專利名稱：用于增壓器的葉輪的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于增壓器的葉輪的制造方法。
背景技術(shù)：
在內(nèi)燃機發(fā)動機中，以送入更多的空氣為目的，經(jīng)常使用增壓器。增壓器具備壓縮機，通過驅(qū)動壓縮機來對空氣進行加壓并將其提供給發(fā)動機。在被稱為渦輪增壓器的形式的增壓器中，具備接受發(fā)動機的排氣的渦輪，而且由渦輪從排氣攝取的能量驅(qū)動壓縮機。另一方面，在狹義的增壓器(超級增壓器)中，發(fā)動機的曲軸與壓縮機連接，并驅(qū)動該壓縮機。渦輪增壓器的渦輪具備用于將氣流轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)力的葉輪。通常，葉輪由圍繞旋轉(zhuǎn)軸的輪和從輪向徑向延伸的多個葉片構(gòu)成。各葉片相對于軸方向具有斜度，而且具有機翼形狀，因此受到排氣的氣流而旋轉(zhuǎn)，由此能夠從排氣中攝取能量。為了達到高的空氣動力學的特性，葉片需要精密地形成復雜的形狀。而且，由于渦輪進行竟達到數(shù)十萬rpm的高速旋轉(zhuǎn)，因此極小的形狀變形也可能成為異常旋轉(zhuǎn)的原因。因此，在制造上需要極高的精度，其允許公差根據(jù)部位僅為數(shù)十μ m。另一方面，由于渦輪葉輪暴露在高溫的排氣中，因此必須承受例如800°C左右的高溫。因此，例如需要使用耐熱合金，而這本質(zhì)上極其難加工，所以難以使用大部分依賴于機械加工的一般的工藝。為了減小對機械加工的依賴性，在制造渦輪葉輪時，作為一個例子應(yīng)用根據(jù)精密鑄造的一體成形，但例如像各葉片的周緣那樣的需要鋒利形狀的部位無法僅通過鑄造來實現(xiàn)。即使使用精密鑄造，也無法省略由機械加工進行的精加工。相關(guān)技術(shù)公開在日本專利公開公報2001-254627號中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人為了不進行精加工而能精密地制造復雜形狀，正在研究將粉末注射成形應(yīng)用于渦輪葉輪的制造。雖然在精密地實現(xiàn)如同葉片那樣的壁薄且鋒利的形狀方面，能夠得到滿意的結(jié)果，但是發(fā)現(xiàn)在燒結(jié)的過程中容易產(chǎn)生極小變形的問題。本發(fā)明是為克服這種問題而做出的。根據(jù)本發(fā)明的第一方案，制造葉輪的方法如下，該葉輪具備在軸方向上延伸的輪部和在上述輪部的周圍排列的多個葉片組裝具有適合成形上述葉輪的外徑的內(nèi)腔且能夠分割成多個的鑄型，向上述鑄型內(nèi)注射包含由金屬或陶瓷構(gòu)成的粉末和粘合劑的混練物， 成形生坯，對上述生坯進行脫脂及燒結(jié)以得到燒結(jié)物，在具有適合修正上述葉輪的外形的內(nèi)腔的模具內(nèi)，裝入上述燒結(jié)物，通過對上述模具進行加壓而修正上述葉輪的外形。根據(jù)本發(fā)明的第二方案，葉輪具備在軸方向上延伸的輪部和在上述輪部的周圍排列的多個葉片，上述葉輪如下制造組裝具有適合成形上述葉輪的外徑的內(nèi)腔且能夠分割成多個的鑄型，向上述鑄型內(nèi)注射包含由金屬或陶瓷構(gòu)成的粉末和粘合劑的混練物，成形生坯，對上述生坯進行脫脂及燒結(jié)以得到燒結(jié)物，在具有適合修正上述葉輪的外形的內(nèi)腔的模具內(nèi)，裝入上述燒結(jié)物，通過對上述模具進行加壓而修正上述葉輪的外形。


圖1是說明注射成形本發(fā)明的一實施方式的葉輪的工序的圖，是鑄型及生坯的剖視圖。圖2是表示對上述生坯進行脫脂的步驟的示意性剖視圖。圖3是表示對已脫脂的上述生坯進行燒結(jié)的步驟的示意性剖視圖。圖4是說明上述實施方式的修正工序的剖視圖。圖5是上述實施方式的葉輪的剖視圖。圖6是說明由上述修正工序引起的上述葉輪的形狀變化的剖視圖，(a)表示修正前，(b)表示修正后。
