(57)【要約】【課題】従来の加工方法によって不可避的に発生していたアンバランス量を大幅に低減することができ、これにより、アンバランス量の修正時間を短縮し、製品の歩留りを高めることができる過給機のタービン翼の加工方法を提供する。【解決手段】精密鋳造品のタービン翼２のロータ軸３との接合部に、予め円筒形のロータ軸側ボス部１２を設け、ボス部外周面Ｂを半径方向の加工基準にしてタービン翼２の先端部１４を円筒形に加工し、次いで先端部外周面Ｃを半径方向の加工基準にしてロータ軸側ボス部を仕上げ加工する。【選択図】　　　図２
2004052616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
精密鋳造品のタービン翼（２）のロータ軸（３）との接合部に、予め円筒形のロータ軸側ボス部（１２）を設け、該ボス部外周面Ｂを半径方向の加工基準にしてタービン翼（２）の先端部（１４）を円筒形に加工し、次いで先端部外周面Ｃを半径方向の加工基準にしてロータ軸側ボス部を仕上げ加工する、ことを特徴とする過給機のタービン翼の加工方法。
【請求項２】
前記先端部（１４）の加工において、タービン翼の接合側端面Ａを軸方向の加工基準にして円筒形の端面及び根元部を加工する、ことを特徴とする請求項１に記載の過給機のタービン翼の加工方法。
【請求項３】
前記仕上げ加工において、先端部（１４）の外周面Ｃ及び端面又は根元部Ｄを加工基準にして少なくとも接合部の端面（２ｂ）と内面（２ｃ）を加工する、ことを特徴とする請求項２に記載の過給機のタービン翼の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給機のタービン翼の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、タービン翼とロータ軸を接合したタービンロータ軸の全体構成図である。この図において、（Ａ）は完成したタービンロータ軸１であり、（Ｂ）はタービンロータ軸１を、その接合部分でタービン翼２とロータ軸３に分離して示した説明図である。（Ａ）のタービンロータ軸１の右端にコンプレッサ翼（図示せず）をネジ止めして、過給機内に組み込む。かかるタービンロータ軸１は、特に小型のものでは、数万〜数１０万ｒｐｍの高速で回転するため、そのつりあい良さは極めて重要となる。そのため、タービンロータ軸１は、動つりあい試験によりそのアンバランス量を計測し、図に斜線で示すＡ，Ｂ部分（２箇所）を削ってアンバランスを調整するようになっている。
【０００３】
図６は、従来のタービンロータ軸の加工工程図であり、図７はその模式図である。図６及び図７に示すように、先ず、精密鋳造したタービン翼２の接合部を機械加工し、ロータ軸３を仕上げ代を残して中間加工する（Ａ）（Ｂ）。次に、電子ビーム溶接で一体化してタービンロータ軸１にする（Ｃ）。次いで、ロータ軸部分を仕上加工し、ロータ軸を硬化処理（窒化処理や高周波焼入）し、軸の研摩とタービン翼の外径を研削加工する（Ｄ）。最後に動つりあい試験によりアンバランス量を計測し、タービン翼の一部を削ってアンバランスを調整してタービンロータ軸１が完成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図８は、タービン翼２の精密鋳造品の接合部を機械加工する工程の説明図であり、（Ａ）は加工前、（Ｂ）は加工後を示している。この図に示すように、精密鋳造品の接合部には、予めボス穴２ａが設けられており、この加工工程では、タービン翼の接合側端面Ａ及び外径Ｂを基準に接合部の端面２ｂと内面２ｃを加工する。
【０００５】
しかし、従来のこの加工工程が要因となって、タービン翼２のアンバランス量が大きい問題点があった。その結果、上述した最終工程のアンバランス調整において、アンバランス量が大きすぎ、修正に長時間を要したり、修正できずに不良品になる率が高い問題点があった。
また、以下の問題点もあった。
（１）素材単体でのアンバランス計測基準がない。
（２）加工基準部ではアンバランスの計測ができない。
（３）軽量化等のため羽根が薄くなりチャックできない。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、従来の加工方法によって不可避的に発生していたアンバランス量を大幅に低減することができ、素材にアンバランス計測基準を設けることで加工時のバランス管理が可能であり、羽根の形状や厚さに関係なく加工が可能であり、これにより、アンバランス量の修正時間を短縮し、製品の歩留りを高めることができる過給機のタービン翼の加工方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
