(57)【要約】　　　（修正有）【課題】チタン圧宿機翼車を大量生産するための簡単で経済的な方法を提供する。【解決手段】ハイブリッド法では、焼流し精密鋳造法において使用されるワックスパターンを、最終（ネット形状）圧縮機翼車を製造しないように意図的に設計するが、むしろ所望の引抜き不能形状圧縮機翼車を製造するために続いて切削またはミリングによって除去しなければならない充てん区域を含むニアネット形状を製造するために設計する。意外にも、ハイブリッドまたは２段階法を使用してチタン圧縮機翼車１を形成すると、各ステップ（パターン形成および切削）の技術的複雑性は実質的に低く、パターン鋳造中のワックスブレードのねじれは減少し、チタンの鋳造は簡単になり、方法自体を完全自動化することができ、最終製品の寸法精度は従来の技法よりも高くなる。【選択図】　図１
2004052754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
引抜き不能形状を有するチタン圧縮機翼車（１）を製造するための方法であって、
（ａ）複数の非弾性金型インサート（２０）から構成された金型において、引抜き可能なニアネット形状の圧縮機翼車ポジパターンを形成するステップと、
（ｂ）前記ニアネット形状のパターンからブレードを含むチタン圧縮機翼車を鋳造して、ニアネット形状鋳造物を形成するステップと、
（ｃ）前記ニアネット形状パターン鋳造物のブレードを機械加工して、引抜き不能ネット形状チタン圧縮機翼車にするステップと
を含む方法。
【請求項２】
引抜き不可能形状を有するチタン圧縮機翼車（１）を製造するための方法であって、
（ａ）複数の金型インサート（２０）から構成される金型の中で、引抜き可能ニアネット形状の圧縮機翼車のポジパターンを形成し、前記ニアネット形状は、前記金型インサートの引抜きを妨げる区域が前記形状を引抜き可能にするための必要に応じて充てん（１０、１１）されている点で、前記引抜き不能形状（１）とは異なるステップと、
（ｂ）前記ポジパターンの周りに鋳型を形成するステップと、
（ｃ）前記ポジパターンを除去するステップと、
（ｄ）チタンを前記鋳型の中に鋳込むステップと、
（ｅ）前記鋳型を除去して、引抜き不能形状を有するチタン圧縮機翼車を露出させるステップと、
（ｆ）前記ニアネット形状の圧縮機翼車ポジパターンを機械加工して、所望のポジパターン形状にするステップであって、前記充てん区域（１０、１１）を切削除去することを含むステップと
を含む方法。
【請求項３】
前記ブレード（４）の間に空気通路が画定され、前記金型が空気通路当り１〜３個の金型インサート（２０）を含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ステップ（ｂ）において前記金型インサートが同時に引き出される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ステップ（ｂ）において前記金型インサートが２段階で引き出される請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記ブレードの間に空気通路が画定され、前記金型が空気通路当り１つの金型インサート（２０）を含む請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記ブレードの間に空気通路が画定され、前記金型が空気通路当り２つの金型インサート（２０）を含む請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記圧縮機翼車ブレードが、交互にフルブレード（４）とスプリッタブレード（５）とを含む請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記機械加工が数値制御式機械加工設備によって行われる請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記機械加工が，３軸ミリング〜５軸ミリング、旋削、研摩、および放電切削加工から成るグループから選択される請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記チタン圧縮機翼車が６Ａ１　４Ｖチタンによって構成される請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
ステップ（ｂ）または（ｆ）の生成物を仕上げ切削加工および／またはケミカルミリングすることをさらに含む請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
引抜き不可能形状を有するチタン圧縮機翼車（１）を製造するための方法であって、
（ａ）複数の金型インサートから構成される金型の中で、引抜き可能なニアネット形状の圧縮機翼車のポジパターンを形成し、前記ニアネット形状は、前記金型インサートの引抜きを妨げる区域が前記形状を引抜き可能にするために必要なだけ充てんされている点で、前記引抜き不能形状とは異なるステップと、
（ｂ）前記充てん区域を切削して除去することを含む、前記ニアネット形状の圧縮機翼車ポジパターンを切削して所望のポジパターン形状にするステップと、
（ｃ）前記ポジパターンの周りに鋳型を形成するステップと、
（ｄ）前記ポジパターンを除去するステップと、
（ｅ）チタンを前記鋳型の中に鋳込むステップと、
（ｆ）前記鋳型を除去して、引抜き不能形状を有するチタン圧縮機翼車を露出させるステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記ブレードの間に空気通路が画定され、前記金型が空気通路当り１〜３個の金型インサート（２０）を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ステップ（ｂ）において前記金型インサートが同時に引き出される請求項１４に記載の方法
