WO2005116454A1 - 過給機用羽根車およびその製造方法 - Google Patents

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WO2005116454A1
WO2005116454A1 PCT/JP2005/006107 JP2005006107W WO2005116454A1 WO 2005116454 A1 WO2005116454 A1 WO 2005116454A1 JP 2005006107 W JP2005006107 W JP 2005006107W WO 2005116454 A1 WO2005116454 A1 WO 2005116454A1
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WO
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mold
impeller
slide
blades
turbocharger
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PCT/JP2005/006107
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yasuhiro Kubota
Hirokazu Itoh
Original Assignee
Hmy, Ltd.
Hitachi Metals, Ltd.
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/02—Lost patterns
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors

Definitions

  • the present invention relates to a turbocharger impeller, for example, to a turbocharger impeller used on the intake side of a supercharger that sends compressed air using exhaust gas from an internal combustion engine. Things.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing a turbocharger impeller.
  • a supercharger incorporated in an engine of an automobile or the like rotates an exhaust-side impeller by exhaust gas from the engine to rotate a coaxial intake-side impeller, thereby supplying compressed air to the engine.
  • the exhaust-side impeller is exposed to high-temperature exhaust gas that is exhausted by the engine, so a Ni-base super heat-resistant alloy is generally used, and the shape is not so complicated.
  • the impeller on the intake side is not exposed to high temperatures, it is mainly made of aluminum alloys.In recent years, high speed rotation has been required to increase combustion efficiency, and it is lightweight and strong.
  • the use of titanium alloys is being considered. Further, application of a magnesium alloy that can be lighter than a titanium alloy is also being studied.
  • the intake-side impeller usually has a complicated blade shape in which a plurality of long and short types of blades having different shapes are alternately arranged adjacently. Many.
  • a plaster mold method is applied, and it is generally manufactured by manufacturing a gypsum mold using a flexible rubber model.
  • the plaster mold method can be applied.
  • a master model of the impeller alone is manufactured, a silicone-based rubber mold is manufactured using the master model, and a silicone-based rubber mold is further formed on the rubber mold. It is possible to reproduce complex shapes with some problems in dimensional accuracy obtained by injection.
  • the blade shape is redesigned so that the two-dimensionally moving slide die can be pulled out of the vanishing model, so that the blade shape is extremely limited, and a high empty space is required. It is difficult to produce impellers of complex shape with mechanical performance. Further, in the patent document, in the case of an impeller in which short and long blades are alternately adjacent to each other, the space between the long and short blades may be divided by one to three slide dies, and the mold may be released from the vanishing model. Although it has been proposed, the mold structure becomes complicated, and it becomes difficult to obtain dimensional accuracy. Furthermore, as the number of molds increases, many parting lines that occur on the split surface of the mold are generated on the hub surface or blade surface between the vanes of the vanishing model. 'Blocks the air flow and can adversely affect aerodynamic performance.
  • An object of the present invention is to solve these problems and to provide a turbocharger impeller that can be expected to have high aerodynamic performance and a method of manufacturing the same. Means for solving the problem
  • the present inventor has proposed a lost wax method using a shape in which an undercut is formed in the radial direction. An attempt was made to apply and manufacture, and the application of a slide mold having a specific structure at the time of the production of the vanishing model and optimization of the release operation thereof were studied, and the present invention was reached.
  • a disk-shaped hub extending in the radial direction from the central axis, and a plurality of blades extending with the hub force, wherein the long blade and the short blade having an aerodynamic curved surface are alternately adjacent to each other.
  • the space surrounded by the blades is used in a method for manufacturing a lost impeller impeller for a turbocharger which forms an undercut in a radial direction from a central axis.
  • c has a step of manufacturing using the mold
  • a plurality of slide dies having a short grooved bottomed groove and a space between a pair of adjacent long blades are radially arranged toward the central axis. Injection molding of a fugitive material in the space defined by the above, and then moving the slide mold in the radial direction of the central axis while rotating the mold to release the mold. Is the way.
