基于公称直径8 mm圆锥销拆卸专用工具的设计

王俊鹏 彭 硕 黎良坤 郭利军 韩 辉

(湖北中烟工业有限责任公司红安卷烟厂，湖北 红安 438400)

机械为实现其设定功能，需要各执行件按预定设计有序进行动作。为保证执行件动作精准，并便于相关部件的拆装，现有技术中较多采用圆锥销进行定位。圆锥销主要用于连接中的定位，常安装于需要频繁拆卸部位。圆锥销具有1∶50的锥度，具有良好的自锁性，具有安装拆卸方便的优点。目前使用的圆锥销有圆头圆锥销、内螺纹圆锥销、螺尾圆锥销等几种。其中，内螺纹圆锥销和螺尾圆锥销一般直径较小，自锁力也小，目前已有专用拔销器可以取出。本文所述的圆锥销为圆头圆锥销，其两头均为半球形，在实际使用过程中，其拆卸主要靠人工采用手锤配合冲棒直接冲击，由于圆锥销良好的自锁性，所以需要的初始冲击力也极大，但解除自锁后对于冲棒的阻力约等于0。解锁后阻力无限接近于0，使圆锥销享有拆卸方便的美誉，但拆卸它时所需要的极大的初始冲击力也让不少人尝到了苦头，因拆卸工具不称手将圆锥销砸变形、手锤伤手、圆锥销冲飞设备内不易查找的现象时有发生。

圆锥销拆卸工具是利用合理的机械结构和机械特性，采用科学的方法，简化圆锥销拆卸流程和步骤，降低其拆卸难度和安全风险的一组特定零件的组合，是机械维修工提高维修效率的利器。通常为了便于圆锥销的拆卸操作，圆锥销拆卸工具能够快速地与圆锥销找正并紧密接触，定位精准且不易发生位移，便于拆卸做功所施加的冲击力，能无损耗地直接作用于圆锥销，用于对圆锥销的解锁，实现安全高效拆卸，减少维修时间，降低维修成本。研究拟以安装于设备内狭小空间中轴类零件上的圆锥销为例，设计一种基于公称直径8 mm圆锥销拆卸专用工具，在能快速拆卸安装于设备内狭小空间中轴类零件上的圆锥销的同时，该工具还具有结构简单、安全高效、适应性强、可控性高等特点，能较好地解决安装于设备内狭小空间中轴类零件上的普通圆锥销的拆卸难题，极大地提升维修效率和维修舒适度。

1 圆锥销结构、材料及解锁力分析

1.1 圆锥销结构及材料

销主要是用来固定零件之间的相对位置，也用于轴或毂的联接或者其它零件的联接，并可传递不大的载荷，还可以作为安全装置中的过载剪切元件[1]。圆锥销国家标准为GB/T 117-2000，锥度为1∶50。按加工方法分为A型和B型，A型为磨削加工，锥面表面粗糙度Ra=0.8 μm；B型为切削或冷镦加工，锥面表面粗糙度Ra=3.2 μm。其图纸如图1所示。

图1 圆锥销(GB/T117-2000)工艺图纸

图中：

a—端部球面高度

d—小头公称直径

l—公称长度尺寸

r1—小头倒圆半径

r2—大头倒圆半径

其公称直径a有0.6、0.8、1、1.2、…30、40、50等20种规格，其公称长度根据不同公称直径规定了不同的长度取值，主要用2、3、4、5、6、…160、180、200等37种长度规格，其技术条件和引用标准如表1所示。

其标记方法按GB/T 1337规定。其公称直径d为6 mm、公称长度l为30 mm、材料为35钢、热处理到达诺氏硬度28～38HRC、表面氧化处理的A型圆锥销的标记为：销GB/T 117 6×30[2]。

应用在该款圆锥销拆卸专用工具的圆锥销的规格为：销GB/T 117 8×100，是公称直径d为8mm、公称长度l为100mm、材料为45钢、热处理硬度38～46HRC、表面不经处理的A型圆锥销。

