往复式压缩机及其制造方法.pdf

本发明提供一种往复式压缩机及其制造方法，该往复式压缩机具有与活塞杆球体连接的活塞球面座，通过提高活塞球面座的加工精度，可以在短时间内制造压缩效率高的压缩机。该压缩机具有汽缸、活塞杆和在该汽缸内往复运动的活塞，活塞杆具有与活塞连接的球体接头，活塞具有球面座，球面座具有与活塞杆的该球体接头连接的曲面，该球面座的曲面是对没有实施水蒸汽处理的烧结金属进行机械加工后实施水蒸汽处理而形成的。在水蒸汽处理前进行粗加工，在水蒸汽处理后再采用机械加工进行精加工。

1.  一种往复式压缩机，其特征在于，
具有汽缸、活塞杆和在该汽缸内往复运动的活塞，
该活塞杆具有与该活塞连接的球体接头；
所述活塞具有球面座，该球面座具有与该活塞杆的该球体接头连接的曲面；该球面座的曲面是对没有实施水蒸汽处理的烧结金属实施机械加工，然后再实施水蒸汽处理而形成的。

2.  根据权利要求1所述的往复式压缩机，其特征在于，所述球面座的曲面是在所述水蒸汽处理后再实施机械加工而形成的。

3.  根据权利要求1所述的往复式压缩机，其特征在于，
具有驱动所述活塞杆的曲轴和支撑该曲轴的支撑架；
该支撑架是与所述活塞在筒内往复运动的汽缸一体成型的。

4.  根据权利要求2所述的往复式压缩机，其特征在于，
具有驱动所述活塞杆的曲轴和支撑该曲轴的支撑架；
该支撑架是与所述活塞在筒内往复运动的汽缸一体形成的。

5.  根据权利要求1至4任一项所述的往复式压缩机，其特征在于，该往复式压缩机是用于压缩不含氯成分的冷媒的冷媒压缩机。

6.  一种往复式压缩机的制造方法，是在汽缸内与活塞杆球面接头相连的活塞在汽缸内往复运动的往复式压缩机的制造方法，其特征在于，
对没有实施水蒸汽处理的烧结金属，采用机械加工使活塞杆球面座的曲面成形，
在所述机械加工后，对该曲面实施水蒸汽处理。

