によれば、上記インペラは、第１，第２シュラウドを有するので、クローズタイプのインペラである。したがって、上記クローズタイプのインペラの製造効率を向上させることができる。

一態様の流体機械用部品の製造方法では、
上記キャビティに上記中子砂を充填するとき、圧縮空気を用いて、上記中子砂を上記キャビティに吹き込む。

上記態様によれば、上記圧縮空気で中子砂をキャビティに吹き込むことにより、中子の表面粗度および寸法精度が良好となる。
一態様の流体機械用部品の製造方法では、
上記キャビティに上記複数の羽根板模型を配置するとき、上記各羽根板模型の上記第１中子成形型側の縁部は、上記第１中子成形型の上記キャビティ側の表面に設けられた溝に嵌合させる一方、上記各羽根板模型の上記第２中子成形型側の縁部は、上記第２中子成形型の上記キャビティ側の表面に設けられた溝に嵌合させる。

この発明の流体機械用部品の製造方法は、少なくとも一部が羽根板と同一形状に形成され、可撓性を有する羽根板模型を用いることによって、中子を複数の分割片で構成しなくてもよくなるので、製造効率を向上させることができる。

この発明の一実施形態のインペラの製造方法で製造するインペラの概略斜視図である。上記インペラの他の状態の概略斜視図である。中子成形装置の概略構成図である。中子用木型の模式縦断面図である。上記製造方法で使用する中子の概略斜視図である。インペラ用砂型の模式縦断面図である。

以下、この発明の流体機械用部品の製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。この説明において、回転軸方向とはインペラの回転軸に平行な方向を指す。また、以下の説明において、径方向とは、インペラの回転軸方向に垂直な方向を指す。なお、図面において、同一の参照番号は、同一部分または相当部分を表わすものである。

図１は、この発明の一実施形態のインペラの製造方法で製造するインペラ１を斜め上方から見た概略斜視図である。また、図２は、インペラ１の内部構造を分かり易くするため、図１から第１シュラウド１１の一部を除去した図である。なお、インペラ１は流体機械用部品の一例である。

インペラ１は、クローズタイプであって、図１,図２に示すように、複数の羽根板１０と、羽根板１０の回転軸方向の一方側に配置された第１シュラウド１１と、羽根板１０の回転軸方向の他方側に配置された第２シュラウド１２とを備える。このインペラ１は、流体機械の一例としての渦巻きポンプ（図示せず）に搭載され、回転方向Ｒに回転駆動されるものである。

複数の羽根板１０は、回転方向Ｒに互いに間隔をあけて設けられている。各羽根板１０は、第１，第２シュラウド１１，１２の径方向外側の部分から第１，第２シュラウド１１，１２の径方向内側の部分へ向かって湾曲しながら延びている。より詳しく説明すると、各羽根板１０において、径方向外側の端１０ａの長さは、径方向内側の端１０ｂの長さよりも短くなっている。各羽根板１０の回転方向Ｒ側の表面１０ｃと、各羽根板１０の回転方向Ｒ側とは反対側の表面１０ｄとは、流体の一例としての液体を案内する面である。ここで、第２シュラウド１２の羽根板１０側の表面に対する各羽根板１０の回転方向Ｒ側の表面１０ｃの傾斜角θは、径方向内側に近づくにしたがって徐々に小さくなっている。別の言い方をすれば、各羽根板１０は、径方向外側の端１０ａよりも、径方向内側の端１０ｂの方が、第２シュラウド１２側に倒れ込むように形成されている。

第１シュラウド１１は、円錐台形筒状に形成されて、羽根板１０側の外径は、羽根板１０側とは反対側の外径よりも、大きくなっている。第１シュラウド１１の羽根板１０側とは反対側の端部には、円形状の吸込口１３が設けられている。インペラ１が回転方向Ｒに回転駆動されると、インペラ１は吸込口１３を介して液体を吸い込む。このとき、インペラ１内に流入した液体は、各羽根板１０に案内されて、インペラ１の外周縁部に設けられた複数の吐出口１４から排出される。なお、各吐出口１４は、回転方向Ｒにおいて隣り合う２つの羽根板１０の径方向外側の端１０ａと、第１シュラウド１１の外周縁部の一部と、第２シュラウド１２の外周縁部の一部とで画定される。

