WO2017170730A1 - 熱溶融積層造形および機械的研磨によるインペラ製造方法 - Google Patents

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WO2017170730A1
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草介 川澄
勇哉 紺野
中庭　彰宏
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三菱重工コンプレッサ株式会社
三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an impeller.
  • An impeller including a hub, a shroud, and a plurality of blades is used in a centrifugal rotating machine such as a centrifugal compressor, a centrifugal blower, or a centrifugal pump.
  • the impeller is formed with a flow path surrounded by a hub, a shroud, and adjacent blades. This flow path is designed in a complicated shape that is three-dimensionally curved in consideration of compression efficiency and the like. In general, an impeller is required to have high shape accuracy and minute surface roughness.
  • the impeller manufacturing method it has been conventionally performed to weld pieces produced by dividing into a plurality of parts, but in recent years, it is difficult to ensure the welding quality. Often molded.
  • the flow path is carved using an electrode that matches the shape of the flow path.
  • the altered layer formed on the surface must be removed, for example, by pickling.
  • an impeller for converting fluid flow velocity energy into pressure energy is required to have high smoothness on the wall surface of the flow path in order to suppress friction loss and achieve a predetermined compression efficiency.
  • the surface roughness required for the wall surface of the flow path is very small. Therefore, a polishing process for finishing the flow passage wall surface of the molded impeller to the required surface roughness is indispensable (Patent Documents 1 and 2).
  • JP 2013-170499 A JP 2014-094433 A JP-T-2015-510979
  • an object of the present invention is to improve manufacturing efficiency including from impeller molding to polishing.
  • Hot melt additive manufacturing is a technique for forming a three-dimensional member by laminating layers obtained by melting and solidifying metal powder based on cross-sectional data without using a mold. Since a mold is not used, it is easy to cope with a shape change and the cost can be reduced. At present, it has been proposed to integrally mold an impeller by additive manufacturing using an electron beam as a heat source (Patent Document 3).
  • the surface roughness of the impeller channel wall formed by hot melt additive manufacturing is the surface roughness of the impeller channel wall formed by casting or electric discharge machining (for example, the surface roughness Ra is about 25 ⁇ m). Not bad compared to).
  • the impeller manufacturing method of the present invention made there includes a forming step of forming the impeller by hot melt layered modeling, and a polishing step of polishing a wall that partitions the impeller flow path using a granular abrasive.
  • the polishing step is characterized by spraying or rubbing the abrasive on the walls of the flow path.
  • hot melt additive manufacturing is based on cross-sectional data constituting three-dimensional data, and sequentially forms layers formed by melting and then solidifying powder supplied to a predetermined target surface.
  • the three-dimensional member is formed by stacking.
  • the polishing step it is preferable to polish the walls of the flow path so that the surface roughness Ra is 0.2 ⁇ m or less.
  • the surface roughness Ra of the unpolished wall of the impeller formed by the forming step is preferably 25 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • the “surface roughness Ra” according to the present invention is based on JIS B 0601-2001.
  • “25 ⁇ m to 40 ⁇ m” means 25 ⁇ m or more and 40 ⁇ m or less.
  • a to B means A or more and B or less.
  • the molding step it is preferable to mold the impeller by sequentially laminating layers having a thickness of 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m formed by melting and solidifying the material used.
  • the abrasive material is supplied from the plurality of holes formed in the nozzle member in a state where the nozzle member to which the abrasive material is supplied from the supply source of the abrasive material is inserted into the flow path. It is preferable to spray toward the wall. Furthermore, it is preferable to inject the abrasive toward the wall from the hole while moving the nozzle member in the flow path.
  • an elastic abrasive comprising an elastic and adhesive core material and abrasive grains covering the core material as the abrasive.
  • the impeller disposed in the abrasive pool for pooling the abrasive is rotated in the direction opposite to the direction of rotation during use, so that It is preferable to rub the wall while the abrasive that has entered the flow path is swept away by its own weight toward the inlet of the flow path.
  • the granular abrasive is sprayed toward the flow path wall, or the flow path wall is made of granular abrasive.
  • the entire wall of the flow path including the back of the flow path, can be polished and smoothed.
  • it is easily less than the surface roughness required for the impeller channel wall by a polishing process of spraying or rubbing granular abrasives Can be reached.
  • the present invention which includes a molding process for molding an impeller by hot melt additive manufacturing, and a polishing process for polishing a wall of a flow path of the impeller with a granular abrasive, the method other than hot melt additive manufacturing is used.
  • the method other than hot melt additive manufacturing is used.
  • the overall production efficiency from the impeller molding to the same surface roughness can be improved.
  • FIG. 2 is a view taken along the line II-II of the impeller shown in FIG. It is a figure which shows the additive manufacturing apparatus used for manufacture of the impeller shown in FIG.
  • polishing of the flow-path wall surface in 1st Embodiment is shown, (a) is an apparatus block diagram in the case of using a 1st nozzle member, (b) is in the case of using a 2nd nozzle member. It is an apparatus block diagram. It is a top view which shows the 1st, 2nd nozzle member used for grinding
  • the impeller 10 is provided in a centrifugal rotary machine such as a centrifugal compressor, and is assembled to a rotary shaft 10A (FIG. 2).
  • the centrifugal compressor typically includes a plurality of impellers 10 arranged coaxially, and gases such as air are sequentially compressed by the impellers 10.
  • the impeller 10 includes a hub 11 through which a rotating shaft 10 ⁇ / b> A passes through a shaft hole 110, a shroud 12 that faces the surface of the hub 11 with a predetermined interval, and a plurality of blades 13. And.
  • a plurality of flow paths 14 are formed by partitioning the space between the hub 11 and the shroud 12 with a plurality of blades 13.
  • Each flow path 14 is partitioned between the hub 11, the shroud 12, and the adjacent blades 13 and 13.
  • the wall 15 that partitions the flow path 14 and contacts the gas is constituted by the hub 11, the shroud 12, and the blade 13.
  • each flow path 14 has an inlet 141 positioned on the inner peripheral side of the impeller 10 and an outlet 142 positioned on the outer peripheral side of the impeller 10.
  • the blade 13 and the flow path 14 between the blades 13 and 13 have a curved shape with respect to both the radial direction and the axial direction of the impeller 10.
  • the impeller 10 is rotated in the direction of the arrow 10R (FIG. 1) by a drive unit (not shown)
  • the gas in the flow path 14 is accelerated by centrifugal force, so that the gas is sucked into the flow path 14 from the inlet 141.
  • the air is compressed while flowing through the flow path 14 in the direction indicated by the arrow F in FIG.
  • the impeller 10 is formed by hot melt additive manufacturing using, for example, low alloy steel, stainless steel, titanium alloy, or the like.
  • low alloy steel include Ni—Cr—Mo steel and Cr—Mo steel.
  • stainless steel include precipitation hardening type stainless steel, martensitic stainless steel, and duplex stainless steel.
  • the surface 15 ⁇ / b> A of the wall 15 of the flow path 14 faces the surface 11 ⁇ / b> A of the hub 11, the inner surface 12 ⁇ / b> A of the shroud 12, the ventral surface 13 ⁇ / b> A of the blade 13. It is composed of a back surface 13B of the blade 13. An abdominal surface 13A of the blade 13 protrudes toward a back surface 13B of the blade 13 adjacent to the blade 13.
  • the additive manufacturing apparatus 30 forms the impeller 10 by hot melt additive manufacturing using an electron beam (electron beam) which is a high energy heat source.
  • the additive manufacturing apparatus 30 includes an electron beam guide path 31 that guides the electron beam EB toward the target surface Tg, a chamber in which a shaped article W (impeller 10) is formed through melting and solidification caused by irradiation of the electron beam EB. 32 and a control device 33 that controls each part of the additive manufacturing apparatus 30 based on the three-dimensional data.
  • the inside of the electron beam guide 31 and the chamber 32 is depressurized to a predetermined degree of vacuum with respect to the external atmospheric pressure. Therefore, oxidation of the material used can be suppressed.
  • the electron beam guide 31 has an electron beam generation source 311 that emits an electron beam EB, and a focusing coil 312 and a deflection coil 313 that are arranged around the electron beam EB.