【請求項１６】
ステップ（ｂ）において前記金型インサートが２段階で引き出される請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記圧縮機翼車ブレードが、交互にフルブレード（４）とスプリッタブレード（５）とを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記機械加工が数値制御式機械加工設備によって行われる請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
ニアネット形状の圧縮機翼車パターンを設計するための方法であって、
引出し可能な金型インサートを含む金型鋳造法において、金型インサートのバックロックが原因で引抜き不能となりうる形状を有する、所望のネット形状圧縮機翼車を設計するステップと、
バックロックを生じさせうるブレードの区域に材料を追加することによって、前記引抜き不能ネット形状を変更し、これによって、引出し可能金型インサートを含む金型鋳造法において製造可能なニアネット形状を製造するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
コストを考慮したことにより自動車用エアブースト装置内でチタン圧縮機翼車を使用できなかった。本発明は、チタン圧縮機翼車を製造するための経済的な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気ブーストすなわち増強装置（排気タービン過給機、過給機、電気圧縮機など）は、燃焼用空気のスループットおよび密度を上げるために使用され、それによって内燃機関の出力および応答性を向上させる。
【０００３】
圧縮機翼車のブレードは、（ａ）空気を軸方向に引き入れ、（ｂ）この空気を遠心力で加速し、（ｃ）空気を半径方向外向きに高い圧力で圧縮機ハウジングの渦巻状室の中に放出するために、設計が最適化された極めて複雑な形状を有する。最高の効率と最小限の乱流でこれら３つの別個の機能を達成するために、ブレードは３つの個別領域を有すると言うことができる。
【０００４】
第１に、ブレードの前縁を、空気をすくい取って空気を軸方向に動かすようになされた鋭い（鋭角の）ピッチのつる巻線と説明することができる。ブレードの前縁のみを考察すると、片持ち梁状または外側にある先端部は、ハブに最も近い部分より速く（ＭＰＳ）移動し、一般にハブに最も近い部分よりさらに大きなピッチ角を備えている（図１を参照）。したがって、ブレードの前縁の迎え角は、ハブ近くの、より低いピッチから前縁の外側先端部における、より高いピッチへとねじれている。さらに、ブレードの前縁は一般に曲げられ、平面ではない。さらにまた、ブレードの前縁は一般にハブの近くで「下降部」を有し、ブレード先端部の外側３分の１に沿って「隆起部」または凸状部を有する。これらの設計の特徴はすべて、空気を軸方向に引き入れる機能を強化するために設計されたものである。
【０００５】
次に、ブレードの第２または遷移領域では、ブレードは、空気流を軸方向から半径方向に変えるように、また同時に遠心力によって空気を急速に回し、空気を高速度に加速するように湾曲しているので、羽根車を離れた後に渦巻チャンバの中で分散すると、エネルギーは増加した圧力の形で回復される。空気は、ブレードの間、ならびに圧縮機翼車ハウジングの内壁と床空間を画定するハブの半径方向に拡大されたディスク状部分との間に画定された空気流路の中に捕捉され、ハウジング床空間は空気流の方向に狭くなっている。
【０００６】
最後に、第３領域では、ブレードは、圧縮機翼車から空気を半径方向に推進するために設計されている後縁で終端している。このブレード後縁の設計は、一般に複雑で、（ａ）ピッチ、（ｂ）半径方向からの偏り角、および／または（ｃ）（前縁における前方スイープすなわち前進角（ｆｏｒｗａｒｄ　ｓｗｅｅｐ）と共に全体的に「Ｓ」形状のブレードを提供する）後方傾斜又は後方スイープすなわち後退角（ｂａｃｋ　ｓｗｅｅｐ）を備えている。この方法で放出された空気は流量が多いだけでなく高圧でもある。
【０００７】
したがって、機能的な考察は圧縮機翼車の複雑な形状を示す。
最近、エンジン排気の規制強化はさらに高い圧力比のブースト装置への関心を引き起こしている。現在のアルミニウム圧縮機翼車は、高い圧力比（＞３．８）に繰り返しさらされることに耐えることができない。アルミニウムは軽量で低コストであるため圧縮機翼車のために選択された材料であるが、ブレード先端における温度、および高ＲＰＭで増加した遠心力による応力は、従来使用されているアルムニウム合金の能力を超える。アルムニウム圧縮機翼車には改良がなされているが、アルミニウムの固有の強度が限られているために、さらに有意な改良を期待することができない。したがって、高圧力比ブースト装置は実際には耐用期間が短く、高いメンテナンスコストを伴い、したがって広範囲に受け入れられるためには製品の寿命コストがあまりにも高いことが判明している。
【０００８】
高強度および軽量で知られているチタンは、まず適当な次世代の材料のようである。大型チタン圧縮機翼車は、実際にＢ−５２Ｂ／ＲＢ−５２ＢからＦ−２２までのターボジェットエンジンおよびジェットエンジンに長年使用されている。しかしながら、チタンは処理するのに最も困難な金属の１つであり、現在、チタン圧縮機翼車に関する製造コストは高いので、チタン採用の普及は限られている。さらに、チタンは鋳造中に容易に「スキンオーバー（ｓｋｉｎ　ｏｖｅｒ）」を引き起こし、チタンを鋳造して薄い成形物にすることを特に困難にする。
【０００９】
自動車産業は経済性によって動かされる。高性能の圧縮機翼車が必要とされるが、これは妥当なコストで製造できなければならない。現在、上述の最適設計を有する自動車またはトラック産業規模のチタン圧縮機翼車を製造するための知られた費用効果の良い製造技法はない。
