螺紋連接的裝配干涉及消除措施

張雄才

(武漢職業技術學院 機電工程學院，湖北 武漢 430074)

螺紋連接是機械裝配中應用最廣泛的一種連接方式。然而，在螺紋連接的設計制造及實際裝配中，由于設計精度和加工精度的原因，往往容易出現裝配干涉問題。研究如何在不增加產品成本的前提下尋求消除裝配干涉的有效措施，具有非常重要的實際意義。盡管國內已有不少關于延伸公差帶應用方面的研究，但探討在生產實際中如何推廣應用方面的文獻不多。筆者在實際應用中發現，采取延伸公差帶標注是消除螺紋連接中裝配干涉的一種有效措施。本文致力于分析螺紋連接中裝配干涉的詳細狀況，為延伸公差帶方法的推廣應用提供依據。

1 裝配干涉問題的產生

1.1 螺紋連接實例

如圖1所示為一裝配部件，其上有光孔蓋板，下面為一帶螺孔的底座。

圖1 螺紋連接圖2 兩連接件位置公差的分配

在實際生產中零件上的螺紋孔與螺釘連接通常采用一般位置度公差標注。為保證互換性裝配，此時位置度公差值Φt根據光孔與螺釘的最小間隙來確定，并平均分配在相連接的光孔與螺紋孔兩個零件上[1]。如圖2所示，保證互換性裝配的條件為：

D-d=2t

(1)

式(1)中D表示光孔直徑(最大實體狀態)，d表示螺栓直徑(最大實體狀態)，t表示光孔或螺孔軸線位置度公差。這樣，光孔和螺孔的位置度公差同時在一個相對于基準而確定的理論正確位置上，如圖3所示。

完工后的零件，只要實際軸線限制在公差帶內，即使光孔和螺栓都處于最大實體狀態，且兩孔實際軸線都處于公差帶內極限狀態，也能滿足功能要求，順利裝配。

1.2 裝配干涉情況分析

筆者在實踐中發現，當兩個連接件的光孔和螺孔的實際軸線處于位置度公差帶內某些位置時，將出現裝配干涉問題，且位置不同，干涉程度也不相同。光孔和螺孔之間軸線在公差帶內出現誤差可分成4種極限情況。理論和實踐證明：當兩孔皆為最大實體狀態時，上述4種情況產生裝配干涉的現象并不相同。接下來，本文對4種極限情況分別進行分析。

圖4 兩裝配孔在公差帶內出現誤差的極限情況

1)情況1：當上下兩孔實際軸線按相反方向平移到位置度公差帶極限位置(如圖4(a)所示)時，并不影響互換性裝配，即不會出現裝配干涉現象，如圖5所示。其順利裝配的光孔直徑的最小尺寸應為

D1=d+2t

(2)

式(2)中D1表示光孔直徑最小尺寸，計算得D1-d=2t=0.2，與(1)式相同，裝配無干涉。

圖5 兩孔軸線反向平移到極限位置時不產生裝配干涉

2)情況2：當兩孔實際軸線按相反方向傾斜到位置度公差帶極限位置(如圖4(b)所示)時，將會產生干涉，如圖6所示。其順利裝配的光孔直徑最小尺寸(D2)表示為：

(3)

式中(3)中，H1表示光孔的長度，H2表示螺孔的長度；上式由圖6(b)推導證明，過程從略。將前述裝配實例中數據代入上式，則有：

(4)

結論：發生干涉。

圖6 兩孔軸線反向傾斜到極限位置時產生裝配干涉

3)情況3：兩孔實際軸線按相同方向傾斜到位置度公差帶極限位置(如圖4(c)所示)時，也不會發生裝配干涉，如圖7所示。其順利裝配的光孔直徑最小尺寸(D3)應為：

圖7 兩孔軸線同向傾斜到極限位置時不產生裝配干涉

(5)

將前述裝配實例中數據代入(4)式則有：

(6)

結論：不發生干涉。

4)情況4：當兩孔實際軸線有一個軸線平移，另一個軸線向相反方向傾斜到位置度公差帶的極限位置(圖4(d))時，將產生干涉，如圖8所示。

圖8 兩孔軸線一個平移，一個反向傾斜到極限位置時產生裝配干涉

其順利裝配的光孔直徑最小尺寸(D4)應為：

(7)

將前述裝配實例中數據代入得：

=0.3 mm

(8)

結論：發生干涉。

由分析可知，上述4種情況中第1和第3種情況不會發生干涉，而第2和第4種情況都會產生干涉，其中第2種情況產生干涉最嚴重，對裝配最不利。

2 消除裝配干涉的一般措施

在各種機械中，螺紋連接應用十分廣泛。對于這些連接，如何保證裝配時不發生干涉是設計者必須注意的問題之一[2]。消除裝配干涉通常有兩種方法：增大間隙值和提高加工精度。

2.1 增大間隙值

如將光孔與螺栓的裝配間隙值從原設計間隙值0.2 mm增大到0.4 mm，雖然可消除裝配干涉，但往往會降低裝配精度，不能滿足功能要求。由于間隙增大，工作過程中易松動，有時也會因此導致螺母(或螺釘頭部)的支承面積減少而影響零件的連接強度等。

2.2 提高加工精度

在保證間隙值0.2 mm不變，其他參數(D，d，H1、H2等)也不改變的條件下，如果想消除裝配干涉，提高加工精度是另外一種有效的方法。如縮小位置度公差值，或在給定位置度公差的同時，再給定一較小的垂直度公差，以限制軸線的傾斜。其縮小的位置度公差t1按(3)式計算：

(9)

則有：

(10)

由式(10)可知，原設計t從0.1 mm縮小到t1=0.05 mm，達到增加公差值為0.05 mm的垂直度公差要求(如圖9)。盡管上述方法能消除裝配干涉，但要提高加工精度，無導致制造成本的增加。

圖9 提高加工精度消除裝配干涉

3 延伸公差帶消除裝配干涉

3.1 延伸公差帶概述

延伸公差帶是在位置公差中引入的一項新概念[3]。圖樣上給定的各種形位公差，如無特殊說明，則其公差帶系被測要素形體范圍內的全長，如圖10(a)所示。但在有些場合，為保證零件功能和互換性裝配，需將其公差帶的位置延伸到被測要素長度界限之外，這種延伸到被測要素長度界限之外的公差帶稱為延伸公差帶，如圖10(b)所示。延伸公差帶在位置度和對稱度中都有應用。

3.2 延伸公差帶消除裝配干涉的優點

采用延伸公差帶可既不降低裝配精度又不提高加工精度而消除裝配干涉。證明如下：

圖11 采用延伸公差帶消除裝配干涉

4 結語

針對螺紋連接在實際裝配中的裝配干涉問題，本文詳細分析了裝配干涉可能出現的不同情況，提出了采取延伸公差帶標注以消除螺紋連接中裝配干涉的方法。與傳統的增大間隙值和提高加工精度方法相比，采用延伸公差帶方法能在不降低裝配精度的情況下，有效降低產品的生產成本，對機械產品的設計與生產具有一定的實際應用價值。

[參 考 文 獻]

[1] 董桂旭，張潮春.延伸公差帶在位置公差中的應用[J].四川兵工學報，2009，30(7):130-136.

[2] 仲侗之.消除裝配干涉的最佳標注方法—延伸公差帶標注法[J].航空標準化與質量，1987 (5):45-47.

[3] 秦娉娥.延伸公差帶在位置度中的應用探討[J].機械制造，1997(12)：12-15.