  • the mold device used in the process of forming the evanescent model can be moved in the movable axis and the fixed mold that can be opened and closed in the central axis direction, and can be moved in the radial direction with respect to the central axis. It is provided with a suitable slide die and a slide support for supporting the slide die, and the slide support can be driven to enable the slide to be interlocked.
  • the slide mold can be configured integrally by joining a plurality of cores.
  • the flow line that releases the slide mold from the vanishing model is the flow line on the XY coordinate of the two-dimensional plane where the center axis of the impeller is perpendicular, and the rotational component around the flow line on the XY coordinate. It is preferable to use a flow line including
  • type ⁇ is coated with a refractory of zirconia, yttria, or canolesia, and then coated with a refractory of silica, alumina, or zircon, and dried. After having been let go, autoclave Can be formed by sintering at a high temperature.
  • the parting line corresponding portion can be formed only on the trailing edge surface, the fillet surface, and the leading edge surface constituting the outer periphery of the long blade. .
  • the turbocharger impeller of the present invention comprises a central shaft, a disk-shaped hub that expands in the radial direction of the central axial force, and a plurality of blades that extend the hub force.
  • a turbocharger impeller made of lost wax that has an undercut in a radial direction from a central axis, the blade having long blades and short blades having curved surfaces arranged in an alternately adjacent relationship.
  • Each space defined by the long blade has a parting line corresponding portion only on the trailing edge surface, the fillet surface, and the leading edge surface that constitute the outer periphery of the long blade.
  • a titanium alloy can be forged by forming a titanium alloy by applying a lost wax manufacturing method, whereby a titanium alloy turbocharger impeller can be obtained.
  • the present invention can be applied not only to a titanium alloy but also to other general structural materials such as an aluminum alloy, a magnesium alloy, and an iron-based alloy. Titanium alloys are particularly suitable for the application of the present invention because of their light weight and high strength.
  • the present invention can be a supercharger impeller having excellent aerodynamic performance, and is particularly suitable for an intake-side impeller of a supercharger.
  • turbocharger impeller having excellent aerodynamic performance without a parting line corresponding portion on the hub surface and the blade surface in the space surrounded by the blades. It is extremely effective industrially.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of a turbocharger impeller.
  • FIG. 2 is a simplified diagram of an example of a blade.
  • FIG. 3 is an overall view showing an example of a mold apparatus.
  • FIG. 4 is a view of an essential part showing an example of a fixed mold.
  • FIG. 5 is a schematic view showing an example of a slide mold.
  • FIG. 6 is a side view showing an example of a joint structure between a slide die and a slide support.
  • FIG. 7 is a schematic view showing an example of a releasing operation of a slide mold.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a configuration in which a slide mold can be interlocked.
  • an important feature of the present invention is that an attempt is made to manufacture a shape in which an undercut is formed in the radial direction from the central axis by applying a lost wax method, and a specific shape is used when manufacturing a fugitive model.
  • a plurality of slide dies having short blade-shaped bottomed grooves and a space between adjacent long blades are opposed to each other with a force directed to the central axis.
  • Injection molding of a fugitive material is performed in the space defined by the above, and then the slide mold is moved in the radial direction of the central axis while rotating, and the mold is released.
  • the slide die which is one of the important features of the present invention, has a short blade-shaped bottomed groove and a space between adjacent long blades, and is provided between the long blades including the short blades. In simple terms, the space for two blades can be formed with a single slide mold.
  • the short blade-shaped bottomed groove serves as a cavity for forming the short blade, and a space force defined by radially disposing a plurality of slide dies toward the center axis to define the long blade and the middle blade.
  • the cavity determines the shape of the mandrel. Thereby, a cavity having substantially the same shape as that of the turbocharger impeller can be formed.
  • a fugitive material is injection-molded in the slide mold arranged as described above.
  • the slide mold is intended for a shape in which an undercut is formed in a radial direction, a slide mold is used. Is formed in the radial direction of the central axis, but cannot be released even if it is moved in a two-dimensional space.
