论装配关系中不同硬度零部件的圆角倒角设计

王晓丹

摘 要：在装备制造业中，装配关系是最常见的零件组合方式。在装配关系中，经常会出现不同硬度零部件之间的装配配合。在进行装配配合零部件的圆角和倒角设计时，要考虑不同硬度对倒角和圆角设计的影响。在实际的工程应用中，这一点经常被人们所忽视，这种忽视往往会给产品的性能带来麻烦。本文在介绍圆角倒角的常规设计考虑外，着重论述了装配关系中不同硬度零部件的圆角倒角设计。

关键词：硬度；硬度；圆角；倒角；装配；配合关系

中图分类号：TG306 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0041-02

在装配关系中，经常出现不同硬度零部件之间的装配配合。人们在设计零部件的时候，根据常规的设计考虑来进行圆角和倒角的设计，往往会忽略硬度对倒角和圆角设计的影响，这就会给产品的性能带来麻烦。本文除了介绍装配关系中倒角和圆角常规设计考虑外，也对不同硬度零部件的圆角倒角设计进行了阐述。

1 圆角和倒角的概念及区别

1.1 圆角和倒角的概念

圆角是指将工件棱角两边加工成的相切圆弧，在工件阳角上加工成的圆角称之为外圆角，在工件阴角上加工成的圆角称之为内圆角，内圆角和外圆角，如下图1所示。倒角是指将工件棱角加工成一定角度的内斜面或者外斜面，在工件阳角上加工成的斜面称之为外倒角，在工件阴角上加工成的斜面称之为内倒角，内倒角和外圆角，如下图2所示。

1.2 圆角和倒角的对比

圆角和倒角在表示方法上的区别是，圆角的大小用相切圆弧的半径来进行表示，倒角的大小使用斜面在垂直面和水平面上的投影长度来进行表示，倒角也可以使用斜面在垂直面或者是水平面上的任一投影长度和斜面的倾角来进行表示。

在圆角倒角的防护性（防磕碰划伤）方面，两者的性能差别是，圆角形成了圆弧而倒角形成了斜面。圆角的圆弧形成后，在其起点或者终点上，都是和棱边相切，故此过渡部位圆滑，没有尖点和棱边，不会造成对零部件的磕碰划伤。而倒角，不管其倾斜角度的大小如何变化，斜面的两个边都会和零件轮廓线形成尖角，只不过这些形成的尖角角度是钝角，不锐利而已，但是仍然可能会对其它零部件造成磕碰和划伤。综上所述，因为圆角在外形上不存在尖角，所以在防护性能方面，圆角要优于倒角。

2 圆角和倒角的作用分析

2.1 圆角和倒角用于防护的作用分析

零部件的阳角是凸出来的，故此非常容易和外界发生接触。在阳角刚刚被加工出来时，在阳角的表面会堆积有毛刺和尖角，极易造成对人员的伤害和对其它零部件的伤害。在阳角上设置圆角或者倒角后，可以有效地消除上述毛刺，避免上述的伤害。

2.2 减少或者避免应力集中的作用分析

零部件的阴角，往往伴随着截面的急剧变化（如阶梯轴的台肩），会引起局部的应力集中。这些应力集中，在零部件进行热处理，机械加工，运输振动，施加负载等的情况下会造成零部件阴角部位的开裂等，影响产品的使用性能。为了有效地减少和消除上述的应力集中，零部件在设计的过程中往往会在阴角的部位设置一定大小的内圆角或内倒角，这些内圆角或内倒角缓解了截面的急剧变化，可以减少或者避免应力集中的发生。

2.3 装配关系中导向的作用分析

在零部件的装配关系中，会涉及到大量的倒角配合关系。设置倒角可以理解为人为的增加了对接时的导向。以轴孔的配合为例，轴的头部设计为倒角，孔的边沿也设置为倒角，在装配的初期，轴的头部和孔的头部的配合间隙会很大，可以方便的插入孔中。轴的头部插入孔中之后，通过微调轴和孔的同轴，即可将轴的全部送入到孔中。这样通过倒角的设计就实现了导向的功能，方便了零部件的装配作业。

3 零部件圆角倒角设计的常规考虑

设计人员在具体的零部件设计中，除了要考虑上文中阐述的圆角倒角的区别，作用分析外，还要进行装配过程中零部件圆角和倒角的干涉问题以及加工经济性等问题的考虑。

3.1 避免圆角倒角在装配中干涉的设计考虑

在装配关系中最忌讳的问题就是发生干涉，但是这个问题也是最常见的问题。同样，在设计圆角或者倒角的时候，要能够保证配合后圆角和倒角不会发生干涉。根据图1和图2中圆角和倒角的特点，要想保证不干涉，必须要保证外倒角和内圆角内倒角配合时，外倒角大于内圆角内倒角；必须要保证外圆角和内圆角内倒角配合时，外圆角大于内圆角内倒角。

