圓柱管螺紋絲錐夾套的設(shè)計(jì)與有限元分析*

步 斌，李春花，步躍躍，胡振南

(兗礦集團(tuán) 機(jī)電設(shè)備制造廠，山東 鄒城 273500)

1 引言

為了保證液壓系統(tǒng)的清潔、延長液壓元件的使用壽命，掘進(jìn)機(jī)所有圓錐管螺紋全部改為圓柱管螺紋。但圓柱管螺紋絲錐屬于手用絲錐，與機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)絲錐結(jié)構(gòu)不同，無法直接在鉆床使用［1］。

以前車間采用方法:①先加工完圓柱管螺紋絲孔的端面，在鉆床鉆出底孔，然后采用人工攻絲，該方法不能保證絲孔與端面的垂直度，導(dǎo)致裝配后出現(xiàn)漏、滲油現(xiàn)象;②另一種方法是將機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)絲錐的柄部截取下來，與圓柱管螺紋絲錐焊接在一起，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)動攻絲。由于焊接時不能保證絲錐柄部與圓柱管螺紋絲錐的同軸度，導(dǎo)致攻絲效果不甚理想，許多絲孔裝配后出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。而且每個焊接絲錐加工4～7個絲孔后，就不能再使用，增加生產(chǎn)成本。

為解決以上問題，設(shè)計(jì)研究了具有過載保護(hù)功能的絲錐夾套。該夾套實(shí)現(xiàn)了圓柱管螺紋絲錐在鉆床上的安裝，方便掘進(jìn)機(jī)圓柱螺紋在機(jī)床上的加工。下面將詳細(xì)介紹該夾套的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核。

2 圓柱管螺紋絲錐夾套柄部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在了解了各種(包括標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)、細(xì)牙、英制、圓錐管螺紋、圓柱管螺紋)絲錐的外部結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)同規(guī)格的圓柱管螺紋絲錐柄部結(jié)構(gòu)不同于其他相同規(guī)格的絲錐的柄部結(jié)構(gòu)［2-3］。不同廠家生產(chǎn)的圓柱管螺紋絲錐柄部尺寸也各不相同，根據(jù)車間使用情況選用上海工具廠生產(chǎn)的圓柱管螺紋絲錐，做為圓柱管螺紋絲錐夾套的設(shè)計(jì)對象。

標(biāo)準(zhǔn)絲錐夾套設(shè)有過載保護(hù)機(jī)構(gòu)，攻絲異常時，可保護(hù)絲錐不異常受力。為了保留這一優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)能將圓柱管螺紋絲錐應(yīng)用于鉆床的具有過載保護(hù)功能的絲錐夾套。設(shè)計(jì)出圓柱管螺紋絲錐夾套的柄部，它與鉆床的過載保護(hù)裝置聯(lián)接，起到傳遞扭矩和過載保護(hù)的作用，如圖1所示。

3 圓柱管螺紋絲錐夾套旋轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照傳統(tǒng)方式，每種絲錐都制作一個夾套，會造成制作成本太大，且也不便于使用。本次設(shè)計(jì)一種旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)同一夾具下多種刀具的裝夾。

旋轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)如圖2所示，旋轉(zhuǎn)盤與夾套體之間通過銷軸聯(lián)接，并由鋼球、彈簧和旋轉(zhuǎn)盤側(cè)面定位孔，來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動、定位以及保證絲錐的形位公差。旋轉(zhuǎn)盤的周圈可以制作多個不同尺寸的絲錐安裝孔，每個絲錐安裝孔的底面都設(shè)計(jì)頂絲孔，用于緊定絲錐［4］。由于旋轉(zhuǎn)盤中部先加工出Φ20的銷軸孔，這樣通過線切割的方法便可以加工出周圈的絲錐安裝孔，不需要再制作沖模，大大降低了制作成本。我們將常用的絲錐規(guī)格合并到兩套旋轉(zhuǎn)盤上，G1/2″及以下為一套，G1/2"以上的為一套，便于過載保護(hù)裝置最大扭矩的調(diào)整。

