伺服阀作为伺服系统核心元件，具有结构紧凑、尺寸精度高、结构复杂特点，因此对多余物极为敏感，在产品装配过程中对环境洁净度有较高要求，装配后还需要反复冲洗以杜绝多余物隐患。由于产品调试过程中部分精密零件需要调整位置或进行整体更换，因此会采用螺纹连接方式，便于零件的装卸。但由于受到空间限制，这些零件尺寸规格较小，多采用M2～M4的普通螺纹，无法采用结构更为强壮的梯形螺纹[1]，因此在反复拆装时螺纹牙顶端尺寸较小部分存在脱落形成多余物的风险，导致产品发生故障。考虑到这些螺纹并不用于承载，对结构强度要求不高，本文提出一种增大螺纹牙顶强度的设计方法，并进行了螺纹失效分析和实物试验，证明了方法的可行性，从而可减小在反复拆装时由于螺牙顶端较薄引起掉渣进而引入多余物的可能性。
1螺纹失效分析方法
螺纹失效模式一般有三种，分别为内螺纹拉脱、外螺纹拉脱和螺杆断裂[2]。内、外螺纹的承载能力取决于螺纹的剪切面积和螺纹材料的剪切强度，剪切面见图1，其中直线为外螺纹剪切面、虚线为内螺纹剪切面。假设螺纹拉脱的瞬间，螺纹圈上的载荷分布是均匀的，且拉伸力平行于螺纹轴线方向，忽略螺纹转动的弯曲应力的影响。在其它情况下由弯曲导致的剪切面积减少用修正因子(c1，c2)来修正。则拉脱力F=c1c2τA(1)式中：τ为螺纹剪切强度，取τ=σb2。抗拉强度σb见表1。c1为膨胀修正因子，c2为螺纹弯曲修正因子，其取值可参考文献[2]。A为剪切面积。当螺纹为标准螺纹时，内、外螺纹的剪切面积分别为：A内螺纹=πd·LPP2+(d-D2)tan30!"°(2)A外螺纹=πD1·LP·P2+(d2-D1)tan30!"°(3)式(2)、(3)中：d为外螺纹大径，D1为内螺纹小径，d、D1又分别为内、外螺纹的剪切面直径，随螺牙高度变化而变化;d2、D2为螺纹中径;L为啮合长度;P为螺距螺纹螺杆的承载能力主要取决于螺杆的横截面积AS和材料的抗拉强度σb，其拉断力：F=σb·As(4)
2螺纹防多余物设计优化方法
2.1优化方法
普通螺纹螺牙顶端部位尺寸较小，在多次反复拆装过程中容易脱落造成多余物。为增加螺牙强度，将螺牙端面尺寸增大，即在加工外螺纹时将底径减小，内螺纹则将底径加大，去除螺牙顶端尺寸较小部位，降低顶端脱落掉渣的风险。螺纹的啮合示意图见图2，图中h为剩余的螺纹啮合高度去除螺牙顶端后，螺纹是否可以正常使用需要进行失效分析和试验验证。由于螺纹规格和啮合长度保持不变，一般不存在螺纹杆断裂的失效模式。而由于螺纹啮合高度发生改变，有可能会导致内、外螺纹拉脱。
2.2案例一：某零件M4外螺纹优化分析
以材料为2Cr13的伺服阀某零件为例，见图3。根据式(1)-(3)，原零件M4×0.5外螺纹拉脱力F外=3896N，原工装内螺纹拉脱力F内=5029N。根据式(4)，螺纹杆断裂拉力F断=5967N，因此原尺寸螺纹主要失效模式为零件外螺纹拉脱，拉脱力约3896N。当缩短M4外螺纹螺牙高度时，外螺牙顶端宽度会增大，同时工装螺纹的剪切面积会随之减小，拉脱力降低，其变化比例如图4所示。若想保持原螺纹失效力不变，则保证工装拉脱力F外≥F内即可，取F外=F内时，工装拉脱力减小为原值的77%，此时外螺纹大径减小0.14mm，螺牙顶端宽度由原来的0.0625mm增至0.1433mm，增大2.3倍。由于此处零件配合关系为间隙配合，拆装时螺纹并不需承受较大拉力，因此螺牙高度可进一步减小以增大螺牙顶端宽度。
