(57)【要約】【解決手段】タービン又は圧縮機ホイールを半固体材料から形成する方法は、複数のセグメントからなる内側カートリッジ及び外側ダイを有するダイアセンブリを使用する。カートリッジのセグメント間に形成されるブレードキャビティに流れ込むように、半固体材料をダイに圧力及び高温の下で注入する。カートリッジを外側ダイから除去し、そして、セグメントを分離し、ホイールを取り外す。
2009501870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン又は圧縮機ホイールであって、ハブと、該ハブから外向きに延びる複雑に屈曲した複数のブレードとを有するホイールを、外側ダイと内側ダイカートリッジアセンブリとを具えるダイアセンブリを用いて形成するための方法であって、前記内側ダイカートリッジアセンブリを複数のダイセグメントから組み立てて、前記カートリッジアセンブリに、中央ハブキャビティと、該ハブキャビティから外側に延びる複数のブレードキャビティであって、隣接するダイセグメント間に形成されるブレードキャビティとを形成するステップと、前記カートリッジアセンブリを前記外側ダイに挿入するステップと、前記ダイに半固体金属合金を注入して該合金が前記カートリッジアセンブリ及びブレードキャビティに流れ込むようにするステップと、注入段階の間、所定の範囲内でカートリッジアセンブリ内の温度と圧力を維持するステップと、前記外側ダイから前記カートリッジアセンブリを除去するステップと、前記カートリッジアセンブリのダイセグメントを切り離して、形成されたホイールを取り外すステップとを含む方法。
【請求項２】
前記ダイセグメントは、実質的に環状であるカートリッジアセンブリを形成するように組み立てられる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
組み立てられたダイセグメントは、カートリッジアセンブリの外側リング内部に配置される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項４】
前記カートリッジアセンブリはカバーを更に具え、前記ハブキャビティはダイセグメントの外面と該カバーとの間に形成されている上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項５】
前記カバーは、カートリッジアセンブリを外側ダイに挿入する前に、ダイセグメントと組み立てられる請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記カバーは、前記外側カートリッジリングに固定されている請求項３に従属しているときの請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
前記合金は、カートリッジアセンブリの開口部を通してハブキャビティに注入される請求項３乃至６の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記半固体材料は、最初にハブキャビティに入り、それからブレードキャビティに進行するように注入される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項９】
前記合金は、スロット状開口部を介してハブキャビティからブレードキャビティに流れる上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項１０】
予め形成されたハブを注入段階の前に内側ダイカートリッジのハブキャビティに挿入する請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記内側ダイカートリッジは、形成されたホイールを取り外した後、再使用のために再組立てされる上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項１２】
予め組み立てられ、第１の内側ダイカートリッジを除去した後ダイに挿入される第２の内側ダイカートリッジが提供される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項１３】
前記ダイカートリッジアセンブリは、注入の前に所定の温度まで予熱される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項１４】
ダイカートリッジアセンブリが、外側ダイに挿入される前に所定の温度まで予熱される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記半固体合金は、チクソ成形又はレオ成形によって製造される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項１６】
前記カートリッジアセンブリは、ダイセグメントの分離前に冷却される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも前記ダイセグメントは、注入の前に離型剤によって処理される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項１８】
前記合金の注入に続く所定の時間の後、カートリッジアセンブリをダイアセンブリの残りから除去し、前記セグメントを分離してホイールのブレードを取り出す上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項１９】
前記ダイアセンブリは、カートリッジアセンブリが受け入れられるチャンバを形成する第１及び第２パートを更に具え、カートリッジアセンブリを該チャンバに設置し、そしてダイの第１及び第２パートを密封係合する上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項２０】
前記チャンバは、ダイアセンブリの第１パートにおいて形成される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記合金は、ダイの第１パートにあるランナブロックのランナ通路を介して注入され、該通路は注入装置とダイのハブキャビティとを連通させており、前記ランナブロックは、カートリッジアセンブリの挿入後、チャンバ及びカートリッジを覆って配置されるよう第１の位置へ移動し、そして注入段階完了後、カートリッジが取り除けるようにチャンバ及びカートリッジから離れている第２の位置に移動する請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ランナブロックは、前記第１の位置で接合して前記ランナ通路を形成し、離れて前記第２の位置へ移動する第１及び第２部分を有する請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１及び第２部分は、アクチュエータによってダイの第１パートに対して摺動する請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記合金がランナ通路を移動する間、その表面から酸化物を取り除くステップを更に含む請求項２１、２２又は２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記合金の表面部分から前記酸化物を取り除くために、前記ランナ通路の段差寸法縮小を用いる請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ランナ通路は、ランナブロックへの入口から延びる第１部分及びダイのハブキャビティの近くから延びる第２部分を有し、前記第１部分と第２部分は交差しており、第１部分は交点の先に盲端を有し、その交点と盲端の間の容量は、酸化物トラップとして、注入された合金の最初の部分を受ける役目をする請求項２４又は２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ランナブロックが第１の位置にあるとき、前記ランナ通路はカートリッジアセンブリの入口開口部と位置を合わせる請求項２１乃至２６の何れか１項に記載の方法。
【請求項２８】
ダイの第１及び第２パートを接合するとき、ダイパート上に形成される位置決め部材を用いてそれらの位置を調整するステップを更に含む請求項１９乃至２７の何れか１項に記載の方法。
