JPWO2018154737A1 - インペラの製造方法 - Google Patents

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Abstract

このインペラ（１）の製造方法は、流路（１２）の入口及び出口が形成されたインペラ（１）の端部の少なくとも一方を補強する補強部（１１０）と、インペラ（１）と、が一体とされたインペラ成形体（１００）を、金属粉末を用いた積層造形法により形成するインペラ成形体形成工程と、インペラ成形体（１００）から補強部（１１０）を除去する除去工程と、を含む。

Description

この発明は、インペラの製造方法に関する。
例えば遠心圧縮機等の回転機械に用いられるインペラは、ディスクと、ブレードと、カバーとを備えている。ディスクは、回転機械に設けられる回転軸に固定される。ブレードは、ディスクの表面に、周方向に間隔を空けて複数が設けられる。カバーは、これらのブレードを、ディスクと反対側から覆っている。インペラは、ディスク、カバー、及び周方向で互いに隣り合うブレード同士の間が、流体が流通する流路とされている。
例えば、特許文献１には、積層造形法によりインペラを形成する方法が記載されている。積層造形法は、所望のインペラの形状に合わせて配置した金属粉末を、レーザ又は電子ビーム等による熱エネルギーにより焼結させる。金属粉末の配置及び焼結といった工程を順次繰り返すことで、焼結された金属粉末が積層され、所望の形状のインペラが形成される。
特開２０１６−３７９０１号公報
ところで、インペラにおいて、ディスクやカバーは、流路の入口や出口が形成された端部が薄くなっている。そのため、インペラの端部は金属紛体を積層していく過程で変形してしまう可能性がある。
本発明は、インペラの全体を積層造形法で形成しつつ、インペラの端部の変形を抑えて高精度な成形を行うことのできるインペラの製造方法を提供する。
本発明の第一の態様に係るインペラの製造方法は、軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、前記ディスクの軸線方向の第一側を向く面に対して前記軸線の周方向に間隔を空けて形成された複数のブレードと、これら複数のブレードを前記軸線方向の第一側から覆うカバーと、を有し、前記ディスク、前記カバー、及び前記ブレードの間に流路が形成されたインペラの製造方法であって、前記流路の入口及び出口が形成された前記インペラの端部の少なくとも一方を補強する補強部と、前記インペラと、が一体とされたインペラ成形体を、金属粉末を用いた積層造形法により形成するインペラ成形体形成工程と、前記インペラ成形体から前記補強部を除去する除去工程と、を含む。
このような構成によれば、積層造形法によってインペラを形成するときに、補強部が一体に形成されてインペラの端部が補強される。そのため、インペラ成形体形成工程時にインペラの端部が変形することが抑えられる。補強部を、インペラ成形体形成工程後にインペラ成形体から除去することで、所望の形状のインペラを形成することができる。
本発明の第二の態様に係るインペラの製造方法は、第一の態様において、前記補強部は、前記ディスク及び前記カバーの少なくとも一方と一体に形成されるようにしてもよい。
このような構成によれば、ディスク及びカバーの少なくとも一方が薄肉である場合に、補強部によって補強することができる。
本発明の第三の態様に係るインペラの製造方法では、第一または第二の態様において、前記補強部は、前記インペラの端部で前記流路を閉塞する位置に形成され、前記流路と外部とを連通する連通孔が形成されていてもよい。
このような構成によれば、流路の入口や出口が形成されているインペラの端部の特に強度の弱い部分を確実に補強することができる。さらに、インペラ成形体から補強部を除去する工程に先立ち、エアブロー等によって、連通孔を通して、未溶融で流路内に残存した金属粉末を除去することができる。
