(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ軸線を有するハブと、前記ハブの表面に支えられていて隣接するブレードの間に空気経路を画定している複数の後退角付き面の空気力学ブレードと、を含んでいるチタン製遠心式圧縮機羽根車（１）を製造するための工程において、
分割された抜き勾配ゼロの金型の空洞内に嵌るように成形され、前記金型内で製造される鍛造部品の体積とほぼ等しい体積を有する或る量のチタン又はチタン合金素材を準備する段階と、
前記素材に保護コーティングを施す段階と、
前記コーティングされた素材と前記分割された抜き勾配ゼロの金型を、別々の状態で、少なくとも約６４８．９℃（１２００°Ｆ）の高温である前記素材のほぼ所定の最適鍛造温度まで加熱する段階と、
前記金型の全ての分割部品を、中に前記素材を入れる前に、潤滑剤でコーティングする段階と、
加熱された前記素材を加熱された前記金型内に配置する段階と、
前記金型と中に入っている前記素材を、一体に組み立てた後、更に加熱し、必要であれば、その組み合わせたものに前記鍛造温度を付与する段階と、
前記加熱され分割された金型に鍛造力を加えて、加熱された前記素材を前記空洞の形状に向けて変形させ、最終製品に近い形状の鍛造圧縮機羽根車素材を形成する段階と、
前記分割された金型の各部分を分離し、そこから最終製品に近い形状の鍛造素材を取り出す段階と、
アンダーカット領域と随意的にはブレードの前縁を機械加工する段階を含む、前記最終製品に近い形状の鍛造素材を所望の製品形状に仕上げ機械加工する段階と、を含む工程。
【請求項２】
前記素材を中に入れる前に金型をコーティングする前記潤滑剤は、グラファイト懸濁液である、請求項１に記載の工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
圧縮機羽根車は、市販されているディーゼルエンジン用に現在製造されているターボ過給機の寿命を制限する構成部品である。羽根車材料をアルミニウムからチタン合金に変えることは、１つの技術的解決策である。しかしながら、圧縮機羽根車は、極めて複雑な形状を有しており、高い寸法精度で製造しなければならない。チタンを加工するのは難しいので、チタン製圧縮機羽根車は、自動車の空気加圧装置には採用されていない。本発明は、チタン製圧縮機羽根車を製造するための安価な工程を提供する。
【背景技術】
【０００２】
空気加圧装置（ターボ過給機、過給器、電動圧縮機など）は、燃焼空気の流量と密度を高めて、内燃機関の出力と応答性を高めるのに用いられる。
圧縮機羽根車のブレードは、（ａ）空気を軸線方向に引き込み、（ｂ）この空気を遠心力で加速し、（ｃ）空気を、エネルギー（速度／圧力）が高くなった状態で半径方向に外向きに圧縮機ハウジングの渦型チャンバへ放出する、のに最適に設計された非常に複雑な形状を有している。これら３つの別々の機能を、効率を最大にし且つ乱流を最小に抑えて実現するために、ブレードは、３つの独立した領域を有していると言える。
【０００３】
第一に、ブレードの前縁は、空気をすくい込んで軸線方向に移動させるように作られた鋭いピッチの螺旋と言うことができる。ブレードの前縁だけを考えれば、片持ちされた又は外部側先端は、ハブに最も近い部分より速く移動し、一般的に、ハブに最も近い部分より大きなピッチ角が付けられている（図１参照）。従って、ブレードの前縁の迎え角は、ハブ近くの低いピッチから前縁の外側先端の高いピッチまでねじられている。更に、ブレードの前縁は一般的に弓状に曲がっており、平面ではない。更に、ブレードの前縁は、通常、ハブ近くに「ディップすなわち下降部（ｄｉｐ）」と、ブレード先端の外側１／３に沿って「隆起部（ｒｉｓｅ）」即ち凸部を有している。これらの設計的特徴は、全て、空気を軸線方向に引き込む機能を高めるために設けられている。
【０００４】
次に、ブレードの第２すなわち遷移領域では、ブレードは、空気の流れの方向を軸線方向から半径方向に変えると同時に、空気を遠心力で高速回転させ、空気を高速へと加速するように曲げられているので、インペラを離れた後、渦型チャンバ内で拡散されるときに、エネルギーは、圧力上昇という形で回復される。空気は、ブレード間、及び圧縮機羽根車ハウジングの内壁と、フロア空間を画定しているハブの半径方向に延びる円板状部分との間に形成される空気流れチャネル内に取り込まれ、ハウジングのフロアの間隔は、空気流れの方向に狭くなっている。
【０００５】