【請求項２９】
加熱油をダイパートの孔に導入してカートリッジの温度を所定の範囲に維持するステップを更に含む請求項１９乃至２８の何れか１項に記載の方法。
【請求項３０】
温度が０．６（液相線温度）＋／−９０Ｋの範囲に維持される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項３１】
温度が２００℃から３５０℃の範囲に維持される請求項１乃至２９の何れか１項に記載の方法。
【請求項３２】
圧力が５５０〜１０５０バールの範囲に維持される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項３３】
圧力が５５０〜２８００バールの範囲に維持される請求項１乃至３１の何れか１項に記載の方法。
【請求項３４】
前記合金が４０〜６０％の固相で注入される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項３５】
前記合金が射出成形機のショットスリーブから注入される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項３６】
前記合金が１０秒以内に注入される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項３７】
前記合金が５秒以内に注入される請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記合金が２秒以内に注入される請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
一旦内側ダイカートリッジアセンブリに注入されると、前記合金は、カートリッジが外側ダイから除去される前に実質的に１００％の固相に達するように所定の時間冷却されることができる上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項４０】
前記カートリッジは、前記合金の圧力が実質的に一定に保たれている状態で冷却される請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記合金はアルミニウム合金である上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項４２】
前記合金は、銅、シリコン及びマグネシウムも含む請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
揺変性の半固体材料のブランクを形成するステップと、形成に適した所定の粘性を得るために揺変性の材料を半固体の状態に再加熱するステップと、再加熱されたブランクをホイール形成のためダイキャスティング射出成形機に移すステップとを含む上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項４４】
前記ダイカートリッジアセンブリは、形成されているホイールより高い融点を有する材料から製作される上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項４５】
前記ダイセグメントが永続的である上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項４６】
前記半固体材料がせん断力を受けてキャビティ内へ変形する上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項４７】
前記半固体材料がカートリッジアセンブリに入る前に、該半固体材料の外層が取り除かれる請求項１乃至２０の何れか１項に記載の方法。
【請求項４８】
外側ダイにおいて形成される通路を通るときに、前記外層が取り除かれる請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記外層が、通路の段差寸法縮小によって取り除かれる請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記通路は、外側ダイの第１パートに形成されるランナブロックにおいて形成され、該通路は注入装置とハブキャビティとを連通させる請求項４８又は４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記合金がハブ及び／又はブレードキャビティに導入されるとき、そこからガスが逃げられるようにするステップを更に含む上記何れかの請求項に記載の方法。
【請求項５２】
ガスが、ダイセグメントの少なくとも１つの通気穴から、出ていくことができる請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
ガスが、更に外側ダイの少なくとも１つの通気穴を通り、出ていくことができる請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
半固体材料から圧縮機又はタービンホイールを形成するためのダイアセンブリであって、複数のダイセグメントと、カバーと、前記ダイセグメントが受け入れられて放射状外向きの運動に抗して支持されている保持部材とを具えるカートリッジを具え、前記カバーと前記セグメントとの間には中央ハブキャビティが形成され、該ハブキャビティからは複数のブレードキャビティが外向きに延び、該ブレードキャビティは隣接するダイセグメント間に形成されているダイアセンブリ。
【請求項５５】
前記保持部材は、カートリッジの周囲の外側リングである請求項５４に記載のダイアセンブリ。
【請求項５６】
前記カートリッジが着脱可能に受け入れられるチャンバを形成する外側ダイを更に具える請求項５４又は５５に記載のダイアセンブリ。
【請求項５７】
前記カバーは、ハブキャビティと連通させる開口部を有する請求項５４、５５又は５６に記載のダイアセンブリ。
【請求項５８】
前記カバーは、保持部材に固定されている請求項５４乃至５７の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項５９】
カートリッジの前壁において、前記ダイセグメント間にスロット状開口部が形成される請求項５４乃至５８の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項６０】
外側ダイは、カートリッジが受け入れられるチャンバを形成する第１及び第２パートを更に具える請求項５６に記載のダイアセンブリ。
【請求項６１】
前記チャンバが、ダイアセンブリの第１パートにおいて形成される請求項６０に記載のダイアセンブリ。
【請求項６２】
ランナ通路が外側ダイの第１パートにおいて形成され、該ランナ通路は入口とダイのハブキャビティとを連通させ、半固体材料が通路を通るとき、ダイカートリッジに入る前に、該半固体材料から外層を取り除くように構成される請求項６０又は６１に記載のダイアセンブリ。
【請求項６３】
前記ランナ通路は、段階的に小さくなり、材料の外層を取り除くための段差縁を有する請求項６２に記載のダイアセンブリ。
【請求項６４】
前記ダイの第１パートにはランナブロックが設けられ、該ブロックは、注入装置に接続するための入口とダイのハブキャビティとの間を連通させている前記ランナ通路を形成しており、前記ランナブロックは、チャンバ及びカートリッジを覆って配置される第１の位置と、ダイアセンブリからカートリッジを取り除けるようにチャンバから離れている第２の位置との間で移動可能である請求項６２又は６３に記載のダイアセンブリ。
【請求項６５】
前記ランナブロックは、前記第１の位置で接合して前記ランナ通路を形成し、離れて前記第２の位置へ移動する第１及び第２部分を有する請求項６４に記載のダイアセンブリ。
【請求項６６】
アクチュエータを更に具え、該アクチュエータによって、第１及び第２部分がダイの第１パートに対して摺動する請求項６５に記載のダイアセンブリ。
【請求項６７】
前記ランナ通路は、カートリッジの方向へ少なくとも１つの段差寸法縮小を有する請求項６２乃至６６の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項６８】
