溫乘焓

(南京市第二十九中學(xué)，江蘇 南京 210000)

0 引 言

圓管扳手是針對(duì)薄壁管無(wú)法用普通的管子鉗拆裝而設(shè)計(jì)，主要用于套疊薄壁圓管的分離、薄壁管螺紋件的無(wú)損傷拆裝。

薄壁圓管和薄壁管螺紋件裝拆時(shí)，如夾持外部，極易發(fā)生變形，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有專門(mén)用于裝拆薄壁管螺紋件的工具，而管子鉗等少數(shù)工具能對(duì)常用的圓管螺紋件進(jìn)行裝拆，但不能用于薄壁管。現(xiàn)有圓管扳手為管鉗和鏈鉗，當(dāng)空間狹小時(shí)，管鉗操作不便。而當(dāng)圓柱螺母直徑較小時(shí)，鏈鉗操作也不方便。而常用的活動(dòng)扳手、開(kāi)口板手和套筒板手，無(wú)法勝任圓柱螺母的拆裝。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種適用于薄壁管件的圓管扳手。

1 圓管扳手的功用和設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1 圓管扳手的功用

薄壁圓管采用多點(diǎn)夾緊，可以有效地降低接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)，從而減少管體的變形。夾緊力沿薄壁管的徑向，方向可以指向管內(nèi)，也可以指向管外。多點(diǎn)同時(shí)接觸管壁，利用摩擦力防止扳手與管壁之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成自鎖。

將轉(zhuǎn)動(dòng)體的柄部設(shè)計(jì)成方榫，從而可以與標(biāo)準(zhǔn)套筒扳手組合使用，也可以用活動(dòng)扳手或呆扳手，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，方便使用[1]。此外，方榫還可以聯(lián)接加長(zhǎng)桿，實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)圓管螺紋件的拆裝。方榫的一個(gè)側(cè)面設(shè)置彈性突起，實(shí)現(xiàn)扳手與套筒的軸向定位與聯(lián)接，保證扳手在豎直向下時(shí)，不與套筒分離。

類似于套筒扳手，圓管扳手設(shè)計(jì)成直徑不等一個(gè)系列，可以適用于管徑不同的圓管[2]。

1.2 圓管扳手的設(shè)計(jì)思路

圖1為圓管扳手原理圖。圓管扳手是利用凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理，多個(gè)凸輪同時(shí)工作，故將轉(zhuǎn)動(dòng)體的形狀設(shè)計(jì)成梅花形，每個(gè)梅花瓣即為一個(gè)凸輪。凸輪旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)。T型爪由于頭部卡在殼體的槽孔中，只能跟隨凸輪做徑向移動(dòng)，如圖1所示。

圖1 圓管扳手原理圖

工作中，滾動(dòng)體與轉(zhuǎn)動(dòng)體的下凹部接觸時(shí)，T型爪縮入殼體；當(dāng)用手柄轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)體時(shí)，滾動(dòng)體逐漸與轉(zhuǎn)動(dòng)體的上凸部接觸，T型爪被推出殼體，與圓管的內(nèi)壁接觸，施加外力后鎖住管壁。T型爪和管壁產(chǎn)生的摩擦力，使得圓管轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到拆裝的效果。

1.3 圓管扳手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1圓管扳手主要部件設(shè)計(jì)

圓管扳手是由殼體(如圖2所示)、轉(zhuǎn)動(dòng)體(如圖3所示)、6個(gè)T型爪(如圖4所示)、6個(gè)滾動(dòng)體(如圖5所示)、圓形擋板(如圖6所示)以及3個(gè)螺釘組成。圓管扳手組裝后外觀，如圖7所示。其中，轉(zhuǎn)動(dòng)體裝入殼體中，6個(gè)T型爪插入殼體，頭部從殼體的直槽中升出，T型爪與轉(zhuǎn)動(dòng)體之間裝入6個(gè)滾動(dòng)體，最后蓋上端蓋，完成圓管扳手的組裝。

