专利名称：在机器零件上形成薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种在机器零件的加工面上用一种比上述加工面软的金属材料形成薄膜的方法，具体地说，本发明涉及一种在用于旋转斜盘式压缩机中的旋转斜盘的加工面上形成薄膜以改善它与滑瓦之间的接触滑动性的方法。
构成旋转斜盘式压缩机内部结构的各滑动件之间通常是靠压缩机内包含在气体(例如氟利昂气之类的气体冷却剂)中的雾化润滑油来润滑的，当压缩机工作时，上述气体在压缩机内流动，并将雾化的润滑油带到每个滑动部位。然而，当压缩机在关闭状态停留一段长的时间然后重新开动时，附着在滑动部位的润滑油常常被气体冷却剂流冲走。因此，从压缩机起动至冷却剂气体返回而促进润滑油雾化的时间(大约1分钟)正是需要润滑的滑动部位缺乏润滑油的时间(尽管它们在工作)。于是，为了保证各滑动部位有最低限度的润滑性(即使在润滑油不足的时候也如此)，业已提出一些在各滑动件的表面上形成涂层(形成薄膜)的工艺。即使是当上述的工艺仅限于在旋转斜盘式压缩机的旋转斜盘的表面(具体说是与滑瓦接触的滑动面)上形成涂层的工艺也有各种方式。在专利文件上公开的涂层工艺以及通常在产品(旋转斜盘)上实施的涂层工艺包括电镀锡或化学镀锡等和热喷涂铜系或铝系合金等。
下面简要说明本文的附图。
图1示出一种可变容量的旋转斜盘式压缩机的纵剖视图；图2a示出旋转斜盘上施加料筒的部分材料(原材料)的后表面的正视图；图2b示出整个料筒的透视图；图3是形成薄膜的装置的示意图；图4是表示形成薄膜的条件随时间变化的曲线图；图5示出旋转斜盘与滑瓦相接触的周边部分附近的放大剖视图。
虽然采用电镀锡或化学镀锡等方法形成厚度约为几个微米的极薄的膜没有困难，但是，却常常不容易形成厚度较大(至少为数十微米)的薄膜。而且选择的电镀方法常常不适用，因为进行电镀作业需要考虑本体金属材料与喷镀粘附金属之间的电化学关系。
另一方面，按照热喷涂的方法，要将粉末金属材料等变成熔融状态，然后将熔融的金属材料等用火焰吹喷到加工表面上，这对于获得厚的薄膜虽没有困难，而且也提高了电化学亲合性。但是，热喷涂法固有地存在下面(A)-(B)所说的作业问题。
(A)在许多情况下，机器零件的加工面在热喷涂之前必须预先通过一种例如喷丸处理工序使其表面粗糙化，这种预处理是耗费工时的，而且使表面粗糙化所用的坚硬粒子(辅助材料)价格是昂贵的。因此，表面粗糙化处理耗费工时且使热喷涂成本提高。而且在表面粗糙化处理时噪音大，损害工作环境。
(B)在热喷涂时，不想热喷涂的部位必须屏蔽起来，这也耗费工时且提高成本。
虽然上述的热喷涂工艺作为在金属加工面上形成金属薄膜的工艺来说具有总体的适用性，但是它有许多问题即损害加工现场的工作环境，耗费工时和劳力且提高成本。
本发明的目的是提供一种在机器零件上形成薄膜的方法，该方法作为一种在机器零件的加工面上形成金属材料薄膜的工艺来说在总体的适用性上是良好的，并可以保持加工现场的良好工作环境，有效地节约劳力和工时，降低成本。
按权利要求1的本发明(在机器零件上形成薄膜的方法)包含用一种至少比机器零件的加工面软的金属材料制备一种料筒；在机器零件与上述料筒相对转动的同时使料筒与机器零件的加工面相压焊，从而使制造料筒的部分金属材料转移到机器零件的加工面上，形成一种金属材料的薄膜。按照上述方法，比机器零件加工面软的金属材料的一部分可以适宜地从料筒侧面转移到加工面上，并可简单而经济地在机器零件的加工面上形成所需厚度的金属薄膜。
