一种空心活塞的制造方法与流程

本发明涉及压缩机技术领域，特别涉及一种空心活塞的制造方法。

背景技术：

活塞是旋转式压缩机的关键零部件之一，活塞的转动能够带动气缸内两个容腔的容积变化，吸入低温低压气态的制冷剂，压缩成高温高压状态，实现维持制冷剂循环流动的目的。

相关技术中，旋转式压缩机的活塞一般采用实心铸件，比重较大，活塞的质量构成了曲轴偏心质量的主要部分，为平衡其质量，需要配备一定重量的平衡块，增加了成本；同时活塞自身进行转动产生无用的功耗与活塞的重量相关，从而影响旋转式压缩机的能效。因此出现了空心活塞，空心活塞的重量轻，可减少平衡配重，但是，现下的空心活塞制造方法较为复杂，生产效率低、生产成本高，有待改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种空心活塞的制造方法，简化生产流程，降低成本。

根据本发明实施例的一种空心活塞的制造方法，包括：

采用红冲工艺对母材进行加工，以获得内环体，同时在所述内环体的外侧面两端成型有边板；

将外套筒压装在所述内环体的外侧，所述外套筒与所述边板抵接以形成环形空腔，以及通过焊接将所述外套筒与所述内环体固定连接以获得空心活塞半成品；

对所述空心活塞半成品进行表面处理及精加工，以获得空心活塞成品。

根据本发明实施例的空心活塞的制造方法，至少具有如下有益效果：通过红冲工艺加工母材，获得一体化的内环体，然后将内环体与外套筒装配为一体，通过焊接实现连接固定，通过表面处理提高硬度及机械性能，最后通过精加工获得尺寸合格的空心活塞成品。本发明实施例提出的空心活塞的制造方法，简化了空心活塞的生产流程，降低生产成本，还能够提升空心活塞的产品质量及一致性。

根据本发明的一些实施例，所述红冲工艺包括加热步骤、墩粗步骤、成型步骤、取芯步骤以及辗环步骤。

根据本发明的一些实施例，所述母材为钢棒，所述钢棒的碳当量ce满足ce小于0.4％。

根据本发明的一些实施例，所述钢棒的含碳量c满足：c小于0.25％。

根据本发明的一些实施例，所述外套筒采用钢管制作，通过裁切钢管得到与所述内环体的轴向长度相等的所述外套筒。

根据本发明的一些实施例，所述外套筒与所述内环体为过盈配合，采用压力设备进行装配。

根据本发明的一些实施例，所述焊接采用激光焊接，所述边板与所述外套筒连接处的厚度t满足：0.8毫米≤t≤3毫米，所述激光焊接的焊缝熔深t满足：0.8毫米≤t≤2毫米，所述激光焊接的焊缝宽度d满足：1.2毫米≤d≤3毫米。

根据本发明的一些实施例，所述表面处理包括表面渗碳、淬火以及回火。

根据本发明的一些实施例，对所述空心活塞半成品进行表面处理后，对所述空心活塞半成品进行密封性检测。

根据本发明的一些实施例，所述密封性检测采用高压油压检测，油压压力大于空心活塞的最高使用压力。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的附加方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为旋转式压缩机的结构示意图；

图2为图1的局部放大视图；

图3为现有的一种空心活塞结构；

图4为本发明一些实施例的空心活塞的剖视图；

图5为钢棒段经墩粗步骤后的结构示意图；

图6为钢棒段经成型步骤及取芯步骤后的结构示意图；

图7为本发明的实施例中内环体的剖视图；

图8为本发明的实施例中内环体与外套筒装配的示意图。

附图标号如下：

机壳100；

电机200、曲轴210；

压缩机构300、气缸310、缸室311、活塞320；

内环410、端板411、外环420；

内环体510、边板511、凸起512、外套筒520。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

旋转式压缩机是目前广泛使用的压缩机类型，旋转式压缩机的电机无需将转子的旋转运动转换为活塞的往复运动，而是直接带动旋转活塞作旋转运动来完成对制冷剂的压缩。旋转式压缩机更适合于小型空调器，特别是在家用空调器上得到广泛应用。