  • a target surface Tg to which the electron beam EB is irradiated is set in the internal space of the chamber 32.
  • the target surface Tg is a horizontal plane.
  • a hopper 34 for supplying the metal powder 201 to the target surface Tg and a movable table 36 for supporting the model W are provided inside the chamber 32.
  • a heating device for heating the shaped article W can be provided in the chamber 32 to control the temperature as necessary.
  • nozzle members 21 and 22 that can be used for polishing the wall 15 of the flow path 14 will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • nozzle holes 21 ⁇ / b> C and 22 ⁇ / b> C formed in each of the first nozzle member 21 and the second nozzle member 22 inserted into the flow path 14.
  • the granular abrasive 23 (FIG. 6) is sprayed onto the surface 15 ⁇ / b> A of the wall 15 of the flow path 14.
  • the polishing performed in this embodiment is mechanical dry polishing without using a solution, there is no problem of solution discharge, and it is suitable for the environment, and the impeller 10 may be corroded beyond the polishing range by the polishing liquid. There is no. Further, there is no fear that the hydrogen gas generated by the chemical reaction between the metal and the polishing liquid adheres to the wall surface of the flow path and hinders polishing, or does not cause hydrogen storage in the flow path wall.
  • the first nozzle member 21 and the second nozzle member 22 are preferably formed from tool steel that is not easily worn by the abrasive 23.
  • the second nozzle member 22 will be described as an example.
  • the second nozzle member 22 is curved following the shape on the outlet 142 side of the flow path 14, and the base end 22 ⁇ / b> A to which the abrasive 23 is supplied; And a closed end portion 22B.
  • the four side walls of the second nozzle member 22 are the surface 11A of the hub 11, the inner surface 12A (FIG. 4B) of the shroud 12, the ventral surface 13A of the blade 13, and the back side of the blade 13. It faces the surface 13B.
  • FIG. 5 shows a side wall 22 ⁇ / b> D that faces the inner surface 12 ⁇ / b> A of the shroud 12.
  • a plurality of nozzle holes 22 ⁇ / b> C penetrating the side walls in the thickness direction are formed in the four side walls of the second nozzle member 22.
  • the nozzle hole 22C is preferably located in a wide range on the side wall.
  • the base end portion 22A of the second nozzle member 22 is connected to the shot device 25 as shown in FIG.
  • the shot device 25 which is a supply source of the abrasive 23 uses compressed air and supplies the abrasive 23 to the inside (hollow portion) of the second nozzle member 22 from the base end portion 22 ⁇ / b> A in a high-speed flow of air.
  • the abrasive 23 supplied to the inside of the second nozzle member 22 is jetted from the nozzle holes 22C toward the surface 15A of the wall 15. Thereafter, the abrasive 23 can be recovered, and the recovered abrasive 23 can be supplied again from the shot device 25.
  • the first nozzle member 21 is configured similarly to the second nozzle member 22. As shown in FIGS. 4A and 5, the first nozzle member 21 is curved in accordance with the shape of the flow path 14 on the inlet 141 side, and the base end to which the abrasive 23 is supplied by the shot device 25. A portion 21A and a closed tip portion 21B are provided. A plurality of nozzle holes 21 ⁇ / b> C are formed on the four side walls of the first nozzle member 21 so as to penetrate the side walls in the thickness direction. When the first nozzle member 21 and the second nozzle member 22 are respectively inserted into the flow path 14, the first nozzle member 21 and the second nozzle member 22 are generally connected from the inlet 141 to the outlet 142 of the flow path 14. It is preferable that the nozzle holes 21 ⁇ / b> C and 22 ⁇ / b> C are arranged so as to be distributed over almost the entire surface 15 ⁇ / b> A of the wall 15.
  • the abrasive 23 (projection material) injected from the nozzle holes 21C, 22C of the first nozzle member 21 and the second nozzle member 22 toward the wall 15 of the flow path 14 is, for example, silicon carbide (SiC) or oxidized It can be formed using aluminum (Al 2 O 3 ).
  • the average particle diameter of the abrasive 23 can be appropriately set within a range of 50 ⁇ m to 100 ⁇ m, for example.
  • the abrasive 23 is schematically shown as spherical particles in FIG. 6, but often has an irregular shape obtained by crushing. However, the abrasive 23 may have a regular shape such as a rectangular parallelepiped, a cube, and a flat body.
  • the shape, particle size, spray pressure, specific gravity, hardness, and the like of the abrasive 23 can be determined as appropriate in consideration of the target surface roughness, the time required for polishing, and the like.
  • the impeller 10 is manufactured through a molding step S ⁇ b> 1 by hot melt lamination modeling and a polishing step S ⁇ b> 2 using an abrasive 23.
  • the metal powder 201 as a material is supplied from the hopper 34 to the target surface Tg under the control of the control device 33 of the additive manufacturing apparatus 30 shown in FIG. 3 (powder supply step S11).
  • the metal powder 201 is spread on the target surface Tg with a predetermined thickness. If necessary, a rake arm (not shown) that can move in parallel with the target surface Tg can be used.
  • the electron beam EB is irradiated only in a range specified in the target surface Tg (electron beam irradiation step S12).
  • the focus coil 312 and the deflection coil 313 are electromagnetically controlled by the control device 33, whereby the electron beam EB scans a specific range in the target surface Tg at high speed.
  • the metal powder 201 is locally melted at the position where the electron beam EB is incident, and solidifies after the electron beam EB has passed.
  • the metal powder 201 before melting can be preheated by an appropriate heating device or an electron beam EB having a low output.
  • the layer Ly is formed on the target surface Tg after the metal powder 201 is melted and solidified. Then, the movable table 36 is lowered by the thickness of the layer Ly, and the completed layer Ly is moved so as to be retracted (offset) from the target surface Tg (moving step S13).
  • the target surface Tg is set on the surface of the layer Ly formed immediately before.
  • each layer Ly is formed. Since the stacked layers Ly are bonded in close contact with each other, the impeller 10 is integrally formed.
  • the thickness of each of the multiple layers Ly stacked is constant.
  • the thickness of each layer Ly is set to an appropriate value from the range of 10 ⁇ m to 50 ⁇ m, for example.
  • the metal powder 201 supplied to the periphery of the modeled object W (impeller 10) and the position corresponding to the inside of the flow path 14 and the shaft hole 110 is not solidified because it is not irradiated with the electron beam EB. Those metal powders 201 can be collected and reused.
  • the surface roughness Ra of the wall 15 of the flow path 14 of the impeller 10 molded as described above is, for example, about 25 ⁇ m to 40 ⁇ m.
  • the wall 15 is polished to a surface roughness Ra or less required for the surface 15A of the wall 15 of the flow path 14 by the polishing step S2.
  • the required surface roughness Ra is, for example, 0.2 ⁇ m.
  • the polishing step S2 as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the first and second nozzle members 21 with the first nozzle member 21 and the second nozzle member 22 inserted into the flow path 14 are used. , 22 is sprayed toward the surface 15A of the wall 15 from the nozzle holes 21C, 22C. As shown in FIG.
  • the first nozzle member 21 is inserted into the flow path 14 from the inlet 141, and the shot device 25 is operated, so that the abrasive 23 together with the compressed air is walled from each nozzle hole 21C. It sprays toward 15 surface 15A.
  • the abrasive 23 collides with the surface 15A of the wall 15 at a high speed, the wall 15 is polished, work hardening due to plastic deformation of the surface portion of the wall 15, transformation of the metal structure occurs, and further compressive residual stress is applied. .
  • the applied residual stress is, for example, 120 MPa to 1000 MPa based on fine particle peening and ultrasonic cavitation data.
  • the work hardening is, for example, an aluminum alloy and a high-speed tool steel having a Vickers hardness of 40 HV to 700 HV.
  • the abrasive 23 ejected from each nozzle hole 21 ⁇ / b> C can be removed from the flow path 14 by being sucked by the suction device V ⁇ b> 1 from the outlet 142 side of the flow path 14.
  • the second nozzle member 22 is inserted into the flow path 14 from the outlet 142, and the shot device 25 is operated, so that the abrasive 23 is passed through the wall 15 of each nozzle hole 22C. It injects toward the surface 15A.