1.2 圆锥销的解锁力分析

当物体受到静摩擦力作用导致静止时，用外力试图使这个物体运动时，外力不断增大，而此物体也被挤压得更紧，极不容易运动，即最大静摩擦力的保护能力越强，这种现象叫自锁现象。而自锁现象出现是因为达到自锁条件时，最大静摩擦力易出现随外力增大进而同比例递增[3]。如图2所示，常用圆锥销主要有普通圆锥销、螺尾圆锥销、内螺纹圆锥销等几种。而内螺尾圆锥销和螺纹圆锥销通常直径较小，因此自锁力也较小，可以用专用拔销器取出。但是普通圆锥销两头都是半球形，并未发现市面上有能较好解决此问题的圆锥销拆卸工具。

2 圆锥销拆卸专用工具结构设计

针对GD包装机普通圆锥销拆卸专用工具相关技术要求，对圆柱销拆卸工具设计结构如图2所示，本专用工具主要有导向座和放在导向座内部的冲头，而导向座的外端安装着弹力带与挂钩，弹力带的末端安装着扣环与配重块。前面所述导向座内壁结构为筒状，且内壁上设计了导向止退槽，座底部配置有底座。其中，冲头外壁上设计了与导向止退槽相对应的导向止退块，并将冲击延长杆安装到冲头的尾端，冲头和冲击延长杆之间可以通过螺纹连接，冲头是通过硬质合金材料加工而成。为了方便于扣环及挂钩的扣合，为专用工具设计了一根钩形的拉杆。通过在延长杆上设置有冲击导杆，冲击导杆下设置有受力台，并在冲击导杆上套设置有冲块。

图2 GD包装机普通圆锥销拆卸专用工具结构示意图

需对普通圆柱销展开拆卸时，如图3所示，取长度合适的冲击延长杆安装在冲头上，并将冲击导杆安装在延长杆尾部上，将包括导向座、冲头、弹力带的组合件安装在轴上的固定工件上，其中导向座内孔和普通圆锥销对准，而弹力带可绕过固定工件，配重块的作用会导致弹力带绕过工件后并垂直向下慢慢伸出，钩形拉杆会拉住弹力带末端扣环，并将其扣于导向座外端挂钩之上，以此完成专用工具的固定，最后沿冲击导杆由尾向前用力滑冲冲块可完成圆锥销的拆卸工作。

1-导向座；2-冲头；3-冲击延长杆；4-弹力带；5-导向止退槽；6-导向止退块；7-配重块；8-扣环；9-钩形拉杆；10-挂钩；11-底座；12-冲击导杆；13-冲块；14-轴；15-轴上固定工件；16-普通圆锥销。图3 GD包装机普通圆锥销拆卸专用工具工作示意图

3 圆锥销卸力分析[2]

圆锥销与设备本体的配合属于圆锥面过盈配合。圆锥面过盈联接是利用包容件与被包容件相对轴向位移压紧装配来获得过盈结合的。由于圆锥面过盈联接的压合距离短，装拆方便，且装拆时配合表面不易被擦伤，故可用于多次装拆的场合。圆锥面过盈联接的计算与圆柱面基本相同。

圆柱面过盈联接的计算假设：零件的应变在弹性范围内；被联接件是两个等长圆筒，其配合面的压强均匀分布；包容件与被包容件处于平面应力状态；材料弹性模量为常数。对于圆锥面过盈联接的计算，配合面直径以圆锥面的平均直径dm计算，过盈量δ由轴向压入量s保证。

圆柱面过盈联接的拉出力计算[1]：

拉出(压力)力PXe=(1.3～1.5)PXi

(1)

压入力PXi=[Pfmax]πdflfμ

(2)

其中，df为结合直径；lf为结合长度；μ为钢-铝摩擦系数；[Pfmax]为结合件的最大许用应力。

判断圆锥销是否能顺利拆卸，主要是对比圆锥销取出所需拉出(压出)力与配合面的径向压力，如拉出(压出)力大于配合面的径向压力，即可拆出圆锥销，否则圆锥销不能取出。

(钢-铝摩擦系数：无润滑0.17，有润滑0.02)

