KR101184958B1 - 브이지에스 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의제조방법, 이 방법에 의해 제조된 터빈 프레임, 이 터빈프레임을 적용한 브이지에스 타입 터보 차저의 배기가이드 어셈블리, 및 이 배기 가이드 어셈블리를 장착하여이루어지는 브이지에스 타입 터보 차저 - Google Patents

Abstract

VGS 타입의 터보 차저에 있어서 가변 날개를 회전운동 자유롭게 유지하는 터빈 프레임을 제조할 때, 번잡한 절삭 가공을 거의 요하지 않고 제조할 수 있게 하여, 이로 인해 터빈 프레임 등의 양산화를 현실화시키는 신규 제조방법을 제공한다.

본 발명은, 거의 일정한 판두께를 가진 금속재로부터 보스부 형성부(24a)와 플랜지 형성부(23a)를 일체로 갖도록 블랭킹된 블랭크재를 터빈 프레임의 원형부재인 소형재(W)로 하는 것으로, 이 소형재(W)를 가공함에 있어서, 프레스 단조형에 의해 보스 형성부(24a)를 돌출 상태로 형성하고, 또한 플랜지 형성부(23a)에 가변 날개를 회전운동 자유롭게 유지하는 수용구멍을 블랭킹하여 형성하는 것으로, 소형재(W)의 가공시에는 공정의 일부 또는 전부를 온간 상태에서 행하도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

브이지에스 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의 제조방법, 이 방법에 의해 제조된 터빈 프레임, 이 터빈 프레임을 적용한 브이지에스 타입 터보 차저의 배기 가이드 어셈블리, 및 이 배기 가이드 어셈블리를 장착하여 이루어지는 브이지에스 타입 터보 차저 {METHOD OF MANUFACTURING TURBINE FRAME OF VGS TYPE TURBO CHARGER, TURBINE FRAME MANUFACTURED BY THE METHOD, EXHAUST GAS GUIDE ASSEMBLY OF VGS TYPE TURBO CHARGER USING THE TURBINE FRAME, AND VGS TYPE TURBO CHARGER INCORPORATING THE EXHAUST GAS GUIDE ASSEMBLY}

본 발명은, 자동차용 엔진 등에 사용되는 VGS 타입 터보 차저에 관한 것으로, 특히 여기에 장착되어 가변 날개를 회전운동 자유롭게 유지하는 터빈 프레임을 제조할 때, 번잡한 절삭 가공을 최대한 배제할 수 있는 신규 제조방법에 관한 것이다.

자동차용 엔진의 고출력화, 고성능화의 한 수단으로서 사용되는 과급기로서 터보 차저가 알려져 있고, 이것은 엔진의 배기 에너지에 의해 터빈을 구동하고 이 터빈의 출력에 의해 콤프레서를 회전시켜, 엔진에 자연흡기 이상의 과급 상태를 가져오는 장치이다. 그런데, 이 터보 차저는 엔진이 저속 회전하고 있을 때에는 배기유량의 저하에 의해 배기 터빈이 거의 작동하지 않고, 따라서 고회전영역까지 회전하는 엔진에 있어서는 터빈이 효율적으로 회전하기까지의 지체감과 그 후 일거에 작동하기까지의 소요 시간, 소위 터보 래그 등이 발생하는 것을 피할 수 없었다. 또, 원래 엔진 회전이 낮은 디젤 엔진에서는 터보 효과를 얻기 어렵다는 결점이 있었다.

이 때문에 저회전영역에서도 효율적으로 작동하는 VGS 타입 터보 차저가 개발되고 있다. 이것은, 배기 터빈의 외주에 설치된 복수의 가변 날개(베인)에 의해 적은 유량의 배기 가스를 압축하여 배기의 속도를 증가시키도록 하여 배기 터빈의 작업량을 크게 함으로써 저속 회전시에도 고출력을 발휘할 수 있게 한 것이다. 따라서, VGS 타입 터보 차저에서는 별도로 가변 날개의 가변 기구 등을 필요로 하여, 주변의 구성 부품도 종래의 것에 비하여 형상 등을 보다 복잡화시켜야 했다.

그리고 이러한 VGS 타입 터보 차저에 있어서, 가변 날개를 회전운동 자유롭게 유지하는 터빈 프레임을 제조할 때에는, 예를 들어 로스트 왁스 주조로 대표되는 정밀 주조법 등에 의해 보스부와 플랜지부를 일체로 구비한 금속 소재(터빈 프레임의 원형이 되는 소형재)를 먼저 형성한 후, 그 소형재에 적절히 절삭 가공 등을 실시하여 원하는 형상이나 치수로 완성하는 것이 일반적이었다.

그러나, 소형재를 절삭 가공하는 방법에서는 이하에 나타내는 바와 같은 문제가 있었다. 즉, 이러한 터보 장치는 배기 가스를 유입하여 그 에너지를 이용하는 것이기 때문에, 부재 표면은 당연히 고온·배기 가스 분위기에 노출된다. 그리고, 이 배기 가스 중에는 금속 소재를 부식시키는 성분이 함유되어 있기 때문 에, 터빈 프레임에 관해서도 우수한 내열성이나 내산화성 등을 갖는 SUS310S 등의 내열 스테인리스강이 적용된다. 그러나 이러한 소재는 일반적으로 난절삭성 재질이며, 절삭에 장시간을 요하여, 가공이 번잡하다는 문제가 있었다. 따라서 터빈 프레임의 제조공정으로부터 최대한 절삭 가공을 배제하는 것이 터빈 프레임이나 배기 가이드 어셈블리, 나아가서는 VGS 타입 터보 차저의 양산화를 실현하기 위한 과제로 되어 있었다.

또, 최근 특히 디젤차에서는 환경 보호 등의 관점에서 대기중에 방출되는 배기 가스가 강하게 규제되는 현상이어서, 원래 엔진 회전이 낮은 디젤 엔진에서는 NO_X나 입자형 물질(PM) 등을 저감하기 위해서도 저회전영역에서부터 엔진의 효율화를 도모할 수 있는 VGS 타입 터보 차저의 양산화가 절실히 요망되고 있었다.

즉, 청구항 1에 기재된 VGS 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의 제조방법은, 배기 터빈의 외주 위치에서 복수의 가변 날개를 회전운동 자유롭게 유지하고, 엔진에서 배출된 비교적 적은 배기 가스를, 이 가변 날개에 의해 적절히 압축하고, 배기 가스의 속도를 증폭시키고, 배기 가스의 에너지로 배기 터빈을 회전시키고, 이 배기 터빈에 직결된 콤프레서로 자연 흡기 이상의 공기를 엔진에 보내어 저속 회전시에도 엔진이 고출력을 발휘할 수 있게 한 VGS 타입 터보 차저에 장착되는 터빈 프레임을 제조함에 있어서, 상기 터빈 프레임은, 거의 일정한 판두께를 가진 금속재로부터 보스 형성부와 플랜지 형성부를 일체로 갖도록 블랭킹된 블랭크재를 터 빈 프레임의 원형부재인 소형재로 하는 것으로, 이 소형재를 가공함에 있어서는, 프레스 단조형에 의해 보스 형성부를 돌출 상태로 형성하고, 또한 플랜지 형성부에, 가변 날개를 회전운동 자유롭게 유지하는 수용구멍을 블랭킹하여 형성하도록 한 것을 특징으로 하여 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하면, 거의 일정한 두께로 블랭킹된 블랭크재(소형재)에 프레스 단조 가공을 실시하여 완성품으로서의 터빈 프레임을 얻을 수 있기 때문에, 터빈 프레임의 가공 공정으로부터 최대한 절삭 가공을 배제할 수 있어 터빈 프레임의 양산화를 현실화시킨다. 이와 관련하여 종래에는 터빈 프레임이 난절삭성 내열 소재로 형성되어 있었고 판두께도 5㎜ 정도로 비교적 두껍다는 등의 이유로 프레스 단조에 의한 드로잉 가공이나 버링 가공 등을 매우 실행하기 어렵고, 오로지 단조후 시간이 드는 절삭을 해야만 하여, 양산화에는 적합하지 않았다.