  • the abrasive 23 and shavings can be removed from the flow path 14 by being sucked from the inlet 141 side of the flow path 14 by the suction device V2.
  • Polishing can be performed by inserting both the first nozzle member 21 and the second nozzle member 22 into the flow path 14, and either one of the first nozzle member 21 or the second nozzle member 22 can be polished in the flow path 14. If it inserts in one side and finishes the grinding
  • the first and second nozzle members 21 and 22 are inserted into the flow path 14 and the abrasive 23 is passed through the plurality of nozzle holes 21C and 22C.
  • the whole surface 15A of the wall 15 including the back of the flow path 14 can be ground and smoothed.
  • the surface roughness Ra of the wall 15 formed by hot melt additive manufacturing is, for example, about 25 ⁇ m to 40 ⁇ m, and the surface roughness of the flow path wall of the impeller formed by casting or electric discharge machining (for example, Compared to about 25 ⁇ m). Therefore, by the polishing step S2, the surface roughness Ra required for the wall 15 of the flow path 14 of the impeller 10 can be easily reached, and since the removal amount by polishing is small, uneven polishing is caused. Almost no occurrence (removal is completed before polishing unevenness occurs). Depending on the particle size, spraying pressure, etc.
  • the polishing step S ⁇ b> 2 for spraying the abrasive 23 onto the wall 15 via the first nozzle member 21 and the second nozzle member 22 is, for example, several seconds. In just a few minutes, the surface roughness of the wall 15 reaches the required value.
  • the polishing process takes a long time. That is, according to the present embodiment, the impeller 10 is formed by hot melt additive manufacturing, and the granular abrasive 23 is sprayed toward the wall 15 of the flow path 14 of the impeller 10, so that other than hot melt additive manufacturing.
  • the overall production efficiency from the formation of the impeller 10 to the polishing to the same surface roughness can be improved.
  • the molded product by additive manufacturing generally does not reach the metal structure and strength of the molded product obtained by machining such as rolling, casting, forging, etc.
  • the granular abrasive 23 is injected. Fatigue strength, wear resistance, and stress corrosion cracking resistance can be improved by applying work hardening, metallographic transformation, and compressive residual stress. That is, according to the present embodiment including the molding step S1 by hot melt layered modeling and the polishing step S2 using the granular abrasive 23, the surface roughness that can be realized in the molded product by hot melt layered modeling is the polishing step S2.
  • the manufacturing efficiency can be improved by utilizing this, and the reliability of the impeller 10 can be ensured by improving the mechanical characteristics of the hot-melt layered product in the polishing step S2. Thereby, it has the meaning that the impeller 10 excellent in performance and reliability can be provided at low cost.
  • a laser beam can be used as a heat source for melting the metal powder 201 instead of the electron beam EB.
  • the layered manufacturing apparatus 30 may be provided with a laser oscillator instead of the electron beam generation source 311.
  • the first nozzle member 21 is placed in the flow direction and width direction of the flow path 14 (circumferential direction of the impeller 10). There is a gap that can be moved.
  • the wall 15 can be polished by ejecting the abrasive 23 from the nozzle holes 21C and 22C while moving the first nozzle member 21 and the second nozzle member 22 in the flow path 14.
  • the first nozzle member 21 and the second nozzle member 22 can be moved in a predetermined direction in the flow path 14 with a predetermined stroke by using a driving device or manually.
  • first and second nozzle members 21 and 22 It is preferable to move the first and second nozzle members 21 and 22 in at least the flow direction of the flow direction and the width direction of the flow path 14. It is preferable to reciprocate each of the first and second nozzle members 21 and 22 in the flow direction at least once within the time from the start to the end of the polishing step S2. As the first and second nozzle members 21 and 22 move, the positions of the nozzle holes 21C and 22C change, and the position where the abrasive 23 injected from the nozzle holes 21C and 22C collides with the surface 15A of the wall 15 also changes. Therefore, polishing unevenness can be reduced and polishing can be completed in a shorter time. It is allowed to move only one of the first and second nozzle members 21 and 22 corresponding to the region of the surface 15A where the polishing unevenness may occur.
  • the number, opening diameter, density, layout, and the like of the nozzle holes 21C, 22C can be appropriately determined in consideration of the spraying pressure of the abrasive 23 in each part of the first and second nozzle members 21, 22.
  • the distal end portions 21B and 22B far from the shot device 25 have proximal end portions 21A and 22A when the injection pressure is lower than the proximal end portions 21A and 22A close to the shot device 25. It is more effective to increase the number of nozzle holes 21C and 22C per unit area, the opening diameter, and the density than the nozzle holes 21C and 22C in FIG.
  • the elastic abrasive 24 shown in FIG. 8A can also be used.
  • the elastic abrasive 24 includes a granular core material 241 having elasticity and adhesiveness, and fine abrasive grains 242 that are laminated on the surface of the core material 241 in the radial direction of the core material 241 to form a plurality of layers. Yes.
  • the core material 241 can be formed of an appropriate polymer material that has a low elastic modulus and exhibits adhesiveness.
  • a polyrotaxane compound is suitable.
  • the core material 241 is schematically shown as spherical particles in FIG. 8A, the core material 241 often has an irregular shape obtained by crushing.
  • the core material 241 may have a regularity such as a rectangular parallelepiped, a cube, and a flat body.
  • the average particle diameter of the core material 241 can be appropriately set within a range of 0.05 mm to 3.0 mm, for example.
  • the abrasive grains 242 can be formed from, for example, diamond, boron carbide (B 4 C), silicon carbide, alumina, tungsten carbide, zirconia, zircon, garnet, quartz, glass, or the like. Abrasive grains 242 formed of different materials can be mixed on the surface of the same core material 241 and used.
  • the average particle diameter of the abrasive grains 242 can be appropriately set within a range of 0.1 ⁇ m to 12 ⁇ m, for example.
  • the average particle size of the entire elastic abrasive 24 including the core material 241 and the layer of abrasive grains 242 can be appropriately set within a range of 0.05 mm to 3.0 mm, for example.
  • a pressing force is applied by pressing, hitting, or colliding, and the abrasive grains 242 are fixed on the surface of the core material 241.
  • the abrasive grains 242 are attached again to the core material 241 exposed between the abrasive grains 242 by applying the pressing force, and the pressing force is applied.
  • the layer of the abrasive grains 242 is laminated on the surface of the core material 241, and finally, the entire surface of the core material 241 is covered with the abrasive grains 242 without a gap. That is, the core material 241 is confined inside the abrasive grains 242.
  • the abrasive grains 242 of each layer are supported on the surface of the core material 241 due to the adhesiveness of the core material 241.
  • the number of layers of the abrasive grains 242 and the thickness of the layers can be appropriately determined so that the elastic abrasive 24 maintains elasticity as a whole.
  • the nozzle holes 21C and 22C are elastically compressed together with the compressed air as shown in FIG. 8B.
  • the abrasive 24 is sprayed toward the surface 15A of the wall 15.
  • the elastic abrasive 24 is easily deformed flat by the collision with the wall 15, the contact area with the wall 15 is widened.
  • the elastic abrasive 24 polishes the wall 15 while sliding along the wall 15 in this state.
  • the load at the time of collision is dispersed over a wide range due to elastic deformation, and the contact range is displaced due to sliding, so that a wider range of the wall surface is uniformly polished and more smoothly and more smoothly. It can be polished in a short time.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in the method of polishing the wall 15 of the flow path 14 of the impeller 10 formed by hot melt additive manufacturing, and the other is the same as the first embodiment.
  • the wall 15 of the flow path 14 of the impeller 10 is polished using the abrasive pool 40 that stores the abrasive 41 and the driving device 45.
  • the abrasive pool 40 includes a granular abrasive 41 and a container 42 that can accommodate the abrasive 41 and the impeller 10.
  • the abrasive 41 the same material as the abrasive 23 described in the first embodiment can be used.
  • the abrasive 41 may be stored up to about half of the volume of the container 42, for example.
  • the amount of the abrasive 41 in the container 42 is set to an appropriate amount that is sufficient to sufficiently polish the wall 15 of the flow path 14 and that is not excessive with respect to the resistance of the impeller 10 in the abrasive pool 40. it can.
