インペラの製造方法

【課題】コストの増加を回避しながら作業効率の向上を図ることができるとともに高強度のインペラを取得することが可能なインペラの製造方法を提供する。
【解決手段】インペラ材１１の傾斜曲面１２の外周側から径方向内側に向かっての所定範囲である外周側領域１６に対して、流路に対応する金型２１，２１を用いた鍛造加工を周方向に順次施すことにより、流路となる部分に溝部１３を形成するとともにブレードとなる部分に立ち上げ部１４を形成する鍛造工程を行う。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハブ及びブレードを母材から一体的に成形するインペラの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機等の回転機械に用いられるインペラは、回転軸に固定されるハブと、ハブの表面に突出して設けられる複数のブレードと、このブレードの上方を覆うシュラウドとを互いに溶接接合させることで製造されることが一般的である。
しかし、このように３つの部材を互いに溶接接合するインペラの製造方法では、ブレード間に形成される流路が狭い場合、溶接トーチを流路に挿入して操作することが難しいため、溶接不良等の欠陥が生じやすいという問題がある。
また、３つの部材を互いに溶接接合するため、溶接箇所が多くなることによって、局部的に高温となって変形が生じる箇所が多くなるという問題もある。
【０００３】
このような問題を解消する手段として、先端部に刃物が設けられたミル工具を用い、母材としてのインペラ材に流路を切削加工することにより、ハブとブレードとをインペラ材から一体的に切り出すインペラの製造方法が知られている。
【０００４】
また、この他、特許文献１には、鍛造によりチタン製のインペラを製造する方法が提案されている。この方法によれば、チタンからなる母材全体に鍛造を施すことにより最終製品に近い形状、即ち、ハブ及びブレードの原型となる部分を有する形状を形成し、その後、これら原型となる部分に機械加工を施すことによって、ハブ及びブレードを備えた最終製品としてのインペラを取得することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−４８７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記ミル工具を用いてのインペラの製造方法では、インペラ材からハブとブレードとを一体的に切り出す作業に長い時間を要し、作業効率が悪化するという問題がある。
また、特許文献１に示すように鍛造を用いたインペラの製造方法では、鍛造により母材組織が緻密になるため強度の向上を図ることができるものの、母材全体に鍛造を施すのでは加熱エネルギーの消費量増大や工数の増加による製造コストの高騰が懸念され、経済的な観点から好ましくない。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、コストの増加を回避しながら作業効率の向上を図ることができるとともに高強度のインペラを取得することが可能なインペラの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明に係るインペラの製造方法は、円盤状をなすハブに径方向に延びるブレードが周方向に間隔をあけて複数設けられ、隣り合う前記ブレードの間に流路が形成されたインペラの製造方法であって、炭素鋼からなる円盤状部材から、一端側に向かって漸次傾斜する傾斜曲面を有する母材を形成する母材形成工程と、前記傾斜曲面の外周側から径方向内側に向かっての所定範囲である外周側領域に対して、前記流路に対応する金型を用いた鍛造加工を周方向に順次施すことにより、前記流路となる部分に溝部を形成するとともに前記ブレードとなる部分に立ち上げ部を形成する鍛造工程と、前記溝部、前記立ち上げ部及び前記母材の前記外周側領域よりも径方向内側の内周側領域に切削加工を施すことで、前記ハブ、前記ブレード及び前記流路を形成する仕上げ工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
このような特徴のインペラの製造方法によれば、母材の全体ではなく、該母材の外周側領域のみに鍛造加工を施すことで流路及びブレードとなる溝部及び立ち上げ部を形成する。その後、仕上げ加工を施すことにより、ブレード及び流路を形成する。このように、鍛造によってインペラの概形を成形した後に仕上げ加工を施すことで、当初から母材に切削加工を施すことに比べて作業効率の向上を図ることができる。
