一种密封旋转轴及密封装置的制作方法

本实用新型涉及密封技术领域，具体而言，涉及一种密封旋转轴及密封装置。

背景技术：

传动系统中，高速输入的齿轮轴上的齿轮及轴承需要较高压力的润滑油对其润滑与冷却，按照其严酷的工作条件，其旋转轴的密封通常采用适合高速轴的端面接触动密封。旋转轴唇形密封作为一种精密动密封机械元件，它将传动部件中需要润滑的部件与出力部件隔离，不至于让润滑油泄漏。旋转轴唇形密封具有结构简单、成本低廉、占用空间小和密封可靠性高等特点，已广泛的应用于各类设备传动部位润滑油的轴端密封。该密封是靠一对或几对垂直于旋转轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力(或磁力)作用下保持结合并配以辅助密封而达到阻漏的装置。

唇形密封通常需要在高温、高速、重载以及腐蚀介质等恶劣工况下可靠地工作，这对唇形密封的可靠性提出了较高的要求。统计表明，传动系统大部分的故障与密封泄露有关，尤其是旋转轴的动密封又是最容易发生泄漏的区域。减小或消除间隙是保证良好密封性的主要途径，改善密封效果应从唇形密封和作为唇形密封摩擦副材料的旋转轴两个方面着手。一般而言，影响油封密封性能和使用寿命的因素主要包括胶料、结构、装配、径向力和使用工况等。另一方面，旋转轴作为与唇形密封配合使用的对磨件，必须满足耐磨减摩性好、寿命长、加工性能好等要求。

电镀硬铬是目前使用最为广泛的表面强化方式之一，然而随着各种机器设备技术指标的日益提高及工作环境的日益严苛，镀铬层的耐磨性能已无法满足服役要求，主要表现为长时间服役后镀层表面会更为光滑，故油膜不能有效的附着在旋转轴与唇形密封接触面上，进而不能形成连续的流体润滑膜，导致唇部磨损并直接影响其密封性能及使用寿命。此外，电镀硬铬过程对环境存在严重的污染，进一步限制了该技术的推广应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种密封旋转轴，该密封旋转轴包括旋转轴和环形密封件，环形密封件上涂覆有氧化铬耐磨减摩层，氧化铬耐磨减摩层与环形密封件的结合良好，组织均匀，使密封旋转轴具有优异的耐磨减摩性能。

本实用新型的另一目的在于提供一种密封装置，其包括有上述具有优异耐磨减摩性能的密封旋转轴，具有使用寿命长的优点。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型实施例提供一种密封旋转轴，其包括有旋转轴本体和环形密封件；环形密封件镶嵌于旋转轴本体外并凸出于旋转轴本体外圆表面，且环形密封件上涂覆有用于与唇形密封圈相接的氧化铬耐磨减摩涂层。

在本实用新型较佳的实施例中，上述氧化铬耐磨减摩涂层的厚度为0.08～0.20mm，具体的，该氧化铬耐磨减摩涂层的厚度为氧化铬耐磨减摩涂层磨削后的厚度。在本实用新型较佳的实施例中，上述氧化铬耐磨减摩涂层的孔隙率<5％。

在本实用新型较佳的实施例中，上述氧化铬耐磨减摩涂层为由大气等离子喷涂得到的涂层。

在本实用新型较佳的实施例中，上述环形密封件的外圆上开设有填充氧化铬耐磨减摩涂层的填充槽。

在本实用新型较佳的实施例中，上述氧化铬耐磨减摩涂层的填充厚度大于或等于填充槽的深度，填充槽在旋转轴本体轴向方向上的宽度大于或等于唇形密封圈的宽度。

在本实用新型较佳的实施例中，上述填充槽的槽底设有用于保护氧化铬耐磨减摩涂层的第一倒角，第一倒角的角度为30°～60°。

在本实用新型较佳的实施例中，上述环形密封件靠近旋转轴本体一侧的端部设有镶嵌倒角。

在本实用新型较佳的实施例中，上述环形密封件远离旋转轴本体的一侧设有唇形密封安装倒角，唇形密封安装倒角的最外侧为锥面或弧面。

一种密封装置，其包括唇形密封圈和上述的密封旋转轴；唇形密封圈套设于密封旋转轴的氧化铬耐磨减摩涂层上。

本实用新型实施例的有益效果是：

本实用新型实施例提供了一种密封旋转轴，该密封旋转轴包括旋转轴本体和环形密封件，环形密封件上涂覆有氧化铬耐磨减摩层，氧化铬耐磨减摩层与环形密封件的结合良好，组织均匀，使密封旋转轴具有优异的耐磨减摩性能。