  • the impeller 10 is disposed in the container 42 in a posture in which the axis is along the horizontal direction. As will be described later, as long as the abrasive 41 is scooped up by the blade 13 and flows down by its own weight, the axis of the impeller 10 may be inclined with respect to the horizontal direction.
  • the driving device 45 supports the impeller 10 disposed in the container 42 with a jig (not shown) and a shaft 451 and rotates the shaft around the axis. The direction of rotation at this time is opposite to the direction of rotation of the impeller 10 used by being incorporated in the centrifugal rotating machine (see arrow R in FIG. 9).
  • the driving device 45 rotates the impeller 10 at a speed sufficiently lower than the rotation speed of the impeller 10 when used by being incorporated in a centrifugal rotating machine.
  • the impeller 10 is formed by hot melt additive manufacturing, a polishing process is performed using the abrasive pool 40 and the driving device 45.
  • the impeller 10 is accommodated together with the abrasive 41 in the container 42 of the abrasive pool 40.
  • the impeller 10 is rotated around the axis in the direction of the arrow R by the driving device 45.
  • the abrasive 41 gradually enters the flow path 14 from the outlet 142 and fills the flow path 14.
  • the abrasive 41 is scooped up by the back surface 13B of the blade 13 and is pushed away toward the inlet 141 by its own weight (see arrow A in FIG.
  • the entire surface of the wall 15 can be polished and smoothed by the set of abrasives 41 rubbing the wall 15 of the flow path 14.
  • the polishing method of the second embodiment the surface roughness of the wall 15 formed by hot melt additive manufacturing can be easily reached below the required value. Further, since the removal amount by polishing is small, there is almost no polishing unevenness.
  • a coating for imparting erosion resistance can be applied to the surface of the wall 15 of the flow path 14.
  • Such coatings include, for example, WC composites (cermets) mainly containing tungsten carbide (WC), Cr 3 C 2 composites, alumina-titania (AlO 3 —TiO 2 ), chromium oxide ceramics (Cr 2 O). 3 ) etc., and can be formed by chemical vapor deposition or physical vapor deposition.
  • the surface roughness of the wall 15 of the flow path 14 of the impeller 10 after the hot melt additive manufacturing is, for example, about 25 ⁇ m to 40 ⁇ m. Therefore, the minute irregularities on the surface of the base material of the impeller 10 and the erosion-resistant coating Are firmly joined by the anchor effect. Further, since the surface roughness of the base material of the impeller 10 after hot melt additive manufacturing is, for example, about 25 ⁇ m to 40 ⁇ m, the surface roughness of the erosion-resistant coating covering the surface of the base material is as small as about 10 nm to 800 nm, for example. . Therefore, the surface roughness of the coating can easily reach the surface roughness required for the wall 15 of the flow path 14. In other words, a step of applying a coating for imparting erosion resistance may be sandwiched between the molding step by hot melt additive manufacturing described above and the polishing step by the method described in the first embodiment or the second embodiment. .
  • the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as long as it does not depart from the gist of the present invention.
  • Impeller 10A Rotating shaft 10R Arrow 11 Hub 11A Surface 12 Shroud 12A Inner surface 13 Blade 13A Abdominal surface 13B Back surface 14 Channel 15 Wall 15A Surface 21 First nozzle member 21A Base end 21B Tip 21C Nozzle Hole 22 Second nozzle member 22A Base end 22B Tip 22C Nozzle hole 22D Side wall 23 Abrasive material 24 Elastic abrasive 25 Shot device (supply source) 30 additive manufacturing apparatus 31 electron beam guide path 32 chamber 33 controller 34 hopper 36 movable table 40 abrasive material pool 41 abrasive material 42 container 45 driving device 110 shaft hole 141 inlet 142 outlet 201 metal powder 241 core material 242 abrasive grain 311 electron Beam generation source 312 Focus coil 313 Deflection coil A Arrow EB Electron beam F Arrow Ly Layer R Arrow S1 Molding step S11 Powder supply step S12 Electron beam irradiation step S13 Moving step S2 Polishing step Tg Target surface V1 Suction device V2 Suction device W Modeling object

