（机械制造及其自动化专业论文）丝杠冷滚打过程金属流动规律及参数控制研究.pdf

摘要 论文题目：丝杠冷滚打过程金属流动规律及参数控制研究 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：谭金强 指导教师：李言教授 摘要 签名： 签名： 丝杠的加工方法按是否产生切屑可以分为切削加工和塑性加工两种，前者如车削、旋 风铣削和磨削等，后者包括挤压、滚压、冷轧和冷滚打等。其中，丝杠冷滚打是利用金属 材料在冷态下具有一定塑性变形能力的特点，根据滚打轮和丝杠轴坯的运动关系，采用高 速旋转的滚打轮对丝杠轴坯进行滚压和击打而累积形成零件廓形的一种绿色加工方法。研 究其成形过程中的金属流动规律及参数对成形件质量的影响具有重要的理论意义和实用 价值。 论文分析了冷滚打成形过程中金属塑性变形的特点，根据金属塑性变形的原理，研究 了影响冷滚打成形的因素；基于金属塑性成形有限元法的基本理论和成形过程中滚打轮与 工件之间的运动关系，建立了丝杠冷滚打成形过程的有限元分析模型，采用有限元分析软 件a b a q u s 对丝杠成形过程进行了数值模拟。 运用最小阻力定律研究了工件廓形的形成过程；分析了冷滚打成形过程中的工件变形 区金属流动速度场、等效应力场与等效应变场的分布情况；选取不同部位节点研究了成形 过程中工件的变形情况，得到了这些节点的等效塑性应变随时间的变化曲线，揭示了冷滚 打成形过程中金属流动规律。 根据仿真结果，获得了丝杠截面廓形上节点坐标值及工件轮廓曲线，运用最d - - 乘法 对轮廓曲线进行了拟合，得到了拟合公式，并与滚打轮廓形曲线进行了比对，为形成精确 的丝杠廓形奠定了基础。 采用正交试验和仿真分析法，研究了打入量、滚打轮厚度、滚打轮转速和工件转速等 工艺参数对成形过程中工件受力及击打变形深度和凸起高度的影响规律；分析了打入量对 成形过程的影响规律；建立了击打变形深度与工艺参数、凸起高度与工艺参数间的多元回 归模型，并验证了其有效性，这对通过控制工艺参数形成精确的丝杠廓形有重要的指导意 义。 关键词：冷滚打丝杠 塑性成形流动规律正交试验 本论文的研究得到了国家自然基金项目“功能表面高速单点累积成形机理及参数控制 方法研究( 项目编号：5 0 9 7 5 2 2 9 ) ”和陕西省科技计划基金资助项目“丝杠高速滚打成形 西安理工大学硕士学位论文 机理及参数控制方法研究( 项目编号：2 0 0 9 j q 7 0 0 3 ) ”的资助。 i i t i t l e ：s t u d yo nt h ef o l wl a w c o n t r o li nc o l dr o l l - b e a t i n g o fm e t a la n dp a r a m e t e r s p r o c e s so fl e a ds c r e w m a j o r ：m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n n a m e ：t a nj i n q i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l iy a h a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： ， t h em a c h i n i n gm e t h o d so fl e a ds c r e wc a nb ed i v i d e di n t om a c h i n i n ga n dp l a s t i cf o r m i n g a c c o r d i n gt ow h e t h e rc h i p sa r ep r o d u c e d t h ef o r m e ri n c l u d e st u r n i n g ，w h i r l i n g ，g r i n d i n g ，e t c ； t h el a t t e rc o n t a i n se x t r u d i n g ，r o l l i n g ，c o l dr o l l i n ga n dc o l dr o l l b e a t i n g ，a n ds o o n c o l d r o l l b e a t i n gi sag r e e nf o r m i n gm e t h o d s ，r e f e r st ot h et e c h n o l o g yt h a tm a k e s u s eo ft h ep l a s t i c y i e l d i n ga b i l i t i e so f m e t a lm a t e r i a lu n d e rc o l d ，a d o p t sh i g hr