前記ランナ通路は、ランナブロックへの入口から延びる第１部分及びダイのハブキャビティの近くから延びる第２部分を有し、前記第１部分と第２部分は交差しており、第１部分は交点の先に盲端を有し、その交点と盲端の間の容量は、酸化物トラップとして、注入された合金の最初の部分を受ける役目をする請求項６６又は６７に記載のダイアセンブリ。
【請求項６９】
前記ランナブロックが第１の位置にあるとき、前記ランナ通路はカートリッジアセンブリの入口開口部と位置を合わせる請求項６４乃至６７の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項７０】
ダイの第１パートと第２パートが接合されるときにそれらの位置を調整するためにダイパートに形成される位置決め部材を更に具える請求項６０乃至６９の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項７１】
外側ダイにおいて形成される油孔を更に具える請求項６０乃至７０の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項７２】
前記カートリッジが、前後の壁及び外側の側壁を有する請求項５４乃至７１の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項７３】
前記カートリッジは、形成されているホイールの軸に実質的に対応する軸を有し、前記複数のダイセグメントは、互いに結合して、該複数のセグメントが互いに当接する実質的に一定の軸方向の奥行きの外側部分と、ハブキャビティ及びブレードキャビティを形成している内側部分とを形成している請求項５４乃至７２の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項７４】
前記複数のセグメントは外側部分において連結している請求項７３に記載のダイアセンブリ。
【請求項７５】
前記カートリッジは、外側部分において実質的に一体である請求項７３又は７４に記載のダイアセンブリ。
【請求項７６】
前記ハブキャビティは、内側部分において前壁と後壁との間に延びる複数のダイセグメントのテーパー壁部によって形成される請求項７３乃至７５の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項７７】
前記テーパー壁部は、弓形である請求項７６に記載のダイアセンブリ。
【請求項７８】
前記複数のテーパー壁部は互いに組み合わさり、カートリッジの前後の壁の間に延びる方向に直径が減少するハブキャビティを形成する請求項７７に記載のダイアセンブリ。
【請求項７９】
前記ブレードキャビティは、前記複数のダイセグメントの向かい合った面の凹部によって形成される請求項７３乃至７８の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項８０】
前記凹部は、実質的にカートリッジの内側部分において形成される請求項７９に記載のダイアセンブリ。
【請求項８１】
前記ダイセグメントは、略放射状方向に摺動移動させることによってその解体が出来るよう構成される請求項５４乃至８０の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項８２】
前記複数のセグメントは、カートリッジの周囲に交互に配置される複数の大小のセグメントで構成され、大きなセグメントはカートリッジの前方から後方まで延び、小さいセグメントは隣接する大きなセグメントに挟まれている請求項５４乃至８１の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項８３】
前記小さいセグメントは、後壁面まで延びない請求項８２に記載のダイアセンブリ。
【請求項８４】
前記カバーは、一対のプレートによって形成される請求項５４乃至８３の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項８５】
前記ダイカートリッジアセンブリは、形成されているホイールより高い融点を有する材料から製作される請求項５４乃至８４の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項８６】
前記ダイセグメントが永続的である請求項５４乃至８５の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項８７】
半固体材料の導入のための入口と、半固体材料が導入されるときにガスをダイから逃がすための前記入口から離れた少なくとも１つの通気穴が設けられる請求項５４乃至８６の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項８８】
半固体材料が導入されるとき、ブレードキャビティからガスを出ていかせるために、前記少なくとも１つの通気穴がダイセグメントにおいて設けられる請求項８７に記載のダイアセンブリ。
【請求項８９】
前記ダイカートリッジからガスが逃げることができるよう通気穴が外側リングに設けられている請求項５４乃至８８の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項９０】
圧縮機又はタービンホイールを半固体材料から形成するためのダイアセンブリであって、複数のダイセグメントと、カバーと、該カバーとセグメントとの間に形成される中央ハブキャビティと、該ハブキャビティから外向きに延びる複数のブレードキャビティと、ダイセグメント間に形成され、半固体材料を導入する間ブレードキャビティ内のガスを出ていかせるための、ブレードキャビティと連通する少なくとも１つの第１の通気穴とを具えるカートリッジを具えるダイアセンブリ。
【請求項９１】
前記通気穴は、ブレードキャビティの径方向周囲に設けられる請求項９０に記載のダイアセンブリ。
【請求項９２】
前記カートリッジが着脱可能に受け入れられるチャンバを形成している外側ダイを更に具え、該外側ダイは前記第１の通気穴と連通するための少なくとも１つの第２の通気穴を有する請求項９０又は９１に記載のダイアセンブリ。
【請求項９３】
前記ダイカートリッジは、組み立てられたダイセグメントが受け入れられる保持リングを更に具え、前記リングにおいて、前記第１の及び／又は第２の通気穴と連通している第３の通気穴が設けられる請求項９０、９１又は９２に記載のダイアセンブリ。
【請求項９４】
圧縮機又はタービンホイールを半固体材料から形成するためのダイアセンブリであって、複数のダイセグメントと、カバーと、該カバーとセグメントとの間に形成される中央ハブキャビティと、該ハブキャビティから外向きに延びる複数のブレードキャビティとを具えるカートリッジを具え、材料の入口及びランナ通路が設けられ、該ランナ通路は前記入口とダイのハブキャビティとの間を連通させており、前記半固体材料が該通路を通るとき、それがダイカートリッジに入る前に該半固体材料から外層を取り除くように構成されているダイアセンブリ。
【請求項９５】
前記ランナ通路は、第１及び第２部分を有するランナブロックによって形成され、該第１及び第２部分は第１の位置では接合されてランナ通路を形成し、離れて第２の位置へ移動可能である請求項９４に記載のダイアセンブリ。
【請求項９６】
アクチュエータを更に具え、該アクチュエータによって、第１及び第２部分がダイの第１パートに対して摺動可能である請求項９５に記載のダイアセンブリ。
【請求項９７】
前記ランナ通路は、カートリッジの方向へ少なくとも１つの段差寸法縮小を有する請求項９４乃至９６の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項９８】
前記ランナ通路は、ランナブロックへの入口から延びる第１部分及びダイのハブキャビティの近くから延びる第２部分を有し、前記第１部分と第２部分は交差しており、第１部分は交点の先に盲端を有し、その交点と盲端の間の容量は、酸化物トラップとして、注入された合金の最初の部分を受ける役目をする請求項９６又は９７に記載のダイアセンブリ。
【請求項９９】
前記ランナブロックが第１の位置にあるとき、前記ランナ通路はカートリッジアセンブリの入口開口部と位置を合わせる請求項９４乃至９７の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【請求項１００】
