JPS60198302A - Turbine shaft - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To enables safe and efficient grinding finish of a ceramic shaft and a metallic shaft, by a method wherein the size of the metallic shaft, joined with the ceramic shaft, is decreased over a size, within at least a range required for grinding fishish, of the ceramic shaft. CONSTITUTION:A diameter DM of a larger part 15A of a metallic shaft 15 is decreased over a diameter DC of a ceramic shaft 2. A collar for thrust bearing is engaged with a small part 15B of the metallic shaft 15, and is forced into contact with the collar surface of the large part 15A. In which case, a collar area, being wide eough to allow support of a thrust, must be ensured, and metal is more easy to machining, whereby the shaft of the metallic shaft 15 is previously increased to a little higher value, and centering adjustment is made through cutting of the metallic shaft 15 side. Further, the large part 15A of the metallic shaft 15 is previously increased slightly over the size of the ceramic shaft 2, and during cutting of the small part 15B of the metallic shaft 15 and a screw part 15C after joining, the size of the large part 15A is decreased over that of the ceramic shaft 2.

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はタービン軸に関し、特にタービンロータと一体
化に形成されたセラミック製軸部と金属製軸部とを接合
した構造のタービン軸に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field] The present invention relates to a turbine shaft, and more particularly to a turbine shaft having a structure in which a ceramic shaft part integrally formed with a turbine rotor and a metal shaft part are joined.

〔従来技術〕[Prior art]

従来のこの種のタービン軸は、ターボチャージャや圧縮
機に直結されるガスタービン等に好適なものとして開発
されておシ、一般にはセラミックスの軸部と金属軸とを
嵌合または突合せの状態で接合するように構成されてい
る。しかして、このようなタービン軸の構成とするには
、双方の軸心を完全に一致させるための工作やセラミッ
ク軸の有する脆性に対してどのような配慮がなされるか
などの種々な問題点がある。Conventional turbine shafts of this type have been developed as suitable for gas turbines that are directly connected to turbochargers and compressors, and are generally made by fitting or abutting a ceramic shaft and a metal shaft. configured to join. However, in order to configure such a turbine shaft, there are various problems such as machining to ensure that both shaft centers are perfectly aligned and what kind of consideration should be given to the brittleness of the ceramic shaft. There is.

第１図および第２図唸従来のこのようなタービン軸の一
例を示し、第１図は突合せて接合された例、また第２図
は嵌合して接合された例である。FIGS. 1 and 2 show an example of such a conventional turbine shaft. FIG. 1 shows an example in which the turbine shafts are butted and joined, and FIG. 2 shows an example in which they are joined by fitting.

まず、第１図において、１はセラミックスで形成された
タービンロータ、２はタービンロータ１と一体に成形さ
れたセラミックスの軸でアシ、本例ではこのセラミック
軸２が２つの軸受３および４によって枢支されている。First, in FIG. 1, 1 is a turbine rotor made of ceramics, 2 is a ceramic shaft formed integrally with the turbine rotor 1, and in this example, this ceramic shaft 2 is pivoted by two bearings 3 and 4. supported.

しかして、このセラミック軸２は金属軸５０大径部５Ａ
と圧縮機インベニ７６寄シ、の低温な位置で突合せの状
態で接合されておυ、接合にはろう付けなどが用いられ
る。なおここで、大径部５Ａとセラミック軸２とは同一
の径に形成されておシ、更に大径部５Ａおよびセラミッ
ク軸の接合端部は接合強度が保たれる範囲内で共に面取
シされていて、これらの面取シによって形成される猥状
の凹部７にろう付は用のろうが溶着される。Therefore, this ceramic shaft 2 has a large diameter portion 5A of the metal shaft 50.
They are joined in a butt state at a low temperature position near the compressor inlet 76, and brazing or the like is used for joining. Note that the large diameter portion 5A and the ceramic shaft 2 are formed to have the same diameter, and the joint ends of the large diameter portion 5A and the ceramic shaft are both chamfered within a range that maintains the joint strength. The solder for soldering is welded to the obscene recess 7 formed by these chamfers.