第２シュラウド１２は円板形状を呈する。この第２シュラウド１２の径方向の中央部は、第１シュラウド１１側に突出する円筒形状のボス部１２ａとなっている。このボス部１２ａには、渦巻きポンプが搭載する電動機（図示せず）の回転軸が連結される。また、ボス部１２は、各羽根板１０の径方向内側の端１０ｂとの間に間隔を有する。

図３は、中子成形装置２の概略構成図である。

中子成形装置２は、ブローヘッド２１と、混練砂１０１を生成する混練部２２とを備え、中子４のブロー造型を行う。なお、混練砂１０１は中子砂の一例である。

ブローヘッド２１には、混練部２２で生成された混練砂１０１が供給される。この混練砂１０１はブローヘッド２１内部の収容室（図示せず）に収容される。混練砂１０１の押し出しには圧縮空気が使用される。すなわち、上記収容室に供給する圧縮空気の圧力により、混練砂１０１がブローヘッド２１外に押し出されるようになっている。

混練部２２では、例えば人口砂およびフェノール樹脂を撹拌部材２３で撹拌して、混練砂１０１を生成する。

また、ブローヘッド２１下には、中子用木型３が配置される。この中子用木型３は、木製の下木型３１と、この下木型３１上に載置される木製の上木型３２とを備える。この下木型３１と上木型３２との間にはキャビティ３３が形成されており、ブローヘッド２１からの混練砂１０１がキャビティ３３に吹き込まれる。なお、下木型３１は第１中子成形型の一例である。また、上木型３２は第２中子成形型の一例である。

また、中子成形装置２は、ガスボックス２４を用いて、キャビティ３３に吹き込まれた混練砂１０１を硬化させる。

より詳しく説明すると、混練砂１０１がキャビティ３３に吹き込まれた後、中子用木型３はガスボックス２４内に搬入される。このとき、中子用木型３はガスボックス２４内のガス供給ヘッド２５下に配置して、ガス供給ヘッド２５からキャビティ３３にギ酸ガスを供給できるようにする。

なお、中子用木型３から排気されたギ酸ガスは、排気ダクト２６により、所定場所に案内される。

図４は、中子用木型３の縦断面を模式的に示す図である。

中子用木型３の下木型３１は、キャビティ３３の大部分を構成する空間を上木型３２側に有する。この下木型３１には、ギ酸ガスをキャビティ３３外に排気するためのベントホール３５が例えば複数設けられている。

一方、中子用木型３の上木型３２は、キャビティ３３の残りの部分を構成する貫通孔が設けられている。上木型３２の上面ではキャビティ３３が開口しており、中子用木型３上からキャビティ３３への混練砂１０１の吹き込みが可能となっている。

また、下木型３１と上木型３２との間のキャビティ３３には、インペラ１の羽根板１０と同様に、周方向に間隔をあけて複数の羽根板模型３４が配置される。各羽根板模型３４は、ゴムから成って可撓性を有する。また、各羽根板模型３４の曲げ弾性率は４５０ＭＰａ～６００ＭＰａの範囲内に設定され。

また、各羽根板模型３４の下縁部は、下木型３１の上面（上木型３２側の表面）に設けられた溝３１ａに嵌合する。一方、各羽根板模型３４の上縁部は、上木型３２の下面（下木型３１側の表面）に設けられた溝３２ａに嵌合する。また、羽根板模型３４は、キャビティ３３に面する部分３４ａがインペラ１の羽根板１０の形状と同形状となるように形成されている。

なお、上木型３２において溝３２ａが設けられている部分は、縦断面形状が円弧状で描かれているが、その部分の実際の縦断面形状は直線状である。

図５は、中子４を斜め上方から見た概略斜視図である。この図５では、１つの貫通孔４１だけ、中子４内の形状を点線で示している。

中子４は、吸込口１３を形成するための吹込口形成部４ａと、第１シュラウド１１を形成するための環状の第１シュラウド形成部４ｂと、第２シュラウド１２を形成するための板状の第２シュラウド形成部４ｃとを有する。この中子４の形状は、円錐台と円柱とを組み合わせて得られるような形状である。

