基于公稱直徑8 mm圓錐銷拆卸專用工具的設(shè)計(jì)

王俊鵬 彭 碩 黎良坤 郭利軍 韓 輝

(湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司紅安卷煙廠，湖北 紅安 438400)

機(jī)械為實(shí)現(xiàn)其設(shè)定功能，需要各執(zhí)行件按預(yù)定設(shè)計(jì)有序進(jìn)行動作。為保證執(zhí)行件動作精準(zhǔn)，并便于相關(guān)部件的拆裝，現(xiàn)有技術(shù)中較多采用圓錐銷進(jìn)行定位。圓錐銷主要用于連接中的定位，常安裝于需要頻繁拆卸部位。圓錐銷具有1∶50的錐度，具有良好的自鎖性，具有安裝拆卸方便的優(yōu)點(diǎn)。目前使用的圓錐銷有圓頭圓錐銷、內(nèi)螺紋圓錐銷、螺尾圓錐銷等幾種。其中，內(nèi)螺紋圓錐銷和螺尾圓錐銷一般直徑較小，自鎖力也小，目前已有專用拔銷器可以取出。本文所述的圓錐銷為圓頭圓錐銷，其兩頭均為半球形，在實(shí)際使用過程中，其拆卸主要靠人工采用手錘配合沖棒直接沖擊，由于圓錐銷良好的自鎖性，所以需要的初始沖擊力也極大，但解除自鎖后對于沖棒的阻力約等于0。解鎖后阻力無限接近于0，使圓錐銷享有拆卸方便的美譽(yù)，但拆卸它時所需要的極大的初始沖擊力也讓不少人嘗到了苦頭，因拆卸工具不稱手將圓錐銷砸變形、手錘傷手、圓錐銷沖飛設(shè)備內(nèi)不易查找的現(xiàn)象時有發(fā)生。

圓錐銷拆卸工具是利用合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性，采用科學(xué)的方法，簡化圓錐銷拆卸流程和步驟，降低其拆卸難度和安全風(fēng)險的一組特定零件的組合，是機(jī)械維修工提高維修效率的利器。通常為了便于圓錐銷的拆卸操作，圓錐銷拆卸工具能夠快速地與圓錐銷找正并緊密接觸，定位精準(zhǔn)且不易發(fā)生位移，便于拆卸做功所施加的沖擊力，能無損耗地直接作用于圓錐銷，用于對圓錐銷的解鎖，實(shí)現(xiàn)安全高效拆卸，減少維修時間，降低維修成本。研究擬以安裝于設(shè)備內(nèi)狹小空間中軸類零件上的圓錐銷為例，設(shè)計(jì)一種基于公稱直徑8 mm圓錐銷拆卸專用工具，在能快速拆卸安裝于設(shè)備內(nèi)狹小空間中軸類零件上的圓錐銷的同時，該工具還具有結(jié)構(gòu)簡單、安全高效、適應(yīng)性強(qiáng)、可控性高等特點(diǎn)，能較好地解決安裝于設(shè)備內(nèi)狹小空間中軸類零件上的普通圓錐銷的拆卸難題，極大地提升維修效率和維修舒適度。

1 圓錐銷結(jié)構(gòu)、材料及解鎖力分析

1.1 圓錐銷結(jié)構(gòu)及材料

銷主要是用來固定零件之間的相對位置，也用于軸或轂的聯(lián)接或者其它零件的聯(lián)接，并可傳遞不大的載荷，還可以作為安全裝置中的過載剪切元件[1]。圓錐銷國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 117-2000，錐度為1∶50。按加工方法分為A型和B型，A型為磨削加工，錐面表面粗糙度Ra=0.8 μm；B型為切削或冷鐓加工，錐面表面粗糙度Ra=3.2 μm。其圖紙如圖1所示。

圖1 圓錐銷(GB/T117-2000)工藝圖紙

圖中：

a—端部球面高度

d—小頭公稱直徑

l—公稱長度尺寸

r1—小頭倒圓半徑

r2—大頭倒圓半徑

其公稱直徑a有0.6、0.8、1、1.2、…30、40、50等20種規(guī)格，其公稱長度根據(jù)不同公稱直徑規(guī)定了不同的長度取值，主要用2、3、4、5、6、…160、180、200等37種長度規(guī)格，其技術(shù)條件和引用標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

其標(biāo)記方法按GB/T 1337規(guī)定。其公稱直徑d為6 mm、公稱長度l為30 mm、材料為35鋼、熱處理到達(dá)諾氏硬度28～38HRC、表面氧化處理的A型圓錐銷的標(biāo)記為：銷GB/T 117 6×30[2]。

應(yīng)用在該款圓錐銷拆卸專用工具的圓錐銷的規(guī)格為：銷GB/T 117 8×100，是公稱直徑d為8mm、公稱長度l為100mm、材料為45鋼、熱處理硬度38～46HRC、表面不經(jīng)處理的A型圓錐銷。

