一种圆管扳手的设计研发*

2019-01-18温乘焓

机械研究与应用 2018年6期

温乘焓

(南京市第二十九中学，江苏南京 210000)

0 引言

圆管扳手是针对薄壁管无法用普通的管子钳拆装而设计，主要用于套叠薄壁圆管的分离、薄壁管螺纹件的无损伤拆装。

薄壁圆管和薄壁管螺纹件装拆时，如夹持外部，极易发生变形，目前市场上还没有专门用于装拆薄壁管螺纹件的工具，而管子钳等少数工具能对常用的圆管螺纹件进行装拆，但不能用于薄壁管。现有圆管扳手为管钳和链钳，当空间狭小时，管钳操作不便。而当圆柱螺母直径较小时，链钳操作也不方便。而常用的活动扳手、开口板手和套筒板手，无法胜任圆柱螺母的拆装。为此，笔者设计了一种适用于薄壁管件的圆管扳手。

1 圆管扳手的功用和设计过程

1.1 圆管扳手的功用

薄壁圆管采用多点夹紧，可以有效地降低接触点的压强，从而减少管体的变形。夹紧力沿薄壁管的径向，方向可以指向管内，也可以指向管外。多点同时接触管壁，利用摩擦力防止扳手与管壁之间的相对转动，从而完成自锁。

将转动体的柄部设计成方榫，从而可以与标准套筒扳手组合使用，也可以用活动扳手或呆扳手，简化设计，方便使用[1]。此外，方榫还可以联接加长杆，实现较长圆管螺纹件的拆装。方榫的一个侧面设置弹性突起，实现扳手与套筒的轴向定位与联接，保证扳手在竖直向下时，不与套筒分离。

类似于套筒扳手，圆管扳手设计成直径不等一个系列，可以适用于管径不同的圆管[2]。

1.2 圆管扳手的设计思路

图1为圆管扳手原理图。圆管扳手是利用凸轮机构的工作原理，多个凸轮同时工作，故将转动体的形状设计成梅花形，每个梅花瓣即为一个凸轮。凸轮旋转，推动滚动体转动。T型爪由于头部卡在壳体的槽孔中，只能跟随凸轮做径向移动，如图1所示。

图1 圆管扳手原理图

工作中，滚动体与转动体的下凹部接触时，T型爪缩入壳体；当用手柄转向转动体时，滚动体逐渐与转动体的上凸部接触，T型爪被推出壳体，与圆管的内壁接触，施加外力后锁住管壁。T型爪和管壁产生的摩擦力，使得圆管转动，从而达到拆装的效果。

1.3 圆管扳手的结构设计

1.3.1圆管扳手主要部件设计

圆管扳手是由壳体(如图2所示)、转动体(如图3所示)、6个T型爪(如图4所示)、6个滚动体(如图5所示)、圆形挡板(如图6所示)以及3个螺钉组成。圆管扳手组装后外观，如图7所示。其中，转动体装入壳体中，6个T型爪插入壳体，头部从壳体的直槽中升出，T型爪与转动体之间装入6个滚动体，最后盖上端盖，完成圆管扳手的组装。

图2 壳体图3 转动体图4 T型爪

图5 滚动体图6 端盖图7 圆管扳手整体

使用3D打印机将圆管扳手的零部件打印出来，组装后圆管板手模型如图8所示。

图8 圆管扳手模型

1.3.2约束和载荷的施加

圆管的材料为Q235，其密度为7 850 kg/m3，弹性模量为2.1e11 Pa，泊松比为0.31，屈服极限235 MPa[3]。采用500 N·m的实验荷载对圆管扳手进行有限元分析，其结果如图9所示，图9(a)为使用圆管扳手拆装圆管时，其最大值为281.5；图9(b)为使用普通扳手拆装圆管时，其最大值为479.442。通过数据对比，两者相差很大，图9(a)中的应力仅为图9(b)中的58.71%。因此，圆管扳手对防止圆管变形非常有效。

图9 圆管拆装时的应力与变形

2 圆管板手的加工

圆管扳手的零件数目不多，结构也并不复杂，但壳体的加工有一定的难度，其四周的六个直槽之间的位置要求比较严格，如图10所示。而且，大量生产时，一般需要使用车床和数控铣床加工。二次装夹产生的重复定位误差，对外壳的位置误差影响很大[4]。

对于一些加工中心而言，为了保证能在一次装夹中就完成大部分工序，从粗加工到精加工都在一台机床中完成。但是，却降低了设备的使用效率。虽然使用加工中心，可以部分解决二次装夹带来的重复定位误差，但不能解决由于加工方式的改变而导致的形状误差。此外，如果需要使用特种加工，零件二次装夹产生的定位误差依然存在。

图10 壳体图

3 加工方案设计

目前，在设备上加装柔性夹具是一种高效的解决方案，柔性夹具一种标准化、系列化、通用化程度很高的工艺装备，它是由安装在各机床上的标准接口夹具，与其他预先制造好的各种不同形状、不同规格、不同尺寸、具有完全互换性的标准元件相结合[5]。加工中，标准元件随工件一起流动。改造后的工艺系统结构如图11所示。在加工过程中，可以随时对工件进行在线检测，实现生产过程中的质量控制[6]。

在设备中加装具有标准接口的柔性卡盘，如图12所示。柔性卡盘与装有拉钉的托板相连接，托板如图13所示[7]。