劉 鑫 傅聲華

（崇義章源鎢業(yè)股份有限公司，贛州 341300）

1 研究背景

崇義章源鎢業(yè)股份有限公司在生產(chǎn)中需要用到大量軸向運(yùn)動(dòng)部件。該部件由主動(dòng)件和從動(dòng)件兩部分組成。主、從動(dòng)件均為臺(tái)階軸結(jié)構(gòu)，連接時(shí)會(huì)用到一種快速連接臺(tái)階軸類零件，尺寸結(jié)構(gòu)如圖1所示。該連接件采用對(duì)半式設(shè)計(jì)，由兩個(gè)半圓C形卡和固定卡套組成。使用時(shí)，先將兩個(gè)半圓卡卡到臺(tái)階軸凸起部分，再用固定卡套將兩個(gè)半圓卡固定以防脫落，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)只做軸向運(yùn)動(dòng)的臺(tái)階軸零件的連接，又能實(shí)現(xiàn)零件的快裝快拆。在該零件中，主動(dòng)件、從動(dòng)件和連接件三者之間的配合間隙直接影響從動(dòng)件的定位精度。若連接件與臺(tái)階軸裝配的間隙過大，將導(dǎo)致軸向竄動(dòng)量增大，造成軸向定位不準(zhǔn)，最終影響設(shè)備運(yùn)行精度；若連接件與臺(tái)階軸裝配的間隙太小，則主動(dòng)件、從動(dòng)件和連接件三者的裝配難度大，會(huì)降低零件裝配的生產(chǎn)效率[1]。因此，合格的連接件要既能確保零件裝配順暢，又能保證從動(dòng)件的竄動(dòng)量小。

為保證設(shè)備主、從動(dòng)件連接的精度達(dá)到裝配要求，需精準(zhǔn)控制連接件的尺寸精度和形位公差。但是，由于該連接件形狀是內(nèi)凹槽結(jié)構(gòu)，普通加工機(jī)床加工后難以確保內(nèi)凹槽的尺寸精度和形位公差，通常需要使用精度較高的數(shù)控設(shè)備進(jìn)行零件加工。通過不斷研究和實(shí)踐，改進(jìn)這種臺(tái)階軸類連接件的連接方式可突破機(jī)床限制，實(shí)現(xiàn)利用普通機(jī)床穩(wěn)定生產(chǎn)該零件的目的。

2 現(xiàn)有連接件分析

為了保證設(shè)備的運(yùn)行精度，裝配間隙通常需控制在0.04 mm以內(nèi)。經(jīng)過研究，必須要求半圓C形卡內(nèi)凹槽尺寸公差控制在+0.01～+0.02 mm，才能滿足上述裝配間隙的要求。

一般來說，半圓C形卡的機(jī)械加工工藝是先加工一個(gè)整圓環(huán)再將其對(duì)半破開，所以在加工整圓環(huán)的時(shí)候要先加工出尺寸和形位公差都合格的內(nèi)凹槽。

為了準(zhǔn)確測量內(nèi)凹槽的尺寸，現(xiàn)有兩套方案。方案一：加工后拆卸工件測量；方案二：加工后不拆卸工件，利用機(jī)床測量功能完成測量[2]。兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比，如表1所示。

表1 工藝改進(jìn)前C形卡測量方案對(duì)比

現(xiàn)有臺(tái)階軸類連接件的結(jié)構(gòu)存在以下加工問題：（1）普通機(jī)床無法加工；（2）普通數(shù)控設(shè)備無法輕易測出內(nèi)凹槽尺寸，產(chǎn)品廢品率高；（3）高端數(shù)控設(shè)備可以利用在線測量功能測量出內(nèi)凹槽尺寸，但是設(shè)備資金投入大，一般工廠無相關(guān)設(shè)備。

3 改進(jìn)型連接件分析

為了破解連接件半圓C形卡改進(jìn)前存在的測量難問題，優(yōu)化半圓C形卡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將一體的半圓C形卡優(yōu)化成分體結(jié)構(gòu)。如圖2所示，改進(jìn)后的半圓C形卡有基座、壓蓋和緊固螺栓3部分組成[3]。