吹込口形成部４ａは、平面視が円形状を呈する。この吹込口形成部４ａの表面の中心またはその近傍を中子４の中心軸が通るようになっている。また、吹込口形成部４ａの表面は、中子４の中心軸が直交または略直交する平坦面となるように形成されている。

第１シュラウド形成部４ｂは、吹込口形成部４ａを取り囲んでいる。この第１シュラウド形成部４ｂの表面は、円錐台面であって、第１シュラウド１１の内面を定める。

第２シュラウド形成部４ｃは、第１シュラウド形成部４ｂ下に位置設けられている。この第２シュラウド形成部４ｃの表面は、第２シュラウド１２の内面を定める。

また、中子４には、羽根板模型３４の部分３４ａの形状が転写されている。すなわち、中子４は、羽根板模型３４の部分３４ａと同形状に形成された貫通孔４１を複数有する。この複数の貫通孔４１は、インペラ１の羽根板１０と同様に、中子４の周方向に間隔をあけて設けられている。各貫通孔４１は、一端が第１シュラウド形成部４ｂの表面で開口すると共に、他端が第２シュラウド形成部４ｃの表面で開口する。

なお、４ｄは、第１シュラウド形成部４ｂの外周縁部と第２シュラウド形成部４ｃの外周縁部とを接続する接続部である。

図６は、インペラ用砂型５の縦断面を模式的に示す図である。

インペラ用砂型５は、下砂型５１と、この下砂型５１上に載置される上砂型５２とを有する。この下砂型５１と上砂型５２との間のキャビティ５３は、中子４を収容する。このとき、吹込口形成部４ａおよび第１シュラウド形成部４ｂは下砂型５１側に配置される一方、第２シュラウド形成部４ｃは上砂型５２側に配置される。なお、下砂型５１は第１鋳型の一例である。また、上砂型５２は第２鋳型の一例である。

このように、中子４がキャビティ５３に収容された状態で、溶湯が上砂型５２の注入口５４からキャビティ５３に注入される。その後、上記溶湯が冷えて固化すると、金属製のインペラ１が得られる。

以下、上記構成の中子成形装置２、中子用木型３およびインペラ用砂型５を用いて、インペラ１を製造する方法について説明する。

まず、図４に示すように、下木型３１と上木型３２とを組み合わせて、下木型３１と上木型３２との間にキャビティ３３を形成する。このとき、キャビティ３３の周方向に間隔をあけて、羽根板模型３４を配置する。

次に、図３に示すように、下木型３１および上木型３２を有する中子用木型３を、ブローヘッド２１下に配置した後、ブローヘッド２１からキャビティ３３へ混練砂１０１を吹き込む。これにより、混練砂１０１がキャビティ３３に充填される。

次に、ガスボックス２４内に中子用木型３を搬入すると共に、ガス供給ヘッド２５下に中子用木型３を配置して、ガス供給ヘッド２５からキャビティ３３にギ酸ガスを供給する。これにより、混練砂１０１が硬化して中子４となる。

次に、中子用木型３を分解し、下木型３１および上木型３２から、図４に示す中子４を取り出す。

次に、図６に示すように、下砂型５１と上砂型５２とを組み合わせて、下砂型５１と上砂型５２との間にキャビティ５３を形成すると共に、キャビティ５３に中子４を収容する。すなわち、インペラ用砂型５を作成する。

次に、インペラ１の材料である溶湯をキャビティ５３に注入して、冷やして、インペラ１の形状に固める。

最後に、中子４およびインペラ用砂型５を破壊して、インペラ用砂型５からインペラ１を取り出す。

このように、下木型３１および上木型３２から中子４を取り出すとき、羽根板模型３４の部分３４ａが羽根板１０と同一形状であるので、中子４から羽根板模型３４を離すと、羽根板１０と同一形状の貫通孔４１を中子４に形成することができる。

