(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体機械の羽根を製造するための方法において、
所定の材料にて板状部材を形成し、
前記板状部材を成形加工する前に、前記板状部材の片面又は両面を、成形加工後に所定の羽根形状となるように予め決定された所定の素材形状に整形加工して整形済素材を形成し、
前記整形済素材を前記所定の羽根形状に成形加工して前記羽根を形成する方法であって、
前記整形済素材の前記所定の素材形状を決定する際には、成形加工の逆の過程を近似的に模擬した条件を用いて前記所定の素材形状を求めることを特徴とする流体機械の羽根の製造方法。
【請求項２】
前記整形済素材の前記所定の素材形状を決定する際には、成形加工に用いられる上型又は下型と前記整形済素材との接触面に、成形加工前後の形状の差を型の動く方向のみの強制変位として与えることで、成形加工の逆の過程を近似的に模擬した境界条件を用い、前記所定の材料の材料特性を考慮した弾性解析又は弾塑性解析に基づいて前記所定の素材形状を求めることを特徴とする請求項１に記載の流体機械の羽根の製造方法。
【請求項３】
前記所定の材料はステンレス鋼材であり、前記整形済素材の成形加工は熱間塑性加工により実施され、前記熱間塑性加工後に型を離す際の羽根材料の温度分布が、最高温度と最低温度との差が２００℃以下となるようにすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体機械の羽根の製造方法。
【請求項４】
前記整形済素材を成形加工する前に、複数の放射角を持つ複数の放射状又は平行な曲げ線によって、前記整形済素材を複数の曲率又は連続的に変化する曲率を持つ円錐又は円筒曲面に曲げ、これにより前記整形済素材を成形加工後の前記羽根の形状に近似させ、しかる後に前記整形済素材に対して型による成形加工を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の流体機械の羽根の製造方法。
【請求項５】
前記曲げ線は少なくとも３本以上であることを特徴とする請求項４記載の流体機械の羽根の製造方法。
【請求項６】
前記整形済素材を成形加工する際には、前記整形済素材の型成形面に沿った２次元的な方向の位置関係の固定について、２方向の動きを固定する箇所と、１方向のみの動きを固定する箇所の合計２カ所を固定することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の流体機械の羽根の製造方法。
【請求項７】
前記板状部材を切削加工又は研削加工することによって前記整形済素材を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の流体機械の羽根の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ、水車、ポンプ水車等の流体機械のランナ、インペラ等を構成する羽根の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流体機械の羽根を板状部材から塑性加工等の成形加工により製造する場合、図５に示したように、初めに板状部材１を等肉厚のまま成形加工し、その後、羽根の両面又は片面を、計算機数値制御（ＣＮＣ）の機械加工等で所定の羽根形状に整形していた。
【０００３】
また、その他の方法としては、鋳造により所定の羽根形状に近い素材を製作し、その後機械加工によって所定の羽根形状に整形する場合もあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記の如く鋳造した素材を使用する場合、複数の羽根を個々に鋳造する必要があるため製造効率が悪く、さらに、羽根の全面を機械加工する必要があり、流体機械の羽根のように多数の羽根を製造するには製造効率が悪い。
【０００５】
一方、等肉厚の板状部材から、成形加工により製造する方法では、板状部材自体は製造効率が良く、多数の羽根を製造する場合に適している。
【０００６】
しかしながら、この従来の羽根の製造方法では、大きな形状変化のある三次元的な曲面を有する羽根の場合、このような曲面を成形加工後に機械加工（整形加工）する際の加工効率が非常に悪く、また、段取りの際も、材料の基準が求めにくく、材料の固定も難しくなり、そのため、機械加工に長時間を要し、羽根の製造効率が極めて悪くなるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、製造時間の大幅な短縮を図り得る流体機械の羽根の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、流体機械の羽根を製造するための方法において、所定の材料にて板状部材を形成し、前記板状部材を成形加工する前に、前記板状部材の片面又は両面を、成形加工後に所定の羽根形状となるように予め決定された所定の素材形状に整形加工して整形済素材を形成し、前記整形済素材を前記所定の羽根形状に成形加工して前記羽根を形成する方法であって、前記整形済素材の前記所定の素材形状を決定する際には、成形加工の逆の過程を近似的に模擬した条件を用いて前記所定の素材形状を求めることを特徴とする。
【０００９】