旋转式压缩机的主要优点是：由于活塞作旋转运动，压缩工作圆滑、平稳、平衡。另外旋转式空压机没有余隙容积，无再膨胀气体的干扰，因此具有压缩效率高、零部件少、体积小、重量轻、平衡性能好、噪音低、防护措施完备和耗电量小等优点。缺点是旋转式压缩机对材质、加工精度、热处理、装配工艺及润滑系统要求较高，由于要靠运动间隙中的润滑油进行密封，为从排气中分离出油，机壳内须做成高压，因此，电动机、空压机容易过热，如果不采取特殊的措施，在大型空压机和低温用空压机中是不能使用的。由于旋转式压缩机比其它类型的空压机有较明显的优势，在家用空调器及冰箱等电器上的应用较为普遍，从发展的趋势看旋转式空压机今后将成为市场的主导产品。

如图1所示，旋转式压缩机包括机壳100、电机200和压缩机构300。电机200固定在机壳100的内壁上，电机200连接有曲轴210，曲轴210的一端(图1中曲轴210的上端)插入电机200内并且由电机200驱动曲轴210旋转。

压缩机构300设在机壳100内且由电机200的曲轴210驱动。如图1所示，压缩机构300固定在机壳100的内壁上且位于电机200的下方，曲轴210的另一端(图1中曲轴210的下端)与压缩机构300连接，电机200驱动曲轴210旋转，曲轴210带动压缩机构300动作。

压缩机构300包括气缸310及活塞320。如图2所示，气缸310内具有缸室311，活塞320在缸室311内偏心布置，活塞320将缸室311分隔为两个容腔，偏心的活塞320旋转改变两个容腔的容积，实现对制冷剂的压缩。

压缩机是空调器的心脏，其作用是维持制冷剂在空调器中循环流动，压缩机吸入来自蒸发器的低温低压气态制冷剂，压缩成高温高压状态并送往冷凝器。传统的旋转式压缩机内所采用的活塞为实心活塞，通常是铸造成型，实心活塞由于比重大，需要配套较大重量的平衡块，增加了成本，而且实心活塞自身进行旋转产生无用的功耗较大，从而影响旋转式压缩机的能效。

如图1所示，为了降低能耗和减小活塞的重量，因此采用空心活塞代替实心活塞。比如图3所示的一种空心活塞通常包括内环410以及外环420，内环410的两端各连接有一个端板411，在两个端板411之间形成凹槽，外环420布置在内环410的外侧，外环420封闭凹槽以形成环形空腔，在制造流程中，需要将两个端板411分别与内环410、外环420进行焊接固定，导致空心活塞存在加工工艺复杂、生产效率低以及生产成本高等缺点。

参照图本发明实施例提出一种空心活塞的制造方法，包括：制作内环体510，先将母材切割为合适的长度，母材通常采用钢棒，从而得到长度符合规格的钢棒段，通过红冲工艺对母材进行加工，以获得内环体510，可以理解的是，红冲工艺同时在内环体510的外侧面两端各自成型一个边板511。

外套筒520为预制件，外套筒520为圆筒，能够包围内环体510，外套筒520的长度等于或者略大于内环体510的长度，然后将内环体510与外套筒520组装为一体，通常采用压装的方式，使得内环体510与外套筒520具有相对固定的位置，外套筒520包裹内环体510，而且外套筒520与两个边板511抵接，从而形成环形空腔530，然后通过激光焊接将外套筒520与两个边板511固定连接以获得空心活塞半成品。

空心活塞半成品进行加工，考虑到焊接对机械性能的影响，先对空心活塞半成品进行表面处理，提升机械性能，然后对空心活塞半成品进行精加工，以使空心活塞半成品符合尺寸要求，获得空心活塞成品。

