Z1型脹緊聯(lián)結套應用存在的問題分析及應對方法

高宇飛

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院校辦工廠，陜西咸陽7l2000）

作者：高宇飛，l968年生，高級工程師，主要研究方向：磨削技術與數(shù)控機床。

Zl型脹緊聯(lián)結套或稱錐形夾緊環(huán)（以下簡稱脹套）是實現(xiàn)軸上零件安裝的常見方式，應用很廣泛。它的作用原理是通過軸向施力，使脹套內(nèi)外環(huán)產(chǎn)生軸向位移，通過本身錐度結構在徑向產(chǎn)生變形從而在徑向形成由內(nèi)向外的壓力。這種壓力在軸與脹套和脹套與被聯(lián)結件之間產(chǎn)生較大的靜摩檫力，形成摩擦力矩，以傳遞轉矩、軸向力或兩者的復合。較常見的是兩組脹套組合使用。脹套夾緊作用過程如圖l所示。

脹套聯(lián)結與鍵連接比較具有以下優(yōu)點：工藝簡單，軸上無需加工鍵槽；裝配方便，軸上位置可調(diào)整量大；對高速轉動的軸動靜平衡性好，便于維護。在實際應用中也暴露出不少的缺點。如影響聯(lián)結件工作精度、高速回轉軸平衡和維修拆卸不方便，而這些在設計中常常被忽視。

1 問題分析

1.1 實例分析

圖2為某磨床砂輪修整器金剛滾輪與主軸的連接方式示意圖。圖2a為壓蓋l預緊脹套或稱脹套消隙時的狀態(tài)。此時，被聯(lián)結件4端面M處相對于定位孔軸線的跳動值為!，是被聯(lián)結件4本身要求的精度；當脹緊套處于夾緊狀態(tài)時，由于脹套長徑比?。?.l573～0.252）、內(nèi)外孔直徑差?。? ～8 mm，單個脹環(huán)更?。?、材質(zhì)彈性大等，當軸向受力，徑向易變形。這種徑向形變并非呈規(guī)則圓柱體分布，在定位孔與軸間存在間隙時，該間隙將沿徑向被放大，出現(xiàn)如圖2b所示情況。具體表現(xiàn)為越遠離回轉中心，金剛滾輪基體端面跳動越大。金剛滾輪外圓和基體端面跳動增加了回轉（轉速5500 r/min）時的質(zhì)量不均衡性，除產(chǎn)生更強的震動外，還會使修整出的砂輪凸形截形寬度變窄，而凹形截形寬度變寬，從而影響工件精度。圖2b中M處的跳動應為

式中Xmax為被聯(lián)結件4與軸配合的實際最大間隙，W為軸與被聯(lián)結件4的配合長度；Z為M點距回轉中心的距離。

1.2 實例COSMOSX press模擬

圖3所示是軸上聯(lián)結件的建模。圖4所示為solid works的COSMOSXpress模擬脹套作用時的變形位移情況，模擬條件：

（l）被聯(lián)結件脹套安裝孔為φ40 mm×l4 mm，與脹套Zl-35 mm×40 mm×7 mm相當；

（2）均勻作用在脹套安裝孔內(nèi)壁的壓力為l00 N/mm2；

（3）約束孔（即定位孔）為φ35 mm×26 mm；

（4）聯(lián)結件材料為合金鋼。

從變形模擬結果（圖4）可以看出，當均勻施壓于孔壁時，約束孔處位移是0，脹套安裝孔口具有最大變形位移（0.026 mm），并且均勻分布于安裝脹套的孔口一周（圖中深色部分）。同時脹套安裝孔一側外圓邊沿變形也較明顯（大約0.0l8 mm），而另外一側外圓邊沿則較小。

從實際測量被聯(lián)結件在軸上的外圓跳動看，安裝脹套一側的外圓跳動大（約0.05～0.09 mm），而定位孔一側外圓跳動?。s為0.02～0.03 mm）。除了零件本身跳動外，產(chǎn)生跳動大幅增大的原因是由于脹套脹緊時的周向不均勻所致；而這種沿軸向呈錐狀分布的跳動，則與脹緊變形有關，這與模擬是一致的。