此外，本实用新型实施例还提供了一种密封装置，其包括有上述具有优异耐磨减摩性能的密封旋转轴，具有使用寿命长的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例1提供的旋转轴的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的环形密封件的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1提供的含有外圆镶嵌环形密封件的旋转轴的结构示意图；

图4为本实用新型实施例1提供的在旋转轴外圆镶嵌的环形密封件表面涂覆氧化铬耐磨减摩涂层的结构示意图；

图5为本实用新型实施例1提供的旋转轴外圆镶嵌的环形密封件表面涂覆氧化铬耐磨减摩涂层磨削抛光加工后的结构示意图；

图6为本实用新型2实施例提供的由外圆镶嵌环形密封件并涂覆氧化铬耐磨减摩涂层的旋转轴及安装于基座上的唇形密封组成的密封装置结构示意图。

图中：10-密封旋转轴；10a-旋转轴本体；100-环形密封件；101-填充槽；102-喷涂过渡区域；103-退刀槽；104-第一倒角；105-镶嵌倒角；107-唇形密封安装倒角；120-氧化铬耐磨减摩涂层；20-密封装置；200-唇形密封圈；210-唇形密封安装基座。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

本实施例提供了一种密封旋转轴10，其包括有旋转轴本体10a和环形密封件100。

传动系统大部分的故障与密封泄露有关，尤其是旋转轴的动密封又是最容易发生泄漏的区域。减小或消除间隙是保证良好密封性的主要途径，本实施例提供的密封旋转轴10主要从作为唇形密封摩擦副材料的旋转轴本体10a着手，对旋转轴本体10a进行表面改性，以改善旋转轴本体10a与唇形密封圈200之间的密封效果。

申请人通过付出一系列创造性的劳动发现，影响油封密封性能和使用寿命的因素主要包括胶料、结构、装配、径向力和使用工况等。另一方面，旋转轴作为与唇形密封配合使用的对磨件，必须满足耐磨减摩性好、寿命长、加工性能好等要求。因此，在与唇形密封接触部位涂覆耐磨减摩涂层，降低密封唇与旋转轴之间的摩擦系数，减少唇口磨损速度，是提高密封装置20使用稳定性，延长服役寿命的重要手段。而本实施例中的密封旋转轴10的旋转轴本体10a上镶嵌有环形密封件100，环形密封件100上的氧化铬涂层能够有效地降低唇形密封圈200与旋转轴之间的摩擦系数，减少唇形密封圈200唇口的磨损速度，以有效提升密封旋转轴10的密封性能。

具体地，请参照附图1～3，环形密封件100镶嵌于旋转轴本体10a外并凸出于旋转轴本体10a外圆表面，且该环形密封件100上涂覆有用于与唇形密封圈200相接的氧化铬耐磨减摩涂层120。

具体地，在本实用新型实施例中，旋转轴本体10a采用钛合金，例如tc4，其他实施例中，旋转轴本体10a也可以采用铝合金，经机加为旋转轴设计尺寸。环形密封件100采用合金结构钢，例如9310钢，在其他实施例中，也可以采用不锈钢。

氧化铬耐磨减摩涂层120磨削前的厚度为0.3mm。若氧化铬耐磨减摩涂层120的厚度过薄(小于0.2mm)，容易导致氧化铬耐磨减摩涂层120在后续磨削抛光过程中磨至基体以及不能满足服役要求；若氧化铬耐磨减摩涂层120的厚度过厚(大于0.4mm)，可能会因涂层与基体(环形密封件100)物理性能差异太大及应力累积等因素所导致的涂层脱落，增加制备的时间及经济成本，甚至会导致服役过程中发生事故。在一些实施方式中，氧化铬耐磨减摩涂层120磨削前的厚度例如可以为0.2～0.4mm中选择，例如0.22mm、0.25mm、0.30mm、0.33mm、以及0.38mm等。