7.  根据权利要求6所述的往复式压缩机的制造方法，其特征在于，在进行所述水蒸汽处理后再进行机械加工。

8.  根据权利要求6或7所述的往复式压缩机的制造方法，其特征在于，在所述活塞球面座的头面侧顶点附近，在机械加工所述球面座前成型凹坑。

9.  根据权利要求8所述的往复式压缩机的制造方法，其特征在于，在所述活塞球面座的头面侧顶点附近具有凹坑，该凹坑是用金属模具成型的。

往复式压缩机及其制造方法
技术领域
本发明涉及主要用于空调装置和冷冻装置的往复式压缩机。
背景技术
球面接头连接活塞和活塞杆构成的往复式压缩机，适用于以往车载空调中的斜板式压缩机或冷藏库中的密闭型压缩机等。
这种压缩机之一使用了专利文献1中所记载的技术。
特开平5-209588号公报中记载的，与活塞连接的部分呈球体的活塞杆，具有与活塞杆的球体连接的球面座的活塞，对金属粉末烧结成型后的烧结合金，实施蒸汽处理制造时，会将烧结合金特有的空孔封孔，可以提高耐磨耗性。
并且还记载有，对成为活塞活动部外周面实施磨削加工并除去氧化外膜，既能使尺寸稳定，还能使烧结合金特有的空孔完整且浸透润滑油。
特开2003-3956号公报中记载的由铁系烧结合金形成的球面座，开口直径小于活塞杆的球体直径。
发明内容
在以往的技术中，在涉及水蒸汽处理工序和机械加工工序的顺序中，没有考虑加工精度和加工时间方面的问题。
铁系烧结金属是在金属模具中充填金属粉末压缩成型后，加热使金属粉之间结合而获得的材料，但在制造过程中，因金属粉末处于熔融状态前没有加热，金属粉末间没有完全融合。因此，金属粉末间存有空孔，几乎没有延伸性。所以，要使烧结金属塑性变形时会发生脆性破坏，所以，如专利文献1中的图6和专利文献2中的图1所示，在制作球面座开口直径小于球面最大直径的结构时，即在开口方向制作缩径形状时，难以采用塑性变形进行成型。
并且，在由一般金属模具烧结形成希望形状的情况下，如专利文献1中的图1所示，必须把球面座的开口直径，制作得与球面最大直径相同或大于球面最大直径。
但是，在这种形状中，活塞杆的球体可能会从球面座中脱出。
因此，考虑了实施不进行塑性变形、而具有在活塞杆球体的曲轴近侧进行覆盖的烧结金属制球面座的往复式压缩机的方法。
作为这种方法，本发明人采用的方式是，在烧结金属上加工柱体孔后，采用车床切削等机械加工形成球面，再把球面的一部分除去，形成减掉幅面的两幅面，利用该球面座和该球体的两幅面，把球体插在球面座中。
在进行这种机械加工的基础上，本发明人还考虑到，在把合金烧结后不进行机械加工而进行水蒸汽处理，随后再进行机械加工。
但是，用具有以这种方式制造的球体座的压缩机评价结果表明，制造时间非常长，并且切削用刀具的后隙面磨耗大。因此，可知球体座加工后的曲面不良，活塞杆的活动性差，使压缩效率降低。
另外，由上述空孔引起汽缸内的压缩气体泄漏、会被由水蒸汽处理成形的氧化物堵塞，但在切削量大的情况下会完全除掉氧化层，容易产生前述空孔引起的压缩气体泄漏，也有压缩效率下降的情况。
所以，本发明的目的在于通过解决这些问题而提高活塞杆的光滑活动性，从而提高往复式压缩机的压缩效率。
本申请包含有多种解决上述问题的方法，但代表性方法如下。
本发明解决问题的方法中，作为与往复式压缩机的活塞杆连接的活塞，在形成球面座上的氧化膜前，采用切削等机械加工除去不必要的部分，随后进行水蒸汽处理。然后根据需要实施精确的机械加工。
这样，能防止伴随加工而产生的曲面粗糙，提高活塞杆活动的光滑性，所以，能提高压缩机的压缩效率。
并且，因在水蒸汽处理前经过了一次机械加工，由水蒸汽处理形成的球面座氧化物，特别是使用铁的情况下，会充分残留四氧化三铁(Fe₃O₄)层，所以，能抑制汽缸内压缩气体的泄漏。
