一種彈性膨脹芯軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 安徽 安慶 246003）

某公司是一家專業(yè)生產(chǎn)汽車轉(zhuǎn)向器等核心零部件的省高新技術(shù)企業(yè)，與我院為校企合作單位。該公司主要產(chǎn)品汽車轉(zhuǎn)向器系列中有一種重要的零件——球型軸襯，該零件需求量很大，月產(chǎn)量約2-3萬件。型號規(guī)格眾多，每月都有4至5種新規(guī)格產(chǎn)品被開發(fā)，從圖1可以看到，該球型軸襯雖然規(guī)格眾多，但是外形基本相似，只是部分尺寸不同。該零件整體要求精度較高，且熱處理工序復(fù)雜，特別是關(guān)鍵的球型外表面，要求尤為高，因此外表面的加工必須由數(shù)控車床完成。

圖1 球型軸襯產(chǎn)品實(shí)物圖

以其中一種球型軸襯為例，企業(yè)原先在數(shù)控車床車削外球面的過程中，是以加工好的工件圓孔內(nèi)表面定位。為了保證加工的尺寸精度，在數(shù)控車床車削外表面時(shí)采用的是剛性芯軸裝夾。主要存在以下幾個(gè)問題：（1）剛性芯軸與工件內(nèi)孔采用間隙配合，定位精度不高（2）剛性芯軸的適應(yīng)性較差，不同尺寸內(nèi)孔需要對應(yīng)不同剛性芯軸，導(dǎo)致芯軸數(shù)量過多（3）部分剛性芯軸的夾緊力不足，切削時(shí)打滑。

1.膨脹芯軸設(shè)計(jì)

為了解決以上的問題，提高生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量，我院設(shè)計(jì)了一種可更換脹簧式的膨脹芯軸。將芯軸體和脹簧分開，實(shí)現(xiàn)芯軸不換而更換脹簧的結(jié)構(gòu)，這樣可以大大的節(jié)省成本，同時(shí)也方便裝夾操作，還可以方便的在脹簧上加工出軸向定位結(jié)構(gòu)，一舉多得。

膨脹芯軸夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下：

圖2 膨脹芯軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

其工作原理如下：將芯軸體與脹簧分開，脹簧做成單獨(dú)零件，方便更換。脹簧上均勻的割開若干開口槽，芯軸體的外錐面與脹簧的內(nèi)錐面互相配合，脹簧的外圓面與球型軸襯工件的內(nèi)孔表面配合，在脹簧的左端加工出一個(gè)小的凸肩，對工件起到軸向定位的作用。芯軸體的左端有一M16的軸向螺紋孔，鎖緊M16的內(nèi)六角螺釘。

當(dāng)內(nèi)六角螺釘鎖緊的時(shí)候，其螺栓預(yù)緊力施加在圓墊圈的右端面上，同時(shí)推動脹簧沿著軸向向左移動。脹簧的內(nèi)錐面沿著芯軸體的外錐面互動，使脹簧開口端朝外漲開，從而壓緊球型軸襯零件的內(nèi)表面，使其軸向定位。

對于不同孔徑的球型軸襯工件，只需配套更換同樣外徑的脹簧即可，芯軸體、墊圈、螺釘都不用更換，十分方便。如圖3所示：

圖3 膨脹芯軸可更換脹簧示意圖

2.膨脹芯軸的靜力學(xué)分析

膨脹芯軸夾具體設(shè)計(jì)完成后，通過有限元法對其進(jìn)行靜力學(xué)分析以驗(yàn)證是否滿足生產(chǎn)的使用要求。對于設(shè)計(jì)好的膨脹芯軸，通過ANSYS Workbench的靜力學(xué)分析模塊，我們可以分析出脹簧的應(yīng)力大小，以及脹簧和工件之間的接觸壓力等等。

2.1 應(yīng)力分析

對膨脹芯軸夾具體關(guān)鍵部件進(jìn)行應(yīng)力分析，以判斷主要的設(shè)計(jì)部件是否滿足許用應(yīng)力的要求。從脹套的應(yīng)力云圖中可以看到，脹套的應(yīng)力最大值為151.66MPa。芯軸體對錐套的擠壓作用應(yīng)力集中在脹套開口段最左側(cè)。左端開口處內(nèi)表面為脹套與芯軸錐面的接觸面，開口處外表面為脹套與球型軸襯的接觸面，這兩處恰好是應(yīng)力最集中的地方，而脹套的右端在徑向基本不受外力作用，所以結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

圖4 脹套應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖上看到，錐套在收到外力作用后，開口處發(fā)生了變形，實(shí)際使用時(shí)要求當(dāng)外力撤去后，脹套能回復(fù)原形，這就要求脹套只能發(fā)生彈性變形。已知脹套的材料為65Mn，查材料手冊可以得到，65Mn的屈服強(qiáng)度為σs=430MPa，考慮到脹套使用壽命，疲勞強(qiáng)度，以及可靠性的要求，取安全系數(shù)為 k=1.5，則脹套的許用應(yīng)力[σ]=σs/k=287MPa。脹套受到的最大應(yīng)力為151.66MPa,小于[σ]，所以該脹套在使用時(shí)不會發(fā)生塑性變形，外力撤去后，可以回彈，滿足使用的要求。

2.2 接觸面壓力分析

圖5 接觸面壓力云圖

從接觸面壓力云圖上可以看出，脹簧和球型軸襯的摩擦應(yīng)力和接觸應(yīng)力都發(fā)生在接觸面上，脹簧的最大摩擦應(yīng)力為47.2MPa，最大接觸應(yīng)力為297.3MPa，球型軸襯的最大摩擦應(yīng)力為7.8MPa，最大接觸應(yīng)力為54MPa。而54MPa的接觸應(yīng)力完全可以保證將球型軸襯夾緊，車削時(shí)不會打滑。

3.膨脹芯軸夾具使用效果

通過對膨脹芯軸夾具的靜力學(xué)分析，驗(yàn)證了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理可行的，我們對膨脹芯軸夾具的實(shí)際使用過程進(jìn)行了測試。

加工時(shí)，將工件套入脹簧，并緊靠住脹簧左端的凸肩，然后鎖緊內(nèi)六角螺栓，使脹簧將工件緊緊夾住，開始進(jìn)行車削加工。加工完成后只要松開內(nèi)六角螺栓，不需要將螺栓完全擰下，就可以將工件拆下，再套上下一個(gè)工件即可開始再次加工。如果要加工不同的球型軸襯工件，只需要更換脹簧即可，無需拆卸芯軸體。

當(dāng)車削時(shí)的切削深度為2mm時(shí)，膨脹芯軸夾具體也能夾緊工件，車削時(shí)沒有出現(xiàn)任何打滑的情況，車削非常的順暢，說明膨脹芯軸夾具體的夾緊力滿足車削的要求。經(jīng)測量，最終加工出的產(chǎn)品尺寸精度也符合要求。