斯特林制冷机活塞加工工艺

斯特林制冷机活塞加工工艺

粟爽

廊坊展翔精密机械有限公司

河北省廊坊市

065099

摘要：基于活塞与气缸组成的自由活塞运动，对斯特林制冷机的性能有着十分关键的作用。简要介绍了活塞的材料，重点介绍了活塞的加工工艺及加工难点分析，此外还介绍了加工中所选用的机床、刀具及量具。

关键词：材料分析；工艺路线；难点解析；

ProcessingtechnologyofpistoninminiatureStirlingrefrigerator

SuShuang

Abstract:The Free Piston motion, based on the combination of Piston and cylinder, is critical to the performance of the Stryn refrigerator. This paper briefly introduces the Materials of the Piston, mainly introduces the processing technology of the Piston and the analysis of the processing difficulties, in addition, introduces the machine tools, cutting tools and measuring tools selected in the processing.

Keywords:Material Analysis; process route; difficulty analysis

1. 引言

随着红外技术的不断发展，红外系统对微型低温制冷器的需求越来越大，电子、航天、航空等红外系统对斯特林制冷机也有很大的需求。而一个理想的斯特林制冷机，由回热器、冷却器、冷量换热器（冷端换热器）、两个气缸和两个活塞组成。压缩气缸与压缩活塞形成的工作腔叫压缩腔；膨胀气缸与膨胀活塞（推移活塞）形成的工作腔叫膨胀腔，工作腔通过回热器和连通。压缩活塞和推移活塞以一定的相位差运动。理想的稳定工况下，回热器中形成线性温度梯度，膨胀腔内保持制冷温度，压缩腔内保持室温温度。由此可以看出活塞与气缸的配合相当重要，也对活塞的加工工艺要求极其严格。

2. 材料分析

M42材料是高钴韧性高速钢，主要用于高韧性精密耐磨五金冷冲模，也可用于切割工具及刀中冷却。W2Mo9Cr4VCo8钢代号M42。是美国牌号的超硬钴高速工具钢,M42钢中钒的质量分数不高(1%),钴的质量分数高(8%),钴能促使碳化物在淬火加热时更多地溶解在基体内,利用高的基体硬度提高耐磨性。该钢的硬度、热硬性、耐磨柱及磨削性都很好。热处理硬度可达67~70HRC,但也有采取特殊热处理方法,得到硬度67~68HRC。

2.1特性

高红热硬度,高耐磨耗性与切削能力,高冲击韧性.晶粒细致均匀,韧性高。碳化物颗粒细、硬度高，耐磨性好。

2.2热处理

等温退火火:温度800~880℃，以10~20℃，dHr炉冷至约600℃，硬度在HB269以上。

预热温度：730-845℃

淬火温度：1190-1210℃

回火温度：540-595℃

冷拉态，硬度285HBS，

冷拉后退火态，硬度277HBS

淬火方式：油淬、空冷或盐浴淬火

2.3化学成分

C:1.00-1.15 Si:≥0.65 Mn:≥0.40 P:≥0.030 S:≥0.030 Cr:3.50-4.50 V:0.95-1.35 W:1.15-1.85 Mo:9.0-10.0 CO:7.50-8.50

3. 加工工艺线路分析

1. 备料：Φ10棒料均可用。

2. 粗加工：由数车开粗各个外圆和环槽，均留精加工余量在0.3mm左右，总长方向均留加工余量在0.2mm左右，2个牙的底孔均打到数。

3. 钳工：对2个牙进行加工，保证牙的有效深度在6.5mm以上。

4. 热处理：真空淬火热处理HRC≥67°，热处理后进行稳定处理，在液氮中进行2次深冷处理。

5. 外圆磨：用金刚石锥形磨头对顶尖孔进行粗研，然后开粗各个外圆，均留精加工磨量在0.1左右。

6. 平面磨床：加工总长到数，保证总长方向与外圆的垂直在0.02以内；加工各个台阶圆到数，保证台阶圆与外圆的过渡斜角为45°；加工各个倒角到数，保证锐边倒钝。

7. 小孔放点：加工中间气孔的穿丝孔，保证孔到边的距离。

8. 快走丝：加工中间气孔到数，保证孔到边的距离；气孔周边倒钝保证没有毛刺。

9. 钳工：对2个牙孔进行过牙，保证拧牙时顺畅无阻力。

10. 外圆磨：用金刚石锥形磨头对2个顶尖孔进行精研；按照配磨表尺寸半精加工2个外圆，精磨余量均留0.01mm左右。

11. 外圆磨：按照配磨表尺寸对2个外圆进行抛光加工，表面光洁度Ra在0.05、Rp在0.15之内。

4. 加工难点及解决分析

1. 钳工：由于材料本身的特性属于粉末颗粒状，在功完牙后废末容易存留在牙孔里面，不易清理。解决方案：在风枪上套跟细长管，塞进牙孔里，从底部往外吹，就能解决废末存留问题。