1.2 圓錐銷的解鎖力分析

當(dāng)物體受到靜摩擦力作用導(dǎo)致靜止時，用外力試圖使這個物體運(yùn)動時，外力不斷增大，而此物體也被擠壓得更緊，極不容易運(yùn)動，即最大靜摩擦力的保護(hù)能力越強(qiáng)，這種現(xiàn)象叫自鎖現(xiàn)象。而自鎖現(xiàn)象出現(xiàn)是因?yàn)檫_(dá)到自鎖條件時，最大靜摩擦力易出現(xiàn)隨外力增大進(jìn)而同比例遞增[3]。如圖2所示，常用圓錐銷主要有普通圓錐銷、螺尾圓錐銷、內(nèi)螺紋圓錐銷等幾種。而內(nèi)螺尾圓錐銷和螺紋圓錐銷通常直徑較小，因此自鎖力也較小，可以用專用拔銷器取出。但是普通圓錐銷兩頭都是半球形，并未發(fā)現(xiàn)市面上有能較好解決此問題的圓錐銷拆卸工具。

2 圓錐銷拆卸專用工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對GD包裝機(jī)普通圓錐銷拆卸專用工具相關(guān)技術(shù)要求，對圓柱銷拆卸工具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，本專用工具主要有導(dǎo)向座和放在導(dǎo)向座內(nèi)部的沖頭，而導(dǎo)向座的外端安裝著彈力帶與掛鉤，彈力帶的末端安裝著扣環(huán)與配重塊。前面所述導(dǎo)向座內(nèi)壁結(jié)構(gòu)為筒狀，且內(nèi)壁上設(shè)計(jì)了導(dǎo)向止退槽，座底部配置有底座。其中，沖頭外壁上設(shè)計(jì)了與導(dǎo)向止退槽相對應(yīng)的導(dǎo)向止退塊，并將沖擊延長桿安裝到?jīng)_頭的尾端，沖頭和沖擊延長桿之間可以通過螺紋連接，沖頭是通過硬質(zhì)合金材料加工而成。為了方便于扣環(huán)及掛鉤的扣合，為專用工具設(shè)計(jì)了一根鉤形的拉桿。通過在延長桿上設(shè)置有沖擊導(dǎo)桿，沖擊導(dǎo)桿下設(shè)置有受力臺，并在沖擊導(dǎo)桿上套設(shè)置有沖塊。

圖2 GD包裝機(jī)普通圓錐銷拆卸專用工具結(jié)構(gòu)示意圖

需對普通圓柱銷展開拆卸時，如圖3所示，取長度合適的沖擊延長桿安裝在沖頭上，并將沖擊導(dǎo)桿安裝在延長桿尾部上，將包括導(dǎo)向座、沖頭、彈力帶的組合件安裝在軸上的固定工件上，其中導(dǎo)向座內(nèi)孔和普通圓錐銷對準(zhǔn)，而彈力帶可繞過固定工件，配重塊的作用會導(dǎo)致彈力帶繞過工件后并垂直向下慢慢伸出，鉤形拉桿會拉住彈力帶末端扣環(huán)，并將其扣于導(dǎo)向座外端掛鉤之上，以此完成專用工具的固定，最后沿沖擊導(dǎo)桿由尾向前用力滑沖沖塊可完成圓錐銷的拆卸工作。

1-導(dǎo)向座；2-沖頭；3-沖擊延長桿；4-彈力帶；5-導(dǎo)向止退槽；6-導(dǎo)向止退塊；7-配重塊；8-扣環(huán)；9-鉤形拉桿；10-掛鉤；11-底座；12-沖擊導(dǎo)桿；13-沖塊；14-軸；15-軸上固定工件；16-普通圓錐銷。圖3 GD包裝機(jī)普通圓錐銷拆卸專用工具工作示意圖

3 圓錐銷卸力分析[2]

圓錐銷與設(shè)備本體的配合屬于圓錐面過盈配合。圓錐面過盈聯(lián)接是利用包容件與被包容件相對軸向位移壓緊裝配來獲得過盈結(jié)合的。由于圓錐面過盈聯(lián)接的壓合距離短，裝拆方便，且裝拆時配合表面不易被擦傷，故可用于多次裝拆的場合。圓錐面過盈聯(lián)接的計(jì)算與圓柱面基本相同。

圓柱面過盈聯(lián)接的計(jì)算假設(shè)：零件的應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)；被聯(lián)接件是兩個等長圓筒，其配合面的壓強(qiáng)均勻分布；包容件與被包容件處于平面應(yīng)力狀態(tài)；材料彈性模量為常數(shù)。對于圓錐面過盈聯(lián)接的計(jì)算，配合面直徑以圓錐面的平均直徑dm計(jì)算，過盈量δ由軸向壓入量s保證。

圓柱面過盈聯(lián)接的拉出力計(jì)算[1]：

拉出(壓力)力PXe=(1.3～1.5)PXi

(1)

壓入力PXi=[Pfmax]πdflfμ

(2)