또, 청구항 2에 기재된 VGS 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의 제조방법은, 상기 청구항 1에 기재된 요건에 더하여, 상기 소형재를 가공함에 있어서는 공정의 일부 또는 전부를 온간 상태에서 행하는 것을 특징으로 하여 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하면, 터빈 프레임의 제조 공정의 일부 또는 전부를 온간 상태에서 행하기 때문에 소형재의 변형 자유도 등을 향상시킬 수 있어, 보다 능률적으로 가공할 수 있다. 또, 완성제품으로서 높은 정밀도의 터빈 프레임을 얻을 수 있다.

또, 청구항 3에 기재된 VGS 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의 제조방법 은, 상기 청구항 1 또는 2에 기재된 요건에 더하여, 상기 소형재에는 오스테나이트계의 내열소재가 적용되는 것으로, 소형재의 가공에서는, 소형재 또는 가공 장치 중 어느 하나 또는 양방을 소형재의 가공 유기 마르텐사이트 변태 지표인 Md₃₀값에 따라 가열하도록 한 것을 특징으로 하여 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하면, 사용 재종 (材種) 의 Md₃₀값으로부터 최적의 가열 온도를 결정할 수 있어 한층 더 능률적인 가공이 가능하다.

또, 청구항 4에 기재된 VGS 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의 제조방법은, 상기 청구항 1 또는 2에 기재된 요건에 더하여, 상기 소형재를 가공함에 있어서는, 가공되는 소형재에 적절한 온도 경사를 부여하도록 한 것을 특징으로 하여 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하면, 가공되는 소형재에 적절한 온도 경사를 부여하기 때문에, 난가공성 터빈 프레임을 제조함에 있어서, 종래 도저히 이룰 수 없었던 딥 드로잉 가공 등의 적용을 보다 현실화시킨다. 또 이러한 온도 경사에 의해 예를 들어 주름, 균열, 국부적인 두께 부족 등의 돌출 가공(딥 드로잉 가공)에 따른 불량을 저감시킬 수 있다.

또, 청구항 5에 기재된 VGS 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의 제조방법은, 청구항 1, 2, 3 또는 4에 기재된 요건에 더하여, 상기 소형재를 가공함에 있어서는, 소형재와 가공 장치의 접촉 부분에 수용성 내열 윤활제를 개재시키도록 한 것을 특징으로 하여 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하면, 예를 들어 버링 공정에서 수용성 내열 윤활제를 적용한 경우, 버링 가공을 원활하고 확실하게 행할 수 있음은 물론, 윤활제의 사용 등에 따른 도포성, 건조성, 고온 윤활성, 제거성 등이 향상되어 터빈 프레임을 매우 효율적으로 제조할 수 있다. 이와 관련하여 일반적인 윤활제는 가온 (加溫) 에 의해 점도 저하를 초래하여 윤활성이 열화되기 때문에 고온 분위기하에서는 거의 사용할 수 없고, 또한 WS₂나 MoS₂ 등의 고점도 윤활제는 작업성, 특히 제거성이 나빠 역시 본건의 터빈 프레임의 제조에는 적합하지 않은 것이다.

또, 청구항 6에 기재된 VGS 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의 제조방법은, 청구항 1, 2, 3, 4 또는 5에 기재된 요건에 더하여, 상기 프레스 단조형은 다이스와 펀치와 워크홀더를 주요 부재로 하는 것으로, 이 펀치는, 하사점 위치 근방에서 저속 제어 또는 인칭(inching) 제어 중 어느 하나 또는 양방의 제어가 이루어지는 것을 특징으로 하여 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하면, 내열성을 요하며 난가공성 터빈 프레임의 돌출 가공이 한층 더 확실하게 행해져 완성품으로서의 치수나 형상을 높은 정밀도로 실현할 수 있다.

또, 청구항 7에 기재된 터빈 프레임은, 배기 터빈의 외주에 형성되며 복수의 가변 날개를 회전운동 자유롭게 유지하는 수용구멍을 구비하여 이루어지며, 엔진에서 배출된 비교적 적은 배기 가스를, 이 가변 날개에 의해 적절히 압축하고, 배기 가스의 속도를 증폭시키고, 배기 가스의 에너지로 배기 터빈을 돌리고, 이 배기 터 빈에 직결된 콤프레서로 자연 흡기 이상의 공기를 엔진에 보내어 저속 회전시에도 엔진이 고출력을 발휘할 수 있게 한 VGS 타입 터보 차저에 장착되는 터빈 프레임에 있어서, 상기 제 1, 2, 3, 4, 5 또는 6 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하여 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하면, 가공에 많은 시간을 요하는 절삭을 거의 하지 않고 터빈 프레임을 제조할 수 있기 때문에 터빈 프레임의 양산화를 현실화시킬 수 있고, 양산품으로서의 터빈 프레임을 시장에 안정적으로 공급할 수 있다. 또, 양산되는 터빈 프레임은 예를 들어 사용 재종의 가공 유기 마르텐사이트 변태량에 따른 적절한 가열 조건의 검토 등에 의해 정교한 제품을 얻을 수 있다.

또, 청구항 8에 기재된 배기 가이드 어셈블리는, 엔진에서 배출되는 배기 가스의 유량을 적절히 조절하여 배기 터빈을 회전시키는 가변 날개, 이 가변 날개를 배기 터빈의 외주부에서 회전운동 자유롭게 지지하는 터빈 프레임, 및 이 가변 날개를 적절히 회전운동시켜 배기 가스의 유량을 조절하는 가변 기구를 구비하며, 적은 배기 유량을 가변 날개에 의해 압축하고, 배기의 속도를 증가시켜, 저속 회전시에도 고출력을 발휘할 수 있게 한 VGS 타입 터보 차저에서의 배기 가이드 어셈블리에 있어서, 상기 터빈 프레임은, 상기 청구항 7에 기재된 터빈 프레임이 적용되는 것을 특징으로 하여 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하면, 고내열성을 갖고 정밀도가 높은 배기 가이드 어셈블리의 양산화를 현실화시킬 수 있다.

또, 청구항 9에 기재된 VGS 타입 터보 차저는, 엔진의 배기 에너지에 의해 배기 터빈을 구동하고, 이 출력에 의해 배기 터빈에 직결된 콤프레서를 회전시켜 엔진에 자연 흡기 이상의 과급 상태를 가져오게 한 터보 차저에 있어서, 상기 터보 차저는 상기 청구항 8에 기재된 배기 가이드 어셈블리가 장착되어 이루어지고, 엔진이 저속 회전하고 있을 때에도 비교적 적은 배기 가스를 적절히 압축하고, 배기 가스의 속도를 증폭시켜서 고출력을 발휘할 수 있게 한 것을 특징으로 하여 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하면, 고내열성을 갖는 VGS 타입 터보 차저의 양산화를 현실화시킬 수 있다. 또, 이 터보 차저에는 가변 날개를 확실하게 회전운동시킬 수 있는 높은 정밀도의 터빈 프레임이 장착되기 때문에 배기 가스의 유량 조정을 정확하고 확실하게 할 수 있어 고온·배기가스 분위기하에서의 사용에 충분히 견딜 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 터빈 프레임을 장착한 VGS 타입 터보 차저를 나타내는 사시도(a), 및 배기 가이드 어셈블리를 나타내는 분해 사시도(b)이다.

