伺服閥用螺紋防多余物優化設計

劉雅潔 丁宇亭

摘? 要：航天伺服系統用伺服閥為精密元件，對多余物敏感，為減少多余物隱患，文章對伺服閥用小規格螺紋進行了優化設計，減少螺紋薄弱環節，降低零件在反復裝拆過程中螺牙磨損或脫落帶來的多余物隱患，并提供了計算方法和試驗驗證。

關鍵詞：伺服閥;螺紋;防多余物;優化設計

中圖分類號：TH131.3? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0093-03

Abstract： The servo valve used in aerospace servo system is a precision component， sensitive to reminders. In order to reduce the hidden danger of superfluous matters， this paper carries out the optimization design of small-size thread used in servo valve， reduces the weak link of thread， decreases the hidden danger of superfluous matters caused by the wear or fall off of thread tooth in the process of repeated assembly and disassembly of parts， and provides the calculation method and test verification.

Keywords： servo valve; thread; anti reminder; optimization design

引言

伺服閥作為伺服系統核心元件，具有結構緊湊、尺寸精度高、結構復雜特點，因此對多余物極為敏感，在產品裝配過程中對環境潔凈度有較高要求，裝配后還需要反復沖洗以杜絕多余物隱患。由于產品調試過程中部分精密零件需要調整位置或進行整體更換，因此會采用螺紋連接方式，便于零件的裝卸。但由于受到空間限制，這些零件尺寸規格較小，多采用M2～M4的普通螺紋，無法采用結構更為強壯的梯形螺紋[1]，因此在反復拆裝時螺紋牙頂端尺寸較小部分存在脫落形成多余物的風險，導致產品發生故障。考慮到這些螺紋并不用于承載，對結構強度要求不高，本文提出一種增大螺紋牙頂強度的設計方法，并進行了螺紋失效分析和實物試驗，證明了方法的可行性，從而可減小在反復拆裝時由于螺牙頂端較薄引起掉渣進而引入多余物的可能性。

1 螺紋失效分析方法

螺紋失效模式一般有三種，分別為內螺紋拉脫、外螺紋拉脫和螺桿斷裂[2]。

內、外螺紋的承載能力取決于螺紋的剪切面積和螺紋材料的剪切強度，剪切面見圖1，其中直線為外螺紋剪切面、虛線為內螺紋剪切面。

假設螺紋拉脫的瞬間，螺紋圈上的載荷分布是均勻的，且拉伸力平行于螺紋軸線方向，忽略螺紋轉動的彎曲應力的影響。在其它情況下由彎曲導致的剪切面積減少用修正因子（c1，c2）來修正。則拉脫力

2 螺紋防多余物設計優化方法

2.1 優化方法

普通螺紋螺牙頂端部位尺寸較小，在多次反復拆裝過程中容易脫落造成多余物。為增加螺牙強度，將螺牙端面尺寸增大，即在加工外螺紋時將底徑減小，內螺紋則將底徑加大，去除螺牙頂端尺寸較小部位，降低頂端脫落掉渣的風險。螺紋的嚙合示意圖見圖2，圖中h為剩余的螺紋嚙合高度。

去除螺牙頂端后，螺紋是否可以正常使用需要進行失效分析和試驗驗證。由于螺紋規格和嚙合長度保持不變，一般不存在螺紋桿斷裂的失效模式。而由于螺紋嚙合高度發生改變，有可能會導致內、外螺紋拉脫。

2.2 案例一：某零件M4外螺紋優化分析

以材料為2Cr13的伺服閥某零件為例，見圖3。根據式（1）-（3），原零件M4×0.5外螺紋拉脫力F外=3896N，原工裝內螺紋拉脫力F內=5029N。根據式（4），螺紋桿斷裂拉力F斷=5967N，因此原尺寸螺紋主要失效模式為零件外螺紋拉脫，拉脫力約3896N。