前記ランナ通路は外側ダイにおいて形成され、該外側ダイはカートリッジが着脱可能に受け入れられるチャンバを形成している請求項９４乃至９９の何れか１項に記載のダイアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン及び圧縮機ホイールの製造に関するものであり、特にターボチャージャに使用するこのようなホイールの製造に関するが、これに限らない。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャは、大気より高い圧力（ブースト圧力）で内燃機関の吸気口に空気を供給するための周知の装置である。従来のターボチャージャは、タービンハウジング内の回転可能シャフトに取り付けられた排気ガス駆動タービンホイールを基本的に具える。タービンホイールが回転することにより、コンプレッサハウジング内のシャフトの他端に取り付けられたコンプレッサホイールが回転する。圧縮機ホイールは、圧縮空気をエンジン吸気マニホールドに送る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
圧縮機及びタービンホイールは、空気／排気ガスの方向及び流速とその圧力を変えるために、非常に複雑な形状を有する。これらのホイールは、大きなセクションハブに４５度と９０度との間の角度で取り付けられた、およそ１ｍｍ厚の、複数の薄肉のブレード部分を具える。空気又はガスは、ブレードとハウジングとの間に形成されている通路に沿って流れる。例えば、圧縮機ホイールにおいて、ブレードは最初に、略軸方向に吸気を引き込むように形づくられていて、それから外向きに曲がって空気を径方向に流れるよう向け直し、同時に、遠心力を加えて、高速度に空気を加速する。空気は、その後ホイールの径方向周囲の出口ウズ室にブレードの端によって高圧で放出されなければならない。ブレードの形は、ターボチャージャホイールの空力性能にとって重要であり、正確に特定され、各ブレードが同じでなければならない。ブレードの複雑な輪郭に加えて、ホイールには、表面輪郭にアンダーカットや他にも急な変化を有する。ホイールの形状が複雑であるため、現在の全ての製造法、（例えば鋳造や、鍛造からの機械加工）にそれら自身の不可避の欠点があることは確実である。
【０００４】
現在、ターボチャージャホイールの最も一般的な生産方法は鋳造である。これは、正確な寸法で製品を生産することができる比較的低コストの方法である。この方法では、液体金属（例えばタービンホイールにはＮｉベース超合金及び圧縮機ホイールにはＡｌ−Ｓｉ合金）をセラミック又は石膏のモールドに注入する。そのモールドはワックスのようなマスタパターンの上で形成することによって事前に作られ、合金をモールドに注入する前に適切な溶媒によって、又は、加熱することによってワックスを除去して作られる。一旦金属が室温に冷えると、セラミック又は石膏を壊しホイールを取り出す。最初のワックスパターンは、通常、ダイに融解したワックスを注入することによって製造される。
【０００５】
アルミニウム（重量が低く比較的低コストである）は圧縮機及びタービンホイールの製造に好ましい材料である。前者の場合、それがマトリックスの形で使われ、後者では、それがタービンホイールの合金原料として使われる。アルミニウムに関する短所としては、それが真空又は希有ガス環境でさえ、鋳造の前及び鋳造中に、酸化物欠陥を起こしやすいということである。この種の欠陥は容易に制御可能でなく、一般に疲れ破損が始まる部分において起こるので、著しく部品の耐久性を低下させる。上記のホイールの耐久性はそれゆえに予測困難であり、その結果、ターボチャージャはより信頼性が低くなる。アルミニウム及びニッケルベース超合金ホイールを鋳造する際の酸化物効果を減らすために、多くの努力が近年なされたがほとんど効果がなかった。
【０００６】
ターボチャージャホイールの鋳造に関する更なる問題点は、材料の微細構造の制御にある。ホイールが複雑な形状であるため、粒度、デンドライトサイズ及び第２相粒度に関して微細構造の収縮、ガス有孔率及び均質性に対し確実に一貫した制御をすることがほぼ不可能であり、それゆえ、構成要素の品質の一貫性は低下する。
【０００７】
鋳造に関する課題に対処するために、最近の開発では、材料をビレットに鋳造し、それを棒状に押し出し、ばらばらに切り、それを鍛造して、その後その鍛造された各断片をマルチ軸機械によってホイールの形状に機械加工することになっている。この過程では、酸化介在物及び多孔のようないかなる欠陥も、押出、鍛造及び機械加工作業の間に取り除かれる。また、微細で均質の粒子構造及び第２相粒子が得られる。このプロセスで作られるホイールの耐久性の一貫性は、従来通りに鋳造して生産されるものと比較して非常に改善されている。このプロセスでは、耐久性のあるホイールを繰り返し生産可能であるにもかかわらず、それは、工程の多さを考慮すると、大きな労働力を要し、鋳造法と比較して非常に高コストである。
【０００８】
高品質ターボチャージャホイールを繰り返し生産することができる製造プロセスを有することは望ましいが、そのプロセスが相応なコストであることを確実にする必要がある。
【０００９】
金属の半固体成形が、高強度の、及び収縮課題のない靱性のある製品を生産するために用いることができることはよく知られている。半固体成形とは、金属合金が液相溶解金属中に懸濁する固相金属粒子のスラリーを含む、液相線温度と固相線温度との間の温度にある金属合金の加工を説明するために用いる用語である。樹枝状の固体粒子群は楕円体に近似するよう（例えば撹拌によって）修正される。加工で最も一般的な方法である、金属のチクソキャスティング及びレオキャスティングは、低費用で、固体金属から機械加工される部品と同等の品質の部品を生産することが知られている。チクソキャスティングにおいて、樹枝状の微細構造が修正される間スラリーを固くなるまで冷やし、それからモールドへ注入するか又は鋳造する直前に、ビレットが約３０〜７０％の液相を有する半固体の状態にそれを再加熱することによって半固体揺変性のビレットが生産される。レオキャスティングにおいては、合金を完全に溶解し、それから固体粒子群が液体共晶によって囲まれる液相線と固相線との間の温度に冷やし、微細構造が修正され、モールドに半固体の状態の材料を注入するか又は鋳造するかによってその部品は形成される。材料が注入される前に再加熱するため固いビレットのバッチで効果的に提供されるチクソキャスティングに対して、モールドに注入される準備が整った半固体材料を需要に応じて提供できるという点で、レオキャスティングは魅力的である。
【００１０】
両方の場合において半固体材料は、高圧注入又はダイキャスティング機械に移すことができ、そしてダイに注入される。注入された材料が凝固したあと、ダイを機械から除去して開き、設計された部品を取り出す。チクソキャスティングの長所は、望ましい均質な微細構造、また鋳物欠陥の排除がより制御可能であるということであるが、短所はそれがレオキャスティングよりコストが高いことである。
【００１１】
半固体成形のプロセスは、ターボチャージャホイールのような複雑な形状の製造にはこれまで考慮されなかった。現在半固体加工が適用されているのは全て、断面部分に大きい変化がなく、上記のような複雑な輪郭もない比較的簡素な形状の製造である。そのような製造法の例は、米特許第５，６３０,４６６号、米国６，２１４，４７８、米国特許出願第２００３２０５３５１号及び欧州特許第０９８０７３０号に記述される。
【００１２】
半固体の状態の金属合金の揺変性及び金属製品の成形に該揺変性を適用することは重要な研究の主題であった。チクソキャスティング及びレオキャスティングを用いた、チクソ成形可能な合金の生産及び簡素な部品製造は、多くの特許に記述される（例えばＵＳ３９４８６５０、フランス特許２１４１９７９、ＵＳ５６３０４６６、ＳＫ１０００２００１、ＵＳ６２１４４７８（これは、特に車両のための比較的簡素な薄肉の本体部品の製造を記述している）ＵＳ５８７９４７８、ＷＯ００５３９１４及びＥＰ０９８０７３０）。
【００１３】
