JP7176940B2 - 回転体のバランス修正方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転体のバランス修正方法に関する。

自動車等のエンジンに搭載されるターボチャージャは、エンジンからの排気を動力源として回転する回転体（タービンホイール及びコンプレッサホイール）を有する。

このような回転体において、回転軸心に対する偏重量、すなわちアンバランスが生じていると、高速回転時にアンバランスに起因する遠心力によって振動等が発生するおそれがある。そこで、回転体の製造工程において、回転体のバランス修正が行われている（例えば、特許文献１，２）。

特開２０１１－１２８１１３号公報 特開２００９－０８３００５号公報

バランス修正は、例えば、回転体の一部を加工（切削、研削等）することにより行われるが、従来のバランス修正方法では、回転体の加工量が多くなり、加工時間の長時間化や刃具寿命の短縮が生じるおそれがある。また、回転体の加工回数に制限が存在するバランス修正方法では、所定の加工回数内にバランスが修正しきれない場合、回転体を廃棄しなければならないため、回転体の歩留まりが低下するおそれもある。

そこで、本明細書開示の回転体のバランス修正方法は、回転体の歩留まりが低下することを抑制することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された回転体のバランス修正方法は、加工前の回転体のアンバランス量を測定する第１の測定工程と、前記第１の測定工程において測定された前記加工前の回転体のアンバランス量と、前記加工前の回転体の３次元モデルの加工シミュレーションによって得られた前記回転体の第１の加工後の３次元モデルにおけるアンバランス量と、が等しくなった場合に、前記回転体のアンバランス量を加工前よりも小さくすることが可能な前記回転体の修正量を算出する第１の算出工程と、前記修正量に基づき前記回転体を加工する第１の加工工程と、加工後の回転体のアンバランス量を測定する第２の測定工程と、前記第２の測定工程において測定された前記加工後の回転体のアンバランス量と、前記加工後の回転体の３次元モデルの加工シミュレーションによって得られた前記回転体の第２の加工後の３次元モデルにおけるアンバランス量と、が等しくなった場合に、前記回転体の修正量を算出する第２の算出工程と、前記第２の算出工程で算出された前記修正量に基づき、前記回転体を加工する第２の加工工程と、を含む。

本明細書開示の回転体のバランス修正方法によれば、回転体の歩留まりが低下することを抑制することができる。

図１は、一実施形態に係る回転体のバランス修正システムの構成を示す概略図である。 図２は、実施形態に係る回転体のバランス修正手順を示すフローチャートである。 図３は、実施形態に係る加工情報演算処理を示すフローチャートである。 図４（Ａ）～図４（Ｃ）は、実施形態に係る加工情報演算処理について説明するための図である。 図５は、比較例に係る回転体のバランス修正手順を示すフローチャートである。 図６（Ａ）～図６（Ｃ）は、比較例における加工情報演算処理について説明するための図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、比較例における回転体の加工について説明する図である。 図８（Ａ）～図８（Ｃ）は、実施形態における回転体の加工について説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

図１は、一実施形態に係る回転体のバランス修正方法を適用するバランス修正システム１００の構成を示す概略図である。バランス修正システム１００は、アンバランス測定装置１０、修正加工演算装置２０、及び、ワーク加工装置３０（例えば、研削又は切削等を行うためのフライス盤、旋盤等）を備える。

アンバランス測定装置１０は、周知技術に基づき、バランス修正対象の回転体（以後、ワークと記載する）のアンバランス量及びアンバランス位相を測定する。

修正加工演算装置２０は、例えば、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であり、Central Processing Unit(ＣＰＵ)、Random Access Memory（ＲＡＭ）、Read Only Memory（ＲＯＭ）、及びHard Disk Drive（ＨＤＤ）等を備える。修正加工演算装置２０は、アンバランス測定装置１０が測定したワークのアンバランス量及びアンバランス位相に基づき、後述する加工情報演算処理を行い、バランスを修正するために必要なワークの加工情報（具体的には、加工量（修正量）及び加工位置（位相））を演算する。アンバランス測定装置１０が測定したアンバランス量及びアンバランス位相は、作業者が、修正加工演算装置２０に手作業で入力してもよいし、アンバランス測定装置１０から修正加工演算装置２０に自動的に入力してもよい。

