論裝配關(guān)系中不同硬度零部件的圓角倒角設(shè)計(jì)

王曉丹

摘 要：在裝備制造業(yè)中，裝配關(guān)系是最常見(jiàn)的零件組合方式。在裝配關(guān)系中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同硬度零部件之間的裝配配合。在進(jìn)行裝配配合零部件的圓角和倒角設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮不同硬度對(duì)倒角和圓角設(shè)計(jì)的影響。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，這一點(diǎn)經(jīng)常被人們所忽視，這種忽視往往會(huì)給產(chǎn)品的性能帶來(lái)麻煩。本文在介紹圓角倒角的常規(guī)設(shè)計(jì)考慮外，著重論述了裝配關(guān)系中不同硬度零部件的圓角倒角設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：硬度；硬度；圓角；倒角；裝配；配合關(guān)系

中圖分類號(hào)：TG306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）18-0041-02

在裝配關(guān)系中，經(jīng)常出現(xiàn)不同硬度零部件之間的裝配配合。人們?cè)谠O(shè)計(jì)零部件的時(shí)候，根據(jù)常規(guī)的設(shè)計(jì)考慮來(lái)進(jìn)行圓角和倒角的設(shè)計(jì)，往往會(huì)忽略硬度對(duì)倒角和圓角設(shè)計(jì)的影響，這就會(huì)給產(chǎn)品的性能帶來(lái)麻煩。本文除了介紹裝配關(guān)系中倒角和圓角常規(guī)設(shè)計(jì)考慮外，也對(duì)不同硬度零部件的圓角倒角設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

1 圓角和倒角的概念及區(qū)別

1.1 圓角和倒角的概念

圓角是指將工件棱角兩邊加工成的相切圓弧，在工件陽(yáng)角上加工成的圓角稱之為外圓角，在工件陰角上加工成的圓角稱之為內(nèi)圓角，內(nèi)圓角和外圓角，如下圖1所示。倒角是指將工件棱角加工成一定角度的內(nèi)斜面或者外斜面，在工件陽(yáng)角上加工成的斜面稱之為外倒角，在工件陰角上加工成的斜面稱之為內(nèi)倒角，內(nèi)倒角和外圓角，如下圖2所示。

1.2 圓角和倒角的對(duì)比

圓角和倒角在表示方法上的區(qū)別是，圓角的大小用相切圓弧的半徑來(lái)進(jìn)行表示，倒角的大小使用斜面在垂直面和水平面上的投影長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行表示，倒角也可以使用斜面在垂直面或者是水平面上的任一投影長(zhǎng)度和斜面的傾角來(lái)進(jìn)行表示。

在圓角倒角的防護(hù)性（防磕碰劃傷）方面，兩者的性能差別是，圓角形成了圓弧而倒角形成了斜面。圓角的圓弧形成后，在其起點(diǎn)或者終點(diǎn)上，都是和棱邊相切，故此過(guò)渡部位圓滑，沒(méi)有尖點(diǎn)和棱邊，不會(huì)造成對(duì)零部件的磕碰劃傷。而倒角，不管其傾斜角度的大小如何變化，斜面的兩個(gè)邊都會(huì)和零件輪廓線形成尖角，只不過(guò)這些形成的尖角角度是鈍角，不銳利而已，但是仍然可能會(huì)對(duì)其它零部件造成磕碰和劃傷。綜上所述，因?yàn)閳A角在外形上不存在尖角，所以在防護(hù)性能方面，圓角要優(yōu)于倒角。

2 圓角和倒角的作用分析

2.1 圓角和倒角用于防護(hù)的作用分析

零部件的陽(yáng)角是凸出來(lái)的，故此非常容易和外界發(fā)生接觸。在陽(yáng)角剛剛被加工出來(lái)時(shí)，在陽(yáng)角的表面會(huì)堆積有毛刺和尖角，極易造成對(duì)人員的傷害和對(duì)其它零部件的傷害。在陽(yáng)角上設(shè)置圓角或者倒角后，可以有效地消除上述毛刺，避免上述的傷害。

2.2 減少或者避免應(yīng)力集中的作用分析

零部件的陰角，往往伴隨著截面的急劇變化（如階梯軸的臺(tái)肩），會(huì)引起局部的應(yīng)力集中。這些應(yīng)力集中，在零部件進(jìn)行熱處理，機(jī)械加工，運(yùn)輸振動(dòng)，施加負(fù)載等的情況下會(huì)造成零部件陰角部位的開(kāi)裂等，影響產(chǎn)品的使用性能。為了有效地減少和消除上述的應(yīng)力集中，零部件在設(shè)計(jì)的過(guò)程中往往會(huì)在陰角的部位設(shè)置一定大小的內(nèi)圓角或內(nèi)倒角，這些內(nèi)圓角或內(nèi)倒角緩解了截面的急劇變化，可以減少或者避免應(yīng)力集中的發(fā)生。