按权利要求2的本发明是一种根据权利要求1的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，所述机器零件是可绕单一轴线转动的转动件，而该转动件的加工面是一种以上述单一轴线为中心并与该轴线垂直相交的圆环形面或圆形面。当作为加工材料的机器零件是上述的转动件而加工面是与转动轴线垂直相交的圆环形或圆形面时，本发明的在机器零件与料筒相对转动的同时使料筒与机器零件的加工面相压焊的程序的要点可以十分顺利地进行。
按权利要求3的本发明是一种根据权利要求2的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，与机器零件相接触的料筒端部具有与机器零件的圆环形或圆形加工面相似的端部形状。按照这种结构，在压焊时料筒端部(圆环形或圆形的)可以与机器零件的圆环形或圆形加工面完全相接触，也就是说，料筒端部可以同时地压焊到整个加工表面上。因此，在加工面上的所形成的薄膜，其厚度不会有局部的变化，在整个加工面上可形成厚度均匀的金属材料薄膜。
按权利要求4的本发明是一种在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，在机器零件的环绕单一轴线并同时与该轴线垂直相交的加工面上形成一种薄膜，该方法包含如下步骤A)用一种至少比机器零件的加工面软的金属材料制备一种具有与圆环形加工面相似的圆环形端部的料筒；B)使机器零件与静态的料筒相对转动。其中，机器零件的轴线与料筒的轴线互相重合，而机器零件的加工面与料筒的端部互相隔开相对；C)使机器零件的加工面与料筒的端部相接触，与此同时保持步骤B中的相对转动，在接触施加预定的压力；和D)在步骤C中机器零件和料筒相互接触经历预定的时间后，使它们彼此分开，恢复到步骤B中的伺机准备状态。可从权利要求1-3的模式中选择最佳的结构特征，并要使权利要求4限定为一种技术思路，因此其工艺的意义与权利要求1-3相一致。
按权利要求5的本发明是一种根据权利要求4的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，将权利要求4中的步骤B、C、和D的顺序规定为一个循环，在操作中要重复多次循环。多次重复压焊和准备状态(非压焊状态)的循环之优点和必要性是根据如下事实料筒是用一种至少比作为加工材料的机器零件的加工面软的金属材料制成的，这就是说，如果压焊时间过长，较软的料筒可能发生变形，或者金属材料本身可能由于负荷扭矩和摩擦热的影响而发生物理变化(转变)。因此，最好采用重复压焊和伺机准备状态的程序，在某种意义上可以避免在形成具有所需厚度和所需物理性能的薄膜的方法中的干扰。
按权利要求6和7的本发明是要将本发明的内容限制在提出专利申请时能更为清楚的最佳模式上。这就是说，按权利要求6的本发明是一种根据权利要求1-4的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，制造料筒的金属材料的熔点低于制造机器零件的材料的熔点。另外，按权利要求7的本发明是一种根据权利要求1-4的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，制造机器零件的材料是铁系材料，而制造料筒的材料是铝系材料。
按权利要求8的本发明是一种根据权利要求1-4的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，所述的机器零件限于用在旋转斜盘式压缩机中的旋转斜盘。另外，作为机器零件的旋转斜盘的加工面最好是与滑瓦的滑动接触面。权利要求8的方法作为在旋转斜盘上形成薄膜的方法具有十分良好的适用性。
下面结合附图详细说明本发明。
