伺服閥作為伺服系統(tǒng)核心元件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜特點(diǎn)，因此對(duì)多余物極為敏感，在產(chǎn)品裝配過(guò)程中對(duì)環(huán)境潔凈度有較高要求，裝配后還需要反復(fù)沖洗以杜絕多余物隱患。由于產(chǎn)品調(diào)試過(guò)程中部分精密零件需要調(diào)整位置或進(jìn)行整體更換，因此會(huì)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(guī)格較小，多采用M2～M4的普通螺紋，無(wú)法采用結(jié)構(gòu)更為強(qiáng)壯的梯形螺紋[1]，因此在反復(fù)拆裝時(shí)螺紋牙頂端尺寸較小部分存在脫落形成多余物的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生故障。考慮到這些螺紋并不用于承載，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求不高，本文提出一種增大螺紋牙頂強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了螺紋失效分析和實(shí)物試驗(yàn)，證明了方法的可行性，從而可減小在反復(fù)拆裝時(shí)由于螺牙頂端較薄引起掉渣進(jìn)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(nèi)螺紋拉脫、外螺紋拉脫和螺桿斷裂[2]。內(nèi)、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(qiáng)度，剪切面見(jiàn)圖1，其中直線為外螺紋剪切面、虛線為內(nèi)螺紋剪切面。假設(shè)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(zhuǎn)動(dòng)的彎曲應(yīng)力的影響。在其它情況下由彎曲導(dǎo)致的剪切面積減少用修正因子(c1，c2)來(lái)修正。則拉脫力F=c1c2τA(1)式中：τ為螺紋剪切強(qiáng)度，取τ=σb2。抗拉強(qiáng)度σb見(jiàn)表1。c1為膨脹修正因子，c2為螺紋彎曲修正因子，其取值可參考文獻(xiàn)[2]。A為剪切面積。當(dāng)螺紋為標(biāo)準(zhǔn)螺紋時(shí)，內(nèi)、外螺紋的剪切面積分別為：A內(nèi)螺紋=πd·LPP2+(d-D2)tan30!"°(2)A外螺紋=πD1·LP·P2+(d2-D1)tan30!"°(3)式(2)、(3)中：d為外螺紋大徑，D1為內(nèi)螺紋小徑，d、D1又分別為內(nèi)、外螺紋的剪切面直徑，隨螺牙高度變化而變化;d2、D2為螺紋中徑;L為嚙合長(zhǎng)度;P為螺距螺紋螺桿的承載能力主要取決于螺桿的橫截面積AS和材料的抗拉強(qiáng)度σb，其拉斷力：F=σb·As(4)

　　2螺紋防多余物設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

　　2.1優(yōu)化方法

　　普通螺紋螺牙頂端部位尺寸較小，在多次反復(fù)拆裝過(guò)程中容易脫落造成多余物。為增加螺牙強(qiáng)度，將螺牙端面尺寸增大，即在加工外螺紋時(shí)將底徑減小，內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)。螺紋的嚙合示意圖見(jiàn)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(jìn)行失效分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。由于螺紋規(guī)格和嚙合長(zhǎng)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(fā)生改變，有可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)、外螺紋拉脫。

　　2.2案例一：某零件M4外螺紋優(yōu)化分析

　　以材料為2Cr13的伺服閥某零件為例，見(jiàn)圖3。根據(jù)式(1)-(3)，原零件M4×0.5外螺紋拉脫力F外=3896N，原工裝內(nèi)螺紋拉脫力F內(nèi)=5029N。根據(jù)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(dāng)縮短M4外螺紋螺牙高度時(shí)，外螺牙頂端寬度會(huì)增大，同時(shí)工裝螺紋的剪切面積會(huì)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(nèi)即可，取F外=F內(nèi)時(shí)，工裝拉脫力減小為原值的77%，此時(shí)外螺紋大徑減小0.14mm，螺牙頂端寬度由原來(lái)的0.0625mm增至0.1433mm，增大2.3倍。由于此處零件配合關(guān)系為間隙配合，拆裝時(shí)螺紋并不需承受較大拉力，因此螺牙高度可進(jìn)一步減小以增大螺牙頂端寬度。