  • the slide mold is moved in the radial direction of the center axis while being rotated to release the mold.
  • the flow line that releases the slide mold from the vanishing model is added to the flow line formed by the movement on the XY coordinates of the two-dimensional plane that extends in the radial direction with the center axis of the impeller being perpendicular, and the XY coordinates
  • the mold can be released even if the shape has an undercut in the radial direction.
  • a movement for further moving the slide mold in the Z coordinate direction which is the center axis direction may be added.
  • the evanescent model is eliminated and removed by a method such as heating. Furthermore, by firing, it is also possible to obtain a high strength ⁇ type. Then, by forming a molten material such as a titanium alloy, an aluminum alloy, and a magnesium alloy in the mold, an impeller having substantially the same shape as the vanishing model can be obtained.
  • the turbocharger impeller obtained by the above-described manufacturing method does not have a part corresponding to a parting line on either the hub surface or the blade surface in the space surrounded by the blades. It becomes an impeller for the machine.
  • FIG. 1 is a schematic view of a turbocharger impeller 1 having blades formed by alternately adjoining long blades and short blades used in a supercharger for an internal combustion engine.
  • This is a simplified diagram of the blade (only two long blades and one short blade are shown for clarity).
  • a plurality of long blades 3 and short blades 4 project radially from the central axis 20 in the radial direction of the blade surface 2, and the long blades 3 and the short blades 4 each have a complicated aerodynamic curved blade surface. It has 5 on both sides.
  • the blade surface 5 is the outer periphery in the radial direction of each of the long blade 3 and the short blade 4.
  • the curved surface portion does not include the trailing edge surface 21 and the fillet surface 22 corresponding to the surface, and the leading edge surface 23 corresponding to the uppermost portion of each of the long blade 3 and the short blade 4.
  • the hub surface 2 and the blade surface 5 in the space surrounded by the blades including the long blades 3 and the short blades 4 correspond to the hatched portions in FIG.
  • the blade surface referred to in the present invention is, for example, the trailing edge surface 21 and the fillet surface 22, which constitute the outer periphery of the long blade 3 in the turbocharger impeller 1 shown in FIG. Means a curved surface portion that does not include the leading edge surface 23 which is the uppermost portion.
  • the term "parting line” refers to a step formed on a dividing surface of a mold and a linear trace generated by inserting a vanishing model material into a divided portion of a mold in a vanishing model. If a parting line occurs in the vanishing model, the parting line is also transferred as it is to the manufactured product (the impeller in the present invention) as a parting line corresponding part. That is, if the parting line is not formed in the vanishing model, the part corresponding to the parting line is not formed in the manufactured product.
  • the slide mold having the short blade-shaped bottomed groove portion applied to the present invention and the space shape between the adjacent long blades, the slide mold is capable of integrally moving when releasing from the vanishing model. It is also possible to use a mold in which a good slide mold is formed as a single unit. Alternatively, a mold in which a plurality of cores are formed and then joined by bolting, brazing, or the like may be used. For example, in a slide die 8 shown in FIG. 5, two cores 25 and 26 are joined together at a joining surface 27 to be integrally formed.
  • FIG. 3 shows an example of a mold apparatus applied to the present invention.
  • the mold includes a movable mold 6 and a fixed mold 7 that can be opened and closed in the direction of the center axis 20 of the impeller, and a plurality of slide dies 8 that can move in the radial direction with respect to the center axis 20 of the impeller. It is formed from a plurality of slide supports 9 that support the device.
  • FIG. 4 is a perspective view of a main part of the fixed mold 7 (only one slide mold 8 and one slide support 9 are shown for clarity), and FIG. 5 is a schematic view of the slide mold 8. is there.
  • One slide die 8 includes a hub cavity defining section 11, a blade cavity defining section 12, and a groove 13 with a bottom (indicated by a dotted line).
  • the hub cavity defining section 11 includes one short blade and defines a hub surface 2 in a space between adjacent long blades.