ワーク加工装置３０は、ワークを加工（研削又は切削等）するための装置である。例えば、作業者は、修正加工演算装置２０が出力する加工情報（加工量及び加工位置）を確認し、加工情報に基づいて、ワーク加工装置３０を用いて手作業でワークを加工し、ワークのバランスを修正する。または、ワーク加工装置３０は、修正加工演算装置２０の演算結果を修正加工演算装置２０から取得して、自動でワークを加工してもよい。

次に、バランス修正システム１００を用いて実施されるバランス修正手順について説明する。図２は、本実施形態に係るバランス修正手順を示すフローチャートである。

図２において、まず、作業者は、バランス修正の対象となるワークのアンバランス量及びアンバランス位相を、アンバランス測定装置１０を用いて測定する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１は、第１の測定工程の一例である。

次に、作業者は、アンバランス量が第１閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。当該ステップにおいて、作業者は、ステップＳ１０１で測定したアンバランス量が許容誤差内か否かを判断している。アンバランス量が第１閾値以下である場合（ステップＳ１０３／ＹＥＳ）、バランス修正は不要であるため、作業者はワークを次工程へ送る（ステップＳ１２１）。

一方、アンバランス量が第１閾値よりも大きい場合（ステップＳ１０３／ＮＯ）、作業者は、修正加工演算装置２０を用いてバランス修正加工演算を行い、バランス修正に必要なワークの加工量及び加工位置を取得する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５は、第１の算出工程の一例である。

ここで、ステップＳ１０５において、本実施形態に係る修正加工演算装置２０が実行する加工情報演算処理について説明する。図３は、本実施形態に係る加工情報演算処理を示すフローチャートである。

図３に示すように、まず、修正加工演算装置２０は、バランス修正を行う対象の回転体の３次元モデル（３Ｄモデル）を読み出す（ステップＳ２０１）。当該３Ｄモデルは、アンバランスが生じていない回転体の３Ｄモデルであってもよいし、実際の加工対象物から生成された３Ｄモデル（すなわち、アンバランスが生じているワークから生成された３Ｄモデル）であってもよい。

次に、修正加工演算装置２０は、３Ｄ ＣＡＤ（Computer Aided Design）内にて、３Ｄモデルの加工シミュレーションを行う（ステップＳ２０３）。より具体的には、修正加工演算装置２０は、図４（Ａ）に示すように、研削砥石Ｇによって回転体の３ＤモデルＭを研削する研削シミュレーションを実施する。

次に、修正加工演算装置２０は、３Ｄ ＣＡＤ内にて、加工後の３Ｄモデルのアンバランス量を算出する（ステップＳ２０５）。より具体的には、図４（Ｂ）に示すように、研削砥石Ｇと３ＤモデルＭとを重ね合わせ、３Ｄ ＣＡＤ内の集合演算（より具体的には、積（元図消去））によって、図４（Ｃ）に示すように、ワークから除去される部分の体積Ｖを求める。そして、当該体積Ｖの重量と重心とを求め、加工後の３Ｄモデルのアンバランス量を算出する。加工後の３Ｄモデルのアンバランス量は、（体積Ｖの重量）×（３Ｄモデルの軸中心と体積Ｖの重心との間の距離）によって算出される。

次に、修正加工演算装置２０は、加工シミュレーションによって得られた３Ｄモデル（第１の加工後の３Ｄモデル）のアンバランス量が、アンバランス測定装置１０によって測定されたワークのアンバランス量と等しいか否かを判断する（ステップＳ２０７）。

ステップＳ２０７の判断が否定される場合、修正加工演算装置２０は、回転体の３Ｄモデルを加工シミュレーションによって更に加工し（ステップＳ２０９）、ステップＳ２０５に戻る。

