关于台阶轴类分体快速连接件的改进研究

2022-07-23傅声华

现代制造技术与装备 2022年6期

刘鑫傅声华

（崇义章源钨业股份有限公司，赣州 341300）

1 研究背景

崇义章源钨业股份有限公司在生产中需要用到大量轴向运动部件。该部件由主动件和从动件两部分组成。主、从动件均为台阶轴结构，连接时会用到一种快速连接台阶轴类零件，尺寸结构如图1所示。该连接件采用对半式设计，由两个半圆C形卡和固定卡套组成。使用时，先将两个半圆卡卡到台阶轴凸起部分，再用固定卡套将两个半圆卡固定以防脱落，既可实现对只做轴向运动的台阶轴零件的连接，又能实现零件的快装快拆。在该零件中，主动件、从动件和连接件三者之间的配合间隙直接影响从动件的定位精度。若连接件与台阶轴装配的间隙过大，将导致轴向窜动量增大，造成轴向定位不准，最终影响设备运行精度；若连接件与台阶轴装配的间隙太小，则主动件、从动件和连接件三者的装配难度大，会降低零件装配的生产效率[1]。因此，合格的连接件要既能确保零件装配顺畅，又能保证从动件的窜动量小。

为保证设备主、从动件连接的精度达到装配要求，需精准控制连接件的尺寸精度和形位公差。但是，由于该连接件形状是内凹槽结构，普通加工机床加工后难以确保内凹槽的尺寸精度和形位公差，通常需要使用精度较高的数控设备进行零件加工。通过不断研究和实践，改进这种台阶轴类连接件的连接方式可突破机床限制，实现利用普通机床稳定生产该零件的目的。

2 现有连接件分析

为了保证设备的运行精度，装配间隙通常需控制在0.04 mm以内。经过研究，必须要求半圆C形卡内凹槽尺寸公差控制在+0.01～+0.02 mm，才能满足上述装配间隙的要求。

一般来说，半圆C形卡的机械加工工艺是先加工一个整圆环再将其对半破开，所以在加工整圆环的时候要先加工出尺寸和形位公差都合格的内凹槽。

为了准确测量内凹槽的尺寸，现有两套方案。方案一：加工后拆卸工件测量；方案二：加工后不拆卸工件，利用机床测量功能完成测量[2]。两种方案优缺点的对比，如表1所示。

表1 工艺改进前C形卡测量方案对比

现有台阶轴类连接件的结构存在以下加工问题：（1）普通机床无法加工；（2）普通数控设备无法轻易测出内凹槽尺寸，产品废品率高；（3）高端数控设备可以利用在线测量功能测量出内凹槽尺寸，但是设备资金投入大，一般工厂无相关设备。

3 改进型连接件分析

为了破解连接件半圆C形卡改进前存在的测量难问题，优化半圆C形卡的结构设计，将一体的半圆C形卡优化成分体结构。如图2所示，改进后的半圆C形卡有基座、压盖和紧固螺栓3部分组成[3]。

改进后的连接件半圆C形卡采用分体式结构，避免了加工过程中一体结构内凹槽尺寸不能轻易测量的问题，提高了连接件C形卡内凹槽尺寸测量准确性和尺寸可控性，提高了连接件加工合格率。工艺优化前后对比，如表2所示。

表2 工艺优化前后对比

为了验证分体式结构连接件的可靠性，必须对其进行受力分析。经过研究，台阶轴安装改进后分体连接件的运动情况，如图3所示。主动件固定在气缸上，从动件通过连接件与主动件固定在一起，主、从动件在气缸的作用下沿轴线往复运动。

分析台阶轴主动件、从动件和连接件在轴向运动的具体受力情况（忽略各部件重力影响）[4]：当整体向上运动时，主动件和从动件只受动力源的向上力，连接件不受力；当整体向下运动时，主动件受动力源的向下力拉动连接件向下运动，连接件拉动从动件一起运动。由于从动件受向上的摩擦力，导致连接件受同样的向上力。连接件采用紧固螺栓连接，因此螺栓受到与摩擦力同样大小的拉力载荷，成为导致螺栓失效的受力源。所以，这里只需验证当从动件所受的摩擦力为最大值时分体式连接件是否会失效，即可判断分体式结构连接件的可靠性。

优化后方案保留了原有方案中各部位关键尺寸的壁厚，只是增加了用于连接的紧固螺栓。长期的生产实践证明，原有一体式结构是安全有效的，所以只需验证优化后的分体式连接件中紧固螺栓强度是否存在失效的风险。

查找设备说明书得知，该设备轴向运动动力源设计最大拉力值为30 kN，即当从动件完全卡住的时候，连接件所受的最大拉力值为30 kN。因此，为保证设备安全运行，优化后分体式连接件螺栓承受的拉力载荷之和必须大于30 kN。

根据《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》（GB/T 309.1—2010）[5]保证载荷（粗牙部分）中的数值，计算常用螺栓所需最小个数，同时预留3倍的安全系数。

所得结果向上取整，如表3所示。