  • the blade cavity defining portion 12 includes two opposing blade surfaces 5 of adjacent long blades, and a trailing edge surface 21, a fillet surface 22, and a leading edge surface 23 which form a parting line in a space surrounded by the blades. Is defined.
  • FIG. 6 is a side view showing a joint structure between the slide die 8 and the slide support 9.
  • the slide die 8 is rotatably mounted on a fixed pin 16 fixed to the slide support 9 via a bearing 15 provided at the tip of the fixed pin 16 about a rotation axis 14 as a rotation center. Is linked to
  • the slide mold 8 can be easily rotated about the rotation axis 14 with little resistance.
  • a ring-shaped support plate 17 is installed on the bottom surface within the movable range in the radial direction of the slide mold 8, and the slide mold 8 is supported by the support plate 17. Is done.
  • the support plate 17 can move the vanishable model 18 of the impeller 1 in the direction of the central axis 20.
  • the support plate 17 is moved to the side separated from the slide mold 8 to allow the slide mold 8 to rotate freely.
  • the slide mold 8 is supported only by the slide support 9. Further, at the time of mold clamping, the support plate 17 is returned to the original position to restrict the rotation of the slide mold 8.
  • the determination of the rotation axis of the slide mold is important.
  • an undercut in the radial direction of the space 10 shown in FIG. 2 can be searched by a three-dimensional model using CADZCAM in advance.
  • CADZCAM three-dimensional model using CADZCAM
  • a resin model is obtained by pouring resin into the partial model.
  • the resin model can be searched by actually pulling out the partial model. Separation from the vanishing model by the above method
  • the rotation axis 14 which is the flow line of the slide die 8 necessary for the die is determined.
  • the vanishing model shrinks by about 1%. Has a space of tens of microns and hundreds of microns.
  • the vanishing model itself is elastically deformed, even if the flow line of the slide die 8 interferes with the impeller 1 to some extent at the CADZCAM analysis stage, the die can be released without affecting the dimensional accuracy. .
  • the above-described rotation axis 14 does not necessarily need to be perpendicular to the center axis 20 of the impeller 1 depending on the direction of the undercut, and does not need to intersect the center axis 20.
  • the slide mold 8 may be moved backward at an angle of several degrees in the center axis direction.
  • the above-mentioned slide dies 8 are arranged in an annular shape in the fixed dies 7 as many as the number of the impeller spaces 10 as shown in Fig. 3, and the respective slide dies 8, movable dies 6 and fixed dies 7 are clamped. Close proximity defines a cavity that corresponds to the shape of impeller 1. Then, the cavities are filled and molded with a meltable or semi-molten elimination material using an injection molding machine.
  • the slide mold 8 is moved backward in the radial direction from the vanishing model at the time of release from the mold.
  • the movable mold 6 is separated from the fixed mold 7 and then moved to open as shown in FIG.
  • the support plate 17 is moved to the side away from the slide die 8, the slide die 8 is supported only by the slide support 9, and the slide die 8 is made rotatable.
  • the slide support 9 is pulled out in the radial direction of the center axis 20 along a plurality of grooves 19 formed radially on the upper surface of the fixed mold 7.
  • a guide pin 24 can be provided at the bottom of the slide support 9 as shown in FIG. 6 to guide the slide support 9.
  • the slide mold 8 is connected to the slide support 9 by a fixing pin 16 via a bearing 15 installed on the rotation axis 14, so that the long vane and short vane of the vanishable model 18 With low resistance around the axis of rotation 14 along the surface shape of, it is naturally rotated and released.
  • the bearing 15 is made up of inner and outer races, the inner race is fixed to a fixing pin 16, and the outer race is fixed to the slide mold 8.
  • FIG. 7 shows this specific rotation operation. Note that, in FIG. The hatching is applied to the portion defining the cavity corresponding to the space 10 shown in FIG. This is for explaining the releasing operation of the slide die 8.