具體實施例方式以下參照

本發(fā)明的實施方式。為了便于說明，在圖中以L、R表示的方向分別作為左方向、右方向，以U、D表示的方向分別作為上方向、下方向，而這些表示方法不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。本發(fā)明的一實施方式的葉輪能夠用于例如車輛用的渦輪增壓器，當然也能用于其他用途。以下為了便于說明，對渦輪增壓器的渦輪葉輪的情況進行說明。渦輪增壓器大致包括渦輪部、軸部和壓縮機部。渦輪葉輪起到在渦輪部從發(fā)動機的排氣中攝取能量，并轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動能的作用。該旋轉(zhuǎn)動能通過軸部的軸傳遞到壓縮機部， 利用壓縮機部壓縮空氣并向發(fā)動機輸出。參照圖5，軸的軸方向左端與渦輪葉輪1的右端的底座7以能夠圍繞軸一起旋轉(zhuǎn)的方式結(jié)合。該結(jié)合利用焊接，但如果可以的話也可以使用釬焊或嵌合等其他方法。渦輪葉輪1由通過后述的粉末注射成形而成形為一個整體的金屬或陶瓷構(gòu)成，并且具備在軸方向上延伸的輪部3、從輪部3向徑向延伸的多個葉片9。葉片9的周圍由輪殼體的護罩13包圍，為了其旋轉(zhuǎn)不受干擾，各葉片9的各外邊緣11相對于護罩13的內(nèi)表面確保適當?shù)拈g隙。而且，護罩13具有將來自發(fā)動機的排氣向葉片9引導的喉部，喉部在周方向上包圍葉片9的右端側(cè)。在喉部也可以設(shè)置可變噴嘴17來調(diào)節(jié)其開度。排氣經(jīng)由喉部引導到葉片9之間，并對渦輪葉輪1提供旋轉(zhuǎn)動能之后，向位于圖5左方的排氣口排出。多個葉片9與輪部3 —體成形，并在軸的周圍以等間隔排列。如果可以的話也可以不是等間隔。各葉片9為了受到排氣的氣流而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，相對于軸的方向具有斜度，而且優(yōu)選具有機翼形狀。由此，渦輪葉輪1從排氣中攝取能量，能夠驅(qū)動軸9。為了使氣流的迂回變得最小，各葉片9的各外邊緣11接近護罩13。如上所述，輪部3在其右端具有底座7。底座7既可以是比輪部3的右端稍微后退的凹坑，也可以是向輪部3的內(nèi)部進入相當程度的孔。或者如果可以的話，也可以是貫通至左端的孔。優(yōu)選設(shè)有從底座7的邊緣向右方突出的周壁。總之，底座7為了與軸9的左端嵌合而構(gòu)成。渦輪葉輪1通過粉末注射成形來制造。以下參照圖1說明用于粉末注射成形的裝置。在粉末注射成形中使用鑄型19和注射成形機。注射成形機具備用于支撐鑄型19
4的固定支架21及可動支架27。此外，注射成形機具有未圖示的注射機、注射噴嘴43、用于驅(qū)動可動支架27的驅(qū)動器等。鑄型19由SKDll (JIS G 4404)等適當?shù)慕饘贅?gòu)成，并且能夠適當?shù)胤指?。在圖1 的例子中，鑄型19被分割成臺架23和外鑄型33，外鑄型33在周方向上再分割成多個。臺架23的成形面25與外鑄型33的成形面35的組合，分隔成適合成形渦輪葉輪1的外形的內(nèi)腔37。而且臺架23具有適合成形底座7的結(jié)構(gòu)。由于通過燒結(jié)產(chǎn)生20%左右的體積收縮，因此鑄型19及臺架23考慮這種體積收縮而設(shè)計。優(yōu)選在鑄型19與可動支架27之間插入塊體四。塊體四具有圓錐形的凹面31， 鑄型19具有與此對應(yīng)的錐面。