一種收口模具的設(shè)計(jì)

陳祖芳，高雅

中國航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件制造有限責(zé)任公司 貴州貴陽 550014

1 序言

我公司接到的生產(chǎn)訂單中涉及HB8177-22（擴(kuò)口式帶收緊螺母直角管接頭）等大規(guī)格、大變形量的組裝件產(chǎn)品，作為行業(yè)內(nèi)的主要生產(chǎn)廠家，我公司需開發(fā)出類似產(chǎn)品的收口裝配工藝方法。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu) HB8177-22產(chǎn)品是由1HB8177-22（直角管接頭）和HB8221-22（收緊螺母）通過收口組裝而成的組裝件，如圖1所示。類似的產(chǎn)品如HB8179、HB8197、HB8199等結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（2）產(chǎn)品特點(diǎn) HB8177-22等產(chǎn)品均由收緊螺母與管接頭組成，如圖1、圖2所示結(jié)構(gòu)。對于HB8177-22，需通過收口使收緊螺母上的收壓段外圓直徑由D＝38.7mm變?yōu)槠涫諌憾瓮鈭A產(chǎn)生塑性變形，變形量達(dá)4mm，引用標(biāo)準(zhǔn)HB4-48-2002（擴(kuò)口式收緊螺母組合技術(shù)要求），要求收口后應(yīng)確保直角管接頭能承受≥75kN的軸向拉脫力，同時(shí)確保圖1b所示的0.2～0.6mm間隙，使兩部件能產(chǎn)生繞軸線的相對轉(zhuǎn)動。

圖1 1HB8177-22組裝件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意

圖2 類似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意

3 模具設(shè)計(jì)

現(xiàn)以規(guī)格為22，即Dn＝22mm的HB8177-22產(chǎn)品的收口組裝模具進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和分析。

3.1 模具整體結(jié)構(gòu)及收口過程

收口模具結(jié)構(gòu)如圖3所示。其由底座、定位套、收口內(nèi)錐、壓套、定位銷、收口彈性外錐和定位支撐套共7個(gè)部件組成。A1～A6為端面。其中收口彈性外錐6是模具中的關(guān)鍵部件，在一套模具中采用了兩組（四瓣）收口彈性外錐，分別如圖4（用于第一次收口）、圖5（用于第二次收口）所示。圖4和圖5所示的收口彈性外錐6區(qū)別僅在于彈性收口段內(nèi)孔尺寸不同，圖4為φ38.7H7，圖5為φ36.8H7，其余部分及技術(shù)要求相同。

圖3 收口模具結(jié)構(gòu)

技術(shù)要求：①加工成形并經(jīng)熱處理和表面處理后，分別在兩處圖示位置用沖擊法（氣動標(biāo)記機(jī)）制工裝圖號和相同的大寫英文字母，然后再沿圖中H—H切割成對稱兩瓣，以確保同一整體分成的兩瓣有唯一相同的標(biāo)識（字深≤0.15mm，字高約2.5mm，標(biāo)識距所在面邊緣≥5mm），使用時(shí)可正確配對。②銳邊倒R0.3mm，去毛刺。③零件材料為60Si2MnA，經(jīng)淬火、回火處理后硬度為46～52HRC。④表面處理：發(fā)藍(lán)。

使用時(shí)，按以下順序進(jìn)行操作。

1）把帶有定位套2和定位支撐套7的底座1安放于壓力機(jī)或沖床的底座上。

2）通過被收口組裝的收緊螺母上的內(nèi)螺紋M33×2-6H與定位銷5的外螺紋M33×2-6h旋合，使收緊螺母端面與定位銷的A1端面接觸，從而實(shí)現(xiàn)收緊螺母在定位銷上的定位，再把帶有收緊螺母的定位銷5通過間隙配合（φ12H7/g6）裝入定位支撐套7，使其A2端面與底座1的A6端面接觸，從而實(shí)現(xiàn)收緊螺母在收口模具中的定位。

3）把圖4所示的兩瓣分體式的收口彈性外錐6通過大間隙配合（φ68H11/a9）裝入定位支撐套7，使收口彈性外錐6在收口模具中實(shí)現(xiàn)初定位。

圖4 收口彈性外錐設(shè)計(jì)（第一次收口）

4）把收口內(nèi)錐3置于收口彈性外錐6上，使其內(nèi)錐面（40°）與收口彈性外錐6上的外錐面（40°±5′）貼合，使兩瓣分體式的收口彈性外錐合為一個(gè)整體。此時(shí)，收口彈性外錐的彈性收口段內(nèi)孔（φ38.7mm）與收緊螺母外圓（φ38.7mm）貼合，使收口彈性外錐在收口模具中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

