CN115355236A - 一种大扭矩扭转作动机构及其制造方法 - Google Patents

一种大扭矩扭转作动机构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械运动装置技术领域，涉及一种大扭矩扭转作动机构及其制造方法。所述大扭矩作动机构包括扭转轴芯和固定组件，所述扭转轴芯为多个叠层布置的扭片或多个相互并联的扭杆；所述固定组件为扭片固定端头或扭杆固定端头，用于固定扭片或扭杆的两端；所述扭转轴芯的材质为马氏体沉淀硬化超高强度弹性合金；所述固定组件的材质为高强度不锈钢或高强度钢。本发明得到的大扭矩扭转作动机构，有效实现了长寿命大扭矩往复运动机构的性能稳定性和大角度转动，为可维护性扭转运动装置的稳定使用提供技术支撑。

Description

一种大扭矩扭转作动机构及其制造方法
技术领域
本发明属于机械运动装置技术领域，特别涉及一种大扭矩作动机构及其制造方法。
背景技术
现阶段应用的扭转作动机构，普遍是采用等宽度叠片结构，其材质以18Ni马氏体时效钢为主，如50CrVA、NL-2，其扭转弹性极限为1150MPa以下，具有大角度扭转运行强度不高及往复回弹稳定性低的问题。
为了满足相关结构的适用空间和服役载荷需求，当前的扭杆材料及其结构形式受基体材料的力学性能和结构设计的局限，扭转作动机构存在外形轮廓尺寸偏大、转动扭矩不足的问题，在较小尺寸空间获得较大的扭转作用力方面存在短板。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种大扭矩扭转作动机构及其制造方法，通过改进扭转结构的设计形式，开发出适于小尺寸空间使用的大扭矩结构形式，有效解决了当前扭转作动机构在实际应用过程中由于外轮廓尺寸偏大而无法在较小空间使用的问题，并通过采用开发的高强度弹性合金，获得大扭矩作用力，从而有效提高扭转作动机构的适用性和稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种大扭矩扭转作动机构，包括扭转轴芯和固定组件，其中，
所述扭转轴芯为多个叠层布置的扭片或多个相互并联的扭杆。
所述固定组件为扭片固定端头或扭杆固定端头，用于固定扭片或扭杆的两端。
所述扭转轴芯的材质为马氏体沉淀硬化超高强度弹性合金。
所述固定组件的材质为高强度不锈钢或高强度钢。
所述固定组件具有与扭转轴芯的横截面形状相应的凹槽。
所述多个叠层布置的扭片的宽度相等或者自中间层向边缘层梯度递减。
叠层布置的扭片的层数d＝3～20。
叠层布置的扭片之间涂有润滑脂或设有滑动凸台，所述凸台高度h＝0.01～0.1mm。
所述多个相互并联的扭杆的并联形式包括4杆并联、5杆并联、6杆并联和7杆并联。
所述多个相互并联的扭杆的并联形式包括各扭杆沿圆周方向均匀分布或者一个扭杆位于轴心，其余扭杆沿圆周方向均匀分布。
所述扭转轴芯的材质化学成分按质量百分比为Ni：15～25％，Co：6～15％，Mo：2～6％，Ti：0.5～5％，Al：0.1～0.5％，其余为Fe。
所述扭转轴芯在加工成品后，进行固溶热处理和时效热处理，热处理工艺为：固溶热处理750℃～900℃保温10min～90min，时效热处理450℃～550℃保温30min～400min；
所述固定端头在加工成品后，进行固溶热处理和时效热处理，热处理工艺为：固溶热处理1000℃～1200℃保温20min～90min，时效热处理350℃～550℃保温10min～90min。
一种所述的大扭矩扭转作动机构的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、选用高强度弹性合金加工成扭转轴芯，表面光洁度达到1.6；选用高强度不锈钢或高强度钢加工固定组件；将扭转轴芯和固定组件分别进行固溶热处理和时效热处理；
步骤2，将扭转轴芯的两端固定在固定组件中，采用扭矩扳手将固定组件进行加载扭转，从而实现大扭矩扭转作动机构的加载。
所述扭转轴芯的热处理工艺为：固溶热处理750℃～900℃保温10min～90min，时效热处理450℃～550℃保温30min～400min；所述固定组件的热处理工艺为：固溶热处理1000℃～1200℃保温20min～90min，时效热处理350℃～550℃保温10min～90min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的大扭矩扭转作动机构，通过多种结构形式实现了对扭转作动机构的外轮廓尺寸优化，可满足较小空间条件的使用要求；采用自主开发的高强度弹性合金加工扭片、扭杆，结合扭转结构形式设计，可在保持较小空间尺寸的基础上获得扭转作用力的大幅提升，为扭转作动机构在小尺寸大扭矩工况环境的稳定使用提供保障。