若通過凹面31與錐面抵接，可動支架27對鑄型19進行加壓，則外鑄型33的各部分在周方向上彼此緊密接觸。而且優(yōu)選具備用于使外鑄型33分別向徑向移動的驅(qū)動器。該驅(qū)動器也可以構(gòu)成為與可動支架27同步地驅(qū)動外鑄型33。固定支架21還具備與注射噴嘴43連通的直澆道97，臺架23具有與直澆道97連通而使注射物通過的橫澆道41及澆口 39。橫澆道41以貫通臺架23的方式設(shè)置。澆口 39 向內(nèi)腔37的右端設(shè)置開口。澆口 39、直澆道97也可以代替臺架23或者加上臺架23，設(shè)置在外鑄型33或其他要素上。在進行了粉末注射成形及燒結(jié)之后，通常，為了修正表面及形狀使其與規(guī)定尺寸及允許誤差范圍一致，進行修正工序。以下參照圖4說明用于修正工序的裝置。在修正工序中使用模具47和沖壓裝置。作為沖壓裝置，能夠使用適當能力的一般的沖壓裝置。沖壓裝置具備用于支撐模具47的塊體和持有加壓力并能夠向鉛垂方向移動的壓頭59。模具47由SKDll (JIS G 4404)等適當?shù)慕饘贅?gòu)成，并且能夠適當?shù)胤指睢Ｔ趫D4 的例子中，模具47被分割為基臺51和外模具53，外模具53在周方向上再分割成多個。模具47的基臺51安放在塊體上，然后在基臺51上安放外模具53?；_51的上表面與外模具的內(nèi)表面53的組合，分隔出內(nèi)腔。該內(nèi)腔具有與渦輪葉輪1的最終形狀的外形一致的形狀?；蛘?，也可以在與修正無關(guān)的部位，對最終形狀的外形賦予余量。即，由于內(nèi)腔具有這種形狀，因此是適合于修正燒結(jié)后的渦輪葉輪IS的外形的形狀。外模具53在周方向上分割成多個要素，各要素分別插入到各葉片9S之間，鄰接的各對要素夾持各葉片9S。而且，在被分割的外模具53的各要素中，部位55對應(yīng)于葉片9S的部位IlS (參照圖6的(a))，部位 57對應(yīng)于葉片9S的部位15S(參照圖6的(a))。優(yōu)選在模具53與壓頭59之間插入塊體61。塊體61具有圓錐形的凹面63，模具 53具有與此對應(yīng)的錐面。若通過凹面63與錐面抵接，壓頭59被下壓，則在外模具53的各要素上作用彼此緊密接觸的方向的力?；蛘?，也可以設(shè)置向徑向驅(qū)動各要素的驅(qū)動器。優(yōu)選在基臺51上設(shè)置與底座7的形狀吻合的沖頭65。沖頭65與貫通基臺51的桿69連接，桿69被液壓缸等驅(qū)動器驅(qū)動而升降。沖頭65按壓燒結(jié)物IS的部位67，并且在部位67實現(xiàn)底座7的形狀。渦輪葉輪1的制造包括以下各工序。首先進行注射物M的混練。該注射物M適合使用金屬粉末或陶瓷粉末與粘合劑的混合物。作為金屬粉末或陶瓷粉末，能夠按照所要求的特性利用各種原材料的粉末?？紤]到渦輪葉輪所需的耐熱性，能夠舉出例如Ni基耐熱合金(INC0NEL713C、IN100、MAR-M246 等)的粉末或氮化硅、硅鋁氧氮耐熱陶瓷等陶瓷粉末。作為粘合劑，能夠使用公知的粉末注射成形用粘合劑。作為這種粉末注射成形用粘合劑，例如能夠適合使用例如在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等熱塑性樹脂中添加了石蠟等添加物的物質(zhì)。該粘合劑在注射后固化之后，保持注射物的狀態(tài)直至后述的脫脂工序， 在脫脂工序中分解并蒸發(fā)，其痕跡不留在燒結(jié)物中。金屬粉末或陶瓷粉末與粘合劑的混合物加熱至例如100至150°C，進行混練?；炀毜臏囟饶軌蚋鶕?jù)混練物的組成適當選擇。在混練后，適當冷卻而得到注射物M。在準備注射物M之后，在固定支架21上安放臺架23及外鑄型33的各要素。也可以在這些部件上預(yù)先涂敷公知的分型劑。