2. 平面磨床：在加工总长时，端面与外圆的垂直度容易超差。解决方案：在加工工件前，应先把磁台修整一下，首先保证磁台与砂轮的绝对垂直；然后在用高精密平口钳进行加工，就能保证垂直度。

3. 小孔放电：因为小孔放电需要水和电腐蚀才能加工，在加工完后，孔口的周边容易腐蚀和生锈。解决方案：在放电时，尽量调小电压，这样腐蚀的范围就不会太大；在加工完后用风枪吹干净工件放在导轨油或者煤油里面浸泡，就会避免工件生锈。

4. 快走丝：在加工气孔时孔容易出现椭圆状或者孔距超差的现象。解决方案：加工前注意观察穿丝孔里面是否有小孔放电时存留的积碳，如果有积碳现象及时清理就能避免发生椭圆的情况；因为加工气孔需要夹具辅助加工，所以在加工的时候必须要求外圆磨开粗做到一致，在装夹工件前需用风枪吹干净夹具然后在加工，就能避免孔距超差的现象。

5. 外圆磨：2个外圆的同心度、圆柱度、工件表面粗糙度容易超差，工件表面容易划伤。解决方案：在配磨前，因选择合适的载体对工件进行存放，避免载体里面有废削而划伤工件表面；精研顶尖孔时，注意观察工件的顶尖孔是否存在缺陷，必须要使整个工件的顶尖孔都研磨出来；顶尖的选用也要注意，不能使用有凹坑或者凸起的顶尖；加工前必须对砂轮进行修磨，保证砂轮表面没有凸起的颗粒；加工后擦拭工件不能选用布条，避免擦花工件表面，应用卫生纸或者无尘布进行清理。

5. 机床、量具、刀具的选择：

5.1机床的选择

数车：小巨人车床:Ф180mm*200mm,精度：0.002mm

钳工：杭州西湖台式攻丝机：SWJ-6B

平面磨床：180mm*300mm,精度：0.002mm

快走丝：DK7740:500mm*400mm，精度0.02mm

外圆磨：Ф150mm*300mm,精度：0.001mm

5.2量具的选择

真圆度仪：Ф50mm*50mm，精度：0.001mm

粗糙度仪:300mm*50mm，精度：0.0005mm

三坐标：400mm*200mm*120mm，精度0.002mm

数显万分尺：0-25mm，精度：0.0001mm

影像测量仪：200mm*100mm*200mm，精度：0.01mm

高度仪：600mm，精度0.0001mm

显微镜，目视检测外圆状态

5.3刀具的选择

数车的刀具选择应满足调试方便、刚性好、精度高、耐用度好等要求，应选用菱形外圆车刀、外圆槽刀、中心钻、硬质合金钻头等。

钳工：日本进口YAMAWA先端丝锥

快丝：0.12mm钼丝

平面磨床：金帝白刚玉砂轮

外圆磨：60°锥形金刚石磨头、金帝白刚玉砂轮、CBN金刚石砂轮

6. 结束语

1. 活塞在气缸中做高速往复直线运动，因此材料必须具有高冲击韧性和高耐磨度，M42材料通过一系列热处理手段后，硬度、韧性和耐磨性都能满足需求。

2. 在加工活塞类零件时，此套工艺路线非常成熟，每一工序的留量预算都为下一序节约了大量的加工时间，同时降低了下一工序的加工难度，从而保证产品的质量。

3. 对加工圆柱度和同轴度要求比较高的回转体零件时，要严格的遵守统一基准的原则进行工艺的编排，这样可以避免因多基准对同轴度造成的误差。

4. 刀具和量具的选择对工件的精度有很大的影响，选择合适的刀具可以减少加工中产生的热量从而降低对尺寸精度的影响；合适的量具可以更精准的检测产品的实际数据。

参考文献：

1. 蔡亚超.浙江大学制冷与低温研究所，浙江杭州，310027

2. 陈一能．《新编模具钢应用经验手册》：力明出版社，2010年：349

3. 曾烊平，陈曦.自由活塞斯特林制冷机的研究与应用进展.真空与低温，2017，23（2）：68-75