一種圓管扳手的設計研發(fā)*

溫乘焓

(南京市第二十九中學，江蘇 南京 210000)

0 引 言

圓管扳手是針對薄壁管無法用普通的管子鉗拆裝而設計，主要用于套疊薄壁圓管的分離、薄壁管螺紋件的無損傷拆裝。

薄壁圓管和薄壁管螺紋件裝拆時，如夾持外部，極易發(fā)生變形，目前市場上還沒有專門用于裝拆薄壁管螺紋件的工具，而管子鉗等少數工具能對常用的圓管螺紋件進行裝拆，但不能用于薄壁管?，F有圓管扳手為管鉗和鏈鉗，當空間狹小時，管鉗操作不便。而當圓柱螺母直徑較小時，鏈鉗操作也不方便。而常用的活動扳手、開口板手和套筒板手，無法勝任圓柱螺母的拆裝。為此，筆者設計了一種適用于薄壁管件的圓管扳手。

1 圓管扳手的功用和設計過程

1.1 圓管扳手的功用

薄壁圓管采用多點夾緊，可以有效地降低接觸點的壓強，從而減少管體的變形。夾緊力沿薄壁管的徑向，方向可以指向管內，也可以指向管外。多點同時接觸管壁，利用摩擦力防止扳手與管壁之間的相對轉動，從而完成自鎖。

將轉動體的柄部設計成方榫，從而可以與標準套筒扳手組合使用，也可以用活動扳手或呆扳手，簡化設計，方便使用[1]。此外，方榫還可以聯接加長桿，實現較長圓管螺紋件的拆裝。方榫的一個側面設置彈性突起，實現扳手與套筒的軸向定位與聯接，保證扳手在豎直向下時，不與套筒分離。

類似于套筒扳手，圓管扳手設計成直徑不等一個系列，可以適用于管徑不同的圓管[2]。

1.2 圓管扳手的設計思路

圖1為圓管扳手原理圖。圓管扳手是利用凸輪機構的工作原理，多個凸輪同時工作，故將轉動體的形狀設計成梅花形，每個梅花瓣即為一個凸輪。凸輪旋轉，推動滾動體轉動。T型爪由于頭部卡在殼體的槽孔中，只能跟隨凸輪做徑向移動，如圖1所示。

圖1 圓管扳手原理圖

工作中，滾動體與轉動體的下凹部接觸時，T型爪縮入殼體；當用手柄轉向轉動體時，滾動體逐漸與轉動體的上凸部接觸，T型爪被推出殼體，與圓管的內壁接觸，施加外力后鎖住管壁。T型爪和管壁產生的摩擦力，使得圓管轉動，從而達到拆裝的效果。

1.3 圓管扳手的結構設計

1.3.1圓管扳手主要部件設計

圓管扳手是由殼體(如圖2所示)、轉動體(如圖3所示)、6個T型爪(如圖4所示)、6個滾動體(如圖5所示)、圓形擋板(如圖6所示)以及3個螺釘組成。圓管扳手組裝后外觀，如圖7所示。其中，轉動體裝入殼體中，6個T型爪插入殼體，頭部從殼體的直槽中升出，T型爪與轉動體之間裝入6個滾動體，最后蓋上端蓋，完成圓管扳手的組裝。

圖2 殼體 圖3 轉動體 圖4 T型爪

圖5 滾動體 圖6 端蓋 圖7 圓管扳手整體

使用3D打印機將圓管扳手的零部件打印出來，組裝后圓管板手模型如圖8所示。

圖8 圓管扳手模型

1.3.2約束和載荷的施加

圓管的材料為Q235，其密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.1e11 Pa，泊松比為0.31，屈服極限235 MPa[3]。采用500 N·m的實驗荷載對圓管扳手進行有限元分析，其結果如圖9所示，圖9(a)為使用圓管扳手拆裝圓管時，其最大值為281.5；圖9(b)為使用普通扳手拆裝圓管時，其最大值為479.442。通過數據對比，兩者相差很大，圖9(a)中的應力僅為圖9(b)中的58.71%。因此，圓管扳手對防止圓管變形非常有效。

圖9 圓管拆裝時的應力與變形

2 圓管板手的加工

圓管扳手的零件數目不多，結構也并不復雜，但殼體的加工有一定的難度，其四周的六個直槽之間的位置要求比較嚴格，如圖10所示。而且，大量生產時，一般需要使用車床和數控銑床加工。二次裝夾產生的重復定位誤差，對外殼的位置誤差影響很大[4]。

對于一些加工中心而言，為了保證能在一次裝夾中就完成大部分工序，從粗加工到精加工都在一臺機床中完成。但是，卻降低了設備的使用效率。雖然使用加工中心，可以部分解決二次裝夾帶來的重復定位誤差，但不能解決由于加工方式的改變而導致的形狀誤差。此外，如果需要使用特種加工，零件二次裝夾產生的定位誤差依然存在。

圖10 殼體圖

3 加工方案設計

目前，在設備上加裝柔性夾具是一種高效的解決方案，柔性夾具一種標準化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備，它是由安裝在各機床上的標準接口夾具，與其他預先制造好的各種不同形狀、不同規(guī)格、不同尺寸、具有完全互換性的標準元件相結合[5]。加工中，標準元件隨工件一起流動。改造后的工藝系統(tǒng)結構如圖11所示。在加工過程中，可以隨時對工件進行在線檢測，實現生產過程中的質量控制[6]。

在設備中加裝具有標準接口的柔性卡盤，如圖12所示。柔性卡盤與裝有拉釘的托板相連接，托板如圖13所示[7]。

圖11 改造后的工藝系統(tǒng)的結構圖

圖12 柔性卡盤

圖13 托板與拉釘

3.1 車床夾具的改進

對于車床，將原有的三爪卡盤改為柔性卡盤，如圖14所示。柔性卡盤通過車床的法蘭盤聯接在車床的主軸上，然后用校準規(guī)校準同軸度和端面跳動，最后緊固。

需要指出的是聯接氣缸與機床主軸之前，先將其端面用“自車自”的方法加工一刀，以保證其端面圓跳動。

3.2 數控銑床夾具的改進

數控銑床，將原先常用的機用虎鉗裝夾改為由柔性卡盤聯接的精密虎鉗裝夾[8]。柔性卡盤利用壓板或者螺釘緊固件，安裝固定在銑床工作臺上面，如圖15所示。然后用校準規(guī)校準平行度和位置度，最后緊固。

圖14 普通車床加裝柔性卡盤 圖15 數控銑床工作臺加裝雙聯卡盤

4 結 語

為了解決薄壁管拆裝過程中管壁變形的問題，而專門設計的圓管扳手，其結簡單，便于制造，現已獲得發(fā)明專利一項，編號為ZL201510039443.6。