圖2 殼體 圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)體 圖4 T型爪

圖5 滾動(dòng)體 圖6 端蓋 圖7 圓管扳手整體

使用3D打印機(jī)將圓管扳手的零部件打印出來(lái)，組裝后圓管板手模型如圖8所示。

圖8 圓管扳手模型

1.3.2約束和載荷的施加

圓管的材料為Q235，其密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.1e11 Pa，泊松比為0.31，屈服極限235 MPa[3]。采用500 N·m的實(shí)驗(yàn)荷載對(duì)圓管扳手進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果如圖9所示，圖9(a)為使用圓管扳手拆裝圓管時(shí)，其最大值為281.5；圖9(b)為使用普通扳手拆裝圓管時(shí)，其最大值為479.442。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，兩者相差很大，圖9(a)中的應(yīng)力僅為圖9(b)中的58.71%。因此，圓管扳手對(duì)防止圓管變形非常有效。

圖9 圓管拆裝時(shí)的應(yīng)力與變形

2 圓管板手的加工

圓管扳手的零件數(shù)目不多，結(jié)構(gòu)也并不復(fù)雜，但殼體的加工有一定的難度，其四周的六個(gè)直槽之間的位置要求比較嚴(yán)格，如圖10所示。而且，大量生產(chǎn)時(shí)，一般需要使用車床和數(shù)控銑床加工。二次裝夾產(chǎn)生的重復(fù)定位誤差，對(duì)外殼的位置誤差影響很大[4]。

對(duì)于一些加工中心而言，為了保證能在一次裝夾中就完成大部分工序，從粗加工到精加工都在一臺(tái)機(jī)床中完成。但是，卻降低了設(shè)備的使用效率。雖然使用加工中心，可以部分解決二次裝夾帶來(lái)的重復(fù)定位誤差，但不能解決由于加工方式的改變而導(dǎo)致的形狀誤差。此外，如果需要使用特種加工，零件二次裝夾產(chǎn)生的定位誤差依然存在。

圖10 殼體圖

3 加工方案設(shè)計(jì)

目前，在設(shè)備上加裝柔性?shī)A具是一種高效的解決方案，柔性?shī)A具一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備，它是由安裝在各機(jī)床上的標(biāo)準(zhǔn)接口夾具，與其他預(yù)先制造好的各種不同形狀、不同規(guī)格、不同尺寸、具有完全互換性的標(biāo)準(zhǔn)元件相結(jié)合[5]。加工中，標(biāo)準(zhǔn)元件隨工件一起流動(dòng)。改造后的工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。在加工過(guò)程中，可以隨時(shí)對(duì)工件進(jìn)行在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制[6]。

在設(shè)備中加裝具有標(biāo)準(zhǔn)接口的柔性卡盤(pán)，如圖12所示。柔性卡盤(pán)與裝有拉釘?shù)耐邪逑噙B接，托板如圖13所示[7]。

圖11 改造后的工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖12 柔性卡盤(pán)

圖13 托板與拉釘

3.1 車床夾具的改進(jìn)

對(duì)于車床，將原有的三爪卡盤(pán)改為柔性卡盤(pán)，如圖14所示。柔性卡盤(pán)通過(guò)車床的法蘭盤(pán)聯(lián)接在車床的主軸上，然后用校準(zhǔn)規(guī)校準(zhǔn)同軸度和端面跳動(dòng)，最后緊固。

需要指出的是聯(lián)接氣缸與機(jī)床主軸之前，先將其端面用“自車自”的方法加工一刀，以保證其端面圓跳動(dòng)。

3.2 數(shù)控銑床夾具的改進(jìn)

數(shù)控銑床，將原先常用的機(jī)用虎鉗裝夾改為由柔性卡盤(pán)聯(lián)接的精密虎鉗裝夾[8]。柔性卡盤(pán)利用壓板或者螺釘緊固件，安裝固定在銑床工作臺(tái)上面，如圖15所示。然后用校準(zhǔn)規(guī)校準(zhǔn)平行度和位置度，最后緊固。

圖14 普通車床加裝柔性卡盤(pán) 圖15 數(shù)控銑床工作臺(tái)加裝雙聯(lián)卡盤(pán)

4 結(jié) 語(yǔ)

為了解決薄壁管拆裝過(guò)程中管壁變形的問(wèn)題，而專門(mén)設(shè)計(jì)的圓管扳手，其結(jié)簡(jiǎn)單，便于制造，現(xiàn)已獲得發(fā)明專利一項(xiàng)，編號(hào)為ZL201510039443.6。