そして、修正加工演算装置２０は、加工シミュレーションによって得られた３Ｄモデル（第１の加工後の３Ｄモデル）のアンバランス量が、アンバランス測定装置１０によって測定されたワークのアンバランス量と等しくなると（ステップＳ２０７／ＹＥＳ）、加工シミュレーションによって得た加工量（例えば、砥石の突っ込み量）と、測定されたアンバランス位相に基づいて算出した加工位置とを加工情報として出力する（ステップＳ２１１）。

図２に戻り、作業者は、修正加工演算装置２０から出力された修正加工情報に基づいて、ワークを加工し、バランスを修正する（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７は、第１の加工工程の一例である。

続いて、作業者はアンバランス測定装置１０を用いて、加工後のワークのアンバランス量及びアンバランス位相を測定し（ステップＳ１０９）、アンバランス量が第１閾値以下となったか否かを判断する（ステップＳ１１１）。ステップＳ１０９は、第２の測定工程の一例である。

アンバランス量が第１閾値以下となった場合（ステップＳ１１１／ＹＥＳ）、これ以上のバランス修正は不要であるため、作業者はワークを次工程へ送る（ステップＳ１２１）。

一方、アンバランス量が第１閾値よりも大きい場合（ステップＳ１１１／ＮＯ）、作業者は、再び、修正加工演算装置２０を用いてバランス修正加工演算を行い、バランス修正に必要な加工量及び加工位置を取得する（ステップＳ１１３）。より具体的には、修正加工演算装置２０は、図３において、バランス修正加工を行った後の回転体の３Ｄモデルに対して、加工シミュレーションを行い（ステップＳ２０３）、得られた再加工（第２の加工）後の回転体の３Ｄモデルのアンバランス量と、ステップＳ１０９で測定されたアンバランス量とが等しくなるまで、ステップＳ２０５～Ｓ２０９の処理を繰り返す。なお、バランス修正加工を行った後の回転体の３Ｄモデルとしては、前回の加工シミュレーションによって得た３Ｄモデルを用いてもよいし、実際の加工対象となるワーク（バランス修正加工を行った後のワーク）から生成した３Ｄモデルを用いてもよい。ステップＳ１１３は、第２の算出工程の一例である。

作業者は、修正加工演算装置２０から出力された修正加工情報に基づいて、ワークを加工し、バランスを修正する（ステップＳ１１５）。そして、ステップＳ１０９及びＳ１１１と同様に、ステップＳ１１７及びＳ１１９の処理を実施する。作業者は、アンバランス量が第１閾値以下となるまで、ステップＳ１１３～Ｓ１１９の処理を繰り返し、アンバランス量が第１閾値以下となった場合（ステップＳ１１９／ＹＥＳ）、ワークを次工程へ送る（ステップＳ１２１）。ステップＳ１１５は、第２の加工工程の一例である。

このように、本実施形態に係る回転体のバランス修正方法では、１回目の加工でアンバランス量が許容誤差内にならなかった場合、加工結果を反映したワークの３Ｄモデルを用いて、２回目の加工のための加工情報演算処理を行うため、バランス修正時のワークの加工位置が１回目と２回目とで重なってもよい。より詳細には、バランス修正の回数に関わらず、ワークの加工位置は重なっていてもよい。この点について、ワークの加工回数が制限される比較例に基づいて説明する。

図５は、比較例に係るバランス修正手順の一例を示すフローチャートである。

図５において、まず、作業者は、アンバランス測定装置１０を用いて、バランス修正の対象となるワークのアンバランス量及びアンバランス位相を測定する（ステップＳ１１）。

次に、作業者はステップＳ１１で測定したアンバランス量が第１閾値（許容誤差）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。

アンバランス量が第１閾値以下である場合（ステップＳ１３／ＹＥＳ）、バランス修正を行う必要がないため、作業者はワークを次工程へ送る（ステップＳ３３）。

一方、アンバランス量が第１閾値よりも大きい場合（ステップＳ１３／ＮＯ）、作業者は、アンバランス量が第２閾値以上か否かを判断する（ステップＳ１５）。当該第２閾値は、バランス修正を１回の加工で完了させるか、２回の加工で完了させるかを決定するための閾値である。