８は金属軸５の小径部５Ｂに嵌合させたスラスト軸受用
のカラ部材であシ、小径部５Ｂにはカラ部材８、更にイ
ンペラ６を嵌合させ、更にそのねじ部５０にワッシャ９
およびナツト１０を取付けて螺締することによシロータ
１とインペラ６とが同一軸系に固定されている。Reference numeral 8 denotes a thrust bearing collar member fitted to the small diameter portion 5B of the metal shaft 5. The collar member 8 and the impeller 6 are fitted to the small diameter portion 5B, and a washer 9 is fitted to the threaded portion 50.
By attaching and screwing a nut 10, the rotor 1 and the impeller 6 are fixed to the same axis.

なお、このような組立てがなされるにあたっては、まず
上述した接合がなされた後、金属軸部の粗加工、ついで
セラミック軸２の特殊研磨砥石による粗加工および仕上
加工がなされ、最後に金属軸部の仕上加工がなされる手
順をふんで双方の軸心間に狂いが生じないようにしてい
る。In order to perform such an assembly, the above-mentioned joining is first performed, then the metal shaft is rough-processed, then the ceramic shaft 2 is rough-processed and finished with a special grindstone, and finally the metal shaft is This finishing procedure is used to ensure that there is no misalignment between the two axes.

また、第２図においては、金属軸５の大径部５Ａに嵌合
孔５Ｄが設けられていて、との嵌合孔５Ｄにセラミック
軸２の嵌合部２Ａを焼ばめするか、若しくはろう付けす
るかして嵌合固定させる。しかして、この場合、強度上
の形状的な不連続を避けるために、セラミック軸２の嵌
合部２人が形成される付は根部分はテーパ状に・形成さ
れておシ、一方、金属軸５の嵌合孔５Ｄが形成される軸
端もまた、セラζ＼ツク軸嵌合部２Ａに急激な応力変化
を与えないようにするためにテーバが形成されていて、
これらのテーパによシ、この部分に第１図と同様な凹部
７Ａが形成されている。In addition, in FIG. 2, a fitting hole 5D is provided in the large diameter portion 5A of the metal shaft 5, and the fitting portion 2A of the ceramic shaft 2 is shrink-fitted into the fitting hole 5D. Fit and fix by brazing. In this case, in order to avoid shape discontinuity in terms of strength, the base of the ceramic shaft 2 where the two mating parts are formed is tapered, while the metal The shaft end where the fitting hole 5D of the shaft 5 is formed is also tapered to prevent sudden stress changes from being applied to the shaft fitting portion 2A.
A recess 7A similar to that shown in FIG. 1 is formed in this portion of these tapers.

なお、本例においても金属軸５０大径部５Ａとセラミッ
ク軸２の嵌合部２人以外は同一径に形成されておシ、以
て軸受３および４に互換性を持たせ同一寸法のものが適
用できるようにしている。Also in this example, the large diameter portion 5A of the metal shaft 50 and the two fitting portions of the ceramic shaft 2 are formed to have the same diameter, so that the bearings 3 and 4 are compatible and have the same dimensions. is applicable.

また、その他の構成については第１図の例と変わらない
。Further, the other configurations are the same as the example shown in FIG.

しかしながら、これらのように構成された型のタービン
軸にあっては、何れの場合も接合部近傍において、金属
軸５の大径部５Ａとセラミック軸２とを同一の軸径とし
ているために、以下に述べるような工作加工上の問題点
があった。すなわち、（１）金属軸５とセラミック軸２
とを接合状態となしてセラミック軸２を研磨するには、
セラミック専用砥石が使用されるが、このようなセラミ
ック専用砥石には通常の場合ダイヤモンド砥石が使用さ
れておシ、この砥石によシセラミック軸２と金属軸５と
を共に研磨することは、研削効率や寸法精度の保証の点
からいって好ましいことではない。However, in any of these types of turbine shafts configured, the large diameter portion 5A of the metal shaft 5 and the ceramic shaft 2 have the same shaft diameter near the joint. There were problems in machining as described below. That is, (1) metal shaft 5 and ceramic shaft 2
To polish the ceramic shaft 2 with the two in a bonded state,
A grindstone dedicated to ceramics is used, but a diamond grindstone is usually used for such a grindstone dedicated to ceramics, and polishing both the ceramic shaft 2 and the metal shaft 5 with this grindstone is a process of grinding. This is not desirable from the standpoint of efficiency and guaranteeing dimensional accuracy.

