WO2010041431A1 - 遠心回転機のインペラの製造方法 - Google Patents

遠心回転機のインペラの製造方法 Download PDF

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WO2010041431A1
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impeller
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range
forming step
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岸本寿則
安井豊明
田▲崎▼彰範
田中英三郎
前原隆司
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三菱重工業株式会社
株式会社放電精密加工研究所
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an impeller used in a centrifugal rotating machine such as a centrifugal compressor.
  • an impeller used for a centrifugal compressor has a hub attached to a rotating shaft, a shroud that is spaced apart from the hub, and a plurality of blades that connect the hub and the shroud.
  • the portion surrounded by the side surfaces of the blades, the flow surface of the hub, and the flow surface of the shroud is a flow path for compressing air.
  • the impeller used in such a centrifugal compressor has a complicated shape in which the flow path is curved in the axial direction and the radial direction, respectively. It was manufactured by fixing by groove welding. However, the fixing by welding has a problem that welding defects are likely to occur, and deformation is likely to occur due to high temperatures locally.
  • Patent Document 1 a manufacturing method using electric discharge machining has been proposed as an alternative to a method for manufacturing an impeller by welding (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the electric discharge machining method disclosed in Patent Document 1 relates to the manufacture of a steam turbine stationary blade.
  • the stationary blade is formed by electric discharge machining from the lower surface side of the partition plate disk positioned with the fluid outlet side of the stationary blade as the upper surface.
  • the edge and step on the stator blade outlet side formed by electric discharge machining are finished from the upper surface side of the partition plate disk, and then the deteriorated layer on the electric discharge machined surface is removed by a pickling tank. This forms a steam path between the stationary blades.
  • the electric discharge machining method disclosed in Patent Document 2 relates to a rotor for a centrifugal compressor, and has an electrode having substantially the same shape as a cavity, and arc cavities that form a flow path in a disk by electric erosion by the electrode. Is formed.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a method for manufacturing an impeller of a centrifugal rotating machine that can process a flow path between blades easily and efficiently. is there.
  • the present invention is a method of manufacturing an impeller of a centrifugal rotating machine that is substantially disk-shaped and in which a plurality of blades form a flow path between each other and are radially arranged from the inner peripheral side toward the outer peripheral side.
  • a first electrode is formed by inserting an electrode having a shape corresponding to the flow path from the outer peripheral side of the disc body having the outer shape of the impeller by an electric discharge machining method to form a first range on the outer peripheral side of the flow path.
  • an electrode having a shape corresponding to the flow path is inserted from the outer peripheral side of the disc body having the outer shape of the impeller by an electric discharge machining method.
  • the length processed in the first range is shortened in the first flow path forming process. can do.
  • the electrode for forming the first range can also be shortened, and the conventional electrode deformation can be prevented.
  • the second flow path forming step includes inserting an electrode corresponding to the shape of the second range from the inner peripheral side of the disc body by an electric discharge machining method. You may go.
  • the second flow path forming step is performed by inserting an electrode corresponding to the shape of the second range from the inner peripheral side of the disk body by an electric discharge machining method,
  • the second range in the flow path can be formed with high accuracy.
  • the third flow path forming step after the first flow path forming step or the second flow path forming step, an electrode for performing partial processing from the outer peripheral side of the disc body is inserted, By further processing the first range by electric discharge machining, the flow path in the first range can be formed with higher accuracy.
  • the pickling process step of performing the pickling process on at least the portion that becomes the surface of the flow path is provided.
  • the deteriorated layer can be removed by the pickling process, and the deterioration of the fatigue characteristics due to the deteriorated layer can be suppressed.
  • the method for manufacturing an impeller for a centrifugal rotating machine according to the present invention may include a polishing step of polishing at least the surface of the flow path after forming the first range and the second range of the flow path.
  • the polishing step for polishing the surface of the flow path since the polishing step for polishing the surface of the flow path is provided, the surface in the flow path can be smoothed, thereby reducing the resistance when the fluid flows in the flow path. Thus, it is possible to prevent a reduction in the compression efficiency of the centrifugal rotator. Moreover, if the said process is performed after performing a pickling process, the surface can be smoothed rather than the state which performed only the pickling process, removing a deteriorated layer.
  • the first flow path forming step and the second flow path forming step are performed, so that the flow path between the blades is easily and efficiently and accurately. Can be processed.
  • FIG. 1 is a front view of an impeller according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side sectional view of the impeller according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the manufacturing process of the impeller according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a side sectional view for explaining an outer shape forming process in the manufacturing process of the impeller according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a partially cutaway front view illustrating the first flow path forming step in the manufacturing process of the impeller of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a side sectional view for explaining a first flow path forming step in the manufacturing process of the impeller according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a front view of an impeller according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side sectional view of the impeller according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the manufacturing process of the imp
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a relationship between an electrode and a second flow path used in the first flow path forming process of the impeller manufacturing process according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a partially cutaway front view illustrating the second flow path forming step in the manufacturing process of the impeller of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a side sectional view for explaining a second flow path forming step in the manufacturing process of the impeller of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10: is the front view which fractured
  • FIG. 11 is a side sectional view for explaining the pickling process and the polishing process in the manufacturing process of the impeller according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the pickling solution temperature and the dissolution rate ratio when hydrochloric acid is used in the pickling treatment step.
  • FIG. 13 is a graph showing the surface roughness of the impeller before carrying out the pickling process.
  • FIG. 14 is a graph showing the surface roughness of the impeller after the pickling process is performed at a hydrochloric acid temperature of 27 to 30 degrees.
  • FIG. 15 is a graph showing the surface roughness of the impeller after the pickling process is performed at a hydrochloric acid temperature of 50 degrees.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the pickling solution temperature and the dissolution rate ratio when hydrochloric acid is used in the pickling treatment step.