ここで、インペラが回転する際には外周側に向かうに連れて遠心力が増大するため、内部に発生する応力も外周側ほど大きくなる。また、ハブの厚みは外周側に向かうに連れて小さくなるため、該ハブ剛性もまた外周側ほど小さくなる。したがって、ハブの外周側では、上記応力の影響による破損・変形が懸念される。
これに対して本発明では、母材の外周側領域に鍛造加工が施すこととしているため、当該母材の外周側では組織の緻密化により強度が高いものとなる。これにより、厚みの薄いハブの外周側でも上記遠心力に耐え得るだけの強度を実現することができ、インペラ全体を高強度とすることができる。
さらに、母材の外周側領域のみに鍛造を施す手法のため、母材全体に鍛造を施す場合に比べて加熱エネルギーの消費量や工数を抑えることができ、コストの増加を回避することができる。即ち、強度が特に必要な部分のみに鍛造加工を施すことにより、コストの低減を図りつつ高強度のインペラを得ることができる。
【００１０】
また、本発明に係るインペラの製造方法において、前記鍛造工程は、周方向に前記流路のピッチに対応する間隔をあけて配置された複数の金型によって行われることが好ましい。
【００１１】
このような特徴のインペラの製造方法によれば、隣り合う金型の間の部分によって母材を挟み込むように鍛造を施すことができるため、これら金型の間の部分に形成される立ち上げ部の立ち上がり高さを大きくすることができる。これによって、母材の傾斜曲面の形状を最終製品の形状により近づけることができるため、後の仕上げ加工を容易に行うことができ、作業効率の向上を図ることが可能となる。
【００１２】
さらに本発明に係るインペラの製造方法において、前記鍛造工程は、前記母材の外周面をリング状部材によって拘束した状態で行われることを特徴とする。
【００１３】
これによって、外周側領域に鍛造を行う際に、母材が外周側に広がってしまうことを防止することができる。したがって、母材の外周側が必要以上に薄くなってしまい強度が低下してしまうことを回避することができ、インペラ全体としての強度を高く維持することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るインペラの製造方法によれば、母材に対して径方向外側から内側に向かっての一部範囲である外周側領域のみに鍛造を施してインペラを製造することにより、コストの増加を回避しながら作業効率の向上を図ることができ、さらに高強度を維持できるインペラを取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の第一実施形態のインペラの製造方法により製造されるインペラの斜視図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係るインペラの製造方法に関し、円盤状部材をテーブルユニット上に載置した際の斜視図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係るインペラの製造方法に関し、母材形成工程を説明する斜視図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係るインペラの製造方法に関し、鍛造工程を説明する斜視図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係るインペラの製造方法に関し、鍛造工程を説明する斜視図である。
【図６】本発明の第一実施形態に係るインペラの製造方法に関し、鍛造工程を説明する上面図である。
【図７】本発明の第一実施形態に係るインペラの製造方法に関し、鍛造工程のインペラ材の上面図である。
【図８】本発明の第一実施形態に係るインペラの製造方法に関し、仕上げ工程についての説明図である。
【図９】本発明の第二実施形態に係るインペラの製造方法に関し、鍛造工程を説明する上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の第一実施形態に係るインペラの製造方法ついて説明する。
本実施形態により製造されるインペラ１は例えば圧縮機やタービン等の回転機械に用いられるものであって、図１に示すように、互いに一体をなすハブ２とブレード３とから構成されている。