其中，df為結(jié)合直徑；lf為結(jié)合長度；μ為鋼-鋁摩擦系數(shù)；[Pfmax]為結(jié)合件的最大許用應(yīng)力。

判斷圓錐銷是否能順利拆卸，主要是對比圓錐銷取出所需拉出(壓出)力與配合面的徑向壓力，如拉出(壓出)力大于配合面的徑向壓力，即可拆出圓錐銷，否則圓錐銷不能取出。

(鋼-鋁摩擦系數(shù)：無潤滑0.17，有潤滑0.02)

3.1 圓錐銷結(jié)合面承受最大單位壓力(單位：N/mm2)

結(jié)合面承受最大單位壓力計(jì)算：

[Pfmax]=δmax÷{df[(Ca÷Ea)+(Ci÷Ei)]}

(3)

其中，δmax為最大過盈量；Ca、Ci是系數(shù)；Ea、Ei分別是包容件與被包容件的彈性模量。

系數(shù)Ca、Ci計(jì)算：

Ca=(d2a+d2f)÷(d2f-d2a)+V

(4)

Ci=(d2i+d2f)÷(d2f-d2i)-V

(5)

其中，da、di分別表示包容件外徑和被包容件內(nèi)徑，V為泊松系數(shù)。

假設(shè)設(shè)備材料為鋁合金，圓錐銷為鋼，則彈性模量、松柏系數(shù)如下：

材料彈性模量E松柏系數(shù)V鋁合金700.33鋼2100.26

3.2 圓錐銷規(guī)格選型

圓錐銷規(guī)格參考GB/T 117-2000，取常規(guī)圓錐銷φ20算出小端直徑。小端直徑計(jì)算：

(D1-D2)∶L=1∶50

(6)

其中，D1為大端半徑，D2為小端半徑，L為長度。

規(guī)格大端直徑長度小端直徑φ20*40dmax=20 mm;dmin=19.916 mm;40 mmdmax=18.40 mm;dmin=18.316 mm;

3.3 圓錐銷孔的分析

圓錐銷孔在加工時，過盈配合是通過對應(yīng)型號的鉸刀來實(shí)現(xiàn)，因此對應(yīng)《錐柄機(jī)用1∶50錐度銷子鉸刀(GB/T 20332-2006)》中鉸刀尺寸，不考慮其公差。

3.4 圓錐銷的力分析

設(shè)圓錐銷為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，圓錐銷孔為圓錐銷最小直徑，無潤滑狀態(tài)下，結(jié)合件的最大許應(yīng)力也分兩段計(jì)算，將相關(guān)參數(shù)代入?？傻忙?0*40的圓錐銷Pfmax=6.56 MPa，則Pxi=[Pfmax]πdflfμ=2802.85 N，故Pxe=(1.3～1.5)Pxi=3643.70 N～4204.28 N。

3.5 圓錐銷專用拆卸工具選材分析

由上可知，要取出φ20*40的圓錐銷，大約需要施加3643.70N以上的拉力。

在充分考慮彈力帶的彈性系數(shù)及沖頭的質(zhì)量后，同時考慮沖頭屈服強(qiáng)度及硬度，選取45#鋼淬火后回火處理，保證沖頭良好的機(jī)械性能及表面硬度要求。即可輕松、快速取出圓錐銷。

4 仿真分析

通過上述改進(jìn)，能有效防止GD包裝機(jī)組普通圓錐銷拆卸過程中手錘滑脫傷手、沖棒與銷銷未對準(zhǔn)錐銷產(chǎn)生沖擊變形、沖棒從錐銷上滑脫沖傷零件、錐銷落入機(jī)器內(nèi)部不易尋找等現(xiàn)象。拆卸時間得到有效減少，維修效率大幅提升。

通過Solidworks三維軟件對其進(jìn)行仿真分析，在其受力情況下進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)該材質(zhì)下的沖塊、導(dǎo)桿、沖頭等零件均未發(fā)生變形情況。如圖4，紅色為受力集中易變形；顏色偏深藍(lán)，受力后越不容易變形。因此此設(shè)計(jì)受力合理，結(jié)構(gòu)合理。

圖4 圓錐銷專用拆卸工具受力分析

5 結(jié)論

通過上述改進(jìn)，能有效防止GD包裝機(jī)組普通圓錐銷拆卸過程中手錘滑脫傷手、沖棒與銷銷未對準(zhǔn)錐銷產(chǎn)生沖擊變形、沖棒從錐銷上滑脫沖傷零件、錐銷沖出后錐銷落入機(jī)器內(nèi)部不易尋找等現(xiàn)象。拆卸時間得到有效減少，維修效率大幅提升。

下表是GD包裝機(jī)圓錐銷拆卸專用工具應(yīng)用前后維修數(shù)據(jù)的對比分析：

表2 GD包裝機(jī)圓錐銷拆卸專用工具應(yīng)用前后維修數(shù)據(jù)對比

從圖5可看出，GD包裝機(jī)普通圓錐銷拆卸專用工具改善效果明顯，得到了包裝維修工和車間領(lǐng)導(dǎo)的一致認(rèn)可，該工具已在車間GD包裝機(jī)維修過程中廣泛應(yīng)用。

圖5 GD包裝機(jī)普通圓錐銷拆卸專用工具改善效果