  • FIG. 13 is a graph showing the surface roughness of the impeller before carrying out the pickling process.
  • FIG. 14 is a
  • FIG. 16 is a side cross-sectional view illustrating a partial machining process in the manufacturing process of the impeller of the first modified example of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a side sectional view for explaining a second flow path forming step in the manufacturing process of the impeller of the second modified example of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a partially cutaway front view illustrating the sludge discharge hole forming step in the impeller manufacturing process according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a side sectional view for explaining a sludge discharge hole forming step in the manufacturing process of the impeller according to the embodiment of the present invention.
  • the reference numeral 100 in FIGS. 1 and 2 is an impeller manufactured by the impeller manufacturing method according to the present invention.
  • the impeller is assembled to a rotating shaft and mounted as a rotating body on a centrifugal rotating machine such as a centrifugal compressor. Is.
  • the impeller 100 includes a substantially disc-shaped main body 1 and a substantially cylindrical hub 2 that is provided at the center of the main body 1 and is attached to a rotating shaft (not shown).
  • the main body 1 has a substantially flat back surface and a surface that is a flow surface 1A through which the hub 2 protrudes to allow fluid to flow. It is curved so as to gradually protrude in the axial direction (arrow AB direction) toward the side.
  • Each blade 3 is substantially plate-shaped, and is curved along the surface of the main body 1 in the radial direction (arrow CD direction) toward the inner peripheral side in the axial direction (arrow AB direction). And is formed in a shape curved to one side in the circumferential direction along the radial direction (arrow CD direction).
  • reference numeral 3A is attached to the first curved surface on one side of the blade 3
  • reference numeral 3B is attached to the second curved surface on the other side.
  • the shroud 4 is substantially parallel to the main body 1, that is, gradually protrudes in the axial direction (arrow AB direction) from the outer peripheral side in the radial direction (arrow CD direction) toward the inner peripheral side. It is formed to be curved, and a gap is formed with the hub 2 on the inner peripheral side. Between each of the blades 3 adjacent to each other, a flow path 5 for generating compressed air with rotation is formed.
  • the flow path 5 includes a first curved surface 3A and a second curved surface 3B of the blade 3 adjacent to each other, a flow surface 1A constituted by the surface of the main body 1, and a flow surface 4A constituted by the back surface of the shroud 4. It is surrounded and formed.
  • Each flow path 5 has a shape curved in the axial direction (arrow AB direction) and the circumferential direction (arrow a direction) in accordance with the shape of the main body 1, the blade 3, and the shroud 4.
  • the impeller 100 of the centrifugal rotator configured as described above, when the drive unit (not shown) is driven to rotate in the direction of the arrow a in FIG. While the air flow shown by b generate
  • FIG. 3 is a flowchart showing a manufacturing process of the impeller 100, and includes an outer shape forming process S1, a first flow path forming process S2, a second flow path forming process S3, a pickling process S4, a polishing process S5, and an outer shape. Finishing process S6.
  • FIG. 4 What is denoted by reference numeral 10 in FIG. 4 is a disk body having the outer shape of the impeller 100 and formed of a metal such as carbon steel or stainless steel.
  • the disk body 10 is formed by lathe machining or the like of a substantially disk-shaped base material (not shown), thereby forming an insertion hole 10A into which a rotation shaft (not shown) is inserted at the center, and the surface of the shroud 4 An inclined surface that gently rises from the radially outer peripheral side to the inner peripheral side is formed, and an annular hole 10B is formed on the outer peripheral side of the insertion hole 10A.
  • a plurality of recesses 10C are formed in the circumferential direction by further machining the annular hole 10B positioned on the outer peripheral side of the insertion hole 10A of the disk body 10 along the axial direction.
  • the recess 10C finally becomes the inlet 5A of the flow path 5, and is formed according to the position of the flow path 5 as shown in FIG.
  • a substantially cylindrical portion (indicated by reference numeral 10D) located inside the recess 10C is the hub 2.
  • the first flow path forming step S2 will be described with reference to FIGS. What is indicated by reference numeral 20 in these figures is a machining electrode made of copper or the like for performing electric discharge machining, excluding a part of the inner circumference side of the flow path 5 from the outer circumference side of the disk body 10.
  • a first range 21 on the outer peripheral side (a range indicated by a symbol X in FIG. 6) is formed.
  • the processing electrode 20 has curved surfaces corresponding to the first curved surface 3A, the second curved surface 3B, and the flow surfaces 1A, 4A in the first range 21 of the flow path 5, and the curved surface shape is It is desirable that the following conditions are satisfied. That is, as shown in FIG. 7, the curvature radii of the second curved surface 3B and the first curved surface 3A of the blade 3 forming the flow path 5 are “R (3B)” and “R (3A)”, respectively.
  • a curved surface corresponding to the second curved surface 3B of the blade 3 is a first curved surface 20A
  • a curved surface corresponding to the first curved surface 3A of the blade 3 is a second curved surface 20B.
  • the curvature radii of 20A and the second curved surface 20B are “R (20A)” and “R (20B)”, respectively.
  • the second curved surface 3B of the blade 3 and the first curved surface 20A of the processing electrode 20 corresponding to each other satisfy “curvature radius R (3B) ⁇ curvature radius R (20A)”.
  • the one curved surface 3A and the second curved surface 20B of the processing electrode 20 may be set so as to satisfy “curvature radius R (20B) ⁇ curvature radius R (3A)”.
  • the front end can be made to reach the vicinity, and the inner portion located from the outer peripheral side to the inner peripheral side can be preferably processed by electric discharge machining.
  • the second flow path forming step S3 will be described with reference to FIGS.