o t a t es p e e dr o l l e r st or o l la n db e a t t h es h mb l a n ko fl e a ds c r e wa n df i n a l l ya c c u m u l a t e sp r o f i l eo fp a r t t h er e s e a r c ho nm e t a lf l o w r u l e ra n di n f l u e n c eo fp a r a m e t e r so nf o r m e dp a r tq u a l i t yw i l lh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lu s e t h ef e a n l r e sd u r i n gm e t a lp l a s t i cd e f o r m a t i o no fc o l dr o l l - b e a t i n gf o r m i n gp r o c e s sa r e a n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ef a c t o r sa f f e c tt h ef o r m i n gp r o c e s sa r es t u d i e da c c o r d i n g t ot h e o r i e s o fm e t a lp l a s t i cd e f o r m i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，w h i c hi sf o u n do nb a s i ct h e o r i e so f m e t a lp l a s t i cf o r m i n ga n dk i n e m a t i cr e l a t i o n sb e t w e e nr o l l e ra n dw o r k p i e c ei np r o c e s so fc o l d r o l l b e a t i n gl e a ds c r e wi se s t a b l i s h e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c o l dr o l l - b e a t i n gl e a ds c r e wi s p e r f o r m e db yu s i n gt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u s t h ef o r m i n gp r o c e s so fw o r k p i e c ep r o f i l ei sa n a l y z e db yu s i n gm i n i m u mr e s i s t a n c el a w ； d i s t r i b u t i o n so fm e t a lf l o wv e l o c i t yf i e l d ，s t r e s sa n de q u i v a l e n ts t r a i nf i e l di nd e f o r m i n gz o n eo f w o r k p i e c ea r ea n a l y z e d ；d e f o r m a t i o ns i t u a t i o n so fs e l e c t e dd i f f e r e n tn o d e so fw o r k p i e c ea r e s t u d i e d ，a n de q u i v a l e n ts t r a i nh i s t o r yc u r v e so ft h e s en o d e sa r eo b t a i n e d t h er e s u l t sa b o v e r e v e a lt h em e t a lf l o wr u l e ro fc o l dr o l l - b e a t i n gf o r m i n gp r o c e s s t h en o d e sc o o r d i n a t ef i g u r e so nt h ec r o s ss e c t i o np r o f i l eo fl e a ds c r e w , a sw e l la st h ep r o f i l e c u r v e ，a r eo b t a i n e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o