従来は、タービン翼の翼外径部を加工基準とし接合部の切削加工を施している。しかし、タービン翼の素材は精密鋳造品であるが、加工基準とする翼部分はその形状が複雑な上、肉薄であり、鋳造後の冷却速度が速いため、収縮応力の影響を受けて変形が大きい。そのため、加工基準として必要と考えられる精度（±０．０２ｍｍ程度）が得られていない（実力値としては０．２ｍｍ程度）。その結果、翼外径部を加工基準として加工した接合部の中心がタービン翼全体のバランス中心に対してズレを発生し、タービンロータ軸全体のアンバランスの要因となることが後述する計測結果から明らかとなった。
【０００８】
一方、タービン翼のバランス中心は、表面積に対する質量の割合が翼に比較して大きく、冷却速度が遅い中心部分に存在すると考えられる。この部分は、収縮応力の影響が小さく、精度維持が比較的容易であるためである。その結果、中心部分に隣接する精密鋳造品のボス部が、タービン翼全体のバランス中心にほぼ一致していることが計測の結果明らかとなった。
【０００９】
本出願は、上述した新規の知見を基に創案されたものである。すなわち、本発明によれば、精密鋳造品のタービン翼（２）のロータ軸（３）との接合部に、予め円筒形のロータ軸側ボス部（１２）を設け、該ボス部外周面Ｂを半径方向の加工基準にしてタービン翼（２）の先端部（１４）を円筒形に加工し、次いで先端部外周面Ｃを半径方向の加工基準にしてロータ軸側ボス部を仕上げ加工する、ことを特徴とする過給機のタービン翼の加工方法が提供される。
【００１０】
本発明のこの方法によれば、タービン翼全体のバランス中心に対してズレが大きく、かつチャック等で把持しにくいタービン翼の翼外径部を半径方向の加工基準とせず、タービン翼全体のバランス中心にほぼ一致している２つのボス部（ロータ軸側と先端部）を順に半径方向の加工基準に用いて、ロータ軸側ボス部（１２）を仕上げ加工することができる。
従って、従来の翼外径部を加工基準とした仕上げ加工により不可避的に生じていたアンバランスをなくし、精密鋳造品のバランス中心に近いロータ軸側ボス部（１２）を加工することができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記先端部（１４）の加工において、タービン翼の接合側端面Ａを軸方向の加工基準にして円筒形の端面及び根元部を加工する。
また、前記仕上げ加工において、先端部（１４）の外周面Ｃ及び端面又は根元部Ｄを加工基準にして少なくとも接合部の端面（２ｂ）と内面（２ｃ）を加工する。
なお、素材先端部を基準にしたアンバランス量が一定量内であれば、加工せずに直接加工基準とすることも可能である。
【００１２】
この方法により、ロータ軸側ボス部（１２）を基準に加工された先端部外周面を基準に、接合部の端面（２ｂ）及び内面（２ｃ）を加工するので、ボス部（１２）、端面（２ｂ）及び内面（２ｃ）を精密鋳造品のバランス中心に近い同心に形成することができ、ロータ軸との接合部分の肉厚を均一化し、電子ビーム溶接をより高精度に行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明によるタービンロータ軸の加工工程図であり、図２は、図１の模式図である。図１に示すように、本発明の加工方法では、タービン翼を精密鋳造Ｓ１ａ、先端部の円筒形加工Ｓ１ｂ及びボス部の仕上げ加工Ｓ１ｃの３ステップで加工する。
【００１４】
タービン翼の精密鋳造Ｓ１ａでは、図２（Ａ）に示すように、精密鋳造品のタービン翼２のロータ軸３との接合部に、かつタービン翼の回転中心上に予め円筒形のロータ軸側ボス部１２を設ける。このロータ軸側ボス部１２にはロータ軸３との接合部に、円筒形のボス穴２ａを設ける。また、タービン翼２のロータ軸３の反対側先端部にもタービン翼の回転中心上に別のボス部１４を予め設ける。
【００１５】
ロータ軸側ボス部１２とそのボス穴２ａは、ロータ軸の一端を最小限度の機械加工で精度よく嵌め込めるように、精密鋳造で可能な範囲でできるだけ高精度にするのがよく、例えば±０．０１ｍｍ程度にする。また、先端側のボス部１４も、好ましくは、高精度の円筒形に同等の精度で予め設けるのがよい。
【００１６】
なお、先端側のボス部１４を、従来と同様に６角面またはいわゆる菊座に形成してもよい。その他の点では、この精密鋳造Ｓ１ａは、従来と同様である。
【００１７】
