一種收口模具的設計

陳祖芳，高雅

中國航空工業標準件制造有限責任公司 貴州貴陽 550014

1 序言

我公司接到的生產訂單中涉及HB8177-22（擴口式帶收緊螺母直角管接頭）等大規格、大變形量的組裝件產品，作為行業內的主要生產廠家，我公司需開發出類似產品的收口裝配工藝方法。

2 產品結構、特點

（1）產品結構 HB8177-22產品是由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。類似的產品如HB8179、HB8197、HB8199等結構如圖2所示。

（2）產品特點 HB8177-22等產品均由收緊螺母與管接頭組成，如圖1、圖2所示結構。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變為其收壓段外圓產生塑性變形，變形量達4mm，引用標準HB4-48-2002（擴口式收緊螺母組合技術要求），要求收口后應確保直角管接頭能承受≥75kN的軸向拉脫力，同時確保圖1b所示的0.2～0.6mm間隙，使兩部件能產生繞軸線的相對轉動。

圖1 1HB8177-22組裝件產品結構示意

圖2 類似產品結構示意

3 模具設計

現以規格為22，即Dn＝22mm的HB8177-22產品的收口組裝模具進行模具設計和分析。

3.1 模具整體結構及收口過程

收口模具結構如圖3所示。其由底座、定位套、收口內錐、壓套、定位銷、收口彈性外錐和定位支撐套共7個部件組成。A1～A6為端面。其中收口彈性外錐6是模具中的關鍵部件，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區別僅在于彈性收口段內孔尺寸不同，圖4為φ38.7H7，圖5為φ36.8H7，其余部分及技術要求相同。

圖3 收口模具結構

技術要求：①加工成形并經熱處理和表面處理后，分別在兩處圖示位置用沖擊法（氣動標記機）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識（字深≤0.15mm，字高約2.5mm，標識距所在面邊緣≥5mm），使用時可正確配對。②銳邊倒R0.3mm，去毛刺。③零件材料為60Si2MnA，經淬火、回火處理后硬度為46～52HRC。④表面處理：發藍。

使用時，按以下順序進行操作。

1）把帶有定位套2和定位支撐套7的底座1安放于壓力機或沖床的底座上。

2）通過被收口組裝的收緊螺母上的內螺紋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，從而實現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，從而實現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在收口模具中實現初定位。

圖4 收口彈性外錐設計（第一次收口）

4）把收口內錐3置于收口彈性外錐6上，使其內錐面（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整體。此時，收口彈性外錐的彈性收口段內孔（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現精準定位。

5）通過收口內錐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錐面（74°±15′）與定位銷5上的錐面（74°±5′）接觸，實現直角管接頭在收口模具中的定位。

6）通過間隙配合（φ140H7/g6）在收口內錐3上裝上壓套4。

7）起動壓力機，通過其壓頭給壓套4施加向下壓力，帶動收口內錐3向下移動，此時收口彈性外錐6受定位支撐套7的支撐不能向下移動，從而使收口內錐3與收口彈性外錐6在貼合錐面（40°）處產生相對移動，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，其彈性收口段產生向心的徑向位移，使收口前直徑（φ38.7mm）變小。當收口內錐3的A4端面與定位套2的A5端面接觸時，被收口部件的收緊螺母上收口段外圓直徑達到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構，手動使其與被收口產品組件分離，把帶有定位銷的被收口產品組件通過收口內錐上的孔（φ90.69mm）取出。

9）換用圖5所示的收口彈性外錐和相應的定位套后，重復以上收口過程，進行第二次收口。使被收口產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變為D1＝且單邊徑向間隙為0.2～0.6mm的要求，收口過程完成。

圖5 收口彈性外錐設計（第二次收口）

3.2 收口彈性外錐的設計

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不發生斜面自鎖現象，錐角的選擇應滿足不自鎖條件

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

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

一般鋼體的接觸摩擦系數μ＝0.1～0.15，故ψ1＝arctan（0.1～0.15）≈5°43′～8°30′，則相應的錐角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。理論上這些槽在結構允許的情況下盡量多為宜。徑向開通的槽的寬度應合理，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，具體設計時應綜合考慮。

徑向開通的槽的數量及槽寬度應滿足如下條件

式中，n為徑向開通的槽數；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

經驗證，徑向開通的槽的數量及寬度滿足條件。

經驗證，徑向開通的槽的數量及寬度滿足條件。

（3）強度驗證 如圖6所示，對收口彈性外錐受力進行分析。

2）分析所受內力，確定危險截面。由于在收口時，收口彈性外錐的彈性收口段受力后產生彈性徑向位移，故其要產生彈性變形抗力，根據收口彈性外錐的結構特點及圖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生彎矩M（L），使模具的彈性變形段產生彎曲變形，如圖6b所示。有以下關系

根據收口彈性外錐的結構特點和受力情況，其在工作過程中主要受到壓縮和彎曲，危險截面出現在如圖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）應力分析，確定危險點。在n—n截面處所受應力主要是在F2作用下產生的壓應力以及在彎矩M（L）作用下在中性軸兩邊受到的拉應力和壓應力的疊加。取n—n截面上段作研究對象，應力分布如圖6c所示。其危險點處于n—n截面的最右邊B點，該點所受壓應力為兩壓應力的代數疊加，應力最大。

建立強度條件并進行驗證，危險點B處所受的主要應力為壓應力且最大，其強度條件為

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；σYmax為n—n截面B點的最大應力（MPa）；[σY]為材料的許用壓應力（MPa）。經查資料[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，屈服強度σS產品≥835MPa，取σS產品＝850MPa。則F1′＝3.14×[(38.7/2)2－(35.7/2)2]×850/10＝1.4893×104N。

因F3′＝－F3，再根據最大撓度ymax＝F3L3/3EI，則F3′＝ymax3EI/L3＝1.05×10-3×(3×206×109×181.48×10-12)/(48×10-3)3N≈1.065×103N

把F1′、F3′代入，F2＝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。

經分析計算可知，危險載面n—n上危險點B所受壓應力小于材料的屈服強度極限，即：σYmax＝847.249559MPa＜1050MPa，故所設計收口彈性外錐滿足強度要求。

（4）穩定性分析 由圖6可知，收口彈性外錐主要受壓力。根據其結構，在力F2的作用下其力學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，現就其穩定性進行分析。

圖6 收口彈性外錐受力分析

壓桿穩定條件為

應用歐拉公式分析需滿足的最小柔度λY條件為

經計算，λ＝19.026＜λY＝43.981，故不能運用歐拉公式計算壓桿臨界壓力（或應力）。

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橫截面上的應力滿足強度條件，就能保證收口彈性外錐正常工作。

4 結束語

該收口模具設計合理，使用效果良好，收口質量穩定，可以實現同一套模具對不同產品、同一規格的多項產品進行收口組裝。生產不同規格的產品時，只需要更換收口彈性外錐即可，通用性好。