CN104747584B - 一种偏心轴 - Google Patents

Abstract

本发明属于轴类零件技术领域，涉及一种偏心轴，特别是一种适用于高压柱塞泵、农用隔膜泵等设备的偏心轴。该偏心轴包括主体，在主体上沿主体轴心线方向一体式偏心设置有一行第一偏心轴体和一行第二偏心轴体，主体的轴心线、第一偏心轴体的轴心线、第二偏心轴体的轴心线相互平行设置；其中，主体包括芯体以及设置在芯体外侧的耐磨层，芯体由钢材制成。本发明偏心轴结构设计合理且整体布局紧凑，稳定性好；而且，偏心轴包括采用经过强韧化处理的改进型40CrNiMo合金钢制备成的芯体以及通过等离子喷涂设置在芯体外侧的耐磨层，强度、韧性等性能较好，强韧配合更佳，使用寿命和安全可靠性更高，成本更低。

Description

一种偏心轴

技术领域

本发明属于轴类零件技术领域，涉及一种偏心轴，特别是一种适用于高压柱塞泵、农用隔膜泵等设备的偏心轴。

背景技术

现有技术中，偏心轴是高压柱塞泵、农用隔膜泵等设备的重要零部件，它的中心并非在轴线的中心，一般的轴，只能带动工件自转，但是偏心轴，不但能传递自转，同时还能传递公转。偏心轴的结构特点是具有平行而不重合的两条轴线。

在目前市场上，大多数偏心轴结构设计简单，其偏心轴体只有一个，因此其只能推动一个活塞进行往复运动，无法满足实际使用需求。

综上所述，为解决现有偏心轴结构上的不足，需要设计一种设计合理、稳定性好的偏心轴。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种设计合理、稳定性好的偏心轴。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种偏心轴，包括主体，在主体上沿主体轴心线方向一体式偏心设置有一行第一偏心轴体和一行第二偏心轴体，所述主体的轴心线、第一偏心轴体的轴心线、第二偏心轴体的轴心线相互平行设置；

其中，所述主体包括芯体以及设置在芯体外侧的耐磨层，所述芯体由钢材制成，所述钢材由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.37-0.44％，Cr：1.1-1.5％，Ni：0.8-1.1％，Si：0.2-0.4％，Mn：0.6-0.8％，Mo：0.2-0.3％，B：0.005-0.01％，W：0.05-0.08％，Ti：0.05-0.08％，V：0.1-0.3％，稀土元素：0.01-0.05％，S≤0.02％，P≤0.02％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。

作为本发明的进一步改进，所述第一偏心轴体的轴心线、第二偏心轴体的轴心线分列于主体的轴心线两侧。

作为本发明的进一步改进，所述第一偏心轴体的数量为一个。

作为本发明的进一步改进，所述第二偏心轴体的数量为两个。

作为本发明的更进一步改进，所述主体由左及右依次同轴设为前段、第一过渡段、第二过渡段、第三过渡段、第四过渡段、第五过渡段、后段，所述主体的直径按以下顺序递增：前段、第二过渡段、第一过渡段、第三过渡段、后段、第五过渡段，所述第四过渡段的直径与第三过渡段的直径相等，所述第一偏心轴体设置在第一过渡段与第二过渡段之间，所述第一偏心轴体的直径大于第三过渡段的直径并小于后段的直径，所述一个第二偏心轴体设置在第二过渡段与第三过渡段之间，另一个第二偏心轴体设置在第三过渡段与第四过渡段之间，所述第二偏心轴体的直径大于第三过渡段的直径并小于后段的直径。

作为本发明的又进一步改进，在前段的外周侧面上设有至少一个环形槽，在后段中部设有与主体同轴设置的中心通孔。

现有技术中，偏心轴多采用钢材制成，尤其是较多的采用40CrNiMo合金钢进行制备。因为，40CrNiMo合金钢的强度、韧性等综合性能较好。但是，40CrNiMo合金钢也存在一定缺陷，比如白点敏感性高、有回火脆性、成本高等，制成的偏心轴在工作过程中易发生疲劳断裂现象而遭到毁灭性破坏。因此，本发明首先对40CrNiMo合金钢的组成成分及其质量百分比进行了改性，以获得强度、韧性等性能更好、成本较低的改进型40CrNiMo合金钢。