本発明の第四の態様に係るインペラの製造方法では、第一から第三の態様のいずれか一つにおいて、前記インペラ成形体形成工程は、前記流路の入口及び出口の内周面が鉛直方向及び水平方向に対して傾斜した状態となるように前記インペラ成形体の形成を行うようにしてもよい。
このような構成によれば、形成するインペラの形状に応じて、傾斜させた状態でインペラ成形体を形成することで、流路内の形状を含むインペラ全体の形状を積層造形法によって良好に形成することができる。
本発明の第五の態様に係るインペラの製造方法では、第一から第四の態様のいずれか一つにおいて、前記インペラ成形体形成工程は、筒状をなして前記インペラ成形体の外周部を支持するサポート部を前記補強部と一体に形成されていてもよい。
このような構成によれば、変形しやすいインペラの径方向の外側の端部を支持してより高い精度で変形を防ぐことができる。
本発明によれば、インペラの全体を積層造形法で形成しつつ、インペラの端部の変形を抑えて高精度な成形を行うことが可能となる。
この発明の実施形態におけるインペラの製造方法で製作するインペラを、インペラの軸線方向から見た図である。 図１に示したインペラを、インペラの軸線に沿った断面で見た断面図である。 この発明の実施形態におけるインペラの製造方法の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施形態におけるインペラの製造方法で形成したインペラ成形体を、インペラの軸線に沿った断面で見た断面図である。
以下、図面を参照して、本発明のインペラの製造方法、インペラ成形体を説明する。図１は、この発明の実施形態におけるインペラの製造方法で製作するインペラを、インペラの軸線方向から見た図である。図２は、図１に示したインペラを、インペラの軸線に沿った断面で見た断面図である。図３は、この発明の実施形態におけるインペラの製造方法の流れを示すフローチャートである。図４は、この発明の実施形態におけるインペラの製造方法で形成したインペラ成形体を、インペラの軸線に沿った断面で見た断面図である。
本実施形態において製造されるインペラは、例えば、遠心圧縮機等の回転機械に搭載される。図１、図２に示すように、インペラ１は、ディスク２と、ブレード３と、カバー４とを有している。
ディスク２は、軸線Ｏの延びる軸線Ｏ方向から見て略円形をなしている。ディスク２は、軸線Ｏを中心とした円盤状に形成されている。より具体的には、ディスク２は、軸線Ｏ方向の第一側（図２における上方）の端部２ａから第二側（図２における下方）の端部２ｂに向かうにつれて、軸線Ｏを中心とした径方向Ｄｒの寸法が次第に拡大するように形成されている。ディスク２は、軸線Ｏ方向の第一側（端部２ａ側）を向く面として、軸線Ｏ方向の第二側（端部２ｂ側）に向かって窪むように湾曲した湾曲面２３を備えている。
また、ディスク２の中央には、軸線Ｏ方向に貫通する軸挿通孔１１が設けられている。この軸挿通孔１１には、回転機械の回転軸（図示無し）が軸線Ｏ方向に挿入される。これによって、インペラ１は、回転機械の回転軸と一体に回転可能とされている。
ブレード３は、ディスク２の湾曲面２３から、軸線Ｏ方向の第一側に立ち上がるように形成される。ブレード３は、湾曲面２３に対して、軸線Ｏを中心とした周方向Ｄｃに間隔を空けて複数が形成されている。各ブレード３は、ディスク２から離間するように延びるとともに、ディスク２の径方向Ｄｒの内側（軸挿通孔１１側）から外側に向かって延びるよう形成される。