可以理解的是，“红冲工艺”实际上是热挤压工艺的一种，“红冲工艺”是从近代精锻和热挤压基础上发展起来的一种先进的专业工艺。随着社会前进，科技的发展，机械工业对机械零部件提出了新的机械强度要求。提高机械强度，一般采用两种方法，一是改变零部件的材质，二是改变它的加工方法。红冲工艺就是通过改变加工方法来提高零部件的力学性能的有效方法之一，红冲工艺像精锻加工那样将金属坯料加热后放在模具内成形。红冲工艺的金属坯料需要加热，金属材料在模腔内的流动较为简单，成形的零件偏向较为简单形状的零件成形，结构特点是冲压方式与型腔模的成形方式有机结合，它不仅能在压力机上挤压成型腔式挤压模，而且能一次性实行多方位的脱模动作，它在足够强大的压力下，迫使金属材料在模腔内通过复杂的流动，挤压成类似型腔模(注射模)成型的复杂零部件。

红冲工艺具有以下优点：1、成形基本上不受产品零件自身外部形状的限制；2、生产使用普通的常用设备，投产容易；3、生产率高，适宜大批量生产；4、由于采用抽芯装置，压制出来的制件内部是空心的，适合空心活塞的制造方法；5、红冲工艺是一种少切削的加工工艺，表面粗糙度接近模具，尺寸精度能达到6-7级，精度较高；6、红冲工艺制造的工件力学性能较好。

通过红冲工艺加工母材，获得一体化的内环体510，减少废料，自动化生产程度高，生产效率高，产品一致性好，获得性能优良的内环体510，然后将内环体510与外套筒520装配为一体，通过焊接实现连接固定，通过表面处理提高硬度及机械性能，最后通过精加工获得尺寸合格的空心活塞成品。本发明实施例提出的空心活塞的制造方法，简化了空心活塞的生产流程，降低了生产成本，还能够提升空心活塞的产品质量及一致性，为空调企业带来较佳的经济效益。

可以理解的是，红冲工艺包括加热步骤、墩粗步骤、成型步骤、取芯步骤以及辗环步骤，加热步骤是加热钢棒段，提高钢棒段的塑性，采用中频感应加热，中频感应加热多用于金属零件处理、金属熔炼、棒料透热等领域，通过在钢棒段表面产生一定的感应电流，迅速加热钢棒段表面，达到表面迅速加热，甚至透热融化的效果。

如图5所示，镦粗步骤是使钢棒段高度减小而横截面增大的工序，经过镦粗步骤，在钢棒段的外侧面两端形成环状的凸起512；如图6所示，再通过成型步骤，将环状的凸起512加工成分布在钢棒段的外侧面两端的两个边板511。

可以理解的是，镦粗是一种使坯料的高度减小而横截面增大的加工方法，若使坯料局部截面增大则称为局部镦粗。镦粗步骤的作用包括由横截面较小的坯料得到横截面较大而高度较小的工件，或者在冲孔前增大坯料的横截面和平整端面，镦粗可以提高坯料的横向力学性能和减少各向异性。

镦粗是制造环类、筒类(或带盲孔)的工件冲孔前必不可少的准备工序，而且经过镦粗能破碎组织，改善坯料中组织的形状并使其均匀分布。

然后通过取芯步骤在钢棒段的中心加工出内孔，再通过辗环步骤扩大内孔，获得符合尺寸要求的内环体510。

可以理解的是，为了便于将空心活塞安装于曲轴，如图7所示，在辗环步骤后，对内环体510的内壁两端进行倒角加工，得到符合尺寸要求的内环体510。

可以理解的是，辗坏(亦称环件轧制、环件辗扩、扩孔、轧环)是借助辗环机使环件产生连续局部塑性变形，进而实现壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺。