根据本发明，能提高往复式压缩机的压缩效率。
附图说明
图1是表示本发明实施方式一实施例压缩机的纵剖面图。
图2是表示活塞和活塞杆结合状态的纵剖面图。
图3是表示本发明实施方式的一个实施例活塞加工工序的说明图和活塞的纵剖面图。
图4是用刀具后隙面的磨耗宽度表示加工烧结金属时工具磨耗的一个实例的曲线图。
图5是表示活塞、活塞杆、汽缸体外观的俯视图。
图6是表示出球面座顶点设置有凹口的活塞纵剖面图。
图7是表示获得图4所示结果的实验条件表。
具体实施方式
参照图1至图6说明本发明地一个实施形态。
图1是表示冷冻用往复式压缩机一个实施形态的纵剖面图。
该往复式压缩机中，冷却剂使用如异丁烷等碳氢化合物，在密闭容器即容器6内配置电机和由该电机驱动的压缩机构。
电机具有定子5a和转子5b。
在该转子5b上连接固定着曲轴4。
曲轴4配置成能贯通到在汽缸体2一部分处形成的、具有一定厚度孔的轴承2b内，且能随着转子5b的转动而转动。
在曲轴4上形成有偏芯销4a，能随着转子5b的转动而转动。
在销4a上，连接着相对曲轴的轴横向延伸着的活塞杆3。
在邻近汽缸筒的活塞杆3端部连接着活塞1。
活塞1由汽缸筒2a支撑，曲轴的转旋运动通过活塞杆，把转子5b的转动变换成活塞去路和经路基本一致的直线往复运动。
并且，在汽缸筒2a不邻接活塞杆一侧的端面上，固定配合有阀机构7，该阀机构7具有阀，该阀控制冷却剂在汽缸筒2a内的出入，在阀机构7上安装着消音器8，该消音器8减小压缩排出冷却剂的噪音。
在容器6的下部贮存着润滑剂，从曲轴4的下端向上吸，润滑曲轴4、活塞杆3、汽缸体2及活塞1中所存在滑动部分。
在本实施方式的实施形态中，活塞1和活塞杆3的连接使用球面接头。
参照图2说明该球面接头的结构。
图2是连接有活塞杆3的活塞1的纵剖面图，是沿图1中的A-A剖面剖开表示活塞杆3和活塞1连接处的放大图。活塞杆3在汽缸筒侧的端部，活塞杆3的球体以外的部分缩径(剖面面积变小)，用于防止与球面座的接触。并且，活塞杆的先端部形成球体3a。
活塞1具有球面座1a，球面座1a具有比活塞杆3的棒状部分移动范围更宽的开口部，形成近似球体的空间。
在球体3a上形成两个沿图2纸面法线方向的平面，使用这两个平面，可以进行相互插入或分离。
该活塞1是用含铁的材料烧结而成的铁系烧结金属材料制作的，采用机械加工、加工出球面座1a和外周面1b后，实施水蒸汽处理进行制作。
在该机械加工和水蒸汽处理的加工顺序中，为了降低加工铁系烧结金属时的工具磨耗，尽可能不对表面采用精加工，而可以采用水蒸汽处理生成烧结金属氧化膜，在本实施形态中，因为可以增加四氧化三铁的残留量，所以，能提高压缩机的压缩效率。
参照图3和图4对该工序和工具的磨耗进行说明。
图3表示设定工序，用于更有效地获得活塞1。
图3表示本实施形态的一个实施例中制作活塞1的工序流程。
在本工序中，首先，制作所希望组成的原料粉末(工序1)，把该原料粉末与粘合剂等原料粉末一起充填在金属模具中模压成型，获得成型体(工序2)。
随后，在通气炉中给成型体升温，使金属粉末扩散结合进行烧结获得烧结体(工序3)。
其次，对烧结后的圆筒型球面座1a，用车床粗加工成球型(工序4)后，用同样的车床或者磨床，按所需的尺寸和精度，对球面座1a进行精加工(工序5)。
该球面座1a如图3(b)所示，烧结(工序3)后形成金属模具所限定的圆筒型，但采用机械加工完成球面座加工(工序5)后，形成球型。
随后，在图1(a)中的工序6所示的工序中，用外圆磨床或无心磨床对圆筒型的外周面1b进行加工。该加工的目的在于校正烧结体的表面粗糙度、形状(圆筒度)和尺寸。
之后，在机械加工产生毛边的情况下，用含有磨粒的电刷等除去毛边(工序7)。