ハブ２は、略円盤状をなす部材であって、一方の端面が小径とされ他方の端面が大径とされている。これら二つの端面は、一端側から他端側に向かうに従って漸次拡径する曲面によって接続されている。
【００１７】
また、ブレード３は、上記ハブ２における曲面から立ち上がるように複数が設けられている。各ブレード３は、それぞれ径方向内側から外側に向かうにしたがって周方向一方側に向かって湾曲するように延在しており、本実施形態においては周方向に一定間隔をあけて１２条のブレード３が形成されている。
そして、インペラ１においては、ハブ２の上記曲面上における隣り合うブレード３の間の領域が、流体が流通する流路４とされている。
【００１８】
次に、上記インペラ１の製造方法の手順について説明する。
まず、作業者は、インペラ材１１作製工程を実行する。即ち、作業者は、炭素鋼からなる細長い円柱形状材を切断することにより、図２に示すような平面視略円形の円盤状部材１０を作製する。
【００１９】
そして、作業者は、図２に示すように、作製した円盤状部材１０を、鉛直軸線周りに回転駆動可能とされたテーブルユニット２０の上面に載置する。この際、テーブルユニット２０の上面に円盤状部材１０の一方側の部材が当接するように該円盤状部材１０が載置される。
【００２０】
続いて作業者は、テーブルユニット２０、及び円盤状部材１０を回転させ、回転した円盤状部材１０に対し、半径方向及び軸方向に移動するロールを押圧させることにより、の上に固定した円盤状部材１０に対し、外周面に刃物が設けられたいわゆるロールミル（図示省略）を押圧させることにより、円盤状部材１０の上部外周を加工する母材形成工程を行う。これにより、図３に示すように、円盤状部材１０の上部には上方、即ち、一端に向かうに従って漸次縮径する傾斜曲面１２が形成され、インペラ材１１が完成する。このインペラ材１１は、製造しようとするインペラ１の母材となるものである。
【００２１】
次に、作業者は、鍛造工程を実施する。この鍛造工程は、図４〜図６に示すように、一対の金型２１，２１により行われる。この金型２１，２１は、インペラ材１１の外周側領域１５の上方において、周方向に上記流路４のピッチの分だけ間隔をあけて配置されている。ここで、外周側領域１５とは、詳しくは図６に示すように、インペラ材１１における傾斜曲面１２の外周側から径方向外側に向かっての所定範囲の環状の領域のことを意味している。この外周側領域１５は、例えばインペラ材１１の半径の１／２〜１／３の範囲の環状領域として設定することができる。
【００２２】
また、上記金型２１，２１は、その平面視形状がインペラ１の流路４の平面視形状に対応しており、即ち、平面視において流路４内に収まる形状に設定されている。本実施形態においては、金型２１，２１の平面視形状はインペラ材１１の径方向外側に向かうに従って広がる略四角形状とされており、金型２１，２１の全体形状は、当該略四角形状を上下方向、即ち、インペラ材１１の軸線方向に延ばした形状をなしている。
【００２３】
鍛造工程は、図４及び図５に示すように、図示しない加熱手段によってインペラ材１１を例えば１０００℃以上に加熱しながら金型２１，２１を上下移動させることによって、インペラ材１１の傾斜曲面１２に金型２１，２１による圧力を作用させることによって行われる。即ち、一対の金型２１，２１が傾斜曲面１２に上方から衝突することで傾斜曲面１２に圧力を与え、該傾斜曲面１２を変形させる。これによって、インペラ材１１の母材の外周側領域１５には、図６に示すように、一対の金型２１，２１の圧力によって凹んだ一対の溝部１３と、これら溝部１３を周方向に隔てる立ち上げ部１４とが形成される。これら溝部１３及び立ち上げ部１４は、最終的にインペラ１の流路４及びブレード３となる部分である。
【００２４】
この立ち上げ部１４は、一対の金型２１，２１により挟まれた部分であって、金型２１，２１の圧力により溝部１３が形成される際に当該溝部１３となる部分に存在した炭素鋼の一部が、一対の金型２１，２１の間に集まることによって形成される。
また、このような一対の金型２１，２１による鍛造は、金型２１，２１の上下移動に応じてテーブルユニット２０を間欠回転駆動させることにより、インペラ材１１の傾斜曲面１２の外周側領域１５全域に対して周方向に順次施されていく。これによって、傾斜曲面１２の外周側領域１５の全域に、図７に示すように、周方向に等間隔をあけて複数の溝部１３及び立ち上げ部１４が形成される。本実施形態においては、周方向に３０°の間隔をあけてそれぞれ１２の溝部１３及び立ち上げ部１４が形成される。
【００２５】