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Abstract

インペラの成形から研磨までを含めた製造効率を改善すること。本発明のインペラの製造方法は、熱溶融積層造形によりインペラ１０を成形する成形工程Ｓ１と、粒状の研磨材２３を用いてインペラ１０の流路１４を区画する壁１５を研磨する研磨工程Ｓ２とを備え、研磨工程Ｓ２では、研磨材２３を流路１４の壁１５に噴射する又は擦る。例えば、流路１４内に挿入されたノズル部材２１，２２に形成された複数のノズル孔２１Ｃ，２２Ｃから研磨材２３を流路１４の壁１５に向けて噴射することが好ましい。

Description

熱溶融積層造形および機械的研磨によるインペラ製造方法
　本発明は、インペラの製造方法に関する。
　遠心圧縮機、遠心送風機、遠心ポンプ等の遠心回転機に、ハブと、シュラウドと、複数のブレードとを備えたインペラ（羽根車）が使用されている。
　インペラには、ハブと、シュラウドと、隣り合うブレードとで囲まれた流路が形成されている。この流路は、圧縮効率等を考慮して、３次元的に湾曲した複雑な形状に設計されている。インペラには、一般に、高い形状精度と、表面粗さが微小であることが要求される。
　インペラの製造方法に関し、複数の部位に分割して製作されたピース同士を溶接することが従来行われてきたが、溶接品質の確保が難しいので、近年では、金属材料の塊から放電加工により一体成形することが多い。放電加工の際には、流路の形状に合わせた電極を使用して流路を彫り進める。放電加工を行うと、表面に形成された変質層を、例えば酸洗により除去しなくてはならない。
　ところで、流体の流速エネルギーを圧力エネルギーに変換するインペラには、摩擦損失を抑えて所定の圧縮効率を実現するために、流路の壁面の高い平滑性が要求される。流路の壁面に要求される表面粗さは非常に小さい。
　そのため、成形されたインペラの流路壁面を表面粗さの要求値にまで仕上げる研磨工程が不可欠である（特許文献１，２）。
特開２０１３－１７０４９９号公報 特開２０１４－０９４４３３号公報 特表２０１５－５１０９７９号公報
　放電加工等により成形されたインペラの表面を湿式研磨や機械的な研磨により表面粗さの要求値に研磨することはできても、その研磨工程に時間が掛かる。
　そこで、本発明は、インペラの成形から研磨までを含めた製造効率を改善することを目的とする。
　インペラへの要望は、適用される遠心回転機械の仕様等に応じて多岐にわたり、しかも増え続けている。
　勿論、コストの抑制も望まれている。インペラの放電加工には、流路の形状に合わせた電極が必要であり、放電加工用の電極がコストアップの要因となる。
　そのような状況下で、本発明の発明者らは、金属粉体を用いる熱溶融積層造形に着目した。熱溶融積層造形は、金型を用いず、断面データに基づいて金属粉体を溶融、凝固させた層を積層することにより、３次元の部材を成形する技術である。金型を用いないので、形状変更等に対応し易く、コストも抑えられる。
　現状、熱源として電子ビームを用いる積層造形によりインペラを一体成形することが提案されている（特許文献３）。
　ここで、熱溶融積層造形により成形されたインペラの流路の壁の表面粗さは、鋳造や放電加工により成形されたインペラの流路の壁の表面粗さ（例えば表面粗さＲａが２５μｍ程度）と比べて悪くない。
　そこでなされた本発明のインペラの製造方法は、熱溶融積層造形によりインペラを成形する成形工程と、粒状の研磨材を用いてインペラの流路を区画する壁を研磨する研磨工程と、を備え、研磨工程では、研磨材を流路の壁に噴射する又は擦ることを特徴とする。
　本明細書において「熱溶融積層造形」は、３次元データを構成する断面データに基づいて、所定のターゲット面に供給された粉体を溶融させ、その後に凝固させることで形成される層を順次積層することによって３次元の部材を成形することをいうものとする。
　本発明のインペラの製造方法において、研磨工程では、表面粗さＲａが０．２μｍ以下となるように流路の壁を研磨することが好ましい。
　本発明のインペラの製造方法において、成形工程により成形されたインペラの未研磨である壁の表面粗さＲａは、２５μｍ～４０μｍであることが好ましい。
　本発明に係る「表面粗さＲａ」は、JIS B 0601－2001に基づくものをいう。
　また、「２５μｍ～４０μｍ」は、２５μｍ以上、４０μｍ以下を意味する。本発明に係る数値全般について、「Ａ～Ｂ」は、Ａ以上、Ｂ以下を意味する。
　本発明のインペラの製造方法において、成形工程では、使用材料の溶融および凝固を経て形成される１００μｍ～１０００μｍの厚みの層を順次積層することにより、インペラを成形することが好ましい。
　本発明のインペラの製造方法において、研磨工程では、研磨材の供給源から研磨材が供給されるノズル部材が流路内に挿入された状態で、ノズル部材に形成された複数の孔から研磨材を壁に向けて噴射することが好ましい。
　さらに、ノズル部材を流路内で動かしながら、孔から研磨材を壁に向けて噴射することが好ましい。
　本発明のインペラの製造方法では、研磨材として、弾性および粘着性を有するコア材と、コア材を覆う砥粒と、を備えた弾性研磨材を用いることが好ましい。
　本発明のインペラの製造方法において、研磨工程では、研磨材をプールする研磨材プールの中に配置されたインペラを使用時の回転の向きとは逆向きに回転させることで、流路の出口から流路内に入り込んだ研磨材が、流路の入口に向けて自重により押し流される間に壁を擦ることが好ましい。
　本発明によれば、インペラの流路が複雑な形状に構成されているとしても、粒状の研磨材を流路の壁に向けて噴射するか、あるいは、粒状の研磨材で流路の壁を擦ることにより、流路の奥も含め、流路の壁の全体に亘り研磨して平滑化することができる。
　ここで、熱溶融積層造形により成形された壁の表面粗さに基づけば、粒状の研磨材を噴射させるか擦る研磨工程により、インペラの流路の壁に要求される表面粗さ以下に容易に到達させることができる。
　したがって、熱溶融積層造形によりインペラを成形する成形工程と、そのインペラの流路の壁を粒状の研磨材により研磨する研磨工程とを備えた本発明によれば、熱溶融積層造形以外の方法で成形されたインペラの流路の壁を研磨する場合と比べて、インペラの成形から、同じ表面粗さに研磨するまでの全体の製造効率を改善することができる。
第１実施形態に係るインペラの平面図である。 図１に示すインペラのII－II線矢視図である。 図１に示すインペラの製造に用いられる積層造形装置を示す図である。 第１実施形態において流路壁面の研磨に用いられる装置の概略構成を示し、（ａ）は第１ノズル部材を使用する場合の装置構成図、（ｂ）は第２ノズル部材を使用する場合の装置構成図である。 第１実施形態の研磨に用いられる第１、第２ノズル部材をインペラの流路と共に示す平面図である。 研磨材により流路壁面が研磨される様子を示す模式図である。 第１実施形態に係るインペラを製造する手順を示す図である。 （ａ）は、研磨材の変形例を示す模式図であり、（ｂ）は、当該研磨材の作用を説明するための模式図である。 第２実施形態に係る流路研磨装置を示す模式図である。
　以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
　まず、図１および図２を参照し、インペラ１０の基本的な構成を簡単に説明する。
　インペラ１０は、遠心圧縮機等の遠心回転機械に備えられており、回転軸１０Ａ（図２）に組み付けられる。
　遠心圧縮機は、典型的には、同軸に配置される複数のインペラ１０を備えており、それらのインペラ１０によりエア等の気体が順次圧縮される。
　インペラ１０は、図１および図２に示すように、軸孔１１０に回転軸１０Ａが通されるハブ１１と、ハブ１１の表面に所定の間隔をおいて対向するシュラウド１２と、複数のブレード１３とを備えている。ハブ１１とシュラウド１２との間の空間が複数のブレード１３で仕切られることにより、複数の流路１４（図１）が形成されている。
　各流路１４は、ハブ１１と、シュラウド１２と、隣り合うブレード１３，１３との間に区画されている。流路１４を区画していて、気体が接触する壁１５は、ハブ１１と、シュラウド１２と、ブレード１３とにより構成されている。
　各流路１４は、図２に示すように、インペラ１０の内周側に位置する入口１４１と、インペラ１０の外周側に位置する出口１４２とを有している。
　ブレード１３と、ブレード１３，１３間の流路１４は、図１および図２に示すように、インペラ１０の径方向および軸方向のいずれに対しても湾曲した形状となっている。
