内六角圆柱头带肩衬套结构设计

　　做机械结构设计这十几年，这类带肩内六角衬套是装配图里出镜率极高的零件，别看着结构简单，真要做的适配工况、装拆顺畅，细节上要抠的点一点不少。先从实际应用场景说，这类零件最常出现在机床夹具、工装定位、3D打印设备的运动模组连接位，还有自动化线的快换结构里，主要作用是给螺栓连接提供精准的定位支撑，同时分散螺栓头对被连接件的压应力，避免软质基材比如铝型材、3D打印的工程塑料件被螺栓头压溃，也能在频繁拆装的工位里保护基材的安装孔不被反复磨损，延长整套工装的使用寿命。

　　说回结构本身，这个零件采用带肩的阶梯轴式设计，上端的大直径凸台是承压面，装配后这个端面会完全贴紧被连接件的表面，凸台的外径比下端的杆部大出一个台阶，这个台阶的高度要严格匹配被连接件的沉孔深度，不能凸出来也不能凹进去太多——凸出来的话连接面会有间隙，锁螺栓的时候容易出现偏载，凹进去超过0.2mm的话，承压面积就不够，锁紧紧固件的时候单位面积压应力超标，很容易把基材表面压出凹痕，后续拆装就会出现定位偏移。下端的杆部是和安装孔配合的部分，一般根据使用场景选配合公差，如果是定位用的场合选H7/h6的间隙配合，拆装方便还能保证定位精度，如果是需要过盈定位的场合就选p6的公差，压装后不会出现窜动。

　　上端的内六角驱动孔是这个零件的核心操作结构，设计的时候内六角的对边尺寸要严格对应标准内六角扳手的尺寸，孔的深度要保证扳手能完全插入，至少要达到对边尺寸的1.2倍，不然拧动的时候很容易出现滑角，尤其是在需要一定预紧力的装配场景，扳手插深不够的话，稍微用点力就会把内六角孔的棱边拧圆，整个零件就直接报废了。另外内六角孔的底部要做退刀结构，不能是尖底，一方面是加工的时候铣刀可以直接扎进去加工，不需要额外的清根工序，降低加工成本，另一方面也能避免应力集中，在承受侧向力的时候不会从孔底的位置开裂。

　　从安装边界来说，这类零件的杆部长度要比被连接件的通孔深度短0.1到0.3mm，这样锁紧紧固件的时候，凸台的端面能完全压实被连接件，不会出现杆部顶到对面安装面导致凸台压不实的情况。凸台的外径一般设计成杆部直径的1.5倍左右，这个比例是经过无数次工况验证的，既能保证足够的承压面积，又不会因为凸台太大占用过多的装配空间，尤其是在排布比较密集的安装孔位，凸台太大的话会和相邻的零件产生干涉，设计的时候还要注意凸台的外圆和下端杆部的同轴度，一般要控制在0.05mm以内，不然压入安装孔之后凸台会出现偏斜，导致连接面的受力不均匀。

　　实际加工的时候，这类零件如果是小批量做可以用圆钢直接车削成型，上端的内六角孔可以用插床或者电火花加工，大批量生产的话直接用冷镦工艺一次成型，效率高还能保证零件的纤维连续性，强度比切削加工的高30%左右。表面处理一般根据使用场景选，普通工况下做发黑处理就够，防锈成本低，如果是在潮湿或者有腐蚀的环境里用，就做镀锌或者达克罗处理，3D打印设备里用的这类衬套有时候还会做PTFE涂层，降低和螺栓之间的摩擦系数，拆装的时候更顺畅，也不会因为反复拆装出现咬合的情况。

　　很多刚入行的设计师画这类零件的时候，经常会忽略凸台端面和杆部轴线的垂直度要求，这个公差其实很关键，一般要控制在0.02mm以内，如果垂直度超差，锁螺栓的时候凸台端面是斜的，螺栓的预紧力会出现偏载，时间长了螺栓很容易出现疲劳断裂，被连接件的表面也会被压出不均匀的凹痕，整套结构的连接刚性会大打折扣。另外内六角孔的轴线和杆部轴线的同轴度也要控制好，不然拧扳手的时候会出现别劲的情况，操作起来很不顺手，还容易损坏扳手。

　　在3D打印设备的运动模组里，这类衬套一般用在同步轮的安装位、导轨的固定位，因为3D打印设备的框架很多是用铝型材或者工程塑料打印的，本身的材料强度不高，直接锁螺栓的话很容易把安装孔压坏，加上这类衬套之后，螺栓的锁紧力会通过衬套的凸台均匀分散到基材表面，杆部还能给安装孔提供补强，就算反复拆装调整，安装孔也不会出现磨损变大的情况，能长时间保证运动部件的安装精度，这对3D打印的成型精度来说是至关重要的——如果导轨的安装孔因为拆装出现间隙，打印的时候喷头就会出现偏移，打出来的零件尺寸就会超差。

　　还有在机床的工装夹具里，这类衬套经常用来做定位销的衬套，这时候杆部和夹具安装孔的配合会选更紧的过盈配合，内六角孔是用来拆卸衬套用的，更换磨损的定位销的时候，不需要把整个夹具拆开，直接用内六角扳手拧在衬套的内六角孔里就能把衬套拔出来，更换效率很高，也不会损坏夹具的基体。这时候衬套的内孔要和定位销做滑动配合，内孔的表面粗糙度要达到Ra1.6以下，保证定位销插拔顺畅，同时有足够的耐磨性能，一般会做淬火处理，硬度达到HRC45-50，这样就算反复插拔定位销，衬套也不会很快磨损，能长时间保证定位精度。