在磨削后，氧化铬耐磨减摩涂层120的厚度为0.08～0.20mm,例如可以为0.08～0.20mm中选择，例如0.08mm、0.10mm、0.15mm、0.18mm、以及0.20mm等。

进一步地，环形密封件100的外圆上开设有填充氧化铬耐磨减摩涂层120的填充槽101。氧化铬耐磨减摩涂层120的填充厚度大于或等于填充槽101的深度，填充槽101在旋转轴本体10a轴向方向上的宽度大于或等于唇形密封圈200的宽度。在本实施例中，氧化铬耐磨减摩涂层120的高度大于填充槽101的深度，以便后期能够磨削抛光加工，请参照附图4～附图5，填充槽101在旋转轴本体10a轴向方向上宽度大于唇形密封圈200的宽度，唇形密封圈200与环形密封件100过盈安装。

填充槽101的槽底设有用于保护氧化铬耐磨减摩涂层120的第一倒角104，第一倒角104的角度为30°，在一些实施例中，第一倒角104的角度可以为30°～60°中选择，如30°、35°、55°或60°。在一些实施例中，第一倒角104也可以呈30-45°(如30°、40°或45°)。通过设置上述角度范围的第一倒角104，可以对氧化铬耐磨减摩涂层120起到保护作用，避免边缘应力集中导致涂层开裂乃至脱落。

环形密封件100上设有退刀槽103，退刀槽103与填充槽101间隔设置，退刀槽103有利于喷涂耐磨减摩涂层过程中的防护工装夹具的安装，以及后续磨削和抛光过程中退出砂轮或砂带。

退刀槽103与填充槽101之间形成喷涂过渡区域102。该喷涂过渡区域102允许喷涂过程中少量喷涂物质喷涂于该区域，以减少喷涂过程中的限制。

环形密封件100靠近旋转轴本体10a一侧的端部设有镶嵌倒角105。镶嵌倒角105便于将环形密封件100镶嵌至旋转轴本体10a外圆表面，并确保旋转轴本体10a与环形密封件100同轴设置，以保证旋转轴的正常运转。

进一步地，环形密封件100远离旋转轴本体10a的一侧设有唇形密封安装倒角107，唇形密封安装倒角107的最外侧为弧面，在一些实施例中，唇形密封安装倒角107的最外侧也可以为锥面，唇形密封安装倒角107利于唇形密封圈200的安装、拆卸及更换。

采用超音速火焰喷涂的碳化钨系列涂层(碳化钨钴或碳化钨钴铬等)拥有比电镀硬铬更优异的耐磨损性能，并已广泛的应用在机械传动、造纸、印刷等诸多行业。但采用超音速火焰喷涂工艺形成的超硬、高密度碳化钨涂层表面对密封极具挑战。作为与唇形密封接触位置的对磨涂层而言，其减摩性能仍需改善；其优异的耐磨性能对涂层后加工也提出了更高的要求，涂层与唇形密封接触位置在长时服役后仍保留其原始形貌，故磨削后可能残留的凸起物等极易对唇形密封造成损伤。此外，为了减轻机械设备重量，具有高的比强度和比刚度等优点的轻合金被用于替代传统的钢制旋转轴，特别是在航空航天领域，相关部件的轻量化具有更重要的意义。然而直接在钛合金或铝合金等轻合金表面制备涂层，轻合金旋转轴本体10a包括疲劳性能在内的力学性能往往会大幅度下降，严重影响到密封装置20乃至整个机械设备的服役安全性。

本实施例中，氧化铬耐磨减摩涂层120为由大气等离子喷涂得到的涂层。大气等离子喷涂方法具有高热源、高动能以及功率可调范围宽等特点，可保证喷涂粉末在射流中充分熔融，所制备涂层具备组织均匀，耐磨性能优异，涂层内部的微裂纹或孔洞可有效降低残余应力并存储润滑油，对降低磨损亦具有显著影响。同时，大气等离子喷涂方法还具备成本低、效率高、对环境友好、对工件尺寸无限制等特点，有利于该技术的应用和推广。

具体的，在一些实施例中，大气等离子喷涂条件包括：等离子喷枪电流600～700a，电压60～80v，ar气35～50l/min，h2气7～12l/min，送粉载气2.5～5.0l/min，送粉量30-60g/min，喷距100-150mm，喷枪移动速度为10-50mm/s，旋转轴本体10a的旋转速度200-600rpm。在本实施例中，大气等离子喷涂条件优选为等离子喷枪电流650a，电压70v，ar气40l/min，h2气10l/min，送粉载气4l/min，送粉量50g/min，喷距125mm，喷枪移动速度为30mm/s，旋转轴本体10a的旋转速度400rpm。