　インペラ１０が、図示しない駆動部により、矢印１０Ｒ（図１）の向きに回転されると、流路１４内の気体が遠心力により加速されるため、入口１４１から流路１４内に気体が吸入され、図１に矢印Ｆで示す向きに流路１４を流れつつ圧縮され、出口１４２から排出される。
　インペラ１０は、例えば、低合金鋼、ステンレス鋼、チタン合金等を用いて熱溶融積層造形により成形されている。
　低合金鋼は、例えば、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｍｏ鋼、Ｃｒ－Ｍｏ鋼等である。ステンレス鋼は、例えば、析出硬化型ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、二相ステンレス鋼等である。
　流路１４の壁１５における摩擦損失を抑えるため、壁１５の表面１５Ａには高い平滑性が要求される。そのため、成形されたインペラ１０の流路１４の壁１５を研磨することで、表面粗さの要求値にまで仕上げている。
　図１および図２に示すように、流路１４の壁１５の表面１５Ａは、ハブ１１の表面１１Ａと、シュラウド１２の内側の面１２Ａと、ブレード１３の腹側の面１３Ａと、それに対向するブレード１３の背側の面１３Ｂとから構成されている。ブレード１３の腹側の面１３Ａが、そのブレード１３の隣りのブレード１３の背側の面１３Ｂに向けて突き出している。
　図３を参照し、インペラ１０の成形に用いることのできる積層造形装置３０について説明する。
　積層造形装置３０は、高エネルギーの熱源である電子ビーム（電子線）を使用した熱溶融積層造形により、インペラ１０を成形する。
　積層造形装置３０は、電子ビームＥＢをターゲット面Ｔｇに向けて導く電子ビーム導路３１と、電子ビームＥＢの照射により起こる溶融と、凝固とを経て造形物Ｗ（インペラ１０）が成形されるチャンバ３２と、３次元データに基づいて積層造形装置３０の各部を制御する制御装置３３とを備えている。
　電子ビーム導路３１およびチャンバ３２の内部は、外部の大気圧に対して所定の真空度にまで減圧されている。そのため、使用材料の酸化を抑えることができる。
　電子ビーム導路３１は、電子ビームＥＢを放出する電子ビーム発生源３１１と、いずれも電子ビームＥＢの周りに配置される焦点コイル３１２および偏向コイル３１３を有している。
　チャンバ３２の内部空間には、電子ビームＥＢが照射されるターゲット面Ｔｇが設定されている。ターゲット面Ｔｇは水平な平面である。
　チャンバ３２の内部には、金属粉体２０１をターゲット面Ｔｇに供給するホッパ３４と、造形物Ｗを支持する可動テーブル３６とが備えられている。
　造形物Ｗの残留応力を考慮し、必要に応じて、造形物Ｗを加熱する加熱装置をチャンバ３２内に設けて温度制御を行うことができる。
　次に、図４および図５を参照し、流路１４の壁１５の研磨に用いることのできるノズル部材２１，２２について説明する。
　本実施形態では、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、流路１４内に挿入された第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２の各々に形成されているノズル孔２１Ｃ，２２Ｃ（図５）から粒状の研磨材２３（図６）を流路１４の壁１５の表面１５Ａに噴射する。
　本実施形態で行われる研磨は、溶液を用いない機械的な乾式研磨であるため、溶液排出の問題がなく、環境に適合する上、研磨液によりインペラ１０が研磨の域を超えて腐食するおそれがない。また、金属と研磨液との化学反応により発生した水素ガスが流路の壁面に付着して研磨を妨げたり、流路壁への水素吸蔵のおそれもない。
　第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２は、研磨材２３により摩耗し難い工具鋼から形成されることが好ましい。
　第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２のうち、第２ノズル部材２２を例に取り説明する。
　第２ノズル部材２２は、図４（ｂ）および図５に示すように、流路１４の出口１４２側の形状に倣って湾曲しており、研磨材２３が供給される基端部２２Ａと、閉塞された先端部２２Ｂとを備えている。
　第２ノズル部材２２の四方の側壁は、ハブ１１の表面１１Ａと、シュラウド１２の内側の面１２Ａ（図４（ｂ））と、ブレード１３の腹側の面１３Ａと、ブレード１３の背側の面１３Ｂとにそれぞれ対向する。図５には、シュラウド１２の内側の面１２Ａに対向する側壁２２Ｄが示されている。
　第２ノズル部材２２の四方の側壁には、それぞれ、側壁を厚み方向に貫通した複数のノズル孔２２Ｃが形成されている。ノズル孔２２Ｃは、側壁において広範囲に位置していることが好ましい。
　第２ノズル部材２２の基端部２２Ａは、図４（ｂ）に示すようにショット装置２５に接続される。研磨材２３の供給源であるショット装置２５は、圧縮空気を使用し、空気の高速な流れに乗せて研磨材２３を基端部２２Ａから第２ノズル部材２２の内側（中空部）に供給する。第２ノズル部材２２の内側に供給された研磨材２３は、各ノズル孔２２Ｃから壁１５の表面１５Ａに向けて噴射される。その後、研磨材２３を回収し、回収された研磨材２３をショット装置２５から再度供給することができる。
　第１ノズル部材２１も、第２ノズル部材２２と同様に構成されている。
　第１ノズル部材２１は、図４（ａ）および図５に示すように、流路１４の入口１４１側の形状に倣って湾曲しており、ショット装置２５により研磨材２３が供給される基端部２１Ａと、閉塞された先端部２１Ｂとを備えている。第１ノズル部材２１の四方の側壁には、それぞれ、側壁を厚み方向に貫通した複数のノズル孔２１Ｃが形成されている。
　第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２が流路１４内にそれぞれ挿入されているときに、第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２は、全体として、流路１４の入口１４１から出口１４２まで延在しており、ノズル孔２１Ｃ，２２Ｃが壁１５の表面１５Ａのほぼ全域に亘り分散して配置されていることが好ましい。
　第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２の各々のノズル孔２１Ｃ，２２Ｃから流路１４の壁１５に向けて噴射される研磨材２３（投射材）は、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を用いて形成することができる。
　研磨材２３の平均粒径は、例えば、５０μｍ～１００μｍの範囲で適宜に設定することができる。研磨材２３は、図６では球状の粒子として模式的に示されているが、破砕により得られた不定形な形状であることが多い。但し、研磨材２３が、直方体、立方体、偏平体等の定形性を有するものであってもよい。
　研磨材２３の形状や、粒径、噴射圧力、比重、硬さ等は、狙いの表面粗さや、研磨に許容される所要時間等を考慮して、適宜に定めることができる。
　以下、インペラ１０を製造する方法について説明する。
　インペラ１０は、図７に示すように、熱溶融積層造形による成形工程Ｓ１と、研磨材２３を用いる研磨工程Ｓ２とを経て製造される。
　まず、成形工程Ｓ１では、図３に示す積層造形装置３０の制御装置３３による制御の下、ホッパ３４からターゲット面Ｔｇへと、材料である金属粉体２０１を供給する（粉体供給ステップＳ１１）。金属粉体２０１は、所定の厚みでターゲット面Ｔｇに敷き詰められる。必要に応じて、ターゲット面Ｔｇと平行に移動可能なレーキアーム（図示しない）を使用することができる。
　続いて、断面データに基づいて、ターゲット面Ｔｇ内に特定された範囲にだけ電子ビームＥＢを照射する（電子ビーム照射ステップＳ１２）。このとき、制御装置３３により焦点コイル３１２および偏向コイル３１３が電磁的に制御されることにより、ターゲット面Ｔｇ内における特定範囲を電子ビームＥＢが高速で走査する。金属粉体２０１は、電子ビームＥＢが入射した位置で局所的に溶融し、電子ビームＥＢが通過した後に凝固する。
　適宜な加熱装置あるいは出力の低い電子ビームＥＢにより、溶融する前の金属粉体２０１を予熱することもできる。
　ターゲット面Ｔｇ内において特定された範囲の全域への電子ビームＥＢの照射を終えたならば、金属粉体２０１の溶融および凝固を経て、ターゲット面Ｔｇに層Ｌｙが形成されている。
　そして、可動テーブル３６を層Ｌｙの厚みの分だけ下げて、完成した層Ｌｙをターゲット面Ｔｇから退避（オフセット）させるように移動させる（移動ステップＳ１３）。ターゲット面Ｔｇは、直前に形成された層Ｌｙの表面に設定されることとなる。
　以上のステップＳ１１～Ｓ１３を、各層Ｌｙの積層が完了するまで繰り返す。積層された層Ｌｙは互いに密着した状態に結合されているため、インペラ１０が一体に成形される。
　積層される複数の層Ｌｙの各々の厚みは一定である。各層Ｌｙの厚みは、例えば、１０μｍ～５０μｍの範囲から、適宜な値に定められる。
　造形物Ｗ（インペラ１０）の周囲や、流路１４および軸孔１１０の内側に相当する位置に供給された金属粉体２０１は、電子ビームＥＢが照射されていないため凝固していない。それらの金属粉体２０１を回収し、再度利用することができる。
　以上により成形されたインペラ１０の流路１４の壁１５の表面粗さＲａは、例えば、２５μｍ～４０μｍ程度である。