首先，简要说明作为本发明的目的的可变容量的旋转斜盘式压缩机的一个实施例。如图1所示，旋转斜盘式压缩机具有一个缸体1、一个与该缸体1的前端相连接的前罩2和一个通过阀盘3与缸体1之后端相连接的后罩4。上述部件通过多个螺栓(图中未示出)互相连接在一起构成压缩机的壳体。该壳体的内部分成一个曲轴箱5、一个进口室6和一个出口室7。在缸体1内具有多个气缸孔1a(图中仅示出1个)。在每个气缸孔1a内可往复移动地容纳一个单头活塞8。上述进口室6和出口室7可通过阀盘3上的瓣阀选择性地与每个气缸孔1a连通。在曲轴箱5内可转动地支承一个传动轴9，并在其内部设置一个当作凸轮盘的旋转斜盘10，在该旋转斜盘10的中央有一个穿透的轴孔10a，上述的传动轴9则穿过该轴孔10a。旋转斜盘10通过铰链机构13和耳状盘11与传动轴9可移动地相连接，并且可随传动轴9倾斜地移动，同时又与传动轴9同步地转动且沿传动轴9的轴线方向滑动；旋转斜盘10的周边部分通过一对滑瓦20A、20B自由且滑动地支承在每个活塞8的端部，从而使全部的活塞8都与旋转斜盘10可移动地相连接。当倾斜一定角度的旋转斜盘10与传动轴9一起转动时，每个活塞8就往复移动一个取决于旋转斜盘10的倾斜角的冲程。在每个气缸孔1a内，连续地重复着气体冷却剂从进口室6进入和压缩(进口压力Ps区)和已压缩的气体冷却剂向出口室7的喷出(出口压力Pd区)。
通过弹簧14将旋转斜盘10向着缸体1推动到一个位置(倾斜角减小的位置)，(上述弹簧是一种用来将旋转斜盘10推向其倾斜角最小的位置的弹簧)。但是，旋转斜盘10的最小倾斜角θmin(例如3°-5°)受通过例如一个固定在传动轴9上的紧固环对旋转倾盘10向着其倾斜角减小的位置的倾斜转动和滑动的调节所限制。另一方面，旋转斜盘10的最大倾斜角θmax则受例如旋转倾盘10的平衡锤部分10b与耳状盘11的界定部分11a相碰所限制。旋转斜盘10的倾斜角是根据一系列力矩的相互平衡而确定的，这些力矩是例如旋转斜盘10转动时的离心力所产生的转动力矩；弹簧14的附加作用产生的弹簧力的力矩(上述弹簧将旋转斜盘推向其最小倾斜角的位置)；活塞8往复移动的惯性力所产生的力矩；和气体压力产生的力矩。气体压力产生的力矩是一种根据气缸孔内部压力与相当于活塞的后压力的曲轴箱5的内部压力(曲轴压力Pc)之间的相互关系而产生的力矩，该力矩根据曲轴压力Pc的大小起到减小倾斜角或增大倾斜角的作用。在图1的旋转斜盘式压缩机中，由气体压力产生的力矩可通过使用一种移位的控制阀16(未示出)调节曲轴压力Pc而适宜地加以改变，所以，旋转斜盘10的倾斜角可以自由地在最小倾斜角θmin与最大倾斜角θmax之间调节到所选择的角度θ。
在这种压缩机中的要在其上面形成一种薄膜的机器零件是例如旋转斜盘10。如图1、图2a和图2b所示，在旋转斜盘10的外周部分的前侧和后侧上分别做出圆环形的滑动接触面30A、30B。该圆环滑动接触面30A和30B的前侧和后侧分别与一对滑瓦20A、20B滑动地接触。为了在旋转斜盘10转动时正确地按照离心力产生转动力矩，采用一种较重的铁系材料例如FCD700铸铁来制造旋转斜盘10。另一方面，还必须考虑滑瓦20A、20B的机械强度等问题，故同样要采用铁系材料例如轴承钢来制造滑瓦20A、20B。由于在使用条件下分别由类似的金属材料制成的两个零件(在本实施例中是旋转斜盘10和滑瓦20A、20B)的滑动接触会产生由所谓的合金化现象引起的卡死，所以至少分别在旋转斜盘10的滑动接触面30A、30B上形成薄膜31A、31B，以改善与滑瓦20A、20B的接触滑动性(在本实施例中见图5)。因此，在本实施例中，旋转斜盘10的滑动接触面30A、30B变成被加工面。
