圓柱管螺紋絲錐夾套的設計與有限元分析*

步 斌，李春花，步躍躍，胡振南

(兗礦集團 機電設備制造廠，山東 鄒城 273500)

1 引言

為了保證液壓系統的清潔、延長液壓元件的使用壽命，掘進機所有圓錐管螺紋全部改為圓柱管螺紋。但圓柱管螺紋絲錐屬于手用絲錐，與機用標準絲錐結構不同，無法直接在鉆床使用［1］。

以前車間采用方法:①先加工完圓柱管螺紋絲孔的端面，在鉆床鉆出底孔，然后采用人工攻絲，該方法不能保證絲孔與端面的垂直度，導致裝配后出現漏、滲油現象;②另一種方法是將機用標準絲錐的柄部截取下來，與圓柱管螺紋絲錐焊接在一起，以此實現機動攻絲。由于焊接時不能保證絲錐柄部與圓柱管螺紋絲錐的同軸度，導致攻絲效果不甚理想，許多絲孔裝配后出現滲油現象。而且每個焊接絲錐加工4～7個絲孔后，就不能再使用，增加生產成本。

為解決以上問題，設計研究了具有過載保護功能的絲錐夾套。該夾套實現了圓柱管螺紋絲錐在鉆床上的安裝，方便掘進機圓柱螺紋在機床上的加工。下面將詳細介紹該夾套的結構組成、工作原理及關鍵零部件的強度校核。

2 圓柱管螺紋絲錐夾套柄部的結構設計

在了解了各種(包括標準、非標準、細牙、英制、圓錐管螺紋、圓柱管螺紋)絲錐的外部結構后，發現同規格的圓柱管螺紋絲錐柄部結構不同于其他相同規格的絲錐的柄部結構［2-3］。不同廠家生產的圓柱管螺紋絲錐柄部尺寸也各不相同，根據車間使用情況選用上海工具廠生產的圓柱管螺紋絲錐，做為圓柱管螺紋絲錐夾套的設計對象。

標準絲錐夾套設有過載保護機構，攻絲異常時，可保護絲錐不異常受力。為了保留這一優點，設計能將圓柱管螺紋絲錐應用于鉆床的具有過載保護功能的絲錐夾套。設計出圓柱管螺紋絲錐夾套的柄部，它與鉆床的過載保護裝置聯接，起到傳遞扭矩和過載保護的作用，如圖1所示。

3 圓柱管螺紋絲錐夾套旋轉盤的結構設計

按照傳統方式，每種絲錐都制作一個夾套，會造成制作成本太大，且也不便于使用。本次設計一種旋轉盤結構，可以實現同一夾具下多種刀具的裝夾。

旋轉盤的結構如圖2所示，旋轉盤與夾套體之間通過銷軸聯接，并由鋼球、彈簧和旋轉盤側面定位孔，來實現旋轉盤的轉動、定位以及保證絲錐的形位公差。旋轉盤的周圈可以制作多個不同尺寸的絲錐安裝孔，每個絲錐安裝孔的底面都設計頂絲孔，用于緊定絲錐［4］。由于旋轉盤中部先加工出Φ20的銷軸孔，這樣通過線切割的方法便可以加工出周圈的絲錐安裝孔，不需要再制作沖模，大大降低了制作成本。我們將常用的絲錐規格合并到兩套旋轉盤上，G1/2″及以下為一套，G1/2"以上的為一套，便于過載保護裝置最大扭矩的調整。