（２）　これに加えて、セラミック軸２を第１図または
第２図の例で、例えば右方から専用砥石でトラバース研
磨する場合、セラミック軸２と金属軸５との間には凹部
７または７Ａが形成されてはいるものの、砥石をセラミ
ック軸２と金属軸５との接合部すなわち、この凹部７や
７Ａが形成されている位置にまで送シ込んで均−面を形
成しようとすると、金属軸大径部５Ａの局面に当ってし
まい、びびシ等が生じて、ためにセラミック軸２の方に
割れが発生しやすい。(2) In addition, when the ceramic shaft 2 is traverse polished from the right side using a special grindstone in the example shown in FIG. 1 or 2, there is a recess 7 or 7A is formed, but if you try to drive the grindstone to the joint between the ceramic shaft 2 and the metal shaft 5, that is, to the position where the recesses 7 and 7A are formed, to form a uniform surface, This hits the surface of the large diameter portion 5A of the metal shaft, causing vibrations and the like, which makes the ceramic shaft 2 more likely to crack.

（３）　更にまた、このような専用砥石は一般に平坦な
研磨直の成形が容易でないが、セラミック軸２に軸受３
や４を設ける限シ、少なくともその摺動部はミクロン単
位め精度に仕上げられる必要があシ、それＫは専用砥石
をセラミック軸２の軸端、第２図の例では段付き部まで
完全に通過させてトラバース研磨を行うのでなければ達
成できない。(3) Furthermore, although it is generally not easy to form such a dedicated grindstone into a flat shape immediately after polishing, the ceramic shaft 2 is equipped with a bearing 3.
4, at least the sliding part needs to be finished to an accuracy of microns, and the purpose of this is to completely grind the dedicated grindstone to the shaft end of the ceramic shaft 2, up to the stepped part in the example shown in Figure 2. This can only be achieved by passing it through and performing traverse polishing.

〔目　的　〕〔the purpose 〕

本発明は、このような従来の問題点の解決を図るべく、
金属軸とセラミック軸とを接合して構成されるタービン
軸のセラミック軸部の研磨加工時に、支障なく仕上研磨
がなされて良好な寸法精度が得られ、作業性の向上を図
ることのできるタービン軸を提供することにある。The present invention aims to solve such conventional problems,
When polishing the ceramic shaft part of a turbine shaft made by joining a metal shaft and a ceramic shaft, a turbine shaft that can be finished polished without any problems to obtain good dimensional accuracy and improve workability. Our goal is to provide the following.

後の荒仕上げの状態で金属軸部の径がセラミックスの少
なくとも研磨対称となる軸部の径よシ小さくなるように
なして、特殊研磨砥石が金属軸部に接触することなくト
ラバースしてセラミック軸部の研磨仕上げが可能なよう
にする。In the later rough finishing state, the diameter of the metal shaft is made smaller than at least the diameter of the shaft to be polished, so that the special polishing wheel can traverse without contacting the metal shaft and polish the ceramic shaft. Allows polishing of parts.

〔実施例〕〔Example〕

第３図■およびω）は本発明の一実施例を示し、本例は
突合せ接合とした場合の適用例である。FIGS. 3 and 3) show an embodiment of the present invention, and this example is an application example in which butt joints are used.

ここで、その構成は第１図の場合と同様であるが、セラ
ミック軸２の径ＤＣよシ金属軸１５の大径部１５Ａ　の
径ＤＭが小さく形成される。Here, the configuration is the same as that in FIG. 1, but the diameter DM of the large diameter portion 15A of the metal shaft 15 is formed smaller than the diameter DC of the ceramic shaft 2.

すなわち、例えば径ＤＣが１０ｗｎであれば、径ＤＭの
方は９．９鴎というように０．１＋ｓ程度小さくなして
、研磨仕上げがなされるようにする。That is, for example, if the diameter DC is 10wn, the diameter DM is made smaller by about 0.1+s, such as 9.9mm, to achieve a polished finish.

次に、このように構成するタービン軸の加工手順を説明
する。本例のようにスラスト軸受用力２８を金属軸１５
の小径部１５Ｂに嵌合させ、大径部１５Ａのカラー面と
当接させるｉ゛うにした構成では、スラストを受けるに
十分なだけのカラー面積を確保する必要があシ、更に金
属の方がはるかに加工し易いことから、金属軸１５の方
の径をあらかじめ大きいめとしておいて、金属軸１５の
方を切削加工することによって心出し調整を行うように
した方がよい。Next, a procedure for machining the turbine shaft configured as described above will be explained. As in this example, the thrust bearing force 28 is applied to the metal shaft 15.
In this configuration, where the collar is fitted into the small diameter part 15B of the collar and comes into contact with the collar surface of the large diameter part 15A, it is necessary to secure a sufficient collar area to receive the thrust. Since it is much easier to process, it is better to make the diameter of the metal shaft 15 larger in advance and perform centering adjustment by cutting the metal shaft 15.