最後に、第３領域において、ブレードは後縁で終結しており、後縁は、空気を圧縮機羽根車から半径方向外向きに進ませるよう設計されている。このブレードの後縁の設計は、（ａ）ピッチ、（ｂ）半径方向からの偏り角、及び／又は（ｃ）（これは、前縁の前方スイープすなわち前進角（ｆｏｒｗａｒｄ  ｓｗｅｅｐ）と共に、全体として「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）とを備え、一般的に複雑になっている。このようにして誘導され排出される空気は、高流量になるばかりでなく、収集管又はスクロール内に拡散されるとき効果的に高圧を生成する。
【０００６】
従って、機能を考慮すると、圧縮機羽根車は複雑な形状になる。ターボ過給機の圧縮機羽根車の、複合の非常に複雑な曲面は、鋳造によって最も好都合且つ経済的に作ることができ、鋳造の場合、羽根車のハブ部分とブレードは、回転慣性を比較的低くして、過渡的作動状態の間の迅速な加速的応答という更なる利点を達成するために選択されるアルミニウム又はアルミニウム合金のような軽量材料から、一体で望ましく形成される。
【０００７】
最近、エンジンの排気放出に対する規制が厳しくなるにつれ、更に圧力比の高い加圧装置に関心が寄せられてきている。しかしながら、アルミニウム製の圧縮機羽根車は、より高い圧力比（＞３．８）に繰り返し曝されることには耐えられず、比較的短い疲労寿命を呈している。圧縮機羽根車が５００ｍ／秒以上の作動先端速度で回されると、鋳造アルミニウムは、特に羽根車の質量を支持しなければならない羽根車のハブ領域に、比較的高い引張荷重を受ける。残念ながら、どの様な鋳造羽根車でも、ハブ領域は、不純物、介在物及び空隙のような冶金学的欠陥のある部位であり、これらは鋳造工程から生じる不可避的な結果である。応力を上げる要因となる中央孔付近にこれら欠陥が存在すると、羽根車は、ハブ領域内で疲労破壊を起こし易くなる。
【０００８】
従って、鋳造圧縮機羽根車は、製造するのに経済的ではあるが、故障を起こし易い。圧縮機羽根車に故障が起きると、少なくともターボ過給機を交換しなくてはならず、自動車のエンジンに損傷を引き起こす恐れもある。従って、圧縮機羽根車は、鋳造以外の技法で製造する必要がある。
【０００９】
圧縮機羽根車を原材料から機械加工し、鋳造工程から不可避的に生じる内部欠陥を回避することで、圧縮機羽根車の疲労故障を相当に低減できることは知られている。しかしながら、望ましい空気力学的輪郭を有するインペラーのブレードを、切り出したアルミニウムから形成するための複雑な機械加工要件は、コスト面から見て、アルミニウム製圧縮機羽根車を製造するためのそのような方法を、実行不可能なものにする。
【００１０】
チタンは、アルミニウムよりも遙かに加工し難く、材料除去速度が低い。従って、一般的にはビレット又は釣鐘状の形で始まる、鍛えたチタンからのチタン製圧縮機羽根車を機械加工することは、高いコストと最終製品形状を作るのに必要な時間の両方から問題外である。
【００１１】
「ターボ過給機用の複合圧縮機羽根車」と称する米国特許第４，８５０，８０２号（Ｐａｎｋｒａｔｚその他に対する）は、鋳造固有の欠陥を避けようと試みており、鋳造シェルと非鋳造ハブ挿入物から成る複合圧縮機羽根車を教示している。鋳造された圧縮機羽根車のシェルは、アルミニウム又は選択されたアルミニウム合金のような比較的軽量で低慣性の材料で形成されており、空気力学的輪郭を有するインペラブレードと、基部にくぼみを有するハブ部分を含んでいる。例えばビレットである非鋳造材料のハブ挿入物は、このくぼみに固定され、作動中に比較的高い応力に曝される圧縮機羽根車内の領域を占めるよう寸法形状が決められている。ハブ挿入物は、羽根車内の高い応力領域を実質的に占めるので、羽根車の疲労寿命は改善される。
【００１２】
上記技法は、ガスタービンエンジンのハイブリッド圧縮機羽根車の製造に利用されている。ガスタービンエンジン用の、半径方向に伸張するブレードを有するタービンロータを教示している「応力に耐えるハイブリッド半径方向タービン羽根車」と称する米国特許第４，３３５，９９７号（Ｅｗｉｇに対する）を参考にして頂きたいが、ここでは、ハブはチタン合金で鍛造することができ、鋳造チタン合金のシェルをＨＩＰ接着して、圧縮機羽根車を形成することができる。この技法は、実際には、それ自体がガスタービンエンジンのタービンの製造で実用的であると分かっているわけではなく、自動車産業に採用されている小型圧縮機羽根車の大量生産に利用するには、あまりにコストが高く、時間も掛かる。更に、この技法は、個別に製造して、２つの別々の部品を接合しなくてはならず、２つの部品の間の接着の完全性にも疑問がある。
