CN114025909A - 用于制造机器零件的方法，诸如但不限于压缩机、膨胀机或真空泵零件和通过所述方法制造的机器零件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于处理机器零件的表面的方法，所述方法包括通过激光将图案施加到所述机器零件的所述表面上，以及将涂层施加到图案化的表面上的步骤。

Description

用于制造机器零件的方法，诸如但不限于压缩机、膨胀机或真 空泵零件和通过所述方法制造的机器零件
技术领域
本专利申请涉及用于制造机器零件的方法，诸如但不限于压缩机、膨胀机或真空泵零件。
背景技术
机器零件的表面可以设置有涂层以影响机器零件的行为。例如，对于无油螺杆压缩机，将涂层施加到外壳和转子的表面上以改善无油螺杆压缩机的操作。涂层满足多种目的。一个目的是减少机器零件的磨损。另一个目的是促进热量通过机器零件的传递。再一个目的是在最小化操作期间热量的产生。又一个目的是最小化空气从形成在机器零件之间的气室的泄漏。
当机器零件将被涂覆时，旨在实现涂层与机器零件之间适当的附着力。特别是当机器零件老化时，涂层的次优附着可能导致涂层的分层。这降低机器零件的操作性能，并可能损坏机器。为获得适当的附着，在施加涂层前对机器零件的表面进行预处理。这种预处理包括一个或多个清洁步骤，通常是机械和/或化学清洁。在清洁过程中，从机器零件去除污垢和油脂。预处理通常还包括粗化操作以提高涂层的粘附性。例如通过喷砂的方式可以执行粗化操作。
用于处理机器零件的表面的已知技术的缺点是对环境的显著影响。具体地，预处理步骤，诸如清洁和粗化产生有害的废物流。此外，这些操作的至少一部分复杂而难以自动化，使得执行操作的操作员冒着与这些有害废物流物理接触的风险。
发明内容
本发明的一个目的是改进机器零件的处理。
为此，本发明提出用于处理机器零件的表面的方法，所述方法包括以下步骤：
-通过激光将图案施加到设置的机器零件的设置表面上；
-将涂层施加到图案化表面上。
本发明基于这样的认识，即激光可以用于清洁机器零件的表面并同时影响表面的粗糙度。通过将图案施加到表面上，可以清洁表面并且可以获得预定的粗糙度。此外，与常规的清洁和粗化操作相比，使用激光显著减少了有害废物流的产生。另外，通过激光将图案施加到表面上可以自动化，从而降低操作员的负担和风险。
优选地，所述方法还包括制造机器零件。在优选实施例中，处理过的机器零件是新的机器零件。可替代地，对先前使用过的机器零件的表面进行处理。这也称为翻新机器零件。
优选地，机器零件选自用于无油螺杆压缩机的螺杆转子的至少一部分和用于这种无油螺杆压缩机的外壳元件的至少一部分。具体地在无油螺杆压缩机领域，表面处理对压缩机的操作、效率和使用寿命显得尤为重要。因此，具体地对于无油螺杆压缩机，所提出的处理是有利的。
优选地，施加图案的步骤包括：
-确定到表面上的至少一个路径，使得至少一个路径在表面上延伸；以及
-以激光的激光束在所述至少一个路径上撞击表面的方式操作激光。
优选地，激光指向表面，使得激光束以大约90度的角度撞击表面。通过以大约90度的角度撞击表面，大部分激光束能量被传输到表面。此外，可能对环境产生有害影响的反射光束最小化。
优选地，操作激光包括使激光相对于表面位移，以使得激光的撞击点以预定速度遵循所述至少一个路径。需注意，激光相对于表面的位移以相对的方式定义。这意味着激光可以在表面固定的同时移动。可替代地，表面可以在激光固定的同时移动。进一步可替代地且优选地，激光和表面两者移动以到达激光相对于表面的预定相对位移。通过以预定速度遵循所述至少一个路径，激光沿着路径撞击表面。因为路径在表面上延伸，所以激光撞击整个表面。