アルミニウムシリコン合金がアルミニウム粒子とシリコン共晶との間に凝固順序の比較的明瞭な境界を有するので、最も初期の研究はこの合金に集中した。例えば、最も一般的なチクソ成形可能なアルミニウム合金Ａ３５６（６．５〜７．５％のＳｉ、他の元素各＜１％）及びその修正合金Ａ３５７（約０．０３％のＳｒを加えると共に、Ｍｇ含有量を増やして強度を上げる）は、自動車部品を製造することに広く適用された。最も一般的な部品は次に要約される（２００４年９月２１〜２３日、キプロス、リマソル、R.DasGupta:Industrial  Applications−The Present  Status  and  Challenges  We  Face  in  the  Proceedings  of  the  8th  International  Conference  on  Semi−Solid  Processing  of  Alloys  and  Composites参照）。
（１）合金Ａ３５７のチクソキャスティングによって製造されるフューエルレール
（２）合金Ａ３５７のチクソキャスティングによって製造されるオートマティックトランスミッションギアシフトレバー
（３）合金Ａ３５７のレオキャスティングによって製造されるエンジンマウント
（４）合金Ａ３５７のレオキャスティングによって製造される数種のエンジンブラケット
（５）合金Ａ３５６のレオキャスティングによって製造されるアッパコントロールアーム
（６）合金Ａ３５７のレオキャスティングによって製造されるサスペンション
（７）合金Ａ３５６のレオキャスティングによって製造されるディーゼルエンジンポンプ本体
【００１４】
このプロセスによって製造される製品は鋳造よりも著しく品質改善がなされ、固体金属から加工するよりもコスト利益がある。
【００１５】
上記における全ての製品の一般的特徴は、比較的簡素な形状である。というのも、その製品の最も厚い断面に対する最も薄い部分の比率は約１：２以下であり、製品を製造するために簡素な鋳造ダイが用いられる。更に、熱サイクル、速度サイクル及びガス圧等によって生じる非常に複雑な状況の下で働くターボチャージャホイールと異なり、前述の部品は比較的単純な状況及びしばしば良好な環境での稼動のために設計される。
【００１６】
揺変性の合金の成形には、１０より多くの異なる方法がある。全ては同じ概念を使用する。即ち液相に囲まれる球状固体粒子群を有する半固体微細構造を得て、半固体材料を形成するというものである。
【００１７】
上記及び他の短所を取り除くか又は緩和し、半固体プロセスを用いて、ターボチャージャのための複雑な形状の圧縮機及びタービンホイールを製造するための方法と装置を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の態様によれば、タービン又は圧縮機ホイールであって、ハブ及び該ハブから外向きに延びる複雑に屈曲した複数のブレードを有するホイールを、外側ダイ及び内側ダイカートリッジアセンブリを具えるダイアセンブリを用いて形成する方法であって、複数のダイセグメントから前記内側ダイカートリッジアセンブリを組み立てて、前記カートリッジアセンブリに、中央ハブキャビティと、該ハブキャビティから外側に延びる複数のブレードキャビティであって、隣接するダイセグメント間に形成されるブレードキャビティとを形成するステップと、前記カートリッジアセンブリを前記外側ダイに挿入するステップと、半固体金属合金を前記カートリッジアセンブリ及びブレードキャビティに流れ込むように前記ダイに注入するステップと、注入段階の間、カートリッジアセンブリ内の温度と圧力を所定の範囲内に維持するステップと、前記外側ダイから前記カートリッジアセンブリを除去するステップと、前記カートリッジアセンブリのダイセグメントを切り離して、形成されたホイールを取り外すステップとを含む方法が提供される。
【００１９】
コストは鋳造と同等であり、品質は鍛造から機械加工される部品と同等である。
【００２０】
この目的は、合金系の精選、部品設計、機械設備の設計、加工パラメータの最適化及びポスト表面処理によって達成される。
【００２１】
前記ダイセグメントは、環状であるカートリッジアセンブリを形成するように組み立てられてもよい。
【００２２】
前記カートリッジアセンブリは、好ましくはカバーを更に具え、ハブキャビティはダイセグメントの外面と該カバーとの間に形成されている。組み立てられたダイセグメントは理想的にはカートリッジアセンブリの外側リング内部に配置され、前記カバーは、カートリッジアセンブリを外側ダイに挿入する前に、ダイセグメントと組み立てられてもよい。前記カバーは、前記外側カートリッジリングに固定されてもよい。
【００２３】
前記合金は、好ましくは、カートリッジアセンブリの開口部を通してハブキャビティに注入される。該半固体合金は、最初にハブキャビティに入り、それからブレードキャビティに進行するように注入されてもよい。あるいは、予め形成されたハブを注入段階の前に内側ダイカートリッジのハブキャビティに挿入して、前記予め形成されたハブ上でブレードが半固体材料で形成されるようにしてもよい。このような方法で、ブレードは、ストックから機械加工、鋳造、又は鍛造等されたハブ上に容易に形成できる。
【００２４】
前記ハブを予め形成しない場合、前記半固体合金は、スロット状開口部を介してハブキャビティからブレードキャビティに流れる。
【００２５】
カートリッジアセンブリは、形成されたホイールを取り外した後再使用のために再組立てされるのが好ましい。本発明の一実施形態においては、予め組み立てられ、第１の内側ダイカートリッジを除去した後ダイに挿入される第２の内側ダイカートリッジが提供される。製造作業をより便宜的にするため、予め組み立てられたカートリッジは、いくつでも提供されてよい。前記ダイカートリッジ、又はそのそれぞれは、注入の前に所定の温度まで予熱してよく、実際、外側ダイに挿入する前に所定の温度まで予熱してもよい。
【００２６】
前記半固体材料は、揺変性のビレットを加熱するか又は特別な技術によって液体金属から鋳造し、半固体の状態にすることによって製造される。
【００２７】
前記カートリッジは、好ましくは解体の前に冷却される。
【００２８】
前記ダイセグメントは、少なくとも、注入の前に離型剤で処理してもよい。該離型剤は、カートリッジがダイアセンブリから除去された後で形成されたホイールから前記ダイセグメントを除去するのを容易にする役目をしている。
【００２９】
１つの好まれる実施形態では、合金の注入に続く所定の時間の後、カートリッジアセンブリをダイアセンブリの残りから除去し、前記セグメントを分離してホイールのブレードを取り出す。
【００３０】
ダイアセンブリは、カートリッジが受け入れられるチャンバを形成する第１及び第２パートを更に具えていてもよい。好ましくはカートリッジを該チャンバに設置し、そしてダイの第１及び第２パートを密封係合する。好ましくは、前記チャンバは、ダイアセンブリの第１パートにおいて形成される。
【００３１】
前記合金は、ダイの第１パートにあるランナブロックのランナ通路を介して注入されてもよく、該通路は注入装置とダイのハブキャビティとを連通させており、前記ランナブロックはカートリッジの挿入後、チャンバ及びカートリッジを覆って配置されるよう第１の位置へ移動し、そして注入段階完了後、カートリッジが取り除けるようにチャンバ及びカートリッジから離れている第２の位置に移動する。前記ランナブロックは、第１の位置で接合して前記ランナ通路を形成し、離れて第２の位置へ移動する第１及び第２部分を有してもよい。第１及び第２部分は、アクチュエータによってダイの第１パートに対して摺動してもよい。前記方法は、前記合金がランナ通路を移動する間、その表面から酸化物を取り除くステップを含むことができ、この目的のためにランナ通路の段差寸法縮小を用いてもよい。
【００３２】
前記ランナ通路は、ランナブロックへの入口から延びる第１部分及びダイのハブキャビティの近くから延びる第２部分を有してよく、前記第１部分と第２部分は交差しており、第１部分は交点の先に盲端を有し、その交点と盲端の間の容量は、酸化物トラップとして、注入された合金の最初の部分を受ける役目をする。ランナブロックが第１の位置にあるときに、ランナ通路は好ましくはカートリッジカバーの開口部と位置を合わせる。ダイパート上に形成される位置決め部材はダイの第１及び第２パートが接合するときにそれらの位置を調整するために用いてもよい。
【００３３】