附图说明
图1为本发明的多个叠层布置的扭片的结构示意图；
图2为本发明的多个相互并联的扭杆的结构示意图；
图3a为本发明的扭片固定端头的结构示意图；
图3b为本发明的扭杆固定端头的结构示意图；
图4a为本发明的宽度相等的多个叠层布置的扭片的结构示意图；
图4b为本发明的宽度自中间层向边缘层梯度递减的多个叠层布置的扭片的结构示意图；
图5a为与图4a相对应的扭片固定端头的结构示意图；
图5b为与图4b相对应的扭片固定端头的结构示意图；
图6为本发明的4～7个相互并联的扭杆的结构示意图；
图7为与图6相对应的扭杆固定端头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
一种大扭矩扭转作动机构，包括高强度弹性扭转轴芯和固定组件；其中，所述扭转轴芯为多个叠层布置的扭片(如图1所示)或多个相互并联的扭杆(如图2所示)；所述固定组件为扭片固定端头(如图3a所示)或扭杆固定端头(如图3b所示)，用于固定扭片或扭杆的两端。
所述多个叠层布置的扭片的宽度相等(如图4a所示)或者自中间层向边缘层梯度递减(如图4b所示)，叠层布置的扭片的层数d＝3～20。
所述扭片固定端头具有与多个叠层布置的扭片的横截面形状相应的凹槽，如图5a所示，所述凹槽为与宽度相等的叠层布置的扭片的横截面的形状相应的矩形槽；如图5b所示，所述凹槽的形状为与宽度自中间层向边缘层梯度递减的叠层布置的扭片的横截面的形状相应。
多个相互并联的扭杆的并联形式如图6所示，从左至右依次为4杆并联、5杆并联、6杆并联和7杆并联。其中，4杆并联和5杆并联中各扭杆沿圆周方向均匀分布；6杆并联和7杆并联中，一个扭杆位于轴心，其余扭杆沿圆周方向均匀分布。
所述扭杆固定端头具有与多个相互并联的扭杆的横截面形状相应的凹槽，如图7所示，从左至右依次为与4杆并联、5杆并联、6杆并联和7杆并联相对应的凹槽。
所述扭转轴芯的材质为马氏体沉淀硬化超高强度弹性合金。
所述扭转轴芯的化学成分按质量百分比为Fe 48.5～76.4％，Ni 15～25％，Co 6～15％，Mo 2～6％，Ti 0.5～5％，Al 0.1～0.5％。
所述扭转轴芯在加工成品后，需要进行固溶热处理和时效热处理，热处理工艺为：固溶热处理750℃～900℃保温10min～90min，时效热处理450℃～550℃保温30min～400min。
所述固定组件在加工成品后，热处理工艺为：固溶热处理1000℃～1200℃保温20min～90min，时效热处理350℃～550℃保温10min～90min。
所述固定组件的材质为高强度不锈钢或高强度钢。
所述大扭矩扭转作动机构的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、选用高强度弹性合金加工成扭转轴芯，表面光洁度达到1.6；选用高强度不锈钢或高强度钢加工固定组件。
步骤2、将扭转轴芯固定在固定组件中，采用扭矩扳手将固定组件进行加载扭转，从而实现大扭矩扭转作动机构的加载。
实施例1
选用NL-2为扭片材料，合金成分为：Ni 18.51％、Co 10.30％、Mo 4.72％、Ti0.93％、Al 0.11％、Fe 65.43％，按照自中间层向边缘层梯度递减的方式，加工8个等长不等宽的扭片，其长度为210mm；选用15-5不锈钢加工成扭片固定端头。将扭片进行850℃固溶和550℃时效热处理，扭片固定端头进行1000℃固溶和500℃时效热处理后，进行扭片与扭片固定端头的装配组合。在扭转角度为126°时，测得扭矩达到50N·m。
实施例2
选用TM210A为扭杆材料，合金成分为：Ni 17.73％、Co 9.95％、Mo 4.61％、Ti0.95％、Al 0.14％、Fe 66.62％，按照5根并联的方式，加工5个等长、单杆直径φ4.4mm的扭杆，其长度为280mm；选用15-5不锈钢加工成扭杆固定端头。将扭杆进行850℃固溶和550℃时效热处理，扭杆固定端头进行1000℃固溶和500℃时效热处理后，进行扭杆与扭杆固定端头的装配组合。在扭转角度为120°时，测得扭矩达到99N·m。