本发明对40CrNiMo合金钢的组成成分及其质量百分比的改性主要是在40CrNiMo合金钢的基础上，降低了Ni元素的含量，提高了Cr元素的含量，添加了微量的B、Ti、V、W和稀土元素，并适当的调整了其它元素的质量百分比。

因为，在合金钢中，镍是提高钢的强度，保持钢的塑性和韧性的重要元素，但是，镍是稀缺资源，过多添加会明显增加成本。因此，本发明改进型40CrNiMo合金钢降低了Ni元素的质量百分比，将其含量控制在0.8-1.1％之间，在此范围内，既能保证钢的性能不会下降太多，又能降低一定的成本，处于一个相对较为平衡的状态。同时，本发明改进型40CrNiMo合金钢还提高了铬元素的质量百分比到1.1-1.5％范围内，从而提高了合金钢的强度、硬度和耐磨性，但却降低了合金钢的塑性和韧性。因此，结合铬元素的质量百分比及其在合金钢的作用，如果本发明改进型40CrNiMo合金钢中Ni元素的质量百分比低于0.8％之后，虽然在成本上降幅较大，但合金钢的塑性、韧性等性能不能满足使用需求。因此，本发明改进型40CrNiMo合金钢的Ni元素和Cr元素的质量百分比的调整范围必须控制在上述范围内。

由于本发明改进型40CrNiMo合金钢降低了Ni元素的含量，提高了铬元素的含量，因此，改进型40CrNiMo合金钢的强度、韧性、塑性等性能未能达到较大的改善。因此，本发明适量的加入B、Ti、V、W和稀土元素用以改善改进型40CrNiMo合金钢的综合性能。其中，B、Ti、V三种元素都能细化组织晶粒，使合金钢的组织更致密化，提高改进型40CrNiMo合金钢的强度、硬度和塑性等性能，还能提高改进型40CrNiMo合金钢的耐腐蚀性。而添加的稀土元素主要为镧系元素中的一种或多种，它不仅可以细化合金钢的晶粒和组织，还可以中和S、P等干扰元素的不良作用，从而提高本发明改进型40CrNiMo的强度、硬度等性能。

因此，本发明通过上述调整对40CrNiMo合金钢的组成成分及其质量百分比进行了改性，获得了强度、韧性等性能更好、成本较低的改进型40CrNiMo合金钢。

本发明改进型40CrNiMo合金钢仍然可以采用40CrNiMo合金钢的制备方法制备得到。

作为本发明的更进一步改进，钢材主要经强韧化处理和磨加工后制备得到芯体。

本发明通过现有技术制备得到改进型40CrNiMo合金钢后，改进型40CrNiMo合金钢再通过强韧化处理和磨加工后制备得到偏心轴芯体。

作为本发明的又进一步改进，强韧化处理工艺包括过热淬火工艺和回火工艺，过热淬火工艺中过热淬火温度为1150-1350℃，过热淬火保温时间为1.0-1.5min/mm，回火工艺中回火温度为200-230℃，回火保温时间为2-3min/mm。

过热淬火工艺是钢材进行强韧化处理的重要手段。本发明改进型40CrNiMo合金钢受最新配伍的化学成分、晶粒大小、过热淬火介质(本发明优选为油淬)、Ms点以下的冷却速度以及回火工艺等的影响，经上述强韧化处理后，会有一定量的残余奥氏体。在现有技术中，一般认为残余奥氏体的存在会降低钢材的力学性能。但是，实际上，本发明改进型40CrNiMo合金钢经强韧化处理后存在的一定量的残余奥氏体可以成为韧性相，从而提高其韧性，使产品偏心轴达到较好的强韧配合，断裂韧性提高1倍以上，减少了疲劳裂纹，避免偏心轴在使用过程中发生脆性断裂，提高了使用寿命和安全可靠性。因为，当裂纹扩展遇到韧性相时由于韧性相产生塑性变形，使裂纹前端钝化，而且韧性相变要消耗能量使裂纹扩展受阻；而且，裂纹扩展遇到韧性相使裂纹难于直线前进，而迫使裂纹改变方向或分岔，从而松弛了能量、提高了韧性，对阻止裂纹扩张有明显好处。