カバー４は、ディスク２の湾曲面２３に対し、軸線Ｏ方向に間隔をあけて設けられている。カバー４は、複数のブレード３を、軸線Ｏ方向の第一側から覆うように設けられている。カバー４は、軸線Ｏを中心とした円盤形状をなしている。具体的には、カバー４は、軸線Ｏ方向の第二側から第一側に向かうに従って漸次縮径する傘形状をなしている。カバー４の内周端部４１は、ディスク２の端部２ａとの間に、径方向Ｄｒに間隔を空けて配置されている。これにより、カバー４の内周端部４１とディスク２の端部２ａとの間は、軸線Ｏ方向の第一側に向かって開口している。また、カバー４は、ディスク２の端部２ｂとの間に、軸線Ｏ方向に間隔を空けて配置されている。これにより、カバー４の外周端部４２とディスク２の端部２ｂとの間は、径方向Ｄｒの外側に向かって開口している。
インペラ１は、ディスク２、カバー４、及びブレード３によって流路１２が内部に形成されている。流路１２は、ディスク２とカバー４との間において、周方向Ｄｃで互いに隣り合うブレード３によって画成されている。インペラ１は、周方向Ｄｃに複数の流路１２を有している。各流路１２は、ディスク２の端部２ａとカバー４の内周端部４１との間で、軸線Ｏ方向の第一側に向かって開口する流路入口１２ａを有している。また、各流路１２は、ディスク２の端部２ｂとカバー４の外周端部４２との間で、径方向Ｄｒの外側に向かって開口する流路出口１２ｂを有している。インペラ１では、流路入口１２ａが形成された端部を入口側端部１ａと称する。また、インペラ１では、流路出口１２ｂが形成された端部を出口側端部１ｂと称する。また、流路１２の内周面１２３は、ディスク２の湾曲面２３、カバー４の軸線Ｏ方向の第二側を向く面、及びブレード３の周方向を向く面で構成されている。
ディスク２とカバー４との間隔は、径方向Ｄｒの内側から外側に向かって、漸次狭くなるよう形成されている。また、周方向Ｄｃで互いに隣り合うブレード３同士の周方向Ｄｃにおける間隔（以下、これを流路幅と称する）は、流路入口１２ａから流路出口１２ｂに向かって漸次広くなるよう形成されている。各流路１２は、流路入口１２ａから流路出口１２ｂに向かって、その流路断面積が漸次小さくなるよう形成されている。
次に、上記インペラ１の製作方法について説明する。
図３に示すように、本実施形態におけるインペラ１の製造方法は、インペラ成形体形成工程Ｓ１と、ＨＩＰ処理工程Ｓ２と、除去工程Ｓ３と、流路研磨工程Ｓ４と、を含んでいる。
インペラ成形体形成工程Ｓ１は、図４に示すようなインペラ成形体１００を、金属粉末を用いた積層造形法により形成する。インペラ成形体１００は、入口側端部１ａ及び出口側端部１ｂの少なくとも一方を補強する補強部１１０と、インペラ１と、が一体に形成されている。
本実施形態の補強部１１０は、出口側端部１ｂに形成されている。つまり、補強部１１０は、インペラ１の径方向Ｄｒ外側に形成される。補強部１１０は、出口側端部１ｂで流路１２を閉塞する位置に形成されている。補強部１１０は、ディスク２の端部２ｂ、及びカバー４の外周端部４２と一体をなして、周方向Ｄｃに連続する環状をなしている。補強部１１０は、ディスク２の端部２ｂと、カバー４の外周端部４２とを接続するよう、インペラ１の出口側端部１ｂと同じ厚さで形成されている。
また、補強部１１０には、流路１２と外部とを連通する連通孔１１１が形成されている。連通孔１１１は、補強部１１０を貫通し、各流路１２に連通している。
インペラ成形体形成工程Ｓ１は、金属粉末を用いた積層造形法により、補強部１１０とインペラ１とを一体に形成する。本実施形態のインペラ成形体形成工程Ｓ１は、インペラ１を形成する所定の金属粉末をベースプレート１２０上配置し、所望のインペラ成形体１００の断面形状に合わせてレーザ又は電子ビーム等の熱ネエルギーを照射する。この際、インペラ成形体１００がインペラ１の軸線Ｏが鉛直方向及び水平方向に対して傾斜するような姿勢となるように成形が行われる。具体的には、流路入口１２ａ及び流路出口１２ｂの内周面１２３が鉛直方向及び水平方向に対して所定の角度で傾斜した状態となるようにインペラ成形体１００の形成が行われる。ここで、所定の角度とは、積層造形法において流路１２内にサポート部を必要としないで流路１２の内周面１２３の形状を成形可能な角度である。このため、インペラ成形体１００を所定の角度で傾斜して支持できるように、インペラ成形体１００の外部を支持するサポート部１１２をインペラ成形体１００と共に成形する。