先端部の円筒形加工Ｓ１ｂでは、図２（Ａ）に示すように、ロータ軸側ボス部１２を半径方向の加工基準Ｂとしてタービン翼２の先端部１４を円筒形に加工する。なおこの加工において、タービン翼の接合側端面Ａを軸方向の加工基準にして円筒形の端面及び根元部を加工する。
【００１８】
ボス部の仕上げ加工Ｓ１ｃでは、図２（Ｂ）に示すように、先端部１４の外周面を半径方向の加工基準Ｃにしてロータ軸側ボス部１２を仕上げ加工する。なおこの加工において、軸方向は先端部１４の端面又は根元部Ｄを加工基準とする。
またこの仕上げ加工において、先端部１４の外周面Ｃ及び端面又は根元部Ｄを加工基準にして少なくとも接合部の端面２ｂと内面２ｃを加工する。更に、ボス穴２ａとボス部１２の外径寸法もこの工程で仕上げ加工するのがよい。
【００１９】
図３は、本発明による加工中のアンバランス量を示す計測結果である。この図において、（Ａ）は、精密鋳造Ｓ１ａで得た精密鋳造品（素材）のアンバランス量であり、（Ｂ）は先端部の円筒形加工Ｓ１ｂの後（先端部加工後）のアンバランス量である。各図において、アンバランス量は、偏重心の方向（０〜３６０°）とその偏心量（μｍ）で示している。また図中の番号と黒点（●）は異なる素材の実測値であり、白丸（○）はその平均値である。
なお（Ａ）の精密鋳造品（素材）のアンバランス量は、鋳造の型修正である程度調整が可能である。
【００２０】
図３（Ａ）において、平均アンバランス量は、３４．８６°の方向に２３．７２μｍ（約０．０２ｍｍ）であり、１５点（Ｎｏ．１１は欠番）の精密鋳造品（素材）がこの平均位置近傍に集中していることがわかる。
このことから、タービン翼の精密鋳造品（素材）は、全体としては、加工基準として必要と考えられる精度（±０．０２ｍｍ程度）に近い精度が得られることがわかる。
【００２１】
しかし、タービン翼の翼部分はその形状が複雑な上、肉薄であり、鋳造後の冷却速度が速いため、収縮応力の影響を受けて変形が大きい。これに対して、タービン翼の中心部分は、表面積に対する質量の割合が翼に比較して大きく、冷却速度が遅いため、収縮応力の影響が小さく、精度維持が比較的容易である。従って、中心部分に隣接する精密鋳造品のボス部は、素材全体の平均よりも精度が高く、タービン翼全体のバランス中心にほぼ一致しているといえる。
【００２２】
図３（Ｂ）は、先端部加工後のアンバランス量であり、平均アンバランス量は、５８．５７°の方向に１７．５１μｍ（約０．０２ｍｍ）である。このことから、先端部加工後の１５点（Ｎｏ．１１は欠番）も加工前の精密鋳造品（素材）の平均位置近傍に集中していることがわかる。
【００２３】
図３の（Ａ）と（Ｂ）の比較から、素材（Ａ）と先端部加工後（Ｂ）とで、アンバランスの方向とその偏心量が非常に近似していることがわかる。このことから、先端部の円筒形加工Ｓ１ｂが、少なくともアンバランスを増大させない方向で行われており、半径方向の加工基準Ｂが適正であることがわかる。
【００２４】
図４は、本発明と従来例による仕上加工後のアンバランス量を示す計測結果である。この図において、（Ａ）は、先端部の円筒形加工Ｓ１ｂの後、ボス部の仕上げ加工Ｓ１ｃを行った本発明の方法によるタービン翼２のアンバランス量であり、（Ｂ）は従来に方法によるタービン翼２のアンバランス量である。各図において、アンバランス量は、偏重心の方向（０〜３６０°）とその偏心量（μｍ）で示している。また図中の番号と黒点（●）は異なる素材の実測値であり、白丸（○）はその平均値である。
【００２５】
図４（Ａ）において、平均アンバランス量は、７６．４３°の方向に２１．７６μｍ（約０．０２ｍｍ）であり、７点の加工品（タービン翼２）がこの平均位置近傍に集中していることがわかる。
このことから、本発明のタービン翼は、精密鋳造品（素材）のアンバランス傾向をそのまま保持し、かつ加工基準として必要と考えられる精度（±０．０２ｍｍ程度）に近い精度が得られることがわかる。
【００２６】
これに対して、図４（Ｂ）の従来例では、平均アンバランス量は、２７．７１°の方向に６３．９２μｍ（約０．０６ｍｍ）であり、かた７点の加工品（タービン翼２）がこの方向および偏心量も大きくばらついていることがわかる。
これは、アンバランス量が大きいタービン翼の外径を基準に加工したためであり、その結果、最終工程のアンバランス調整において、アンバランス量が大きすぎ、修正に長時間を要したり、修正できずに不良品になる率が高くなることがわかる。
【００２７】
上述した本発明の方法によれば、タービン翼全体のバランス中心に対してズレが大きく、かつチャック等で把持しにくいタービン翼の翼外径部を加工基準とせず、タービン翼全体のバランス中心にほぼ一致している２つのボス部（ロータ軸側と先端部）を順に加工基準に用いて、ロータ軸側ボス部１２を仕上げ加工することができる。