ここで、整形加工は、切削加工等の機械加工或いはグラインダーによる研削加工等によって行うことができる。また、成形加工は、熱間又は冷間の塑性加工等によって行うことができる。
【００１０】
また、前記整形済素材の前記所定の素材形状を決定する際には、成形加工の逆の過程を近似的に模擬した条件を用いて前記所定の素材形状を求めることが望ましい。
【００１１】
また、前記整形済素材の前記所定の素材形状を決定する際には、成形加工に用いられる上型又は下型と前記整形済素材との接触面に、成形加工前後の形状の差を型の動く方向のみの強制変位として与えることで、成形加工の逆の過程を近似的に模擬した境界条件を用い、前記所定の材料の材料特性を考慮した弾性解析又は弾塑性解析に基づいて前記所定の素材形状を求めることが望ましい。
【００１２】
また、前記整形済素材の前記所定の素材形状を決定する際には、成形加工後の前記羽根の表面又は裏面の形状を、幾何学的に２次元展開可能な曲面に近似させて成形加工後の羽根形状を求め、前記成形加工後の羽根形状を２次元展開して前記所定の素材形状を求めることが望ましい。
【００１３】
また、前記所定の材料はステンレス鋼材であり、前記整形済素材の成形加工は熱間塑性加工により実施され、前記熱間塑性加工後に型を離す際の羽根材料の温度分布が、最高温度と最低温度との差が２００℃以下となるようにすることが望ましい。
【００１４】
また、前記整形済素材を成形加工する前に、複数の放射角を持つ複数の放射状又は平行な曲げ線によって、前記整形済素材を複数の曲率又は連続的に変化する曲率を持つ円錐又は円筒曲面に曲げ、これにより前記整形済素材を成形加工後の前記羽根の形状に近似させ、しかる後に前記整形済素材に対して型による成形加工を行うことが望ましい。
【００１５】
また、前記曲げ線は少なくとも３本以上であることが望ましい。
【００１６】
また、前記整形済素材を成形加工する際には、前記整形済素材の型成形面に沿った２次元的な方向の位置関係の固定について、２方向の動きを固定する箇所と、１方向のみの動きを固定する箇所の合計２カ所を固定することが望ましい。
【００１７】
また、前記板状部材を切削加工又は研削加工することによって前記整形済素材を形成することが望ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による流体機械の羽根の製造方法について図１乃至図４を参照して説明する。
【００１９】
本実施形態による流体機械の羽根を製造方法は、図１に示したように、まず初めに、所定の材料より成る板状部材を、羽根形の輪郭に板取りして板状部材１を形成する。
【００２０】
次に、板状部材１を成形加工する前に、板状部材１の片面又は両面を、成形加工後に所定の羽根形状となるように予め決定された所定の素材形状に整形加工して整形済素材２を形成する。このときの整形加工は、切削加工等の機械加工或いはグラインダーによる研削加工等によって行うことができる。
【００２１】
最後に、所定の素材形状に整形加工した整形済素材２を、所定の羽根形状に成形加工して羽根３を形成する。このときの成形加工は、熱間塑性加工、冷間塑性加工等によって行うことができる。
【００２２】
前記の如く本実施形態においては、成形加工後に所定の羽根形状となるような所定の素材形状を予め決定するものであるが、通常、成形加工後の羽根面は幾何学的に平面へ展開できない形状で、且つ羽根は肉厚分布を持っているため、成形加工後に所定の羽根形状となるような所定の素材形状を決定することは必ずしも容易ではない。
【００２３】
これに対して本実施形態においては、以下に述べる第１又は第２の方法を用いて、整形済素材２の所定の素材形状を決定する。
【００２４】
整形済素材２の所定の素材形状を決定するための第１の方法としては、成形加工される整形済素材２の上型又は下型との接触面に、成形加工前後の形状の差を型の動く方向（縦方向）のみの強制変位として与えることで、成形加工の逆の過程を近似的に模擬した境界条件を用い、所定の材料の材料特性を考慮した弾性解析又は弾塑性解析に基づいて所定の素材形状を求める。
【００２５】
より具体的には、まず初めに羽根３の３次元有限要素法（ＦＥＭ）解析用モデルを作成し、このモデルの表面又は裏面のうち、曲面のウネリが少なく、より平板に近い状態の面を選び、図２に示したようにこの面が平面になるような拘束条件と強制変位を与える。また、考慮すべき材料特性としては、成形加工時の材料の弾性係数、降伏応力、ポアソン比等が挙げられる。
【００２６】
この場合の強制変位は、成形加工の際に型の動作する方向のみについて与え、その方向と垂直な方向の拘束は与えないものとする。ただし、この際、実際の成形加工を模擬することと、解析が成立するために材料の固定方法と同様の拘束条件、すなわち、強制変位を与える面の２点について拘束を与える。
【００２７】
このうち１点は図２に示した「横方向」と図２の紙面に垂直な方向の２方向の変位を拘束し、もう１点は図２の紙面に垂直な方向のみの変位を拘束する。換言すれば、横方向の変位においては解析要素の接点のうち、任意の１点の２方向変位を拘束し、さらに任意の１点のどちらか１方向変位を拘束する。
【００２８】