n f i t t i n gf o r m u l ao f t h ep r o f i l ec u r v ei s d r e wa n dc o m p a r e dw i t ht h ep r o f i l ec u r v eo fr o l l e r a l lo ft h e s ew i l ll a yf o u n d a t i o no ff o r m i n g a c c u r a t ep r o f i l e o r t h o g o n a l t e s tt o g e t h e rw i t hs i m u l a t i o na n a l y s i si sa d o p ta n di n f l u e n c e so fp r o c e s s i n g p a r a m e t e r ss u c ha sa m o u n to fb e a t i n g ，r o l l e rt h i c k n e s s ，r o t a t es p e e do f r o l l e ra n dw o r k p i e c eo n 西安理工大学硕士学位论文 t h ef o r c e so fw o r k p i e c e ，d e f o r m a t i o nd e p t ha n db u l g i n gh e i g h ti nf o r m i n gp r o c e s sa r es t u d i e d ； t h ei n f l u e n c er u l e so f b e a t i n ga m o u n to nf o r m i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e d ；m u l t i v a r i a t er e g r e s s i o n m o d e l sb e t w e e nd e f o r m a t i o nd e p t ha n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，b u l g i n gh e i g h ta n d p r o c e s s i n g p a r a m e t e r sa r eb u i l t ，a n dt h e i re f f e c t i v i t i e sa r ev e r i f i e d t h i sw i l lh a v ei m p o r t a n tg u i d i n g s i g n i f i c a n c e sf o rf o r m i n ga c c u r a t ep r o f i l eo fl e a ds c r e wb yc o n t r o l l i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：c o l dr o l l b e a t i n gl e a ds c r e wp l a s t i cf o r m i n gf l o w l a wo r t h o g o n a lt e s t t h es t u d yi ss u p p o r t e db yn a t i o ns c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n s f c ) p r o j e c t t h es t u d yo n m e c h a n i s ma n dm e t h o dp r o c i s i o nc o n t r o lo ff u n c t i o ns u r f a c eh i g h - s p e e d s i n g l ep o i n t a c c u m u l a t i o nf o r m i n g ( n u m b e r ：5 0 9 7 5 2 2 9 ) a n ds h a a n x ip r o v i n c es c i e n c ep l a n n i n gf o u n d a t i o n f i n a n c i a la i dp r o j e c t t h es t u d yo nm e c h a n i s ma n dm e t h o dp a r a m e t e rc o n t r o lo fl e a ds c r e w 1 1 i g h s p e e dr o l l - b e a t i n gs h a p i n g ( n u m b e r ：2 0 0 