5）通過收口內(nèi)錐3上的孔（φ90.69mm），把直角管接頭通過間隙配合（φ19H12/g6）從上往下裝入定位銷5，使直角管接頭上的內(nèi)錐面（74°±15′）與定位銷5上的錐面（74°±5′）接觸，實(shí)現(xiàn)直角管接頭在收口模具中的定位。

6）通過間隙配合（φ140H7/g6）在收口內(nèi)錐3上裝上壓套4。

7）起動壓力機(jī)，通過其壓頭給壓套4施加向下壓力，帶動收口內(nèi)錐3向下移動，此時(shí)收口彈性外錐6受定位支撐套7的支撐不能向下移動，從而使收口內(nèi)錐3與收口彈性外錐6在貼合錐面（40°）處產(chǎn)生相對移動，通過錐面把收口彈性外錐所受的法向力F分解為水平的向心力F1與和垂直向下的力F2（見圖5），收口彈性外錐6受向心力F1作用，其彈性收口段產(chǎn)生向心的徑向位移，使收口前直徑（φ38.7mm）變小。當(dāng)收口內(nèi)錐3的A4端面與定位套2的A5端面接觸時(shí)，被收口部件的收緊螺母上收口段外圓直徑達(dá)到φ36.7±0.1mm（外圓直徑變小約2mm）。此為第一次收口變形。

8）從模具中先通過孔軸配合（φ140H7/g6）取出壓套4，再把收口組裝好的組件、收口內(nèi)錐、收口彈性外錐和定位銷一起從模具中取出，收口彈性外錐為兩瓣式結(jié)構(gòu)，手動使其與被收口產(chǎn)品組件分離，把帶有定位銷的被收口產(chǎn)品組件通過收口內(nèi)錐上的孔（φ90.69mm）取出。

9）換用圖5所示的收口彈性外錐和相應(yīng)的定位套后，重復(fù)以上收口過程，進(jìn)行第二次收口。使被收口產(chǎn)品組件上的收緊螺母收壓段外圓直徑再變小約1.9mm，從而使外圓直徑由D＝38.7mm變?yōu)镈1＝且單邊徑向間隙為0.2～0.6mm的要求，收口過程完成。

圖5 收口彈性外錐設(shè)計(jì)（第二次收口）

3.2 收口彈性外錐的設(shè)計(jì)

收口彈性外錐是該模具中的重要部件，其上部為彈性收口段，中部為彈性變形段，下部為支撐段。

（1）錐角的確定 收口過程受力分析如圖5所示，為保證錐面相對滑動時(shí)不發(fā)生斜面自鎖現(xiàn)象，錐角的選擇應(yīng)滿足不自鎖條件

式中，α為錐角（°）；ψ1為平面摩擦?xí)r作用在斜面上的摩擦角（°）；ψ2為平面摩擦?xí)r作用在基面上的摩擦角（°）。

該模具中的內(nèi)、外錐面的相對滑動可近似看作斜楔面作用，但此時(shí)沒有斜楔基面，故上式可改寫為

一般鋼體的接觸摩擦系數(shù)μ＝0.1～0.15，故ψ1＝arctan（0.1～0.15）≈5°43′～8°30′，則相應(yīng)的錐角α＞2ψ1≈11°～17°。在本模具中α取40°，滿足式（1）的要求。

（2）槽的尺寸驗(yàn)證 由圖4、圖5可知，共有20處外軸向未開通的槽，其中10處沿圓周對稱均布，寬度為且沿徑向開通；另外10處同樣是沿圓周均布，但寬度為（0.5±0.1）mm，且沿徑向未開通。理論上這些槽在結(jié)構(gòu)允許的情況下盡量多為宜。徑向開通的槽的寬度應(yīng)合理，過窄將不能把大圓收為小圓，過寬將會在收口后在零件表面留下較寬的軸向棱條，具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

徑向開通的槽的數(shù)量及槽寬度應(yīng)滿足如下條件

式中，n為徑向開通的槽數(shù)；b為徑向開通槽的寬度（mm）；D′為收口彈性外錐彈性收口段的孔徑尺寸（mm）；D1為收緊螺母上被收口段收后的最小直徑（mm）。