改進(jìn)后的連接件半圓C形卡采用分體式結(jié)構(gòu)，避免了加工過程中一體結(jié)構(gòu)內(nèi)凹槽尺寸不能輕易測量的問題，提高了連接件C形卡內(nèi)凹槽尺寸測量準(zhǔn)確性和尺寸可控性，提高了連接件加工合格率。工藝優(yōu)化前后對(duì)比，如表2所示。

表2 工藝優(yōu)化前后對(duì)比

為了驗(yàn)證分體式結(jié)構(gòu)連接件的可靠性，必須對(duì)其進(jìn)行受力分析。經(jīng)過研究，臺(tái)階軸安裝改進(jìn)后分體連接件的運(yùn)動(dòng)情況，如圖3所示。主動(dòng)件固定在氣缸上，從動(dòng)件通過連接件與主動(dòng)件固定在一起，主、從動(dòng)件在氣缸的作用下沿軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

分析臺(tái)階軸主動(dòng)件、從動(dòng)件和連接件在軸向運(yùn)動(dòng)的具體受力情況（忽略各部件重力影響）[4]：當(dāng)整體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)件和從動(dòng)件只受動(dòng)力源的向上力，連接件不受力；當(dāng)整體向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)件受動(dòng)力源的向下力拉動(dòng)連接件向下運(yùn)動(dòng)，連接件拉動(dòng)從動(dòng)件一起運(yùn)動(dòng)。由于從動(dòng)件受向上的摩擦力，導(dǎo)致連接件受同樣的向上力。連接件采用緊固螺栓連接，因此螺栓受到與摩擦力同樣大小的拉力載荷，成為導(dǎo)致螺栓失效的受力源。所以，這里只需驗(yàn)證當(dāng)從動(dòng)件所受的摩擦力為最大值時(shí)分體式連接件是否會(huì)失效，即可判斷分體式結(jié)構(gòu)連接件的可靠性。

優(yōu)化后方案保留了原有方案中各部位關(guān)鍵尺寸的壁厚，只是增加了用于連接的緊固螺栓。長期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，原有一體式結(jié)構(gòu)是安全有效的，所以只需驗(yàn)證優(yōu)化后的分體式連接件中緊固螺栓強(qiáng)度是否存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。

查找設(shè)備說明書得知，該設(shè)備軸向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力源設(shè)計(jì)最大拉力值為30 kN，即當(dāng)從動(dòng)件完全卡住的時(shí)候，連接件所受的最大拉力值為30 kN。因此，為保證設(shè)備安全運(yùn)行，優(yōu)化后分體式連接件螺栓承受的拉力載荷之和必須大于30 kN。

根據(jù)《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》（GB/T 309.1—2010）[5]保證載荷（粗牙部分）中的數(shù)值，計(jì)算常用螺栓所需最小個(gè)數(shù)，同時(shí)預(yù)留3倍的安全系數(shù)。

所得結(jié)果向上取整，如表3所示。

表3 常用螺栓規(guī)格及對(duì)應(yīng)數(shù)量

在實(shí)際運(yùn)行中，設(shè)備動(dòng)力源設(shè)有拉力傳感器。當(dāng)動(dòng)力源受力超過28 kN時(shí)，設(shè)備自動(dòng)暫停，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)[6-7]。因此，連接件實(shí)際所受拉力載荷小于 30 kN。根據(jù)表3中對(duì)應(yīng)的最小螺栓數(shù)和實(shí)際設(shè)計(jì)中的螺栓數(shù)作對(duì)比可知，分體式連接件的應(yīng)用安全可靠。

4 結(jié)語

綜上所述，改進(jìn)型分體式連接件具有尺寸可控度高、易加工的優(yōu)點(diǎn)，減少了對(duì)高端設(shè)備的依賴，使得使用普通機(jī)床也能生產(chǎn)出滿足高精度連接件要求的產(chǎn)品，提高了產(chǎn)品合格率。本文簡單分析對(duì)比了改進(jìn)前和改進(jìn)后兩種結(jié)構(gòu)方案的利弊，以期能夠?yàn)榻窈箢愃屏慵Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。