基于公稱直徑8 mm圓錐銷拆卸專用工具的設計

王俊鵬 彭 碩 黎良坤 郭利軍 韓 輝

(湖北中煙工業有限責任公司紅安卷煙廠，湖北 紅安 438400)

機械為實現其設定功能，需要各執行件按預定設計有序進行動作。為保證執行件動作精準，并便于相關部件的拆裝，現有技術中較多采用圓錐銷進行定位。圓錐銷主要用于連接中的定位，常安裝于需要頻繁拆卸部位。圓錐銷具有1∶50的錐度，具有良好的自鎖性，具有安裝拆卸方便的優點。目前使用的圓錐銷有圓頭圓錐銷、內螺紋圓錐銷、螺尾圓錐銷等幾種。其中，內螺紋圓錐銷和螺尾圓錐銷一般直徑較小，自鎖力也小，目前已有專用拔銷器可以取出。本文所述的圓錐銷為圓頭圓錐銷，其兩頭均為半球形，在實際使用過程中，其拆卸主要靠人工采用手錘配合沖棒直接沖擊，由于圓錐銷良好的自鎖性，所以需要的初始沖擊力也極大，但解除自鎖后對于沖棒的阻力約等于0。解鎖后阻力無限接近于0，使圓錐銷享有拆卸方便的美譽，但拆卸它時所需要的極大的初始沖擊力也讓不少人嘗到了苦頭，因拆卸工具不稱手將圓錐銷砸變形、手錘傷手、圓錐銷沖飛設備內不易查找的現象時有發生。

圓錐銷拆卸工具是利用合理的機械結構和機械特性，采用科學的方法，簡化圓錐銷拆卸流程和步驟，降低其拆卸難度和安全風險的一組特定零件的組合，是機械維修工提高維修效率的利器。通常為了便于圓錐銷的拆卸操作，圓錐銷拆卸工具能夠快速地與圓錐銷找正并緊密接觸，定位精準且不易發生位移，便于拆卸做功所施加的沖擊力，能無損耗地直接作用于圓錐銷，用于對圓錐銷的解鎖，實現安全高效拆卸，減少維修時間，降低維修成本。研究擬以安裝于設備內狹小空間中軸類零件上的圓錐銷為例，設計一種基于公稱直徑8 mm圓錐銷拆卸專用工具，在能快速拆卸安裝于設備內狹小空間中軸類零件上的圓錐銷的同時，該工具還具有結構簡單、安全高效、適應性強、可控性高等特點，能較好地解決安裝于設備內狹小空間中軸類零件上的普通圓錐銷的拆卸難題，極大地提升維修效率和維修舒適度。

1 圓錐銷結構、材料及解鎖力分析

1.1 圓錐銷結構及材料

銷主要是用來固定零件之間的相對位置，也用于軸或轂的聯接或者其它零件的聯接，并可傳遞不大的載荷，還可以作為安全裝置中的過載剪切元件[1]。圓錐銷國家標準為GB/T 117-2000，錐度為1∶50。按加工方法分為A型和B型，A型為磨削加工，錐面表面粗糙度Ra=0.8 μm；B型為切削或冷鐓加工，錐面表面粗糙度Ra=3.2 μm。其圖紙如圖1所示。

圖1 圓錐銷(GB/T117-2000)工藝圖紙

圖中：

a—端部球面高度

d—小頭公稱直徑

l—公稱長度尺寸

r1—小頭倒圓半徑

r2—大頭倒圓半徑

其公稱直徑a有0.6、0.8、1、1.2、…30、40、50等20種規格，其公稱長度根據不同公稱直徑規定了不同的長度取值，主要用2、3、4、5、6、…160、180、200等37種長度規格，其技術條件和引用標準如表1所示。

其標記方法按GB/T 1337規定。其公稱直徑d為6 mm、公稱長度l為30 mm、材料為35鋼、熱處理到達諾氏硬度28～38HRC、表面氧化處理的A型圓錐銷的標記為：銷GB/T 117 6×30[2]。

應用在該款圓錐銷拆卸專用工具的圓錐銷的規格為：銷GB/T 117 8×100，是公稱直徑d為8mm、公稱長度l為100mm、材料為45鋼、熱處理硬度38～46HRC、表面不經處理的A型圓錐銷。