作为本发明的又进一步改进，磨加工工艺主要包括下料、粗加工、半精加工和精加工工艺。本发明改进型40CrNiMo合金钢经强韧化处理后，采用偏心轴典型零件加工工艺将改进型40CrNiMo合金钢材料加工成偏心轴芯体。

作为本发明的又进一步改进，芯体外侧通过等离子喷涂工艺喷涂形成耐磨层。

本发明将偏心轴芯体经等离子喷涂工艺在芯体外侧喷涂形成一层耐磨层后制得得到最终产品偏心轴。

等离子喷涂工艺是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态(本发明优选陶瓷)，并以高速喷向经过预处理的偏心轴坯件表面而形成附着牢固的表面层的方法。使偏心轴表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能，强化和改善了偏心轴的表面性能。

此外，本发明偏心轴芯体外侧的耐磨层可以为等厚喷涂，也可以结合偏心轴工作过程中实际磨损情况，在磨损较快、较严重的部位形成较厚的耐磨层，还可以在磨损较快、较严重的部位采用更耐磨的陶瓷材料进行喷涂。

作为本发明的又进一步改进，等离子喷涂工艺为超音速等离子喷涂工艺。而超音速等离子喷涂工艺是等离子喷涂工艺中的一种，它是将主气(氩气，流量较小)由后枪体输入，而大量的次级气(氮气或氮气与氢气的混合气)经气体旋流环的作用后，与主气一同从拉伐尔管形的二次喷嘴射出(钨极接负极，引弧时，一次喷嘴接正极)，在初级气中经高频引弧，而后，正极转接二次喷嘴，即在钨极与二次喷嘴内壁间产生电弧。在旋转的次级气的强烈作用下，电弧被压缩在喷嘴的中心并拉长至喷嘴外缘，形成高压的扩展等离子弧。大功率扩展的等离子弧有效地加热主气和次级气，从而获得从喷嘴射出的稳定的、集聚的超音速等离子射流。喷射粉末经送粉嘴加入超音速等离子流，获得很高的温度和动能，撞击在工件表面形成涂层。该方法主要特点在于具有极高的热源温度(等离子弧温度高达16000℃)和功率，因此能够在短时间内将陶瓷粉末加热到其熔点以上，得到高质量的涂层。它兼有等离子弧喷涂的加热温度高及气体爆炸喷涂和HVOF喷涂的喷涂材料飞行速度快的特点。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

1.偏心轴结构设计合理且整体布局紧凑，偏心轴的偏心轴体设置有多个，使得偏心轴能拥有更加稳定精确的偏心角度，能够保持高压柱塞泵、农用隔膜泵等设备稳定；且每个偏心轴体均能单独推动一个活塞进行往复运动，进而能更好地满足设备的实际使用需求，同时本偏心轴还具有振动小、压力波动小等特点。

2.偏心轴包括芯体以及设置在芯体外侧的耐磨层，芯体采用经过强韧化处理的改进型40CrNiMo合金钢制备，并在芯体外侧通过等离子喷涂形成耐磨层后制备而成，强度、韧性等性能更好，强韧配合更佳，使用寿命和安全可靠性更高，成本更低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明一较佳实施例的结构示意图。

图中，11、主体；111、前段；1111、环形槽；112、第一过渡段；113、第二过渡段；114、第三过渡段；115、第四过渡段；116、第五过渡段；117、后段；1171、中心通孔；12、第一偏心轴体；13、第二偏心轴体。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明保护一种设计合理、稳定性好的偏心轴，能适用于高压柱塞泵、农用隔膜泵等设备。