  • the disc body 10 has a reference numeral 22 in FIG.
  • region 22 shown by remains.
  • the unprocessed region 22 is removed, and a second range 31 (a range indicated by a symbol Y in FIG. 9) is formed on the inner peripheral side of the disk body 10.
  • the second range 31 is located on the inner peripheral side of the disk body 10 and has a recess 10C formed in the outer shape forming step S1, and a first range 21 formed in the first flow path forming step S2. Is the range to connect.
  • the machining electrode 30 that forms the flow path 5 from the concave portion 10 ⁇ / b> C located on the inner peripheral side of the disk body 10 is used by an electric discharge machining method.
  • the processing electrode 30 is formed in a bowl shape whose tip is curved in accordance with the shape of the second range 31 of the flow path 5.
  • a second range 31 (a range indicated by a symbol Y in FIG. 9) having a shape assumed in advance is formed on the inner peripheral side of the disc body 10. ) Is formed.
  • the pickling process S4 will be described with reference to FIGS.
  • hydrochloric acid or sulfuric acid is used as a pickling solution, and the first flow path forming step S2 and the second flow path forming step S3 are performed in a liquid layer maintained at a predetermined temperature.
  • the body 10 is immersed and pickled.
  • the altered layer H formed on the first curved surface 3A, the second curved surface 3B, and the flow surfaces 1A, 4A by the electric discharge machining. remove.
  • the deteriorated layer H has a high carbon content and is harder than the metal used as the base material of the disk body 10, so that it is easily broken and causes deterioration in metal fatigue characteristics.
  • this altered layer H has a rough surface roughness of 10 to 50 ⁇ m, it becomes a resistance when air flows through the flow path 5 and causes a reduction in the compression efficiency of the centrifugal compressor (centrifugal rotating machine).
  • the metal fatigue characteristics can be improved.
  • FIG. 12 shows the experimental results of performing pickling treatment using 10% by mass hydrochloric acid as the pickling solution and changing the temperature of the pickling solution, respectively.
  • the temperature of the pickling solution and the base material / altered layer dissolution ratio are shown in FIG. It is a graph which shows a relationship.
  • martensitic stainless steel SUS410 was used as a base material.
  • the altered layer H was formed on the base material by electric discharge machining. The electric discharge machining was performed using a graphite electrode. As a result of measuring the thickness after forming the altered layer H, the thickness was 25 ⁇ m.
  • FIG. 14 shows the surface roughness after removal of the deteriorated layer when the temperature of hydrochloric acid is 27 to 30 ° C.
  • FIG. 15 shows the surface roughness after removal of the deteriorated layer when the temperature of hydrochloric acid is 50 ° C.
  • the maximum surface roughness was 30 ⁇ m when the temperature of hydrochloric acid was 27 to 30 ° C., as shown in FIG.
  • the temperature of hydrochloric acid was 50 ° C.
  • the dissolution rate of the base material was too high, and the maximum surface roughness was 55 ⁇ m. From the above, it was found that when 10% by mass of hydrochloric acid is used as the pickling solution, the temperature of the pickling treatment is preferably 27 to 30 degrees.
  • the polishing step S5 will be described.
  • the surface of the flow path 5 after the pickling treatment step S4 is polished.
  • fluid polishing or electrolytic polishing is preferably selected.
  • the surface of the flow path is made smooth by pouring a medium (a mixture of special clay-like abrasive grains) into a processing region that becomes the flow path 5 of the impeller 100 at a high pressure.
  • electropolishing a metal on the surface of the flow path is dissolved by energization using a graphite electrode in the electrolytic solution with the impeller side being positive and the electrode side being negative.
  • the concave and convex portions formed on the surface of the flow channel on the impeller side are closer to the graphite electrode than the concave portion, they are dissolved at a higher speed, thereby smoothing the surface of the flow channel.
  • This outer shape finishing step S6 is for finishing the outer shape by machining, and is performed so that the overall dimension becomes a predetermined value.
  • the impeller 100 as shown in FIGS. 1 and 2 is manufactured by performing the outer shape forming step S1 to the outer shape finishing step S6 as described above.
  • the first flow path forming step S2 and the second flow path forming step S3 are performed by the electric discharge machining method.
  • the processing length can be shortened.
  • the processing electrode 20 to be used can be shortened and the deformation
  • the first flow path forming step S2 since it is not necessary to perform processing in the range of the inner peripheral side having a large curvature in the axial direction from the outer peripheral side of the disk body 10, processing can be performed easily and accurately. it can. Moreover, since only a part of the flow path 5 needs to be formed as described above, the processing depth can be reduced.
  • the flow path 5 can be formed easily and efficiently as a whole with high accuracy.
  • the second flow path forming step S3 is performed by inserting the machining electrode 30 corresponding to the shape of the second range 31 from the inner peripheral side of the disk body 10 by the electric discharge machining method.
  • the 2nd range 31 of the flow path 5 can be formed reliably.
  • the pickling treatment step S4 for performing the pickling treatment on at least the surface of the flow passage 5 is performed after the second flow passage forming step S3, the deteriorated layer H is formed. This can be removed, thereby preventing the metal fatigue characteristics from being deteriorated.
  • the pickling treatment step S4 and the polishing step S5 are performed as described above.
  • the present invention is not limited to this. For example, when the influence of the deteriorated layer H is small, the pickling treatment step S4 is performed. It is good also as what implements only grinding
  • the flow path 5 is formed by the processing electrode in the first flow path forming step S2 and the second flow path forming step S3, but after the first flow path forming step S2 or the second flow path.
  • a third flow path forming step may be further performed after the forming step S3.
  • a partial processing electrode 40 whose length is relatively shorter than the processing electrodes 20 and 30 is used.