このような鍛造工程の後、作業者は、溝部１３及び立ち上げ部１４が形成されたインペラ材１１に対して仕上げ加工を行う。この仕上げ加工は、溝部１３、立ち上げ部１４及び傾斜曲面１２の外周側領域１５よりも径方向内側の部分である内周側領域１６（図６及び図７参照）に対して、例えば図８に示すように、切削加工により行われる。これにより、母材からハブ２とブレード３とが一体的に切り出され、ハブ２の表面上における隣り合うブレード３の間の部分が流路４とされる。そして作業者は、流路４の底面及びブレード３の側面について研磨を行う。これにより、図１に示すインペラ１が完成する。
【００２６】
以上のようなインペラ１の製造方法によれば、母材としてのインペラ材１１の全体ではなく、該インペラ材１１の外周側領域１５のみに鍛造加工を施すことで流路４及びブレード３となる溝部１３及び立ち上げ部１４を形成し、その後、仕上げ加工を施すことにより、ブレード３及び流路４を形成することとしている。このように、鍛造によってインペラ１の概形を成形した後、即ち、ニアネットシェープ化を行った後に仕上げ加工を施すことで、当初から母材に切削加工を施すことよりインペラ１を製造する場合に比べて作業効率の向上を図ることができる。
【００２７】
ここで、インペラ１を取り付けた回転機械において該インペラ１が回転する際には、外周側に向かうに連れて遠心力が増大するため、内部に発生する応力も外周側ほど大きくなる。また、ハブ２の厚みは外周側に向かうに連れて小さくなるため、該ハブ２は外周側ほど剛性が小さくなる。このように、ハブ２の外周側では、遠心力の増大と低い剛性によって、上記応力の影響による破損・変形が懸念される。
【００２８】
これに対して本実施形態においては、インペラ材１１の外周側領域１５に鍛造加工を施すこととしているため、当該インペラ材１１の外周側では組織の緻密化により強度が高いものとなる。これにより、厚みの薄いハブ２の外周側でも上記遠心力に耐え得るだけの強度を実現することができ、インペラ１全体を高強度に維持することができる。
【００２９】
なお、例えばインペラ材１１における傾斜曲面１２の全体に鍛造加工を施してニアシェープ化を図る手法も考えられるが、この場合、加熱エネルギーの消費量増大や工数の増加を招いてしまい、製造コストが高騰してしまう。この点、本実施形態においては、強度を高く維持すべきインペラ材１１の外周側領域１５のみに鍛造を施すことにより、インペラ材１１全体に鍛造を施す場合に比べて加熱エネルギーの消費量や工数を抑えることができる。即ち、強度を特に要する部分にのみ鍛造加工を施すことによって、コストの増加を回避しながら高強度のインペラ材１１を効率良く製造することができる。
【００３０】
また、周方向に流路４の間隔をあけて配置された一対の金型２１，２１によって鍛造加工を行うことにより、これら一対の金型２１，２１の間の部分によってインペラ材１１を挟み込むように鍛造を施すことができるため、これら金型２１，２１の間の部分に形成される立ち上げ部１４の立ち上がり高さを大きくすることができる。これによって、インペラ材１１の傾斜曲面１２の形状を最終製品の形状により近づけることができるため、後の仕上げ加工を容易に行うことができ、作業効率の向上を図ることが可能となる。
【００３１】
次に、第二実施形態のインペラ１の製造方法について説明する。第二実施形態では、第一実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
この第二実施形態は、鍛造工程の手法が第一実施形態とは相違する。即ち、この第二実施形態においては、図９に示すように、インペラ材１１の外周をリング状部材２３によって拘束した状態で鍛造工程が行われる。
【００３２】
このリング状部材２３は、例えば鋼材からなる環状の部材であって、その内径がインペラ材１１の外径と略同一に設定されている。また、このリング状部材２３の厚み、即ち、軸線方向の寸法はインペラ材１１の外周の厚みよりも大きく設定されている。
作業者は、このリング状部材２３を、鍛造工程に先立ってインペラ材１１の外周に外嵌する。これにより、リング状部材２３の内周面は、周方向全域にわたってインペラ材１１の外周と密着した状態となり、インペラ材１１の外周全域が拘束される。
【００３３】
そして、このようにリング状部材２３をインペラ材１１に外嵌した後、作業者は、第一実施形態と同様、テーブルユニット２０を間欠回転駆動させるとともに一対の金型２１，２１を上下移動させることで、インペラ材１１の傾斜曲面１２の周方向全域に、溝部１３及び立ち上げ部１４を形成する。