在该阶段完成以成型为目的的加工，接着进行水蒸汽处理(工序8)。在该水蒸汽处理中，首先，进行完全除去机械加工所附着的加工液和油份的洗涤。其次，在加热到500℃～600℃的水蒸汽中保持一小时。采用该处理，把与水蒸汽接触的铁氧化变成黑色的四氧化三铁(Fe₃O₄)，在活塞1的表面上形成氧化物皮膜。
在此，作为一个实施例，活塞1作为零件完成制作，在经过图3(a)中的工序8后所示的分支B，组装到压缩机上。
在上述工序中，本实施形态的特点在于在水蒸汽处理前实施了机械加工。
试验表明，在机械加工后进行水蒸汽处理的情况下，必须要细心地除去机械加工所附着的加工液等，才能减小机械加工中加工用工具的磨耗。
图4是采用以往工序制作的烧结材料和采用上述工序制作的烧结材料进行比较、表示加工用工具磨耗实验结果的一个实例的曲线图。获得图4所示结果的实验条件如图7表所示。供试验的烧结材料中，化学成分(重量％)中含碳素(C)0.7～1.0％、含铜1～2％、其余组分为铁(Fe)，符合JIS规格SMF4040。供实验的材料有对该烧结金属实施了水蒸汽处理的材料和没有实施水蒸汽处理的材料。使用的工具，不是加工活塞1的车床，为了易于观察磨耗，使用立铣床。观察磨耗的部位是立铣床的底面，调查刀具后隙面的磨耗宽度。使用的立铣床直径为12mm，刀数为6枚。加工条件是研磨机的转数为5000min^-1、输送速度为600mm/min，底面刀切入深度为0.05mm，对试验材料端面进行加工。图4是表示所得结果的加工距离和工具最大后隙面磨耗宽度的曲线图。
加工开始初期阶段加工距离为1.2m，最大后隙面磨耗宽度在两试样试验中没有差异。但是，到加工距离6m的阶段，实施了水蒸汽处理的烧结金属的情况下，最大后隙面的磨耗宽度迅速增大至270μm，从加工点开始生成炽热的切削粉，难以继续进行正常的加工。与此相对，没有实施水蒸汽处理的烧结金属的情况下，继续进行常规的磨耗，最大后隙面磨耗宽度在加工距离为6m的阶段时达到60μm，加工距离为11m达到120μm。对加工距离为6m时的状态进行比较，对没有经过水蒸汽处理的烧结金属进行加工的情况下与以往实施了水蒸汽处理的烧结金属进行加工的情况下进行相比，最大后隙面磨耗宽度能降低78％。也就是说，工具磨耗约为1/5。根据该结果，对活塞1实施水蒸汽处理前，完成机械加工的工序能延长工具寿命，提高生产效率。并且，能在工具形状变化小的一定条件下进行加工，能获得均匀光滑的加工面。
另外，由于水蒸汽处理形成的四氧化三铁(Fe₃O₄)是氧化物，具有防止金属间凝固而提高耐磨性的作用，机械加工后进行水蒸汽处理，完全残留了四氧化三铁(Fe₃O₄)的表面层。因此，具有提高活塞1耐磨性的效果。另外，因完全残留四氧化三铁(Fe₃O₄)表层部，烧结金属内的空孔不会露出，还能提高活塞1的机械密封性。
上述抑制工具磨耗的效果大，是指对图3(a)所示球面座进行粗加工(工序4)的除去量多。即使对外周面加工(工序No6)有效果，但该工序的目的在于对烧结(工序3)未达到的尺寸精度和圆筒度进行校正，而不是造型加工。通常进行加工余量为0.1mm左右的加工，所以，与制造球型的球面座粗加工(工序4)相比，使用工具的磨耗也要小。因此，上述工序对球面座粗加工(工序4)特别有效，使工具磨耗时难以获得满意的球型精度的球面座粗加工(工序4)效率提高，效果好。
虽有这种优点的工序，但表面上形成的四氧化三铁(Fe₃O₄)结晶粗，增大了机械加工面的表面粗糙度。因此，在设定着汽缸体2及活塞杆3的微小插入配合间隙的高精度规格时，因表面粗糙度增大，活塞1有插入配合困难的情况。在这种情况下，水蒸汽处理后，在不消除四氧化三铁(Fe₃O₄)表面层的范围内对表层部进行去除，对表面实施平滑加工。采用带式抛光或电刷加工等可以达到加工余量0.01mm以下的加工目的。因四氧化三铁(Fe₃O₄)层厚度在0.05mm以上，即使把表层部除去0.01mm左右，也完全残留着四氧化三铁(Fe₃O₄)层。该工序是图3(a)所示工序图中分支C所示的工序，在进行形状或尺寸制作机械加工后进行蒸汽处理，随后先进行以表面平滑为目的的外周面处理(工序8A)，再进行球面座处理(2)(工序8B))。之后，进行组装，因表面光滑能顺利地进行组装。