１つの好まれる実施形態では、カートリッジの温度を維持するために、加熱油がダイパートの孔に導入されてもよい。
【００３４】
温度は、好ましくは０．６（液相線温度）＋／−９０Ｋの範囲に維持される。これは、例えば圧縮機ホイールでは、２００℃〜３５０℃の範囲であってもよい。圧力は、５５０〜２８００バールの範囲に、又は、５５０〜１０５０バールの範囲に維持されてよい。
【００３５】
理想的には、合金は、４０〜６０％の固相において注入される。
【００３６】
前記合金は、射出成形機のショットスリーブから注入され、１０秒以内に注入されることができる。
【００３７】
一旦内側ダイカートリッジに注入されると、材料は、好ましくはカートリッジが外側ダイから除去される前に実質的に１００％の固相に達するように、所定の時間冷却されてもよい。前記カートリッジは、材料の圧力が実質的に一定に保たれている状態で冷却されてもよい。
【００３８】
前記合金は、銅、シリコン及びマグネシウム及び／又は他の合金化元素も含むアルミニウム合金であってもよい。
【００３９】
前記方法は、揺変性の半固体材料のブランクを形成するステップと、形成に適した所定の粘性を得るために揺変性の材料を半固体の状態に再加熱するステップと、再加熱されたブランクをホイール形成のためダイキャスティング射出成形機に移すステップとを含むことができる。
【００４０】
本発明の第２の態様によれば、半固体材料から圧縮機又はタービンホイールを形成するためのダイアセンブリであって、複数のダイセグメントと、カバーと、前記ダイセグメントが受け入れられて放射状外向きの運動に抗して支持されている外側のカートリッジリングとを具えるカートリッジを具え、前記カバーと前記セグメントとの間には中央ハブキャビティが形成され、該ハブキャビティからは複数のブレードキャビティが外向きに延び、該ブレードキャビティは隣接するダイセグメント間に形成されているダイアセンブリが提供される。
【００４１】
前記ダイアセンブリは、前記カートリッジが着脱可能に受け入れられるチャンバを形成する外側ダイを更に含んでもよい。
【００４２】
前記ダイアセンブリのカバーは、理想的には、ハブキャビティと連通させる開口部を有する。前記カバーは、外側カートリッジリングに固定されることができる。
【００４３】
ダイに材料を導入する間、ガスが逃げることができるよう、ダイセグメント及び／又は外側ダイに通気穴が設けられてもよい。
【００４４】
本発明の第３の態様によれば、圧縮機又はタービンホイールを半固体材料から形成するためのダイアセンブリであって、複数のダイセグメントと、カバーと、該カバーとセグメントとの間に形成される中央ハブキャビティと、該ハブキャビティから外向きに延びる複数のブレードキャビティと、ダイセグメント間に形成され、半固体材料を導入する間ブレードキャビティ内のガスを出ていかせるための、ブレードキャビティと連通する少なくとも１つの第１の通気穴とを具えるカートリッジを具えるダイアセンブリが提供される。
【００４５】
前記第１の通気穴は、半固体材料がダイキャビティに導入される入口から離れている。
【００４６】
前記通気穴は、ブレードキャビティの径方向周囲に設けられる。ダイアセンブリはカートリッジが着脱可能に受け入れられるチャンバを形成している外側ダイを更に具えてよく、該外側ダイは第１の通気穴との連通するための少なくとも１つの第２の通気穴を有する。
【００４７】
組み立てられたダイセグメントが受け入れられる外側リングが設けられてよく、前記第１の及び／又は第２の通気穴と連通する第３の通気穴が前記リングに設置される。
【００４８】
本発明の第４の態様によれば、圧縮機又はタービンホイールを半固体材料から形成するためのダイアセンブリであって、複数のダイセグメントと、カバーと、該カバーとセグメントとの間に形成される中央ハブキャビティと、該ハブキャビティから外向きに延びる複数のブレードキャビティとを具えるカートリッジを具え、材料の入口及びランナ通路が設けられ、該ランナ通路は前記入口とダイのハブキャビティとの間を連通させており、前記半固体材料が該通路を通るとき、それがダイカートリッジに入る前に該半固体材料から外層を取り除くように構成されているダイアセンブリが提供される。
【００４９】
前記ランナ通路は、第１及び第２部分を有するランナブロックによって形成されてよく、該第１及び第２部分は、第１の位置で接合されてランナ通路を形成し、離れて第２の位置へ移動可能である。
【００５０】
アクチュエータが設けられてよく、該アクチュエータによって、第１及び第２部分はダイの第１パートに対して摺動可能である。
【００５１】
前記ランナ通路は、カートリッジの方向へ少なくとも１つの段差寸法縮小を有してよい。
【００５２】
前記ランナ通路は、ランナブロックへの入口から延びる第１部分及びダイのハブキャビティの近くから延びる第２部分を有してよく、前記第１部分と第２部分は交差しており、第１部分は交点の先に盲端を有し、その交点と盲端の間の容量は、酸化物トラップとして、注入された合金の最初の部分を受ける役目をする。
【００５３】
前記ランナ通路は外側ダイにおいて形成されてよく、該外側ダイはカートリッジが着脱可能に受け入れられるチャンバを形成している。
【００５４】
本発明の第５の態様によれば、上記で定義したような本発明の態様の何れか１つに定義したような圧縮機又はタービンホイールを具えるターボチャージャが提供される。
【００５５】
本発明の第６の態様によれば、上記で定義したようなターボチャージャを有する内燃機関が提供される。
【００５６】
次に、本発明の具体的実施形態を、単に例として、添付の図面を参照して説明する。
【００５７】
図１〜３を参照すると、圧縮機ホイール１は、ベース部分11に放射状外向きに広がる、略円筒状の中心ハブ10を具えている。ハブ10は、使用中にホイールがそれを中心に回転する中心軸を形成し、軸の外側に延びるおよそ１ｍｍ厚の、円周方向に間隔を置かれた複数の薄肉のブレードを支持する。ハブにおいてブレードは、通常４５度と９０度との間の角度をなし、ハブの周囲に交互に配置される２つの種類、即ちメインブレード12及びより短いスプリッタブレード13がある。ブレード12、13が所望の方法で空気を導くために複雑でゆがんだ輪郭を有し、表面輪郭にテーパー、アンダーカット及び他の突然の変化を特徴とすることは、図から明白であろう。
【００５８】
本発明の圧縮機ホイールを製造するために用いる材料は、アルミニウム合金である。合金化元素の組合せの例は、シリコン、銅及びマグネシウムである。プレキャスト材料は、半固体の状態で揺変性である、即ちその微細構造はアルミニウム−合金化元素共晶によって囲まれた、およそ球状の変性樹枝状アルミニウム粒子を具えており、例えばそれは米国特許５８７９４７８で詳述されている。次に、一例について説明する。
【００５９】
圧縮機ホイールは、３つの主要パートを具える特別設計のダイアセンブリに半固体材料を注入するために、ピストンドライブを有する射出成形機を用いて形成される。前記３つの主要パートとは、第１パート20（図４）、第２パート40（図５）及び製品がそこで形成されるカートリッジ50（図６〜９に最もよく示される）である。ダイの第１パート20はカートリッジ50が受け入れられるように設計されており（図4にて図示するように）、成形過程が始まる前に、ダイの第１及び第２パート20と40は接合される。カートリッジ50をダイアセンブリから除去できるようにするため、取り外せるように、第１パート20が半固体材料射出成形機に対して移動可能であるのに対して、ダイの第２パート40は成形過程のためその出口にボルト留めされ、そのように固定される。
【００６０】
図４及び５から分かるように、ダイパート20、40は、輪郭がおよそ四角く、多くの相補的嵌合要素を有する。各ダイパートは、他方のパートの対応する嵌合面と当接する嵌合面21、41を形成する本体を有する。ダイの第１パート20の嵌合面21は４つの孔22を有し、それはそれぞれ各角に向き、ダイの第２パート40から突出している対応するガイドピン42を受け入れ、また、ダイの第２パートの対応する凹部43に受け入れられるおよそ截頭楔型突出部23を有する。第１のダイパートの本体は、カートリッジ50を受け入れる円筒形中央チャンバ24を形成し、これは、それぞれ摺動可能に本体に取り付けられた一対のランナブロック25によって閉じることができる。各ランナブロック25は、断面において実質的に長方形で、ダイの第１パート２の本体側面に固定されるそれぞれの油圧シリンダ26の作動によって、本体に対して摺動可能である。シリンダ26のロッド27は、エンドコネクタ28によってそれぞれランナブロック25の側面に固定される。前記ブロック25は開位置と閉位置との間の途中にあるとして図４に示され、それ故カートリッジ50は部分的に隠されている。