【００３４】
この第二実施形態のインペラ１の製造方法によれば、外周側領域１５に鍛造を行う際に、インペラ材１１が外周側に広がってしまうことを防止することができる。これによって、インペラ１の外周側が必要以上に薄くなってしまい強度が低下してしまうことを回避することができ、インペラ１全体としての強度を高く維持することができる。
【００３５】
なお、本実施形態のように、一対の金型２１，２１を用いて鍛造を行う場合、金型２１，２１のインペラ材１１への一度の衝突による該インペラ材１１の変形量が単一の金型２１，２１を用いて鍛造を行う場合に比べて大きくなるため、インペラ材１１の径方向外側への広がり量も大きくなってしまうが、リング状部材２３を用いることで当該デメリットを回避することができる。したがって、一対の金型２１，２１による鍛造とリング状部材２３の設置とを併用することで、高強度のインペラ１をより効率良く、かつ、低コストで製造することが可能となる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない限り、これらに限定されることはなく、多少の設計変更等も可能である。
例えば、金型２１，２１の形状については、平面視四角形状のものに限られず、種々の形状のものを採用することが可能である。例えば、流路４の平面視形状と略同一の平面視形状、即ち、湾曲した平面視形状を有する金型２１，２１を用いて溝部１３及び立ち上げ部１４を形成してもよい。この場合、溝部１３及び立ち上げ部１４をより流路４及びブレード３の形状に近づけることができるため、後の仕上げ加工をより容易に行うことができる。
【００３７】
また、仕上げ加工での切削により種々の形状の流路４及びブレード３を形成可能とすべく、これら種々の形状の流路４及びブレード３のそれぞれに形成可能な溝部１３及び立ち上げ部１４を形成する形状の金型２１，２１を採用してもよい。即ち、ある形状のインペラ１に対応した溝部１３及び立ち上げ部１４を成型可能な金型２１，２１を用いるのではなく、種々のインペラ１に対して汎用性のある溝部１３及び立ち上げ部１４を成形可能な金型２１，２１を用いてもよい。この場合、金型２１，２１の平面視形状は、例えば略長方形や略正方形等の単純な形状とすることができる。
【００３８】
さらに、本実施形態においては一対の金型２１，２１により鍛造を行ったが、単一の金型２１，２１で行ってもよいし、３つ以上の複数の金型２１，２１で鍛造を行ってもよい。
【００３９】
また、実施形態においては、オープンインペラを例として製造方法を説明したが、本発明を複数のブレード３全体を覆うシュラウドを設けたクローズドインペラの製造方法に適用してもよい。この場合、仕上げ工程の後に、作業者がブレード３の上にシュラウドを溶接して固定する。
【符号の説明】
【００４０】
１インペラ
２ハブ
３ブレード
４流路
１０円盤状部材
１１インペラ材
１２傾斜曲面
１３溝部
１４立ち上げ部
２０テーブルユニット
２１金型
２２ロールミル
２３リング状部材

【特許請求の範囲】
【請求項１】
円盤状をなすハブに径方向に延びるブレードが周方向に間隔をあけて複数設けられ、隣り合う前記ブレードの間に流路が形成されたインペラの製造方法であって、
炭素鋼からなる円盤状部材から、一端側に向かって漸次縮径する傾斜曲面を有する母材を形成する母材形成工程と、
前記傾斜曲面の外周側から径方向内側に向かっての所定範囲である外周側領域に対して、前記流路に対応する形状の金型を用いた鍛造加工を周方向に順次施すことにより、前記流路となる部分に溝部を形成するとともに前記ブレードとなる部分に立ち上げ部を形成する鍛造工程と、
前記溝部、前記立ち上げ部及び前記母材の前記外周側領域よりも径方向内側の内周側領域に切削加工を施すことで前記ハブ、前記ブレード及び前記流路を形成する仕上げ工程とを備えることを特徴とするインペラの製造方法。
【請求項２】
前記鍛造工程は、周方向に前記流路のピッチに対応する間隔をあけて配置された複数の金型によって行われ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。
【請求項３】
前記鍛造工程は、前記母材の外周をリング状部材によって拘束した状態で行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のインペラの製造方法。

【図１】