利用驅(qū)動器將外鑄型33向徑向內(nèi)側(cè)移動，使外鑄型33的各結(jié)構(gòu)要素彼此抵接。然后將其抵接塊體四，利用可動支架27進行加壓。也可以使根據(jù)驅(qū)動器的外鑄型33的移動與可動支架27的移動同步。由此，外鑄型33和臺架23 彼此緊密接觸，從而組裝成鑄型19。注射物M為了使其具有充分的流動性而加熱至例如160至200°C，并且在以 IOOMI5a左右加壓的同時通過注射噴嘴43注射到鑄型19內(nèi)。加熱溫度及注射壓力可以根據(jù)混練物的組成適當選擇。通過適當冷卻而使注射物固化，成形生坯1F。然后，通過驅(qū)動驅(qū)動器，可動支架27從鑄型19分開，而且外鑄型33從生坯IF分開。如上所述，成形的生坯IF考慮到燒結(jié)引起的收縮，比最終形狀以體積比大20%左右。生坯IF具備在燒結(jié)后成為底座7的部位7F，這也比最終形狀以體積比大20%左右。參照圖2，該生坯IF被導入適當?shù)目煽貧夥諣t71中。在爐內(nèi)導入氮氣，在保持氮氣氣氛的同時，利用石墨加熱器等適當?shù)募訜釞C構(gòu)將爐的內(nèi)部加熱到不超過800°C的適當?shù)臏囟?，并保?0分鐘以上。利用該脫脂工序，包含于生坯IF中的粘合劑熔化、分解、蒸發(fā)而被除去。另外，脫脂工序代替上述方法，也可以替換成利用適當?shù)娜軇﹣砣艹龅姆椒ǖ绕渌姆椒?。參照圖3，脫脂后的生坯IF導入到可控制氣氛的爐73中。使爐73的內(nèi)部處于適當?shù)臏p壓狀態(tài)，利用石墨加熱器等適當?shù)募訜釞C構(gòu)將爐的內(nèi)部加熱到適當?shù)臒Y(jié)溫度，例如1000至1500°C，并保持適當?shù)臅r間，例如一小時或其以上。通過該燒結(jié)工序，在燒結(jié)進行的同時生坯IF引起收縮。其結(jié)果，得到圖3中用雙點劃線表示的燒結(jié)物1S。燒結(jié)物IS比生坯IF以體積比小20%左右，與最終形狀大致一致，但包括伴隨燒結(jié)引起的稍微的變形。在上述說明中脫脂工序與燒結(jié)工序是獨立的，但也可以連續(xù)地進行這些工序。在適當冷卻之后，導入氮氣等并將爐73內(nèi)設(shè)為大氣壓，取出燒結(jié)物1S。然后，燒結(jié)物IS如圖4所示裝入模具47內(nèi)。最初，沖頭65處于牽引到下方的位置。燒結(jié)物IS安放在基臺51上，利用其下表面的結(jié)構(gòu)與基臺51的結(jié)構(gòu)的一致性而合并在適當?shù)奈恢?。然后，以將外模?3的各要素分別插入葉片9S之間的方式組裝外模具53。在外模具53上，以其錐面與凹面63抵接的方式插入塊體61，使壓頭59下降。通過進一步下壓壓頭59，對外模具53的各要素作用彼此緊密接觸的方向的力，從而燒結(jié)物IS整體地被加壓。此時，同時使桿69上升，還利用沖頭65對燒結(jié)體IS加壓。在該修正工序中，外模具53的各要素利用彼此緊密接觸的方向的力，矯正各葉片 9的變形，由此修正為其表面和形狀與最終形狀一致，并且對各葉片9向與其面正交的方向加壓。而且，外模具53的各要素分別與各葉片9的部位11S、15S抵接而將這些部位向徑向修正，并且向徑向加壓。同時，外模具53對輪部55的周面在徑向向內(nèi)方向加壓，并且對輪部55的上表面向下方加壓。另外，利用基臺51及沖頭65對輪部55的下表面向上方加壓。 即，燒結(jié)體IS的表面準各向同性地全都被加壓。該修正工序既可以在冷狀態(tài)下進行，也可以在適當?shù)臏責釥顟B(tài)下進行。在上述修正工序之后，沖頭65下降，壓頭59上升。外模具53的各要素分別向徑向外側(cè)移動，取出已修正的渦輪葉輪1。根據(jù)本實施方式，能夠制造不進行根據(jù)機械加工的精加工，而精密地實現(xiàn)復雜形狀的渦輪葉輪。