【００１０】
すなわち、チタン圧縮機翼車自体は知られているが、これらを製造する方法には経済的に踏み込めない。例えば、チタン圧縮機翼車を、数値制御される切削設備としても知られているコンピュータ援用製造（ＣＡＭ）設備を使用して、固体チタン原料から製造することは知られている。しかしながらチタンの処理が困難であるため、また除去すべき材料の量が多いため、この技法はチタン圧縮機翼車を製造するための経済的な手段として考慮されない。
【００１１】
鋳造技法も知られており、「ゴム鋳型」技法および「焼流し精密鋳造」技法に分類することができる。
「Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｃａｓｔｉｎｇ　ａ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｍｅｔａｌ　Ｐａｒｔ」（複雑な金属部品の鋳造法）と題する米国特許第６０１９９２７号（Ｇａｌｌｉｇｅｒ）は、形状は圧縮機翼車とは異なっているが、アンダカット空間を画定する壁およびブレードを有する複雑な幾何形状を持つチタンガスタービンインペラを鋳造するための方法を教示している。可撓性で弾力性のあるポジパターンが作られ、パターンは、乾燥および固化することが可能なセラミック成形媒体の中に浸される。パターンを媒体から取り出して、可撓性パターンの上にセラミック層を形成し、層を砂で被覆し、空気乾燥してセラミック層を形成する。浸漬、サンディング、および乾燥の動作を数回繰り返して、多層セラミックシェルを形成する。可撓性壁パターンを、必要であれば吸引によって部分的に崩壊することによって、シェルから除去し、部品を画定するネガ空洞を有する第１セラミックセル鋳型を形成する。第２セラミックセル鋳型を第１セル鋳型の上に形成して、部品の裏と鋳込通路を画定し、組合せシェル鋳型をキルンの中で焼成する。高温鋳造材料をシェル鋳型の中に鋳込んで、鋳造材料が凝固した後に、シェル鋳型を破壊することによって除去する。
【００１２】
Ｇａｌｌｉｇｅｒのガスタービンの可撓性パターンは（ａ）折り畳み可能な（ｃｏｌｌａｐｃｉｂｌｅ）であり、（ｂ）ジェットエンジンまたはターボジェットエンジン用の大型ガスタービンインペラの製造を目的とするのは明らかである。この技法は、非崩壊パターンを使用する薄いブレードを有する自動車規模の圧縮機翼車の大量生産には適さない。Ｇａｌｌｉｇｅｒは、自動車産業において適合できる方法を教示してはいない。
【００１３】
一方、「焼流し精密鋳造」は、（１）片持ち梁式のエアフォイルすなわち翼を有するハブのワックスパターンを作ること、（２）ワックスパターンの周りに耐火塊体を鋳造すること、（３）溶剤または熱的手段によってワックスを除去して、鋳型を形成すること、（４）鋳造材を鋳込み、凝固させること、および（５）鋳型材料を除去することを含む。
【００１４】
しかしながら、圧縮機翼車ワックスパターンを形成する初期ステップに関連する重大な問題がある。（引込み式金型インサートからなる）金型がワックスパターンの鋳造のために使用されるときにはいつでも、鋳造金型を開いて（金型インサートを引っ込めて）製品を放出しなければならない。しかし、圧縮機翼車のブレードは上述のように複雑な形状を有するので、ブレードの前縁に沿った下降部と隆起部はいうまでもなく、複雑な曲りを有する個別のエアフォイルをねじって作られたアンダカット凹部および／またはバックテーパのある複雑な幾何形状は、金型（金型インサート）の幾つかの部分の引き込みを妨害する。
【００１５】
ワックスブレードのためおよびワックスハブのために個別の鋳型を作ることによって、これらの問題を回避することは知られている。次に、個々に形成されたワックスブレードとハブを組み立てて溶融し、ワックス圧縮機翼車パターンを形成することができる。しかしながら、これは新たな一組の問題を作り出す。圧縮機パターンを個別のワックス部分から、エアフォイルの共平面性、正しい迎え角またはねじり角、および等間隔を含めて、所望の精度で組み立てることは困難である。さらに、組み立て中に応力に遭遇し、これによって組立て固定具から外した後にゆがみが生ずる。結局これは集中的な作業であり、したがって高価な方法である。この技法は産業規模では採用できない。
【００１６】
確かに、チタン圧縮機翼車はアルミニウム製または鋼製の圧縮機翼車よりも望ましいと思われる。チタンは強くて軽量であり、したがってそれ自体、遠心力による過度の応力なしに高い回転速度（ＲＰＭ）で駆動することができる薄い軽量圧縮機翼車の製造を可能にする。
【００１７】
【特許文献１】
米国特許第６０１９９２７号
【特許文献２】
米国特許第４１３９０４６号
【特許文献３】
米国特許第５１９３３１４号
【特許文献４】
米国特許第５５８７９１２号
【特許文献５】
米国特許第５３９６１６０号
【特許文献６】
米国特許第５４５３９３３号
【特許文献７】
米国特許第５５５２９９５号
【特許文献８】
米国特許第５７８７７５３号
【特許文献９】
米国特許第５９９７５７８号
【特許文献１０】
米国特許第６１４６２４５号
【特許文献１１】
米国特許第６３３５５０３号
【特許文献１２】
米国特許第６３６３２９８号
【特許文献１３】
米国特許第４９００３９８号
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、チタン圧縮機翼車を大量生産するための簡単で経済的な方法、およびこれによって製造される低コストのチタン圧縮機翼車が必要とされる。この方法は、薄いブレードが特に受けやすい寸法上または構造上の不完全さという従来技術の問題を伴うことなく、圧縮機翼車を確実かつ再現可能に製造することができなければならない。
【００１９】