도 2는 평판형 소형재에 버링용 하부 구멍을 개구하는 공정과 버링 공정을, 가공된 소형재와 함께 나타내는 설명도이다.

도 3은 딥 드로잉 가공에 의해 평판형 소형재가 컵 모양으로 형성되는 모습을 나타내는 설명도이다.

도 4는 딥 드로잉 가공후 보스 형성부를 개구하는 모습을 나타내는 설명도이다.

도 5는 Md₃₀=25℃, Md₃₀=50℃인 각 경우에서의 변형 온도와 마르텐사이트 변태량의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은 소형재에 버링 가공을 실시하였을 때의 구멍 팽창률과 각종 가공 온도의 관계의 일례를 나타내는 표이다.

도 7은 딥 드로잉 가공 중 소형재에 부여되는 온도 경사의 일례를 나타내는 그래프이다.

도 8은 각종 온도 경사의 정도와 한계 드로잉비의 관계를 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

이하, 본 발명을 도시한 실시의 형태에 기초하여 설명한다. 설명에 있어서는, 본 발명에 관한 터빈 프레임(2)을 적용한 VGS 타입 터보 차저에서의 배기 가이드 어셈블리(A)에 관해 설명하면서 함께 터빈 프레임(2)에 관해 언급하며, 그 후 터빈 프레임의 제조방법에 관하여 설명한다.

배기 가이드 어셈블리(A)는 특히 엔진의 저속 회전시에서 배기 가스(G)를 적절히 압축하여 배기유량을 조절하는 것으로, 일례로서 도 1에 나타낸 바와 같이 배기 터빈(T)의 외주에 설치되어 실질적으로 배기유량을 설정하는 복수의 가변 날개(1)와, 가변 날개(1)를 회전운동 자유롭게 유지하는 터빈 프레임(2)과, 배기 가스(G)의 유량을 적절히 설정하기 위하여 가변 날개(1)를 일정 각도 회전운동시키는 가변 기구(3)를 구비하여 이루어지는 것이다. 이하, 각 구성부에 관하여 설 명한다.

먼저, 가변 날개(1)에 관하여 설명한다. 이것은 일례로서 도 1에 나타낸 바와 같이 배기 터빈(T)의 외주를 따라 원호형으로 복수(1기의 배기 가이드 어셈블리(A)에 대하여 대략 10개 내지 15개 정도) 설치되며, 그 각각이 거의 동일한 정도씩 회전운동하여 배기유량을 적절하게 조절하는 것이다. 그리고, 각 가변 날개(1)는 날개부(11)와 축부(12)를 구비하여 이루어진다.

날개부(11)는 주로 배기 터빈(T)의 폭치수에 따라 일정 폭을 갖도록 형성되는 것으로, 그 폭 방향에서의 단면이 대략 날개 모양으로 형성되며, 배기 가스(G)가 효과적으로 배기 터빈(T)을 향하도록 구성되어 있다. 또, 여기에서 날개부(11)의 폭치수를 편의상 베인 높이(h)라 한다.

또, 축부(12)는 날개부(11)와 일체로 연속하도록 형성된 것으로, 날개부(11)를 움직일 때의 회전운동축에 상당하는 부위이다.

그리고 날개부(11)와 축부(12)의 접속부위에는 축부(12)에서 날개부(11)를 향하여 좁아지는 테이퍼부(13)와, 축부(12)보다 약간 직경이 큰 칼라부(14)가 이어지도록 형성되어 있다. 또, 칼라부(14)의 저면은 날개부(11)에서의 축부(12) 측 단면과 거의 동일 평면상에 형성되며, 이 평면이 가변 날개(1)를 터빈 프레임(2)에 부착한 상태의 슬라이딩면이 되어, 가변 날개(1)의 원활한 회전운동 상태를 확보한다. 또한, 축부(12)의 선단부에는 가변 날개(1)의 부착 상태의 기준이 되는 기준면(15)이 형성된다. 이 기준면(15)은 후술할 가변 기구(3)에 대하여 코킹 등에 의해 고정되는 부위이며, 일례로서 도 1에 나타낸 바와 같이 축 부(12)를 대향적으로 절결한 평면이 날개부(11)에 대하여 거의 일정한 경사 상태로 형성되어 이루어지는 것이다.

다음으로 터빈 프레임(2)에 관하여 설명한다. 이것은 복수의 가변 날개(1)를 회전운동 자유롭게 유지하는 프레임 부재로서 구성되는 것으로서, 일례로서 도 1에 나타낸 바와 같이 프레임 세그먼트(21)와 유지부재(22)에 의해 가변 날개(1)를 끼워 넣도록 구성된다. 그리고 프레임 세그먼트(21)는 가변 날개(1)의 축부(12)를 수용하는 플랜지부(23)와, 후술할 가변 기구(3)를 외주에 끼우는 보스부(24)를 구비하여 이루어진다. 또 이러한 구조로부터 플랜지부(23)에는 둘레가장자리 부분에 가변 날개(1)와 같은 수의 수용구멍(25)이 등간격으로 형성된다.

또, 유지부재(22)는 도 1에 나타낸 바와 같이 중앙부분이 개구된 원판형으로 형성되어 있다. 그리고 이들 프레임 세그먼트(21)와 유지부재(22)에 의해 끼워넣어진 가변 날개(1)의 날개부(11)를 항상 원활하게 회전운동시킬 수 있도록 양 부재 간의 치수는 거의 일정(대략 가변 날개(1)의 날개 폭치수 정도)하게 유지되며, 일례로서 수용구멍(25)의 외주 부분에, 4곳 형성된 코킹 핀(26)에 의해 양 부재간의 치수가 유지되고 있다. 여기에서 이 코킹 핀(26)을 수용하기 위해 프레임 세그먼트(21) 및 유지부재(22)에 개구되는 구멍을 핀 구멍(27)이라 한다.

이 실시의 형태에서는, 프레임 세그먼트(21)의 플랜지부(23)는 유지부재(22)와 거의 직경이 동일한 플랜지부(23A)와 유지부재(22)보다 약간 큰 직경의 플랜지부(23B) 2개의 플랜지 부분으로 이루어지는 것이며, 이들을 동일 부재로 형성하는 것인데, 동일 부재에서의 가공이 복잡해지는 경우 등에는 직경이 다른 2개의 플랜지부를 분할하여 형성하고 나중에 코킹 가공이나 브레이징 가공 등에 의해 접합하는 것도 가능하다.

여기에서 본 발명의 명칭 중에 기재되는 「터빈 프레임의 제조방법」이란, 실질적으로 상기 프레임 세그먼트(21)의 제조방법을 가리키는 것이다. 그리고 이 프레임 세그먼트(21)는 거의 일정한 판두께를 갖는 내열 금속재로부터 플랜지부(23)와 보스부(24)를 일체로 갖도록 블랭킹된 블랭크재를 출발 소재로 하여, 여기에 적절한 가공이 실시되어 완성품으로서의 프레임 세그먼트(21)를 얻는 것이다. 또한 본 명세서에서는, 세그먼트의 원형 부재가 되는 블랭크재를 소형재(W)로 하는 것이다(완성 이전의 가공 도중인 부재도 소형재(W)라 함).