  • FIGS. 7 (a) to 7 (d) show a state in which the slide mold 8 has been released from the vanishing model 18! With the release, the slide die 8 rotates about the rotation axis 14 while moving backward, and is finally released as shown in FIG. 7 (d). In this way, in the space surrounded by the blades, a parting line corresponding portion is formed only on the trailing edge surface 21, the fillet surface 22, and the leading edge surface 23 that constitute the outer periphery of the long blade 3. . That is, it is possible to obtain the vanishing model 18 having no parting line at a position corresponding to the hub surface 2 and the blade surface 5 in the space 10 shown in FIG.
  • the fixed mold 7 is composed of a fixed mold upper base 30, a fixed mold lower base 31, and a cam plate 32 having a cam groove 33. Then, the guide pins 24 of the individual slide supports 9 are communicated with the grooves 19 of the fixed mold upper base 30 and the cam grooves 33 so as to be integrated.
  • the tool 9 can be integrated and operated. Further, it is also preferable to automatically control the movement of the slide support 9.
  • the vanishing model is assembled in several pieces in a row and coated with refractory.
  • an active metal such as a titanium alloy
  • use as the first layer a coating material of a stable refractory which does not easily react with the molten titanium, for example, a zirconia-based, yttria-based, or luciferous-based coating material. Is good.
  • a silica-based, alumina-based, or zircon-based coating material is preferably coated. It is also preferable to repeat the refractory coating process a plurality of times as an intermediate layer and a backup layer, including the first layer.
  • the coating is sufficiently dried and dewaxed by autoclave. After dewaxing, the mold is fired at a high temperature, for example, at 1000 ° C or higher, to complete the mold with high strength.
  • the titanium alloy is preferably melted in a vacuum of 733 Pa or less, preferably by high-frequency induction melting using a water-cooled copper crucible. It is dissolved in an inert gas atmosphere.
  • a Ti-6A1-4V alloy CFIS60 which is light and has high strength and is generally most widely used, can be used.
  • it is preferable to apply a force suction structure or a centrifugal structure which is a material having poor flowability of the titanium alloy, because even a thin impeller can improve the melt flowability and sufficiently fill the molten metal.
  • the turbocharger impeller of the present invention is manufactured from an aluminum alloy
  • the aluminum alloy is preferably melted by a direct heating furnace such as a gas type or an indirect heating furnace such as an electric type. It may be inside or in an inert gas atmosphere.
  • Aluminum alloys have high strength and vibration resistance, such as AlSiMg-based AC4C and AC4CH! /, And AlSiCu-based AC4B QIS H2211).
  • the aluminum alloy is not particularly bad in the formability, but the suction structure or the pressure reduction structure is preferable because even a thin-walled impeller can improve the hot runnability.
  • the turbocharger impeller of the present invention is manufactured from a magnesium alloy
  • melting is preferably performed in a gas-type or other direct heating furnace or an electric or other indirect heating furnace in the atmosphere. Or an inert gas atmosphere.
  • Magnesium alloys are added with strong and tough MgZnZr-based ZK51A or ZK61A, or rare earth, Y, Cu, Ag, etc. Can be used for lj.
  • the present invention relates to an impeller used for a supercharger incorporated in an engine of an automobile or the like, and relates to a technique for manufacturing the impeller, which can be expected to have high aerodynamic performance, by a lost wax method.