辗压扩孔时的应力应变和变形流动情况与芯轴扩孔相同，其特点是:工具是旋转的，变形是连续的。辗压扩孔时一般压下量较小，故具有表面变形的特征。

辗环是连续局部塑形成型工艺，是轧制技术和机械制造技术的交叉与结合，与传统的自由锻造工艺、模锻工艺、火焰切割工艺等相比，具有显著的技术和经济特点:1、环形精度高、加工余量少，材料利用率高，与环件自由锻工艺相比，辗环件精度大为提高、加工余量大为减少，而且环件表面不存在自由锻与马杠扩孔的多棱形。2、环件组织性能好，辗环件内部组织致密、晶粒细小、纤维沿圆周方向排列，流线分布合理，其机械强度、耐磨性和疲劳寿命明显高于其他锻造和机械加工生产的环件。3、生产效率高，辗环设备的辗制速度通常为1—2mm/s，辗环周期一般为10s左右，最小周期已达3.6s，最大生产率已达到1000件/小时以上，大大高于环件的自由锻，也高于模锻的生产效率。4、辗环具有材料利用率高、加工工时少、生产能耗低等特点，生产成本较低。

辗坏工艺适于生产各种形状尺寸、各种材料的坏形零件或者毛坯，辗环技术已经成为环形机械零件生产的高效、先进和主要工艺方法之一，因此采用辗坏工艺可以得到尺寸精度高，机械性能优良的内环体510。

可以理解的是，钢棒选用低碳钢、不锈钢或者合金钢，钢棒的碳当量ce满足：ce小于0.4％，其中，以选用含有cr、mn、ti等元素的合金钢为较佳方案，能够提高内环体510的强度和热处理淬透性。

可以理解的是，碳当量ce是指将钢铁中各种合金元素折算成碳的含量。碳素钢中决定强度和可焊性的因素主要是含碳量。合金钢(主要是低合金钢)除碳以外的各种合金元素对钢材的强度与可焊性也起着重要作用。为便于表达这些材料的强度性能和焊接性能，便通过大量试验数据的统计简单地以碳当量ce来表示。有许多碳当量指标，如拉伸强度碳当量、屈服强度碳当量、焊接碳当量，还有裂纹敏感性指标(实质上也是碳当量)。每一种元素的碳当量以1/x表示，x一般为正整数，由统计数据决定。若干元素的碳当量计算之和即各个1/x值之和，同一元素在不同的碳当量计算法中其x值不同。

可以理解的是，钢棒选用含碳量c满足：c小于0.25％的低碳钢，以20cr或20#低碳合金钢为较佳选择。20cr是一种低淬透性渗碳钢，大多用于制造心部强度要求较高，表面承受磨损、截面较小或形状复杂的渗碳零件。20#低碳合金钢的含碳量约为0.2％，属于优质低碳碳素钢，具有强度低，韧性、塑性和焊接性能较好的优点。

可以理解的是，外套筒520选用0.8mm至3mm的钢管制作，钢管是具有空心截面且长度远大于直径或周长的钢材，制作外套筒520选用的钢管是圆形截面的钢管，材质上选用碳素结构钢或者合金钢。对钢管进行裁切以获得外套筒520，外套筒520与内环体510的轴向长度相等。采用钢管制作外套筒520，利用钢管自带的内圆周面和外圆周面，减少加工步骤，有助于降低生产成本。

可以理解的是，外套筒520与内环体510为过盈配合，也即边板511的径向尺寸略大于外套筒520的内径，在装配中，两个边板511抵接于外套筒520的内壁面，实现固定，而且限制外套筒520的活动，过盈配合具有结构简单、对中性好、承载能力大、对轴的强度削弱小、耐冲击性好等优点，适用于空心活塞。

考虑到过盈配合的装配用力大，外套筒520与内环体510的装配采用压力设备进行，如图8所示，压力设备推动外套筒520向内环体510移动，利用压力将外套筒520压装在内环体510的外侧，外套筒520与内环体510实现固定，同时利用定位模具限制外套筒520或内环体510的移动方向，使得外套筒520与内环体510的对中准确，结合稳固。