9 j q 7 0 0 3 ) ” i i 一一 目录 目录 1 绪论l 1 1 课题的研究背景及意义l 1 2 精密塑性点成形技术研究现状2 1 3 丝杠的加工现状及发展趋势5 1 3 1 丝杠的切削加工5 1 3 2 丝杠的塑性加工5 1 3 3 丝杠加工的发展趋势6 1 4 冷滚打成形技术研究现状6 1 5 课题主要研究内容7 2 丝杠冷滚打成形的理论研究9 2 1 金属塑性变形理论概述9 2 1 1 金属塑性变形实质9 2 1 2 影响金属塑性的主要因素9 2 1 3 影响金属变形抗力的主要因素1 1 2 1 4 塑性变形的应力应变关系1 2 2 1 5 屈服准则1 2 2 1 6 金属流动的相关理论1 3 2 2 丝杠冷滚打成形原理1 4 2 3 丝杠冷滚打成形特点1 4 2 3 1 变形特点1 5 2 3 2 成形条件1 5 2 3 3 接触区特点1 6 2 4 影响冷滚打成形的因素分析1 7 2 4 1 影响成形轮廓的因素1 7 2 4 2 滚打力对成形的影响，1 8 2 4 3 变形程度对成形的影响1 8 2 5 冷滚打成形过程变形力分析1 8 2 6 本章小结2 0 3 丝杠冷滚打成形有限元仿真2 1 3 1 金属塑性变形有限元基本理论2 l 3 1 1 金属塑性成形的模拟方法2 l 3 1 2 金属塑性成形的有限元法概述2 1 3 1 3 弹塑性有限元法求解的基本步骤2 2 3 2 有限元分析软件a b a q u s 简介2 2 西安理工大学硕士学位论文 3 ，2 1a b a o u s 简介2 2 3 2 2 显式动力学有限元法2 3 3 3 丝杠冷滚打成形机理2 4 3 4 丝杠冷滚打成形有限元仿真2 5 3 4 1 丝杠冷滚打成形有限元模拟流程2 5 3 4 2 几何模型2 7 3 4 3 材料模型2 7 3 4 4 有限元网格模型2 8 3 4 5 仿真参数设置及相关假设2 9 3 4 6 相关问题处理3 0 3 5 本章小结3 0 4 丝杠冷滚打成形数值模拟结果分析3 1 4 1 成形过程3 1 4 2 速度场分析3 2 4 3 应变场分析3 3 4 3 1 不同时刻等效塑性应变3 3 4 3 2 侧壁金属流动情况3 4 4 3 3 齿根金属流动情况3 5 4 3 4 齿顶金属流动情况3 5 4 4 应力场分析3 6 4 4 1 不同时刻等效应力3 7 4 4 2 侧壁的应力3 7 4 4 3 齿根的应力3 8 4 4 4 齿顶的应力3 8 4 5 工件截形分析3 9 4 6 本章小结4 1 5 丝杠冷滚打成形过程工艺参数优化4 3 5 1 正交试验设计4 3 5 2 因素水平表及正交试验方案4 4 5 3 正交试验结果分析4 5 5 3 1 径向滚压力4 5 5 3 2 轴向挤压力4 7 5 3 3 切向击打力4 8 5 3 4 凸起最大值5 0 5 3 5 凹槽最深量一，5 l i i 目录 5 4 丝杠冷滚打成形过程中打入量的分析5 2 5 5 丝杠冷滚打成形工艺参数的多元回归分析5 4 5 5 1 多元回归模型的建立与求解5 4 5 5 2 多元回归方程的显著性检验5 5 5 6 本章小结5 6 6 总结与展望5 7 6 1 总结5 7 6 2 展望5 8 致谢5 9 参考文献6 1 攻读硕士期间发表的论文及科研成果6 5 i i i 西安理工大学硕士学位论文 i v 第1 章绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着世界各国制造业竞争的加剧，高效、精密、低成本、绿色、节能的加工技术已成 为当今制造) j 口- r 领域重点研究和发展的方向之一，而探索绿色、高速、精密塑性加工的新 方法是该领域的重要研究课题【l 圳。 精密塑性成形是一种通过塑性变形方法来实现零件精密成形的先进制造技术。精密塑 性成形技术加工的零件具有良好的内部组织与性能，而且成形精度高、切削加工量极小， 因此成形件表面的细化晶粒得以保存，金属纤维的连续性不受破坏，从而提高了零件的使 用性能。大量实践证明【4 巧】，通过工艺改进和工艺复合，以及工艺的多样化来降低设备投 资，降低模具消耗和最终降低产品成本对于精密塑性成形变得越来越重要。本文所研究的 丝杠冷滚打技术，正是适应了这种要求和发展趋势，具有广阔的应用前景和重要的实际工 程意义。 丝杠是将旋转运动转换成直线运动的传动副零件，在机床中主要完成进给运动，具有 效率高、精度高、可逆性好、均匀性好、寿命长等特点【6 。7 1 。丝杠不仅要传递准确的运动， 还要传递一定的动力，其质量直接影响到相关产品的性能水平，因而提高丝杠副的制造精 度将始终是制造企业的迫切需求【8 矧。丝杠的加工方式可以分为切削加工和塑性加工，切 削加工中，成形刀具切断金属纤维，材料的利用率、能耗都比较大，特别是切断金属纤维 流线，使得制件强度、耐冲击性下降【1 0 】。