　次に、研磨工程Ｓ２により、流路１４の壁１５の表面１５Ａに要求される表面粗さＲａ以下にまで壁１５を研磨する。要求される表面粗さＲａは、例えば、０．２μｍである。
　研磨工程Ｓ２では、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２が流路１４内に挿入された状態で、第１、第２ノズル部材２１，２２のノズル孔２１Ｃ，２２Ｃから研磨材２３を壁１５の表面１５Ａに向けて噴射する。
　図４（ａ）に示すように、第１ノズル部材２１を入口１４１から流路１４内に挿入し、ショット装置２５を作動させることにより、各ノズル孔２１Ｃから、圧縮空気と共に研磨材２３を壁１５の表面１５Ａに向けて噴射する。研磨材２３が壁１５の表面１５Ａに高速で衝突すると、壁１５が研磨されるとともに、壁１５の表面部分の塑性変形による加工硬化、金属組織の変態が生じ、さらに圧縮残留応力が付与される。付与される残留応力は、微粒子ピーニング、超音波キャビテーションのデータより、例えば、１２０ＭＰａ～１０００ＭＰａである。加工硬化は、例えば、アルミニウム合金、高速度工具鋼に関し、ビッカース硬さが４０ＨＶ～７００ＨＶである。
　各ノズル孔２１Ｃから噴出された研磨材２３は、流路１４の出口１４２側から吸引装置Ｖ１により吸引することで流路１４内から除去することができる。
　同様に、図４（ｂ）に示すように、第２ノズル部材２２を出口１４２から流路１４内に挿入し、ショット装置２５を作動させることにより、各ノズル孔２２Ｃから研磨材２３を壁１５の表面１５Ａに向けて噴射する。
　研磨材２３や削り屑は、流路１４の入口１４１側から吸引装置Ｖ２により吸引することで流路１４内から除去することができる。
　流路１４内に、第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２の双方を挿入して研磨を行うこともできるし、第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２のいずれか一方を流路１４内の一方側に挿入して、流路１４の壁面の一方側の研磨を終えたならば、他方のノズル部材に交代することもできる。
　インペラ１０の流路１４が複雑な形状に構成されているとしても、第１、第２ノズル部材２１，２２を流路１４内に挿入し、複数のノズル孔２１Ｃ，２２Ｃから研磨材２３を壁１５の表面１５Ａへと噴射することにより、流路１４の奥も含め、壁１５の表面１５Ａ全体を研磨して平滑化することができる。
　上述したように、熱溶融積層造形により成形された壁１５の表面粗さＲａは例えば、２５μｍ～４０μｍ程度であり、鋳造や放電加工により成形されたインペラの流路の壁の表面粗さ（例えば２５μｍ程度）と比べて悪くない。
　そのため、研磨工程Ｓ２により、インペラ１０の流路１４の壁１５に要求される表面粗さＲａ以下に容易に到達させることができるし、研磨による除去量が僅かであることから、研磨のムラが殆ど生じない（研磨ムラが生じる前に除去が終了する）。
　壁１５に噴射される研磨材２３の粒径や噴射圧力等にもよるが、第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２を介して研磨材２３を壁１５に噴射する研磨工程Ｓ２を例えば数秒から数分間程度行うだけで、壁１５の表面粗さが要求値に到達する。
　熱溶融積層造形以外の方法により成形されたインペラの流路の壁面を研磨して表面粗さの要求値にまで研磨する場合には、研磨工程に長時間を要する。
　つまり、本実施形態によれば、熱溶融積層造形によりインペラ１０を成形するとともに、そのインペラ１０の流路１４の壁１５に向けて粒状の研磨材２３を噴射することにより、熱溶融積層造形以外の方法により成形されたインペラの流路の壁面を研磨する場合と比べて、インペラ１０の成形から、同じ表面粗さに研磨するまでの全体の製造効率を改善することができる。
　しかも、積層造形による成形物は、一般に、圧延、鋳造、鍛造等の機械加工によって得られる成形物の金属組織や強度には及ばないところ、本実施形態によれば、粒状の研磨材２３が噴射されることによる加工硬化、金属組織の変態、圧縮残留応力の付与により、疲労強度、耐摩耗性、および耐応力腐食割れ性を向上させることができる。
　つまり、熱溶融積層造形による成形工程Ｓ１および粒状の研磨材２３を用いる研磨工程Ｓ２を備えた本実施形態によれば、熱溶融積層造形による成形物において実現可能な表面粗さを研磨工程Ｓ２で活かして製造効率を改善できるとともに、熱溶融積層造形物の機械的特性を研磨工程Ｓ２で向上させることでインペラ１０の信頼性を確保することができる。
　それにより、性能や信頼性の優れたインペラ１０を低コストで提供できるという意義を有する。
　本実施形態において、金属粉体２０１を溶融させる熱源として、電子ビームＥＢに代えて、レーザービームを用いることもできる。その場合は、積層造形装置３０に、電子ビーム発生源３１１に代えてレーザー発振器を備えればよい。
〔第１実施形態の変形例〕
　研磨材２３の比重、硬さ、粒径、噴射圧力、インペラ１０の材質等の条件により、研磨材２３が噴射された壁１５の表面１５Ａに研磨ムラが生じる可能性がある場合には、第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２を流路１４内で動かすことが有効である。
　第１ノズル部材２１の四方の側壁と、当該側壁に対向する壁１５の表面１５Ａとの間には、第１ノズル部材２１を流路１４の流れ方向および幅方向（インペラ１０の周方向）に移動させることができる程度の隙間が存在する。第２ノズル部材２２についても同様である。
　したがって、第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２を流路１４内で動かしながら、ノズル孔２１Ｃ，２２Ｃから研磨材２３を噴出させて壁１５を研磨することができる。
　駆動装置を用いて、または手動で、第１ノズル部材２１および第２ノズル部材２２を流路１４内で所定の方向に、所定のストロークで動かすことができる。第１、第２ノズル部材２１，２２を流路１４の流れ方向および幅方向のうち少なくとも流れ方向に動かすことが好ましい。研磨工程Ｓ２の開始から終了までの時間内で、第１、第２ノズル部材２１，２２のそれぞれを少なくとも１回は流れ方向に往復させることが好ましい。
　第１、第２ノズル部材２１，２２の動きに伴い、各ノズル孔２１Ｃ，２２Ｃの位置が変わり、各ノズル孔２１Ｃ，２２Ｃから噴射された研磨材２３が壁１５の表面１５Ａに衝突する位置も変わるので、研磨のムラを低減できるとともに、より短時間で研磨を終えることができる。
　第１、第２ノズル部材２１，２２のうち、研磨ムラが発生する可能性のある表面１５Ａの領域に対応する一方のみを動かすことも許容される。
　ノズル孔２１Ｃ，２２Ｃの数や、開口径、密度、レイアウト等は、第１、第２ノズル部材２１，２２の各部における研磨材２３の噴射圧力等を考慮して、適宜に定めることができる。
　第１、第２ノズル部材２１，２２において、ショット装置２５から遠い先端部２１Ｂ，２２Ｂでは、ショット装置２５に近い基端部２１Ａ，２２Ａよりも噴射圧力が小さい場合は、基端部２１Ａ，２２Ａにおけるノズル孔２１Ｃ，２２Ｃよりも先端部２１Ｂ，２２Ｂにおけるノズル孔２１Ｃ，２２Ｃの単位面積あたりの数や、開口径、密度を増やすことが有効である。
　本実施形態の研磨工程Ｓ２において、図８（ａ）に示す弾性研磨材２４を用いることもできる。弾性研磨材２４は、弾性および粘着性を有する粒状のコア材２４１と、コア材２４１の表面に、コア材２４１の径方向に積層されて複数の層をなす微小な砥粒２４２とを備えている。
　コア材２４１は、弾性率が低く、粘着性を示す適宜な高分子材料から形成することができる。例えば、ポリロタキサン化合物が好適である。
　コア材２４１は、図８（ａ）では球状の粒子として模式的に示されているが、破砕により得られた不定形な形状であることが多い。但し、コア材２４１が、直方体、立方体、偏平体等の定形性を有するものであってもよい。
　コア材２４１の平均粒径は、例えば、０．０５ｍｍ～３．０ｍｍの範囲で適宜に設定可能である。
　砥粒２４２は、例えば、ダイヤモンド、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、炭化珪素、アルミナ、炭化タングステン、ジルコニア、ジルコン、ガーネット、石英、ガラス等から形成することができる。異なる材料から形成された砥粒２４２を同じコア材２４１の表面に混在させて用いることもできる。
　砥粒２４２の平均粒径は、例えば、０．１μｍ～１２μｍの範囲で適宜に設定可能である。
　コア材２４１と砥粒２４２の層とを含めた弾性研磨材２４全体の平均粒径は、例えば、０．０５ｍｍ～３．０ｍｍの範囲で適宜に設定可能である。
　コア材２４１の表面に砥粒２４２を付着させた後、押す、叩く、あるいは衝突させること等により押圧力を付与して砥粒２４２をコア材２４１の表面に定着させる。押圧力の付与により砥粒２４２同士の間から露出したコア材２４１へと再び砥粒２４２を付着させ、押圧力を付与する。これを繰り返すことにより、砥粒２４２の層がコア材２４１の表面に積層され、最終的に、コア材２４１の表面の全体が砥粒２４２により隙間なく覆われた状態となる。つまり、砥粒２４２の内側にコア材２４１が閉じ込められる。各層の砥粒２４２は、コア材２４１の粘着性によりコア材２４１の表面に担持されている。