2.3案例二：某零件M3内螺纹优化分析
以材料为9Cr18的伺服阀某零件为例，其M3内螺纹主要用于将已压入的零件拔出，所以螺纹拉脱力应大于零件过盈压装力。即拉脱力F应大于配合面上产生的轴向摩擦阻力f[3]。(5)式中：d为配合的公称直径，mm;l为配合面长度，mm;P为接触压力，MPa;η为静摩擦系数，见下表2。(6)式中：δ为过盈量，mm;C1、C2分别为被包容件和包容件的刚性系数，其取值可参考文献[3];E1、E2分别为被包容件和包容件材料的弹性模量，MPa，见表3。根据式(5)、(6)可得到摩擦阻力：f=1237N，根据式(1)-(3)，零件内螺纹拉脱力：F内=5752N，工装外螺纹拉脱力：F外=3545N，工装断裂拉力：F断=2849N，因此原尺寸螺纹主要失效模式为工装断裂，断裂拉力为2849N。当零件内螺纹螺牙高度缩短时，螺牙顶端宽度及工装拉脱力变化比例如图5所示。若想保持原螺纹失效力不变，则保证零件和工装的拉脱力不小于螺杆断裂拉力即可。当F外=F断时，工装拉脱力降为原值的80%，零件内螺纹小径减小0.16mm，螺牙顶端宽度可由0.125mm增至0.2174mm，增大1.7倍。若仅需保证拉脱力不小于压装力1237N，则工装拉脱力可减小为原值的50%，此时零件内螺纹小径减小0.3mm，螺牙顶端宽度可增大近3倍，但处于临界状态，没有安全余量，可根据实际情况进行选择。
3验证试验
3.1某零件M4外螺纹试验
根据实际产品配合关系及尺寸，参见图3，阀体试件仅加工用于与某零件配合的Φ6.4mm的通孔，零件试件仅加工外形尺寸，加工试验件见表4。试验时，将零件试件(带密封圈)装入阀体试件，随后拆除，拆除后经10倍放大检验试验件和工装螺纹，均未出现螺纹损坏情况，试验可验证优化后螺纹的有效性.
3.2某零件M3内螺纹试验
根据实际产品配合关系及尺寸，阀体试件加工4个Φ4mm的通孔，可与8个某零件试件过盈配合，保证过盈0.003-0.005mm，过盈长度约9mm，M3内螺纹长度不小于4mm，加工试验件见表5。试验时，将某零件试件压装入阀体试件，随后拆除，拆除后经10倍放大检验试验件螺纹，仅压装力为180kgf的零件试件拆除后，拆装工装的螺纹轻微受损，但由于真实产品压装力范围为60~170kgf，试验结果见表6，可验证优化后螺纹的有效性。
4结束语
本文提出了一种防多余物的螺纹优化设计方法，通过增大螺纹牙顶强度，减少零件在反复拆装时由于螺牙掉渣引入多余物的隐患，详细介绍了优化方法的设计计算过程，进行了螺纹失效分析，并对优化后的螺纹进行了有效性实物试验验证，证明了方法的可行性。该螺纹优化方案可用于设计参考，在工程实践之前仍需大量试验对优化方案的可靠性进行验证。
参考文献：
[1]成大先.机械设计手册(第五版)第2卷[M].北京：化学工业出版社，1994.
[2]陶俊，等.螺纹拉脱失效模式与啮合长度关系探究[J].机械强度，2013，35(4)：526-530.
[3]孙海军.过盈配合时压装力的计算[J].制造业信息化机械，2016，43(S1)：42-44.
《伺服阀用螺纹防多余物优化设计分析》来源：《科技创新与应用》，作者：刘雅洁 丁宇亭