サポート部１１２は、筒状をなしてインペラ成形体１００の外周部を下方から支持する。サポート部１１２は、予め用意したベースプレート１２０上に、積層造形法によって、インペラ成形体１００とともに形成される。サポート部１１２は、ベースプレート１２０から上方に延びるように形成される。本実施形態のサポート部１１２は、補強部１１０と一体に形成される。
インペラ成形体形成工程Ｓ１では、金属粉末に熱ネエルギーが照射されることで、金属粉末は焼結する。その後、再び、金属粉末を配置し、熱ネエルギーを照射する。このように、金属粉末の配置と熱ネエルギーの照射を順次繰り返すことで、所望の形状を備えたインペラ成形体１００がサポート部１１２と一体に積層造形される。
なお、インペラ成形体１００を形成するに際しては、図４に示した以外場所でインペラ成形体１００をベースプレート１２０に対して支持するためにサポート部を適宜形成してもよい。
上述したような粉体積層造形法によって、ベースプレート１２０上に、インペラ成形体１００及びサポート部１１２が形成された後に、ベースプレート１２０とインペラ成形体１００をワイヤーカット等によって切り離す。この際、サポート部１１２の大部分もインペラ成形体１００から切り離すことが好ましい。
その後、ＨＩＰ処理工程Ｓ２に先立ち、インペラ成形体形成工程Ｓ１の成形時に未溶融で残存した金属粉末を除去する。これには、インペラ成形体１００に対し、エアブロー装置によって空気を噴射し、残存した金属粉末を吹き飛ばすことが好ましい。各流路１２に対して、流路入口１２ａ側からエアブロー装置で空気を噴射すると、流路１２内に残存した金属粉末を、連通孔１１１を外部に除去することができる。また、連通孔１１１を通して流路出口１２ｂ側から流路１２に空気を噴射し、金属粉末を流路入口１２ａから除去することもできる。
その後、ＨＩＰ処理工程Ｓ２を実施する。ＨＩＰ処理工程Ｓ２は、インペラ成形体形成工程Ｓ１で形成されたインペラ成形体１００を、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）によって処理する。ＨＩＰ処理工程Ｓ２は、積層造形されたインペラ成形体１００を、アルゴン等の不活性ガスを満たした圧力容器（図示無し）内に収容し、所定の温度下で加圧する。これにより、インペラ成形体１００に、不活性ガスを圧力媒体として等方的な圧力を印加する。この熱間等方圧加圧法により、インペラ成形体形成工程Ｓ１によって形成されたインペラ成形体１００中に生じた空隙が圧着される。
なお、ＨＩＰ処理工程Ｓ２は、サポート部１１２が切り離されていないインペラ成形体１００に対して実施しても良い。
除去工程Ｓ３は、インペラ成形体１００から補強部１１０を除去する。本実施形態の除去工程Ｓ３は、ＨＩＰ処理工程Ｓ２後に実施される。除去工程Ｓ３では、熱間等方圧加圧法によって処理されたインペラ成形体１００から、補強部１１０を、ワイヤーカット等の適宜手法によって除去する。これによって、インペラ１が得られる。
流路研磨工程Ｓ４は、除去工程Ｓ３後のインペラ１において、流路に砥粒を含んだ研磨流体を加圧しながら流通させて流動研磨を実施する。具体的には、流路研磨工程Ｓ４は、流路入口１２ａから流路出口１２ｂに向かって加圧しながら研磨流体を移動させる。これにより、流路１２の内周面１２３が研磨され、所定の表面粗さが得られる。