また、羽根板模型３４が複雑に湾曲しているが、羽根板模型３４が可撓性を有するので、中子４を壊すことなく、中子４から羽根板模型３４を引き離すことができる。したがって、中子４は、複数の分割片で構成しなくてもよく、一つの砂の塊で形成することができる。その結果、インペラ１の製造効率を向上させることができる。

また、羽根板模型３４はゴムで構成するので、羽根板模型３４の製造コストの上昇を抑制することができる。

また、羽根板模型３４の曲げ弾性率が６００ＭＰａ以下であるので、中子４から羽根板模型３４を引き離すとき、中子４が壊れる可能性を下げることができる。

また、その場合、羽根板模型３４の曲げ弾性率が４５０ＭＰａ以上であるので、混練砂１０１を硬化する前に、羽根板模型３４が変形するのを防ぐことができる。したがって、貫通孔４１と羽根板１０との形状差が出難くなる。

また、インペラ１は、第１,第２シュラウド１１,１２を有するので、いわゆるクローズタイプのインペラである。したがって、上述の製造方法を用いることにより、クローズタイプのインペラの製造効率を向上させることができる。

また、キャビティ３３に混練砂１０１を充填した後、キャビティ３３にギ酸ガスを流すので、混練砂１０１の硬化時間を縮めることができる。

また、上記圧縮空気を利用して、キャビティ３３に混練砂１０１を吹き込むので、中子４の表面粗度を下げたり、寸法精度を向上させたりすることができる。

上記実施形態では、インペラ１を製造していたが、上述と同様の方法で、流体機械用部品の一例としてのベーンケーシングを製造してもよい。このベーンケーシングは、例えば、周方向に間隔をあけて配置された複数のガイドベーン（羽根板）を備える。この場合、上記ガイドベーンの形状が、羽根板１０のように複雑な三次元形状であっても、ベーンケーシングを高効率で製造することができる。

上記実施形態では、渦巻きポンプに搭載するインペラを製造していたが、例えば、過給機、圧縮機などに搭載するインペラを製造してもよい。

上記実施形態では、クローズタイプのインペラ１を製造していたが、オープンタイプのインペラを製造してもよい。この場合、上記オープンタイプのインペラの羽根板が、羽根板１０のように複雑な三次元形状を有していても、オープンタイプのインペラを高効率で製造することができる。

上記実施形態では、液体の吸い込みが回転軸方向の一方側でのみで行われるインペラ１を製造していたが、液体の吸い込みが回転軸方向の両側で行われるインペラを製造してもよい。すなわち、この発明のインペラの製造方法は、いわゆる片側吸い込みのインペラに限らず、いわゆる両側吸い込みのインペラも製造することができる。

上記実施形態では、上縁部および下縁部以外の部分３４ａが羽根板１０と同一形状に形成された羽根板模型３４を用いていたが、全部が羽根板１０と同一形状に形成された羽根板模型を用いてもよい。このようにする場合、上記羽根板模型の全部が可撓性を有するようにしてもよい。

上記実施形態では、羽根板模型３４は、ゴムで形成されていたが、ゴム以外の可撓性材料で形成されるようしてもよい。すなわち、中子４の貫通孔４１を形成するための羽根板模型の材料は、ゴムに限定されず、可撓性の羽根板模型を形成できるのであれば、例えば、金属、樹脂などであってもよい。この樹脂の一例としては、ポリオール、イソシアネートおよびポリールの３液を混合して得るウレタン樹脂がある。

上記実施形態では、下木型３１および上木型３２と別体に形成された羽根板模型３４を用いていたが、第１，第２中子成形型の一方と一体に形成された羽根板模型を用いてもよい。このようにする場合、第１，第２中子成形型の一方と、羽根板模型とは、同一の材料（例えばゴム）で一体に形成してもよい。

上記実施形態では、キャビティ３３の形成に、下木型３１および上木型３２を用いていたが、例えば、金型、樹脂型などを用いてもよい。すなわち、下木型３１と上木型３２との少なくとも一方は、金型、樹脂型などに換えてもよい。

