分段式锥面回转曲面结构件设计

　　做机械结构设计久了，常会碰到一些看似造型简单，实则对曲面顺滑度、分段衔接精度要求不低的回转类构件，这次梳理的这个分段锥面结构件，就是日常做非标设备、手持工具类产品时经常会碰到的典型外形类零件。先从实际应用场景说起，这类带环形分段凹槽的锥状回转件，最常出现在手持操作类工具的握持外套、流体管路的过渡导流段、小型气动元件的外防护套这类位置，拿手持工具的握把套来说，这种分段的环形槽一方面是增加握持时的摩擦力，避免手上沾了油污或者切削液的时候打滑，另一方面每一段的锥度变化是贴合人手握持时的指腹弧度做的，长时间握持操作的时候不会因为局部应力集中压得手疼，比光面的直筒握把人机功效好很多。再说到流体管路里的应用场景，这种渐缩带环槽的外轮廓，如果是做管路内部的导流衬套，环槽的位置可以刚好嵌入密封圈，实现多段的密封隔离，避免不同压力段的介质串流，渐缩的锥面可以让流体在管路里逐步变向或者提速，减少直角转折带来的湍流和压损，比突然变径的结构流阻要低30%左右，在小型气动工具的进气管路、低压喷涂设备的料路过渡段里很实用。

　　从设计思路上拆解这个零件，首先要确定的是整体的回转轴线，所有的曲面特征都是围绕这条中心轴线做旋转生成的，先搭出整体的外轮廓母线：从左端的小直径连接端开始，先做两段小直径的圆柱段，这部分是用来和相邻的零件做插接配合的，直径公差一般选h7级，配合长度根据实际安装的受力情况定，要是做手持握把的话，这部分是插在工具内部的骨架上，长度要保证插接后不会出现径向晃动，要是做管路衬套的话，这部分是插入上游管路的接口内，配合面的粗糙度要控制在Ra1.6以下，避免密封失效。过了左端的连接段之后，母线开始以固定的斜度向外扩张，每扩张一段长度就做一圈环形的凹槽，凹槽的截面是圆弧过渡的，没有尖锐的棱角，一方面是注塑或者机加工的时候方便出模、走刀，不会出现应力集中的缺口，另一方面不管是做握把还是做密封槽，圆弧过渡的位置都不会割手或者割伤密封圈。整个零件的母线是平滑过渡的，每一段锥面的斜率不是完全一致的，靠近左端连接端的锥度稍大，快速扩径到握持或者通流需要的直径，靠近右端的大端面位置锥度放缓，形成一个平缓的收尾，右端的端面做了小的倒角，避免装配的时候刮伤操作人员或者相邻的密封件。

　　说到安装边界的问题，这个零件因为是纯回转体，安装的时候只需要保证和配合件的同轴度，左端的插接段是主要的定位基准，安装后整个零件的外轮廓不会超出配合件的最大外圆直径，环槽的深度控制在1.5mm到2mm之间，不会因为槽太深导致零件的壁厚不够，影响结构强度——毕竟如果是做塑料握把套的话，壁厚太薄的话注塑的时候容易出现缩痕，使用的时候受挤压也容易开裂，如果是做金属的导流衬套，槽太深会导致局部壁厚不足，承压的时候容易出现变形泄漏。另外设计的时候要注意，每一段环槽之间的凸起段的宽度是符合人手握持的指节间距的，大概在20mm到25mm之间，刚好能让指腹落在凸起的弧面上，凹槽的位置刚好是指节弯曲的间隙位置，握持的时候手指不会卡在槽里，操作的时候转动工具也更顺手。要是用在流体管路里，环槽的宽度要和选用的O型密封圈的线径匹配，槽的深度要保证密封圈压缩量在15%到25%之间，既保证密封效果，又不会因为压缩量太大导致密封圈过早老化失效。

　　从功能特性上看，这种分段锥面的结构比等直径的直筒结构适用性更广，首先是变径的特性可以适配不同直径的上下游连接端，不需要额外做转接头，减少了管路或者装配的零件数量；其次表面的环形槽结构实现了一物多用，不需要额外在零件表面滚花或者加装密封圈，直接通过本体的结构特征实现防滑、密封的功能，减少了后续的加工工序；另外整个零件是一体化的回转结构，没有拼接的焊缝或者接缝，不管是做塑料件注塑还是金属件车削加工，工艺性都很好，不需要复杂的工装夹具，普通的数控车床一次装夹就能完成全部外轮廓的加工，生产效率高，废品率低。做这类零件建模的时候要特别注意母线的顺滑度，每一段锥面和环槽的衔接位置要做相切约束，不能出现硬拐点，不然旋转生成的曲面会有棱边，不管是握持手感还是流体通过的顺畅度都会受影响，加工的时候也会因为刀路的突然转折出现刀痕，增加后续抛光的工作量。另外要注意整体的壁厚均匀性，尤其是做塑料件的时候，整个圆周方向的壁厚差不能超过1mm，不然注塑冷却的时候收缩不一致，会导致零件出现翘曲变形，装配的时候和基准件不同轴，出现偏心的问题。实际选型应用的时候，要是用在有腐蚀介质的环境里，比如喷涂设备的料路衬套，可以选用氟塑料或者不锈钢材质，环槽的位置可以多加一道密封圈，提升耐介质腐蚀的能力；要是用在手持电动工具的握把位置，可以选用软胶包胶的工艺，在硬塑料的基体外面覆一层软质TPE，环槽的位置软胶厚度稍厚一点，握持的减震效果会更好，长时间使用工具的时候手臂的震动疲劳会明显降低。