本発明者は、チタン圧縮機翼車の経済的な製造を可能にするために、チタン圧縮機翼車の製造における上記の技術的問題点をいかに克服するかという問題を研究した。まず本発明者は多くの技術的問題点に直面した。
【００２０】
例えば、各個別の圧縮機翼車製品は非常に高い寸法精度で製造されなければならない。チタン圧縮機翼車は、高い圧力比を生じさせるために必要な高い先端速度で運転可能でなければならない。エアフォイルの形状、長さ、および湾曲におけるいかなる僅かなゆがみも空気力学的性能を落すことになる。
【００２１】
さらに、ブレード間隔の誤差は、高い運転速度において騒音を発生させることになる。騒音は使用者を悩ますもので、しかがって騒音の抑制は本発明の一目的である。再使用可能なパターン（ゴムパターン）から鋳込みによって作られたアルムニウム圧縮機翼車は、パターンが剛体ではないために不完全さを示すことが多く、これによって作られた圧縮機翼車はしばしば騒音を発するという欠点があることが知られている。したがって、本発明の方法は、寸法上非常に正確なブレート幾何形状を製造できなければならない。
【００２２】
本発明が、従来技術の方法よりもはるかに経済的に、チタン圧縮機翼車を製造できる方法を提供しなければならないことは最も重要である。
本発明者は、チタン圧縮機翼車を形成するための「ロストワックス」技術または焼流し精密鋳造技術において使用する高精密ポジパターン（ｐｏｓｉｔｉｖｅｐａｔｔｅｒｎ）を製造するための方法を開発することを、目的として選んだ。ブレードの前縁に沿った下降部と突出部はいうまでもなく、複雑な曲りを有する個別のエアフォイルすなわち翼をねじって作られたアンダカット凹部および／またはバックテーパのある圧縮機翼車の複雑な形状を考慮して、固体鋳型を使用して「引抜き不可能」圧縮機翼車を作り出すことは簡単には可能ではないというのが、本発明の時点における従来の知恵であった。
【００２３】
しかしながら本発明者は、チタン圧縮機翼車の製造における全く新しい取り組み方、すなわち（１）ワックスパターンの鋳造、およびこれに続く（２）切削のような機械加工を含むハイブリッド法によってまず「引抜き不可能（ｎｏｎ−ｐｕｌｌａｂｌｅ）」圧縮機翼車を作るという試みを決定した。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
当技術分野に従事する人々にとって、本発明者による取り組み方は直感に反していると思われるはずである。すなわち、本発明が経済的側面によって動かされる場合には、論理は、より少ない方法ステップがより多い方法ステップよりもすぐれていること、および鋳造および切削を含む製造技法は単一技法のみよりもさらに集中的な作業および設備になるはずであることを指図する。したがって当技術分野に従事する人々はやはり、本発明者によって構想されるようなハイブリッド技法の研究を考えていないはずである。
【００２５】
さらに、鋳造ステップの生成物を完全自動工程において「ブラインド（ｂｌｉｎｄ）」ツールによって簡単に切削して、ひずみと欠陥のない製品を製造することができるように十分に正確に寸法付けることは、技術的に予測することはできなかった。すなわち、鋳造物を、薄い材料層を各ブレード表面から切削できるように正確に、例えば数値制御される切削設備の中に位置付けなければならなかった。
【００２６】
さらに本発明者は、長くて薄いブレードを有する最終製品を形成する工程において特に、鋳造困難という汚名のある金属であるチタンを、いかに確実に鋳込むかという問題を克服しなければならなかった。
【００２７】
最終的に、鋳造と切削のような機械加工の密接な合体が自動車への適用において必要とされる許容範囲内にある圧縮機翼車を製造できた場合でも、このような方法を現在利用可能な技法よりも経済的に設計できるかどうかという重要な問題が残っていた。
【００２８】
集中的な実験の後に、本発明者は、本発明の目的が達成可能であること、および引抜き不能の形状を有するチタン圧縮機翼車がハイブリッド法を使用して経済的に製造できることを発見した。このハイブリッド法では、まず圧縮機翼車のポジパターンが固体の引込み可能なインサートを有する金型の中で自動化された方法で製造されるが、従来の技術とは異なる。従来の技術では、このパターンのブレードが引抜き可能な金型インサートによって可能な範囲までのみ所望の形状を有するように改変され、すなわち、「アンダカット」または「後方傾斜」区域は「充てんされ」、また金型インサートの「バックロック」を防止する範囲だけ改変される。この圧縮機翼車パターンは、金型インサートを引っ込めて鋳造ワックス形状を残すことができるので、「引抜き可能」と呼ばれる。鋳造ワックスパターンは、上述のように充てんされる「アンダカット」または「後方傾斜」区域のみが次の切削ステップにおいて切削される必要があるので、ここでは「ニアネット形状（ｎｅａｒ　ｎｅｔ　ｓｈａｐｅ）」と呼ばれる。
【００２９】
充てんされた区域がワックスパターンの鋳造および除去の間に耐変形性（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ）に貢献することは、本発明の成功に貢献している。したがって、ワックスのニアネット形状パターン、その結果として機械加工すなわち切削されたネット形状のパターンは、非常に薄いブレードを有するネット形状のパターンが鋳込まれて引っ張られるワックスパターンと比較して、高度の寸法上の正確さを有する。
【００３０】
上述のように製造されるニアネット形状のパターンは、焼流し精密鋳造の前に切削されて「引抜き不能」ワックスパターンにすることができる。