【００６１】
前記ランナブロック25は、半円筒状凹部29a、bを有し、それらはブロック25がチャンバ24を閉めるために接合されるときに組み合わさり、ランナ通路29を形成する。該ランナ通路29は、ダイの２つのパート20と40が接合されるとき、ダイの第２パート40の円形開口部44と位置を合わせて、カートリッジ50と射出成形機（図示せず）を連通させる役目をする。図４及び１７から分かるように、ランナ通路29は２つの部分に分けられることができるよう構成されている。第１の実質的に円筒状である直線部分30及び第２の曲がった部分31である。第１部分30は、ランナブロック25の正面32から延び、径方向に内向きのステップ33を有し、盲端面34、及び該端面34と隣接しているが間隔を空けて側面開口部35を有する。以下に説明するように、開口部35と端面34の間に形成される通路の容量が酸化物トラップとしての役目をする。第２部分31は、チャンバ24に隣接した位置から正面32の方へ延び、その方向は最初第１部分30と平行であるが横にずれている。そして第１部分30の側面開口35と結合するために９０度方向を変える。
【００６２】
前記ランナブロック25は、カートリッジ50の支持体として働き、半固体材料がカートリッジにおいて受ける高圧の効果を有するよう助ける。それらはまた、半固体材料が射出成形機（図示せず）のショットスリーブからカートリッジ50に移動するとき、そのためのランナ通路29を形成する。
【００６３】
ダイのそれぞれのパート20、40の本体部分は、複数の小さい孔通路36aが貫通し、それは油孔としての役目をし、使用時には、外付けの油加熱器（図示せず）から送られる油で満たされる。これらの通路36aの油は、ダイの、したがってカートリッジ50の温度を調整するように設計されている。更なる内部電気抵抗ヒータ（図からは隠れている）は、ダイの第１パート20の本体37の孔36bにおいて設けられる。
【００６４】
ここでダイの第２パートに戻って、図５に示すように、本体は、ランナブロック25が閉位置にあるときに、該ランナブロック25を受け入れるように設計されている中央矩形凹部45を有する。該凹部は、前壁46及び４つの側壁47によって形成される。ランナ通路29と位置が合うよう設計されている中央開口部44は、前記凹部45の前壁46において形成される。前記主要中央凹部のすぐ上に、ダイの第１部分20上の対応する截頭楔型凸部23に相補的であるおよそ台形の凹部43がある。該凹部43は一対の突出するピン48を有し、それは角に取り付けられたピン42よりわずかに小さく、ダイの第１パート20の、対応する孔38に合うよう設計されている。更なる凹部49が、油圧シリンダ26の、ロッド27及びエンドコネクタ28を収容するために設けられる。ガス抜きチャネルＶ１が、ダイの第２パートの嵌合面41において形成される。
【００６５】
動作時、カートリッジ50はダイの第１パート20のチャンバ24に挿入され、油圧シリンダ26は作動してランナブロック25を閉じる。そして第２パート上のピン42を第１パート20上の対応する孔22に合わせ、パーツを接合することによって、ダイの第１及び第２パート20と40は位置を合わせる。半固体ビレット（模式的に図１７に示される）は、それから、ダイの第２パート40の開口部44を通して、射出成形機のショットスリーブからランナ通路29に注入される。ダイの開口部44はショットスリーブの出口より直径が小さく、このように、該開口部を形成する壁の縁は、空気と接することによってできる酸化物を半固体アルミニウムビレットの表層から取り除く役目をする。ランナ通路29のステップ33は同様に、ビレットがそこを通るときにその表層を取り除く役目をする。これによって、ビレットの中心部からの材料だけがカートリッジ50へ更に進むことができる。同じく酸化物を有するビレット前端部は、ランナ通路29の第１部分30の端面34の前で酸化物トラップに導かれ、それにより同様に取り除かれる。表層が取り除かれたビレットは、それから、側面開口部35を通り、ランナ通路29の第２部分31に、そして、カートリッジ50に進む。
【００６６】
カートリッジ50（図６〜８において詳細に示される）は、複数の大小のカートリッジセグメント51、52を具え、それらは交互に環状に配置され、組み立てられて平面前方及び後方の壁55、56及び環状の側壁57を形成する。前記セグメント51、52は、組み合わされて、実質的に一定の軸方向の奥行きを持ち、実質的に一体の放射状外側部分、及び軸方向に前方から後方へ行くに従い深さが増加する内側部分を形成し、それにより中央ハブキャビティ58を形成する。外側部分において、ダイセグメント51、52の接面は嵌合し、係合しているが、内側部分はホイールのブレードを製造するためのキャビティを具える。ハブキャビティはカートリッジ50の前壁55の大きな円形開口部59から後壁面56の比較的小さい円形開口部60まで延び、複数の細いゆがんだ通路61は外側部分の方へ、そして、前壁面55と後壁面56との間の大部分にわたりキャビティ58から外向きに延びる。中央キャビティ58は断面において略円筒状で、前壁面55から後壁面56まで曲がって進行し、内側に向けて次第に細くなる。キャビティ58の形状は、完成したホイールのハブ10を形成する役割をする。ゆがんだ通路61は、セグメント51と52の嵌合面の間に形成され、長形溝63によってそれぞれキャビティに向いて開いている。これらの通路61の輪郭がホイールのブレード12、13の形状を形成するように設計されていることが理解されるであろう。カートリッジセグメント51及び52について、以下に更に詳細に述べる。
【００６７】
組み立てられると、内側カートリッジボディ50は、一対の締付けカバープレート66によって覆われた環状の外側カートリッジリング65内で保持される。従って、外側リング65は締りばめであるよう、内側カートリッジボディの外径と実質的に同一であるか、それよりわずかに大きい内径を有する。カートリッジボディ50が外側リング65に受け入れられるとき、カバープレート66は、前壁55を覆って配置され、適所で固定される。カバープレート66とカートリッジリング65の相対的回転は、嵌合要素を連結することによって防止される。特に、環状リップ67及び放射状スポーク68は、リング65の前面に形成され、カバープレートの下側に形成される相補的凹部69（１つのソートだけは図に示され、他は隠れている）と嵌合するように設計される。プレート66は組み合わされ、内側カートリッジボディ51、52の前壁55及びキャビティ58の一部をカバーするが、ランナ通路29の出口とキャビティ58を連通させるための中央開口部70を形成する。組み立てられると、カートリッジ50のさまざまな部品は、締付けカバープレート66の開口部72から外側リング65のねじ開口部73へ貫通する複数のネジ71によって、一緒に堅く固定される。図９から分かるように、ネジ71及びその対応する開口部72、73は、カートリッジ50の中心軸に対して傾いている。
【００６８】
環状のガス抜きチャネルＶ２は、外側リング65の内部に形成され、軸方向に延びるいくつかのガス抜きチャネルＶ３（図６に１つだけ示す）と交差する。これらのチャネルＶ２及びＶ３は、ダイパート40のガス抜きチャネルＶ１及びダイセグメント51、52の嵌合面外側部分において形成される通気穴Ｖ４（図６に２つ示される）とを連通させる。
【００６９】
