一种收口模具的设计

陈祖芳，高雅

中国航空工业标准件制造有限责任公司 贵州贵阳 550014

1 序言

我公司接到的生产订单中涉及HB8177-22（扩口式带收紧螺母直角管接头）等大规格、大变形量的组装件产品，作为行业内的主要生产厂家，我公司需开发出类似产品的收口装配工艺方法。

2 产品结构、特点

（1）产品结构 HB8177-22产品是由1HB8177-22（直角管接头）和HB8221-22（收紧螺母）通过收口组装而成的组装件，如图1所示。类似的产品如HB8179、HB8197、HB8199等结构如图2所示。

（2）产品特点 HB8177-22等产品均由收紧螺母与管接头组成，如图1、图2所示结构。对于HB8177-22，需通过收口使收紧螺母上的收压段外圆直径由D＝38.7mm变为其收压段外圆产生塑性变形，变形量达4mm，引用标准HB4-48-2002（扩口式收紧螺母组合技术要求），要求收口后应确保直角管接头能承受≥75kN的轴向拉脱力，同时确保图1b所示的0.2～0.6mm间隙，使两部件能产生绕轴线的相对转动。

图1 1HB8177-22组装件产品结构示意

图2 类似产品结构示意

3 模具设计

现以规格为22，即Dn＝22mm的HB8177-22产品的收口组装模具进行模具设计和分析。

3.1 模具整体结构及收口过程

收口模具结构如图3所示。其由底座、定位套、收口内锥、压套、定位销、收口弹性外锥和定位支撑套共7个部件组成。A1～A6为端面。其中收口弹性外锥6是模具中的关键部件，在一套模具中采用了两组（四瓣）收口弹性外锥，分别如图4（用于第一次收口）、图5（用于第二次收口）所示。图4和图5所示的收口弹性外锥6区别仅在于弹性收口段内孔尺寸不同，图4为φ38.7H7，图5为φ36.8H7，其余部分及技术要求相同。

图3 收口模具结构

技术要求：①加工成形并经热处理和表面处理后，分别在两处图示位置用冲击法（气动标记机）制工装图号和相同的大写英文字母，然后再沿图中H—H切割成对称两瓣，以确保同一整体分成的两瓣有唯一相同的标识（字深≤0.15mm，字高约2.5mm，标识距所在面边缘≥5mm），使用时可正确配对。②锐边倒R0.3mm，去毛刺。③零件材料为60Si2MnA，经淬火、回火处理后硬度为46～52HRC。④表面处理：发蓝。

使用时，按以下顺序进行操作。

1）把带有定位套2和定位支撑套7的底座1安放于压力机或冲床的底座上。

2）通过被收口组装的收紧螺母上的内螺纹M33×2-6H与定位销5的外螺纹M33×2-6h旋合，使收紧螺母端面与定位销的A1端面接触，从而实现收紧螺母在定位销上的定位，再把带有收紧螺母的定位销5通过间隙配合（φ12H7/g6）装入定位支撑套7，使其A2端面与底座1的A6端面接触，从而实现收紧螺母在收口模具中的定位。

3）把图4所示的两瓣分体式的收口弹性外锥6通过大间隙配合（φ68H11/a9）装入定位支撑套7，使收口弹性外锥6在收口模具中实现初定位。

图4 收口弹性外锥设计（第一次收口）

4）把收口内锥3置于收口弹性外锥6上，使其内锥面（40°）与收口弹性外锥6上的外锥面（40°±5′）贴合，使两瓣分体式的收口弹性外锥合为一个整体。此时，收口弹性外锥的弹性收口段内孔（φ38.7mm）与收紧螺母外圆（φ38.7mm）贴合，使收口弹性外锥在收口模具中实现精准定位。

5）通过收口内锥3上的孔（φ90.69mm），把直角管接头通过间隙配合（φ19H12/g6）从上往下装入定位销5，使直角管接头上的内锥面（74°±15′）与定位销5上的锥面（74°±5′）接触，实现直角管接头在收口模具中的定位。

6）通过间隙配合（φ140H7/g6）在收口内锥3上装上压套4。

7）起动压力机，通过其压头给压套4施加向下压力，带动收口内锥3向下移动，此时收口弹性外锥6受定位支撑套7的支撑不能向下移动，从而使收口内锥3与收口弹性外锥6在贴合锥面（40°）处产生相对移动，通过锥面把收口弹性外锥所受的法向力F分解为水平的向心力F1与和垂直向下的力F2（见图5），收口弹性外锥6受向心力F1作用，其弹性收口段产生向心的径向位移，使收口前直径（φ38.7mm）变小。当收口内锥3的A4端面与定位套2的A5端面接触时，被收口部件的收紧螺母上收口段外圆直径达到φ36.7±0.1mm（外圆直径变小约2mm）。此为第一次收口变形。

8）从模具中先通过孔轴配合（φ140H7/g6）取出压套4，再把收口组装好的组件、收口内锥、收口弹性外锥和定位销一起从模具中取出，收口弹性外锥为两瓣式结构，手动使其与被收口产品组件分离，把带有定位销的被收口产品组件通过收口内锥上的孔（φ90.69mm）取出。

9）换用图5所示的收口弹性外锥和相应的定位套后，重复以上收口过程，进行第二次收口。使被收口产品组件上的收紧螺母收压段外圆直径再变小约1.9mm，从而使外圆直径由D＝38.7mm变为D1＝且单边径向间隙为0.2～0.6mm的要求，收口过程完成。