10×1.6＝16＞3.14×38.7－3.14×36.6＝6.594

經(jīng)驗(yàn)證，徑向開通的槽的數(shù)量及寬度滿足條件。

經(jīng)驗(yàn)證，徑向開通的槽的數(shù)量及寬度滿足條件。

（3）強(qiáng)度驗(yàn)證 如圖6所示，對收口彈性外錐受力進(jìn)行分析。

2）分析所受內(nèi)力，確定危險(xiǎn)截面。由于在收口時(shí)，收口彈性外錐的彈性收口段受力后產(chǎn)生彈性徑向位移，故其要產(chǎn)生彈性變形抗力，根據(jù)收口彈性外錐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及圖6a中受力分析，可把圖6a視為一端固定的懸肩梁，在外力F3＝F1－F1′的作用下對懸肩梁產(chǎn)生彎矩M（L），使模具的彈性變形段產(chǎn)生彎曲變形，如圖6b所示。有以下關(guān)系

根據(jù)收口彈性外錐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，其在工作過程中主要受到壓縮和彎曲，危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在如圖6所示的n—n截面處，其截面被寬度為（0.5±0.1）mm且沿徑向和軸向均未開通的槽分成兩部分，其截面積相對較小，受力較大。

3）應(yīng)力分析，確定危險(xiǎn)點(diǎn)。在n—n截面處所受應(yīng)力主要是在F2作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力以及在彎矩M（L）作用下在中性軸兩邊受到的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的疊加。取n—n截面上段作研究對象，應(yīng)力分布如圖6c所示。其危險(xiǎn)點(diǎn)處于n—n截面的最右邊B點(diǎn)，該點(diǎn)所受壓應(yīng)力為兩壓應(yīng)力的代數(shù)疊加，應(yīng)力最大。

建立強(qiáng)度條件并進(jìn)行驗(yàn)證，危險(xiǎn)點(diǎn)B處所受的主要應(yīng)力為壓應(yīng)力且最大，其強(qiáng)度條件為

式中，A為n—n截面的截面積（m2）；W為n—n截面的抗彎載面系數(shù)；σYmax為n—n截面B點(diǎn)的最大應(yīng)力（MPa）；[σY]為材料的許用壓應(yīng)力（MPa）。經(jīng)查資料[σY]＝1050MPa。

式（3）中的F2＝F1×tan20°＝－（F1′＋F3′）×tan20°。

被收口變形的零件材料牌號為30CrMnSiA，硬度為21～29HRC，屈服強(qiáng)度σS產(chǎn)品≥835MPa，取σS產(chǎn)品＝850MPa。則F1′＝3.14×[(38.7/2)2－(35.7/2)2]×850/10＝1.4893×104N。

因F3′＝－F3，再根據(jù)最大撓度ymax＝F3L3/3EI，則F3′＝y(tǒng)max3EI/L3＝1.05×10-3×(3×206×109×181.48×10-12)/(48×10-3)3N≈1.065×103N

把F1′、F3′代入，F(xiàn)2＝F1×tan20°＝－（F1′＋F3′）×tan20°＝(1.4893×104＋1.065×103)×0.364N≈5.809×103N；M(L)＝F3×L＝1.065×103×48×10-3N·m＝51.12N·m。

將F2與M(L)代入式（3），σYmax＝F2/A＋M（L）/W＝（5.809×103）/｛[(3.14×68×10-3)/10 －5.5×10-3]×[(78－68)×10-3/2]｝＋51.12/｛[(3.14×68)×10-3/10－5.5×10-3]×[(78－68)×10-3/2]2/6｝Pa＝8.47249559×108Pa＝847.249559MPa≤[σY]＝1050MPa。

經(jīng)分析計(jì)算可知，危險(xiǎn)載面n—n上危險(xiǎn)點(diǎn)B所受壓應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度極限，即：σYmax＝847.249559MPa＜1050MPa，故所設(shè)計(jì)收口彈性外錐滿足強(qiáng)度要求。

（4）穩(wěn)定性分析 由圖6可知，收口彈性外錐主要受壓力。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，在力F2的作用下其力學(xué)模型可視為下端固定支撐約束、上端介于固定與滑動支撐約束的壓桿，現(xiàn)就其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖6 收口彈性外錐受力分析

壓桿穩(wěn)定條件為

應(yīng)用歐拉公式分析需滿足的最小柔度λY條件為

經(jīng)計(jì)算，λ＝19.026＜λY＝43.981，故不能運(yùn)用歐拉公式計(jì)算壓桿臨界壓力（或應(yīng)力）。

綜合以上的分析討論，收口彈性外錐的柔度λ＜λY，屬于小柔度桿（短粗桿），只要n—n橫截面上的應(yīng)力滿足強(qiáng)度條件，就能保證收口彈性外錐正常工作。

4 結(jié)束語

該收口模具設(shè)計(jì)合理，使用效果良好，收口質(zhì)量穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)同一套模具對不同產(chǎn)品、同一規(guī)格的多項(xiàng)產(chǎn)品進(jìn)行收口組裝。生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品時(shí)，只需要更換收口彈性外錐即可，通用性好。