薄膜31A、31B是用不同于构成旋转斜盘10和滑瓦20A、20B的本体材料的铁系材料的金属材料形成的。形成薄膜31A、31B的金属材料的实例有含硅的铝合金和铝与硅的金属间化合物(下面将上述两种材料称为Al-Si系金属材料)。被看作铝系材料的Al-Si系金属材料随其硅含量的不同从多方面改变其物理性质例如硬度和熔点。这里使用的Al-Si系金属材料的硅含量为15-20wt％，最好约为17wt％。用这种Al-Si系金属材料形成薄膜31A、31B不仅可防止由合金化现象引起的卡死，而且还可改善旋转斜盘10与滑瓦20A、20B之间的接触滑动性。这就是说，薄膜31A、31B的形成可保证旋转斜盘10与滑瓦20A、20B之间达到某种程度的润滑，即使在缺油的情况下也如此。另外，由于制造旋转斜盘10和滑瓦20A、20B的铁系材料是很硬的，而且其熔点相当高至少高达1千几百度，而形成薄膜31A、31B的Al-Si系金属材料则比铁系材料软，而且熔点也比铁系材料低，约为600-700℃。Al-Si系材料与铁系材料之间的物理性质的差异无疑地有利于改善接触滑动性。除了上述的改善以外，上述的物理性质的差异对于下面要说明的选择形成薄膜的方法也有重要意义。
〔实例〕下面具体地说明在作为机器零件的旋转斜盘10的后侧面的滑动接触面303(加工面)上形成薄膜的程序。
第一步(准备阶段)制备一种如图2a和2b所示的料筒40，该料筒40是完全由一种Al-Si系金属材料制成的，形状为厚壁圆筒形。该厚壁圆筒形料筒40的一个端部41的形状与旋转斜盘10的圆环形滑动接触面30B相似。因此，当料筒40的端部41与旋转斜盘10的滑动接触面30B接触时，整个滑动接触面30B便可被端部41盖住。
第二步将旋转斜盘10安置在转动支承机构51(用双点划线简单示出)中，并将料筒40安置在滑动支承机构52(用双点划线简单示出)中，见图3。上述的转动支承机构51与马达M可移动地连接，通过其驱动力带动所支承的旋转斜盘10绕轴线L转动。当旋转斜盘10安置在转动支承机构51时，其圆环形的滑动接触面30B便环境着轴线L，并与轴线L相垂直相交。而且，滑动接触面30B与料筒40的端部41彼此相对，同时又互相隔开。另一方面，上述的滑动支承机构52与一个纵向滑动机构53可移动地相连接，通过该纵向滑动机构53的移动便被支承的料筒40与旋转斜盘10靠近、压焊和脱开。在料筒40安置在滑动支承机构52中时厚壁圆筒形料筒40的轴线L′与上述的轴线L重合，并且当料筒40向着旋转斜盘10前进时，端部41可准确地与旋转斜盘10的滑动接触面30B相接触。当旋转斜盘10和料筒40安置在各自的机构51、52时，旋转斜盘10由马达M和转动支承机构51带动以给定的转速N1(例如至少为1800转/分钟)转动(参看图4)。这就是说，在旋转斜盘10与静止状态的料筒40之间形成圆周方向上的相对速度差异，并产生绕二者共同的轴线L、L′的相对转动。
第三步通过纵向滑动机构53使料筒40与滑动支承机构52一起向旋转斜盘10前进(移动)，与此同时，使旋转斜盘转动。就在端部41与滑动接触面30B相接触之后，将料筒40压到滑动接触面30B上，从而增大了料筒40的端部41对旋转斜盘10的滑动接触面30B的压力，并使之达到(图4中的力矩t1)一个预定的压力P1值(例如5Kgf/mm2)。这就是说，料筒40的端部41以给定的压力P1压焊到滑动接触面30B上。
第四步当料筒40的端部41对旋转斜盘10的滑动接触面30B的压力达到预定压力P1时，便在该预定压力P1下保压一段预定的时间T(例如5-6秒)，在经历过预定的保压时间T后(图4的力矩t2)，将料筒40与滑动支承机构52一起退出(脱离)旋转斜盘10，从而使程序返回到第二步的伺机准备状态而完成压焊的一个循环。
然后，按多次循环重复下列步骤(第二步至第四步)的顺序伺机准备步骤后的转动连接步骤和压焊步骤后的脱离步骤。结果就获得一层由Al-Si系金属材料形成的薄膜31B，该薄膜的厚度(例如70-100μm)等于所需厚度(例如50μm)加上一个刮削余量(例如20-50μm)。薄膜31B的厚度可通过对由上述方法形成的薄膜进行抛光(后加工)来调整。