ここで、比較例に係る加工情報演算処理の概要について説明する。図６（Ａ）は、ワークのアンバランス量を示す図である。図６（Ａ）において、Ｘ軸及びＹ軸はアンバランス量を示し、その中心（Ｘ軸とＹ軸との交点）は、加工対象物であるワークの中心に該当し、点Ｐ０はワークのアンバランス量を示している。より具体的には、点Ｐ０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にどれだけアンバランス量が発生しているかを示している。また、点線で示す範囲Ｒ１は第１閾値（許容誤差）を表し、一点鎖線で示す範囲Ｒ２は第２閾値を表す。

比較例に係る修正加工演算装置では、図５のステップＳ１１で測定したアンバランス量が第２閾値以下（Ｐ０が範囲Ｒ２の中に存在する）の場合（図６（Ｂ）の点Ｐ０参照）には、１回の加工でアンバランス量がゼロになるように（矢印Ａ１参照）、ワークの加工量及び加工位置を算出する。

一方、図６のステップＳ１１で測定したアンバランス量が第２閾値よりも大きい場合（図６（Ｃ）の点Ｐ０参照）、２回の加工でアンバランス量がゼロとなるよう、１回目及び２回目の加工について、ワークの加工量及び加工位置を算出する。

より具体的には、まず、加工位置が現在のアンバランス位相の逆位相となるように１回目の加工量及び加工位置を演算する。例えば、アンバランス量が図６（Ａ）の座標上において第１象限にあるならば第３象限に、第２象限にあるならば第４象限にアンバランス量が移動するように、加工量及び加工位置を演算する。これは、比較例に係る修正加工演算装置では、１回目の加工結果を反映したワークの情報に基づいて、２回目の加工情報を算出することができないので、２回目の加工位置（位相）が、１回目の加工位置（位相）と重ならないようにするためである。

例えば、図５のステップＳ１１で測定したアンバランス量が、図６（Ｃ）の点Ｐ０で示される場合、アンバランス量が点Ｐ１に移動するように（矢印Ａ２参照）、加工量及び加工位置を算出する。そして、２回目の加工で、アンバランス量が中心（アンバランス量ゼロ）に向かうように（矢印Ａ３参照）、２回目の加工情報を算出する。

したがって、図５において、アンバランス量が第２閾値以上の場合（ステップＳ１５／ＹＥＳ）、作業者は、修正加工演算装置を用いて、上述した加工情報演算処理に基づくバランス修正加工演算を行い、加工を行う場所（位相）及び加工量を取得する（ステップＳ１７）。

次に、作業者は、修正加工演算装置による演算結果に基づいて、ワークを加工し、ワークのバランスを修正する（ステップＳ１９）。例えば、作業者は、図７（Ａ）に示すように、ハッチで示すワークの第１部分ＷＰ１を加工（研削）する。

アンバランス量が第２閾値以上の場合（ステップＳ１５／ＹＥＳ）、アンバランス修正を２回の加工で完了させるため、作業者は、２回目の加工のために、アンバランス測定装置１０を用いて、１回目の加工完了後のワークのアンバランス量及びアンバランス位相を測定する（ステップＳ２１）。

続いて、作業者は、修正加工演算装置を用いて、加工を行う場所（位相）及び加工量を演算する（ステップＳ２３）。そして、作業者は、修正加工演算装置２０による演算結果に基づいて、ワークを加工し、ワークのバランスを修正する（ステップＳ２５）。例えば、作業者は、図７（Ｂ）に示すように、第１回目の加工場所（位相）とは異なる場所（位相）においてワークＷを加工（研削）する（第２部分ＷＰ２参照）。

続いて、作業者は、２回目の加工完了後のワークのアンバランス量及びアンバランス位相を測定し（ステップＳ２７）、アンバランス量が第１閾値（許容誤差）以下となったか否かを判断する（ステップＳ２９）。

アンバランス量が第１閾値（許容誤差）以下とならなかった場合（ステップＳ２９／ＮＯ）、比較例に係るバランス修正手順では、加工回数の上限が２回となっているため、ワークをこれ以上加工することができない。したがって、作業者はワークを不良品として廃棄する（ステップＳ３１）。