2 應對問題

從式（l）可以看出，當脹套的夾緊力在徑向分布不均衡時，就使得軸與被聯(lián)結零件實際間隙在遠離回轉中心處得以放大，使零件端面和外圓跳動增大Z；要減小脹套聯(lián)結對聯(lián)結件安裝精度的影響，除了對聯(lián)結件精度要求外，還應考慮減少由于脹套的使用帶來裝配件工作時的跳動增加，具體方法是：

（l）提高軸與被聯(lián)結件的配合精度，如滾輪安裝孔與軸的配合間隙為0.002～0.003 mm。但這種方式會增大零件加工難度，導致工藝成本增加。

（2）在結構許可的條件下，增大配合長度，盡可能減小被聯(lián)結件的直徑。圖2中結構可通過圖5所示的改進設計加以改善。圖5中，將壓蓋l與被聯(lián)結件2聯(lián)結后再一次加工出與軸配合的孔并作安裝位置標記，這種方法實質(zhì)是使定位孔的配合長度加大，該結構在實際應用中合理可行。

（3）改變脹套配置形式，如圖6所示?；趯δM效果和實際測量的認識，將原來兩組脹套用定位隔套隔開一段距離，使其位于孔的兩端，以減小脹緊套置于一側產(chǎn)生的錐形形變。

（4）增加壓緊蓋上的均布螺釘數(shù)量并使用力矩扳手交叉、均勻施力壓緊，使脹套周向脹緊力趨于均勻。實際應用證明，當采用6或8個螺釘壓緊脹套時，聯(lián)結件的徑向跳動在整個外圓上趨于一致，并有很大幅度減小。

3 應注意的問題

一個好的機構除了其功能滿足要求外，可維修性更應在設計中得到重視。Zl型脹套的拆卸也是如此。由于Zl型脹套結構的特殊性，相關標準對其拆卸未做出說明。這種特殊性在于其長徑比小、內(nèi)外徑差?。ɑ境叽缬?0 mm、25 mm到l60 mm、l78 mm，其內(nèi)外徑差值4～8 mm）、脹套內(nèi)外環(huán)有錐度，在軸向受力足夠大時會產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象（即使其錐角大于自鎖角），當壓蓋螺釘松開后，這種脹套并不會松開。如果拆卸不當會使原孔、軸表面拉傷，影響再度安裝和使用可靠性。

通過實踐表明，為了脹套既能起到夾緊作用又容易拆卸，在設計時應注意：

（l）可將軸與脹套內(nèi)孔和聯(lián)結件內(nèi)孔與脹套外圓配合選為較松的配合8H/7h，而將被聯(lián)結零件與軸的配合選為較精密的6H/5g或7H/6g；

（2）應注意軸聯(lián)結部位應有適當?shù)挠捕纫螅悦饴?lián)結處拉傷，產(chǎn)生毛刺，給維修帶來不便；

（3）適當減小聯(lián)結處軸長度，使脹套與被聯(lián)結件拆卸時軸向移動距離縮小，便于拆卸。

4 結語

脹套聯(lián)接與其他聯(lián)接一樣存在定位問題。表面上看，脹套本身是夾緊元件，但在其處于夾緊狀態(tài)時，其內(nèi)環(huán)面與軸緊密接觸，外環(huán)面與連接件內(nèi)孔緊密接觸，這時脹套起到定位作用，使原來應起定位作用的軸與被聯(lián)結零件內(nèi)孔配合部分的精度因受脹套脹緊力變形而下降或喪失，從而影響軸上零件的正常工作狀態(tài)。

脹套實際上起不到可靠定位作用。這是由脹套本身結構特點決定的，每次安裝，它的狀態(tài)都會產(chǎn)生變化。當壓蓋上螺釘壓緊時脹套的徑向變形是不規(guī)則、不均勻的，這與軸向施力的螺釘規(guī)格和個數(shù)有密切關系。

脹套的夾緊作用影響了軸上零件與軸的配合精度，使實際配合間隙趨于邊沿化從而影響被聯(lián)結件在軸上的運動精度；即使被聯(lián)結件本身精度達到了設計要求，也不能肯定被聯(lián)結后的狀態(tài)滿足設計要求。