【特許文献１】米国特許第４，８５０，８０２号
【特許文献２】米国特許第４，３３５，９９７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、チタン製圧縮機羽根車を大量生産するための簡単で経済的な工程、しかも鋳造工程中に不可避的に生じる不純物、空隙及び介在物のような寸法及び構造上の欠陥を防ぎ、更に、ブランク材からチタンを機械加工するのに伴う高いコストを避けることのできる工程が必要とされている。その工程は、高い寸法精度で、圧縮機羽根車を高い信頼性で製造できなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の発明人は、チタン製圧縮機羽根車の製造における上記技術的問題を研究し、個々の圧縮機羽根車を、迅速に、経済的に、且つ非常に高い寸法精度で製造できる工程を開発することに着手した。
【００１５】
チタンを鍛造することは知られている。しかしながら、ブレードの前縁に沿うディップとハンプ（ｈｕｍｐ）について述べるまでもなく、複合曲面を描く個々の翼のねじれによって作り出されるアンダーカットのくぼみ及び／又はバックテーパ（ｂａｃｋ  ｔａｐｅｒｓ）を備えた、上記の圧縮機羽根車の複雑な形状を考えると、すぐに、これら最終製品形状の鍛造技法は、圧縮機羽根車の製造には関係がないという結論に達する。
【００１６】
更に、本発明が経済的側面で動かされていることを考えると、工程の段階は多いよりも少ない方が良く、１種類の装置だけを使う単一の製造技法の方が、単一技法だけよりも経済的となる。
【００１７】
本発明の発明人は、従来の知恵から離れて、２つの全く異なる技法を「混成」工程に組合せようとした。本発明人は、先ず、チタン製圧縮機羽根車を最終製品に近い形状すなわちニア・ネット・シェープ（ａ  ｎｅａｒ  ｎｅｔ  ｓｈａｐｅ）に鍛造し、次に、鍛造された形状を仕上げ機械加工して所望の複雑な「最終」製品を作ろうとした。
【００１８】
第１の粗い鍛造段階で作られたチタン製品は、本発明の第２工程段階に掛けることができるように、即ち、完全自動工程で「ブラインド（ｂｌｉｎｄ）」ツールによる仕上げ機械加工に供給して、位置を割り出し、歪みと欠陥の無い最終形状すなわちネット・シェープ（ａ  ｎｅｔ  ｓｈａｐｅ）の製品を製造できるように、十分に再現性のある寸法になっているとは言い切れないことに注目して頂きたい。つまり、  組み立てライン工程で作られる粗鍛造された部品を、例えば、各ブレード表面から薄層の材料を機械加工することができるように、数値制御式切削装置内に正確に位置決め及び方向決めできるかどうかを予測する方法は無い。
【００１９】
更に重要なことに、本発明の最優先の関心事は、チタン製圧縮機羽根車を形成するための経済的な工程を作ることであり、多段階の混成工程は経済的ではないように思える。
非常に驚いたことに、本発明の混成工程は、２つの異なる種類の製造技法を適用する必要があるにもかかわらず、チタン製圧縮機羽根車を、高精度で、鋳造製品に比べて欠陥を最小にして、切り出した金属から機械加工する技法に比べて非常に経済的に製造できるようにした。更に、混成工程は、それ自体を容易に自動化できる。最終製品に近い形状の圧縮機羽根車は、先ず、自動化された工程によって鍛造金型内で最終製品に近い形状に好適に作られるが、この最終製品に近い形状は、鍛造金型を引き抜けるぎりぎりの程度まで最終形状に近く、即ち、「アンダーカット」又は「後退角（ｂａｃｋ  ｓｗｅｅｐ）」領域が、金型挿入型具の「バックロック（ｂａｃｋ  ｌｏｃｋ）」を防ぐのに必要な程度まで「埋め戻され」ている形状である。この最終製品に近い形状の圧縮機羽根車は、「アンダーカット」又は「後退角（ｂａｃｋ  ｓｗｅｅｐ）」領域だけが、先に述べたように埋め戻され、後続の機械加工段階で機械加工する必要がある状態なので、ここでは「最終製品に近い形状すなわちニア・ネット・シェープ（ｎｅａｒ  ｎｅｔ  ｓｈａｐｅ）」と呼んでいる。
【００２０】
最終製品に近い形状を有する鍛造されたチタン製品は、従来の技法によって機械加工して、ブレードの後退角及びアンダーカット領域を完成するために必要な材料を取り除くことができる。チタンにとって周知の、成形金属反応、収縮、間隙率、介在物などの鋳造に付帯する問題は、本発明の工程によって取り除かれる。機械加工された最終形状すなわちネット・シェープは、ロウ型から鋳造された圧縮機羽根車と比べると、寸法精度が高い。従って、この自動化された実施形態は、結果的に、非常に正確な製造技法となる。