2.3 裝配關(guān)系中導(dǎo)向的作用分析

在零部件的裝配關(guān)系中，會(huì)涉及到大量的倒角配合關(guān)系。設(shè)置倒角可以理解為人為的增加了對(duì)接時(shí)的導(dǎo)向。以軸孔的配合為例，軸的頭部設(shè)計(jì)為倒角，孔的邊沿也設(shè)置為倒角，在裝配的初期，軸的頭部和孔的頭部的配合間隙會(huì)很大，可以方便的插入孔中。軸的頭部插入孔中之后，通過(guò)微調(diào)軸和孔的同軸，即可將軸的全部送入到孔中。這樣通過(guò)倒角的設(shè)計(jì)就實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)向的功能，方便了零部件的裝配作業(yè)。

3 零部件圓角倒角設(shè)計(jì)的常規(guī)考慮

設(shè)計(jì)人員在具體的零部件設(shè)計(jì)中，除了要考慮上文中闡述的圓角倒角的區(qū)別，作用分析外，還要進(jìn)行裝配過(guò)程中零部件圓角和倒角的干涉問(wèn)題以及加工經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題的考慮。

3.1 避免圓角倒角在裝配中干涉的設(shè)計(jì)考慮

在裝配關(guān)系中最忌諱的問(wèn)題就是發(fā)生干涉，但是這個(gè)問(wèn)題也是最常見(jiàn)的問(wèn)題。同樣，在設(shè)計(jì)圓角或者倒角的時(shí)候，要能夠保證配合后圓角和倒角不會(huì)發(fā)生干涉。根據(jù)圖1和圖2中圓角和倒角的特點(diǎn)，要想保證不干涉，必須要保證外倒角和內(nèi)圓角內(nèi)倒角配合時(shí)，外倒角大于內(nèi)圓角內(nèi)倒角；必須要保證外圓角和內(nèi)圓角內(nèi)倒角配合時(shí)，外圓角大于內(nèi)圓角內(nèi)倒角。

因?yàn)橹挥羞@樣外圓角或外倒角與零部件的棱邊所形成的空間才能包容得下內(nèi)圓角或內(nèi)倒角，才不會(huì)發(fā)生干涉。

3.2 圓角倒角的加工經(jīng)濟(jì)性考慮

零部件是選用圓角還是倒角，也要考慮圓角倒角的加工經(jīng)濟(jì)性。圓角和倒角的加工可以采用切削，磨削，線切割等多種的加工方法來(lái)進(jìn)行。當(dāng)零部件為軸類，且使用普通車床時(shí)，倒角使用普通的車刀即可加工完成，圓角則需要使用專用的成型刀具來(lái)進(jìn)行加工；當(dāng)使用數(shù)控機(jī)床加工，圓角也要選用成型或者專用刀具來(lái)進(jìn)行加工，而倒角的選擇性就會(huì)更大一點(diǎn)；當(dāng)使用線切割來(lái)進(jìn)行加工的時(shí)候，圓角和倒角的加工方法基本上一致，一個(gè)鋼絲走圓弧，一個(gè)鋼絲走斜面而已。

綜上所述，倒角加工的范圍會(huì)比圓角更加的廣泛，更加容易和方便加工。因此產(chǎn)生的費(fèi)用會(huì)比倒角的小一點(diǎn)，故此，也就是說(shuō)倒角的經(jīng)濟(jì)性就比圓角的加工經(jīng)濟(jì)性高。單單就加工的經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，倒角要優(yōu)于圓角，無(wú)特殊要求時(shí)，優(yōu)先選用倒角。

4 配合關(guān)系中不同硬度零部件的圓角倒角設(shè)計(jì)

上文著重闡述了在圓角和倒角的設(shè)計(jì)中，需要考慮的常規(guī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。本節(jié)闡述的是，除了上述考慮的常規(guī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)外，不同材料零部件的硬度對(duì)倒角和圓角影響也要進(jìn)行考慮。

不同的材料有著不同的特性，比如密度，成分，硬度，電導(dǎo)率，抗氧化性，屈服強(qiáng)度等，而在圓角倒角設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的是材料的硬度。