1.2 圓錐銷的解鎖力分析

當物體受到靜摩擦力作用導致靜止時，用外力試圖使這個物體運動時，外力不斷增大，而此物體也被擠壓得更緊，極不容易運動，即最大靜摩擦力的保護能力越強，這種現象叫自鎖現象。而自鎖現象出現是因為達到自鎖條件時，最大靜摩擦力易出現隨外力增大進而同比例遞增[3]。如圖2所示，常用圓錐銷主要有普通圓錐銷、螺尾圓錐銷、內螺紋圓錐銷等幾種。而內螺尾圓錐銷和螺紋圓錐銷通常直徑較小，因此自鎖力也較小，可以用專用拔銷器取出。但是普通圓錐銷兩頭都是半球形，并未發現市面上有能較好解決此問題的圓錐銷拆卸工具。

2 圓錐銷拆卸專用工具結構設計

針對GD包裝機普通圓錐銷拆卸專用工具相關技術要求，對圓柱銷拆卸工具設計結構如圖2所示，本專用工具主要有導向座和放在導向座內部的沖頭，而導向座的外端安裝著彈力帶與掛鉤，彈力帶的末端安裝著扣環與配重塊。前面所述導向座內壁結構為筒狀，且內壁上設計了導向止退槽，座底部配置有底座。其中，沖頭外壁上設計了與導向止退槽相對應的導向止退塊，并將沖擊延長桿安裝到沖頭的尾端，沖頭和沖擊延長桿之間可以通過螺紋連接，沖頭是通過硬質合金材料加工而成。為了方便于扣環及掛鉤的扣合，為專用工具設計了一根鉤形的拉桿。通過在延長桿上設置有沖擊導桿，沖擊導桿下設置有受力臺，并在沖擊導桿上套設置有沖塊。

圖2 GD包裝機普通圓錐銷拆卸專用工具結構示意圖

需對普通圓柱銷展開拆卸時，如圖3所示，取長度合適的沖擊延長桿安裝在沖頭上，并將沖擊導桿安裝在延長桿尾部上，將包括導向座、沖頭、彈力帶的組合件安裝在軸上的固定工件上，其中導向座內孔和普通圓錐銷對準，而彈力帶可繞過固定工件，配重塊的作用會導致彈力帶繞過工件后并垂直向下慢慢伸出，鉤形拉桿會拉住彈力帶末端扣環，并將其扣于導向座外端掛鉤之上，以此完成專用工具的固定，最后沿沖擊導桿由尾向前用力滑沖沖塊可完成圓錐銷的拆卸工作。

1-導向座；2-沖頭；3-沖擊延長桿；4-彈力帶；5-導向止退槽；6-導向止退塊；7-配重塊；8-扣環；9-鉤形拉桿；10-掛鉤；11-底座；12-沖擊導桿；13-沖塊；14-軸；15-軸上固定工件；16-普通圓錐銷。圖3 GD包裝機普通圓錐銷拆卸專用工具工作示意圖

3 圓錐銷卸力分析[2]

圓錐銷與設備本體的配合屬于圓錐面過盈配合。圓錐面過盈聯接是利用包容件與被包容件相對軸向位移壓緊裝配來獲得過盈結合的。由于圓錐面過盈聯接的壓合距離短，裝拆方便，且裝拆時配合表面不易被擦傷，故可用于多次裝拆的場合。圓錐面過盈聯接的計算與圓柱面基本相同。

圓柱面過盈聯接的計算假設：零件的應變在彈性范圍內；被聯接件是兩個等長圓筒，其配合面的壓強均勻分布；包容件與被包容件處于平面應力狀態；材料彈性模量為常數。對于圓錐面過盈聯接的計算，配合面直徑以圓錐面的平均直徑dm計算，過盈量δ由軸向壓入量s保證。

圓柱面過盈聯接的拉出力計算[1]：

拉出(壓力)力PXe=(1.3～1.5)PXi

(1)

壓入力PXi=[Pfmax]πdflfμ

(2)