與利用精密鑄造的方法相比，尤其在如葉片那樣的壁薄且鋒利的形狀的部位得到高精度。由于不使用機械加工，因此即使是如耐熱合金那樣的難加工的原材料，也能以高的生產(chǎn)率制造。另外在修正時整體被加壓，因此即使在內(nèi)部存在如空孔那樣的缺陷，也被壓扁而消除。而且，該加壓使壓縮應(yīng)力殘留在渦輪葉輪的尤其表面上。該殘留應(yīng)力以消除由渦輪葉輪的高速旋轉(zhuǎn)引起的拉伸應(yīng)力的方式作用，因此有助于改善疲勞壽命。本實施方式適合應(yīng)用于渦輪增壓器的渦輪葉輪上，但也可以應(yīng)用于需要精度的各種機械部件上。雖然利用優(yōu)選的實施方式說明了本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于上述實施方式。基于上述公開內(nèi)容，具有該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)的人員能夠通過實施方式的修改或變形來實施本發(fā)明。產(chǎn)業(yè)上的可利用性提供制造無需進行根據(jù)機械加工的精加工，而精密地實現(xiàn)復雜形狀的渦輪葉輪的方法。
權(quán)利要求
1.一種制造葉輪的方法，該葉輪具備在軸方向上延伸的輪部和在上述輪部的周圍排列的多個葉片，上述制造葉輪的方法的特征在于，組裝具有適合成形上述葉輪的外徑的內(nèi)腔且能夠分割成多個的鑄型，向上述鑄型內(nèi)注射包含由金屬或陶瓷構(gòu)成的粉末和粘合劑的混練物，成形生坯，對上述生坯進行脫脂及燒結(jié)以得到燒結(jié)物，在具有適合修正上述葉輪的外形的內(nèi)腔的模具內(nèi)，裝入上述燒結(jié)物，通過對上述模具進行加壓而修正上述葉輪的外形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造葉輪的方法，其特征在于， 上述鑄型包括臺架和在周方向上分割成多個的外鑄型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造葉輪的方法，其特征在于， 上述模具包括基臺和在周方向上分割成多個要素的外模具。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造葉輪的方法，其特征在于， 上述外模具的上述要素構(gòu)成為能夠分別插入到上述葉片之間。
5.一種葉輪，具備在軸方向上延伸的輪部和在上述輪部的周圍排列的多個葉片，該葉輪如下制造，組裝具有適合成形上述葉輪的外徑的內(nèi)腔且能夠分割成多個的鑄型，向上述鑄型內(nèi)注射包含由金屬或陶瓷構(gòu)成的粉末和粘合劑的混練物，成形生坯，對上述生坯進行脫脂及燒結(jié)以得到燒結(jié)物，在具有適合修正上述葉輪的外形的內(nèi)腔的模具內(nèi)，裝入上述燒結(jié)物，通過對上述模具進行加壓而修正上述葉輪的外形。
全文摘要
具備在軸方向上延伸的輪部和在上述輪部的周圍排列的多個葉片的葉輪如下制造，組裝具有適合成形上述葉輪的外徑的內(nèi)腔且能夠分割成多個的鑄型，向上述鑄型內(nèi)注射包含由金屬或陶瓷構(gòu)成的粉末和粘合劑的混練物，成形生坯，對上述生坯進行脫脂及燒結(jié)以得到燒結(jié)物，在具有適合修正上述葉輪的外形的內(nèi)腔的模具內(nèi)，裝入上述燒結(jié)物，通過對上述模具進行加壓而修正上述葉輪的外形。
文檔編號F01D1/08GK102428258SQ20108002159
公開日2012年4月25日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者井上智裕, 松山良滿, 高橋幸雄 申請人:株式會社Ihi