ニアネット形状（「引抜き可能」）のパターンを焼流し精密鋳造においてニアネット形状の形で使用することはさらに好ましく、ニアネット形状を有する鋳造チタン製品を従来の技法で切削して、ブレードの後方傾斜およびアンダカット区域を完成するために必要な材料を除去することができる。本発明のこの好ましい実施形態では、チタンが鋳型の中に鋳込まれ、ニアネット形状のブレードが「充てん」ブレード区域において厚くされ、これらの厚くなった部分は一致して、ブレードの鋳造を、薄い圧縮機翼車ブレードの場合におけるよりもはるかに容易にする。すなわち、チタンの汚名となっている皮張り（ｓｋｉｎｎｉｎｇ）、表面欠陥、混在物などの問題点が、本発明に従って最初にブレードを僅かに厚く鋳造し、続いて「充てん」区域を切削除去することによって大部分は克服される。したがって、この実施形態は結果的に特に成功する鋳造技法となる。
【００３１】
意外にも、産業規模で実施されると、ワックス切削のコストおよび複雑さはチタン切削のコストおよび複雑さとほぼ同じになる。機械加工すなわち切削ステップにおいて切削の対象となる材料の量は、例えばチタン圧縮機翼車を固体チタン原料からコンピュータ援用製造（ＣＡＭ）設備を使用して製造する周知の技法と比較して少ないので、本発明の方法は驚くほど経済的である。
【００３２】
さらにまた、原料のチタンからチタン圧縮機翼車を切削することは、材料を切削除去するために必要な時間、およびツールの摩耗から高価になる。本発明によれば、切削除去される材料の量は原料からの切削の場合よりも実質的に少ないので、ツール使用時間とコストは極めて少ない。
【００３３】
したがって、本発明による方法は驚くほど経済的である。
上述の内容は、下記の本発明の詳細な説明がさらによく理解されるために、また当技術分野への本発明の貢献をさらに完全に認識できるように、本発明の直接関係のある重要な特徴をむしろ広範に概説したものである。本発明の追加の特徴を後述するが、これらの特徴は本発明の特許請求の範囲の主題を形成する。開示された概念と特定の実施形態を、本発明の同じ目的を実施するために改変するかまたは他の圧縮機翼車を設計するための基礎として容易に利用できることは、当業者には認識されるはずである。また、この種の等価の構造は添付の特許請求の範囲に記載されているように本発明の精神と範囲を逸脱しないことも、当業者によって実現されるはずである。
【００３４】
本発明の性質および目的をさらに完全に理解するために、添付の図面と共に下記の詳細な説明を参照すべきである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明はまず、焼流し精密鋳造法において使用されるワックスパターンが最終（ネット形状）の圧縮機翼車を製造しないように意図的に設計されるが、むしろ続いて切削またはミリングが必要なニアネット形状のパターンを製造するように意図的に設計されることを特徴とする。意外にも、ハイブリッドまたは２ステップ法を使用してチタン圧縮機翼車を形成するとき、各ステップ（パターン形成と切削）の技術的複雑性は実質的に低く、パターン鋳造中のワックスブレードのひずみは低下し、鋳造自体は簡単になり、方法自体を完全に自動化することができ、最終製品の寸法精度は従来の技術によるよりも高くなる。
【００３６】
第１ステップにおけるニアネット形状パターンの製造コストが、第２ステップにおける機械加工又は切削コストを加えても、本発明による鋳造チタン圧縮機翼車製造の最終コストが従来の技術によって形成される圧縮機翼車の場合よりも低くなるほど低いことは、より重要なことである。
【００３７】
本発明の第１実施形態では、引抜き不可能な形状を有するチタン圧縮機翼車を経済的に製造するためのハイブリッド法は、
（ａ）複数の金型インサートから構成される金型の中で、引抜き可能なニアネット形状圧縮機翼車のポジパターンを形成することと、
（ｂ）ポジパターンの周りに鋳型を形成することと、
（ｃ）ポジパターンを除去することと、
（ｄ）チタンを鋳型の中に鋳込むことと、
（ｅ）鋳型を除去してニアネット形状を有するチタン圧縮機翼車を露出させることと、
（ｆ）前記ニアネット形状の圧縮機翼車を機械加工又は切削加工して、切削アンダカット区域および任意選択的にブレード前縁を含む所望の形状にすることとを含む。
【００３８】
本発明による代替実施形態では、引抜き不可能形状を有するチタン圧縮機翼車は、
（ａ）複数の金型インサートから構成される金型の中で、引抜き可能なニアネット形状の圧縮機翼車のポジパターンを形成することと、
（ｂ）ニアネット形状の圧縮機翼車のポジパターンを切削して、切削アンダカット区域および任意選択的にブレード前縁を含む所望の形状にすると、
（ｃ）ポジパターンの周りに鋳型を形成することと、
（ｄ）ポジパターンを除去することと、
（ｅ）チタンを鋳型の中に鋳込むことと、
（ｆ）鋳型を除去して引抜き不能形状を有するチタン圧縮機翼車を露出させることと
を含む方法によって経済的に製造される。
【００３９】
本発明はさらに、ステップ（ｆ）の生成物をその表面の一部分またはすべてを最終切削すること、および／またはステップ（ｂ）または（ｆ）の生成物を化学的にミリングすることを企画する。すなわち、ワックスパターンを弱い酢酸で化学的にミリングするか、またはチタンをフッ化水素酸またはその他の強い酸によって化学的にミリングすることができる。本明細書で使用される用語「ワックス」には、ワックス／プラスチック材料、樹脂、または焼流し精密鋳造技術に従事する人々には周知のその他の犠牲物質が含まれる。
【００４０】
さらに特定すれば、本発明によって、チタン圧縮機翼車は固体（すなわち可撓性ではない）金型を使用して自動化された方法で容易かつ経済的に製造される。固体の金型は、ワックスパターンに高度の寸法精度を提供するために使用される。本発明によれば、金型インサートの引出しを防止する圧縮機翼車ブレードの「アンダカット」または「後方に傾斜した」区域、または「バックロック」を作っているねじり区域は充てんされるが、金型インサートを引抜き可能にするために必要な程度までのみ充てんされる。用語「バックロック」は、「ＴｕｒｂｉｎｅＷｈｅｅｌ　Ｐａｔｔｅｒｎ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｍａｋｉｎｇ　Ｓａｍｅ」（タービン翼車パターンおよびこの製造方法）と題する米国特許第４１３９０４６号（Ｓｔａｎｃｉｕ）によって証明されるように、当技術分野では一般的である。