　　2.3案例二：某零件M3內(nèi)螺紋優(yōu)化分析

　　以材料為9Cr18的伺服閥某零件為例，其M3內(nèi)螺紋主要用于將已壓入的零件拔出，所以螺紋拉脫力應(yīng)大于零件過(guò)盈壓裝力。即拉脫力F應(yīng)大于配合面上產(chǎn)生的軸向摩擦阻力f[3]。(5)式中：d為配合的公稱直徑，mm;l為配合面長(zhǎng)度，mm;P為接觸壓力，MPa;η為靜摩擦系數(shù)，見(jiàn)下表2。(6)式中：δ為過(guò)盈量，mm;C1、C2分別為被包容件和包容件的剛性系數(shù)，其取值可參考文獻(xiàn)[3];E1、E2分別為被包容件和包容件材料的彈性模量，MPa，見(jiàn)表3。根據(jù)式(5)、(6)可得到摩擦阻力：f=1237N，根據(jù)式(1)-(3)，零件內(nèi)螺紋拉脫力：F內(nèi)=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(dāng)零件內(nèi)螺紋螺牙高度縮短時(shí)，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(dāng)F外=F斷時(shí)，工裝拉脫力降為原值的80%，零件內(nèi)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(shí)零件內(nèi)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(tài)，沒(méi)有安全余量，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

　　3驗(yàn)證試驗(yàn)

　　3.1某零件M4外螺紋試驗(yàn)

　　根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品配合關(guān)系及尺寸，參見(jiàn)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(yàn)件見(jiàn)表4。試驗(yàn)時(shí)，將零件試件(帶密封圈)裝入閥體試件，隨后拆除，拆除后經(jīng)10倍放大檢驗(yàn)試驗(yàn)件和工裝螺紋，均未出現(xiàn)螺紋損壞情況，試驗(yàn)可驗(yàn)證優(yōu)化后螺紋的有效性.

　　3.2某零件M3內(nèi)螺紋試驗(yàn)

　　根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品配合關(guān)系及尺寸，閥體試件加工4個(gè)Φ4mm的通孔，可與8個(gè)某零件試件過(guò)盈配合，保證過(guò)盈0.003-0.005mm，過(guò)盈長(zhǎng)度約9mm，M3內(nèi)螺紋長(zhǎng)度不小于4mm，加工試驗(yàn)件見(jiàn)表5。試驗(yàn)時(shí)，將某零件試件壓裝入閥體試件，隨后拆除，拆除后經(jīng)10倍放大檢驗(yàn)試驗(yàn)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(shí)產(chǎn)品壓裝力范圍為60~170kgf，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，可驗(yàn)證優(yōu)化后螺紋的有效性。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了一種防多余物的螺紋優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)增大螺紋牙頂強(qiáng)度，減少零件在反復(fù)拆裝時(shí)由于螺牙掉渣引入多余物的隱患，詳細(xì)介紹了優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，進(jìn)行了螺紋失效分析，并對(duì)優(yōu)化后的螺紋進(jìn)行了有效性實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了方法的可行性。該螺紋優(yōu)化方案可用于設(shè)計(jì)參考，在工程實(shí)踐之前仍需大量試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方案的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五版)第2卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994.

　　[2]陶俊，等.螺紋拉脫失效模式與嚙合長(zhǎng)度關(guān)系探究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2013，35(4)：526-530.

　　[3]孫海軍.過(guò)盈配合時(shí)壓裝力的計(jì)算[J].制造業(yè)信息化機(jī)械，2016，43(S1)：42-44.

　　《伺服閥用螺紋防多余物優(yōu)化設(shè)計(jì)分析》來(lái)源：《科技創(chuàng)新與應(yīng)用》，作者：劉雅潔 丁宇亭