다음으로 가변기구(3)에 관하여 설명한다. 이것은 터빈 프레임(2)의 보스부(24)의 외주측에 설치되어 배기유량을 조절하기 위해 가변 날개(1)를 회전운동시키는 것으로, 일례로서 도 1에 나타낸 바와 같이 어셈블리 내에서 실질적으로 가변 날개(1)의 회전운동을 발생시키는 회전운동부재(31)와, 이 회전운동을 가변 날개(1)에 전달하는 전달 부재(32)를 구비하여 이루어지는 것이다. 회전운동부재(31)는 도시한 바와 같이 중앙부분이 개구된 대략 원판형으로 형성되며, 그 둘레가장자리 부분에 가변 날개(1)와 같은 수의 전달 부재(32)를 등간격으로 형성하는 것이다. 이 전달 부재(32)는 회전운동부재(31)에 회전운동 자유롭게 부착되는 구동요소(32A)와, 가변 날개(1)의 기준면(15)에 고정 상태로 부착되는 수동요소(32B)를 구비하여 이루어지는 것으로, 이들 구동요소(32A)와 수동요소(32B)가 접속된 상태에서 회전운동이 전달된다. 구체적으로는 사각편 형상의 구동요소(32A)를 회전운동부재(31)에 대하여 회전운동 자유롭게 핀 고정하는 동시에 이 구동요소(32A)를 수용할 수 있게 대략 U자형으로 형성된 수동요소(32B)를 가변 날개(1)의 선단 기준면(15)에 고정하고, 사각편 형상의 구동요소(32A)를 U자형 수동요소(32B)에 끼워 넣어 양방을 걸어맞추도록 회전운동부재(31)를 보스부(24)에 부착하는 것이다.

또, 복수의 가변 날개(1)를 부착한 초기 상태에서 이들을 둘레형으로 정렬시킴에 있어서는, 각 가변 날개(1)와 수동요소 (32B)가 거의 일정한 각도로 부착될 필요가 있고, 본 실시의 형태에서는 주로 가변 날개(1)의 기준면(15)이 이 작용을 담당하고 있다. 또 회전운동부재(31)를 단순히 보스부(24)에 끼워 넣는 것만으로는 회전운동부재(31)가 터빈 프레임(2)과 약간 이반되었을 때 전달 부재(32)의 걸어맞춤이 해제될 우려가 있기 때문에, 이를 방지하기 위하여 터빈 프레임(2)의 대향측으로부터 회전운동부재(31)가 사이에 오도록 링(33) 등을 형성하여 회전운동부재(31)에 대하여 터빈 프레임(2) 측으로의 누름 경향을 부여하고 있다.

이러한 구성에 의해, 엔진이 저속 회전하였을 때에는 가변 기구(3)의 회전운동부재(31)를 적절히 회전운동시켜 전달부재(32)를 통하여 축부(12)에 전달하고, 도 1에 나타낸 바와 같이 가변 날개(1)를 회전운동시키고 배기 가스(G)를 적절히 압축하여 배기유량을 조절하는 것이다.

본 발명에 관한 터빈 프레임(2)을 적용한 배기 가이드 어셈블리(A)는 이상과 같은 기본 구조를 갖는 것이며, 이하, 터빈 프레임의 제조방법에 관하여 설명한다. 여기에서 말하는 「터빈 프레임」이란, 상기 서술한 바와 같이 프레임 세그먼트(21)를 실질적으로 나타낸 것이다. 또, 이 프레임 세그먼트(21)를 형성함에 있어서는, 거의 일정한 두께로 블랭킹된 블랭크재(소형재(W))를 출발 소재로 하고, 이 소형재(W)에 대하여 보스부(24)를 돌출 상태로 형성하거나 수용구멍(25)이나 핀 구멍(27)을 개구하는 등 적절한 가공을 실시하여 완성품으로서의 프레임 세그먼트(21)를 얻는 것이다. 여기에서 완성 상태 이전의 소형재(W)에서의 플랜지부(23)나 보스부(24)를 완성 상태인 것과 구별하는 경우에는 각각 플랜지 형성부(23a), 보스 형성부(24a)라 한다.

(1)소형재의 준비(블랭크재의 블랭킹)

이것은 거의 일정한 두께를 가지며 목적으로 하는 프레임 세그먼트(21)를 실현할 수 있게 블랭킹된 블랭크재(소형재(W))를 준비하는 공정이며, 여기에서는 평면에서 보았을 때 대략 원형이며 약 5㎜ 정도의 판두께를 갖는 블랭크재가 띠강 등에서 블랭킹된 것이다. 여기에서 소형재(W; 블랭크재)의 재질로는 예를 들어 SUS304, SUS316, SUS310S, SUH310, SUH660, NCF800H(Incoloy800H), Incone1625 등의 내열 압연재가 적용된다. 이와 관련하여 주조에 의해 소형재(W)를 얻는 경우, 즉 소형재(W)의 재질로서 내열 단조재를 적용한 경우에는 후단에서 행하는 버링 가공이나 딥 드로잉 가공 등의 돌출 가공은 매우 어렵기 때문에, 본 발명에서는 내열 압연재로부터 블랭킹한 블랭크재를 소형재(W)로 하는 것이다.

또, 블랭크재는 반드시 이와 같이 판형 부재로부터 블랭킹하여 준비할 필요는 없으며, 미리 적절한 형상으로 블랭킹된 블랭크재(특히 시판품) 등을 적용할 수 있다면 그것을 반입하여 소형재의 준비 공정으로 할 수도 있다.

(2)보스부의 돌출

소형재(W)를 준비한 후 평판형 소형재(W)에 대하여 보스 형성부(24a)를 돌출 상태로 형성하는 것이며, 여기에서는 프레스 단조형에 의한 버링 가공이나 딥 드로잉 가공 등이 적용된다. 또, 본 명세서에서는 소형재(W)에 버링용 하부구멍을 개구한 후 보스 형성부(24a)를 돌출 상태로 형성해 가는 수법을 버링 가공이라고 하고, 하부 구멍을 개구하지 않고 소형재(W)를 예를 들어 컵 모양으로 돌출 형성해 가는 수법을 딥 드로잉 가공이라고 하여 구별하는 것이며, 또 이들을 총칭하여 돌출 가공이라고 한다. 이하, 버링 가공과 딥 드로잉 가공에 관하여 설명한다.

(ⅰ)버링 가공

버링 가공에 의해 보스 형성부(24a)를 돌출시키기 위해서는 먼저 소형재(W)의 거의 중앙부에 버링용 하부구멍을 개구시킨다. 이 하부 구멍은 보스 형성부(24a)에 개구되기 때문에 24b라는 부호를 붙인 것이다. 또한, 하부구멍(24b)을 개구시키기 위해서는 일례로서 도2에 나타낸 바와 같이 다이스(61)와 펀치(62)를 주요 부재로 한 개구 장치(6)에 의해 하부구멍(24b)을 개구시킨다. 물론 여기에서의 하부구멍(24b)은 완성 상태 보스부(24)의 내경보다도 작게 형성되며, 일례로서 완성 상태 보스부(24)의 70% 정도의 직경 치수로 개구된다. 그리고 하부구멍(24b)이 개구된 소형재(W)는 도 2에 함께 나타낸 바와 같이 평면에서 보았을 때 대략 도너츠 모양으로 보이는 것이다.

