一种具有可调热膨胀系数的防胀紧圆环的制作方法

本发明涉及轴孔配合防胀紧装置，具体涉及一种具有可调热膨胀系数的防胀紧圆环。

背景技术：

轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的重要机械零件，广泛应用于驱动，传动等装置。轴和孔的精密配合是保证机器正常运转的前提条件，然而在某些特殊场合中，如高速电机以及数控主轴，轴的高速旋转会伴随大量的热产生，高温下材料的热膨胀会直接导致轴和孔的间隙减小从而加剧磨损，严重时甚至会发生轴卡死等情况。

目前针对此类问题的解决方法主要分为两类，一类是提高润滑和加强散热，但此举无疑提高了设计难度与制造成本。如申请号cn200820083506.3公开的高速机床电机主轴润滑控温系统以及申请号cn201220248136.0公开的主轴自动润滑机构。另一类是研发具有极低热膨胀系数甚至零热膨胀系数的新型材料，复合陶瓷凭借其高弹性模量、抗腐蚀和低热膨胀系数等优点逐渐被应用于高速轴承中。但是其价格昂贵和易碎的特点限制了其在振动环境中的应用。此外因瓦合金凭借其铁磁性原理可在一定温度范围内实现极低的热膨胀系数，有时甚至为零或负值，但是其硬度和强度较低，一般不用于承载零件设计。因此利用现有材料来设计具有可调热膨胀系数的圆环以解决高温下轴孔胀紧难题具有较大的应用需求。

技术实现要素：

本发明目的在于解决高温环境下轴孔配合间隙减小所导致的轴卡死问题，提出一种具有可调热膨胀系数的防胀紧圆环。由外环，外环驱动环，中环，中环驱动环和内环构成。其中外环，中环和内环材料的热膨胀系数较小；外环驱动环，中环驱动环材料的热膨胀系数较大，所有上述零件通过卯榫结构连接。实际使用时外环外表面与孔内表面配合，内环内表面与轴外表面配合。通过改变圆环结构参数可直接影响外环和内环在高温环境下的热膨胀量。选取合适的结构和材料参数可实现外环热膨胀系数与孔热膨胀系数一致，内环热膨胀系数与轴热膨胀系数一致，从而防止高温环境下的轴孔胀紧。

本发明的优点在于。

1、所有零件选用普通常见金属材料，成本低廉且加工难度小。

2、本发明选用两种具有不同热膨胀系数的材料，通过改变结构尺寸参数可实现内外环人为可控的热膨胀系数，以适应轴和孔的热变形。

3、所有零件通过卯榫结构连接，组装方便快捷且装配误差小。

4、本发明为中空的混联网状结构，具有轻质高强度特征。

5、所有零件均具有平面特征，采用线切割一体化加工，加工精度高。

附图说明

图1为本发明防胀紧圆环整体结构等轴测视图。

图2位本发明防胀紧圆环装配爆炸图。

图3为本发明防胀紧圆环整体结构正视图。

图4为本发明防胀紧圆环胞元局部视图。

图5为本发明防胀紧圆环结构尺寸图。

图中。

1-外环2-外环驱动环3-中环

4-中环驱动环5-内环6-胞元

101-外圆102-a内支撑杆103-a榫头

104-a切槽201-b切槽202-c切槽

203-a卯眼204-b卯眼205-a驱动杆

301-中圈302-a外支撑杆303-b内支撑杆

304-b榫头305-c榫头306-d切槽

307-e切槽401-f切槽402-g切槽

403-c卯眼404-d卯眼405-b驱动杆

501-内圈502-b外支撑杆503-d榫头

504-h切槽505-内孔

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明一种具有可调热膨胀系数的防胀紧圆环，由外环1、外环驱动环2、中环3与中环驱动环4，以及内环5构成，如图1所示；所述外环1、中环3和内环5由低热膨胀系数材料加工制作而成，如钨钢；所述外环驱动环2和中环驱动环4由高热膨胀系数材料加工制作而成，如铝合金；所述外环1、外环驱动环2、中环3与中环驱动环4，以及内环5由外至内依次采用卯榫结构相连接；本发明实际应用时外环1与孔相配合，内环5与轴相配合；当环境温度上升时，外环驱动环2和中环驱动环4的热膨胀量较大，可驱动热膨胀量较小的外环1、中环3和内环5向内收缩或向外扩张，从而实现外环1与内环5的可调热膨胀系数，以防止轴孔胀紧。