【００２１】
更に、素材チタンからのチタン製圧縮機羽根車の機械加工は、材料を機械加工で取り除くのに必要な時間（素材から１つのチタン製圧縮機羽根車を機械加工するのに終日掛かる）と、ツールの磨耗（取り除かなければならない材料の量が多くなるほど、磨耗量も多くなる）とにより高額になることが分かっている。本発明によれば、機械加工で取り除かれる材料の量は、素材から機械加工する場合より相当少ないので、加工時間とコストは無視できる。工場規模で実施する場合、機械加工段階で機械加工される材料の量は、例えば、コンピューター支援の製造（ＣＡＭ）装置を使って、中実のチタン素材からチタン製圧縮機羽根車を製造するような既知の技法と比べると少ないので、本発明の工程は、驚くほど経済的である。
【００２２】
更に具体的には、本発明によれば、チタン製圧縮機羽根車は、第１鍛造段階を使って、自動化された工程で、簡単且つ経済的に製造される。本発明によれば、圧縮機羽根車のブレードの「アンダーカット」又は「後方スイープすなわち後退角」領域、又は「バックロック（ｂａｃｋ−ｌｏｃｋ）」を生じ、鍛造金型挿入型具の引き抜きを妨げることになるねじれ領域は、鍛造挿入型具を引き出せるようにするのに必要なぎりぎりの程度まで、埋め戻される。「バックロック」は、「タービン羽根車パターンとそれを作る方法」と称する米国特許第４，１３９，０４６号（Ｓｔａｎｃｉｕに対する）で明らかにされているように、当該技術では従来から使われている用語である。
【００２３】
埋め込み（ｆｉｌｌ  ｉｎ）領域を機械加工によって取り除かなければならないので、鍛造工程自体で、所望の最終又は最終製品の圧縮機羽根車形状を作ることはできない。「アンダーカット」又は「後退角」領域だけは、後続の機械加工段階で機械加工して取り除く必要があるので、鍛造された羽根車は「最終製品に近い形状」と呼ばれる。従って、機械加工で取り除かなければならない材料の量は、圧縮機羽根車を中実の切り出されたチタン製ブロックから機械加工するのに比べると非常に少なく、加工時間とツールの磨耗は無視できる。
【００２４】
以上、次項の本発明の詳細な説明を良く理解し、本発明の当該技術への寄与を十分に把握できるように、本発明に関連のある重要な特徴を広範囲に概説してきた。本発明の請求項の主題を形成する本発明の追加的特徴については、この後説明する。当業者には理解できるように、開示されている概念及び特定の実施形態は、本発明と同一の目的を実行するために、他の圧縮機羽根車を修正又は設計するための基本として容易に利用することができる。これも又当業者には理解できるように、そのような等価な構造は、上記請求項に記載されている本発明の精神及び範囲から逸脱するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下の詳細な説明を添付図面を参照しながら読めば、本発明の性質及び目的を完全に理解頂けるであろう。
「チタン製圧縮機羽根車」という用語は、本明細書では、主にチタンから成る圧縮機羽根車を言及するのに用いており、６Ａｌ  ４Ｖ  Ｔｉのようなチタン合金を含んでいる。この合金は、容易に鋳造でき、溶接修理が可能で、広範な入手性があり、コストも安く、優れた強度を有している。この合金がアルミニウムに匹敵する剛性と密度を有しており、ブレードの固有振動数がアルミニウム製のものとほぼ同じであるのは、この合金の持つ利点である。アルミニウムは、当該技術において上記加工が最も一般的に行われている材料であり、アルミニウムを使って開発されたブレードの形状は、そのまま６Ａｌ  ４Ｖ  Ｔｉに応用することができる。従って、本発明のチタン製圧縮機羽根車は、既成の市場を有している。圧縮機羽根車は、現在のターボ過給器の寿命を制限する構成部品なので、本発明の長寿命チタン製圧縮機羽根車は、そのままターボ過給器の寿命を長くすることになる。
【００２６】
その最も簡単な形態では、チタン製圧縮機羽根車を経済的に製造するための混成の鍛造／機械加工工程は、
（ａ）最終製品に近い形状すなわちニア・ネット・シェープのチタン製圧縮機羽根車を鍛造する段階と、
（ｂ）前記最終製品に近い形状のチタン製圧縮機羽根車を、アンダーカット領域と、随意的にブレード表面と前縁とを機械加工することを含め、必要な最終製品形状に機械加工する段階と、を含んでいる。
最終的形状（ネット・シェープ）の圧縮機羽根車を使って始める、鍛造金型の設計