裝配的過(guò)程中，零部件和零部件之間存在相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中雖然有倒角或者圓角作為導(dǎo)向（如項(xiàng)2.3中的論述），但是在實(shí)際的過(guò)程中會(huì)不可由于絕對(duì)的對(duì)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而傾斜是客觀存在的，所以在裝配的過(guò)程中，就會(huì)不可避免地產(chǎn)生磕碰和摩擦。

如果有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)配合零部件的硬度相差較大，就會(huì)產(chǎn)生和刀具切削相類似的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程就會(huì)造成硬度較低零部件的損傷和破壞。

在實(shí)際的應(yīng)用中，硬度相差較大的配合有鋼鐵和銅，鋼鐵和鋁，鋼鐵和鋼鐵，金屬和塑料的配合等。

以下以鋼材料零部件和銅材料零部件的配合為例來(lái)進(jìn)行闡述。

如圖3所示，軸銷1和銅襯套2之間為間隙配合。銅襯套2壓入支撐座3的內(nèi)孔中，軸銷1要能夠穿入銅襯套2的內(nèi)孔中。其中，軸銷1的硬度為合金鋼35CrMo，熱處理后其硬度達(dá)到洛氏硬度HB241-285，在其頭部設(shè)置有15°倒角，同時(shí)設(shè)置有C型溝槽；銅襯套2的硬度為鋁青銅QAL10-4-4，其硬度為HB170左右，內(nèi)孔邊緣設(shè)置有15°的倒角。

如圖4所示，當(dāng)軸銷1要穿過(guò)銅襯套2時(shí)，軸銷1的頭部就要和銅襯套的頭部相接觸，之后相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，軸銷1只要有稍微的傾斜，其頭部倒角的外邊沿和C型溝槽的邊緣就會(huì)剮蹭到銅襯套2。軸銷1比銅襯套2的硬度高很多；軸銷1頭部倒角的邊沿比較鋒銳；C型溝槽的邊沿僅做了去毛刺處理，沒(méi)有設(shè)置倒角，也比較鋒銳。這樣倒角的邊沿和C型溝槽的邊沿就形成了類似于刀具的刀尖。這兩個(gè)刀尖，在軸銷1插入銅襯套的過(guò)程中，就會(huì)造成銅襯套的剮蹭劃傷，影響產(chǎn)品的運(yùn)行性能。

在案例中，為了消除這種現(xiàn)象，采取的對(duì)策是將圖4中軸銷的倒角邊沿和C型溝槽邊沿處分別改為圓角，增加圓角后，消除了棱邊的存在。增加圓角后的軸銷，在穿過(guò)銅襯套內(nèi)孔時(shí)避免了剮蹭劃傷現(xiàn)象的產(chǎn)生。

通過(guò)這個(gè)案例說(shuō)明，雖然零部件設(shè)置了倒角，但是根據(jù)1.2中的對(duì)比分析可以知道，倒角不管其傾斜角度的大小如何變化，斜面的兩個(gè)邊都會(huì)和零件輪廓線形成尖角，只不過(guò)這些形成的尖角角度是鈍角，不銳利而已，但是仍然可能會(huì)對(duì)其它零部件造成磕碰和劃傷。在本案例的場(chǎng)合當(dāng)中，倒角所形成的鈍角雖然不銳利，但是由于與之配合的銅襯套的銅硬度比軸銷硬度軟很多，因此同樣會(huì)對(duì)其產(chǎn)生剮蹭和破壞。

綜上，當(dāng)遇到硬度差異比較大的零部件需要進(jìn)行配合時(shí)，硬度比較大的零部件要優(yōu)先考慮使用圓角，如果必須要使用倒角時(shí)，在倒角的邊緣處必須要設(shè)置圓角，只有這樣才可以避免對(duì)硬度小的零部件造成剮蹭和破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

倒角和圓角設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮其自身必須要具備的防護(hù)性，避免應(yīng)力集中，裝配導(dǎo)向，避免干涉和加工經(jīng)濟(jì)性等常規(guī)考慮外，也要考慮零部件的不同硬度對(duì)倒角和圓角設(shè)計(jì)的影響。

當(dāng)遇到硬度不同的零部件裝配時(shí)，要結(jié)合零部件硬度來(lái)進(jìn)行圓角和倒角的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的原則是，在硬度高的零部件上設(shè)置圓角或者設(shè)置倒角后在其倒角邊緣的地方設(shè)置圓角，這樣可以避免造成對(duì)硬度低零部件的剮蹭和劃傷。