次に、整形済素材２の所定の素材形状を決定するための第２の方法としては、成形加工後の羽根の表面又は裏面の形状を、幾何学的に２次元展開可能な曲面に近似させて成形加工後の羽根形状を求め、成形加工後の羽根形状を２次元展開して所定の素材形状を求める方法がある。なお、２次元展開可能な曲面は幾何学的には一般に線織面(ruled surface)と呼ばれる。
【００２９】
より具体的には、羽根３の表面又は裏面のうち、よりウネリが少なく、平板に近い面を選び、この面に近似させた平面展開できる曲面を作成する。例として、前記平面展開できる曲面を羽根３の表面に近似させて求める場合について説明する。すなわち、前記平面展開できる曲面を展開して平面状態を求め、平面状態となった羽根３の表面の各部分に裏面の厚みを写し取り、これによって、表面が平面となった状態での裏面の形状を求める。
【００３０】
また、前記平面展開できる曲面を求め、羽根３の輪郭と肉厚分布をこの曲面上に移し替え、平面に展開することで展開後の羽根３の輪郭と肉厚分布を求め、塑性加工前の整形済素材２の所定の素材形状を求める。
【００３１】
このようにして、成形加工前の整形済素材２の所定の素材形状を求めることができる。
【００３２】
所定の素材形状に整形加工した整形済素材２は、次に熱間又は冷間の成形加工（塑性加工）を受けるが、この成形加工に先だって、次のような前処理を行うことが好ましい。
【００３３】
すなわち、整形済素材２を成形加工する前に、図３に示したような複数の放射角を持つ複数の放射状又は平行な曲げ線４によって、整形済素材２を複数の曲率又は連続的に変化する曲率を持つ円錐又は円筒を組み合わせた曲面形状に曲げる。この曲げ加工に際しては、曲げ線４ごとに異なる曲率を付与する。
【００３４】
これにより整形済素材２を成形加工後の羽根３の形状に近似させ、しかる後、整形済素材２に対して型による成形加工を行う。ここで、前記の曲げ線４は３本以上であることが好ましい。
【００３５】
このように成形加工前に整形済素材２を曲げ加工することによって、型による成形加工時の歪み量を減少させることができ、材料の位置ずれや、成形加工後のスプリングバック等を抑制することが可能であり、ひいては成形加工の精度を向上させることができる。
【００３６】
前記の如く複数の曲げ線４によって予め曲げられた整形済素材２を型へ置く際には、整形済素材２の型成形面に沿った２次元的な方向の位置を固定するために、整形済素材２を２カ所固定する。
【００３７】
すなわち、一カ所は成形加工面上の２次元的な動きを固定するように２方向固定し、もう一カ所は成形加工時の整形済素材２の伸びや縮みを吸収するために１方向のみの動きを固定する。
【００３８】
また、板状部材１を形成する材料がステンレス鋼材であり、且つ、整形済素材２の成形加工を熱間塑性加工により実施する場合には、熱間塑性加工後に型を離す際の羽根材料の温度分布が、最高温度と最低温度との差が２００度以下となるようにすることが望ましい。
【００３９】
なぜなら、型を離す際の整形済素材２上の温度分布に、最低温度と最高温度とで大きな差があると、材料の温度差によって成形加工完了後の羽根３に歪みが生じてしまうからである。
【００４０】
このときの材料の歪みと、最低温度と最高温度の差とは、実験によって図４に示すような関係にあることが分かっている。図４から分かるように、前記の歪みを流体機械として許容できる限界以下にするためには２００℃以下とする必要がある。
【００４１】
以上述べたように本実施形態による流体機械の羽根の製造方法によれば、成形加工に先立って板状部材１を所定の素材形状の整形済素材２に整形するようにしたので、三次元的な羽根面の整形は平板状態の板状部材１に対して行うのみで良く、成形加工後における羽根面の整形は不要となる。
【００４２】
このため、三次元的な羽根面（自由曲面）の整形加工が減少して加工効率が上がり、また、整形加工前の段取りの際、板状部材１の位置だしや固定が容易になり、整形加工作業に要する時間を大幅に削減することができ、ひいては羽根３の製造時間を削減することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように本実施形態による流体機械の羽根の製造方法によれば、成形加工に先立って、板状部材を所定の素材形状の整形済素材に整形するようにしたので、整形加工に要する時間が減少し、羽根の製造に要する時間を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による流体機械の羽根の製造方法における製造工程の流れを示した図。
【図２】本発明の一実施形態による流体機械の羽根の製造方法において成形加工前の整形済素材の所定の素材形状を求める解析の境界条件を表した図。
【図３】本発明の一実施形態による流体機械の羽根の製造方法において型による成形加工前に予め整形済素材を成形加工後の形状に近似した形状に曲げ加工する際の曲げ線を示した図。
【図４】型を離す際の羽根材料の最高温度と最低温度との差と、成形加工後の羽根の歪みとの関係を示した図。
【図５】従来の羽根製造工程の流れを示した図。
【符号の説明】
１  板状部材
２  整形済素材
３  羽根
【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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