本発明の基本概念は、最終的又は最終製品形状の圧縮機羽根車で始まり、次に所望の最終製品形状に対応する（似せた）鍛造包絡面を定義するが、これは、大量の材料を機械加工で除去しなければならない相当の領域を有する、最新式の「釣鐘」型ブロックの素材とは相当違っている。鍛造金型は、ブレード間の材料をできるだけ積極的に除去し、機械加工時間を削減するような形にしなければならない。
【００２７】
図１は、最終的又は最終製品の圧縮機羽根車１の例を示しており、圧縮機羽根車１は環状ハブ２を備えており、環状ハブ２は基底部分で半径方向外向きに伸張して基部３を形成している。ハブから基部への移行は、湾曲形状（縦溝付きの形状）でもよいし、角度が付いていてもよい。一連の等間隔に配置されている薄壁のフルブレード４と「スプリッタすなわち渦流防止（ｓｐｌｉｔｔｅｒ）」ブレード５が、圧縮機羽根車の一体的部分を形成している。スプリッタブレードとフルブレードの主な相違点は、中間ブレードの前縁が、完全ブレードと比べて、軸線方向下流で始まっているという点である。
【００２８】
ブレードの複雑な形状は、空気の効率的な遠心力による「ポンプ作用」に関わる空気力学によって規定される。使用時、圧縮機羽根車は圧縮機ハウジング内に位置しており、ブレードは、圧縮機ハウジングの内壁近くを通過する。空気は、圧縮機入口に吸い込まれると、高速で回転する圧縮機羽根車の空気チャネルを通り、圧縮機羽根車の基部に沿って（遠心力で）外向きに環状渦形チャンバに飛ばされ、この圧縮空気は、例えばエンジンの吸気口に運ばれる。容易に分かるように、圧縮機羽根車は、ブレードの前縁に沿うディップすなわち伏角（ｄｉｐ）６とハンプすなわちこぶ（ｈｕｍｐｓ）７、複合曲線を成す個々の翼のねじれにより作り出されたアンダーカット凹部９、及びブレードのトレーリングエッジのレーキ又は後方傾斜（後退角部）８により複雑な幾何学形状を呈しており、鍛造金型挿入型具又は成形部材を引き出す邪魔になるため、この様な形状を鍛造するのは不可能である。図２は、図１の圧縮機羽根車の拡大部分断面を、断面図で示している。
【００２９】
上記説明及び図面から明らかなように、そのような複雑な形状を、鍛造だけで形成することはできない。「バックロック」を防ぐために、鍛造段階で形成される形状は、鍛造金型を引っ張ることができ、望ましくは鍛造金型部品を２つだけ使って最終製品に近い形状の部品を形成できるようにするのに必要な程度にまで各領域が埋め込まれ、最終製品に近い形状でなければならない。金型は、ハブ軸線に沿って引くことのできる２部品の金型であるのが望ましいが、本発明は、そのような２つの金型部品の実施形態に限定されるわけではない。更に具体的には、金型は、金型空洞を有する第１本体構造体と、鍛造作業を実行するために本体構造体に対して移動可能な第２金型構造体とを有しており、本体構造体は、１つの部品に形成されているのが望ましく、随意的には、金型組立体の所定の軸線に対しほぼ横方向に互いに分離可能な１つ又は複数の部品に分割されていてもよい。金型が横方向に分離できることで、金型空洞を形成する各分割部品は、金型軸線に関して抜き勾配ゼロの面、即ち軸線に対し完全に平行に伸張する面を形成することができる。従って、同時係属中の米国特許第６，５８８，４８５号に開示されているように、直線又は曲線に沿って半径方向に引くことのできる多数の鍛造金型挿入型具を採用することもでき、上記開示を参考文献としてここに援用する。
【００３０】
従って、本発明では、金型挿入型具を（引く間に螺旋状にねじることを含めて）軸線方向に、又は、複数の（分割された）金型挿入型具の場合には、随意的にブレードとブレードの間から半径方向に、「引く」ことができるのに必要なぎりぎりの程度まで、現実的パターンのブレード形状を修正し、最終製品に近い形状パターンを形成することによって、図３に示す最終製品に近い形状すなわちニア・ネット・シェープのパターンが作られる。経済的な理由からは、２部品の鍛造金型で、ハブの軸線の方向に沿って引く（一方の部品は静止しており、他方の部品は、鍛造工程のために動かし、鍛造済み形状の部品を解放するために引くことができる）のが望ましいが、複数の金型挿入型具を使って、半径方向に、或いは曲線又は弧に沿って引いてもよい。複数の金型挿入型具は、鍛造工程の経費を増大させるが、埋め込みに対する要求を低減させるので、機械加工段階での必要な機械加工の量が減少する。
【００３１】