优选地，激光是产生脉冲的激光，并且其中操作激光包括以预定的工作频率并以预定的工作强度输出激光束。更优选地，预定速度和预定工作频率彼此保持预定关系。更优选地，预定关系被选择为使得后续激光束光点位于小于激光表面撞击直径的相对于彼此的点对点距离处。这些特征的组合允许沿路径撞击表面而不会中断。换句话说，至少所述路径被完全处理并且沿着路径找不到不受激光束撞击的点或表面部分。激光束光点被定义为可在表面上检测到的激光束撞击区域。
优选地，所述至少一个路径包括多个路径段，并且其中相邻的路径段显示出优选地小于所述激光表面撞击直径的中心到中心距离。优选实施例的效果是还在相邻路径段之间，表面的每个部分都用激光束处理。换句话说，在激光未处理表面的相邻路径段之间找不到表面部分。
优选地，施加图案被参数化以获得表面的高于1.0Ra、优选高于1.3Ra的表面粗糙度以及表面的可选地还高于10.0Ry、优选高于15.0Ry的表面粗糙度。实际测试和实验表明，当表面粗糙度高于1.0Ra并且可选地还高于10.0Ry时，涂层可以以高成功度施加。应用图案的参数包括对于不同的表面可以被不同地参数化的激光束强度、位移速度、工作频率、相邻路径段之间的距离。具体地，机器零件材料显著影响如何选择这些参数以获得优选的表面粗糙度。
优选地，涂层以多层施加。进一步优选地，所述方法还包括在施加图案的步骤之前将第一涂层施加到机器零件的表面上，并且其中施加涂层是将第二涂层施加到图案化表面上。当第一涂层的质量不足并且表面需要新涂层时，这可能很有用。在后一种情况下，施加激光图案将去除第一涂层，并且将为表面准备好与第二涂层的良好粘合。在机器零件已被使用后，第一涂层的质量可能会被认为是不足的。在刚施加第一涂层后，例如在制造过程中出现问题时，该第一涂层的质量也可能被认为是不足的。
优选地，涂层具有如欧洲专利申请No.14155385.9、欧洲专利申请No.17169341.9和中国专利申请No.CN 105132086中的一者中所述的组成中的任一组成。
本发明还涉及无油螺杆压缩机，其包括转子和外壳，其至少一者根据本发明至少部分地进行了处理。
附图说明
附图用于说明本发明的装置的目前优选的非限制性示例性实施例。当结合附图阅读时，根据下面的详细描述，本发明的特征和目的的上述和其他优点将变得更加明显，并且将更好地理解本发明，其中：
图1示出利用激光将图案施加到表面上的一些参数；
图2示出激光处理过的表面；
图3示出另一个激光处理过的表面；
图4示出用于执行本发明的方法的系统；
图5A至图5D示出多种图案；以及
图6A和图6B分别示出用于执行本发明的方法的另一个系统的截面图和俯视图。
具体实施方式
根据本发明的优选实施例的方法包括以下步骤
-加工机器零件；
-通过激光将图案施加到所述机器零件的表面上；
-将涂层施加到图案化表面上。
在替代实施例中，本发明包括以下步骤：
-翻新机器零件；
-通过激光将图案施加到所述机器零件的表面上；
-将涂层施加到图案化表面上。
根据本发明的方法对于制造用于涡旋或齿式压缩机制造的涂覆机器零件(诸如像用于无油螺杆压缩机的螺杆转子或压缩机外壳)特别有用。类似地，所述方法可用于制造膨胀机(例如螺杆膨胀机)、真空泵(例如真空爪)或低压应用(例如螺杆鼓风机)的转子、外壳或轴。
根据实施本发明的特定方式，将涂层施加到图案化表面上的步骤包括施加如欧洲专利申请No.14155385.9和17169341.9中所述的任何涂层组成，至少为了提供与涂层的施加相关的技术特征且为了提供涂层组成本身的技术特征，所述两个专利申请的全部内容以引用的方式并入本申请中。显然，本发明不限于这些特定的涂层组成，还可以施加其他类型的涂层。
此外，如中国专利申请CN 105132086中公开的聚四氟乙烯结合固体润滑剂可用作涂层材料并可根据如该中国专利申请中所述的任何方法来施加，至少为了提供与涂层的施加相关的技术特征且为了提供涂层组成本身的技术特征，所述中国专利申请以引用的方式并入本申请中。