【００４１】
結果として得られるパターンは、金型インサートを引き出すことができるので「引抜き可能」であるが、これは、充てんされた区域切削によって除去される必要はないので、所望の最終またはネット圧縮機翼車形状を作らない。このパターンは、「アンダカット」または「後方傾斜（ｂａｃｋ　ｓｗｅｅｐ）」区域のみが次に続く切削ステップにおいて切削除去される必要があるので、「ニアネット形状」とも称される。従って、切削によって除去しなければならない材料の量は、固体ブロックから圧縮機翼車を切削することに較べて極めて少なく、ツール使用時間およびツールの摩耗は極めて少ない。
【００４２】
通常ワックスによって形成されるニアネット形状パターンを、切削して焼流し精密鋳造の前に「引抜き不能」のパターンを形成することができるか、または好ましくは、ニアネット形状（「引抜き可能」）のパターンを焼流し精密鋳造においてそのままで使用することができ、ニアネット形状を有する鋳造チタン生成物を従来の技法で切削して、ブレードの後方傾斜区域およびアンダカット区域を完成するために必要な材料を除去することができる。
【００４３】
意外にも、ワックスの切削のコストおよび複雑性は、産業規模で実施されるとき、チタン切削のコストおよび複雑性にほぼ同じであることもがわかっている。切削ステップにおいて切削されるべき材料の量は、例えばコピュータ支援製造（ＣＡＭ）設備を使用して固体チタン原料からチタン圧縮機翼車を製造する周知の技法に較べて少ないので、本発明による方法は驚くほど経済的である。
【００４４】
したがって本発明は、簡単で低コストの経済的な工程によって引抜き不能チタン圧縮機翼車を大量生産することができる方法を最初に提供する。複合金型インサート、すなわち空気通路当り２つまたはそれ以上の金型インサートを使用することもできることは容易にわかるであろうが、次に本発明を、簡単な金型インサート、すなわち空気通路当り１つの金型インサートを使用して説明する。エアスペース当りの金型の数が増えるにつれて自動化の複雑さが増すので、金型は「単一引き抜き（ｓｉｎｇｌ−ｐｕｌｌ）シングルプル」金型であることが好ましく、すべてのインサートは同時にパターンから引き出される。各空気通路に２つ以上の金型インサートが設けられて、引出しが２ステップで行われる「２回引き抜き（ｔｗｏ−ｐｕｌｌ）」金型はなお経済的である。金型を引き出すために３つ以上の「引き抜き」ステップを必要とする場合には、金型の複雑さとコストはひどく増す傾向がある。したがって、現在知られているパターン形成技法と共に、「１プル」および「２プル」金型が好ましい。
【００４５】
用語「チタン圧縮機翼車」を、本明細書では、主としてチタンから構成される圧縮機翼車を指すために使用し、これは６Ａ１　４Ｖチタンなどのチタン合金を含む。この合金は容易に鋳造され、溶接修理可能で、広く入手可能で、安価であり、かつすぐれた強度を有する。アルミニウムに匹敵する剛性と密度を有し、固有振動数がアルミニウムとほぼ同じであることは、この合金の付帯的な利点である。アルミニウムは、当技術分野において加工が極めてなじみのある材料であり、アルミニウムを使用して開発されるブレード幾何形状を６Ａ１　４Ｖチタンに直接移すことができる。
【００４６】
次に、本発明の方法を図に基づいてさらに詳細に説明する。
図１は、基部において半径方向外向きに延びるベース３を形成する環状ハブ２を含む、「引抜き不能」圧縮機翼車の一例を示す。ハブからベースへの遷移部を湾曲（溝付きに）しても、または角度をつけてもよい。一連の等間隔の薄壁フルブレード（ｐｕｌｌ−ｂｌａｄｅｓ）４および「スプリッタ」ブレード５が、圧縮機翼車の一体部分を形成する。スプリッタブレードは主に、その前縁がフルブレードと比較してさらに軸方向下流で始まっている点で、フルブレードとは異なる。
【００４７】
ブレードの複雑な形状は、空気の効率的な遠心「ポンピング」に関連する空気力学によって支配される。使用時は、圧縮機翼車は圧縮機ハウジングの中に位置し、ブレードは圧縮機ハウジングの内壁の近くを通過する。空気が圧縮機入口に引き込まれると、空気は急速回転する圧縮機翼車の空気通路を通過して、圧縮機翼車のベースに沿って外向きに（遠心力で）投げ出され、環状渦形室の中に入り、次にこの圧縮された空気は例えばエンジン取入れ口に運ばれる。ブレード前縁の沿った窪み部６と隆起部７、複合曲線を有する個別エアフォイルのねじりによって作られたアンダカット凹部９、およびブレード後縁におけるレーキまたはテーパ（後方傾斜）８を有する圧縮機翼車の複雑な形状は、ブレードの幾何形状が金型インサートまたは鋳型部材の引出しを阻害するので、非弾性金型を使用する自動的方法において、このような形状を単体として鋳造することを不可能にすることが容易に明らかである。図２は、図１の圧縮機翼車の一部分を拡大立面図で示す。
【００４８】
本発明が取り組む「バックロック」の問題は、二次元の問題よりも三次元の問題であることが、上記の説明および図によって明らかになろう。三次元のバックロックを紙の上に図解することは容易ではないので、また説明の目的だけのために、図４は、図３の断面線４−４に沿ってネット形状の圧縮機翼車のブレードの湾曲を、誇張された二次元の表現によって示す。ブレード４、５間の通路の中に位置する非弾性金型インサートを引き出すことができないことは、容易に明らかになろう。
【００４９】
本発明によれば、ニアネット形状のパターンが、金型インサートをブレードの間から「引っ張る」ことができるのに必要な程度までのみ、図４に示すブレード形状を変更することによって作られる。引っ張りは半径方向に、または曲線または弧線に沿って行われる。