所述外环1包括外圆101、a内支撑杆102、a榫头103与a切槽104，外圆101外表面与孔配合；内表面圆周方向上均匀分布a内支撑杆102与a切槽104，相邻的a内支撑杆102呈夹角α(α取值越小越好，一般应小于5°)且中间间隔a切槽104。a榫头103位于a内支撑杆102顶端，截面为圆形且直径略大于a内支撑杆102的宽度。

所述外环驱动环2包括b切槽201、c切槽202、a卯眼203、b卯眼204与a驱动杆205。v型b切槽201沿圆周方向均匀分布在外环驱动环2外侧，b切槽201开口方向向外且v型夹角为βi(一般应小于15°)，相邻b切槽201之间夹角为α；v型c切槽202沿圆周方向均匀分布在外环驱动环2内侧，c切槽202开口方向向外内且v型夹角为(一般应小于10°)，相邻c切槽202之间夹角为α。b切槽201与c切槽202之间相隔a驱动杆205，多个a驱动杆205首尾相连构成封闭圆环。a卯眼203与b卯眼204均匀分布在a驱动杆205首尾连接处，不同的是a卯眼203均匀分布在v型c切槽202顶点处且开口方向向内；b卯眼204分布在v型b切槽201顶点处且开口方向向外，相同的是a卯眼203与b卯眼204截面均为圆形且直径等于a榫头103直径大小。

所述中环3包括中圈301、a外支撑杆302、b内支撑杆303、b榫头304、c榫头305、d切槽306与e切槽307。中圈301外表面圆周方向上均匀分布a外支撑杆302与d切槽306，相邻的a外支撑杆302呈夹角α(α取值越小越好，一般应小于5°)且中间间隔d切槽306。c榫头305位于a外支撑杆302顶端且截面为圆形，c榫头305直径略大于a外支撑杆302的宽度且等于a卯眼203直径大小。中圈301内表面圆周方向上均匀分布b内支撑杆303与e切槽307，相邻的b内支撑杆303呈夹角α(α取值越小越好，一般应小于5°)且中间间隔e切槽307。b榫头304位于b内支撑杆303顶端且截面为圆形，b榫头304直径略大于b内支撑杆303的宽度。

所述中环驱动环4包括f切槽401、g切槽402、c卯眼403、d卯眼404与b驱动杆405。v型f切槽401沿圆周方向均匀分布在中环驱动环4外侧，f切槽401开口方向向外且v型夹角为βii(一般应小于15°)，相邻f切槽401之间夹角为α；v型g切槽402沿圆周方向均匀分布在中环驱动环4内侧，g切槽402开口方向向内且v型夹角为(一般应小于10°)，相邻g切槽402之间夹角为α。f切槽401与g切槽402之间相隔b驱动杆405，多个b驱动杆405首尾相连构成封闭圆环。c卯眼403与d卯眼404均匀分布在b驱动杆405首尾连接处，不同的是c卯眼403均匀分布在v型g切槽402顶点处且开口方向向内；d卯眼404分布在v型f切槽401顶点处且开口方向向外，相同的是c卯眼403与d卯眼404截面均为圆形且直径等于b榫头304直径大小。

所述内环5包括内圈501、b外支撑杆502、d榫头503、h切槽504与内孔505。内孔505与轴配合；内圆501外表面圆周方向上均匀分布b外支撑杆502与h切槽504，相邻的b外支撑杆502呈夹角α(α取值越小越好，一般应小于5°)且中间间隔h切槽504。d榫头503位于b外支撑杆502顶端，截面为圆形且直径略大于a内支撑杆102的宽度。

在本发明中，a卯眼203、b卯眼204、c卯眼403与d卯眼404直径大小相同；a榫头103、b榫头304、c榫头305与d榫头503直径大小相同。所有卯眼直径大小均等于榫头直径。

在本发明中，外圆101、a内支撑杆102、a驱动杆205、中圈301、a外支撑杆302、b内支撑杆303、b驱动杆405、内圈501与b外支撑杆502宽度大小相同且在保证不发生干涉的情况下取值应尽量大以获得更到的强度。

上述外环1、中环3与内环5所用材料的热膨胀系数较小α1，如钨钢，高速钢或者钛合金等，一般要求热膨胀系数低于10×10^-6/k；外环驱动环2与中环驱动环4所用材料的热膨胀系数较大α2(α2>α1)，如铝合金和锌合金，一般要求热膨胀系数高于20×10^-6/k。