Claims (11)

1.一种大扭矩扭转作动机构，其特征在于，包括扭转轴芯和固定组件，其中，
所述扭转轴芯为多个叠层布置的扭片或多个相互并联的扭杆；
所述固定组件为扭片固定端头或扭杆固定端头，用于固定扭片或扭杆的两端；
所述扭转轴芯的材质为马氏体沉淀硬化超高强度弹性合金；
所述固定组件的材质为高强度不锈钢或高强度钢。
2.根据权利要求1所述的大扭矩扭转作动机构，其特征在于，所述固定组件具有与扭转轴芯的横截面形状相应的凹槽。
3.根据权利要求1所述的大扭矩扭转作动机构，其特征在于，所述多个叠层布置的扭片的宽度相等或者自中间层向边缘层梯度递减。
4.根据权利要求1所述的大扭矩扭转作动机构，其特征在于，叠层布置的扭片的层数d＝3～20。
5.根据权利要求1所述的大扭矩扭转作动机构，其特征在于，叠层布置的扭片之间涂有润滑脂或设有滑动凸台，所述凸台高度h＝0.01～0.1mm。
6.根据权利要求1所述的大扭矩扭转作动机构，其特征在于，所述多个相互并联的扭杆的并联形式包括4杆并联、5杆并联、6杆并联和7杆并联。
7.根据权利要求1所述的大扭矩扭转作动机构，其特征在于，所述多个相互并联的扭杆的并联形式包括各扭杆沿圆周方向均匀分布或者一个扭杆位于轴心，其余扭杆沿圆周方向均匀分布。
8.根据权利要求1所述的大扭矩扭转作动机构，其特征在于，所述扭转轴芯的材质化学成分按质量百分比为Ni：15～25％，Co：6～15％，Mo：2～6％，Ti：0.5～5％，Al：0.1～0.5％，其余为Fe。
9.根据权利要求1所述的大扭矩扭转作动机构，其特征在于，所述扭转轴芯在加工成品后，进行固溶热处理和时效热处理，热处理工艺为：固溶热处理750℃～900℃保温10min～90min，时效热处理450℃～550℃保温30min～400min；
所述固定端头在加工成品后，进行固溶热处理和时效热处理，热处理工艺为：固溶热处理1000℃～1200℃保温20min～90min，时效热处理350℃～550℃保温10min～90min。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的大扭矩扭转作动机构的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：
步骤1、选用高强度弹性合金加工成扭转轴芯，表面光洁度达到1.6；选用高强度不锈钢或高强度钢加工固定组件；将扭转轴芯和固定组件分别进行固溶热处理和时效热处理；
步骤2，将扭转轴芯的两端固定在固定组件中，采用扭矩扳手将固定组件进行加载扭转，从而实现大扭矩扭转作动机构的加载。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述扭转轴芯的热处理工艺为：固溶热处理750℃～900℃保温10min～90min，时效热处理450℃～550℃保温30min～400min；所述固定组件的热处理工艺为：固溶热处理1000℃～1200℃保温20min～90min，时效热处理350℃～550℃保温10min～90min。
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