また、セラミックスと金属とでは研削性も異なるので、
同一工具で研磨するのは好ましくない。In addition, the grindability of ceramics and metals is different, so
It is not recommended to use the same tool for polishing.

そこで、本例では接合前の状態で金属軸大径部１５Ａを
あらかじめセラミック軸２よシ太めとしておき、接合し
たあとの金属軸１５の小径部１５Ｂやねじ部１５０を含
む切削加工時にその大径部１５Ａの径をセラミック軸２
よシ小さくする。Therefore, in this example, the large diameter part 15A of the metal shaft is made thicker than the ceramic shaft 2 before joining, and the large diameter part 15A is made thicker than the ceramic shaft 2 before joining. The diameter of part 15A is
Make it smaller.

かくして、上述したように特殊砥石によるセラミック軸
２の研磨仕上、金属軸部１５の研磨仕上を個別に支障な
く行うことができる手はずを整えることができる。In this way, arrangements can be made to individually polish the ceramic shaft 2 and the metal shaft portion 15 using the special grindstone without any trouble, as described above.

第４図は本発明の他の実施例であシ、本例は嵌合による
接合とした場合の適用例である。その構成は第２図の場
合とほぼ同様であるが、本例では、ラジアル軸受３およ
び４を何れもセラミック軸２に設けるようにする。FIG. 4 shows another embodiment of the present invention, and this example is an application example in which connection is made by fitting. Its structure is almost the same as that shown in FIG. 2, but in this example, both radial bearings 3 and 4 are provided on the ceramic shaft 2.

しかして、金属軸２５の大径部２５Ａを第２図の場合よ
シは幾分短か目となして、少なくとも接合後の研磨仕上
げ前の状態において、大径部２５ムの径がセラミック軸
２の径よシわずかながらでも小さくなるようにする。Therefore, the diameter of the large diameter portion 25A of the metal shaft 25 is slightly shorter than that shown in FIG. Make it slightly smaller than the diameter of 2.

第５図は本発明の更に他の実施例を示す０本例では金属
軸１５の側は第１図の場合と同様であるが、セラミック
軸１２の少なくとも軸受３および４の摺接部１２Ａおよ
び１２Ｂ　とその近傍をセラミック軸１２のその他の部
分よシ太めに形成する。なお、本例の場合は金属軸大径
部１５Ａの径をセラミック軸１２の接合部近傍の径よシ
必らずしも細めとする必要はない。FIG. 5 shows still another embodiment of the present invention. In this example, the metal shaft 15 side is the same as that in FIG. 12B and its vicinity are formed to be thicker than the other parts of the ceramic shaft 12. In this example, the diameter of the metal shaft large diameter portion 15A does not necessarily have to be smaller than the diameter near the joint of the ceramic shaft 12.

このように構成した場合は、セラミック軸１２の研磨仕
上げにあｆｃシ、その摺動部１２Ａおよび１２Ｂ　の近
傍の太めとした部分のみの研磨を実施すればよいので、
その研磨砥石が大径部１５Ａに接触するようなこ左がな
い。なお、タービン軸の加工手順については第３図の例
で説明したと同様であってよい。With this configuration, it is only necessary to polish and finish the ceramic shaft 12, and polish only the thicker parts near the sliding parts 12A and 12B.
There is no way that the polishing wheel comes into contact with the large diameter portion 15A. Note that the processing procedure for the turbine shaft may be the same as that described in the example of FIG. 3.