  • the first range 21 formed in the first flow path forming step S2 and the second range 31 formed in the second flow path forming step S3 can be smoothly formed by suitable processing.
  • the second range 31 of the flow path 5 is formed by the electric discharge machining with the machining electrode 30, but depending on the shape of the flow path 5, the second range 31 is formed by machining. It may be possible to form the range 31.
  • the portion of the second range 31 of the flow path 5 may be machined by, for example, an end mill indicated by reference numeral 50.
  • the first range 21 of the flow path 5 is formed in the first flow path forming step S2, and the second range 31 of the flow path 5 is formed in the second flow path forming step S3.
  • a discharge hole forming step for forming a sludge discharge hole 60 for removing machining debris (sludge) by electric discharge machining, machining, or the like may be performed. .
  • the first flow path forming step and the second flow path forming step are performed, so that the flow path between the blades is easily and efficiently and accurately. Can be processed.

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Abstract

　略円盤状で、複数のブレードが互いの間に流路を形成して内周側から外周側に向かって放射状に配列された遠心回転機のインペラの製造方法であって、インペラの外形を有する円盤体の外周側から、放電加工法により、前記流路と対応する形状の電極を挿入して該流路の内の外周側の第一の範囲を形成する第一の流路形成工程と、前記円盤体の内周側から、前記流路の内の内周側の第二の範囲を形成する第二の流路形成工程とを備える。

Description

遠心回転機のインペラの製造方法
　本発明は、遠心圧縮機などの遠心回転機に使用されるインペラの製造方法に関する。
　本願は、２００８年１０月０６日に日本出願された特願２００８－２５９７０１に基づいて優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　一般に、遠心圧縮機に用いられるインペラは、回転軸に取り付けられるハブと、該ハブと外方に間隔をおいて配置されるシュラウドと、これらハブとシュラウドとを連結する複数のブレードとを有し、これらブレードの側面、ハブの流面と、シュラウドの流面とで囲まれた部分が、空気を圧縮するための流路となっている。
　このような遠心圧縮機に用いられるインペラは、流路が軸方向、径方向にそれぞれ湾曲する複雑な形状であるため、一般的には円盤状の本体部分にブレードとシュラウドを、隅肉溶接やグルーブ溶接で固定することにより製造していた。しかしながら、上記溶接による固定は、溶接欠陥が生じやすく、また、局所的に高温となることで変形が生じすい問題があった。
　このため、溶接によるインペラの製造方法の代替手段として放電加工を利用した製造方法が提案されてきている（例えば、特許文献１、２参照）。
　特許文献１に示される放電加工方法は、蒸気タービン静翼の製造に関するもので、静翼の流体出口側を上面にして位置決めした仕切板ディスクの下面側から放電加工によって静翼を成形し、この仕切板ディスクの上面側から放電加工によって成形された静翼出口側のエッジ及び段差を仕上げ加工し、その後、放電加工された加工面の変質層を酸洗槽によって除去する。これによって静翼間に蒸気通路を形成する。
　特許文献２に示される放電加工方法は、遠心式圧縮機用ロータに関するもので、キャビティとほぼ同じ形状を有する電極を有し、該電極による電気侵食により、ディスク内に流路となる円弧のキャビディを形成するものである。
特開平８－３００２２８号公報 特開２００２－２３５６９４号公報
　しかしながら、特許文献１、２に記載された放電加工を利用して、遠心圧縮機の用いられるインペラを製造しようとすると、ブレードの長さが長くなるに応じて放電加工に使用する電極も長くなってしまう。このため、該電極の変形によって加工精度が低下してしまう問題がある。特に、遠心型回転機のインペラでは、ブレードが軸方向及び径方向に湾曲した形状となるため、ブレード間の流路の形状も複雑で、特許文献１、２のように、単に二次元的に電極を挿入していくだけでは精度良く加工することができなかった。また、上記のようにブレードの長さが長くなり、加工深さが深くなればなる程、加工に伴って発生するスラッジの排出が困難になり、該スラッジによって二次放電が発生して加工効率が低下してしまう問題があった。