随着航空航天、装备制造、汽车及各种新技术 的不断发展和应用，对丝杠等关键零部件的轻量化、高强度、低耗材、节能和生产效率等 要求逐步提高，近些年来，应用无切削、产品性能组织好的塑性加工取代传统切削加工， 越来越受到重视【1 1 1 3 1 。 冷滚打成形技术，是指依据工件材料的固有塑性，通过成形刀具滚打轮高速旋转断续 击打工件表面，迫使工件接触表面局部金属产生塑性流动而变形，最终累积形成预定形状 要求的一种塑性成形技术。丝杠冷滚打技术的研究属于机械制造、材料学与计算机应用等 多学科的交叉领域，从本质上看，这种成形技术是仿形加工与塑性成形原理的结合，成形 刀具高速击打工件并与工件变形区不断啮合，迫使工件金属材料产生塑性流动，从而形成 所需要的丝杠槽。与传统的塑性成形相比，该方法具有载荷小、能耗低、柔性高、变形的 特点，是无模具无约束的断续、局部、塑性成形过程；工艺参数不同，所得到成形件轮廓 结构和尺寸也不同，因而成形过程是一个复杂的金属材料塑性变形过程。为此，研究成形 过程中金属流动规律，研究工艺参数对成形过程中工件受力及成形件几何尺寸的影响规 律，对于揭示丝杠冷滚打成形机理，建立丝杠冷滚打成形理论和通过改变工艺参数来控制 成形件的质量具有重要的理论意义和学术价值。 西安理工大学硕士学位论文 1 。2 精密塑性点成形技术研究现状 塑性加工技术的实质是在一定的边界环境条件下，通过向工件施加外力使其材料发生 永久变形的一种材料加工技术，包括锻造、冲压、挤压、滚压、轧制等。据统计，全世界 7 5 的钢材1 1 4 j 要经塑性加工成形。在当今地球资源短缺、环境污染日益恶化的情况下，树 立科学发展观、走可持续发展道路已成为塑性加工技术的基本理念。绿色塑性加工技术， 即通过实现能源、资源与环境的合理使用与保护达到可持续发展的目的成为了当今塑性加 工技术的发展趋势【l 引，也是金属塑性成形体系的核心内容。其中，金属塑性精密成形就 是一种很有前景的实现绿色塑性成形过程的先进成形技术。 精密塑性成形技术是指零件加工成形后仅需少量加工或不再加工就可以直接用于机 械构件的技术，也称为近净成形技术或净成形技术【1 6 1o 精密塑性成形技术是材料学、现 代模具技术、计算机技术和精密测量技术与传统塑性加工技术相结合的产物，具有以下特 点：成形尺寸精度高，加工的制品达到或接近最终零件产品的形状和尺寸；高效、低消耗、 低成本、减少对环境污染，是一种清洁生产技术，为可持续发展创造了有利条件。 精密塑性成形技术的加工方法是多种多样的，按照坯料塑性变形每个阶段变形区域的 面积占整个坯料尺寸比例的不同，精密塑性成形技术的成形方式可以分为点成形、线成形 和面成形三种形式【1 7 】。其中，点成形是指变形的每个阶段，坯料产生塑性变形的区域的 面积都远小于整个坯料面积的成形方式；线成形是指坯料塑性变形区域相对狭窄呈线状变 形区域的成形方式；面成形则是塑性变形区域要远大于点成形时变形区域面积的一种成形 方式。相对于后两种成形方式，点成形因具有柔性好、工具和成形装置简单、便于实现无 模和逐渐累积成形等特点越来越受到国内外学者的重视。点成形又可划分为多点成形和单 点成形两类。 a 。多点成形 多点成形( m u l t i p o i n tf o r m i n g ) 技术最初于2 0 世纪6 0 年代应用于船舶制造业中。此后， 针对在船体制造、自动化等不同领域，日本的研究人员i l8 j 相继研制开发了万能调整式压 力机、多点板料弯曲系统，可用于板料弯曲成形，但由于成形设备存在的成形精度低、各 种成形缺陷及高昂的设备费用，限制了这些成形技术在实际生产中的推广应用。东京大学 的野本等人【l8 】则在多点压力机设备和成形实验方面进行了大量研究工作，他们在每一个 冲头上安装压力传感器，成功地测得了成形过程中冲头压力变化情况，为板料多点成形理 论分析奠定了基础。美国麻省理工学院d e h a r d t 1 9 1 的研究室对多点模具成形技术进行了 长达十多年的研究，制造出来了实验室成形机，进行了薄板拉伸成形实验。国内吉林大学 的李明哲教授【2 0 - 2 2 在对以往多点成形基本理论进行系统研究后，于1 9 9 2 年首创了无模多 点成形技术，对多点成形基本理论、成形机理与成形特点进行了深入研究分析，并针对成 形过程中出现的缺陷，发明了网状结构弹性垫技术【2 引，有效地控制了成形缺陷的产生和 扩展。李明哲教授所在的科研团队还开发了多点成形数值模拟系统和成形专用设备用于金 2 第1 章绪论 属板材三维曲面成形【2 4 】，大大提高了板料加工效率和产品精度，产品可用于在航空、汽 车制造业、医学及建筑业等领域。由于板材无模多点成形设备利用一系列规则排列的高度 可调的基本体来实现板材三维曲面的快速无模成形，基本体数量较大，成形设备生产准备 周期长，加工成本高，在一定程度上限制了该成形技术在高精度复杂曲面零件加工中的应 用。目前，多点成形技术发展方向是大型化、精密化及连续化。图1 1 是多点成形的示意 图。 ( a ) 模具或形多点成形 图1 - 1 多点成形示意图 f i g 1 - 1s k e t c ho f m u l t i - p o i n tf o r m i n g b 单点成形 相对于上述多点成形而言，单点成形是指采用单一成形工具来加工坯料，实现逐渐累 积成形的加工方式。旋压、单点增量成形和本文研究的冷滚打技术( 见本章第4 节) 均属于 单点成形。 ( 1 ) 旋压成形 旋压成形是一种综合了挤压、拉伸、弯曲、横轧和滚挤等多种工艺特点的板料先进加 工工艺，是将金属坯料用尾项顶紧在旋压模上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，同时旋压轮 从毛坯一侧将材料挤压在旋转的芯模上，使旋转的材料受到旋轮滚压作用产生连续的塑性 变形，从而获得目标形状的回转零件塑性加工方法2 5 1 。旋压是上世纪5 0 年代发展起来的 板料成形技术，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车等领域。 根据旋压加工过程中毛坯厚度的变化情况，一般将旋压工艺分为普通旋压和强力旋压 两种。旋压属于连续局部塑性成形，瞬间变形区小，所需总变形力较小，加工设备要求简 单，模具费用低；变形区多处于压应力状态，变形条件好，金属纤维连续完整，加工后尺 寸精度较好，适于复杂零件及高强度难变形材料的加工；材料利用率高。目前，国外旋压 技术【2 6 】及国内的旋压技术得到了深入地研究，国内还制造出了标准化、数控化和系列化 的旋压成形设备【2 7 】。 ( 2 ) 单点增量成形( s i n g l ep o i n ti n c r e m e n tf o r m i n g ) 单点增量成形目前多用于板材加工。单点增量成形引入了快速原型制造中的“分层制 造”思想，将复杂的三维形状沿y 轴离散化为若干二维断层，按照预先用程序编制好的 加工轨迹，采用简单模具对板料断层上局部进行塑性加工，最终逐层逐步形成三维曲面零 西安理工大学硕士学位论文 件，是一种柔性快速、连续、局部塑性成形的加工方法，图1 2 为板料单点增量成形原理。 扳材灏进成形零件 甜 一 ，f 一 囊膳薄板 阂睁r 多囫繇瓣辑翻 图1 - 2 板料单点增量成形 f i g 1 - 2s i n g l e p o i n ti n c r e m e n t a ls h e e tf o r m i n g 单点增量成形技术由l e s z a k 于1 9 6 7 年获得发明专利，但是由于当时计算机数字控制 系统和相关软件尚处于初期阶段2 8 1 。直到上世纪9 0 年代，日本的k k i t a z a w a 等人【2 9 。3 0 】 首先在数控车床上实现了轴对称零件增量成形实验，开始了增量成形技术的研究。为了能 够在加工过程中自动生成工具头的运动轨迹，他们通过在车床增加c a d 系统的方法，将 成形板料夹持于车床卡盘上，板料沿成形工具头接触的包络面逐渐成形。东京工业大学的 h i s e k i 等【3 1 】研究者对板料增量成形工艺进行了研究，开发出了一套简易板料增量成形实 验设备，并根据实验结果获得了板料增量成形极限。 加拿大学者j j e s w i e t 等人【3 2 。3 3 】对非对称零件单点增量成形进行了研究，加工了不同 倾角的锥形件，并对成形件进行拉伸实验，得到了随着成形倾角的增大，屈服应力和颈缩 应力也呈增大趋势的结论。 意大利学者a a t t a n a s i o 等人 3 4 1 对增量成形过程中成形工具头运动轨迹进行了优化和 相应的系列实验，结果显式采用变增量步进行板料成形时，可获得更好的成形质量和精度。 国内开展单点增量成形技术研究较早的是哈尔滨工业大学的王仲仁教授等人1 3 孓3 7 j ，他 们指出增量成形实质是以连续的微小区域变形为显著特点，成形工具与工件之间接触面积 小、载荷也不大，认为很多回转成形如旋压、摆动碾压以及横轧也属于增量成形的范畴。 他们对增量成形的基本原理、成形过程及特点进行了研究，提出了工具头两种工作方式： 逐点工作方式和连续轨迹工作方式，并根据成形特点提出了成形过程控制原则。他们采用 c n c 车床，进行了回转零件增量成形实验，对板料厚度变化规律及变形后板料壁厚分布 情况进行了系统研究，实现了可视化处理。 华中科技大学的莫建华等人研究了板材单点增量成形过程中的变形机理、成形控制等 理论，并进行了数值模拟；开发了单点增量成形系统及相应的控制软件，研制了成形机， 加工出了具有较高成形质量的制品 3 8 1 。 4 嚣 一一铬十艘。ii一嬲溅一上蕊 第1 章绪论 1 3 丝杠的加工现状及发展趋势 1 3 i 丝杠的切削加工 丝杠的加工方法按照是否产生切屑可以分为切削成形和塑性成形两大类，传统的切削 成形方法主要有车削、旋风铣削、螺纹磨削等，而塑性成形方法主要有冷挤压、冷轧等。 