소형재(W)는 이후 버링 장치(7)에 의해 하부구멍(24b)을 확장시키도록 돌출 가공되어 거의 관형(파이프형)으로 형성된다. 이 때, 버링 장치(7)는 일례로서 도 2에 나타낸 바와 같이 소형재(W)의 둘레가장자리부인 플랜지 형성부(23a)가 끼워지도록 지지하는 다이스(71) 및 워크홀더(72)와, 소형재(W)의 중앙부분인 보스 형성부(24a)를 돌출시키는 펀치(73)를 주요 부재로 하는 것이며, 소형재(W)는 펀치(73)에 의해 눌려 다이스(71)에 형성된 실질적인 성형 작용부(74)에 의해 압입된다. 또 버링 장치(7)에는 소형재(W)를 펀치(73)의 반대측에서 미는 대향 펀치(75) 등이 적절히 형성되며, 이 대향 펀치(75)에 의해 주로 보스 형성부(24a)의 선단이 거의 동일 평면 상에 정렬되게 된다. 또, 이 대향 펀치(75)에는 버링 가공이 실시된 소형재(W)를 성형 작용부(74)로부터 돌출시키는 녹아웃 기능을 겸비하게 할 수 있다.

(ⅱ)딥 드로잉 가공

한편, 하부구멍(24b)을 개구하지 않은 평판형 소형재(W)에 딥 드로잉 가공을 하여 보스 형성부(24a)를 돌출 상태로 형성하기 위해서는 딥 드로잉 장치(8)를 적용해야 하며, 먼저 이 장치에 관하여 설명한다. 딥 드로잉 장치(8)는 예를 들어 도 3에 나타낸 바와 같이 상기 버링 장치(7)와 거의 동일한 구성을 채용하는 것이다. 즉, 도면 중 부호 81 및 82가 소형재(W)를 지지하는 다이스 및 워크홀더이고, 83이 돌출용 펀치이다. 또, 부호 84가 다이스(81)에 형성된 실질적인 성형 작용부이며, 부호 85가 소형재(W)를 펀치(83)의 반대측에서 미는 대향 펀치이다. 대향 펀치(85)에 의해 주로 소형재(W)의 중앙부가 과도하게 만곡 형성되는 것이 효과적으로 방지된다. 또, 이 대향 펀치(85)에는 딥 드로잉 가공을 종료 한 소형재(W)를 성형 작용부(84)로부터 돌출시키는 녹아웃 기능을 겸비시키는 것이 가능하다. 또, 딥 드로잉 장치(8)로는 소위 대향액압성기 (對向液壓成機) 를 적용하는 것도 가능하다.

그리고 딥 드로잉 장치(8)로부터 취출된 소형재(W)는 도 3에 함께 나타낸 바와 같이 예를 들어 바닥이 있는 관형으로 형성되며, 그 후 거의 중앙부의 보스 형성부(24a)가 개구된다. 여기에는, 예를 들어 도 4(a)에 나타낸 바와 같이 펀치에 의한 트리밍이나 절삭 가공에 의한 개구가 가능하다(실제 양산성을 고려하면 트리밍이 바람직하다). 또, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 보스 형성부(24a)에 일정 길이를 갖는 링(R)을 끼워 이 링(R)으로부터 밀려나온 부위를 커팅함으로써 개구하여, 원하는 길이의 보스부(24)로 형성하는 것도 가능하다.

또, 상기 설명에서는 버링 가공이나 딥 드로잉 가공에 의해 보스 형성부(24a; 보스부(24))를 적절한 길이로 가공하는 것처럼 설명하였으나, 예를 들어 어느 정도 돌출 상태로 형성한 보스 형성부(24a)에 아이어닝 가공을 하여 예를 들어 다단계의 돌출 공정에 의해 보스부(24)를 원하는 길이로 형성하는 것이 가능하다. 이와 관련하여 이 경우도 아이어닝 가공은 상기 서술한 버링 장치(7)나 딥 드로잉 장치(8)와 마찬가지의 프레스 단조 장치에 의해 행할 수 있는 것이다(도시생략).

상기 도 1에 나타낸 프레임 세그먼트(21)는 플랜지부(23)를 상이한 두 개의 직경 치수인 것으로 구성하고 있으며, 이 때문에 일반적으로는 플랜지부(23)의 전체 두께는 보스부(24)보다도 두꺼워진다. 그러나, 본 발명에서는 거의 일정 두 께의 블랭크재를 출발 소재, 즉 소형재(W)로 하기 때문에, 플랜지 형성부(23a)를 보스 형성부(24a)보다도 두껍게 형성하는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 예를 들어 소형재(W)에 형성된 플랜지 형성부(23a)는 소직경측 플랜지부(23A)로 하고, 대직경측 플랜지부(23B)는 이것과는 별도로 형성하여 돌출 가공을 마친 단계에서 접합하는 것이 가능하다. 물론 소형재(W)에 형성된 플랜지 형성부(23a)를 대직경 플랜지부(23B)로서 활용하고 소직경 플렌지부(23A)를 별도로 형성하여 접합하는 형태도 취할 수 있다.

(3)수용구멍 등의 개구

소형재(W)는 상기 서술한 돌출 가공이 종료된 상태에서는 플랜지 형성부(23a)에 수용구멍(25)이나 핀 구멍(27) 등이 개구되어 있지 않으므로, 적절하게 이들이 블랭킹 등에 의해 개구되거나 다른 부위가 필요에 따라 원하는 형상이나 치수로 완성된다. 또, 수용구멍(25) 등을 원하는 정밀도의 직경 치수로 완성할 때에는, 강구를 압입하는, 소위 스웨이징에 의해 완성하는 것도 가능하다.

또한, 예를 들어 보스 형성부(24a)의 돌출을 딥 드로잉 가공으로 행한 경우에는, 수용구멍(25)이나 핀 구멍(27) 등의 개구는 마지막 보스부(24)의 펀칭시에 동시에 행하는 것이 가능하다.

그리고 버링 가공에 의해 돌출 가공을 하는 경우에는, 버링 가공후에 수용구멍(25)이나 핀 구멍(27) 등을 가공하는 것이 바람직하다. 이는, 하부구멍(24b)의 개구시나 버링 가공시에 받는 소형재(W)의 응력(가공에 의한 인장, 압축 외에 가열시에는 그 열응력 등도 포함)에 의한 혼란을 최소한으로 억제하기 위한 것인 데, 이들이 특별히 수용구멍(25) 등에 악영항을 미치지 않는 경우에는 버링 가공과 동시에 개구하는 것도 가능하다.

본 실시의 형태에서는 소형재(W;보스 형성부(24a))를 돌출시키는 다이스나 펀치 등의 형(型)부재를 적절한 강성을 갖는 금속소재 등으로 형성하고, 이것으로 가공하는 소위 강체 프레스 방법을 채용하는데, 반드시 이들에 한정되지는 않으며, 상기 다이스나 펀치 등 대신에 직접 소형재(W)에 액압을 가하여 가공하는 액압 프레스 방법을 채용하는 것도 가능하다. 또, 액압 프레스 수법에 의해 소형재(W)의 돌출 가공을 하는 경우에는, 강체 프레스에 비하여 가압력이나 가압 속도 등의 제어를 행하기 쉬워지므로, 예를 들어 주름 발생 등을 방지할 수 있어 소형재(W)를 보다 정교하게 가공할 수 있는 것이다.

이렇게 본 발명의 가공(소성 가공)의 실체는 프레스 단조이며, 그 중에서도 저비용화나 공정 관리의 간략화 등에서 보면 실온 또는 실온에 가까운 상태에서 소형재(W)를 가공하는 냉각 단조가 바람직한데, 가공성 향상 또는 소형재(W)의 변형 자유도의 향상 등의 목적에서 상기 서술한 가공 공정의 일부 또는 전체 공정에서 소형재(W)나 가공 장치(개구 장치(6), 버링 장치(7), 딥 드로잉 장치(8) 등)를 적절히 가열하는 것이 가능하며, 이하 이 형태에 관하여 설명한다.