本例の場合はセラミック軸１２の接合部における接合強
度の低下をきたさないよう、摺動部１２Ａおよび１２Ｂ
の近傍のみを強度的に設定したその他の部分の径よシ太
めとするか、あるいはその他の部分の径を強度的に設定
した径よシ細くする場〔効果〕 以上説明したように、本発明によれば、セラミック軸と
金属軸とを突合せまたは嵌合の状態で接合し、研磨仕上
げがなされるタービン軸の研磨仕上げ前の粗加工の状態
において、金属軸部の径をセラミック軸の少なくとも研
磨仕上げがなされる範囲の径よシ小さくするようにした
ので、セラミック軸に要する研磨仕上げをセラミック専
用砥石によって金属軸に接触させることなく全般にまた
が、９）ラバース研削することが可能となシ、従来のよ
うにセラミック軸の研磨時に金属軸と接触することによ
ってびびシが発生して化２ミック軸に割れが発生したシ
する虞が無くなシ、良好な寸法精度の仕上が得られるの
みならず、作業性の向上を図ることができる。　−In this example, the sliding parts 12A and 12B are
[Effect] As explained above, when the diameter of only the vicinity of the area is made thicker than the diameter of other parts set for strength, or the diameter of other parts is made thinner than the diameter set for strength. According to the above, when a ceramic shaft and a metal shaft are joined in abutting or fitting state and are being roughly machined before polishing a turbine shaft, the diameter of the metal shaft portion is adjusted to at least the polishing of the ceramic shaft. Since the diameter of the area to be finished is made smaller, the polishing finish required for the ceramic shaft can be applied to the entire area without contacting the metal shaft with a grindstone exclusively for ceramics. , there is no risk of cracks occurring in the chemical shaft due to chatter caused by contact with the metal shaft during polishing of the ceramic shaft as in the past, and a finish with good dimensional accuracy can only be obtained. Therefore, it is possible to improve work efficiency. −

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図および第２図はセラミック軸と金属軸とを突合せ
方式および嵌合方式によ多接合させた従来のタービン軸
の構成の一例をそれぞれ示す断面図、 第３図俵）は本発明タービン軸の構成の一例を示す断面
図、 第３図（Ｂ）はその接合部の拡大断面図、第４図および
第５図は本発明タービン軸の他の実施例としての構成を
それぞれ示す断面図である。 １・・・　タービンロータ ２．１２・・・　セラミック軸 １２Ａ、　１２Ｂ・・・　摺接部 ３．４・・・軸受 ５．１５．２５・・・　金属軸 ５ｊＬ　、　１５Ａ、　２５Ａ・・・　大径部５Ｂ、１
５Ｂ・・・　小径部 ５０　、１５０．２５０・・・　ねじ部５Ｄ・・・　嵌
合孔 ６・・・　インペラ ７．７Ａ・・・凹部 ８・・・　スラ軸受軸受カッ部材 ９・・・　ワッシャ １０・・・　ナツト。 特許出願人　日産自動車株式会社 代理人弁理士　谷　義　− 第３図旧） ＋５Ａ　７　２Figures 1 and 2 are cross-sectional views showing an example of the configuration of a conventional turbine shaft in which a ceramic shaft and a metal shaft are joined in multiple ways by butt and fitting methods, respectively, and Figure 3) shows a turbine of the present invention. 3(B) is an enlarged sectional view of the joint portion thereof; FIGS. 4 and 5 are sectional views showing the configurations of other embodiments of the turbine shaft of the present invention; FIG. It is. 1... Turbine rotor 2.12... Ceramic shaft 12A, 12B... Sliding part 3.4... Bearing 5.15.25... Metal shaft 5jL, 15A, 25A... Large diameter Part 5B, 1
5B... Small diameter portion 50, 150.250... Threaded portion 5D... Fitting hole 6... Impeller 7.7A... Recessed portion 8... Sliding bearing cup member 9... Washer 10 ...Natsuto. Patent applicant: Yoshi Tani, patent attorney representing Nissan Motor Co., Ltd. - Figure 3 old) +5A 7 2

Claims (1)

【特許請求の範囲】 金属軸とセラミック軸とを突合せまたは嵌合によ多接合
し、その接合されたセラミック軸に研磨仕上げをなした
タービン軸において、前記研磨仕上げの際に、前記金属
軸を、その径が前記セラミック軸の少なくとも前記研磨
仕上げが必要な範囲の径よシ小さくなるように構成した
ことを特徴とするタービン軸。 （以下余白）[Claims] A turbine shaft in which a metal shaft and a ceramic shaft are joined together by butting or fitting, and the joined ceramic shaft is polished, and the metal shaft is polished during the polishing. . A turbine shaft, wherein the diameter thereof is smaller than at least the diameter of the ceramic shaft in the range where the polishing is required. (Margin below)