丝杠切屑加工指利用切削成形的方法加工丝杠，主要有车削、旋风铣削和磨削。 ( 1 ) 螺纹车削 螺纹车削是螺纹加工的基本形式，属于成形车削的一种特殊形式，加工时，工件转一 圈，刀具平移一个螺纹导程。无论车削哪一种螺纹，车床主轴与刀具之间必须保持严格的 运动关系：即工件每转一转，刀具线性移动一个工件的导程的距离。 ( 2 ) 旋风铣削 旋风铣削是一种高效率的螺纹加工方法【3 引，适用于批量较大的螺纹粗加工，其工 艺是用硬质合金刀具对螺纹进行高速铣削，工件转一转，旋风头沿工件轴向平移一个螺距 或导程。旋风铣削螺纹的生产效率较高，可用此法一次完成切削加工，但其精度和表面粗 要低于螺纹车肖1 1 4 0 1 ，适用于精度要求不高的螺纹批量生产。 ( 3 ) 螺纹磨削 磨削螺纹1 4 l j 是加工精密螺纹的常用方法，根据砂轮的形式和进给方式的不同，可以 分为单线和多线砂轮磨削两类，加工特点是需要专用螺纹磨床上进行，加工的螺纹表面质 量好，精度也高，并能提高螺纹的疲劳强度和工作寿命。 丝杠的切削加工都是用成形刀具或砂轮径向切断金属纤维而成形的，丝杠螺纹的切削 加工方法的选择取决于螺纹种类、精度等级、生产批量及螺纹本身结构特点【4 2 】等。与塑 性加工不同，切削加工生产效率低、材料利用率低、能耗大，尤其是加工过程中金属纤维 因被切断而不连续，削弱了工件强度、降低了疲劳寿命及耐冲击性能，表面质量不稳定。 1 3 2 丝杠的塑性加工 丝杠的塑性加工是指利用常温下金属具有一定塑性的特点，使工件产生塑性变形而形 成工件轮廓的加工方法，主要有冷挤压、冷轧、冷滚压等。作为常温状态下通过体积转移 实现零件精密成形的方法受到广泛重视，在成形过程的变形规律、成形力计算、压力分布、 摩擦机理、模具设计、工具寿命等 4 3 - 4 5 】方面取得了很好的理论和实验研究结果。 ( 1 ) 冷挤压 在室温下，通过压力机上固定的凸模向毛坯施加压力而将金属挤入模腔内，金属毛坯 发生塑性变形而形成零件的方法。具有机床简单、表面质量高，适于加工齿形少、模数小 的丝杠；工件在实际加工过程中易形成的缺陷是局部镦粗，所以设计冲头需减少金属轴向 流动，而且由于模具易磨损，会影响到尺寸精度。 西安理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 冷轧 冷轧成形过程是在常温状态下，用一组截面形状与丝杠廓形相同的轧轮轧制出工件廓 形，是利用轧辊与工件之间形成的摩擦力的推动下使金属棒料被咬入滚轧区，然后在轧辊 的强制滚压力作用下产生塑性变形的过程 4 6 1 。冷轧制具有刀具设计制造容易，但是需要 专用机床，不适用与大直径工件的加工。 ( 3 ) 冷滚压【4 7 】 坯件在滚压工具的作用下发生塑性变形而辗制出螺纹的加工方法。滚压螺纹具有生产 效率高、表面质量好、滚压出的螺纹强度高、耐腐蚀等特点，适用于工件材料的硬度延伸 率在合理范围内的大量生产中。 1 3 3 丝杠加工的发展趋势 随着航空航天、汽车、装备制造和各种新技术的不断发展和应用，要求关键零部件重 量轻、强度大，节省材料和能源，提高生产率和制品精度【l5 1 ，近年来应用塑性成形工艺 取代传统切削加工方法，已越来越受到重视。与传统的切削加工相比，塑性加工具有以下 几方面的发展优势1 4 8 j ： ( 1 ) 产品的组织性能好。金属塑性成形过程中，材料组织结构发生大的变化，内部缺 陷如晶粒粗大等得到了改善，结构变得致密，性能得以提高。 ( 2 ) 生产效率高。随着塑性加工装备的不断改进和创新及机械自动化的发展，塑性加 工方法的效率得到了提高。 ( 3 ) 材料利用率高。塑性加工依靠金属体积转移而成形，无切削，材料消耗可以减少 1 0 3 0 。 ( 4 ) 加工精度高。先进技术和设备的采用，成形产品的尺寸精度提高，使得塑性加工 方法在很多场合可以替代高精密切削加工。 冷滚打是利用金属塑性成形的特点，通过断续旋转运动的成形工具对不断旋转的制件 表面高速滚压和击打，迫使工件表面局部区域金属流动产生塑性变形，从而在连续运动中 不断击打产生累积效应，最终形成预定形状要求的一种无模无约束塑性成形技术。冷滚打 成形技术可以应用于多种零件的加工，特别适合加工复杂曲面轮廓的零件。与传统的塑性 成形相比，该方法具有载荷小、能耗低、柔性高的特点，是无模具无约束的变形过程。对 丝杠冷滚打过程进行研究，是使该加工工艺在生产实际中得以推广使用亟需解决的问题。 1 4 冷滚打成形技术研究现状 高速冷滚打成形技术是利用金属塑性成形的特点，采用高速旋转的滚打轮对毛坯进行 滚压和打击，从而强迫金属流动形成零件廓形的一种近净成形加工方法。对冷滚打技术研 究最早的是瑞士的g r o b 公司。k r a f e n b a u e rh 和e r n s tg r o b 首创了齿形的冷滚打技术， 并实现了在数控冷滚打机床上实现高速旋转的滚打轮打击毛坯形成花键齿的方法，该法通 6 第1 章绪论 常被称作g r o b 法【4 9 - 5 0 1 。