倒齒型防松螺母的設(shè)計與增材制造

何棟軍 萬泉 趙一凡

摘要：增材制造，即3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過粉末狀金屬或塑料等可粘合材料來逐層打印的新型構(gòu)造物體技術(shù)。直至今日，增材制造技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了30年的長足發(fā)展，增材制造的應(yīng)用已經(jīng)觸及了各行各業(yè)。增材制造技術(shù)高精度、節(jié)約材料的特點(diǎn)深受制造業(yè)的喜愛。本文設(shè)計了倒齒型防松螺母，針對傳統(tǒng)方式制造倒齒型防松螺母的不足，提出將金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用于倒齒型防松螺母制造。

關(guān)鍵詞：倒齒型防松螺母;設(shè)計;增材制造

1倒齒型防松螺母的設(shè)計

倒齒型防松螺母是有別于市面上傳統(tǒng)的防松螺母，它不依靠摩擦力來進(jìn)行自鎖，而是使用結(jié)構(gòu)性防松，使防松效果更加顯著牢靠，螺母的壽命也大大提高。倒齒型防松螺母的主要工作原理如圖一所示。倒齒型防松螺母主要是在唐氏螺母的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，在緊縮螺母上增加了彈片，如圖二所示。在緊固螺母上增加了凹狀的倒齒可以使螺母成功松脫，彈片的高度大于倒齒內(nèi)凹的深度，如圖三所示。

在進(jìn)行裝配時，兩只螺母的旋向相反，如圖四所示。使用時先將緊固螺母進(jìn)行預(yù)緊，之后再預(yù)緊緊縮螺母。由于預(yù)緊的方向相反，所以兩螺母中任意螺母有松動的跡象，另一螺母就會起到牽制的作用，致使兩螺母無法旋動。

當(dāng)螺母需要松開時，因彈片的高度大于倒齒內(nèi)凹的深度，兩螺母間會有一定的間隙，松脫螺母只要用一根細(xì)鋼絲嵌入縫隙中，勒緊緊縮螺母具有彈性的彈片，緊縮螺母即可旋出，螺母松開。

2 金屬增材制造倒齒型防松螺母

2.1 金屬增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

金屬增材制造技術(shù)作為一種新興生產(chǎn)技術(shù)倍受著生產(chǎn)商們的期待與關(guān)注。近些年，全球?qū)饘僭霾闹圃旒夹g(shù)的研究在不斷的推進(jìn)，使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品的精度也在逐步提高。歐美地區(qū)在金屬增材制造設(shè)備和材料方面都走在了世界的前列，其他國家也在該領(lǐng)域進(jìn)行了重點(diǎn)投入和研究。目前，金屬增材制造機(jī)的設(shè)備和材料的銷售額在全世界已經(jīng)到達(dá)了3億美元，并且這一數(shù)據(jù)還在不斷地攀升，預(yù)計到2020年，有關(guān)金屬增材制造技術(shù)的產(chǎn)值將達(dá)到12-21億美元。

金屬增材制造所使用的技術(shù)也多種多樣，主要可以分為五種，分別為：選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)、直接金屬粉末激光燒結(jié)（DMLS）、選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)、激光近凈成形（LENS）技術(shù)和電子束選區(qū)熔化（EBSM）技術(shù)。這些金屬增材制造技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，還處于不斷地完善的過程中。但相較于傳統(tǒng)制造方式，金屬增材制造技術(shù)優(yōu)勢明顯，市場前景廣闊。主要的優(yōu)越性表現(xiàn)在：（1）簡化了制造工序，在生產(chǎn)一些復(fù)雜的零件時，金屬增材制造技術(shù)不需要像傳統(tǒng)方法那樣通過多道工序進(jìn)行生產(chǎn)制造，增材制造技術(shù)可以根據(jù)所建3D模型直接獲得終端產(chǎn)品;（2）無需設(shè)計和構(gòu)造支持部件，可以由固體粉材床支撐;（3）制造速度快，利用3d軟件建立好模型之后就可以進(jìn)行快速生產(chǎn);（4）節(jié)約材料，金屬增材制造是通過熔化或者燒結(jié)金屬粉末進(jìn)行逐層疊加方式來制造零件的，不會像傳統(tǒng)方式一樣產(chǎn)生大量的邊角料。

2.2傳統(tǒng)方式制造倒齒型防松螺母的難點(diǎn)

在倒齒型防松螺母的制造上，相較于其他螺母，倒齒型防松螺母多了彈片與棘齒，提高了螺母加工的難度。傳統(tǒng)制造螺母的流程為：冷鐓、熱打、機(jī)加工，在生產(chǎn)倒齒型防松螺母時，機(jī)加工會顯得較為復(fù)雜，需要銑出彈片與棘齒，而且銑出彈片后，還需要對其進(jìn)行熱處理來增加彈片的彈性。由于彈片的材料與螺母的材料一致，因此在螺母選材上也有所要求，選用的材料既要保證螺母的硬度要高，又要保證彈片的彈性要強(qiáng)。由此可見，使用傳統(tǒng)工藝來制作倒齒型防松螺母的難度較大。

2.3 金屬增材制造技術(shù)制造倒齒型防松螺母

對于上述傳統(tǒng)方式制造倒齒型防松螺母的不足，利用金屬增材制造技術(shù)可以完美解決。在制造時，制造者可以預(yù)先建立好倒齒型防松螺母的模型，金屬增材制造機(jī)可以根據(jù)3D軟件設(shè)計好的模型直接打印出成品，無需通過反復(fù)的車銑來加工出螺母的彈片和棘齒結(jié)構(gòu)。針對使用傳統(tǒng)工藝制造出的倒齒型防松螺母彈片與螺母主體材料相同，而無法兼顧主體強(qiáng)硬度和彈片彈性的問題。金屬增材制造技術(shù)將通過增材制造的方式來解決，分別使用兩種不同的金屬材質(zhì)來制造螺母主體和螺母彈片。主體進(jìn)行增材制造，可以選用諸如碳鋼，不銹鋼和銅等材料進(jìn)行打印;當(dāng)打印到彈片部位時，則可以將材料更換為碳素彈簧鋼，合金彈簧鋼等韌性強(qiáng)的材料。最后，只要對打印出來的螺母進(jìn)行拋光處理即可。

3 結(jié)論

金屬增材制造技術(shù)應(yīng)用于倒齒型防松螺母的制造中，可以大大的縮減制造倒齒型防松螺母的工序，從而提高生產(chǎn)的產(chǎn)量。除此之外，金屬增材制造減少了材料損耗的同時還增加了螺母的性能，達(dá)到了螺母設(shè)計時所提出的要求。

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