高宇飛

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校辦工廠，陜西咸陽(yáng)7l2000）

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

Zl型脹緊聯(lián)結(jié)套或稱錐形夾緊環(huán)（以下簡(jiǎn)稱脹套）是實(shí)現(xiàn)軸上零件安裝的常見方式，應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)件之間產(chǎn)生較大的靜摩檫力，形成摩擦力矩，以傳遞轉(zhuǎn)矩、軸向力或兩者的復(fù)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(jié)與鍵連接比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，軸上無需加工鍵槽；裝配方便，軸上位置可調(diào)整量大；對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的軸動(dòng)靜平衡性好，便于維護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用中也暴露出不少的缺點(diǎn)。如影響聯(lián)結(jié)件工作精度、高速回轉(zhuǎn)軸平衡和維修拆卸不方便，而這些在設(shè)計(jì)中常常被忽視。

1 問題分析

1.1 實(shí)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(yù)緊脹套或稱脹套消隙時(shí)的狀態(tài)。此時(shí)，被聯(lián)結(jié)件4端面M處相對(duì)于定位孔軸線的跳動(dòng)值為!，是被聯(lián)結(jié)件4本身要求的精度；當(dāng)脹緊套處于夾緊狀態(tài)時(shí)，由于脹套長(zhǎng)徑比小（0.l573～0.252）、內(nèi)外孔直徑差小（4 ～8 mm，單個(gè)脹環(huán)更小）、材質(zhì)彈性大等，當(dāng)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(shí)，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(yuǎn)離回轉(zhuǎn)中心，金剛滾輪基體端面跳動(dòng)越大。金剛滾輪外圓和基體端面跳動(dòng)增加了回轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速5500 r/min）時(shí)的質(zhì)量不均衡性，除產(chǎn)生更強(qiáng)的震動(dòng)外，還會(huì)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(dòng)應(yīng)為

式中Xmax為被聯(lián)結(jié)件4與軸配合的實(shí)際最大間隙，W為軸與被聯(lián)結(jié)件4的配合長(zhǎng)度；Z為M點(diǎn)距回轉(zhuǎn)中心的距離。

1.2 實(shí)例COSMOSX press模擬

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

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

（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(jié)件材料為合金鋼。

從變形模擬結(jié)果（圖4）可以看出，當(dāng)均勻施壓于孔壁時(shí)，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(shí)脹套安裝孔一側(cè)外圓邊沿變形也較明顯（大約0.0l8 mm），而另外一側(cè)外圓邊沿則較小。

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

2 應(yīng)對(duì)問題

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

（l）提高軸與被聯(lián)結(jié)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(huì)增大零件加工難度，導(dǎo)致工藝成本增加。

（2）在結(jié)構(gòu)許可的條件下，增大配合長(zhǎng)度，盡可能減小被聯(lián)結(jié)件的直徑。圖2中結(jié)構(gòu)可通過圖5所示的改進(jìn)設(shè)計(jì)加以改善。圖5中，將壓蓋l與被聯(lián)結(jié)件2聯(lián)結(jié)后再一次加工出與軸配合的孔并作安裝位置標(biāo)記，這種方法實(shí)質(zhì)是使定位孔的配合長(zhǎng)度加大，該結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中合理可行。

（3）改變脹套配置形式，如圖6所示?；趯?duì)模擬效果和實(shí)際測(cè)量的認(rèn)識(shí)，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(cè)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(shí)際應(yīng)用證明，當(dāng)采用6或8個(gè)螺釘壓緊脹套時(shí)，聯(lián)結(jié)件的徑向跳動(dòng)在整個(gè)外圓上趨于一致，并有很大幅度減小。

3 應(yīng)注意的問題

一個(gè)好的機(jī)構(gòu)除了其功能滿足要求外，可維修性更應(yīng)在設(shè)計(jì)中得到重視。Zl型脹套的拆卸也是如此。由于Zl型脹套結(jié)構(gòu)的特殊性，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其拆卸未做出說明。這種特殊性在于其長(zhǎng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象（即使其錐角大于自鎖角），當(dāng)壓蓋螺釘松開后，這種脹套并不會(huì)松開。如果拆卸不當(dāng)會(huì)使原孔、軸表面拉傷，影響再度安裝和使用可靠性。

通過實(shí)踐表明，為了脹套既能起到夾緊作用又容易拆卸，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：

（l）可將軸與脹套內(nèi)孔和聯(lián)結(jié)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(jié)零件與軸的配合選為較精密的6H/5g或7H/6g；

（2）應(yīng)注意軸聯(lián)結(jié)部位應(yīng)有適當(dāng)?shù)挠捕纫螅悦饴?lián)結(jié)處拉傷，產(chǎn)生毛刺，給維修帶來不便；

（3）適當(dāng)減小聯(lián)結(jié)處軸長(zhǎng)度，使脹套與被聯(lián)結(jié)件拆卸時(shí)軸向移動(dòng)距離縮小，便于拆卸。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shí)，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(shí)脹套起到定位作用，使原來應(yīng)起定位作用的軸與被聯(lián)結(jié)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(shí)際上起不到可靠定位作用。這是由脹套本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，每次安裝，它的狀態(tài)都會(huì)產(chǎn)生變化。當(dāng)壓蓋上螺釘壓緊時(shí)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(gè)數(shù)有密切關(guān)系。

脹套的夾緊作用影響了軸上零件與軸的配合精度，使實(shí)際配合間隙趨于邊沿化從而影響被聯(lián)結(jié)件在軸上的運(yùn)動(dòng)精度；即使被聯(lián)結(jié)件本身精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，也不能肯定被聯(lián)結(jié)后的狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。