図３は、上記鍛造段階で製造された最終製品形状に近い圧縮機羽根車１２を示しており、図１及び図２の最終製品形状の圧縮機羽根車を作るために機械加工を待っている状態にある。鍛造金型挿入型具の引き抜きを阻むアンダーカット又は後退角領域１０、１１は、金型挿入型具を引き抜くことができるようにするのに必要な程度ぎりぎりまで埋め込まれている。後で機械加工によって取り除かなければならない材料の量を最小にするため、最終製品形状に近いパターンには最小の埋め戻し材が用いられている。金型の引き抜きを妨げないブレード表面１３は、金型インサートによって直接又は大筋で画定される。
最終製品に近い形状（ニア・ネット・シェープ）の圧縮機羽根車の鍛造
本発明の第１工程段階によるチタン素材の鍛造のための鍛造技術は、周知であり、本明細書で詳細に論じる必要はない。例えば、「チタン及びチタン合金の高温成形」と称する米国特許第３，６３５，０６８号（Ｗａｔｍｏｕｇｈその他に対する）は、チタン及びチタン合金を鍛造するための、「恒温」工程を開示しており、同工程では、鍛造素材と金型構造体が鍛造温度まで別々に加熱され、その後、その素材が、必要ならば加熱装置を備えた金型に入れられ、鍛造力が金型に加えられ、素材を所定の形状に変形させる。鍛造された部品の表面は、主として潤滑剤が付着しているために、「そのまま」使えるほどには滑らかではない。更に、部品の歪みは避けられないので、壁は、鍛造後の機械加工によって取り除かなければならない追加の材料分「厚くなっている」。Ｗａｔｍｏｕｇｈらの教示は、本発明の第１工程段階に関連しているが、この工程が、本発明による混成工程を使うことによって、複雑な形状の製造に利用できることを理解できていない。
【００３２】
「チタンの精密鍛造」と称する米国特許第４，０５５，９７５号（Ｓｅｒｆｏｚｏ）は、チタン又はチタン合金の精密鍛造の工程を教示しており、同工程では、先ず、鍛造素材と分割されている金型が、別々の状態で鍛造温度に加熱され、次に、一体に組み立てられて再度その温度まで加熱されるが、その際、素材は、望ましくはガラスの粒子を含む保護コーティングで覆われ、金型部分は潤滑剤で覆われている。加熱された金型と、中に入っている加熱された鍛造素材は、次いで加熱された保持器内に挿入され、素材に鍛造力が加えられ、素材は、完全にではなく部分的に金型空洞形状に変形し、その後、金型と素材は分離され、素材は冷却され、素材からばりが取り除かれ、金型は洗浄され、金型と素材は再度コーティングされ、別々に次いで一緒に再加熱され、そして素材は、金型空洞の形状に更に近づくように再度鍛造される。一連の再コーティング、加熱及び鍛造の段階は、少なくとも２回実行され、部品を金型空洞形状に完全に鍛造するのに必要であれば、同段階を、１回又は複数回繰り返してもよい。本発明がＳｅｒｆｏｚｏの発明とは異なっているのは、複数の加熱及び鍛造の段階が不要だという点であり、但し、本発明では、埋め戻し領域を取り除くのに機械加工段階が必要である。
【００３３】
鍛造を教示している特許のこの他の例としては、参考文献として本明細書に援用しているが、「精密成形装置、方法及び製品」と称する米国特許第５，４９３，８８８号、「異なる摩擦係数を有する剥離コーティングを使った超可塑性成形方法」と称する米国特許第４，２６９，０５３号、及び「チタン含有金属工作物を恒温成形するための工程」と称する米国特許第４，２８１，５２８号がある。
【００３４】
要約すると、チタン鍛造における最新の技術を示す上記米国特許は、ガスタービンエンジンのタービンブレードのような簡単な形状を製造するのに適した工程を教示している。しかしながら、上記工程の何れも、本発明の関心事であるアンダーカット及び後退角のついた（ｂａｃｋｗｅｐｔ）領域を有する圧縮機羽根車のような複雑な形状を製造するための工程における中間部品を作るのに用いるようには意図されていない。本発明は、先ず、上記のように鍛造によって最終製品に近い形状の形が成形され、その後、最終製品に近い形状の形が機械加工されて最終的な圧縮機羽根車の形状が形成される混成工程によって、複雑なチタン製圧縮機羽根車を提供する。
【００３５】
本発明の第１段階で最終製品に近い形状の圧縮機羽根車形状を製造するためには、金型の主軸線に対して抜き勾配の無い（ｚｅｒｏ−ｄｒａｆｔ）又は最小抜き勾配（最大１度）を有する表面を備えた部品を成形することのできる、分割されてないか、又は随意的には分割された抜き勾配ゼロの金型を使用するのが望ましい。更に具体的には、「分割された」金型という用語は、本出願では、金型空洞を含む本体構造体と、鍛造作業を実行するために本体構造体に対して移動可能な第２金型構造体とを有しており、本体構造体は１つの部品で形成されるのが望ましく、随意的には、金型組立体の所定の軸線に対しほぼ横方向に互いに分割可能な２つ又はそれ以上の部品に分割形成されている金型のことである。金型が横方向に分離できるおかげで、金型空洞を形成する分割部品は、金型軸線に対する抜き勾配がゼロである表面、つまり同軸線に直接平行に伸張できる表面を形成することができる。