另外，也可按上面所述的使用料筒40的相同程序在旋转斜盘10的前侧面的滑动接触面30A上形成Al-Si系金属材料的薄膜31A。
在本实施例中，在看作加工面的各滑动接触面30A、30B上形成薄膜31A、31B时，采用了逐步的程序来形成具有所需厚度的薄膜，所述程序的特征在于，在料筒40的压焊和脱开的一次循环中，每一次的压焊时间T限制在例如5-6秒，并且多次重复上述的循环，使薄膜达到所需的厚度。下面说明采用上述逐步程序的理由。由于制成料筒40的金属材料比作为被加工材料的机器零件(旋转斜盘10)要软且熔点较低，所以当压焊时间过长时，料筒40容易因负荷扭矩乃摩擦热的影响而发生变形，而且有可能妨碍端部41与加工面之间的理想的面接触；另外，当料筒40在高温下长时间停留时，有可能使Al-Si系金属材料的晶体结构等发生意外的变化，而且使滑动接触面上形成的薄膜具有与所选用的金属材料有所不同的晶体结构，而变成与所选材料不同的材料，这就达不到预期的效果。在这方面，本发明通过如上所述的确定每个循环中较短的压焊时间T并在各循环之间(前一循环的力矩t2与后续循环的力矩t1之间)的压焊中作短暂停留，使压焊步骤的次数增多而避免了上面所说的意外情况(料筒变形和晶体结构等的变化)。
按照本发明可获得如下效果A)按照本发明的形成薄膜的方法，可以通过简单的程序在旋转斜盘10的滑动接触面30A、30B上短时间内有效地形成Al-Si系金属材料的薄膜31A、31B。
B)本发明工艺与常规的热喷涂工艺的不同之处在于，不要求对旋转斜盘10的加工表面进行特殊的预处理，而且由于将料筒40的端部形状制成与加工表面相对应，故不要求采取特殊的屏蔽措施等。因此可显著节约加工所需的劳力和工时，并可大大降低加工成本。
C)在料筒40与旋转斜盘40压焊时几乎没有噪音，所以，根本不用担心会损害加工环境。
D)按本发明方法在加工表面上形成薄膜31A、31B是通过压焊迁移的物理粘接而进行的，不要求强的化学亲合力。因此，本发明的方法作为薄膜形成的工艺在总体的适用性上是良好的。
E)按照本发明的方法，可显著改善薄膜31A、31B在加工面上的粘附性，虽然其理由尚不清楚，但估计这种改善是由于在料筒40与旋转斜盘10的压焊过程中所加的压力及由此产生的摩擦热的影响使料筒40侧面上的金属材料发生原子级的局部扩散而进入旋转斜盘10，从而在薄膜与旋转斜盘的加工面之间的接触区内形成一层微扩散层的结果。
除了上面所述的本发明的实施例之外，还可以按如下说明改变上述实施例F)虽然在上述实施例中料筒40沿纵向滑动而旋转斜盘10则同时转动，但是也可以使旋转斜盘10纵向滑动而料筒40转动来形成薄膜。另外，也可以使旋转斜盘10和料筒40按各自不同的速度转动，而在它们之间形成相对转动速度之差，然后使它们互相压合在一起。
G)可用本发明的形成薄膜的方法的部位并不限于旋转斜盘10的滑动接触面30A、30B，而是也可用本发明的方法在与旋转斜盘的各滑动接触面相接触的滑瓦20A、20B的平侧面上形成类似的Al-Si系金属材料薄膜。
H)本发明的方法也可用于在具有固定式涡形件和可动式涡形件的涡流式压缩机中的每个涡形件的端部上形成一层薄膜。
除了在前面提到的在每条权利要求中说明的工艺思路以外，其他的工艺思路的实例说明如下a)按照本发明权利要求1-8中任一项的在机器零件上形成薄膜的方法在机器零件的加工面上形成金属材料的薄膜是为了改善该机器零件与其他零件的接触滑动性。
b)按照权利要求1-8形成薄膜的方法应看作为制造旋转斜盘式压缩机的旋转斜盘的方法，本发明的方法作为一种制造带有薄膜的旋转斜盘的方法具有十分良好的适用性。