喷涂过程中喷涂过渡区域102允许有少量涂层沉积，唇型密封安装倒角107表面不允许有涂层沉积或后期采用磨削抛光清除干净。

较佳地，喷涂涂层前可对环形密封件100进行除油清理，并对非喷涂部位利用工装夹具进行保护，待喷涂位置进行喷砂处理至表面粗糙度ra不低于3.0μm，去掉基体表面氧化层，以增加表面活性并提高涂层与基体间的结合强度。

在涂层喷涂至预设厚度后，还可对其进行磨削和抛光处理，并保证喷涂过渡区域102所沉积涂层全部去除至喷涂过渡区域102全部露出金属面，亦即填充槽101内氧化铬涂层顶端与喷涂过渡区域102表面平齐。磨削和抛光加工后，氧化铬耐磨减摩涂层120的表面粗糙度ra＜0.2μm。

本申请方案提供的旋转轴本体10a外圆表面镶嵌的环形密封件100与环形密封件100表面涂覆的氧化铬耐磨减摩涂层120结合良好，所制备涂层组织均匀，硬度hv0.2>1200，孔隙率<5％，磨削和抛光后表面粗糙度ra<0.2μm，具有优异的耐磨减摩性能。

实施例2

请参照附图6，本实施例提供了一种密封装置20，其包括唇形密封圈200和实施例1提供的密封旋转轴10，唇形密封圈200套设于密封旋转轴10的氧化铬耐磨减摩涂层120上。

进一步地，该密封装置20还包括有用于安装唇形密封圈200的唇形密封安装基座210，唇形密封圈200由金属骨架、紧箍弹簧和橡胶材料三部分构成。基于工作介质的相容性、对工作温度范围的适应性和唇缘对旋转轴高速旋转时的跟随能力等考量，通常选用丁腈橡胶，氟橡胶，硅橡胶，丙烯酸酯橡胶等作为密封材料。

唇形密封圈200安装于唇形密封安装基座210内，并与旋转轴过盈安装。由于设备结构的不同，唇形密封可以水平安装、垂直安装或倾斜安装，但旋转轴和唇形密封端面需保持垂直。在过盈配合下产生的力与弹簧的紧箍力合成径向力作用下，由于轴的刚度远远大于密封圈的刚度，密封唇口表面微凸体会发生明显的弹性变形，密封唇表面部分微凸体将与轴表面微凸体贴合。

一旦旋转轴转动起来，由于存在轴表面的微观粗糙度、密封唇的表面微观粗糙度和密封唇的弹性变形，在轴承稳定工作时，密封圈与轴的接触表面间会产生一层很薄但稳定的流体动压润滑油膜，这层油膜除用作润滑之外，还起密封作用。

此外，根据流体动力学原理，轴在高速旋转时在唇形密封空气侧和油侧会因结构的不同而产生一定的压力差，空气侧产生的压力要略大于被密封介质一侧的压力，使介质有被推回去的趋势，这也会起到辅助密封的效果。

本申请方案提供的密封装置20，通过安装于唇形密封安装基座210上的唇形密封圈200与外圆镶嵌环形密封件100并在环形密封件100表面涂覆氧化铬耐磨减摩涂层120的旋转轴本体10a过盈安装，能有效提高密封装置20的密封效果和使用寿命，可用于车辆、机械、航空等各类设备的转动部位润滑油的轴端密封，具有广阔的使用前景。

综上，本实用新型实施例提供了一种密封旋转轴，该密封旋转轴包括旋转轴本体和环形密封件，环形密封件上涂覆有氧化铬耐磨减摩层，氧化铬耐磨减摩层与环形密封件的结合良好，组织均匀，硬度hv0.20.2>1200，孔隙率<5％，磨削和抛光后表面粗糙度ra<0.2μm，使密封旋转轴具有优异的耐磨减摩性能。

此外，本实用新型实施例还提供了一种密封装置，其包括有上述具有优异耐磨减摩性能的密封旋转轴，具有使用寿命长的优点。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。