　この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ブレード間に流路を容易に効率良く、かつ精度良く加工することが可能な遠心回転機のインペラの製造方法を提供するものである。
　上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。すなわち、本発明は、略円盤状で、複数のブレードが互いの間に流路を形成して内周側から外周側に向かって放射状に配列された遠心回転機のインペラの製造方法であって、インペラの外形を有する円盤体の外周側から、放電加工法により、前記流路と対応する形状の電極を挿入して該流路の内の外周側の第一の範囲を形成する第一の流路形成工程と、前記円盤体の内周側から、前記流路の内の内周側の第二の範囲を形成する第二の流路形成工程とを備える。
　この発明によれば、第一の流路形成工程にて、インペラの外形を有する円盤体の外周側から、放電加工法により、流路と対応する形状の電極を挿入して該流路の内の外周側の第一の範囲を形成し、その後、第二の流路形成工程にて、円盤体の内周側から、該流路の内の内周側の第二の範囲を形成するようにした。これによって、第一の流路形成工程の後に、内周側から第二の流路形成工程を行うために、該第一の流路形成工程において、第一の範囲で加工する長さを短くすることができる。その結果、該第一の範囲を形成するための電極も短くすることができ、従来のような電極の変形を防止することができる。また、円盤体の外周側から軸方向への曲率の大きい内周側の範囲の加工を行わなくても良いので、容易かつ精度良く加工することができる。また、上記のとおり流路の一部のみを形成すれば良いので、加工深さを浅くすることができる。これにより加工に伴って発生するスラッジの排出を容易なものとし、該スラッジによる二次放電の発生を抑え、加工能率を向上させることができる。そして、第二の流路形成工程にて残りの流路の範囲を形成することにより、流路及びブレードを全体として容易に効率良く、かつ精度良く形成することができる。
　本発明の遠心回転機のインペラの製造方法では、第二の流路形成工程は、放電加工法により、前記第二の範囲の形状に対応した電極を前記円盤体の内周側から挿入して行ってもよい。
　この発明によれば、第二の流路形成工程を、放電加工法により、第二の範囲の形状に対応した電極を円盤体の内周側から挿入して行うことによって、予め設定した形状の流路の内の第二の範囲を精度良く形成することができる。
　本発明の遠心回転機のインペラの製造方法では、前記第一の流路形成工程又は第二の流路形成工程後に、前記円盤体の外周側から部分加工を行うための電極を挿入して、第一の範囲についてさらに放電加工により加工を行う第三の流路形成工程を備えてもよい。
　この発明によれば、第三の流路形成工程として、第一の流路形成工程又は第二の流路形成工程後に、円盤体の外周側から部分加工を行うための電極を挿入して、第一の範囲についてさらに放電加工により加工を行うことで、該第一の範囲の流路形成をより精度良く行うことができる。
　本発明の遠心回転機のインペラの製造方法では、前記流路の前記第一の範囲及び前記第二の範囲を形成した後に、少なくとも流路の表面となる部分について酸洗処理を行う酸洗処理工程を備えてもよい。
　この発明によれば、流路の第一の範囲及び第二の範囲をそれぞれ形成した後に、少なくとも流路の表面となる部分について酸洗処理を行う酸洗処理工程を備えるようにしたので、この酸洗処理工程によって変質層を除去することができ、変質層に起因する疲労特性の低下を抑えることができる。
　本発明の遠心回転機のインペラの製造方法では、前記流路の前記第一の範囲及び前記第二の範囲を形成した後に、少なくとも流路の表面の研磨を行う研磨工程を備えてもよい。
　この発明によれば、流路の表面の研磨を行う研磨工程を備えるようにしたので、流路内の表面を平滑とすることができ、これによって流路に流体が流れる際の抵抗を軽減して、遠心回転機の圧縮効率の低下を防止することができる。また、酸洗処理を行った後に当該工程を行えば、変質層を除去しつつ、酸洗処理をのみを行った状態よりも表面をより平滑とすることができる。
　本発明の遠心回転機のインペラの製造方法によれば、第一の流路形成工程と第二の流路形成工程とを行うことで、ブレード間に流路を容易に効率良く、かつ精度良く加工することができる。
図１は、本発明の実施形態のインペラの正面図である。 図２は、本発明の実施形態のインペラの側断面図である。 図３は、本発明の実施形態のインペラの製造工程を示すフロー図である。 図４は、本発明の実施形態のインペラの製造工程において、外形形成工程を説明する側断面図である。 図５は、本発明の実施形態のインペラの製造工程において、第一の流路形成工程を説明する一部を破断した正面図である。 図６は、本発明の実施形態のインペラの製造工程において、第一の流路形成工程を説明する側断面図である。 図７は、本発明の実施形態のインペラの製造工程の第一の流路形成工程において使用される電極と第二の流路との関係を示す説明図である。 図８は、本発明の実施形態のインペラの製造工程において、第二の流路形成工程を説明する一部を破断した正面図である。 図９は、本発明の実施形態のインペラの製造工程において、第二の流路形成工程を説明する側断面図である。 図１０は、本発明の実施形態のインペラの製造工程において、酸洗処理工程及び研磨工程を説明する一部を破断した正面図である。 図１１は、本発明の実施形態のインペラの製造工程において、酸洗処理工程及び研磨工程を説明する側断面図である。 図１２は、酸洗処理工程において、塩酸を使用した場合の酸洗液温度と、溶解速度比との関係を示したグラフである。 図１３は、酸洗処理工程を実施する前のインペラの表面粗さを示すグラフである。 図１４は、酸洗処理工程を塩酸温度２７～３０度で実施した後のインペラの表面粗さを示すグラフである。 図１５は、酸洗処理工程を塩酸温度５０度で実施した後のインペラの表面粗さを示すグラフである。 図１６は、本発明の実施形態の第１の変形例のインペラの製造工程において、部分加工工程を説明する側断面図である。 図１７は、本発明の実施形態の第２の変形例のインペラの製造工程において、第二の流路形成工程を説明する側断面図である。 図１８は、本発明の実施形態のインペラの製造工程において、スラッジ排出孔形成工程を説明する一部を破断した正面図である。 図１９は、本発明の実施形態のインペラの製造工程において、スラッジ排出孔形成工程を説明する側断面図である。