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Abstract

【課題】隣接する一対の長羽根によって画成される各空間における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、空力学的性能にすぐれたロストワックス鋳造された過給機用羽根車を提供する。 【解決手段】本発明の製造方法は、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、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、該鋳型に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は、短羽根形状の有底溝部と、隣接する一対の長羽根間の空間形状とを有するスライド金型を、中心軸に向かって放射状に複数配列することにより画成された空間に、消失性材料を射出成形し、次いで前記スライド金型を、回動させつつ、中心軸の半径方向に移動させ離型するものである。これにより、隣接する一対の長羽根によって画成される各空間における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過給機用羽根車を提供できる。

Description

明 細 書
過給機用羽根車およびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、過給機用羽根車に係わり、例えば内燃機関力ゝ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。
背景技術
[0002] 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、圧縮空気をェンジ 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力 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铸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力 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ィ匕できるマグネシウム 合金の適用も検討されて ヽる。
[0003] 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铸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铸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铸型を製作し、さらに、そのゴ ム铸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。
[0004] しかし、チタン合金のような活性金属を铸造する場合、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ぐ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、チタン合金の铸造には、チタン合金に対して安定なジル コ-ァ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铸造法の適用が 検討されている。
[0005] ロストワックス铸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 QP~ 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、ロストワックス铸造法にて製造した 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、インベストメント铸 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 ヽぅ点で優れたものである。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 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イ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イングライン 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。 課題を解決するための手段
[0007] 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铸造法を 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ディスク形状のハブ と、該ハブ力 延在する複数のブレードであって、空力学的な曲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ブレードとを有し、ブレードに囲まれた空間は、 中心軸から半径方向にアンダーカットを形成するロストワックス铸造された過給機用 羽根車の製造方法にお!、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 铸型を形成する工程、および
c該铸型を用いて铸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、短羽根形状の有底溝部と、隣接する一対の 長羽根間の空間形状とを有するスライド金型を、中心軸に向かって放射状に複数配 列することにより画成された空間に、消失性材料を射出成形し、次いで前記スライド 金型を、回動させつつ、中心軸の半径方向に移動させ離型する工程とする過給機用 羽根車の製造方法である。
本発明にお ヽては、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、铸型は、消失性模型にジルコニァ系、イットリア系、またはカノレシァ系の 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、オートクレープで消失性模型 を消失除去し、高温焼成させて形成することができる。
[0009] 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パーティ ングライン対応部を形成させることができる。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 、ずれにもパーテイングライン対応部が存在しな 、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、該中心軸力 半径方向に広が るディスク形状のハブと、該ハブ力 延在する複数のブレードであって、空力学的な 曲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を有し、 中心軸から半径方向にアンダーカットを形成するロストワックス铸造された過給機用 羽根車において、隣り合う一対の長羽根で画成される各空間で、長羽根の外周辺を 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パー ティングライン対応部を有することを特徴として 、る。
[0010] 本発明においては、ロストワックス铸造法の適用により、铸型にチタン合金を铸造す 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铸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。
発明の効果
[0011] 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イン 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。
図面の簡単な説明
[0012] [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。
発明を実施するための最良の形態
[0013] 上述したとおり、本発明の重要な特徴は、中心軸から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铸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、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を中心軸に向力つて複数対向さ せることにより画成された空間に、消失性材料を射出成形し、次いで前記スライド金 型を、回動させつつ、中心軸の半径方向に移動させ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。
[0014] つまり、短羽根形状の有底溝部は、短羽根を成形するキヤビティとなり、複数のスラ イド金型を中心軸に向力つて放射状に配置して画成される空間力 長羽根および中 心軸の形状を定めるキヤビティになる。これにより、前記過給機用羽根車と実質的に 同一の形状のキヤビティを形成することができる。
このように羽根 2枚分の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 ンプルイ匕ができるとともに、この空間において、長羽根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パーテイングライン対応 部を設けることができる。これにより、この空間にはパーテイングラインは存在せず、よ つて、得られる铸造羽根車におけるブレードに囲まれた空間のハブ面およびブレード 面には、パーテイングライン対応部が存在しない。 [0015] 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、半径方向にアンダーカットが形成された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ょうとしても 、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、回動させつつ、中心軸の半径方 向に移動させ離型させることとして 、る。
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カ卩えて、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。
[0016] 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铸型 を得ることもできる。そして、前記铸型にチタン合金や、アルミニウム合金、マグネシゥ ム合金などの溶解材料を铸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イ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。