　弾性研磨材２４が全体として弾性を維持するように、砥粒２４２の層の数や層の厚みを適宜に定めることができる。
　流路１４内に第１、第２ノズル部材２１，２２が挿入された状態でショット装置２５を作動させると、各ノズル孔２１Ｃ，２２Ｃから、図８（ｂ）に示すように圧縮空気と共に弾性研磨材２４が壁１５の表面１５Ａに向けて噴射される。このとき、弾性研磨材２４は壁１５への衝突により容易に偏平に変形するので壁１５に対する接触面積が広くなる。しかも、その状態で弾性研磨材２４は壁１５に沿って滑走しながら壁１５を研磨する。
　弾性研磨材２４を用いると、弾性変形により衝突時の荷重が広い範囲に分散される上、滑走により接触範囲が変位するので、壁面のより広い範囲が均一に研磨されて、より平滑に、より短時間で研磨することができる。
〔第２実施形態〕
　次に、本発明の第２実施形態に係るインペラ１０の製造について説明する。
　第２実施形態は、熱溶融積層造形により成形されたインペラ１０の流路１４の壁１５を研磨する方法が第１実施形態とは相違し、その他は第１実施形態と同様である。
　第２実施形態では、図９に示すように、研磨材４１を貯留する研磨材プール４０と、駆動装置４５とを用いて、インペラ１０の流路１４の壁１５を研磨する。
　研磨材プール４０は、粒状の研磨材４１と、研磨材４１およびインペラ１０を収容可能な容器４２とを備えている。
　研磨材４１として、第１実施形態で説明した研磨材２３と同様のものを用いることができる。研磨材４１は、容器４２の容積の例えば半分程度まで貯留されていればよい。容器４２内の研磨材４１の量は、流路１４の壁１５を十分に研磨するのに足り、かつ、研磨材プール４０中のインペラ１０の抵抗に対して過剰でない適切な量に定めることができる。
　インペラ１０は、容器４２内に、軸線が水平方向に沿った姿勢で配置される。なお、後述するように、研磨材４１がブレード１３によりすくい上げられて、自重により流れ落ちる限り、インペラ１０の軸線が水平方向に対して傾斜していてもよい。
　駆動装置４５は、容器４２内に配置されたインペラ１０を図示しない治具とシャフト４５１とで支持し、軸周りに回転させる。このときの回転の向きは、遠心回転機械に組み込まれて使用されるインペラ１０の回転の向きとは逆である（図９の矢印Ｒ参照）。
　また、駆動装置４５は、遠心回転機械に組み込まれて使用されるときのインペラ１０の回転速度よりも十分に低い速度でインペラ１０を回転させる。
　インペラ１０が熱溶融積層造形により成形されたならば、研磨材プール４０および駆動装置４５を用いて研磨工程を行う。
　研磨工程では、研磨材プール４０の容器４２内に研磨材４１と共にインペラ１０を収容する。そして、駆動装置４５により、インペラ１０を軸周りに、矢印Ｒの向きに回転させる。
　容器４２内でインペラ１０が回転されるのに伴い、研磨材４１が出口１４２から流路１４内に次第に入り込んで流路１４内を埋め尽くす。その後、研磨材４１は、ブレード１３の背側の面１３Ｂによりすくい上げられながら、自重により入口１４１に向けて押し流され（図９の矢印Ａを参照）、入口１４１から研磨材プール４０中へと排出される。これを繰り返しながら、容器４２内の研磨材４１が流路１４の内部と外部とを循環する。
　上記のように研磨材４１が流路１４内を入口１４１に向けて押し流される間に、研磨材４１が流路１４の壁１５を擦って研磨する。
　流路１４が複雑な形状に構成されているとしても、研磨材４１の集合が流路１４の壁１５を擦ることにより、壁１５の表面全体を研磨して平滑化することができる。
　第２実施形態の研磨方法によっても、熱溶融積層造形により成形された壁１５の表面粗さを要求値以下に容易に到達させることができる。また、研磨による除去量が僅かであることから、研磨ムラが殆ど生じない。
　第１実施形態および第２実施形態において、熱溶融積層造形によりインペラ１０を成形した後、流路１４の壁１５の表面に耐エロージョン性を付与する被膜を施すこともできる。かかる被膜は、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）を主として含むＷＣ系の複合材（サーメット）や、Ｃｒ３Ｃ２系複合材、アルミナ－チタニア（ＡｌＯ３－ＴｉＯ２）、酸化クロムセラミックス（Ｃｒ２Ｏ３）等を用いて、化学蒸着や物理蒸着の手法により形成することができる。そういった被膜が施されることで、流体に含まれる水滴や塵埃、異物等が衝突することによる流路壁面の摩耗、減肉、腐食（粒子エロージョン）を抑止することができる。
　熱溶融積層造形後のインペラ１０の流路１４の壁１５の表面粗さが上述したように例えば２５μｍ～４０μｍ程度であるため、インペラ１０の母材表面の微小な凹凸と、耐エロージョン性被膜とがアンカー効果により強固に接合される。
　また、熱溶融積層造形後のインペラ１０の母材の表面粗さが例えば２５μｍ～４０μｍ程度であることにより、母材表面を覆う耐エロージョン性被膜の表面粗さは例えば、１０ｎｍ～８００ｎｍ程度と小さい。そのため、この被膜の表面粗さを、流路１４の壁１５に要求される表面粗さに容易に到達させることができる。つまり、上述した熱溶融積層造形による成形工程と、第１実施形態または第２実施形態で説明した方法による研磨工程との間に、耐エロージョン性を付与する被膜を施す工程を挟んでいてもよい。
　上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
１０　　　インペラ
１０Ａ　　回転軸
１０Ｒ　　矢印
１１　　　ハブ
１１Ａ　　表面
１２　　　シュラウド
１２Ａ　　内側の面
１３　　　ブレード
１３Ａ　　腹側の面
１３Ｂ　　背側の面
１４　　　流路
１５　　　壁
１５Ａ　　表面
２１　　　第１ノズル部材
２１Ａ　　基端部
２１Ｂ　　先端部
２１Ｃ　　ノズル孔
２２　　　第２ノズル部材
２２Ａ　　基端部
２２Ｂ　　先端部
２２Ｃ　　ノズル孔
２２Ｄ　　側壁
２３　　　研磨材
２４　　　弾性研磨材
２５　　　ショット装置（供給源）
３０　　　積層造形装置
３１　　　電子ビーム導路
３２　　　チャンバ
３３　　　制御装置
３４　　　ホッパ
３６　　　可動テーブル
４０　　　研磨材プール
４１　　　研磨材
４２　　　容器
４５　　　駆動装置
１１０　　軸孔
１４１　　入口
１４２　　出口
２０１　　金属粉体
２４１　　コア材
２４２　　砥粒
３１１　　電子ビーム発生源
３１２　　焦点コイル
３１３　　偏向コイル
Ａ　　　　矢印
ＥＢ　　　電子ビーム
Ｆ　　　　矢印
Ｌｙ　　　層
Ｒ　　　　矢印
Ｓ１　　　成形工程
Ｓ１１　　粉体供給ステップ
Ｓ１２　　電子ビーム照射ステップ
Ｓ１３　　移動ステップ
Ｓ２　　　研磨工程
Ｔｇ　　　ターゲット面
Ｖ１　　　吸引装置
Ｖ２　　　吸引装置
Ｗ　　　　造形物

Claims (8)

  1. 　熱溶融積層造形によりインペラを成形する成形工程と、
    　粒状の研磨材を用いて前記インペラの流路を区画する壁を研磨する研磨工程と、を備え、
    　前記研磨工程では、
    　前記研磨材を前記流路の前記壁に噴射する又は擦る、
    ことを特徴とするインペラの製造方法。
  2. 　前記研磨工程では、
    　表面粗さＲａが０．２μｍ以下となるように前記流路の前記壁を研磨する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のインペラの製造方法。
  3. 　前記成形工程により成形された前記インペラの未研磨である前記壁の表面粗さＲａは、
    　２５μｍ～４０μｍである、
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のインペラの製造方法。
  4. 　前記成形工程では、
    　使用材料の溶融および凝固を経て形成される１００μｍ～１０００μｍの厚みの層を順次積層することにより、前記インペラを成形する、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のインペラの製造方法。
  5. 　前記研磨工程では、
    　前記研磨材の供給源から前記研磨材が供給されるノズル部材が前記流路内に挿入された状態で、前記ノズル部材に形成された複数の孔から前記研磨材を前記壁に向けて噴射する、
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のインペラの製造方法。
  6. 　前記研磨工程では、
    　前記ノズル部材を前記流路内で動かしながら、前記孔から前記研磨材を前記壁に向けて噴射する、
    ことを特徴とする請求項５に記載のインペラの製造方法。
  7. 　前記研磨材として、
    　弾性および粘着性を有するコア材と、前記コア材を覆う砥粒と、を備えた弾性研磨材を用いる、
    ことを特徴とする請求項５または６に記載のインペラの製造方法。
  8. 　前記研磨工程では、
    　前記研磨材をプールする研磨材プールの中に配置された前記インペラを使用時の回転の向きとは逆向きに回転させることで、
    　前記流路の出口から前記流路内に入り込んだ前記研磨材が、前記流路の入口に向けて自重により押し流される間に前記壁を擦る、
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のインペラの製造方法。
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