上記実施形態では、圧縮空気を利用して、キャビティ３３に混練砂１０１を吹き込んでいたが、例えば、作業者の手作業で、キャビティ３３に混練砂１０１を充填してもよい。すなわち、中子４は、ブロー造型品であったが、ブロー造型品でなくてもよい。

上記実施形態では、混練砂１０１の硬化時間を短縮するため、キャビティ３３にギ酸ガスを供給していたが、硬化対象の中子砂の種類に応じて他のガス（例えば炭酸ガス）を供給してもよい。

上記実施形態では、ブローヘッド２１は、ガスボックス２４外に設置されていたが、ガスボックス２４内に設置してもよい。このようにする場合、混練砂１０１の充填および硬化を連続的に行うことができる。

この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記実施形態で記載した内容の一部を削除または置換したものを、この発明の一実施形態としてもよい。

１インペラ
２中子成形装置
３中子用木型
４中子
４ａ吹込口形成部
４ｂ第１シュラウド形成部
４ｃ第２シュラウド形成部
４ｄ接続部
５インペラ用砂型
１１第１シュラウド
１０羽根板
１２第２シュラウド
１３吸込口
１４吐出口
２１ブローヘッド
２２混練部
２３撹拌部材
２４ガスボックス
３１下木型
３２上木型
３３キャビティ
３４羽根板模型
４１貫通孔
５１下砂型５１
５２上砂型
５３キャビティ
１０１混練砂

Claims

周方向に間隔をあけて配置された複数の羽根板を備える流体機械用部品を製造する流体機械用部品の製造方法であって、
第１中子成形型と第２中子成形型とを組み合わせて、上記第１中子成形型と上記第２中子成形型との間にキャビティを形成すると共に、このキャビティに複数の羽根板模型を配置する工程と、
上記第１中子成形型と上記第２中子成形型との間の上記キャビティに中子砂を充填する工程と、
上記中子砂を硬化させて中子にした後、上記第１，第２中子成形型から上記中子を取り出す工程と、
第１鋳型と第２鋳型とを組み合わせて、上記第１鋳型と上記第２鋳型との間にキャビティを形成すると共に、このキャビティに上記中子を収容する工程と、
上記第１鋳型と上記第２鋳型との間の上記キャビティに、上記流体機械用部品の材料である溶湯を注入する工程と
を備え、
上記羽根板模型は、少なくとも一部が上記羽根板と同一形状に形成され、可撓性を有することを特徴とする流体機械用部品の製造方法。
請求項１に記載の流体機械用部品の製造方法において、
上記羽根板模型はゴムから成ることを特徴とする流体機械用部品の製造方法。
請求項２に記載の流体機械用部品の製造方法において、
上記羽根板模型の曲げ弾性率は４５０ＭＰａ～６００ＭＰａの範囲内であることを特徴とする流体機械用部品の製造方法。
請求項１から３までのいずれか一項に記載の流体機械用部品の製造方法において、
上記流体機械用部品はインペラであることを特徴とする流体機械用部品の製造方法。
請求項４に記載の流体機械用部品の製造方法において、
上記インペラは、上記羽根板の回転軸方向の一方側に配置された第１シュラウドと、上記羽根板の回転軸方向の他方側に配置された第２シュラウドとを有することを特徴とするインペラの製造方法。
請求項１から５までのいずれか一項に記載の流体機械用部品の製造方法において、
上記キャビティに上記中子砂を充填するとき、圧縮空気を用いて、上記中子砂を上記キャビティに吹き込むことを特徴とする流体機械用部品の製造方法。
請求項１から６までのいずれか一項に記載の流体機械用部品の製造方法において、
上記キャビティに上記複数の羽根板模型を配置するとき、上記各羽根板模型の上記第１中子成形型側の縁部は、上記第１中子成形型の上記キャビティ側の表面に設けられた溝に嵌合させる一方、上記各羽根板模型の上記第２中子成形型側の縁部は、上記第２中子成形型の上記キャビティ側の表面に設けられた溝に嵌合させることを特徴とする流体機械用部品の製造方法。