更具体地，根据本发明的方法中使用的涂层材料可以是以聚酰胺-酰亚胺树脂和环氧树脂为粘合剂、以聚四氟乙烯、三聚氰胺氰脲酸盐和二硫化钼作为固体润滑剂且以混合溶剂为稀释剂而制成的聚四氟乙烯结合固体润滑剂，并且可以进一步包含各种填料和改性添加剂。润滑剂可以涂覆在机器零件的表面上，并且可以经受加热和固化以形成聚四氟乙烯结合固体润滑涂层。
在根据本发明的方法中施加的涂层材料可以包含热塑性材料，例如但不必须地，诸如聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)。添加剂可以包括在涂层材料中，诸如氧化铝(A1203)、二氧化硅(SiO2)、玻璃(例如硼硅酸盐玻璃)。石墨可以与任何上述化合物组合或不组合地包括在涂层材料中。
以下颗粒中的任一种可以单独或与任何其他化合物或添加剂组合地包括在涂层材料中：
六方氮化硼
碳纳米管(CNT)
滑石
聚四氟乙烯(PTFE)
全氟烷氧基聚合物(例如全氟烷氧基树脂或PFA)
氟乙烯丙烯(FEP)
任何其他氟聚合物
碳化硅(SIC)。
可替代地，所述涂层材料的成分可以如下：
聚四氟乙烯(954G 303 C特氟龙，杜邦)750-850
无定形石墨粉末300-400
喷雾清洁设备用稀释剂(8595稀释剂，杜邦)200-270
甲基乙基甲酮(MEK)170-220
乙酸溶纤剂涂料添加剂(Syn Fac 800树脂)200-300
新涂料的特定配方可以如下：
聚四氟乙烯(954G 303 C特氟龙，杜邦)800
无定形石墨粉末360
喷雾清洁设备用稀释剂(8595稀释剂，杜邦)240
甲基乙基甲酮(MEK)195
乙酸溶纤剂涂料添加剂(Syn Fac 800树脂)240
测试表明，将图案施加到机器零件的表面上的步骤可以例如通过喷砂完全或部分地消除对所述表面进行粗化的需要，同时可以确保涂层材料在机器零件表面上的良好附着。所述机器零件通常是金属零件，例如铸铁。
本发明还涉及用于翻新机器零件的方法，诸如压缩机、膨胀机或真空泵的转子或转子外壳，所述方法包括以下步骤：
a)通过激光从所述机器零件的表面去除涂层；以及
b)在激光处理过的表面上施加新的或附加的涂层材料。
根据具体实施例，所述方法还包括在施加新的或附加的涂层之前将图案施加到激光处理过的表面上的步骤a'。
根据本发明的附加优选特征，步骤a'通过将图案施加到表面上的激光来执行。
图1示意性地示出通过激光将图案2施加到表面上的效果。激光是脉冲产生激光。脉冲产生激光以预定频率输出激光束。因此，光学功率以具有预定持续时间和频率、通常具有预定重复率的脉冲到达撞击区。这种激光可以通过广泛的技术来实现。
在本发明中应用的激光优选地是脉冲激光，因为该应用受益于具有预定的大能量的脉冲的产生。由于脉冲能量等于平均功率除以重复率，因此可以通过降低脉冲频率来达到预定量，使得可以在脉冲之间建立更多能量。例如，在激光烧蚀中，如果在很短的时间内加热，工件表面的少量材料可能蒸发，而逐渐提供能量将允许热量被吸收到工件的大部分中，从而绝不会在特定点达到足够高的温度。
参考图1，每个圆段说明激光脉冲对待处理的表面的撞击。圆段用附图标记1表示。图1示出具有X-Y-Z方向的三维坐标系。在图1的示例中，激光束在Z方向上延伸，同时表面在X和Y方向上延伸。为了使从激光传输到表面的能量最大化，激光束优选地定向为基本上垂直于表面。
当激光束指向表面并以预定的工作频率工作时，光束沿着路径2在表面上移动。路径2a和2b形成覆盖待处理的表面的图案2。图案2包括多个路径段。图1说明位于彼此相距路径段距离4处的段2a和2b。