従って、従来の翼外径部を加工基準とした仕上げ加工により不可避的に生じていたアンバランスをなくし、精密鋳造品のバランス中心に近いロータ軸側ボス部１２を加工することができる。
【００２８】
また、ボス穴２ａを有するロータ軸側ボス部１２を基準に加工された先端部外周面を基準に、接合部の端面２ｂ及び内面２ｃを加工するので、加工していないボス穴２ａと加工した端面２ｂ及び内面２ｃを精密鋳造品のバランス中心に近い同心に形成することができ、ロータ軸との接合部分の肉厚を均一化し、電子ビーム溶接をより高精度に行うことができる。
更に、ボス穴２ａとボス部１２の外径寸法もこの工程で仕上げ加工することにより、更にロータ軸側ボス部１２全体を精密鋳造品のバランス中心に近い同心に形成することができ、ロータ軸との接合部分の肉厚を均一化し、電子ビーム溶接をより高精度に行うことができる。
【００２９】
次ぎにタービン翼以外の部分の加工方法を説明する。
図１において、本発明の加工工程では、更に、ロータ軸の仕上加工Ｓ２、ロータ軸の硬化処理Ｓ３ａ、ロータ軸の研摩Ｓ３ｂ、電子ビーム溶接Ｓ４、タービン翼の外径研削Ｓ５、及び動バランスの調整Ｓ５の各ステップを有する。
【００３０】
ロータ軸の仕上加工Ｓ２は、好ましくは、中間加工を省略してロータ軸単独で最終仕上げまで行う。また、引き続く、ロータ軸の硬化処理Ｓ３ａにおいて、必要な窒化処理又は高周波焼入れを行い、ロータ軸の研摩Ｓ３ｂにおいて表面を研摩する。
【００３１】
電子ビーム溶接Ｓ４は、タービン翼の仕上げ加工Ｓ１ｃで加工したボス穴２ａにロータ軸の仕上加工Ｓ２で予め仕上げ加工したロータ軸３の一端３ａを嵌め込み、その接合部分を電子ビーム溶接する。
【００３２】
タービン翼の外径研削Ｓ５では、ロータ軸の仕上加工Ｓ２で仕上げ加工したロータ軸３の外径Ｃと端面Ｅを加工基準として、タービン翼２を加工する。またはロータ軸３のセンタ穴Ｄと翼のセンター穴２ｄを加工基準として加工する。
【００３３】
最後に動バランスの調整Ｓ６によりアンバランス量を計測し、タービン翼の一部を削ってアンバランスを調整してタービンロータ軸１が完成する。
【００３４】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。例えば、上述した実施形態では、過給機のタービンロータ軸の加工、特にタービン翼２とロータ軸３の接合について説明したが、本発明の方法は、例えば真空部品、航空宇宙部品等の分野において複数の部材を互いに同軸上に溶接する場合にも同様に適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の過給機のタービン翼の加工方法は、従来の加工方法によって不可避的に発生していたアンバランス量を大幅に低減することができ、素材にアンバランス計測基準を設けることで加工時のバランス管理が可能であり、羽根の形状や厚さに関係なく加工が可能であり、これにより、アンバランス量の修正時間を短縮し、製品の歩留りを高めることができる、等の種々の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるタービンロータ軸の加工工程図である。
【図２】図１の模式図である。
【図３】本発明による加工中のアンバランス量を示す計測結果である。
【図４】本発明と従来例による仕上加工後のアンバランス量を示す計測結果である。
【図５】タービン翼とロータ軸を接合したタービンロータ軸の全体構成図である。
【図６】従来のタービンロータ軸の加工工程図である。
【図７】図６の模式図である
【図８】タービン翼２の精密鋳造品の接合部を機械加工する工程説明図である。
【符号の説明】
１　タービンロータ軸、２　タービン翼、２ａ　ボス穴、２ｂ　端面、
２ｃ　接合部内面、２ｄ　センター穴、３　ロータ軸、３ａ　接合端、
４　溶接治具、５　ボール、６　ヘッド、７　溶接ビード、
１２　ロータ軸側ボス部、１４　先端部
【図１】
2004052616.tif 000003
【図２】
2004052616.tif 000004
【図３】
2004052616.tif 000005
【図４】
2004052616.tif 000006
【図５】
2004052616.tif 000007
【図６】
2004052616.tif 000008
【図７】
2004052616.tif 000009
【図８】
2004052616.tif 000010