【００３６】
本発明を具体化する工程を実行する場合、分割された金型と鍛造素材は、先ず、互いに別々の状態で素材の鍛造温度近くに加熱され、次に、素材には保護コーティングが施され、金型は潤滑剤で覆われた状態で、素材が分割された金型の中に入れられ、組み立てられた各部品が更に加熱され、素材が入っている金型が加熱された保持器内に入れられ、素材を金型空洞の形状に変形させ最終製品に近い形状の部品が成形されるように、鍛造力が金型に掛けられる。次に、金型部品が分離され、最終製品に近い形状の部品が外される。
最終製品に近い形状の鍛造された素材を機械加工して、最終形状の製品を製造する
本発明の第２段階は、機械加工に関係している。最終製品に近い形状の羽根車を最終製品形状に機械加工する手順は、周知であり、本明細書で詳細に論じる必要はない。ブレード表面の全体に亘って機械加工してもよいし、ブレード表面の一部だけを機械加工してもよい。数値制御切削装置とも呼ばれる、コンピューター支援製造（ＣＡＭ）装置の使用を教示している特許には、「複雑な形状の対象物を製造するためのコンピューター制御式研削機」と称する米国特許第５，１９３，３１４号（Ｗｏｒｍｌｅｙその他に対する）がある。Ｗｏｒｍｌｅｙらは、特に、複雑な曲面を有するタービンその他の対象物に用いられる類のブレードと羽根を製造するために作られた研削機について教示している。作成する対象物の表面を表すデータブロックは、粗いブランクを最終対象物に仕上げるよう機械を制御するコンピューター内に記憶されている。研磨ベルトがノーズローラーを通過して、被加工物と線接触する。ベルトと被加工物は、３つの並進運動と３つの回転運動から成るコンピューター制御式の６自由度で制御される。ノーズローラーの支持アームは、ベルト接触点回りに角度方向に動かすことができ、ノーズローラーは、ベルトの接触点を通る垂直軸線に対して調節することができる。フィードバック制御は、６軸に関する位置と運動速度を指示する。位置フィードバックは、仕上げ点における被加工物の正確な位置を指示して、ベルト磨耗に対する自動補償ができるようにする。
【００３７】
更に、米国特許第５，５８７，９１２号（Ａｎｄｅｒｓｓｏｎらに発行）「３次元対象物のコンピューター支援加工と、そのための装置」は、コンピューター支援設計によるプログラムを使って３次元物体を製造する方法を教示しており、同方法は、３次元物体モデルを表すコンピューター用の入力データを作成する段階と、入力データをコンピューター内に記憶する段階と、入力装置を介してプログラムに命令し、入力データに基づいて、各表面が３次元物体モデルの中心軸線を通って伸張する垂直断面の輪郭から成る、３次元物体モデルを表す複数の表面を生成するように第１信号を起動する段階と、入力装置を介してプログラムに命令し、所望する３次元物体に従って垂直断面の輪郭を修正するための第２信号を起動する段階と、入力装置を介してプログラムに命令し、第２信号に応答して輪郭の修正を示す出力データを記憶するための第３信号を起動する段階であって、出力データが３次元物体を製造するためにコンピューターから送信可能となっている段階と、で構成されている。
【００３８】
３ないし５軸の機械加工を教示しているこの他の特許としては、（Ｃｈｅｎに発行の）米国特許第５，３９６，１６０号、（Ｗｒｉｇｈｔらに発行の）第５，４５３，９３３号、（Ｓｅｂａｓｔｉａｎに発行の）第５，５５２，９９５号、（Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙに発行の）第５，７８７，７５３号、（Ｈｏｅｒｍａｎｓｄｏｅｒｆｅｒに発行の）第５，９９７，５７８号、（Ｈｏｅｒｍａｎｓｄｏｅｒｆｅｒに発行の）第６，１４６，２４５号、（Ｔｓｕｎｇに発行の）第６，３３５，５０３号、（Ｓｈｉｎらに発行の）第６，３６３，２９８号があり、これらの開示を参考文献としてここに援用する。
【００３９】
鍛造段階で最終製品に近い形状のチタン製圧縮機羽根車を製造するコストが非常に少ないことは本発明の重要な利点であり、第２段階での機械加工の経費を加えても、本発明に従って鋳造チタン製圧縮機羽根車を製造する最終コストは、先行技術の技法によって形成される圧縮機羽根車の場合よりも低い。更に、機械加工段階の結果として得られる寸法精度を考えれば、本発明により製造される製品は、従来技法よりも再現性が高く、不良率が低い。