激光配置成具有激光束直径。激光的光学元件，结合激光源与表面之间的距离，确定了激光束在表面上的撞击区的直径。撞击直径在图1中由附图标记5示出。激光优选地具有高于50W、优选地高于70W、更优选地高于90W的功率输出。具有良好选择的激光束直径的这种功率输出优选地导致高于8J/cm2、优选高于12J/cm2、更优选高于18J/cm2、最优选高于23J/cm2的到表面的能量传输。
激光束在表面上移动的脉冲频率和速度确定了表面上的路径段中的相邻激光束撞击区之间的距离。该距离在图1中由附图标记3示出，并且被测量为中心到中心的距离。优选地，距离3小于直径5。路径段距离也优选地小于直径5。
测试和模拟表明，金属表面上的激光脉冲撞击通常通过燃烧或蒸发来去除表面上存在的杂质，诸如油脂、污垢、旧涂层。此外，激光脉冲撞击在金属的表面中形成微型撞击坑。撞击坑的深度和形状取决于金属的类型，并且可以由技术人员通过实验确定。
激光脉冲频率和激光速度决定了单个路径段2a、2b中相邻撞击区1之间的距离3。路径段距离4决定了相邻路径2a、2b中激光撞击区1之间的距离。脉冲强度决定了表面中的形成撞击区1的微型撞击坑的深度。脉冲直径决定了表面中的形成撞击区1的撞击坑的直径，并且还影响表面中的形成撞击区1的撞击坑的深度。可以平衡至少上述参数以获得表面上的预定粗糙度。
平衡参数以获得表面的高于1.0Ra、优选高于1.3Ra的表面粗糙度，并且还获得表面的优选高于10.0Ry、优选高于15.0Ry的表面粗糙度。Ra被定义为在采样长度内偏离平均线的轮廓偏离的绝对值的算术平均值(以μm为单位)。采样长度可以预定义在0.2mm和3.0mm之间。平均线是具有几何轮廓和位置的形式的参考线，使得在采样长度内，偏离该线的轮廓偏离的平方和最小。Ry被定义为在采样长度内垂直测量的剖面图中最高轮廓峰和最低轮廓谷之间测量的距离(以μm为单位)。
表面的算术平均粗糙度Ra和Ry的测量优选根据ISO 4287:1997进行。技术人员可以基于以上提供的教导确定参数以达到表面的优选粗糙度。很明显，不同的表面材料将需要不同的参数。
优选地，选择图案以达到最大3Ra、优选最大2.7Ra的表面粗糙度。代替通过施加图案来增加粗糙度，还可以降低粗糙度。具体地，通过增加相邻激光束光点的重叠，例如通过减小路径段距离4和/或通过降低速度以减小路径段中相邻激光束撞击区之间的距离，粗糙度被降低。
图2示出通过用激光施加图案进行处理的表面的示例。在图2中，示出了多个相邻的路径段，与图1类似。结果是表面示出由形成在表面上的多个相邻撞击坑组成的图案。这些撞击坑的存在意味着在通过激光施加图案之前存在于表面上的任何杂质都被去除。这些撞击坑，特别是由于它们相对于彼此的相对位置，使表面粗糙。如上所述，这种粗糙度确保涂层附着良好。
图3示出通过用激光施加图案进行处理的表面的另一个示例。在图3中，相邻路径距离4大于直径5。结果是在路径2之间，可以观察到未处理的表面区域6的条带。对于一些待处理的表面，这可能足以获得预定的粗糙度。尽管存在明显未处理的表面区域6，但这足以获得涂层的良好附着。因为这些明显未处理的表面区域6被处理过的表面区域包围，所以诸如油脂的杂质被去除并且未处理的表面区域6被充分清洁。至少在施加涂层之前，可能需要单独的清洁步骤以从表面去除杂质。当激光束通过施加图案撞击整个表面时，这种单独的清洁步骤可能至少在很大程度上是多余的。
当沿着路径2的激光束速度被选择成使得相邻激光束撞击区示出小于激光撞击直径5的中心到中心的距离3并且当相邻路径2a和2b之间的距离小于激光撞击直径5时，激光束至少基本上撞击完整的表面。
图4示出其中可以执行本发明的方法的至少一部分的设备10。设备10包括激光源11和光学元件12以输出激光束13。设备10还包括用于机器零件的支撑件14，所述机器零件是压缩机的转子15，优选为无油螺杆压缩机的转子15。设备优选地包括用户界面16以使得用户能够控制设备10的操作设置。用户界面16被示为设备10的组成部分。很明显，设备10可以可选地包括通信模块，使得外部用户界面16可以在操作上连接到设备10。