　本発明のインペラの製造方法に係わる実施形態について図１～図１９を参照して説明する。図１及び図２に符号１００で示すものは、本発明に係わるインペラの製造方法により製造されるインペラであり、回転軸に組み付けられて回転体として遠心圧縮機などの遠心回転機に搭載されるものである。図１及び図２に示すように、インペラ１００は、略円盤状の本体部１と、本体部１に中心部に設けられて回転軸（図示せず）に取り付けられる略円筒状のハブ２と、本体部１上にハブ２から放射状に複数配設されたブレード３と、本体部１から軸方向に離間して配置されブレード３を連結するシュラウド４とを有している。
　本体部１は、裏面が略平面に形成されているとともに、ハブ２が突出して流体が流通する流面１Ａとなる表面は、外周側が略平面となっているとともに、径方向外周側から内周側に向かって次第に軸方向（矢印Ａ－Ｂ方向）へ突出するように湾曲して形成されている。
　また、各ブレード３は、略板状で、本体部１の表面に沿って径方向（矢印Ｃ－Ｄ方向）内周側に向かって軸方向（矢印Ａ－Ｂ方向）に湾曲して形成されているとともに、径方向（矢印Ｃ－Ｄ方向）に沿って周方向一方側に湾曲した形状に形成されている。以下の説明において、ブレード３の一方側の第一湾曲面に符号３Ａ、他方側の第二湾曲面に符号３Ｂを付す。
　シュラウド４は、本体部１と略平行となるように、すなわち、径方向（矢印Ｃ－Ｄ方向）外周側から内周側に向かって次第に軸方向（矢印Ａ－Ｂ方向）へ突出するように湾曲して形成されており、内周側ではハブ２との間に隙間を形成している。互いに隣接するブレード３のそれぞれの間には、回転に伴って圧縮空気を生成するための流路５が形成されている。該流路５は、互いに隣接するブレード３の第一湾曲面３Ａ及び第二湾曲面３Ｂと、本体１の表面によって構成される流面１Ａとシュラウド４の裏面によって構成される流面４Ａとで囲まれて形成されている。各流路５は、本体部１、ブレード３、及びシュラウド４の形状に従って、軸方向（矢印Ａ－Ｂ方向）及び周方向（矢印ａ方向）に湾曲した形状となっている。
　以上のような構成の遠心回転機のインペラ１００では、図示しない駆動部により図１に矢印ａ方向に回転駆動された場合には、流路５内に径方向内周側から外周側へ向かう矢印ｂで示される空気の流れが発生するとともに、該空気が、回転で生じる遠心力により加速される。これによって、流路５の入口５Ａから吸い込まれた空気が、該流路５内で圧縮されて出口５Ｂから排出され、その後、下流側の図示しない外部機器へ送られることになる。
　次に、上記のように構成されたインペラ１００を製造するための工程について、図３～図１９を参照して説明する。
　図３はインペラ１００の製造工程を示すフロー図であって、外形形成工程Ｓ１、第一の流路形成工程Ｓ２、第二の流路形成工程Ｓ３、酸洗処理工程Ｓ４、研磨工程Ｓ５、外形仕上げ工程Ｓ６、を有する。
　これら各工程について順番に説明する。
〔外形形成工程〕
　まず、外形形成工程Ｓ１について図４を参照して説明する。図４に符号１０で示すものは、インペラ１００の外形を有し、炭素鋼,ステンレス鋼などの金属により形成された円盤体である。この円盤体１０は、略円盤状の図示しない母材を旋盤加工等行うことで、中心部に回転軸（図示せず）が挿入される挿入孔１０Ａを形成し、また、シュラウド４の表面となる径方向外周側から内周側に向かってなだらかに上昇する傾斜面を形成し、さらに、挿入孔１０Ａの外周側に環状穴１０Ｂを形成する。このような円盤体１０の挿入孔１０Ａの外周側に位置する環状穴１０Ｂに軸方向に沿ってさらに機械加工を施すことで、周方向に複数の凹部１０Ｃを形成する。この凹部１０Ｃは、最終的に流路５の入口５Ａになるものであって、図１に示すように流路５の位置に応じて形成する。凹部１０Ｃの内側に位置する略円筒状の部分（符号１０Ｄで示す）がハブ２となる。
〔第一の流路形成工程〕
　第一の流路形成工程Ｓ２について図５～図７を参照して説明する。これらの図に符号２０で示すものは、放電加工を行うための銅などからなる加工用電極であり、円盤体１０の外周側から流路５の内、内周側の一部の範囲を除いた外周側の第一の範囲２１（図６に符号Ｘで示す範囲）を形成する。
　加工用電極２０は、流路５の第一の範囲２１における第一湾曲面３Ａ、第二湾曲面３Ｂ、及び、流面１Ａ、４Ａと対応する曲面を有しており、その曲面形状は、以下の条件を満足していることが望ましい。すなわち、図７に示すように、流路５を形成するブレード３の第二湾曲面３Ｂ、第一湾曲面３Ａの曲率半径をそれぞれ「R（３Ｂ）」、「R（３Ａ）」とする。加工用電極２０において、ブレード３の第二湾曲面３Ｂと対応する曲面を第一湾曲面２０Ａ、ブレード３の第一湾曲面３Ａと対応する曲面を第二湾曲面２０Ｂとし、これら第一湾曲面２０Ａ及び第二湾曲面２０Ｂの曲率半径をそれぞれ「R（２０Ａ）」、「R（２０Ｂ）」とする。互いに対応するブレード３の第二湾曲面３Ｂと加工用電極２０の第一湾曲面２０Ａとについて「曲率半径Ｒ（３Ｂ）≧曲率半径Ｒ（２０Ａ）」を満たすものとし、また、ブレード３の第一湾曲面３Ａと加工用電極２０の第二湾曲面２０Ｂとについて「曲率半径Ｒ（２０Ｂ）≧曲率半径Ｒ（３Ａ）」を満たすように設定すると良い。このような形状に加工用電極２０を形成することにより、加工用電極２０をブレード３の第一湾曲面３Ａ及び第二湾曲面３Ｂに接触してしまうことなく、円盤体１０内のより中心部付近にまで前端を到達させることができ、外周側から内周側に位置する奥の部分を好適に放電加工により加工することができる。なお、仕上げ用として、曲率半径がR（３Ｂ）＝R（２０Ａ）、Ｒ（２０Ｂ）＝Ｒ（３Ａ）の加工用電極２０を別途使用することにより、流路５において第一の範囲２１をより好適に形成することが可能となる。