因为只有这样外圆角或外倒角与零部件的棱边所形成的空间才能包容得下内圆角或内倒角，才不会发生干涉。

3.2 圆角倒角的加工经济性考虑

零部件是选用圆角还是倒角，也要考虑圆角倒角的加工经济性。圆角和倒角的加工可以采用切削，磨削，线切割等多种的加工方法来进行。当零部件为轴类，且使用普通车床时，倒角使用普通的车刀即可加工完成，圆角则需要使用专用的成型刀具来进行加工；当使用数控机床加工，圆角也要选用成型或者专用刀具来进行加工，而倒角的选择性就会更大一点；当使用线切割来进行加工的时候，圆角和倒角的加工方法基本上一致，一个钢丝走圆弧，一个钢丝走斜面而已。

綜上所述，倒角加工的范围会比圆角更加的广泛，更加容易和方便加工。因此产生的费用会比倒角的小一点，故此，也就是说倒角的经济性就比圆角的加工经济性高。单单就加工的经济性来说，倒角要优于圆角，无特殊要求时，优先选用倒角。

4 配合关系中不同硬度零部件的圆角倒角设计

上文着重阐述了在圆角和倒角的设计中，需要考虑的常规设计要点。本节阐述的是，除了上述考虑的常规设计要点外，不同材料零部件的硬度对倒角和圆角影响也要进行考虑。

不同的材料有着不同的特性，比如密度，成分，硬度，电导率，抗氧化性，屈服强度等，而在圆角倒角设计时，需要重点考虑的是材料的硬度。

装配的过程中，零部件和零部件之间存在相对的运动，在相对运动的过程中虽然有倒角或者圆角作为导向（如项2.3中的论述），但是在实际的过程中会不可由于绝对的对中是无法实现的，而倾斜是客观存在的，所以在装配的过程中，就会不可避免地产生磕碰和摩擦。

如果有相对运动的两个配合零部件的硬度相差较大，就会产生和刀具切削相类似的过程，这个过程就会造成硬度较低零部件的损伤和破坏。

在实际的应用中，硬度相差较大的配合有钢铁和铜，钢铁和铝，钢铁和钢铁，金属和塑料的配合等。

以下以钢材料零部件和铜材料零部件的配合为例来进行阐述。

如图3所示，轴销1和铜衬套2之间为间隙配合。铜衬套2压入支撑座3的内孔中，轴销1要能够穿入铜衬套2的内孔中。其中，轴销1的硬度为合金钢35CrMo，热处理后其硬度达到洛氏硬度HB241-285，在其头部设置有15°倒角，同时设置有C型沟槽；铜衬套2的硬度为铝青铜QAL10-4-4，其硬度为HB170左右，内孔边缘设置有15°的倒角。

如图4所示，当轴销1要穿过铜衬套2时，轴销1的头部就要和铜衬套的头部相接触，之后相对运动。在这个过程中，轴销1只要有稍微的倾斜，其头部倒角的外边沿和C型沟槽的边缘就会剐蹭到铜衬套2。轴销1比铜衬套2的硬度高很多；轴销1头部倒角的边沿比较锋锐；C型沟槽的边沿仅做了去毛刺处理，没有设置倒角，也比较锋锐。这样倒角的边沿和C型沟槽的边沿就形成了类似于刀具的刀尖。这两个刀尖，在轴销1插入铜衬套的过程中，就会造成铜衬套的剐蹭劃伤，影响产品的运行性能。

在案例中，为了消除这种现象，采取的对策是将图4中轴销的倒角边沿和C型沟槽边沿处分别改为圆角，增加圆角后，消除了棱边的存在。增加圆角后的轴销，在穿过铜衬套内孔时避免了剐蹭划伤现象的产生。

通过这个案例说明，虽然零部件设置了倒角，但是根据1.2中的对比分析可以知道，倒角不管其倾斜角度的大小如何变化，斜面的两个边都会和零件轮廓线形成尖角，只不过这些形成的尖角角度是钝角，不锐利而已，但是仍然可能会对其它零部件造成磕碰和划伤。在本案例的场合当中，倒角所形成的钝角虽然不锐利，但是由于与之配合的铜衬套的铜硬度比轴销硬度软很多，因此同样会对其产生剐蹭和破坏。

综上，当遇到硬度差异比较大的零部件需要进行配合时，硬度比较大的零部件要优先考虑使用圆角，如果必须要使用倒角时，在倒角的边缘处必须要设置圆角，只有这样才可以避免对硬度小的零部件造成剐蹭和破坏。

5 结语

倒角和圆角设计时，除了要考虑其自身必须要具备的防护性，避免应力集中，装配导向，避免干涉和加工经济性等常规考虑外，也要考虑零部件的不同硬度对倒角和圆角设计的影响。

当遇到硬度不同的零部件装配时，要结合零部件硬度来进行圆角和倒角的设计。设计的原则是，在硬度高的零部件上设置圆角或者设置倒角后在其倒角边缘的地方设置圆角，这样可以避免造成对硬度低零部件的剐蹭和划伤。