【００５０】
（誇張された）パターンの変更の結果を図５に示す。ニアネット形状圧縮機翼車のブレードの湾曲を誇張した表現で示すが、それ以外は図４と同等である。金型インサートの引出しを妨げるアンダカット区域または後方傾斜すなわち後退角区域１０、１１は、金型を引抜き可能にするために必要な程度までのみ充てんされる。後で切削によって除去しなければならない材料の量を最小限に抑えるために、ニアネット形状パターンでは最小限の充てん材料が使用される。金型の引出しを妨害しないブレード表面１２、１３は金型インサートによって直接画定される。
【００５１】
図６は、圧縮機翼車の回転軸の直角に切った図３に対応するニアネット形状のパターン２１を画定する金型の簡略化された断面図であり、金型インサート２０はニアネット形状の圧縮機翼車パターンのハブおよびブレードを画定し、機械加工すなわち切削によって除去されるべき充てん材料１０、１１を含む。ワックス形を形成するためのツールまたは金型は、図３の断面線４に沿った断面図で、閉じられた状態で示され、本発明の本質的な特徴をよりよく理解できるように（機械的引出し手段などを省略して）簡略化され、圧縮機翼車形状の鋳型を通る断面図を見せている。鋳型は、ハブ空洞とブレードの間の空気通路を占める多くのインサート２０を画定し、こうしてブレード、ハブの壁、およびハブのベースにおける空気通路の床部を画定する。図６に示すようにインサートを配置して、溶融ワックスまたはその他の犠牲材料（以後簡単にワックスと呼ぶ）が金型の中に注がれる。ワックスを冷却することができ、個別のインサート２０を、図７に示すように半径方向に、またはある簡単または複合曲線に沿って自動的に引き出し、こうして固体ワックスパターン２１を露出させ、パターンを金型から除去することができるようにする。
【００５２】
図６、７は、図解を容易にするために６個の金型および６個のブレードを示す。しかしながら、金型は、全体で６個の完全長ブレードおよび６個の「スプリッタ」ブレードを作るために、全体で１２個の（簡単な）インサートまたは２４個の（複合）インサートのいずれかを有することが好ましい。２４個の複合インサートの場合には、１セットの１２個の対応するインサートが先ず同時に引き出され、それから第２セットの１２個の対応するインサートが同時に引き出される。複合金型インサートを、空気空洞を２つの区画に分割することによって製造することができ、どちらの金型インサートも、ブレードの設計に応じて半径方向に、またはある曲線に沿って引き出すことができる。
【００５３】
本発明によるワックス鋳造法は、完全に自動的に動作できるように設計されている。インサートは組み立てられて鋳型を形成し、ワックスが注入され、インサートは、同時に引き出すためにある機構によって調時される。
【００５４】
上述の要件を満たすニアネット形状のワックスパターンが作られると、ワックスパターンを切削して（鋳造技法においては従来通りであるように鋳込み漏斗を含むことが好ましい）ネット形状のパターンを作り、次にこれを焼流し精密鋳造において従来の方式で使用する。代替案では、ニアネット形状のワックスパターンを焼流し精密鋳造において従来の方式で使用して、この結果得られたニアネット形状の鋳造チタン圧縮機翼車を切削して「充てん」材料を除去する。
【００５５】
鋳造技法自体を、チタンを鋳造するための技術において知られている変更を伴って従来型の焼流し精密鋳造にすることができる。ニアネット形状またはネット形状（切削された）のワックスパターンをセラミックスラリの中に浸してスラリから取り出し、砂またはバーミキュライト（ｖｅｒｍｉｃｕｌｉｔｅ）によって被覆し、ワックスパターンの上にセラミック層を形成する。この層を乾燥させ、浸漬、サンディング、および乾燥の動作を数回繰り返して、ワックスパターンを包囲または被包する多層セラミックシェルを作り出す。乾燥工程の後に、シェルを焼成によって「脱ろう」し、固化する。次のステップは、溶融チタンによる鋳型の充てんを含む。溶融チタンは非常に反応性であり、有効酸素のない特別のセラミックシェル材料を必要とする。また鋳込みは高い真空下で行われることが好ましい。鋳型を充てんするために遠心鋳造を使用する鋳造所もある。大部分は、堅実な鋳造を達成するために複雑な湯口方案（ｇａｔｉｎｇ）による重力鋳込みを使用する。冷却した後、シェルを破壊して除去し、鋳造には、鋳型金属反応層を除去するための通常ケミカルミリングによる特別の処理が与えられる。製品は、高い回転速度（ＲＰＭ）と高い温度に耐えることができる軽量で精確な幾何形状の圧縮機翼車である。
【００５６】
本発明によるチタン圧縮機翼車の製造方法は、圧縮機翼車自体が簡単で高度に自動化された方法で製造されるようにする。この結果、圧縮機翼車は、従来の技術の手順によって弾性変形可能鋳型を使用する場合または個別ブレードを１つのハブの上に組み立てる場合に結果として生ずることのあるような、何らかの形状異常を受けることはない。
【００５７】
同様な設計のアルミニウムとチタンの圧縮機翼車に対して試験した結果、本発明のチタン圧縮機翼車は、アルミニウム圧縮機翼車においては破損を引き起こした動作サイクルを１３回以上行った場合でも、疲労の兆候を示さなかった。
【００５８】