當縮短M4外螺紋螺牙高度時，外螺牙頂端寬度會增大，同時工裝螺紋的剪切面積會隨之減小，拉脫力降低，其變化比例如圖4所示。

若想保持原螺紋失效力不變，則保證工裝拉脫力F外≥F內即可，取F外=F內時，工裝拉脫力減小為原值的77%，此時外螺紋大徑減小0.14mm，螺牙頂端寬度由原來的0.0625mm增至0.1433mm，增大2.3倍。由于此處零件配合關系為間隙配合，拆裝時螺紋并不需承受較大拉力，因此螺牙高度可進一步減小以增大螺牙頂端寬度。

2.3 案例二：某零件M3內螺紋優化分析

以材料為9Cr18的伺服閥某零件為例，其M3內螺紋主要用于將已壓入的零件拔出，所以螺紋拉脫力應大于零件過盈壓裝力。即拉脫力F應大于配合面上產生的軸向摩擦阻力f[3]。

根據式（5）、（6）可得到摩擦阻力：f=1237N，根據式（1）-（3），零件內螺紋拉脫力：F內=5752N，工裝外螺紋拉脫力：F外=3545N，工裝斷裂拉力：F斷=2849N，因此原尺寸螺紋主要失效模式為工裝斷裂，斷裂拉力為2849N。當零件內螺紋螺牙高度縮短時，螺牙頂端寬度及工裝拉脫力變化比例如圖5所示。

若想保持原螺紋失效力不變，則保證零件和工裝的拉脫力不小于螺桿斷裂拉力即可。當F外=F斷時，工裝拉脫力降為原值的80%，零件內螺紋小徑減小0.16mm，螺牙頂端寬度可由0.125mm增至0.2174mm，增大1.7倍。

若僅需保證拉脫力不小于壓裝力1237N，則工裝拉脫力可減小為原值的50%，此時零件內螺紋小徑減小0.3mm，螺牙頂端寬度可增大近3倍，但處于臨界狀態，沒有安全余量，可根據實際情況進行選擇。

3 驗證試驗

3.1 某零件M4外螺紋試驗

根據實際產品配合關系及尺寸，參見圖3，閥體試件僅加工用于與某零件配合的Φ6.4mm的通孔，零件試件僅加工外形尺寸，加工試驗件見表4。

試驗時，將零件試件（帶密封圈）裝入閥體試件，隨后拆除，拆除后經10倍放大檢驗試驗件和工裝螺紋，均未出現螺紋損壞情況，試驗可驗證優化后螺紋的有效性。

3.2 某零件M3內螺紋試驗

根據實際產品配合關系及尺寸，閥體試件加工4個Φ4mm的通孔，可與8個某零件試件過盈配合，保證過盈0.003-0.005mm，過盈長度約9mm，M3內螺紋長度不小于4mm，加工試驗件見表5。

試驗時，將某零件試件壓裝入閥體試件，隨后拆除，拆除后經10倍放大檢驗試驗件螺紋，僅壓裝力為180kgf的零件試件拆除后，拆裝工裝的螺紋輕微受損，但由于真實產品壓裝力范圍為60～170kgf，試驗結果見表6，可驗證優化后螺紋的有效性。

4 結束語

本文提出了一種防多余物的螺紋優化設計方法，通過增大螺紋牙頂強度，減少零件在反復拆裝時由于螺牙掉渣引入多余物的隱患，詳細介紹了優化方法的設計計算過程，進行了螺紋失效分析，并對優化后的螺紋進行了有效性實物試驗驗證，證明了方法的可行性。該螺紋優化方案可用于設計參考，在工程實踐之前仍需大量試驗對優化方案的可靠性進行驗證。

參考文獻：

[1]成大先.機械設計手冊（第五版）第2卷[M].北京：化學工業出版社，1994.

[2]陶俊，等.螺紋拉脫失效模式與嚙合長度關系探究[J].機械強度，2013，35（4）：526-530.

[3]孫海軍.過盈配合時壓裝力的計算[J].制造業信息化機械，

2016，43（S1）：42-44.