なお、流路研磨工程Ｓ４では、研磨流体が流路入口１２ａから流路出口１２ｂに向かうように加圧することに限定されるものではない。例えば、流路研磨工程Ｓ４は、研磨流体が流路出口１２ｂから流路入口１２ａに向かうように加圧して、流路１２内で研磨流体を往復移動させてもよい。
ここで、研磨前の状態において、積層造形法によって形成されたインペラ１の流路１２の内周面１２３は、切削加工等の機械加工でインペラ１を形成した場合に比べて、表面粗さが全体的に大きいだけでなく、領域ごとに表面粗さのばらつきも大きくなっている。このように表面粗さがばらついて大きい内周面１２３に対し、例えば、電解研磨や化学研磨で研磨を行うと、効率が悪く、内周面１２３の表面の凹凸を均等に除去することが難しい。これに対し、流動研磨を用いることで、積層造形法によって形成されたインペラ１の流路１２の内周面１２３の凹凸を効率的かつ均一に除去し、内周面１２３の全体に対して所望の表面粗さが得られる。
上述した実施形態のインペラの製造方法によれば、積層造形法によってインペラ１を形成する際に、補強部１１０が一体に形成されてインペラ１の出口側端部１ｂが補強される。これにより、インペラ成形体形成工程Ｓ１時にインペラ１の出口側端部１ｂが変形することが抑えられる。さらに、補強部１１０を、インペラ成形体形成工程Ｓ１後にインペラ成形体１００から除去することで、所望の形状のインペラ１を形成することができる。このようにして、インペラ１の全体を積層造形法で形成しつつ、インペラ１の端部の変形を抑えて高精度な成形を行うことが可能となる。
また、補強部１１０は、インペラ１の径方向Ｄｒ外側に設けられ、ディスク２及びカバー４と一体に形成される。このような構成によれば、ディスク２及びカバー４が薄肉である場合に、補強部１１０によってこれを補強することができる。そのため、ディスク２及びカバー４の変形が抑えられる。
また、補強部１１０は、流路出口１２ｂを塞ぐようにインペラ１の径方向Ｄｒ外側に設けられている。そのため、流路出口１２ｂが形成されてディスク２やカバー４が薄肉になっている出口側端部１ｂが補強される。したがって、特に強度の弱い部分を確実に補強することができる。
また、補強部１１０は、流路１２に連通する連通孔１１１を有している。このような構成によれば、エアブロー等によって、連通孔１１１を通して、未溶融で流路１２内に残存した金属粉末を除去することができる。したがって、インペラ成形体１００を熱処理するに先だって、残存した金属粉末を効率良く除去することができる。
また、インペラ成形体１００を積層造形法により形成する工程では、傾斜した状態でインペラ成形体１００を形成することで、流路１２内の形状を含むインペラ１全体の形状を積層造形法によって良好に形成することができる。
さらに、インペラ成形体１００の外周部を、筒状のサポート部１１２で支持しながらインペラ成形体１００の形成を行うようにした。このような構成によれば、積層造形法によるインペラ成形体１００の形成中に、インペラ成形体１００を傾斜した状態で全周にわたって支持することができる。したがって、変形しやすいインペラ１の径方向の外側の端部を全周にわたって支持して変形を防ぎつつ、インペラ１全体を積層造形法によって良好に形成することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
例えば、インペラ１の形状や材質等は、特に限定するものではない。
また、本実施形態では、補強部１１０は、ディスク２及びカバー４の両方と一体に形成されているが、補強部１１０は、このような構造に限定されるものではない。補強部１１０は、ディスク２及びカバー４の少なくとも一方と一体に形成されていればよい。
上記したインペラの製造方法によれば、インペラの全体を積層造形法で形成しつつ、インペラの一部の変形を抑えて高精度な成形を行うことができる。
１ インペラ
２ ディスク
２ａ、２ｂ 端部
３ ブレード
４ カバー
１１ 軸挿通孔