(1)소재의 고온 강도에 따른 가열 등

이것은, 소형재(W)의 고온 변형 저항, 즉 고온 강도에 따라 가열 온도와 가공 속도를 결정하는 방법이며, 일례로서 소형재(W)를 300℃ 정도로 가열한 온도 상태에서 가공 프레스 단조에 의한 돌출 가공을 하는 것이다. 구체적으로는, 예 를 들어 소형재(W)의 300℃에서의 고온 강도가 500MPa 이상인 경우에는 300～350℃ 정도로 가열하고 1000㎜/초 이상의 속도로 가공하는 것이다. 이로써 프레스 단조 가공에 요하는 힘이 적어도 되며, 소형재(W)의 가공성도 향상되어 원하는 형상이나 치수에 매우 가까운 상태로 형성할 수 있다.

프레스 단조에 의한 돌출 가공후, 예를 들어 아이어닝 가공이 있는 경우 이 아이어닝 가공을 실온 분위기의 냉간 상태에서 행하는 것이 가능하고, 이 경우 형성된 소형재(W)의 팽창, 수축, 스프링 백, 여육(餘肉), 축소 등을 최대한 억제할 수 있다.

(2)소재의 Md₃₀을 고려한 온간 성형

이것은 소재(소형재(W))의 가공 유기 마르텐사이트 변태 지표인 Md₃₀의 값에 따라 소형재(W) 또는 가공 장치 중 어느 하나 또는 양방을 50～200℃로 가열하여 행하는 방법이다. 여기에서 Md₃₀은 오스테나이트계(스테인리스강) 소재에 특유한 것이며, 오스테나이트 소판에 0.30의 단축 인장 진변형을 부여했을 때, 오스테나이트상의 50vol%가 강자성 고강도의 마르텐사이트상으로 변태하는 온도를 나타내는 것으로, 이 값이 높을수록 소재의 마르텐사이트에 대한 변화 경향이 강한 것을 나타낸다. 그리고 Md₃₀이란 소형재(W)에 적용되는 내열소재의 성분 조성과 마이크로 결정 입도에 의해 미리 정해진 값이다.

여기에서 Md₃₀=25℃ 및 Md₃₀=50℃인 각 경우에서 변형 온도와 마르텐사이트 변태량의 관계를 도 5에 나타내며, 이 도면에서 동일한 양의 마르텐사이트 변태량을 얻기 위해서는 Md₃₀의 값이 높을수록 변형 온도를 높게 해야 한다는 것을 알 수 있다. 이로부터 Md₃₀의 값이 높을수록 소형재(W)나 가공 장치(단조형)의 가열 온도를 고온으로 설정하며, 일례로서 대략 Md₃₀=0℃일 때 소형재(W)나 가공 장치의 가열 온도를 대략 150℃ 정도로 설정하고, 대략 Md₃₀=20℃일 때 가열 온도를 대략 200℃ 정도로 설정한다.

이렇게 사용 재종 (材種) 에 따른 적절한 가온 상태로 소형재(W)를 가공함으로써 소형재(W)의 금속소재가 유동되기 쉬워져 가온시의 가공이나 그 후 가공을 하기 수워진다. 즉, 수 vol% 이하의 적정 소량의 마르텐사이트가 오스테나이트와 등량의 전위 밀도를 유지하면서 균일하게 변태 분포함으로써, 그 가공이나 그 후 가공시에 변형 여유도를 증대시킨다. 이와 관련하여, 버링 가공시에 본 가온 방법(Md₃₀값에 따른 가열)을 적용한 경우, 재료에 따라서도 다르지만 통상 구멍 팽창률은 1.2 정도인데 반하여 1.5 정도까지 대폭 향상되는 것이 본 출원인에 의해 확인되어 있다. 구멍 팽창률이란 한계 버링 직경을 하부 구멍(24b)의 직경으로 나눈 값이며, 이것이 클수록 변형 여유도가 크다는 것을 나타낸다.

여기에서 본 출원인이 행한 소형재(W)의 가열 온도와 구멍 팽창률의 관계의 일례를 도 6에 나타낸다. 여기에서 사용한 소형재(W)는 SUS310S의 소둔재이며, 판두께 약 5㎜, Md₃₀=-10℃이다. 또한 이 표에서는 실온에서의 구멍 팽창률이 1.1이었던 것이 80℃ 정도의 가공 온도로 설정함으로써 1.7 정도까지 대폭 상승한 것을 알 수 있다. 이와 같이 소재의 Md₃₀값에 따른 가열은 소형재(W)의 변형 여유도를 증대시키는 것인데, 이외에도 가공 중 다이스나 펀치 등에 작용시키는 하중도 적어도 되므로 가공 작업 자체를 행하기 쉬워진다.

또, 이러한 가공 중 장치와 소형재(W)의 접촉면, 예를 들어 소형재(W)에 버링 가공을 실시하는 경우, 펀치(73)과 보스 형성부(24a) 내면의 접촉 부분 등에 마찰력의 저감을 도모하는 수용성 내열 윤활제를 개재시키는 소위 본데 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 이는, 붕산트리메틸 또는 인산염 중 어느 하나 또는 양방에 대하여 적절히 왁스를 첨가하여 유기 용매 또는 물에 혼입시킨 내열성을 갖는 특수 윤활제를 직접도포, 롤 코터, 적하법, 사전반응 처리 등으로 도포 또는 도막형성하는 처리이다. 이와 관련하여 일반 윤활제는 가온에 의해 점도 저하를 일으켜 윤활성이 열화되기 때문에, 예를 들어 고온 분위기하에서는 거의 사용할 수 없고, 또한 WS₂나 MoS₂ 등의 고점도 윤활제는 작업성, 특히 제거성이 나빠 역시 적합하지 않다. 이에 반하여, 상기 서술한 수용성 내열 윤활제는 예를 들어 버링 가공 등의 돌출 가공을 원활하고 확실하게 행할 수 있는 것은 물론, 윤활제의 사용에 따른 도포성, 건조성, 고온 윤활성, 제거성 등이 향상되어 터빈 프레임(2)을 한 층 더 효율적으로 제조할 수 있다.

(3)온도 경사 부여

이것은 가공되는 소형재(W)에 적절한 온도 경사를 부여하는 것으로, 여기에 서는 일례로서 도 3에 나타낸 바와 같이 딥 드로잉 가공되는 소형재(W)를 예로 들어 설명한다. 이 도면에서 점 a는 소형재(W)의 거의 중앙부(보스 형성부(24a)이며, 여기서부터 둘레가장자리부(플랜지 형성부(23a))에 걸쳐 순서대로 점 b, 점 c, 점 d, 점 e라고 한다. 즉, 점 a는 소형재(W)에서의 펀치(83)의 거의 중앙부위를 나타내고, 점 b는 소형재(W)에서의 펀치(83) 숄더부를 나타내며, 점 d는 소형재(W)에서의 다이스(81) 숄더부를 나타내고, 점 e는 다이스(81)와 워크홀더(82)에 의해 협지되는 둘레가장자리부를 나타낸다. 또, 점 c는 딥 드로잉 가공에 의해 형성되는 벽부의 거의 중간 위치(점 b와 점 d의 한가운데 부근)를 나타내고 있다.