〔第二の流路形成工程〕
　第二の流路形成工程Ｓ３について図８及び図９を参照して説明する。上述したように、外形形成工程Ｓ１にて凹部１０Ｃを形成し、第一の流路形成工程Ｓ２にて第一の範囲２１を形成した後は、該円盤体１０には、図９に符号２２で示す未加工領域２２が残っている。この未加工領域２２を除去して、円盤体１０の内周側に第二の範囲３１（図９に符号Ｙで示す範囲）を形成する。
　この第二の範囲３１は、円盤体１０の内周側に位置し、かつ外形形成工程Ｓ１にて形成した凹部１０Ｃと、第一の流路形成工程Ｓ２にて形成した第一の範囲２１とを接続する範囲である。この第二の範囲３１を形成するためには、放電加工法により、円盤体１０の内周側に位置する凹部１０Ｃから流路５を形成する加工用電極３０が使用される。
　この加工用電極３０は、先端部が流路５の第二の範囲３１の形状に合わせて湾曲した鉤型に形成されている。このような加工用電極３０を使用することにより、未加工領域２２を除去して、円盤体１０の内周側に、予め想定した形状の第二の範囲３１（図９に符号Ｙで示す範囲）が形成される。
〔酸洗処理工程〕
　酸洗処理工程Ｓ４について図１０～図１５を参照して説明する。この酸洗処理工程は、酸洗液として塩酸又は硫酸を用い、所定の温度に保った液層の中に、第一の流路形成工程Ｓ２及び第二の流路形成工程Ｓ３を実施した円盤体１０を浸漬させて酸洗するものである。このような酸洗処理工程によって、図１０及び図１１で示すように、放電加工によって第一湾曲面３Ａ、第二の湾曲面３Ｂ、及び、流面１Ａ、４Ａに形成された変質層Ｈを除去する。この変質層Ｈは、カーボンの含有割合が高く、円盤体１０の母材となる金属よりも硬いために割れ易く、金属疲労特性を低下させる原因ともなる。この変質層Ｈは、表面粗さが１０～５０μｍと粗いために、流路５に空気が流れる際の抵抗となって、遠心圧縮機（遠心回転機）の圧縮効率を低下させる原因ともなる。本工程の酸洗処理にて変質層Ｈを除去することで、金属疲労特性の向上を図ることができる。
　この酸洗処理の効果について、図１２～図１５を参照して説明する。図１２は、酸洗液として１０質量％の塩酸を用い、酸洗液の温度を変化させてそれぞれ酸洗処理を行った実験結果を示し、酸洗液の温度と母材／変質層溶解比と関係を示すグラフである。
　なお、母材としては、マルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４１０を使用した。また、実験を行うに際して母材には放電加工により変質層Ｈを形成したが、当該放電加工にはグラファイト電極を使用して行った。変質層Ｈを形成後に厚さを測定した結果、厚さは２５μｍであった。変質層Ｈを形成後に表面粗さを測定した結果、図１３に示すように、表面粗さはＲｙ＝４５μｍであった。このような条件の下で、酸洗処理を行った結果、図１２に示すように、塩酸濃度１０質量％で、温度が３０度を超えると、母材／変質層溶解比が大きくなり、母材が過剰に溶解してしまうことが確認できた。図１４は、塩酸の温度を２７～３０℃とした場合に変質層除去後の表面粗さを示している。図１５は、塩酸の温度を５０℃とした場合の変質層除去後の表面粗さを示している。これらの結果を参照してわかるように、図１４で示すように、塩酸の温度を２７～３０℃とした場合に最大の表面粗さが３０μｍとなったのに対して、図１５で示すように、塩酸の温度を５０℃とした場合には、母材の溶解速度が速すぎて、最大の表面粗さは５５μｍとなった。以上のことから、酸洗液として１０質量％の塩酸を使用した場合、酸洗処理の温度としては２７度～３０度が好適であることがわかった。
〔研磨工程〕
　研磨工程Ｓ５について説明する。この研磨工程Ｓ５では、酸洗処理工程Ｓ４を実施後の流路５の表面の研磨を行う。なお、研磨の方法としては、流体研磨や電解研磨が好適に選択される。
　流体研磨では、インペラ１００の流路５となる加工領域に、メディア（特殊な粘土状のものに砥粒を混ぜ込んだもの）を高圧で流し込むことによって、流路表面を平滑とする。
　電解研磨では、グラファイト電極を用いて、電解液中にて、インペラ側をプラス、電極側をマイナスとして通電することで流路表面の金属を溶解させるものである。インペラ側の流路表面に形成された凹凸の凸部は凹部に比べて、グラファイト電極に近い位置にあるために、より速い速度で溶解され、これにより流路表面を平滑にする。
　上記のような研磨を実施することで、酸洗処理工程Ｓ４を実施して、酸洗液の温度２７～３０℃としても、表面粗さがＲｙ＝３０μｍ程度であったものが、Ｒｙ＝２～５μｍ程度まで平滑に仕上げることができた。
〔外形仕上げ工程〕
　次に、外形仕上げ工程Ｓ６について説明する。この外形仕上げ工程Ｓ６は、機械加工によって外形の仕上げを行うもので、全体の寸法を既定値となるように加工するものである。
　以上のような外形形成工程Ｓ１～外形仕上げ工程Ｓ６までを実施することによって図１及び図２に示すようなインペラ１００が製造されることとなる。
　以上詳細に説明したように本実施形態に示されるインペラ１００の製造方法によれば、第一の流路形成工程Ｓ２及び第二の流路形成工程Ｓ３を実施することによって、放電加工法によりで加工する長さを短くすることができる。このため、使用する加工用電極２０を短くして、従来のような電極の変形を防止することができる。また、第一の流路形成工程Ｓ２においては、円盤体１０の外周側から軸方向への曲率の大きい内周側の範囲の加工を行わなくても良いので、容易かつ精度良く加工することができる。また、上記のとおり流路５の一部のみを形成すれば良いので、加工深さを浅くすることができる。これにより加工に伴って発生するスラッジの排出を容易なものとし、該スラッジによる二次放電の発生を抑え、加工能率を向上させることができる。そして、第二の流路形成工程Ｓ３にて残りの流路５の第二の範囲３１を形成することにより、流路５を全体として容易に効率良く、かつ精度良く形成することができる。