现有的偏心轴结构设计简单，其偏心轴体只有一个，只能推动一个活塞进行往复运动，无法满足实际使用需求。因此，设计一种比较合理的偏心轴是很有必要的。

如图1所示，本偏心轴包括主体11，在主体11上沿主体11轴心线方向一体式偏心设置有一行第一偏心轴体12和一行第二偏心轴体13，主体11的轴心线、第一偏心轴体12的轴心线、第二偏心轴体13的轴心线相互平行设置。

本案中的偏心轴结构设计合理且整体布局紧凑，偏心轴的偏心轴体设置有多个，且每个偏心轴体均能单独推动一个活塞进行往复运动，进而能更好地满足设备的实际使用需求。

而且这样的偏心轴结构设计使得偏心轴能拥有更加稳定精确的偏心角度，能够保持高压柱塞泵、农用隔膜泵等设备稳定，同时本偏心轴还具有振动小、压力波动小等特点。

首先，进一步的，本发明中的第一偏心轴体12的轴心线、第二偏心轴体13的轴心线分列于主体11的轴心线两侧。这样的偏心轴体布局巧妙，使得本偏心轴体能带动不同方位的活塞进行往复运动，灵活性更大且适用性更广，大大提升了偏心轴工作的稳定性。此外，还可以根据实际需求在本偏心轴上设置位于主体11其他方位的第三偏心轴体、第四偏心轴体等等，通用性广。

优选地，将本发明中的第一偏心轴体12的数量设置为一个，将第二偏心轴体13的数量设置为两个。这样的结构设计使得本偏心轴不仅能很好地完成工作且提高了空间利用率，可根据实际需要来设置本发明中的偏心轴体数量、尺寸、形状等规格，通用性广且加工起来也比较方便。

具体的讲，本发明中的主体11由左及右依次同轴设为前段111、第一过渡段112、第二过渡段113、第三过渡段114、第四过渡段115、第五过渡段116、后段117，主体11的直径按以下顺序递增：前段111、第二过渡段113、第一过渡段112、第三过渡段114、后段117、第五过渡段116，第四过渡段115的直径与第三过渡段114的直径相等，第一偏心轴体12设置在第一过渡段112与第二过渡段113之间，第一偏心轴体12的直径大于第三过渡段114的直径并小于后段117的直径，一个第二偏心轴体13设置在第二过渡段113与第三过渡段114之间，另一个第二偏心轴体13设置在第三过渡段114与第四过渡段115之间，第二偏心轴体13的直径大于第三过渡段114的直径并小于后段117的直径。

上述主体11的各个部位之间连接紧密且一体式设置，使得偏心轴整体设计更加合理，工作时稳定性能提升许多，并有效减少了工作产生的振动和噪音。

再进一步的，在前段111的外周侧面上设有至少一个环形槽1111，在后段117中部设有与主体11同轴设置的中心通孔1171。环形槽1111和中心通孔1171均具有安装、定位作用，此外，在检测偏心轴时，具有中心通孔1171的后段117还可用于固定偏心轴，也可用中心通孔1171去检测偏心轴的同轴度、对称度等。

综上所述，本发明中的偏心轴设计合理，可以将产品的偏心角度精确度增加至0.02mm，这样的偏心轴能够承受30MPa的压力，粗糙度能够达到Ra0.2mm，大大提升了偏心轴的产品质量。

上述偏心轴主体包括芯体以及设置在芯体外侧的耐磨层，芯体由钢材制成，钢材由以下成分(以质量百分比计)组成：C：0.37-0.44％，Cr：1.1-1.5％，Ni：0.8-1.1％，Si：0.2-0.4％，Mn：0.6-0.8％，Mo：0.2-0.3％，B：0.005-0.01％，W：0.05-0.08％，Ti：0.05-0.08％，V：0.1-0.3％，稀土元素：0.01-0.05％，S≤0.02％，P≤0.02％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。