3.1 圆锥销结合面承受最大单位压力(单位：N/mm2)

结合面承受最大单位压力计算：

[Pfmax]=δmax÷{df[(Ca÷Ea)+(Ci÷Ei)]}

(3)

其中，δmax为最大过盈量；Ca、Ci是系数；Ea、Ei分别是包容件与被包容件的弹性模量。

系数Ca、Ci计算：

Ca=(d2a+d2f)÷(d2f-d2a)+V

(4)

Ci=(d2i+d2f)÷(d2f-d2i)-V

(5)

其中，da、di分别表示包容件外径和被包容件内径，V为泊松系数。

假设设备材料为铝合金，圆锥销为钢，则弹性模量、松柏系数如下：

材料弹性模量E松柏系数V铝合金700.33钢2100.26

3.2 圆锥销规格选型

圆锥销规格参考GB/T 117-2000，取常规圆锥销φ20算出小端直径。小端直径计算：

(D1-D2)∶L=1∶50

(6)

其中，D1为大端半径，D2为小端半径，L为长度。

规格大端直径长度小端直径φ20*40dmax=20 mm;dmin=19.916 mm;40 mmdmax=18.40 mm;dmin=18.316 mm;

3.3 圆锥销孔的分析

圆锥销孔在加工时，过盈配合是通过对应型号的铰刀来实现，因此对应《锥柄机用1∶50锥度销子铰刀(GB/T 20332-2006)》中铰刀尺寸，不考虑其公差。

3.4 圆锥销的力分析

设圆锥销为标准尺寸，圆锥销孔为圆锥销最小直径，无润滑状态下，结合件的最大许应力也分两段计算，将相关参数代入。可得φ20*40的圆锥销Pfmax=6.56 MPa，则Pxi=[Pfmax]πdflfμ=2802.85 N，故Pxe=(1.3～1.5)Pxi=3643.70 N～4204.28 N。

3.5 圆锥销专用拆卸工具选材分析

由上可知，要取出φ20*40的圆锥销，大约需要施加3643.70N以上的拉力。

在充分考虑弹力带的弹性系数及冲头的质量后，同时考虑冲头屈服强度及硬度，选取45#钢淬火后回火处理，保证冲头良好的机械性能及表面硬度要求。即可轻松、快速取出圆锥销。

4 仿真分析

通过上述改进，能有效防止GD包装机组普通圆锥销拆卸过程中手锤滑脱伤手、冲棒与销销未对准锥销产生冲击变形、冲棒从锥销上滑脱冲伤零件、锥销落入机器内部不易寻找等现象。拆卸时间得到有效减少，维修效率大幅提升。

通过Solidworks三维软件对其进行仿真分析，在其受力情况下进行受力分析，发现该材质下的冲块、导杆、冲头等零件均未发生变形情况。如图4，红色为受力集中易变形；颜色偏深蓝，受力后越不容易变形。因此此设计受力合理，结构合理。

图4 圆锥销专用拆卸工具受力分析

5 结论

通过上述改进，能有效防止GD包装机组普通圆锥销拆卸过程中手锤滑脱伤手、冲棒与销销未对准锥销产生冲击变形、冲棒从锥销上滑脱冲伤零件、锥销冲出后锥销落入机器内部不易寻找等现象。拆卸时间得到有效减少，维修效率大幅提升。

下表是GD包装机圆锥销拆卸专用工具应用前后维修数据的对比分析：

表2 GD包装机圆锥销拆卸专用工具应用前后维修数据对比

从图5可看出，GD包装机普通圆锥销拆卸专用工具改善效果明显，得到了包装维修工和车间领导的一致认可，该工具已在车间GD包装机维修过程中广泛应用。

图5 GD包装机普通圆锥销拆卸专用工具改善效果