[0017] 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ノ、 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。
[0018] 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イ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イングラインが発生した場合 、铸造品 (本発明における羽根車）にもパーテイ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イングラインが形成されなければ、铸 造品においてもパーテイ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 有れば良ぐ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ィ匕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ヤ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ぐ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。
[0019] 図 1の過給機用羽根車をロストワックス铸造法を用いて、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 ヽる。 また、図 4は固定金型 7の要部斜視図（明確ィ匕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、ハブキヤビティ画成部 11、ブレードキヤビティ画成部 12、および有底 溝部 13 (点線で記載)のパートで構成される。ハブキヤビティ画成部 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。ブレードキヤビティ 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イ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。
[0020] 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つ ている。
[0021] 本発明において、スライド金型の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 CADZCAMを使用した 3次元モデルにより図 2に示す空間 10の半径方 向のアンダーカット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、この部分模型に榭脂を 流し込んで榭脂模型を得る。そして、この榭脂模型を実際に部分模型カゝら引き抜く試 みによっても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 十ミクロン力も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、 CADZCAM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。
[0022] 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ぐまた、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ヤビティを画成する。そして、このキヤビテ 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。
[0023] 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 、る。
[0024] 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に相当するキヤ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 、く状態を示して!/、る。離型に伴!、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 一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イ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に連通させて一体ィ匕させる。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铸造法を行う。消失性模型はッリ 一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 属を铸造する場合は、コーティング材料にチタン溶湯との反応の少な ヽ安定な耐火 物、例えばジルコユア系、イットリア系、または力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ぐコーティング後は十 分に乾燥させ、オートクレープで脱ロウすることが好ましい。また、脱ロウ後の铸型は 高温焼成、例えば 1000°C以上で焼成すると強度の高!ヽ铸型が完成する。 [0026] 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ぐ一般的に 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— 6A1— 4V合金 CFIS60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力 吸引铸造もしくは 遠心铸造を適用すると、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。
[0027] 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、アルミユウ ム合金の溶解はガス式などの直接加熱炉ゃ電気式などの間接加熱炉によることが好 ましぐ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 強度で耐振性のょ 、例えば AlSiMg系の AC4Cや AC4CHある!/、は AlSiCu系の A C4B QIS H2211)等が利用できる。また、アルミニウム合金の铸造性は格別悪いも のではないが、吸引铸造もしくは減圧铸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。
[0028] 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ゃ電気式などの間接加熱炉によることが好ましぐ大気中であ つても不活性ガス雰囲気であってもよ ヽ。マグネシウム合金には強度ゃ靭性のある M gZnZr系の ZK51Aや ZK61A、あるいは希土類、 Y、 Cu、 Agなどが添カ卩され高温 強度のある QE22A、 EZ41A、 ZC63A、 WE43A、 WE54A(JIS H2221)等力禾 lj 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铸造ゃ 減圧铸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
[0029] 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铸造後、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ゃメツキ等の表面処理を行つ 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 パーテイングライン対応部が存在しないチタン合金製の過給機用羽根車を得ることが できる。
産業上の利用可能性 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铸造法で製造する技術に 関するものである。

Claims

請求の範囲
[1] 中心軸と、該中心軸から半径方向に広がるディスク形状のハブと、該ハブ力 延在 する複数のブレードであって、空力学的な曲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を有し、中心軸から半径方向にアンダーカットを形 成するロストワックス铸造された過給機用羽根車において、
隣り合う一対の長羽根で画成される各空間で、長羽根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パーテイングライン対 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 、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を有し、ブレードに囲まれた空間は、中心軸から半径方向にアン ダーカットを形成するロストワックス铸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 て铸型を形成する工程、および
c該铸型を用いて铸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、短羽根形状の有底溝部と、隣接する一対の 長羽根間の空間形状とを有するスライド金型を、中心軸に向かって放射状に複数配 列することにより画成された空間に、消失性材料を射出成形し、次いで前記スライド 金型を、回動させつつ、中心軸の半径方向に移動させ離型する工程とすることを特 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、中心軸線方向で開閉移 動可能な可動金型、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] 各スライド金型は、複数のコアが接合されて一体に構成されて 、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] 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] 铸型は、消失性模型にジルコユア系、イットリア系、または力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] 铸型にチタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金のいずれかを铸造すること 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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