倒齿型防松螺母的设计与增材制造

何栋军 万泉 赵一凡

摘要：增材制造，即3D打印技术是以数字模型文件为基础，通过粉末状金属或塑料等可粘合材料来逐层打印的新型构造物体技术。直至今日，增材制造技术已经经过了30年的长足发展，增材制造的应用已经触及了各行各业。增材制造技术高精度、节约材料的特点深受制造业的喜爱。本文设计了倒齿型防松螺母，针对传统方式制造倒齿型防松螺母的不足，提出將金属增材制造技术应用于倒齿型防松螺母制造。

关键词：倒齿型防松螺母;设计;增材制造

1倒齿型防松螺母的设计

倒齿型防松螺母是有别于市面上传统的防松螺母，它不依靠摩擦力来进行自锁，而是使用结构性防松，使防松效果更加显著牢靠，螺母的寿命也大大提高。倒齿型防松螺母的主要工作原理如图一所示。倒齿型防松螺母主要是在唐氏螺母的技术进行改进，在紧缩螺母上增加了弹片，如图二所示。在紧固螺母上增加了凹状的倒齿可以使螺母成功松脱，弹片的高度大于倒齿内凹的深度，如图三所示。

在进行装配时，两只螺母的旋向相反，如图四所示。使用时先将紧固螺母进行预紧，之后再预紧紧缩螺母。由于预紧的方向相反，所以两螺母中任意螺母有松动的迹象，另一螺母就会起到牵制的作用，致使两螺母无法旋动。

当螺母需要松开时，因弹片的高度大于倒齿内凹的深度，两螺母间会有一定的间隙，松脱螺母只要用一根细钢丝嵌入缝隙中，勒紧紧缩螺母具有弹性的弹片，紧缩螺母即可旋出，螺母松开。

2 金属增材制造倒齿型防松螺母

2.1 金属增材制造技术发展现状

金属增材制造技术作为一种新兴生产技术倍受着生产商们的期待与关注。近些年，全球对金属增材制造技术的研究在不断的推进，使用增材制造技术生产的产品的精度也在逐步提高。欧美地区在金属增材制造设备和材料方面都走在了世界的前列，其他国家也在该领域进行了重点投入和研究。目前，金属增材制造机的设备和材料的销售额在全世界已经到达了3亿美元，并且这一数据还在不断地攀升，预计到2020年，有关金属增材制造技术的产值将达到12-21亿美元。

金属增材制造所使用的技术也多种多样，主要可以分为五种，分别为：选区激光烧结（SLS）技术、直接金属粉末激光烧结（DMLS）、选区激光熔化（SLM）技术、激光近净成形（LENS）技术和电子束选区熔化（EBSM）技术。这些金属增材制造技术各有优缺点，还处于不断地完善的过程中。但相较于传统制造方式，金属增材制造技术优势明显，市场前景广阔。主要的优越性表现在：（1）简化了制造工序，在生产一些复杂的零件时，金属增材制造技术不需要像传统方法那样通过多道工序进行生产制造，增材制造技术可以根据所建3D模型直接获得终端产品;（2）无需设计和构造支持部件，可以由固体粉材床支撑;（3）制造速度快，利用3d软件建立好模型之后就可以进行快速生产;（4）节约材料，金属增材制造是通过熔化或者烧结金属粉末进行逐层叠加方式来制造零件的，不会像传统方式一样产生大量的边角料。

2.2传统方式制造倒齿型防松螺母的难点

在倒齿型防松螺母的制造上，相较于其他螺母，倒齿型防松螺母多了弹片与棘齿，提高了螺母加工的难度。传统制造螺母的流程为：冷镦、热打、机加工，在生产倒齿型防松螺母时，机加工会显得较为复杂，需要铣出弹片与棘齿，而且铣出弹片后，还需要对其进行热处理来增加弹片的弹性。由于弹片的材料与螺母的材料一致，因此在螺母选材上也有所要求，选用的材料既要保证螺母的硬度要高，又要保证弹片的弹性要强。由此可见，使用传统工艺来制作倒齿型防松螺母的难度较大。

2.3 金属增材制造技术制造倒齿型防松螺母

对于上述传统方式制造倒齿型防松螺母的不足，利用金属增材制造技术可以完美解决。在制造时，制造者可以预先建立好倒齿型防松螺母的模型，金属增材制造机可以根据3D软件设计好的模型直接打印出成品，无需通过反复的车铣来加工出螺母的弹片和棘齿结构。针对使用传统工艺制造出的倒齿型防松螺母弹片与螺母主体材料相同，而无法兼顾主体强硬度和弹片弹性的问题。金属增材制造技术将通过增材制造的方式来解决，分别使用两种不同的金属材质来制造螺母主体和螺母弹片。主体进行增材制造，可以选用诸如碳钢，不锈钢和铜等材料进行打印;当打印到弹片部位时，则可以将材料更换为碳素弹簧钢，合金弹簧钢等韧性强的材料。最后，只要对打印出来的螺母进行抛光处理即可。

3 结论

金属增材制造技术应用于倒齿型防松螺母的制造中，可以大大的缩减制造倒齿型防松螺母的工序，从而提高生产的产量。除此之外，金属增材制造减少了材料损耗的同时还增加了螺母的性能，达到了螺母设计时所提出的要求。

参考文献

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