【００４０】
機械加工段階で研削される材料の量は、例えば、コンピューター支援製造（ＣＡＭ）装置を使って、中実チタン素材からチタン製圧縮機羽根車を製造する既知の技法に比べると少ないので、本発明の工程は、驚くほど速く、正確で経済的である。
化学的切削加工
本発明は、更に、少なくとも更なる機械加工を必要としない表面における、製品の化学的な切削加工を考慮している。つまり、機械加工を必要としないチタン形状の表面（例えばハブ表面）は、フッ化水素酸又は他の強力な酸で化学的に切削加工することもできる。
【００４１】
チタンの化学的切削加工は、米国特許第４，９００，３９８号に記載されているので周知であり、本明細書で詳細に説明する必要はない。
従って、本発明は、複雑なチタン製圧縮機羽根車を、簡単で、低コストの経済的な工程によって大量生産できる工程を提供する。
【００４２】
本発明による工程は、具体的には、ハブ軸線を有するハブと、ハブの表面に支えられていて隣接するブレードの間に空気経路を画定している複数の後退角面付の空気力学ブレードとを含んでいるチタン製遠心式圧縮機羽根車を製造することを意図している。１つの分かり易い実施形態では、工程は、
分割された抜き勾配（ｄｒａｆｔ）ゼロの金型の空洞内に嵌るように成形され、金型内で製造される鍛造部品の体積とほぼ等しい体積を有する或る量のチタン又はチタン合金素材を準備する段階と、
前記素材に保護コーティングを施す段階と、
前記コーティングされた素材と前記分割された抜き勾配ゼロの金型を、別々の状態で、少なくとも約６４８．９℃（１２００°Ｆ）の高温である前記素材のほぼ所定の最適鍛造温度まで加熱する段階と、
前記金型の全ての分割部品を、中に素材を入れる前に、潤滑剤でコーティングする段階と、
加熱された素材を加熱された金型内に配置する段階と、
金型と中に入っている素材を一体に組み立てた後、更に加熱し、必要であれば、その組み合わせたものに前記鍛造温度を付与する段階と、
前記加熱され、分割された金型に鍛造力を加えて、加熱された素材を前記空洞の形状に向けて変形させ、最終製品に近い形状の鍛造圧縮機羽根車を形成する段階と、
前記分割された金型の各部分を分離し、そこから最終製品に近い形状の鍛造素材を取り出す段階と、
アンダーカット領域と随意的にはブレードの前縁を機械加工する段階を含む、最終製品に近い形状の鍛造素材を所望の製品形状に仕上げ機械加工する段階と、を含んでいる。
【００４３】
以上ここまで、鍛造チタン製圧縮機羽根車を製造するための経済的な混成工程を、自動車又はトラック産業に適する実施形態に関して説明してきたが、圧縮機羽根車及びそれを製造するための工程は、空調及び冷却のような多様な用途に加えて、ピストン飛行機及び燃料電池駆動車両のような数多くの他の製品にも使用するのに適していることを、容易に理解頂けよう。本発明を、自動車の内燃機関用圧縮機羽根車に関する或る特殊性を有する好適な形態で説明してきたが、好適な形態に関する本開示は、例を挙げているに過ぎず、構造の詳細及び組み合わせの構成において、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく数多くの変更を施せることは理解頂けるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】チタン製圧縮機羽根車の所望する最終形状を、上方から見た斜視図で示している。
【図２】図１の形状を、拡大部分断面で示している。
【図３】図１に示す最終的形状の圧縮機羽根車を製造するために機械加工するに先立ち、鍛造して製作された、最終的形状に近い素材を示している。
【符号の説明】
【００４５】
１    チタン製遠心式圧縮機羽根車          ２    ハブ
３    基部                                ４    フルブレード
５    中間ブレード                        ６    ディップ
７    ハンプ
８    レーキ又はバックテーパ（後退角部）
９    アンダーカット凹部
１０、１１  アンダーカット又は後退角部
１２    最終製品に近い形状の鍛造圧縮機羽根車
１３    ブレード表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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