本发明具体地被开发用于处理无油压缩机的转子15和外壳零件的表面。这种机器零件的涂层以很高的机械精度施加，并且带有涂层的机器零件在极端条件下使用。因此，确保涂层的施加为最佳的表面预处理是优选的。
当将图案施加到具有复杂三维形状的表面(诸如转子15的表面)上时，设备10优选地包括至少三个自由度，更优选地四个自由度，最优选地五个自由度。在所示的示例中，转子15可绕竖直轴线旋转。此外，至少激光的光学元件12，优选还有激光源，可以上下移动，如箭头17所示，并且可以朝向和远离机器零件15移动，如箭头18所示。
优选地，激光的光学元件12，并且更优选地还有激光源11，可以围绕水平轴线旋转，使得激光束13可以部分向下和部分向上朝向转子15取向。这允许激光束13即使在不同的表面段相对于转子轴线显示不同的取向时也能基本垂直地撞击表面。可选地，转子15可绕卧轴旋转以改变激光束13相对于转子15的向上轴线的撞击角。通过操作设备10的不同运动，激光束13可以至少对于表面的大部分，基本上垂直指向转子表面。
相同的技术可应用于处理压缩机外壳的部件，如下文将参考图6所说明。还可以使用替代装置，其中激光源安装在距激光束输出的一定距离处，并且其中光学元件控制激光束输出的位置和激光束延伸的方向。
图5示出了用于处理表面的多个图案。图5A示出了包括彼此相邻的多个分离的平行路径段2a、2b、…2e的图案。如上所述，可以选择相邻路径段2之间的距离以获得优选的表面处理。
图5B示出了包括在表面区域上蜿蜒的单个路径的图案。这种单一路径可以被视为多个相互连接的平行路径段2a、2b、…2e，所述路径段彼此相邻定位。如上所述，可以选择相邻路径段2之间的距离以获得优选的表面处理。图5B的图案是优选的，因为激光的使用具有时间效率。路径是连续的，使得激光可以以最少的间断运行。
图5C示出了包括在表面区域上蜿蜒但其中多个路径段不平行的单个路径的图案。该图示出了两个区域2f和2g，并且区域2f中的路径段的取向与区域2g中的路径段的取向不同。然而，以相邻路径段显示出相对于彼此的预定最大距离的方式选择图案，以获得优选的表面处理。
图5D示出了包括螺旋形路径的又一个图案。作为螺旋的替代方案，可以形成同心圆。在所示的螺旋形路径中，例如如图所示可以自由定义的螺旋段相对于彼此以预定距离定位，以获得优选的表面处理。
图4的装置被提供用于将图案施加到具有主要面向外的表面的机器零件。面向外的表面是其表面法线远离机器零件的中心指向的表面。通常，面向外的表面的表面法线不与机器零件的另一部分交叉。换句话说，主要面向外的表面具有大部分凸表面段。
图6的装置被提供用于将图案施加到具有主要面向内的表面的机器零件。面向内的表面是其表面法线至少部分地指向机器零件的中心的表面。通常，面向内的表面的表面法线可以交叉或至少接近机器零件的另一部分。换句话说，主要面向内的表面具有大部分凹面段。
图6示出了用于将图案施加到例如无油螺杆压缩机的压缩机的外壳的装置。图6A示出了横截面并且图6B示出了俯视图。装置包括激光源11。提供通常包括一个或多个反射镜的导光装置以将激光引导至激光束输出部19。激光束输出部19适于在外壳内移动。这部分地由图6A中的箭头20和21示出，并且部分地由图6B中的旋转箭头22示出。本领域技术人员理解，组合运动可导致激光束输出部19指向面向内的表面23以遵循形成图案的预定路径。
本发明不限于以上举例说明的实施例，也不限于以上通过更好地说明本发明而列出的方法步骤，然而，根据本发明的制造机械零件的方法可以以多种方式实现而不脱离本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于处理机器零件(15、24)的表面的方法，所述方法包括以下步骤：