表1：本发明实施例1-4钢材的组成成分及其质量百分比

实施例1：

将表1中实施例1钢材的组成成分及其质量百分比40CrNiMo合金钢的制备方法(现有技术)制备得到改进型40CrNiMo合金钢。然后将制备得到改进型40CrNiMo合金钢进行强韧化处理，强韧化处理工艺包括过热淬火工艺和回火工艺，过热淬火工艺中过热淬火温度为1250℃，过热淬火保温时间为1.3min/mm，回火工艺中回火温度为220℃，回火保温时间为3min/mm。强韧化处理后，钢材经过粗加工、半精加工和精加工工艺制成偏心轴芯体，芯体经最终的超音速等离子喷涂工艺在芯体外侧喷涂一层等厚陶瓷耐磨层后制备得到最终产品偏心轴。

实施例2：

将表1中实施例1钢材的组成成分及其质量百分比40CrNiMo合金钢的制备方法(现有技术)制备得到改进型40CrNiMo合金钢。然后将制备得到改进型40CrNiMo合金钢进行强韧化处理，强韧化处理工艺包括过热淬火工艺和回火工艺，过热淬火工艺中过热淬火温度为1250℃，过热淬火保温时间为1.3min/mm，回火工艺中回火温度为220℃，回火保温时间为3min/mm。强韧化处理后，钢材经过粗加工、半精加工和精加工工艺制成偏心轴芯体，芯体经最终的超音速等离子喷涂工艺在芯体外侧喷涂一层等厚陶瓷耐磨层后制备得到最终产品偏心轴。

实施例3：

将表1中实施例1钢材的组成成分及其质量百分比40CrNiMo合金钢的制备方法(现有技术)制备得到改进型40CrNiMo合金钢。然后将制备得到改进型40CrNiMo合金钢进行强韧化处理，强韧化处理工艺包括过热淬火工艺和回火工艺，过热淬火工艺中过热淬火温度为1250℃，过热淬火保温时间为1.3min/mm，回火工艺中回火温度为220℃，回火保温时间为3min/mm。强韧化处理后，钢材经过粗加工、半精加工和精加工工艺制成偏心轴芯体，芯体经最终的超音速等离子喷涂工艺在芯体外侧喷涂一层等厚陶瓷耐磨层后制备得到最终产品偏心轴。

实施例4：

将表1中实施例1钢材的组成成分及其质量百分比40CrNiMo合金钢的制备方法(现有技术)制备得到改进型40CrNiMo合金钢。然后将制备得到改进型40CrNiMo合金钢进行强韧化处理，强韧化处理工艺包括过热淬火工艺和回火工艺，过热淬火工艺中过热淬火温度为1250℃，过热淬火保温时间为1.3min/mm，回火工艺中回火温度为220℃，回火保温时间为3min/mm。强韧化处理后，钢材经过粗加工、半精加工和精加工工艺制成偏心轴芯体，芯体经最终的超音速等离子喷涂工艺在芯体外侧喷涂一层等厚陶瓷耐磨层后制备得到最终产品偏心轴。