其中，df為結合直徑；lf為結合長度；μ為鋼-鋁摩擦系數；[Pfmax]為結合件的最大許用應力。

判斷圓錐銷是否能順利拆卸，主要是對比圓錐銷取出所需拉出(壓出)力與配合面的徑向壓力，如拉出(壓出)力大于配合面的徑向壓力，即可拆出圓錐銷，否則圓錐銷不能取出。

(鋼-鋁摩擦系數：無潤滑0.17，有潤滑0.02)

3.1 圓錐銷結合面承受最大單位壓力(單位：N/mm2)

結合面承受最大單位壓力計算：

[Pfmax]=δmax÷{df[(Ca÷Ea)+(Ci÷Ei)]}

(3)

其中，δmax為最大過盈量；Ca、Ci是系數；Ea、Ei分別是包容件與被包容件的彈性模量。

系數Ca、Ci計算：

Ca=(d2a+d2f)÷(d2f-d2a)+V

(4)

Ci=(d2i+d2f)÷(d2f-d2i)-V

(5)

其中，da、di分別表示包容件外徑和被包容件內徑，V為泊松系數。

假設設備材料為鋁合金，圓錐銷為鋼，則彈性模量、松柏系數如下：

材料彈性模量E松柏系數V鋁合金700.33鋼2100.26

3.2 圓錐銷規格選型

圓錐銷規格參考GB/T 117-2000，取常規圓錐銷φ20算出小端直徑。小端直徑計算：

(D1-D2)∶L=1∶50

(6)

其中，D1為大端半徑，D2為小端半徑，L為長度。

規格大端直徑長度小端直徑φ20*40dmax=20 mm;dmin=19.916 mm;40 mmdmax=18.40 mm;dmin=18.316 mm;

3.3 圓錐銷孔的分析

圓錐銷孔在加工時，過盈配合是通過對應型號的鉸刀來實現，因此對應《錐柄機用1∶50錐度銷子鉸刀(GB/T 20332-2006)》中鉸刀尺寸，不考慮其公差。

3.4 圓錐銷的力分析

設圓錐銷為標準尺寸，圓錐銷孔為圓錐銷最小直徑，無潤滑狀態下，結合件的最大許應力也分兩段計算，將相關參數代入?？傻忙?0*40的圓錐銷Pfmax=6.56 MPa，則Pxi=[Pfmax]πdflfμ=2802.85 N，故Pxe=(1.3～1.5)Pxi=3643.70 N～4204.28 N。

3.5 圓錐銷專用拆卸工具選材分析

由上可知，要取出φ20*40的圓錐銷，大約需要施加3643.70N以上的拉力。

在充分考慮彈力帶的彈性系數及沖頭的質量后，同時考慮沖頭屈服強度及硬度，選取45#鋼淬火后回火處理，保證沖頭良好的機械性能及表面硬度要求。即可輕松、快速取出圓錐銷。

4 仿真分析

通過上述改進，能有效防止GD包裝機組普通圓錐銷拆卸過程中手錘滑脫傷手、沖棒與銷銷未對準錐銷產生沖擊變形、沖棒從錐銷上滑脫沖傷零件、錐銷落入機器內部不易尋找等現象。拆卸時間得到有效減少，維修效率大幅提升。

通過Solidworks三維軟件對其進行仿真分析，在其受力情況下進行受力分析，發現該材質下的沖塊、導桿、沖頭等零件均未發生變形情況。如圖4，紅色為受力集中易變形；顏色偏深藍，受力后越不容易變形。因此此設計受力合理，結構合理。

圖4 圓錐銷專用拆卸工具受力分析

5 結論

通過上述改進，能有效防止GD包裝機組普通圓錐銷拆卸過程中手錘滑脫傷手、沖棒與銷銷未對準錐銷產生沖擊變形、沖棒從錐銷上滑脫沖傷零件、錐銷沖出后錐銷落入機器內部不易尋找等現象。拆卸時間得到有效減少，維修效率大幅提升。

下表是GD包裝機圓錐銷拆卸專用工具應用前后維修數據的對比分析：

表2 GD包裝機圓錐銷拆卸專用工具應用前后維修數據對比

從圖5可看出，GD包裝機普通圓錐銷拆卸專用工具改善效果明顯，得到了包裝維修工和車間領導的一致認可，該工具已在車間GD包裝機維修過程中廣泛應用。

圖5 GD包裝機普通圓錐銷拆卸專用工具改善效果