l e e g e o f f 5 1 】对冷滚打加工技术的工艺特点进行了分析，指出冷滚 打加工可以节约原材料，在大批量生产中较传统加工提高了生产效率，轴坯直径可以近似 于花键分度圆直径，但是该法加工出来的花键齿顶直径略小于实际值，应稍微加大轴坯直 径尺寸。k r a p f e n b a u e rh t 5 2 1 就自动生产线中利用冷滚打方法大批量生产矩形花键进行了研 究，并就加工工艺进行了深入地探讨，对加工零件的精度进行了分析；并利用冷滚打方法 加工内花键进行了研究，指出冷滚打内花键的滚打轮与冷滚打外花键的滚打轮的区别，冷 滚打内花键的滚打轮具有凹面轮廓，其轮廓相似于零件的外表面。k u r z 等【5 3 j 基于滑移线 理论、有限元理论对冷滚打过程中的塑性变形建立了仿真模型，模型可用于冷滚打过程中 的成形力及工件的应力应变值的计算，并实现了仿真结果与试验结果较好的吻合。 国内关于冷滚打技术方面的研究起于上世纪7 0 年代，主要围绕冷滚打工艺及滚打轮 的设计，研究对象多是齿轮与花键。文献 5 4 】对冷滚打技术进行了初步探讨，提出冷打( 又 称冷滚轧) 是利用一对成形打轮在专用机床上对冷态下的金属毛坯施以高能打击而成形的 少、无切屑高效生产工艺。文献 5 5 定义冷滚打技术为利用金属在冷态下具有一定塑性施 以高频打击的成形工艺。崔风奎、李言等对冷滚打花键进行了系统地研究，从滚打花键的 成形机理、滚打轮结构及设计、滚打过程仿真，工艺试验等多个方面进行了有益的研究： 从运动学的角度分析冷滚打过程中滚打轮与花键的运动关系规律，采用坐标变换的方法， 确定了滚打轮上任一点与工件齿廓上相应点的关系，建立了花键冷滚打运动的数学模型， 为冷滚打运动的仿真奠定了基础【5 6 5 8 1 。目前，对冷滚打加工丝杠的研究还停留在可行性【5 9 】 层面上，对其成形机理及金属塑性变形规律的研究鲜有报道，因此本文主要对冷滚打方法 加工丝杠时的金属流动规律及参数控制方面进行研究，以揭示丝杠冷滚打金属流动规律及 参数对变形的影响规律。 1 5 课题主要研究内容 在丝杠冷滚打原理的基础上，运用弹塑性力学、有限元技术和计算机仿真技术，对丝 杠冷滚打成形过程的变形区金属变形流动进行研究，探索冷滚打过程中金属流动规律，为 揭示丝杠冷滚打变形机理奠定基础，主要内容及各章节安排如下： 第1 章绪论 介绍了课题的研究背景与意义，精密塑性成形技术研究现状，丝杠的加工方式及其发 展趋势，分析了冷滚打技术的研究现状，最后介绍了课题研究内容。 第2 章丝杠冷滚打成形的理论基础 基于金属塑性变形理论，以冷滚打丝杠为研究对象，研究了丝杠冷滚打成形原理；根 据丝杠冷滚打过程中滚打轮与工件的接触情况，分析了成形过程中的变形及接触区的特 点；从成形轮廓、滚打力、变形程度三个方面分析了影响成形的因素；对工件进行所受的 滚打力进行分析，得到了滚打轮三个分力即径向滚压力、轴向挤压力、切向击打力的理论 公式。 7 西安理工大学硕士学位论文 第3 章丝杠冷滚打成形有限元仿真 介绍了金属塑性变形有限元基本理论，概述了金属塑性成形的模拟方法、金属塑性成 形有限元法及其求解的基本步骤；简单介绍了有限元分析软件a b a q u s 及其显式动力学 有限元法；拟定了丝杠冷滚打成形有限元模拟流程，并根据流程创建了冷滚打几何模型， 建立了冷滚打有限元模型并进行了计算机仿真；通过设置不同工艺参数，模拟了丝杠冷滚 打成形过程中变形区金属流动速度场、应力应变场。 第4 章丝杠冷滚打成形数值模拟结果分析 依据有限元仿真的结果，对成形过程中工件轮廓的变化情况进行了分析；分析了变形 区金属流动速度场；研究了成形过程中等效应力变化情况，并对不同成形件变形区不同部 位的应力场进行分析，得到了不同位置等效应力随时间的变化曲线；研究了这些不同位置 的等效塑性应变的变化情况，揭示了变形过程中工件金属流动规律；获得了成形轮廓节点 坐标值，并根据这些坐标值绘制了成形轮廓曲线，将其与滚打轮轮廓曲线进行了比对，为 丝杠冷滚打形成精确零件廓形奠定了基础。 第5 章丝杠冷滚打成形过程工艺参数优化 采用仿真分析与正交试验相结合的方法，设计了四因素( 打入量、滚轮厚度、滚轮转 速与工件转速) 三水平的正交试验方案，研究tt 艺参数对工件所受滚打力、成形件轮廓 几何参数的影响规律并得到了影响显著性次序；针对打入量对成形过程影响十分显著，得 到了打入量与工件变形应力应变及受力的关系曲线；分别建立了工件廓形凸起最大值、凹 槽最深量与工艺参数的多元回归模型并采用相关系数检验和方差分析的方法验证回归模 型的有效性，为通过控制工艺参数来提高成形精度奠定了理论基础。 第6 章结论与展望 对论文研究的内容进行了总结，指出了所做的工作，并对今后进一步研究的方向进行 了展望。 8 第2 章丝杠冷滚打成形的理论研究 2 丝杠冷滚打成形的理论研究 本章依据金属塑性变形的基本理论，分析丝杠冷滚打成形原理及变形接触区域的特