圖2 旋轉盤結構圖

1 圓柱管螺紋絲錐夾套柄部示意圖

4 圓柱管螺紋絲錐夾套鎖緊結構設計

旋轉盤與夾具柄部通過銷軸連接，沒有約束情況下，旋轉盤繞銷軸轉動。但在在夾具使用中，要求旋轉盤與夾具柄部固結一起，不能產生相對移動。本次設計鎖緊結構，如圖3所示，其夾緊方式是利用鋼珠與旋轉盤限位處的凹槽配合，當鎖緊螺釘向下旋轉時，壓緊彈簧會使鋼珠緊卡在旋轉盤凹槽內，使旋轉盤不能移動并且與夾具柄部固定。當需要轉動旋轉盤時，向上旋轉鎖緊螺釘，轉動旋轉盤，將鋼珠頂起，直到下一限位凹槽，鋼珠落下。

圖3 夾套鎖緊結構圖

5 圓柱管螺紋絲錐夾套的工作原理

圖4所示是圓柱管螺紋絲錐夾套，主要有三大部分組成夾套柄1，鎖緊結構，旋轉盤6。先將夾套按照圖示裝配起來，向下旋緊鎖緊螺釘，使壓縮彈簧將鋼珠卡在旋轉盤限位凹槽內，固定旋轉盤。然后將夾套安裝在鉆床上。選用合適的圓柱管螺紋絲錐，安裝在旋轉盤的安裝孔內，并旋緊鎖緊螺釘7，固定住絲錐。接下來按照正常的鉆床工作程序完成攻絲［5］。

圖4 圓柱管螺紋絲錐夾套總裝圖

當需要更換絲錐時，切斷鉆床電源，旋出鎖緊螺釘7，退出絲錐。向上旋轉鎖緊螺釘2，轉動旋轉盤，直到所需的安裝孔，并擰緊鎖緊螺釘。再重復之前的操作，固定好絲錐。

6 圓錐管螺紋夾套柄部有限元分析

6.1 模型建立

采用三維繪圖軟件Pro/E繪制單個飛輪結構的三維模型圖。由于ANSYS與Pro/E的兼容性，可將三維模型圖保存為prt的零件格式，直接導入到ANSYS軟件中［6］。為減少網格劃分的難度和總體分析時的時間，在繪制實體模型時可以進行簡化處理，三維建模時對圓錐管螺紋夾套柄小的圓角和倒角簡化為直角。

6.2 材料屬性編輯及網格劃分

夾套柄部材料為40 Cr，具體材料物理參數值如表1所示。根據材料屬性可以在分析軟件中對設置前處理階段的彈性模量、泊松比等參數。設定參數之后對三維模型進行網格劃分。

表1 材料屬性

圓錐管螺紋夾套柄部的結構比較簡單可以采用ANSYS軟件自帶的網格劃分模式，網格劃分之后如圖5所示，網格單元排列較整齊，基本為六面體八節點單元。

圖5 網格劃分圖

6.3 求解分析

對圓錐管螺紋夾套的柄部凹槽處施加約束，限制夾套的移動。在夾套與銷軸連接處施加載荷。求解得到圓錐管螺紋夾套柄部的等效應力分布云圖，如圖6所示。結果顯示最大應力位置出現在夾套柄部與機床連接處，最大應力為230 MPa。

圖6 等效應力云圖

對于材料為40 Cr的夾套的屈服強度為785 MPa，經過有限元分析可知所設計圓錐管螺紋夾套柄部結構完全滿足強度要求。

7 結語

圓柱管螺紋絲錐夾套制作完成后，經過實際使用，完全達到了設計要求和預期目的。一件絲錐可以加工100個左右的絲孔，使絲錐的使用壽命發揮到極致，大大提高了生產效率，且保證了圓柱管螺紋的攻絲質量，避免了掘進機因絲孔加工不合格而引起的漏、滲油現象，進一步保證了掘進機的整機質量。

［1］ 王啟平.機床夾具設計［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2005.

［2］ 舒玉斌.數控車床攻絲夾具的設計［J］.機械制造，2004(4):73.

［3］ 高金華.一種安全快速的機動攻絲夾具的設計與應用［J］.機械工程與自化，2012(2):152-153.

［4］ 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［5］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［6］ 鄧凡平.ANSYS12有限元分析自學手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2011.