一种弹性膨胀芯轴的结构设计及有限元分析

（安庆职业技术学院机电工程系 安徽 安庆 246003）

某公司是一家专业生产汽车转向器等核心零部件的省高新技术企业，与我院为校企合作单位。该公司主要产品汽车转向器系列中有一种重要的零件——球型轴衬，该零件需求量很大，月产量约2-3万件。型号规格众多，每月都有4至5种新规格产品被开发，从图1可以看到，该球型轴衬虽然规格众多，但是外形基本相似，只是部分尺寸不同。该零件整体要求精度较高，且热处理工序复杂，特别是关键的球型外表面，要求尤为高，因此外表面的加工必须由数控车床完成。

图1 球型轴衬产品实物图

以其中一种球型轴衬为例，企业原先在数控车床车削外球面的过程中，是以加工好的工件圆孔内表面定位。为了保证加工的尺寸精度，在数控车床车削外表面时采用的是刚性芯轴装夹。主要存在以下几个问题：（1）刚性芯轴与工件内孔采用间隙配合，定位精度不高（2）刚性芯轴的适应性较差，不同尺寸内孔需要对应不同刚性芯轴，导致芯轴数量过多（3）部分刚性芯轴的夹紧力不足，切削时打滑。

1.膨胀芯轴设计

为了解决以上的问题，提高生产效率及加工质量，我院设计了一种可更换胀簧式的膨胀芯轴。将芯轴体和胀簧分开，实现芯轴不换而更换胀簧的结构，这样可以大大的节省成本，同时也方便装夹操作，还可以方便的在胀簧上加工出轴向定位结构，一举多得。

膨胀芯轴夹具设计结构如下：

图2 膨胀芯轴结构设计示意图

其工作原理如下：将芯轴体与胀簧分开，胀簧做成单独零件，方便更换。胀簧上均匀的割开若干开口槽，芯轴体的外锥面与胀簧的内锥面互相配合，胀簧的外圆面与球型轴衬工件的内孔表面配合，在胀簧的左端加工出一个小的凸肩，对工件起到轴向定位的作用。芯轴体的左端有一M16的轴向螺纹孔，锁紧M16的内六角螺钉。

当内六角螺钉锁紧的时候，其螺栓预紧力施加在圆垫圈的右端面上，同时推动胀簧沿着轴向向左移动。胀簧的内锥面沿着芯轴体的外锥面互动，使胀簧开口端朝外涨开，从而压紧球型轴衬零件的内表面，使其轴向定位。

对于不同孔径的球型轴衬工件，只需配套更换同样外径的胀簧即可，芯轴体、垫圈、螺钉都不用更换，十分方便。如图3所示：

图3 膨胀芯轴可更换胀簧示意图

2.膨胀芯轴的静力学分析

膨胀芯轴夹具体设计完成后，通过有限元法对其进行静力学分析以验证是否满足生产的使用要求。对于设计好的膨胀芯轴，通过ANSYS Workbench的静力学分析模块，我们可以分析出胀簧的应力大小，以及胀簧和工件之间的接触压力等等。

2.1 应力分析

对膨胀芯轴夹具体关键部件进行应力分析，以判断主要的设计部件是否满足许用应力的要求。从胀套的应力云图中可以看到，胀套的应力最大值为151.66MPa。芯轴体对锥套的挤压作用应力集中在胀套开口段最左侧。左端开口处内表面为胀套与芯轴锥面的接触面，开口处外表面为胀套与球型轴衬的接触面，这两处恰好是应力最集中的地方，而胀套的右端在径向基本不受外力作用，所以结果与实际情况基本一致。

图4 胀套应力云图

从应力云图上看到，锥套在收到外力作用后，开口处发生了变形，实际使用时要求当外力撤去后，胀套能回复原形，这就要求胀套只能发生弹性变形。已知胀套的材料为65Mn，查材料手册可以得到，65Mn的屈服强度为σs=430MPa，考虑到胀套使用寿命，疲劳强度，以及可靠性的要求，取安全系数为 k=1.5，则胀套的许用应力[σ]=σs/k=287MPa。胀套受到的最大应力为151.66MPa,小于[σ]，所以该胀套在使用时不会发生塑性变形，外力撤去后，可以回弹，满足使用的要求。

2.2 接触面压力分析

图5 接触面压力云图

从接触面压力云图上可以看出，胀簧和球型轴衬的摩擦应力和接触应力都发生在接触面上，胀簧的最大摩擦应力为47.2MPa，最大接触应力为297.3MPa，球型轴衬的最大摩擦应力为7.8MPa，最大接触应力为54MPa。而54MPa的接触应力完全可以保证将球型轴衬夹紧，车削时不会打滑。

3.膨胀芯轴夹具使用效果

通过对膨胀芯轴夹具的静力学分析，验证了整体结构设计是合理可行的，我们对膨胀芯轴夹具的实际使用过程进行了测试。

加工时，将工件套入胀簧，并紧靠住胀簧左端的凸肩，然后锁紧内六角螺栓，使胀簧将工件紧紧夹住，开始进行车削加工。加工完成后只要松开内六角螺栓，不需要将螺栓完全拧下，就可以将工件拆下，再套上下一个工件即可开始再次加工。如果要加工不同的球型轴衬工件，只需要更换胀簧即可，无需拆卸芯轴体。

当车削时的切削深度为2mm时，膨胀芯轴夹具体也能夹紧工件，车削时没有出现任何打滑的情况，车削非常的顺畅，说明膨胀芯轴夹具体的夹紧力满足车削的要求。经测量，最终加工出的产品尺寸精度也符合要求。