　上記のインペラ１００の製造方法では、第二の流路形成工程Ｓ３を、放電加工法により第二の範囲３１の形状に対応した加工用電極３０を円盤体１０の内周側から挿入して行うことによって、流路５の第二の範囲３１を確実に形成することができる。
　上記のインペラ１００の製造方法では、第二の流路形成工程Ｓ３後に、少なくとも流路５の表面となる部分について酸洗処理を行う酸洗処理工程Ｓ４を行うようにしたので、変質層Ｈを除去することができ、これにより金属疲労特性が低下してしまうことを防止することができる。
　上記のインペラ１００の製造方法では、酸洗処理工程Ｓ４を行った表面の研磨を行う研磨工程Ｓ５を行うようにしたので、変質層Ｈを除去した流路５内の流面を平滑とすることができ、これによって流路５に流体が流れる際の抵抗を軽減することができる。このため、回転軸にインペラ１００を組み付けて構成した回転体を搭載した遠心圧縮機において、圧縮効率を良好なものとすることができる。
　なお、本実施形態では、上記のように酸洗処理工程Ｓ４及び研磨工程Ｓ５を行うものとしたが、これに限らず、例えば、変質層Ｈの影響が小さい場合には酸洗処理工程Ｓ４を行わずに研磨工程Ｓ５のみ実施するものとしても良い。
　なお、上記実施形態は、以下の変形例で示すように方法に変更しても良い。
（第１の変形例）
　第一の流路形成工程Ｓ２及び第二の流路形成工程Ｓ３にて加工用電極により流路５を形成するものとしたが、第一の流路形成工程Ｓ２後に、若しくは第二の流路形成工程Ｓ３後にさらに第三の流路形成工程を実施するものとしても良い。第三の流路形成工程では、図１６に示すように、長さが加工用電極２０、３０よりも相対的に短い部分加工用電極４０を使用するものである。このような部分加工用電極４０を使用することで、第一の流路形成工程Ｓ２で形成される第一の範囲２１と第二の流路形成工程Ｓ３で形成される第二の範囲３１との境界近傍の範囲において、流路５の表面の曲率半径が小さくても、好適に加工を行って流路５の表面を円滑に形成することができる。
（第２の変形例）
　上記においては、第二の流路形成工程Ｓ３にて、加工用電極３０により放電加工で流路５の第二の範囲３１を形成したが、流路５の形状によっては機械加工で第二の範囲３１を形成することが可能な場合がある。この場合には、図１７に示すように、流路５の第二の範囲３１の部分を、例えば、符号５０で示すエンドミルによって機械加工しても良い。
（第３の変形例）
　第一の流路形成工程Ｓ２にて流路５の第一の範囲２１を形成し、第二の流路形成工程Ｓ３にて流路５の第二の範囲３１を形成したが、これらの工程を実施するに際して、図１８及び図１９に示すように、放電加工又は機械加工などにより加工屑（スラッジ）を除去するためのスラッジ排出孔６０を形成する排出孔形成工程を実施するものとしても良い。
　このようなスラッジ排出孔６０を予め設けておくことによって、本加工となる第一の流路形成工程Ｓ２及び第二の流路形成工程Ｓ３で放電加工を行う際に、加工屑によって加工時間が長くなってしまうことを防止することができる。
　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、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
　本発明の遠心回転機のインペラの製造方法によれば、第一の流路形成工程と第二の流路形成工程とを行うことで、ブレード間に流路を容易に効率良く、かつ精度良く加工することができる。
　３　ブレード
　５　流路
　１０　円盤体
　２０、３０　加工用電極
　２１　第一の範囲
　３１　第二の範囲
　４０　部分加工用電極
　１００　インペラ
　Ｓ１　外形形成工程
　Ｓ２　第一の流路形成工程
　Ｓ３　第二の流路形成工程
　Ｓ４　酸洗処理工程
　Ｓ５　研磨工程

Claims (5)

  1. 　略円盤状で、複数のブレードが互いの間に流路を形成して内周側から外周側に向かって放射状に配列された遠心回転機のインペラの製造方法であって、
    　インペラの外形を有する円盤体の外周側から、放電加工法により、前記流路と対応する形状の電極を挿入して該流路の内の外周側の第一の範囲を形成する第一の流路形成工程と、
    　前記円盤体の内周側から、前記流路の内の内周側の第二の範囲を形成する第二の流路形成工程と、を備える遠心回転機のインペラの製造方法。
  2. 　第二の流路形成工程は、放電加工法により、前記第二の範囲の形状に対応した電極を前記円盤体の内周側から挿入して行う請求項１に記載の遠心回転機のインペラの製造方法。
  3. 　前記第一の流路形成工程又は第二の流路形成工程後に、前記円盤体の外周側から部分加工を行うための電極を挿入して、第一の範囲についてさらに放電加工により加工を行う第三の流路形成工程を備える請求項１または請求項２に記載の遠心回転機のインペラの製造方法。
  4. 　前記流路の前記第一の範囲及び前記第二の範囲を形成した後に、少なくとも流路の表面となる部分について酸洗処理を行う酸洗処理工程を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の遠心回転機のインペラの製造方法。
  5. 　前記流路の前記第一の範囲及び前記第二の範囲を形成した後に、少なくとも流路の表面の研磨を行う研磨工程を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の遠心回転機のインペラの製造方法。
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