一方、アンバランス量が第１閾値（許容誤差）以下となった場合（ステップＳ２９／ＹＥＳ）、作業者はワークを次工程に送る（ステップＳ３３）。

ところで、アンバランス量が第２閾値未満の場合（ステップＳ１５／ＮＯ：図６（Ｂ）参照）、作業者は、修正加工演算装置を用いてバランス修正加工演算を行い、加工を行う場所（位相）及び加工量を演算する（ステップＳ３５）。

次に、作業者は、修正加工演算装置による演算結果に基づいて、ワークを加工し、ワークのバランスを修正する（ステップＳ３７）。その後、上述したステップＳ２７～Ｓ３３の処理を実行する。

以上、比較例に係るバランス修正方法では、ワークを２回加工する場合には、１回目の加工後のワークのアンバランス位相が、現在のアンバランス位相と逆位相となるようにするため、ワークの加工量が多くなり、加工時間の増加及び刃具寿命の短縮が生じるおそれがある。また、２回目の加工でバランス修正ができなかった場合、ワークは不良品として処理されるため、歩留まりが低下してしまう。

一方、本実施形態に係るバランス修正方法では、常にアンバランス量ゼロをターゲットにして加工情報演算処理を行うことができる。例えば、図８（Ａ）に示すように、１回目にアンバランス量ゼロをターゲットとして、ワークの第１部分ＷＰ３を加工したとする。この結果、アンバランス量が、図８（Ｂ）に示すように、点Ｐ０から点Ｐ１に推移したとする。この場合、２回目の加工情報演算処理では、第１部分ＷＰ３を加工後の３Ｄモデルを用いて、アンバランス量がゼロとなるように（図８（Ｂ）の矢印Ａ５）、加工情報を算出する。この結果、例えば、図８（Ｃ）に示すように、２回目の加工位置（第２部分ＷＰ４－１，ＷＰ４－２）が１回目の加工位置と重なっても、計算結果が整合する。また、２回目の加工によっても、アンバランス量が許容誤差内とならなかった場合でも、３回目の加工情報演算処理を行って、３回目のバランス修正を行うことができる。このとき、３回目の加工位置が、１回目及び２回目の加工位置と重なってもよい。すなわち、比較例では３回目以降の加工ができないためにバランスが修正できなかったワークでも、本実施形態のバランス修正方法によればバランス修正が可能となるため、ワークの歩留まりが低下することを防止することができる。また、修正加工を複数回に細分化することができるため、バランスの修正精度を高めることができる。

また、例えば、図６（Ｃ）と図８（Ｂ）とを比較するとわかるように、バランス修正に必要なワークの加工量が全体として比較例よりも削減されるので、修正加工に必要な時間を短縮でき、工具寿命の短縮を抑制することができる。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１０ アンバランス測定装置
２０ 修正加工演算装置
３０ ワーク加工装置
１００ バランス修正システム
Ｗ ワーク
Ｍ ３Ｄモデル

Claims (1)

1. 加工前の回転体のアンバランス量を測定する第１の測定工程と、
   前記第１の測定工程において測定された前記加工前の回転体のアンバランス量と、前記加工前の回転体の３次元モデルの加工シミュレーションによって得られた前記回転体の第１の加工後の３次元モデルにおけるアンバランス量と、が等しくなった場合に、前記回転体のアンバランス量を加工前よりも小さくすることが可能な前記回転体の修正量を算出する第１の算出工程と、
   前記修正量に基づき前記回転体を加工する第１の加工工程と、
   加工後の回転体のアンバランス量を測定する第２の測定工程と、
   前記第２の測定工程において測定された前記加工後の回転体のアンバランス量と、前記加工後の回転体の３次元モデルの加工シミュレーションによって得られた前記回転体の第２の加工後の３次元モデルにおけるアンバランス量と、が等しくなった場合に、前記回転体の修正量を算出する第２の算出工程と、
   前記第２の算出工程で算出された前記修正量に基づき、前記回転体を加工する第２の加工工程と、
   を含む、回転体のバランス修正方法。
   

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