カートリッジボディの大きなセグメント51（図１０〜１２に示す）はそれぞれ、同一であり、カートリッジアセンブリ50の前方から後方まで延び、平面前壁及び後壁55a、56a及び外周の側壁57aを有する。小さいセグメント52（図１３〜１５において示される）はそれぞれ、隣接する大きなセグメント51の間に受け入れられるが、カートリッジアセンブリ50の後壁面56まで延びない。それは、平面前壁55b及び外周の側壁57bを有する。カートリッジの外側部分において、セグメント51と52の嵌合面は当接し、連結するが、内側部分では、嵌合面は所々で凹み、ホイールのメイン及びスプリッタブレード12、13を形成するのに用いる通路61を形成する。大きいブレードキャビティを形成する通路は、カートリッジアセンブリ50の前方では、大小のセグメント51、52の隣接する嵌合面70と72の間にそれぞれ形成され、そして後方では、隣接する大きなセグメント51の嵌合面70と71の間に形成される。小さいブレードキャビティを形成する通路は、それぞれ大小のセグメントの隣接する嵌合面73と74の間に形成される。大小のセグメントの間に形成される通気穴Ｖ４は、ブレードキャビティから現れて、そのブレードキャビティ間を連通させる。
【００７０】
カートリッジセグメント51、52は、工具鋼を組み合わせることで製作される。半固体アルミニウムと接触する工具のいかなる部品も、Ｈ１３  Ｐｒｅｍｉｕｍ（周知のプロセスの工具鋼）から製作される。この物質は、耐摩耗性で半固体プロセスに含まれる熱サイクルに対処でき、寸法的に正確で、安定しており、高度な表面仕上げに研摩可能であるので、熱い作業に適している特性を有する。一旦工具の全ての切削加工が完成すると、各部分の表面を窒化物硬化する。これは、工具寿命をより長くし、鍛造後、個々の部品の解体を助けるためである。
【００７１】
ダイの第１及び第２パート20、21は、ＡＩＳＩ  Ｐ２０から製作される。広範囲にわたる成形用途に適している中炭素（Ｃ．３３％）軟合金（Ｃｒ１．６％、Ｍｏ．５％）等級。ブリネルで２６９〜３０２（ロックウェルＣで２８〜３２）に予備硬化して使用する。
【００７２】
使用中、組み立てられたカートリッジユニット50は、マニピュレータ（ロボット）アーム（図示せず）を使用し、ダイの第１パート20（図４に示す）に入れられる。該ダイ20は、成形過程が始まるときにカートリッジが２６０℃の温度であるように油及びカートリッジヒータによって加熱され、成形過程の間、ある温度帯の範囲内に維持される。成形過程で、半固体材料が導入されるとき、通気穴Ｖ４を通り、空気はダイキャビティから出ていくことが出来る。前記空気は、ダイキャビティから、カートリッジの外側リングのガス抜きチャネルＶ２、Ｖ３、それから外側ダイパート41のガス抜きチャネルＶ１を順番に介して、大気まで排出される。成形過程の後、ダイパーツは分離され、ランナブロックはカートリッジアセンブリを除去できるよう開いた構成へ移動させる。適切な冷却時間の後、カートリッジはカバーを緩めて取り外し、外側リングから内側カートリッジボディ50を摺動させて外し、大小のセグメントを略放射状外向きに摺動させ、形成されたホイールを取り出すことによって解体される。前記解体は、ロボットマニピュレータによって実行することもできる。カートリッジ設計の主な利点のうちの１つが、各セグメントを所定経路に沿って移動させて容易に組立てカートリッジボディから取り外すことができ、前記所定経路は適切な空間座標によってプログラムされたソフトウェアの制御の下で作動されるロボットマニピュレータによって横切ることができるということであることが理解されるであろう。このように、カートリッジのセグメントは再利用できる。
【００７３】
図６〜１５に示されるダイカートリッジアセンブリを使用して形成された圧縮機ホイールの例を、図１６に示す。図１〜３のパートに対応するパートは、１００増加した同一参照番号によって示され、更に記述しない。ハブ110の小径端が、カートリッジ50の後壁面の開口部60を貫通する物質で形成される突出するニップル100を有するのが示される。このニップル100は、酸化物を含む可能性があるので、機械加工によって除去される。
【００７４】
実施例
アルミニウム―シリコン−銅―マグネシウム合金をチクソキャスティングすることによって、９８ｍｍの外径を有する圧縮機ホイールの実証に成功した。該合金の化学組成（重量百分率）は、下の通りである。
銅：２．５〜３．５％
シリコン：５．５〜６．５％
マグネシウム：０．３〜０．４％
ストロンチウム：０．０１〜０．０５％
その他各：＜０．０３％
その他合計：＜０．１％
【００７５】
プレキャスト原料は、揺変性の半固体微細構造を有する、即ち、シリコン及び銅の共晶によって囲まれた球状変性樹枝状アルミニウム粒子（例えば、米国特許第５,８７９,４７８号に記述される）である。微細構造を、電磁攪拌によって修正した。製造された固体ビレットは、直径９０ｍｍ及び長さ２ｍであったが、長さ１７８ｍｍのブランクに切った。該ブランクを誘導加熱によって５７２℃から５８９℃の範囲の温度に再加熱し、半固体の状態にした。前記温度範囲のとき、ブランクは約４０〜６０％の固相材料を有し、完成部品は最高の材料品質となる。加熱されたブランクをダイ射出成形機へ移し、それから上記の通り特別設計のダイに１０秒以内に注入した。完成部品の必要表面品質に応じて２００℃と３５０℃の間の温度の熱いカートリッジを、収縮孔制限の要件に応じて７５０〜１０５０バールの高圧で、本発明による圧縮機ホイールを製造するために用いた。
【００７６】
上記の通り製造された圧縮機ホイールを、２つの特別設計の器具テスト装置においてテストした。空力性能を測定する１つの装置は、半固体加工したホイールが、鍛造から機械加工された又は液体金属から鋳造されたホイールと同じ空力性能を有することを示した。２つめの試験器具は、ディーゼル機関用途に見られる実際の循環動作条件をシミュレーションし、それによりホイールの耐久性を測定するものであるが、鋳造ホイールより著しく長く、また鍛造から機械加工された部品の耐久性と同等の耐久性を示した。
【００７７】
本発明の方法がチクソキャスティングのようなチクソ成形技術を使用して実行されることができることが理解されるべきであり、チクソキャスティングでは修正された変性樹枝状の微細構造の固体ビレットを再溶解し、モールド内でその材料を鋳造、鍛造等によって半固体の状態において形成して半固体材料が生産される。あるいは、それは、レオキャスティングのようなレオ成形技術を使用して実行されることができ、レオキャスティングでは半固体材料は、モールドにおいて直ちに形成される半固体の状態に冷やすことによって「オンデマンド」生産される。
【００７８】
本発明の方法及びダイアセンブリが、予め形成されたハブにホイールのブレードを形成するために用いられることも理解されるべきである。そのような方法では、ハブは、鋳造、鍛造又は機械加工等の従来法によって製造され、それからダイキャビティに挿入され、半固体材料はカートリッジの適切な開口部から挿入される。この技術では、ブレードは、ハブと一体になるよう形成される。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明により製造され得るターボチャージャ用の圧縮機動翼輪の斜視図である。
【図２】図１の動翼輪の正面図である。
【図３】図１の動翼輪の断面側面図である。
【図４】本発明によるダイアセンブリの一実施形態の第１パートの正面からの斜視図である。
【図５】図４において示されるダイの可動部への接続のための本発明によるダイアセンブリの第２パートの後部からの斜視図である。
【図６】本発明によるダイアセンブリのカートリッジ形成部分の正面からの分解斜視図である。
【図７】図６のカートリッジの組み立てられた形での正面からの斜視図である。
【図８】図７の組み立てられたカートリッジの側面図である。
【図９】組み立てられた図７のカートリッジの正面図である。隠れた特徴を点線で示す。
【図１０】図６〜９のカートリッジアセンブリの大きいダイセグメントの正面図である。
【図１１】図１０のダイセグメントの矢印Ｗ方向の平面図である。
【図１２】図１０のダイセグメントの矢印Ｘ方向の側面図である。
【図１３】図６〜９のカートリッジアセンブリの小さいダイセグメントの正面図である。
【図１４】図１３のダイセグメントの矢印Ｙ方向の平面図である。
【図１５】図１３のダイセグメントの矢印Ｚ方向の側面図である。
【図１６】図６〜９のダイカートリッジアセンブリから除去された直後の圧縮機ホイールの斜視図である。
【図１７】本発明のダイを通る材料の流れを例示している概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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