ニアネット形状のパターンまたは翼車を切削してネット形状にするための手順は周知であり、ここでは詳細に説明する必要はない。切削はブレード表面の全体または部分に行われる。数値制御式切削設備としても知られているコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）設備の使用を教示する特許としては、「Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｆｏｒ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｓｈａｐｅｓ」（複雑な形状を有する対象物を製造するためのコンピュータ援用研摩機械）と題する米国特許第５１９３３１４号（Ｗｏｒｍｌｅｙ　その他）がある。Ｗｏｒｍｌｅｙその他の特許は、複雑な湾曲表面を有するタービンおよびその他の対象物において使用される種類のブレードおよびバケットを製造するために、特に適した研摩機械を教示している。作り出そうとする対象物の表面を示すデータブロックが、粗削り半加工品を最終対象物に仕上げるための機械を制御するコンピュータの中に記憶されている。研摩ベルトがノーズローラの上を通過して被加工物と線接触を作る。ベルトと被加工物は６度のコンピュータ制御自由度の下にある。すなわち並進において３度および回転において３度である。ノーズローラの支持アームをベルトの接触点の周りに角移動させることができ、またノーズローラをベルトの接触点を通る垂線軸の周りで調節することができる。フィードバック制御部が６軸の周りの位置および運動速度を指示する。位置のフィードバックは仕上げ点における被加工物の正確な位置を指示して、ベルト摩耗のための自動補正を可能にする。
【００５９】
「Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｉｄｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｏｂｊｅｃｔ　ａｎｄ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ」（三次元対象物のコンピュータ援用加工およびその装置）と題する米国特許第５５８７９１２号（Ａｎｄｅｒｓｓｏｎ　その他）は、コンピュータ支援設計プログラムを使用して三次元物体を製造する方法を教示しており、三次元物体モデルを示す入力データをコンピュータのために発生させるステップと、入力データをコンピュータに記憶するステップと、入力装置を通じてプログラムに命令して、入力データに基づいて、三次元物体モデルを示す複数の表面を作り出すための第１信号を活動化させるステップであって、各表面は三次元物体モデルの中心軸を通じて延びる垂直断面の輪郭を含むステップと、入力装置を通じてプログラムに命令して、所望の三次元物体にしたがって垂直断面の輪郭を変更するために第２信号を活動化させるステップと、第２信号に応答して輪郭の変更を示す出力データを記憶するための第３信号を活動化させるステップであって、出力データは三次元物体を製造するためにコンピュータから伝送可能であるステップとを含む。
【００６０】
３〜６軸切削を教示するその他の特許として下記があり、これらの開示内容は本明細書に参照によって組み込まれている。すなわち米国特許第５３９６１６０号（Ｃｈｅｎ）、同第５４５３９３３号（Ｗｒｉｇｈｔ　その他）、同第５５５２９９５号（Ｓｅｂａｓｔｉａｎ）、同第５７８７７５３号（Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙ）、同第５９９７５７８号（Ｈｏｅｒｍａｎｓｄｏｅｒｆｅｒ）、同第６１４６２４５号（Ｈｏｅｒｍａｎｓｄｏｅｒｆｅｒ）、同第６３３５５０３号（Ｔｓｕｎｇ）、同第６３６３２９８号（Ｓｈｉｎ　その他）である。
【００６１】
ワックスパターン形状または鋳造形状をケミカルミリングすなわち化学的切削加工を行うことができる。チタンのケミカルミリングは米国特許第４９００３９８号に記載のように周知であり、ここでは詳細に記載する必要はない。
【００６２】
鋳造チタン圧縮機翼車を製造するための経済的な方法を、ここでは自動車またはトラック産業のために適した実施形態に関して詳細に説明したが、圧縮機翼車およびこれを製造するための方法が、ピストン式航空機および燃料電池動力式乗物などの、多くのその他の適用分野に適していることは容易に明らかになろう。本発明を、自動車用内燃圧縮機翼車に関してある特殊性を有する好ましい形で説明したが、本発明の好ましい形の開示は単に例示のために行われたこと、および本発明の精神と範囲から逸脱することなく、構造の詳細部分における多くの変更および組合せの構成に頼ることができることは理解されよう。
【００６３】
以上、本発明を説明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】チタン圧縮機翼車（ネット形状）の立面斜視図である。
【図２】図１に示す圧縮機翼車の拡大された一部分を示す立面斜視図である。
【図３】図１に示す圧縮機翼車の側面輪郭図である。
【図４】図３に示す線４−４に沿ったネット形状圧縮機翼車のブレードの湾曲を強調して示す図である。
【図５】ニアネット形状の圧縮機翼車のブレードの湾曲を強調して示す、他の点では図４に匹敵する図である。
【図６】金型インサートは圧縮機翼車のハブとブレードを画定し、圧縮機翼車の回転軸に直角に切った金型およびニアネット形状パターンの簡単な断面図である。
【図７】図６に対応し、ハブのほぼ中心において回転軸に直角に切った圧縮機翼車の上面図である。
【符号の説明】
１　チタン圧縮機翼車　　　　　　　　　２　環状ハブ
３　ベース　　　　　　　　　　　　　　４　フルブレード
５　スプリッタブレード　　　　　　　　６　くぼみ部
７　隆起部　　　　　　　　　　　　　　８　バックテーパ（後方傾斜）
９　アンダカット凹部　　　　　　　　　１０　充てん材料、アンダカット区域
１１　充てん材料、アンダカット区域
１２　金型の引出しを妨害しないブレード表面
１３　金型の引出しを妨害しないブレード表面
２０　金型インサート　　　　　　　　　２１　ニアネット形状パターン
【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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