１２ 流路
１２ａ 流路入口
１２ｂ 流路出口
２３ 湾曲面（第一面）
４１ 内周端部
４２ 外周端部
１００ インペラ成形体
１１０ 補強部
１１１ 連通孔
１１２ サポート部
１２０ ベースプレート
Ｄｃ 周方向
Ｄｒ 径方向
Ｏ 軸線
Ｓ１ インペラ成形体形成工程
Ｓ２ ＨＩＰ処理工程
Ｓ３ 除去工程
Ｓ４ 流路研磨工程
本発明の第一の態様に係るインペラの製造方法は、軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、前記ディスクの軸線方向の第一側を向く面に対して前記軸線の周方向に間隔を空けて形成された複数のブレードと、これら複数のブレードを前記軸線方向の第一側から覆うカバーと、を有し、前記ディスク、前記カバー、及び前記ブレードの間に流路が形成されたインペラの製造方法であって、前記流路の入口及び出口が形成された前記インペラの端部の少なくとも一方を補強する補強部と、前記インペラと、が一体とされたインペラ成形体を、金属粉末を用いた積層造形法により形成するインペラ成形体形成工程と、前記インペラ成形体から前記補強部を除去する除去工程と、を含み、前記インペラ成形体形成工程は、前記流路の入口及び出口の内周面が鉛直方向及び水平方向に対して傾斜した状態となるように前記インペラ成形体の形成を行う。
このような構成によれば、積層造形法によってインペラを形成するときに、補強部が一体に形成されてインペラの端部が補強される。そのため、インペラ成形体形成工程時にインペラの端部が変形することが抑えられる。補強部を、インペラ成形体形成工程後にインペラ成形体から除去することで、所望の形状のインペラを形成することができる。
また、形成するインペラの形状に応じて、傾斜させた状態でインペラ成形体を形成することで、流路内の形状を含むインペラ全体の形状を積層造形法によって良好に形成することができる。
本発明の第四の態様に係るインペラの製造方法では、第一から第三の態様のいずれか一つにおいて、前記インペラ成形体形成工程は、筒状をなして前記インペラ成形体の外周部を支持するサポート部を前記補強部と一体に形成されていてもよい。

Claims (5)

  1. 軸線を中心とした円盤状をなすディスクと、前記ディスクの軸線方向の第一側を向く面に対して前記軸線の周方向に間隔を空けて形成された複数のブレードと、これら複数のブレードを前記軸線方向の第一側から覆うカバーと、を有し、前記ディスク、前記カバー、及び前記ブレードの間に流路が形成されたインペラの製造方法であって、
    前記流路の入口及び出口が形成された前記インペラの端部の少なくとも一方を補強する補強部と、前記インペラと、が一体とされたインペラ成形体を、金属粉末を用いた積層造形法により形成するインペラ成形体形成工程と、
    前記インペラ成形体から前記補強部を除去する除去工程と、を含むインペラの製造方法。
  2. 前記補強部は、前記ディスク及び前記カバーの少なくとも一方と一体に形成される請求項１に記載のインペラの製造方法。
  3. 前記補強部は、
    前記インペラの端部で前記流路を閉塞する位置に形成され、
    前記流路と外部とを連通する連通孔が形成されている請求項１または請求項２に記載のインペラの製造方法。
  4. 前記インペラ成形体形成工程は、前記流路の入口及び出口の内周面が鉛直方向及び水平方向に対して傾斜した状態となるように前記インペラ成形体の形成を行う請求項１から請求項３の何れか一項に記載のインペラの製造方法。
  5. 前記インペラ成形体形成工程は、筒状をなして前記インペラ成形体の外周部を支持するサポート部を前記補強部と一体に形成する請求項１から請求項４の何れか一項に記載のインペラの製造方法。
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