劉雅潔 丁宇亭

摘? 要：航天伺服系統(tǒng)用伺服閥為精密元件，對(duì)多余物敏感，為減少多余物隱患，文章對(duì)伺服閥用小規(guī)格螺紋進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少螺紋薄弱環(huán)節(jié)，降低零件在反復(fù)裝拆過(guò)程中螺牙磨損或脫落帶來(lái)的多余物隱患，并提供了計(jì)算方法和試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：伺服閥;螺紋;防多余物;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH131.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(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?？紤]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

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]。

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.