在本发明中，外环1、外环驱动环2、中环3与中环驱动环4，以及内环5均为平面特征，且厚度大小相同。加工方式主要为线切割，其加工方法如下：选取并固定低热膨胀系数板材，如钨钢，沿内环5的内圆面切割出内孔505，再沿内环5外表面切割出b支撑杆502、d榫头503与h切槽504；然后，沿中环3的内表面切割出b内支撑杆303、b榫头304与e切槽307，再沿中环3的外表面切割出a外支撑杆302，c榫头305与d切槽306；最后，沿外环1的外圆面切割出外圆101外轮廓，再沿外环1的内表面切割出a内支撑杆102、a榫头103与a切槽104，至此完成了外环1、中环3与内环5的加工。然后选取并固定高热膨胀系数板材，如铝合金，沿中环驱动环4内表面切割出g切槽402与c卯眼403，再沿中环驱动环4外表面切割出f切槽401与d卯眼404；然后，沿外环驱动环2内表面切割出c切槽202与a卯眼203，再沿外环驱动环2外表面切割出b切槽201与b卯眼204，至此完成了外环驱动环2与中环驱动环4的加工。

在本发明中，外环1、外环驱动环2、中环3与中环驱动环4，以及内环5均采用卯榫结构相连接。装配时由内之外依次配合，内环5的b外支撑杆502置于v型g切槽402内且保证d榫头503与c卯眼403相配合；中环3的b内支撑杆303置于v型f切槽401内且保证b榫头304与d卯眼404相配合；中环3的a外支撑杆302置于v型c切槽202内且保证c榫头305与a卯眼203相配合；外环1的a内支撑杆102置于v型b切槽201内且保证a榫头103与b卯眼204相配合。

所述外环1和内环5沿直径方向的变形量是其自身热应变与力应变相互协调的最终结果。假设外环1、外环驱动环2、中环3与中环驱动环4，以及内环5均由同一种材料加工制作而成，不放设定其热膨胀系数为α1。当环境温度升高时，圆环整体受热膨胀，外环1和内环5的热变形量由整体尺寸，温度差以及材料热膨胀系数唯一确定：δl＝lα1tδ，且圆环内部由于材料的均一性无内应力存在。但当将外环驱动环2和中环驱动环4的材料替换为具有更高热膨胀系数材料时，不放设定低热膨胀系数为α1，高热膨胀系数为α2，外环驱动环2中的a驱动杆205和中环驱动环4中的b驱动杆405无疑将产生更大的热应变，一方面a卯眼203、b卯眼204与c卯眼403、d卯眼404将产生更大的位移；另一方面a榫头103、b榫头304与c榫头305、d榫头503所产生的较小位移，考虑到卯眼与榫头的连接方式不会发生相对位移，将会在圆环内部产生内应力。a驱动杆205与b驱动杆405受压，其变形量将减小；a内支撑杆102、a外支撑杆302、b内支撑杆303与b外支撑杆502受拉，其变形量将增大，最终的效果是通过圆环内部结构的协调变形保持榫头与卯眼的位移大小时刻一致。a内支撑杆102对外圆101施加的拉力会导致外圆101向内收缩；b外支撑杆502对内圆501施加的拉力会导致内圆501向外扩张，因此外圆101与内圆501在热应变与力应变的共同作用下实现可调的热膨胀量，且其具体数值与圆环内部结构尺寸大小有关。

为证实轴孔防胀紧圆环的设计有效性，选取45钢作为轴的材料，其热膨胀系数为11.6×10^-6/k；选取铸铁作为孔的材料。当环境温度升高时，设定轴受热自由膨胀；孔受限于外界约束而不发生热变形。因此其设计要求在于：外圆101的热膨胀系数αo＝0；内圆501的热膨胀系数αi＝11.6×10^-6/k。

针对设计要求：外圆101的热膨胀系数αo＝0；内圆501的热膨胀系数αi＝11.6×10^-6/k。选取钨作为低热膨胀系数材料，其热膨胀系数为α1＝4.2×10^-6/k；选取7075-t6铝合金作为高热膨胀系数材料，其热膨胀系数为α2＝23.6×10^-6/k。

上述公式唯一确定了防胀紧圆环的结构尺寸参数。

设定已知结构参数：外圈101直径d＝120mm，中圈301直径d′＝100，内圈501直径d＝55mm；外圈101、a内支撑杆102、a驱动杆205、a外支撑杆302、b内支撑杆303、b驱动杆405、b外支撑杆502与内圈501宽度t＝0.5mm；相邻a内支撑杆102夹角α＝5°；由上述公式推算出a驱动杆205长度l2＝4.74mm，b驱动杆405长度l4＝18.74mm。有限元仿真结果表明外圈101等效热膨胀系数为4.3×10^-8/k，内圈501等效热膨胀系数为10.7×10^-6/k。

本发明中外圈101、中圈301与内圈501直径可根据实际需要改变其值大小。