对比例1与实施例2的区别仅在于：对比例1的偏心轴芯体采用普通40CrNiMo合金钢制备得到。

对比例2与实施例2的区别仅在于：对比例2的钢材没有经过强韧化处理。

对比例3与实施例2的区别仅在于：对比例3的偏心轴芯体外侧没有经过等离子喷涂工艺喷涂耐磨层。

对比例4与实施例2的区别仅在于：对比例2的钢材直接经磨加工工艺制备成偏心轴成品。

将上述实施例1-4和对比例1-4中的偏心轴进行性能测试，测试结果如表2所示。

表2：性能测试结果

从表2可知，对偏心轴材料和加工方法的改进都是本发明偏心轴获得良好性能的必要因素，两者相辅相成，缺一不可。

实施例5-8与实施例1-4的区别仅在于过热淬火工艺中过热淬火温度为1150℃。

实施例9-12与实施例1-4的区别仅在于过热淬火工艺中过热淬火温度为1200℃。

实施例13-16与实施例1-4的区别仅在于过热淬火工艺中过热淬火温度为1300℃。

实施例17-20与实施例1-4的区别仅在于过热淬火工艺中过热淬火温度为1350℃。

实施例21-24与实施例1-4的区别仅在于过热淬火保温时间为1.0min/mm。

实施例25-28与实施例1-4的区别仅在于过热淬火保温时间为1.2min/mm。

实施例29-32与实施例1-4的区别仅在于过热淬火保温时间为1.5min/mm。

实施例33-36与实施例1-4的区别仅在于回火工艺中回火温度为200℃。

实施例37-40与实施例1-4的区别仅在于回火工艺中回火温度为210℃。

实施例41-44与实施例1-4的区别仅在于回火工艺中回火温度为230℃。

实施例45-48与实施例1-4的区别仅在于回火保温时间为2min/mm。

实施例49-52与实施例1-4的区别仅在于回火保温时间为2.5min/mm。

实施例53-56与实施例1-4的区别仅在于第一偏心轴体和第二偏心轴体表面耐磨层厚度较其它部位增加0.5mm。

鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近，故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1-4作为代表说明本发明申请优异之处。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处，同样都在本发明要求保护的范围内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种偏心轴，其特征在于：包括主体，在主体上沿主体轴心线方向一体式偏心设置有一行第一偏心轴体和一行第二偏心轴体，所述主体的轴心线、第一偏心轴体的轴心线、第二偏心轴体的轴心线相互平行设置；

其中，所述主体包括芯体以及设置在芯体外侧的耐磨层，所述芯体由钢材制成，所述钢材由以下成分组成，以质量百分比计：C：0.37-0.44％，Cr：1.1-1.5％，Ni：0.8-1.1％，Si：0.2-0.4％，Mn：0.6-0.8％，Mo：0.2-0.3％，B：0.005-0.01％，W：0.05-0.08％，Ti：0.05-0.08％，V：0.1-0.3％，稀土元素：0.01-0.05％，S≤0.02％，P≤0.02％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种偏心轴，其特征在于：所述第一偏心轴体的轴心线、第二偏心轴体的轴心线分列于主体的轴心线两侧。

3.根据权利要求1或2所述的一种偏心轴，其特征在于：所述第一偏心轴体的数量为一个，所述第二偏心轴体的数量为两个。

4.根据权利要求3所述的一种偏心轴，其特征在于：所述主体由左及右依次同轴设为前段、第一过渡段、第二过渡段、第三过渡段、第四过渡段、第五过渡段、后段，所述主体的直径按以下顺序递增：前段、第二过渡段、第一过渡段、第三过渡段、后段、第五过渡段，所述第四过渡段的直径与第三过渡段的直径相等，所述第一偏心轴体设置在第一过渡段与第二过渡段之间，所述第一偏心轴体的直径大于第三过渡段的直径并小于后段的直径，所述一个第二偏心轴体设置在第二过渡段与第三过渡段之间，另一个第二偏心轴体设置在第三过渡段与第四过渡段之间，所述第二偏心轴体的直径大于第三过渡段的直径并小于后段的直径。

5.根据权利要求1所述的一种偏心轴，其特征在于，所述钢材主要经强韧化处理和磨加工后制备得到芯体。

6.根据权利要求5所述的一种偏心轴，其特征在于，所述强韧化处理工艺包括过热淬火工艺和回火工艺，过热淬火工艺中过热淬火温度为1150-1350℃，过热淬火保温时间为1.0-1.5min/mm，回火工艺中回火温度为200-230℃，回火保温时间为2-3min/mm。

7.根据权利要求5所述的一种偏心轴，其特征在于，所述磨加工工艺主要包括下料、粗加工、半精加工和精加工工艺。

8.根据权利要求5所述的一种偏心轴，其特征在于，所述芯体外侧通过等离子喷涂工艺喷涂形成耐磨层。

9.根据权利要求8所述的一种偏心轴，其特征在于，所述等离子喷涂工艺为超音速等离子喷涂工艺。