Z1型胀紧联结套应用存在的问题分析及应对方法

高宇飞

（陕西工业职业技术学院校办工厂，陕西咸阳7l2000）

作者：高宇飞，l968年生，高级工程师，主要研究方向：磨削技术与数控机床。

Zl型胀紧联结套或称锥形夹紧环（以下简称胀套）是实现轴上零件安装的常见方式，应用很广泛。它的作用原理是通过轴向施力，使胀套内外环产生轴向位移，通过本身锥度结构在径向产生变形从而在径向形成由内向外的压力。这种压力在轴与胀套和胀套与被联结件之间产生较大的静摩檫力，形成摩擦力矩，以传递转矩、轴向力或两者的复合。较常见的是两组胀套组合使用。胀套夹紧作用过程如图l所示。

胀套联结与键连接比较具有以下优点：工艺简单，轴上无需加工键槽；装配方便，轴上位置可调整量大；对高速转动的轴动静平衡性好，便于维护。在实际应用中也暴露出不少的缺点。如影响联结件工作精度、高速回转轴平衡和维修拆卸不方便，而这些在设计中常常被忽视。

1 问题分析

1.1 实例分析

图2为某磨床砂轮修整器金刚滚轮与主轴的连接方式示意图。图2a为压盖l预紧胀套或称胀套消隙时的状态。此时，被联结件4端面M处相对于定位孔轴线的跳动值为!，是被联结件4本身要求的精度；当胀紧套处于夹紧状态时，由于胀套长径比小（0.l573～0.252）、内外孔直径差小（4 ～8 mm，单个胀环更小）、材质弹性大等，当轴向受力，径向易变形。这种径向形变并非呈规则圆柱体分布，在定位孔与轴间存在间隙时，该间隙将沿径向被放大，出现如图2b所示情况。具体表现为越远离回转中心，金刚滚轮基体端面跳动越大。金刚滚轮外圆和基体端面跳动增加了回转（转速5500 r/min）时的质量不均衡性，除产生更强的震动外，还会使修整出的砂轮凸形截形宽度变窄，而凹形截形宽度变宽，从而影响工件精度。图2b中M处的跳动应为

式中Xmax为被联结件4与轴配合的实际最大间隙，W为轴与被联结件4的配合长度；Z为M点距回转中心的距离。

1.2 实例COSMOSX press模拟

图3所示是轴上联结件的建模。图4所示为solid works的COSMOSXpress模拟胀套作用时的变形位移情况，模拟条件：

（l）被联结件胀套安装孔为φ40 mm×l4 mm，与胀套Zl-35 mm×40 mm×7 mm相当；

（2）均匀作用在胀套安装孔内壁的压力为l00 N/mm2；

（3）约束孔（即定位孔）为φ35 mm×26 mm；

（4）联结件材料为合金钢。

从变形模拟结果（图4）可以看出，当均匀施压于孔壁时，约束孔处位移是0，胀套安装孔口具有最大变形位移（0.026 mm），并且均匀分布于安装胀套的孔口一周（图中深色部分）。同时胀套安装孔一侧外圆边沿变形也较明显（大约0.0l8 mm），而另外一侧外圆边沿则较小。

从实际测量被联结件在轴上的外圆跳动看，安装胀套一侧的外圆跳动大（约0.05～0.09 mm），而定位孔一侧外圆跳动小（约为0.02～0.03 mm）。除了零件本身跳动外，产生跳动大幅增大的原因是由于胀套胀紧时的周向不均匀所致；而这种沿轴向呈锥状分布的跳动，则与胀紧变形有关，这与模拟是一致的。

2 应对问题

从式（l）可以看出，当胀套的夹紧力在径向分布不均衡时，就使得轴与被联结零件实际间隙在远离回转中心处得以放大，使零件端面和外圆跳动增大Z；要减小胀套联结对联结件安装精度的影响，除了对联结件精度要求外，还应考虑减少由于胀套的使用带来装配件工作时的跳动增加，具体方法是：

（l）提高轴与被联结件的配合精度，如滚轮安装孔与轴的配合间隙为0.002～0.003 mm。但这种方式会增大零件加工难度，导致工艺成本增加。

（2）在结构许可的条件下，增大配合长度，尽可能减小被联结件的直径。图2中结构可通过图5所示的改进设计加以改善。图5中，将压盖l与被联结件2联结后再一次加工出与轴配合的孔并作安装位置标记，这种方法实质是使定位孔的配合长度加大，该结构在实际应用中合理可行。

（3）改变胀套配置形式，如图6所示。基于对模拟效果和实际测量的认识，将原来两组胀套用定位隔套隔开一段距离，使其位于孔的两端，以减小胀紧套置于一侧产生的锥形形变。

（4）增加压紧盖上的均布螺钉数量并使用力矩扳手交叉、均匀施力压紧，使胀套周向胀紧力趋于均匀。实际应用证明，当采用6或8个螺钉压紧胀套时，联结件的径向跳动在整个外圆上趋于一致，并有很大幅度减小。

3 应注意的问题

一个好的机构除了其功能满足要求外，可维修性更应在设计中得到重视。Zl型胀套的拆卸也是如此。由于Zl型胀套结构的特殊性，相关标准对其拆卸未做出说明。这种特殊性在于其长径比小、内外径差小（基本尺寸由20 mm、25 mm到l60 mm、l78 mm，其内外径差值4～8 mm）、胀套内外环有锥度，在轴向受力足够大时会产生自锁现象（即使其锥角大于自锁角），当压盖螺钉松开后，这种胀套并不会松开。如果拆卸不当会使原孔、轴表面拉伤，影响再度安装和使用可靠性。

通过实践表明，为了胀套既能起到夹紧作用又容易拆卸，在设计时应注意：

（l）可将轴与胀套内孔和联结件内孔与胀套外圆配合选为较松的配合8H/7h，而将被联结零件与轴的配合选为较精密的6H/5g或7H/6g；

（2）应注意轴联结部位应有适当的硬度要求，以免联结处拉伤，产生毛刺，给维修带来不便；

（3）适当减小联结处轴长度，使胀套与被联结件拆卸时轴向移动距离缩小，便于拆卸。

4 结语

胀套联接与其他联接一样存在定位问题。表面上看，胀套本身是夹紧元件，但在其处于夹紧状态时，其内环面与轴紧密接触，外环面与连接件内孔紧密接触，这时胀套起到定位作用，使原来应起定位作用的轴与被联结零件内孔配合部分的精度因受胀套胀紧力变形而下降或丧失，从而影响轴上零件的正常工作状态。

胀套实际上起不到可靠定位作用。这是由胀套本身结构特点决定的，每次安装，它的状态都会产生变化。当压盖上螺钉压紧时胀套的径向变形是不规则、不均匀的，这与轴向施力的螺钉规格和个数有密切关系。

胀套的夹紧作用影响了轴上零件与轴的配合精度，使实际配合间隙趋于边沿化从而影响被联结件在轴上的运动精度；即使被联结件本身精度达到了设计要求，也不能肯定被联结后的状态满足设计要求。