그리고 여기에서는 딥 드로잉 가공 중인 소형재(W)에 대하여 보스 형성부(24a; 중앙부)를 저온측으로 하고, 플랜지 형성부(23a; 둘레가장자리부)를 고온측으로 하는 온도 경사를 부여하는 것이다. 이 때문에 펀치(83)는 냉각수 순환 등의 적절한 냉각수단을 구비하여 소형재(W)를 누르는 저부를 저온 상태로 할 수 있게 구성된다. 또 다이스(81)와 워크홀더(82)는 통전 히터 등의 적절한 가열 수단을 구비하여 소형재(W)의 둘레가장자리부(협지부)를 가온할 수 있게 구성되어 있다. 또, 상기 도 3에 나타낸 형태에서는, 소형재(W)에 온도 경사를 부여하는 부위는 딥 드로잉 가공에 의해 형성되는 벽부, 즉 점 b～d 사이에 해당하는 것이고(점 a가 저온측, 점 e가 고온측), 온도경사의 정도는 일례로서 약 0.5～3℃/㎜ 정도이다.

또한 여기에서는 소형재(W)의 점 a를 거의 일정한 저온 상태로 유지하는 동시에 소형재(W)의 점 e를 히터 등을 흐르는 전류 제어에 의해 적절한 온도로 가열 할 수 있게 구성되어 있다. 이는 딥 드로잉 가공 중 주로 소형재(W)의 점 b～점 d가 신장되는 것에 기인하여, 온도 경사를 약 0.5～3℃/㎜ 정도의 범위로 유지하기 위해서는 대부분의 경우 딥 드로잉 가공의 진행과 함께 소형재(W)의 점 e 측을 가열할 필요가 있기 때문이다. 그러나, 물론 소형재(W)의 점 e를 일정한 가온 상태로 유지하여도 온도 경사가 약 0.5～3℃/㎜ 정도의 범위를 일탈하지 않는 경우에는 가공 중 히터를 흐르는 전류를 일정하게 유지하는 것이 가능하다.

여기에서 딥 드로잉 가공 중의 소형재(W)의 각 점의 온도 상태의 일례를 도 7에 나타내며, 여기에서는 점 a～점 b까지를 약 5℃ 정도의 일정값으로 유지하는 동시에 점 d～점 e까지를 약 85℃ 정도로 유지하고 있다. 이와 관련하여 이 경우 벽부의 온도 경사는 점 b～점 d 간의 거리가 40㎜ 정도이므로 (85-5)/40에 의해 산출되어 약 2℃/㎜ 의 온도 경사가 된다.

이러한 본 실시의 형태에서는, 소형재(W)의 플랜지 형성부(23a; 점 e)를 가열하는 동시에 보스 형성부(24a; 점 a)를 냉각하는데, 펀치(83)를 적극적으로 냉각하지 않아도 점 e를 고온측으로 하는 원하는 온도 경사가 얻어져 가공성(딥 드로잉성)을 충분히 향상시키는 것이 가능하다면 점 e만 가열해도 상관없다. 이와 관련하여 펀치(83)의 적극적인 냉각을 요하지 않는 경우란 예를 들어 소재의 가공 유기 마르텐사이트 변태 지표인 Md₃₀값이 20℃ 이상 정도로 높은 값인 경우이다.

여기에서, 가공 중 소형재(W)의 보스 형성부(24a)를 저온으로 하는 이유, 및 본 출원인이 약 0.5～3℃/㎜ 정도의 온도 경사가 양호하다는 지견을 얻은 경위에 관하여 개략적으로 설명한다. 예를 들어 딥 드로잉 가공에서는 소형재(W)의 벽부(도 2 중에서는 점 b～점 d)의 형성은 다이스(81) 측으로부터 굽힘, 복귀, 인장의 각 모드의 변형 양식으로 이루어지며, 딥 드로잉성을 높이기 위해서는 펀치(83)의 숄더부 파단을 최대한 발생시키지 않는 것이 중요하다. 그러기 위해서는 상기 세 가지 각 모드에 의한 재료 변형이 균일하게 진행되는 동시에 펀치(83)의 숄더부에 가까워짐에 따라 파단 저항을 크게 하여 강도를 높일 필요가 있으며, 이를 위하여 보스 형성부(24a)를 냉각하는 것이다.

또, 이들 각 모드의 변형 용이성과 그 균일성, 파단 강도의 증대 등을 만족시키기 위해서는 벽부의 온도 경사 부여가 효과적이며, 본 출원인이 행한 각종 온도 경사 부여의 시험으로부터 이 적정 범위는 약 0.5～3℃ 정도/㎜이라는 지견을 얻었다. 도 8에 나타낸 한계 드로잉비의 데이터는 그 일례를 나타내는 것이며, 여기에서의 한계 드로잉비란 블랭크 직경(D₀)을 펀치 직경(D_P)으로 나눈 값이고, 이 수치가 클수록 딥 드로잉성이 양호한 것을 나타내고 있다. 그리고 이 그래프로부터 약 0.5～3℃ 정도/㎜ 정도의 온도 경사일 때 한계 드로잉비가 양호하다는 것을 알 수 있다(이 그래프에서는 2.5℃ 정도/㎜의 온도 경사에서 한계 드로잉비가 가장 높다).

그리고, 예를 들어 소형재(W)를 딥 드로잉 가공할 때에는 펀치(83)의 스트로크 스피드를 하사점에 이르기 직전 부근에서 1㎝/초 이하로 저속 제어하거나 또는 이러한 저속 제어에 더하여 펀치(83)가 하사점 위치에 도달한 단계에서 펀치(83)를 일단 정지시키는 인칭 제어를 하는 것이 가능하며, 이러한 제어에 의해 한층 더 딥 드로잉 가공성의 향상을 기대할 수 있다.

또, 금속판재에 버링 가공이나 딥 드로잉 가공을 실시하거나 또는 이들 가공을 온간 상태에서 행하는 것 등은 종래부터 안출되어 왔으나, 이는 오로지 스테인리스제 등의 박강판을 가공한 경우이며, 난가공성 내열금속재, 게다가 5㎜ 정도로 비교적 두꺼운 판두께에는 적용할 수 없는 것이 현상황이었다. 그러나 본 실시의 형태에서는 상기 서술한 바와 같이 소재의 Md₃₀에 따른 온간 성형, 본데 처리(특수 윤활제의 도포), 소형재(W)에 대한 적절한 온도 경사 부여, 가공 속도 제어(펀치의 하사점 부근에서의 스트로크 저속·인칭 제어) 등 여러 가지 기술적 검토를 함으로써 비교적 두꺼운 내열 금속재에 대해서도 버링 가공이나 딥 드로잉 가공 등을 현실에서 행할 수 있게 되어 있다.

또, 소형재(W)의 재질로서 내열 압연재를 적용한 것에 관련되어 내고온 마모성의 열화가 우려되는 경우에는, 터빈 프레임(21; 소형재(W))의 표면에 Cr-C 피막(크롬 탄산물의 피막) 등의 표면 개질을 실시하여 내고온 마모성을 향상시키는 것이 가능하다. 표면 개질로는 Cr-C 피막 외에 Cr-N 피막(크롬 질화물의 피막)도 생각할 수 있는데, 터빈 프레임(21)의 사용 온도가 800～1000℃ 정도인 것을 고려하면, Cr-N 피막은 사용 중 분해, 변질될 우려가 있으므로 Cr-C 피막이 바람직하다.

이하에 본 발명의 효과를 서술하면, 먼저 청구항 1 또는 7에 기재된 발명에 의하면, 블랭크재(소형재(W))의 블랭킹, 보스 형성부(24a)의 돌출, 수용구멍(25)의 개구 등 프레임 세그먼트(21)의 전체 가공 공정을 프레스(단조)에 의해 행할 수 있다. 따라서 제조 공정에서 절삭 가공을 최대한 배제할 수 있어 프레임 세그먼트(21)의 양산화를 실현하는 것이다.