另外，在选择分支C的情况下，水蒸汽处理(工序8)后进行机械加工，因该工程的目的在于平滑表面，所以前述加工余量很少为0.01mm。所以，可以忽略水蒸汽处理(工序8)所致工具磨耗增大的水平。
经过上述工序的活塞1，因耐磨性优良，在活塞1的球面座1a和活塞杆3a间不必插入为提高耐磨性的树脂等材料。因此，如图5(a)所示，在组装活塞1和活塞杆3的状态下，能机械加工获得从活塞杆3的轴承部到活塞上面的正确尺寸H1。该活塞1和活塞杆3两者组装的状态下，组装到汽缸部2a和轴承部2b成为一体的汽缸体2中。从该汽缸体2的轴承中心到汽缸筒部上面的尺寸H2由机械加工来确定，从活塞杆3的轴承部到活塞上面的尺寸H1也可以采用机械加工来正确确定，组装时不必进行位置调整。在以往球面座1a和活塞杆3a间插入树脂等材料的结构中，因难以精密地加工相当于H1的尺寸，组装时必须对活塞和汽缸的位置进行调整。因此，汽缸筒必需有相对活塞能调整位置的各个零部件。无论如何，必须要有组装汽缸筒时进行调整的作业以及用于固定汽缸的螺钉和螺钉孔，但在一体成型的汽缸体2中不用这些作业，能提高生产效率。另外，在以往组装汽缸工序进行固定的方式中，采用螺钉等拧紧固定、导致应力增加，也会产生汽缸筒变形的问题，而在一体成型的汽缸体2中，也能消除组装所产生的缸筒2a变形的问题。
图6是本实施方式中，包含球面座顶点的位置处设置凹口的一个实施例。
用车床加工球面座1a，并用以轴线S为中心以刀刃加工转动的活塞1，球面座1a的表面，因为剖面是圆形、距轴线S的距离因场所而异。因此，按一定转数使活塞1转动进行加工时，加工速度在变化，所以，要根据距加工部分轴线S的距离使转数增减、进行控制。但是，由于球面座1a的顶点部分在轴线S的线上，距轴线S的距离为零，所以，这部分无转数，切削速度为零。因此，球面座1a顶点附近是加工精度容易变差的部分。另外，球面座1a顶点附近是活塞中承受负荷最大的部分，如果把顶点附近加工成突出形状，与活塞杆球体3a的滑动时表面压力高，这是产生异常磨耗和烧损的原因。
凹口1d，是在球面座1a制作成型加工中，以对该顶点部分不进行加工的方式后退为目的而设置的。该顶点部分的凹口1d，作为一个实施例，可以在图3(a)工序图的烧结(工序3)后，采用钻孔器加工设定。另外，该凹口1d成型(工序2)，也可以采用金属模具成型，金属模具即使变得复杂但许可的情况下，凹口1d用金属模具成型的方式能提高生产效率。这种凹口1d因后退设置为所谓在球面座1a加工工序中不对顶点附近进行加工的方式，不存在形状问题，但凹口1d减少了球面座1c的面积。由于顶点附近是球面座上负荷最大的部分，凹口1d在球面座1a上的开口面积必须要取决于使用的用途。不过，希望凹口1d的开口面积为必要的最小限度。
使用这种耐磨性优良的活塞1可以提高效率，通过组装这种活塞1的压缩机，可以廉价地提高活塞的寿命。另外，从地球环境保护的观点出发，能从作为以往冷媒使用的含氯的氟利昂改换成不含氯的氟利昂或者二氧化碳或碳氢化合物等自然冷媒。当压缩这些不含氯的冷媒时，因冷媒本身的磨擦降低作用低，容易形成界面润滑状态，且表面形成四氧化三铁(Fe₃O₄)的活塞1上，氧化物能防止金属间的接触，所以，即使界面润滑下也能提高耐磨耗性。因此，采用本活塞1的冷媒压缩机既适用于不含氯的冷媒，也有利于延长寿命。