可以理解的是，如图4所示，外套筒520与内环体510压装后，采用激光焊接将外套筒520与边板511连接，在激光焊接步骤中采用穿透焊接，边板511与外套筒520连接处的厚度t满足：0.8毫米≤t≤3毫米，激光焊接的焊缝熔深t满足：0.8毫米≤t≤2毫米，激光焊接的焊缝宽度d满足：1.2毫米≤d≤3毫米，焊接功率为2000w至3000w，焊接速度为1.2米/分钟。通过激光焊接将外套筒520与两个边板511固定连接，两个边板511稳定支撑外套筒520，减少外套筒520的变形。同时实现密封，使得环形空腔530成为密闭空间。

可以理解的是，激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池，由于激光焊接的独特优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，自动化程度高，生产效率高，有利于降低空心活塞的生产成本。

可以理解的是，表面处理包括表面渗碳、淬火以及回火，表面渗碳的温度为910℃±10℃，处理后满足表面硬度hrc53±3(洛氏硬度)的要求。

表面渗碳是金属表面处理的一种工艺，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900至950摄氏度的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有的低碳成分。

渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性，使得空心活塞半成品的表面硬度及耐磨性大幅提高，匹配空心活塞的使用状态。

渗碳的零件材料一般选用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25％)。渗碳后须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织。一般渗碳层的深度范围为0.8～1.2毫米﹐表面硬度可达hrc50～63﹐心部硬度为hrc30～42。渗碳工件淬火后﹐工件表面产生压缩内应力﹐有利于提高工件的疲劳强度。通过渗碳提高空心活塞半成品的强度﹑冲击韧性和耐磨性﹐有助于延长空心活塞的使用寿命。

淬火是将工件表层快速加热，在热量尚未及大量传到内部的情况下，使表层达到淬火温度，迅即淬冷，获得预定淬火组织的工艺。通过淬火提高空心活塞的耐磨性、抗扭转、抗弯曲疲劳和接触疲劳。

可以理解的是，淬火前一般经正火或调质处理。淬火的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍具有较高的韧性。操作时利用快速加热的方法使工件表层奥氏体化，然后立即淬火使表层组织转变为马氏体，心部组织基本不变。根据加热方法不同，可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火等，其中以前两种方法应用最广。

表面淬火后一般进行回火处理，回火是将经过淬火的空心活塞半成品重新加热到低于下临界温度(加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度)的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。或将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。回火用于减小或消除淬火工件中的内应力，或者降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性。淬火后的工件应及时回火，通过淬火和回火的相配合，可以获得较好的力学性能，防止变形和开裂，稳定组织与尺寸，保证精度，改善和提高加工性能，有利于后续对空心活塞半成品进行精加工。

可以理解的是，空心活塞半成品的表面处理还可以采用化学镀镍、渗氮或者其他金属热处理方式，化学镀镍具有硬度高、耐磨性良好、化学稳定性高、镀层结合力好等优点，使得空心活塞在使用中的磨损较小，有利于提高使用寿命。渗氮是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺，能够提高空心活塞半成品的耐磨性并且获得高的表面硬度，得到优良的表面性能。

可以理解的是，由于环形空腔530是密闭空间，需要保证空心活塞的密封性，空心活塞半成品进行了表面渗碳、淬火以及回火等表面处理后，还需要进行密封性检测。通常采用油压设备进行密封性检测，将空心活塞半成品整体浸入油压设备的油槽中，然后加压，压力要求大于空心活塞的最大使用压力，通常将油压设备的压力设定为4.3mpa或以上，保压时间为15分钟或以上。通过密封性检测剔除非密封的不良品，防止非密封的空心活塞进入旋转式压缩机的生产线，避免影响旋转式压缩机的质量。

可以理解的是，空心活塞半成品进行了表面渗碳、淬火以及回火等表面处理后，还需要进行精加工以获得尺寸准确的空心活塞成品。精加工采用粗磨、精磨的加工方式，通过粗磨先去除尺寸余量，再通过精磨以获得合格的尺寸精度及表面精度。

当然，精加工也可以采用粗车、精车的加工方式，通过粗车先去除尺寸余量，再通过精车以获得合格的尺寸精度及表面精度。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下，作出各种变化。