청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 터빈 프레임(2)의 제조 공정의 일부 또는 전부를 온간 상태에서 행하기 때문에 가공에 요하는 힘이 적어도 되어, 펀치나 다이스 등에 가해지는 부하를 경감시킬 수 있다. 또, 온간 상태에서의 가공에 의해 소형재(W)의 가공성을 향상시킬 수 있어, 원하는 형상이나 치수에 매우 가까운 제품(터빈 프레임(2))을 얻을 수 있다.

청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 소형재(W)는 사용되는 내열소재의 가공 유기 마르텐사이트 변태량에 따라 적절한 온도 조건으로 설정되어 돌출 가공 등이 실시되기 때문에, 보다 정밀도가 높은 터빈 프레임(2)을 제조할 수 있다.

또, 청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 예를 들어 소형재(W)에 딥 드로잉 가공을 한 경우, 둘레가장자리부(플랜지 형성부(23a))를 고온측, 중앙부분(보스 형성부(24a))을 저온측으로 하는 온도 경사를 부여함으로써 둘레가장자리부(플랜지 형성부(23a))는 데워져 변형 저항이 작아지고, 중앙부분(보스 형성부(24a))은 냉각되어 파단 저항을 높이는 상태가 되어 딥 드로잉성을 양호하게 한 상태에서 가공할 수 있다.

청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 소형재(W)와 가공 장치 사이에 수용성 내열 윤활제를 개재시키기 때문에, 예를 들어 소형재(W)에 버링 가공을 실시할 때, 버링 장치(7)와 소형재(W)의 마찰 저항을 효과적으로 저감할 수 있을 뿐만 아니라 도포성이나 제거성 등도 향상시킬 수 있다.

청구항 6에 기재된 발명에 의하면, 예를 들어 소형재(W)에 딥 드로잉 가공을 하는 경우, 펀치(63)를 하사점 위치 부근에서 저속 제어하거나 인칭 제어함으로써 터빈 프레임(2)을 한층 더 높은 정밀도로 실현할 수 있다.

청구항 8 또는 9에 기재된 발명에 의하면, 우수한 내열성을 가지며 정밀도가 높은 배기 가이드 어셈블리(A)나 VGS 타입 터보 차저의 양산화를 현실화시킬 수 있다. 또, 고온·배기 가스 분위기하에서 배기 가스(G)의 유량 조절을 정확하고 확실하게 행할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은, VGS 타입 터보 차저에 있어서, 가변 날개를 회전운동 자유롭게 유지하는 터빈 프레임을 제조할 때, 번잡한 절삭 가공을 거의 요하지 않고 제조할 수 있게 하여, 이로 인해 터빈 프레임, 나아가서는 이것을 장착하여 이루어지는 VGS 터보 차저 등의 양산화를 현실화시키고자 하는 경우에 적합하다.

Claims (9)

1. 배기 터빈(T)의 외주 위치에서 복수의 가변 날개(1)를 회전운동 자유롭게 유지하고,

   엔진에서 배출된 비교적 적은 배기 가스(G)를, 상기 가변 날개(1)에 의해 적절히 압축하고, 배기 가스(G)의 속도를 증폭시키고, 배기 가스(G)의 에너지로 배기 터빈(T)을 회전시키고, 이 배기 터빈(T)에 직결된 콤프레서로 자연 흡기 이상의 공기를 엔진에 보내어 저속 회전시에도 엔진이 고출력을 발휘할 수 있게 한 VGS 타입 터보 차저에 장착되는 터빈 프레임(2)을 제조함에 있어서,

   상기 터빈 프레임(2)은, 일정한 판두께를 가진 금속재로부터 보스 형성부(24a)와 플랜지 형성부(23a)를 일체로 갖도록 블랭킹된 블랭크재를 터빈 프레임의 원형부재인 소형재(W)로 하는 것으로,

   이 소형재(W)를 가공함에 있어서는, 프레스 단조형에 의해 보스 형성부(24a)를 돌출 상태로 형성하고,

   또한 플랜지 형성부(23a)에, 가변 날개(1)를 회전운동 자유롭게 유지하는 수용구멍(25)을 블랭킹하여 형성하고,

   상기 소형재 (W) 에는 오스테나이트계의 내열 소재가 적용되고

   소형재(W)의 가공에서는, 소형재(W) 또는 가공 장치 중 어느 하나 또는 양방을 소형재(W)의 가공 유기 마르텐사이트 변태 지표인 Md₃₀값에 따라 가열하고,

   상기 소형재(W)를 가공함에 있어서는, 가공되는 소형재(W)에 상기 소형재 (W) 의 보스 형성부 (24a) 를 저온측으로 하고, 플랜지 형성부 (23a) 를 고온측으로 하도록 0.5 ～ 3℃/mm 의 온도 경사를 부여하도록 한 것을 특징으로 하는 VGS 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 일정한 판두께를 가지는 금속재는 내열 압연재인 것을 특징으로 하는 VGS 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 금속재는 5mm 의 판두께를 갖는 것을 특징으로 하는 VGS 타입 터보 차저에서의 터빈 프레임의 제조방법.
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7. 배기 터빈(T)의 외주에 설치되며 복수의 가변 날개(1)를 회전운동 자유롭게 유지하는 수용구멍(25)을 구비하여 이루어지며,

   엔진에서 배출된 비교적 적은 배기 가스(G)를, 이 가변 날개(1)에 의해 적절히 압축하고, 배기 가스(G)의 속도를 증폭시키고, 배기 가스(G)의 에너지로 배기 터빈(T)을 회전시키고, 이 배기 터빈(T)에 직결된 콤프레서로 자연 흡기 이상의 공기를 엔진에 보내어 저속 회전시에도 엔진이 고출력을 발휘할 수 있게 한 VGS 타입 터보 차저에 장착되는 터빈 프레임(2)에 있어서,

   상기 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 터빈 프레임.
8. 엔진에서 배출되는 배기 가스(G)의 유량을 적절히 조절하여 배기 터빈(T)을 회전시키는 가변 날개(1)와,

   상기 가변 날개(1)를 배기 터빈(T)의 외주부에서 회전운동 자유롭게 지지하는 터빈 프레임(2)과,

   상기 가변 날개(1)를 적절히 회전운동시켜 배기 가스(G)의 유량을 조절하는 가변 기구(3)를 구비하며,

   적은 배기 유량을 가변 날개(1)에 의해 압축하고, 배기의 속도를 증가시켜, 저속 회전시에도 고출력을 발휘할 수 있게 한 VGS 타입 터보 차저에서의 배기 가이드 어셈블리(A)에 있어서,

   상기 터빈 프레임(2)은, 상기 제 7 항에 기재된 터빈 프레임(2)이 적용되는 것을 특징으로 하는 VGS 타입 터보 차저의 배기 가이드 어셈블리.
9. 엔진의 배기 에너지에 의해 배기 터빈(T)을 구동하고, 이 출력에 의해 배기 터빈(T)에 직결된 콤프레서를 회전시켜 엔진에 자연 흡기 이상의 과급 상태를 가져오게 한 터보 차저에 있어서,

   상기 터보 차저는 상기 제 8 항에 기재된 배기 가이드 어셈블리(A)가 장착되어 이루어지고,

   엔진이 저속 회전하고 있을 때에도 비교적 적은 배기 가스(G)를 적절히 압축하고, 배기 가스(G)의 속도를 증폭시켜서 고출력을 발휘할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 VGS 타입 터보 차저.

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