尼龍閉氣環(huán)尺寸修復(fù)裝置的設(shè)計研究

張新停,段戰(zhàn)軍,王昭晨,張福德,豆亞鋒,張文博,李朝輝,安會軍,李 凱,彭永剛

(西北工業(yè)集團,陜西 西安 710043)

尼龍閉氣環(huán)是某型號炮彈產(chǎn)品中的重要組成部件,在產(chǎn)品使用過程中起閉氣和定心作用,可以減小產(chǎn)品與炮膛間的摩擦,提高產(chǎn)品發(fā)射時的初速度,增加射程,提高射擊密集度[1]。然而,受環(huán)境濕度等各種因素的影響,該產(chǎn)品在存貯期間出現(xiàn)了一些尼龍閉氣環(huán)脹大、尺寸超差的現(xiàn)象,影響產(chǎn)品正常使用。在進行產(chǎn)品售后保障過程中,無論是將該產(chǎn)品進行返廠維修還是報廢,都會給企業(yè)和國家造成很大的經(jīng)濟損失。為解決這一產(chǎn)品售后問題,減少經(jīng)濟損失,根據(jù)現(xiàn)場使用條件設(shè)計了一種手動式修復(fù)裝置。

1 設(shè)計方案

閉氣環(huán)尺寸超差產(chǎn)品(見圖1)在進行修復(fù)時,為了保證產(chǎn)品的使用性能,要求修復(fù)過程中不能影響閉氣環(huán)外圓表面與基體的同軸度,同時要考慮產(chǎn)品裝卸的方便性以及使用現(xiàn)場不能帶電作業(yè)的現(xiàn)實情況。為此,在設(shè)計過程中,主要以機械手動操作為主,提出了以彈簧夾管為夾緊方式,以軸承帶動刀盤旋轉(zhuǎn)的設(shè)計方案。

該裝置主要由4個部分組成,分別為定位夾緊機構(gòu)、頂出機構(gòu)、刀臺機構(gòu)和底座機構(gòu)。結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

圖1 閉氣環(huán)尺寸超差產(chǎn)品圖

圖2 修復(fù)裝置結(jié)構(gòu)圖

定位夾緊機構(gòu)采用彈簧夾管自定心的夾緊方式[2],用于對產(chǎn)品進行夾緊、定位;旋轉(zhuǎn)機構(gòu)采用滾針軸承方式帶動刀臺機構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)運動,實現(xiàn)刀具的切削運動;頂出機構(gòu)采用蝸輪蝸桿和絲桿螺母副原理實現(xiàn)對產(chǎn)品的裝入與頂出功能;刀臺機構(gòu)采用專用的刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計和進給量調(diào)整設(shè)計結(jié)構(gòu),滿足產(chǎn)品不同超差量的尺寸修復(fù)要求;底座機構(gòu)用于對整個裝置進行固定和保護,滿足不同使用場所的放置需要。

該裝置使用時,將待修復(fù)產(chǎn)品放置在定位夾緊機構(gòu)[3]中,通過螺旋力對產(chǎn)品進行夾緊。采用人工手搖方式控制刀臺機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動以及刀具的進給量,完成對產(chǎn)品尺寸超差量的切削功能。修復(fù)完成后,夾緊機構(gòu)放松產(chǎn)品,通過頂出機構(gòu)將產(chǎn)品頂出修復(fù)裝置。

2 刀臺機構(gòu)設(shè)計

刀臺機構(gòu)包括刀具和刀臺,用于對夾緊后的產(chǎn)品進行尺寸修復(fù),安裝固定在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的頂部。

2.1 刀具的設(shè)計

由于閉氣環(huán)材料為尼龍[4],切削抗力較小,對刀具的耐磨性要求不高,因此,切削刀具設(shè)計時材料[5]選用高速工具鋼W18C4V,結(jié)構(gòu)上采用大刀具前后角設(shè)計,后角利于切入,大刀具前角保證切削過程鋒利。在手動切削情況下,尼龍卷屑寬度、厚度均勻,切屑厚度最薄僅為0.01 mm,最厚為1.5 mm。根據(jù)主切削力公式[6],加入材料的調(diào)節(jié)系數(shù),計算出主切削力為:

Fc=mCFcapxFcfryFcvcnFcKFc

(1)

式中,m是調(diào)節(jié)系數(shù),取結(jié)構(gòu)鋼切削力的1/7～1/6;CFc是工況系數(shù);ap是吃刀深度;xFc是吃刀深度調(diào)節(jié)指數(shù);fr是進給量;yFc是進給量調(diào)節(jié)指數(shù);vc是切削速度;nFc是切削速度調(diào)節(jié)指數(shù);KFc是修正系數(shù)。按照切槽方式原理,查表可知:CFc=2 160,xFc=1.0,yFc=1.0,nFc=0,KFc=1.0,m=1/6。

當(dāng)閉氣環(huán)寬度為10 mm時,ap=10 mm。f取最大進給量0.3 mm/r,修復(fù)直徑為150 mm,手動切削平均轉(zhuǎn)速為n=15 r/min,則

vc=πdn/1 000

=3.14×150×15/1 000

=7.07 (m/min)

取nFc=0,KFc=1.0,計算得:

Fc=mCFcapxFcfryFcvcnFcKFc

=1/6×2 160×101.0×0.31.0×7.070×1.0

=1 080 (N)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

刀臺機構(gòu)[7](見圖3)由螺桿、手輪、刀臺墊、刀臺、刀桿和刀片6部分組成。其中,刀桿的左端與刀片相連,右端與螺桿相連;螺桿的桿身通過螺紋穿過刀臺墊裝在刀臺內(nèi),另一端安裝有手輪;刀臺墊的右端與刀臺配鉆后用銷釘相連,外徑微小于手輪外徑。刀臺固定在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)套端面上。刀桿的燕尾形刀槽用螺釘將刀片固定在60°燕尾槽內(nèi),使刀片受力后緊貼于60°燕尾形刀槽面內(nèi)。

圖3 刀臺機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

通過螺釘將刀臺固定在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上,使用時手輪旋轉(zhuǎn)帶動螺桿轉(zhuǎn)動,從而推動刀桿和刀片前后移動對閉氣環(huán)進行切削。同時手輪上標(biāo)有刻度值,調(diào)整刻度確定進給量。

3 定位夾緊機構(gòu)設(shè)計

定位夾緊機構(gòu)用于對產(chǎn)品進行定位和夾緊,固定在底座機構(gòu)上,結(jié)構(gòu)如圖4所示。該機構(gòu)包括中空圓筒、夾管、推動螺圈和螺蓋手輪,通過轉(zhuǎn)動螺蓋手輪帶動推動螺圈上下移動,推動螺圈下端連接擋板形成徑向環(huán)形槽,夾管的徑向連接有擋銷,與該環(huán)形槽緊密配合,推動螺圈上下移動帶動夾管上下移動,在夾管錐面的作用下實現(xiàn)夾管的松開和夾緊。

圖4 定位夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

在夾緊機構(gòu)中,產(chǎn)品定位基面為外圓表面,定位基準為外圓中心軸線,符合“自為基準”的原則,基準不重合誤差為ΔB=0 mm,基準位移誤差為ΔY=0 mm,所以,定位誤差ΔD=ΔB+ΔY=0 (mm)。

為了保證產(chǎn)品在夾緊時省力、可靠,夾管在設(shè)計時,將夾緊錐面的錐角設(shè)計為15°。

在產(chǎn)品夾緊過程中,夾緊力由推動螺圈旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生,在螺旋運動過程中,夾緊力產(chǎn)生的摩擦力矩需要克服切削力矩。假定推動螺圈的內(nèi)螺紋與中空圓筒外螺紋摩擦面、夾管內(nèi)壁與產(chǎn)品外圓面、夾管外壁與中空圓筒內(nèi)壁之間的摩擦因數(shù)為0.1,則摩擦角φ1=φ2=φ3=5.7°,由螺旋夾緊機構(gòu)和夾管錐面夾緊機構(gòu)的工作原理[8]可得:

(2)

式中,FQ是螺蓋手輪上的原始作用力,取300 N;L是原始作用力作用點距螺蓋手輪中心的距離;α1是螺旋副的螺旋升角;α2是圓錐面錐斜角,取15°。

由式2可得:

(3)

考慮到結(jié)構(gòu)工藝性和操作方便性,操作手輪的直徑選為260 mm,遠大于式3計算結(jié)果的2倍(即35.2 mm),意味著夾緊工件時僅需要40.5 N的原始作用力即可夾緊產(chǎn)品。

4 頂出機構(gòu)設(shè)計

在產(chǎn)品的定位加緊過程中,由于夾管的圓錐面錐角為15°,具有一定的自鎖性,當(dāng)一發(fā)產(chǎn)品修復(fù)完成,松開夾緊機構(gòu)后,產(chǎn)品并不能完全從夾管中松開,為此設(shè)計了一種頂出機構(gòu)[9],采用蝸輪蝸桿機構(gòu)和絲杠螺母機構(gòu),結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 頂出機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

使用中,通過旋轉(zhuǎn)手輪帶動蝸輪蝸桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動,蝸輪蝸桿機構(gòu)的蝸桿帶動T型絲杠上下移動,T型絲杠轉(zhuǎn)動可以帶動頂杯體和頂杯座上下移動,進而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頂出機構(gòu)在底座機構(gòu)內(nèi)轉(zhuǎn)動,可帶動夾緊機構(gòu)和刀臺機構(gòu)上下移動。

由蝸輪蝸桿機構(gòu)和絲杠螺母機構(gòu)原理可知:

(4)

式中,FL是手輪上的作用力;L′是手輪上的作用半徑。

在式4中代入變量取值,得:

則FLL′≥556.56 (N·mm)

考慮到結(jié)構(gòu)工藝性和操作方便性,L′取100 mm,則手輪上的作用力FL僅需5.57 N,因此,該結(jié)構(gòu)非常省力,滿足使用設(shè)計要求。

5 底座機構(gòu)設(shè)計

底座機構(gòu)(見圖6)由上底板、遮板、支柱、支架和下底板組成。上底板、遮板、支柱和下底板均通過螺釘固定連接,形成固定結(jié)構(gòu)[10]。支架下端與下底板通過螺釘固定連接,中心與上底板同心。遮板主要用于遮擋灰塵,防止對維修的基準產(chǎn)生影響。

圖6 底座機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

底座機構(gòu)主要用于對工件進行固定、支撐。底平面上的光孔通過螺釘與固定臺面固位連接(也可在野外將底座用T型鋼釘固定于平坦地面)。

6 結(jié)語

本文根據(jù)某產(chǎn)品閉氣環(huán)尺寸超差修復(fù)要求設(shè)計了一種專用的滿足使用工況的修復(fù)裝置。目前國內(nèi)沒有類似的修復(fù)裝置。根據(jù)產(chǎn)品的修復(fù)要求,基于基準重合原則,分別對刀臺機構(gòu)、定位夾緊機構(gòu)、頂出機構(gòu)和底座機構(gòu)等重要部分進行了詳盡的設(shè)計分析。經(jīng)過現(xiàn)場測試驗證(見圖7),該裝置工作效果良好,現(xiàn)已完成兩萬余件產(chǎn)品的修復(fù)任務(wù),廣泛應(yīng)用于多個區(qū)域內(nèi)該型號炮彈的修復(fù)售后保障中,取得的價值無法估量,同時為類似產(chǎn)品修復(fù)裝置的設(shè)計提供了參考。

圖7 切削工作圖