正如上面详细说明过的那样，本发明的方法作为一种在机器零件的加工面上形成金属材料薄膜的工艺来说在总体的适用性上是优异的，同时也表明该方法具有保持加工现场的良好加工环境、节约劳力和加工工时并有效地降低成本的良好效果。
权利要求
1.一种在机器零件上形成薄膜的方法，含有如下步骤制备一种至少比上述机器零件的加工面软的金属材料的料筒；在上述机器零件与上述料筒相对转动的同时，使上述料筒与上述机器零件的加工面相压焊，从而使制造上述料筒的金属材料的一部分转移到上述机器零件的加工面上而形成金属材料的薄膜。
2.根据权利要求1的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，上述机器零件是一种可绕单一轴线转动的转动件，该转动件的加工面是一个以上述单一轴线为中心并与该单一轴线直角相交的圆环形面或圆形面。
3.根据权利要求2的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，与上述机器零件相接触的料筒端部的形状与该机器零件的圆环形或圆形的加工面相应。
4.一种在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，在机器零件的环境单一轴线并同时与该轴线直角相交的加工面上形成薄膜，所述的方法包含如下步骤A)用至少比机器零件的加工面软的金属材料制成并具有与环形加工面相应的环形端部的料筒；B)使机器零件与静态的料筒相对转动，其中，机器零件的轴线与料筒的轴线彼此重合，而机器零件的加工面与料筒的端部隔开相对；C)在保持步骤B中的相对转动的同时使机器零件的加工面与料筒的端部相接触，并在接触时施加预定的压力；D)在步骤C中机器零件与料筒互相接触经历一段预定的时间后，使二者脱开，并恢复到步骤B中的伺机准备状态。
5.根据权利要求4的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，将权利要求4中的步骤B、C和D的顺序规定为一个循环，并且要重复多次这种循环。
6.根据权利要求1-5中任一项的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，制造料筒的金属材料的熔点低于制造机器零件的材料的熔点。
7.根据权利要求1-6的任一项的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，制造机器零件的材料是铁系材料，而制造料筒的材料是铝系材料。
8.根据权利要求1-7中任一项的在机器零件上形成薄膜的方法，其特征在于，上述的机器零件是用于旋转斜盘式压缩机中的旋转斜盘。
全文摘要
本发明提供一种在机器零件的加工面上形成金属材料薄膜的工艺方法,其总的适用性良好并可保持加工现场的良好加工环境、节约劳力加工工时且有效地降低成本。制备一种比作为机器零件的旋转斜盘10的加工面30B软的金属材料的料筒40。旋转斜盘10的圆环形加工面30B与料筒40的圆环形端部41在静止时是彼此隔开相对的,而当旋转斜盘10单独转动时便在料筒40与旋转斜盘10之间产生相对转动。通过在旋转斜盘10保持转动的情况下将料筒40的端部41与旋转斜盘10的加工面30B压焊一段预定的时间以使一部分上述的金属材料从料筒40转移到旋转斜盘上而在其加工面30B上形成一层薄膜。
文档编号F04B27/08GK1267580SQ00104329
公开日2000年9月27日 申请日期2000年3月17日 优先权日1999年3月17日
发明者杉浦学, 岩间和明, 平山精蔵, 须崎诚次 申请人:株式会社丰田自动织机制作所