图5 收口弹性外锥设计（第二次收口）

3.2 收口弹性外锥的设计

收口弹性外锥是该模具中的重要部件，其上部为弹性收口段，中部为弹性变形段，下部为支撑段。

（1）锥角的确定 收口过程受力分析如图5所示，为保证锥面相对滑动时不发生斜面自锁现象，锥角的选择应满足不自锁条件

式中，α为锥角（°）；ψ1为平面摩擦时作用在斜面上的摩擦角（°）；ψ2为平面摩擦时作用在基面上的摩擦角（°）。

该模具中的内、外锥面的相对滑动可近似看作斜楔面作用，但此时没有斜楔基面，故上式可改写为

一般钢体的接触摩擦系数μ＝0.1～0.15，故ψ1＝arctan（0.1～0.15）≈5°43′～8°30′，则相应的锥角α＞2ψ1≈11°～17°。在本模具中α取40°，满足式（1）的要求。

（2）槽的尺寸验证 由图4、图5可知，共有20处外轴向未开通的槽，其中10处沿圆周对称均布，宽度为且沿径向开通；另外10处同样是沿圆周均布，但宽度为（0.5±0.1）mm，且沿径向未开通。理论上这些槽在结构允许的情况下尽量多为宜。径向开通的槽的宽度应合理，过窄将不能把大圆收为小圆，过宽将会在收口后在零件表面留下较宽的轴向棱条，具体设计时应综合考虑。

径向开通的槽的数量及槽宽度应满足如下条件

式中，n为径向开通的槽数；b为径向开通槽的宽度（mm）；D′为收口弹性外锥弹性收口段的孔径尺寸（mm）；D1为收紧螺母上被收口段收后的最小直径（mm）。

10×1.6＝16＞3.14×38.7－3.14×36.6＝6.594

经验证，径向开通的槽的数量及宽度满足条件。

经验证，径向开通的槽的数量及宽度满足条件。

（3）强度验证 如图6所示，对收口弹性外锥受力进行分析。

2）分析所受内力，确定危险截面。由于在收口时，收口弹性外锥的弹性收口段受力后产生弹性径向位移，故其要产生弹性变形抗力，根据收口弹性外锥的结构特点及图6a中受力分析，可把图6a视为一端固定的悬肩梁，在外力F3＝F1－F1′的作用下对悬肩梁产生弯矩M（L），使模具的弹性变形段产生弯曲变形，如图6b所示。有以下关系

根据收口弹性外锥的结构特点和受力情况，其在工作过程中主要受到压缩和弯曲，危险截面出现在如图6所示的n—n截面处，其截面被宽度为（0.5±0.1）mm且沿径向和轴向均未开通的槽分成两部分，其截面积相对较小，受力较大。

3）应力分析，确定危险点。在n—n截面处所受应力主要是在F2作用下产生的压应力以及在弯矩M（L）作用下在中性轴两边受到的拉应力和压应力的叠加。取n—n截面上段作研究对象，应力分布如图6c所示。其危险点处于n—n截面的最右边B点，该点所受压应力为两压应力的代数叠加，应力最大。

建立强度条件并进行验证，危险点B处所受的主要应力为压应力且最大，其强度条件为

式中，A为n—n截面的截面积（m2）；W为n—n截面的抗弯载面系数；σYmax为n—n截面B点的最大应力（MPa）；[σY]为材料的许用压应力（MPa）。经查资料[σY]＝1050MPa。

式（3）中的F2＝F1×tan20°＝－（F1′＋F3′）×tan20°。

被收口变形的零件材料牌号为30CrMnSiA，硬度为21～29HRC，屈服强度σS产品≥835MPa，取σS产品＝850MPa。则F1′＝3.14×[(38.7/2)2－(35.7/2)2]×850/10＝1.4893×104N。

因F3′＝－F3，再根据最大挠度ymax＝F3L3/3EI，则F3′＝ymax3EI/L3＝1.05×10-3×(3×206×109×181.48×10-12)/(48×10-3)3N≈1.065×103N

把F1′、F3′代入，F2＝F1×tan20°＝－（F1′＋F3′）×tan20°＝(1.4893×104＋1.065×103)×0.364N≈5.809×103N；M(L)＝F3×L＝1.065×103×48×10-3N·m＝51.12N·m。

将F2与M(L)代入式（3），σYmax＝F2/A＋M（L）/W＝（5.809×103）/｛[(3.14×68×10-3)/10 －5.5×10-3]×[(78－68)×10-3/2]｝＋51.12/｛[(3.14×68)×10-3/10－5.5×10-3]×[(78－68)×10-3/2]2/6｝Pa＝8.47249559×108Pa＝847.249559MPa≤[σY]＝1050MPa。

经分析计算可知，危险载面n—n上危险点B所受压应力小于材料的屈服强度极限，即：σYmax＝847.249559MPa＜1050MPa，故所设计收口弹性外锥满足强度要求。

（4）稳定性分析 由图6可知，收口弹性外锥主要受压力。根据其结构，在力F2的作用下其力学模型可视为下端固定支撑约束、上端介于固定与滑动支撑约束的压杆，现就其稳定性进行分析。

图6 收口弹性外锥受力分析

压杆稳定条件为

应用欧拉公式分析需满足的最小柔度λY条件为

经计算，λ＝19.026＜λY＝43.981，故不能运用欧拉公式计算压杆临界压力（或应力）。

综合以上的分析讨论，收口弹性外锥的柔度λ＜λY，属于小柔度杆（短粗杆），只要n—n横截面上的应力满足强度条件，就能保证收口弹性外锥正常工作。

4 结束语

该收口模具设计合理，使用效果良好，收口质量稳定，可以实现同一套模具对不同产品、同一规格的多项产品进行收口组装。生产不同规格的产品时，只需要更换收口弹性外锥即可，通用性好。