-通过激光(11、12、13)将图案(2)施加到所述机器零件(15、24)的所述表面上；
-将涂层施加到图案化表面上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括制造所述机器零件(15、24)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述机器零件(15、24)选自用于无油螺杆压缩机的螺杆转子(15)的至少一部分和用于这种无油螺杆压缩机的外壳元件(24)的至少一部分所构成的组。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中施加图案(2)的步骤包括：
-确定到所述表面上的至少一个路径(2a、2b、…2g)，使得所述至少一个路径在所述表面上延伸；
-以所述激光(11、12、13)的激光束(13)在所述至少一个路径(2a、2b、…2g)上撞击所述表面的方式操作所述激光。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述激光(11、12、13)指向所述表面，使得所述激光束(13)以大约90度的角度撞击所述表面。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中操作所述激光(11、12、13)包括使所述激光(11、12、13)相对于所述表面位移，使得所述激光束(13)的撞击点以预定速度遵循所述至少一个路径(2a、2b、…2g)。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的方法，其中所述激光包括脉冲产生激光源(11)并且其中操作所述激光(11、12、13)包括以预定的工作频率并以预定的工作强度输出所述激光束(13)。
8.根据权利要求6和7所述的方法，其中所述预定速度和所述预定的工作频率相对于彼此保持预定关系。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述预定关系被选择为使得后续激光束光点(1)相对于彼此位于小于激光表面撞击直径(5)的点对点距离(3)处。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一个路径(2a、2b、…2g)包括多个相邻路径段，其中所述相邻路径段显示出小于所述激光表面撞击直径(5)的中心到中心距离(4)。
11.根据前述权利要求1-10中任一项所述的方法，其中施加图案(2)被参数化以获得表面粗糙度高于1.0Ra、优选高于1.3Ra的表面以及可选地表面粗糙度高于10.0Ry、优选高于15.0Ry的表面。
12.根据前述权利要求1-11中任一项所述的方法，其中所述涂层以多层施加。
13.根据前述权利要求1-12中任一项所述的方法，还包括在施加图案(2)的步骤之前将第一涂层施加到所述机器零件的表面上，并且其中施加涂层是将第二涂层施加到所述图案化表面上。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，所述涂层具有如欧洲专利申请No.14155385.9、欧洲专利申请No.17169341.9和中国专利申请No.CN 105132086中的一者中所述的组成中的任一组成。
15.一种无油螺杆压缩机，其包括转子(15)和外壳(24)，转子(15)和外壳(24)中的至少一者至少部分地根据权利要求1-14中任一项进行处理。
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