圖2 旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

1 圓柱管螺紋絲錐夾套柄部示意圖

4 圓柱管螺紋絲錐夾套鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)盤與夾具柄部通過銷軸連接，沒有約束情況下，旋轉(zhuǎn)盤繞銷軸轉(zhuǎn)動。但在在夾具使用中，要求旋轉(zhuǎn)盤與夾具柄部固結(jié)一起，不能產(chǎn)生相對移動。本次設(shè)計(jì)鎖緊結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其夾緊方式是利用鋼珠與旋轉(zhuǎn)盤限位處的凹槽配合，當(dāng)鎖緊螺釘向下旋轉(zhuǎn)時，壓緊彈簧會使鋼珠緊卡在旋轉(zhuǎn)盤凹槽內(nèi)，使旋轉(zhuǎn)盤不能移動并且與夾具柄部固定。當(dāng)需要轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)盤時，向上旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)盤，將鋼珠頂起，直到下一限位凹槽，鋼珠落下。

圖3 夾套鎖緊結(jié)構(gòu)圖

5 圓柱管螺紋絲錐夾套的工作原理

圖4所示是圓柱管螺紋絲錐夾套，主要有三大部分組成夾套柄1，鎖緊結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)盤6。先將夾套按照圖示裝配起來，向下旋緊鎖緊螺釘，使壓縮彈簧將鋼珠卡在旋轉(zhuǎn)盤限位凹槽內(nèi)，固定旋轉(zhuǎn)盤。然后將夾套安裝在鉆床上。選用合適的圓柱管螺紋絲錐，安裝在旋轉(zhuǎn)盤的安裝孔內(nèi)，并旋緊鎖緊螺釘7，固定住絲錐。接下來按照正常的鉆床工作程序完成攻絲［5］。

圖4 圓柱管螺紋絲錐夾套總裝圖

當(dāng)需要更換絲錐時，切斷鉆床電源，旋出鎖緊螺釘7，退出絲錐。向上旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘2，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)盤，直到所需的安裝孔，并擰緊鎖緊螺釘。再重復(fù)之前的操作，固定好絲錐。

6 圓錐管螺紋夾套柄部有限元分析

6.1 模型建立

采用三維繪圖軟件Pro/E繪制單個飛輪結(jié)構(gòu)的三維模型圖。由于ANSYS與Pro/E的兼容性，可將三維模型圖保存為prt的零件格式，直接導(dǎo)入到ANSYS軟件中［6］。為減少網(wǎng)格劃分的難度和總體分析時的時間，在繪制實(shí)體模型時可以進(jìn)行簡化處理，三維建模時對圓錐管螺紋夾套柄小的圓角和倒角簡化為直角。

6.2 材料屬性編輯及網(wǎng)格劃分

夾套柄部材料為40 Cr，具體材料物理參數(shù)值如表1所示。根據(jù)材料屬性可以在分析軟件中對設(shè)置前處理階段的彈性模量、泊松比等參數(shù)。設(shè)定參數(shù)之后對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 材料屬性

圓錐管螺紋夾套柄部的結(jié)構(gòu)比較簡單可以采用ANSYS軟件自帶的網(wǎng)格劃分模式，網(wǎng)格劃分之后如圖5所示，網(wǎng)格單元排列較整齊，基本為六面體八節(jié)點(diǎn)單元。

圖5 網(wǎng)格劃分圖

6.3 求解分析

對圓錐管螺紋夾套的柄部凹槽處施加約束，限制夾套的移動。在夾套與銷軸連接處施加載荷。求解得到圓錐管螺紋夾套柄部的等效應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。結(jié)果顯示最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在夾套柄部與機(jī)床連接處，最大應(yīng)力為230 MPa。

圖6 等效應(yīng)力云圖

對于材料為40 Cr的夾套的屈服強(qiáng)度為785 MPa，經(jīng)過有限元分析可知所設(shè)計(jì)圓錐管螺紋夾套柄部結(jié)構(gòu)完全滿足強(qiáng)度要求。

7 結(jié)語

圓柱管螺紋絲錐夾套制作完成后，經(jīng)過實(shí)際使用，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和預(yù)期目的。一件絲錐可以加工100個左右的絲孔，使絲錐的使用壽命發(fā)揮到極致，大大提高了生產(chǎn)效率，且保證了圓柱管螺紋的攻絲質(zhì)量，避免了掘進(jìn)機(jī)因絲孔加工不合格而引起的漏、滲油現(xiàn)象，進(jìn)一步保證了掘進(jìn)機(jī)的整機(jī)質(zhì)量。

［1］ 王啟平.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［2］ 舒玉斌.數(shù)控車床攻絲夾具的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2004(4):73.

［3］ 高金華.一種安全快速的機(jī)動攻絲夾具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.機(jī)械工程與自化，2012(2):152-153.

［4］ 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［5］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［6］ 鄧凡平.ANSYS12有限元分析自學(xué)手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2011.