（机械制造及其自动化专业论文）螺钉成形工艺以及性能影响因素的研究.pdf

摘要 摘要 课题主要对微型螺钉成形工艺中最重要的三个工序拉拔、预成形和终锻成形进 行研究。利用非线性有限元分析技术为主要研究手段，并结合试验设计与数据处理方法， 对三个工序的典型过程中的应力、应变分布等指标以及各种因素对三个工序的影响情况 进行了定量分析。 通过对拉拔过程的分析，获得了典型拉拔过程的应力、应变分布以及材料流动情况 等方面的特点；提出并求解了拉拔模工作带表面正压力的模型，从丽可以为模具磨损的 研究提供参考。在此模型的基础上又提出了新的拉拔力模型，并同旧的模型进行了分析 比较：对各个影响因素对拉拔力、应变、应变率分布等指标的影响情况进行了定量的分 析。通过上述的研究，对拉拔过程有了更为深入的认识，可以为拉拔工艺参数的设计提 供一定的参考。 对微型螺钉预成形工艺和传统预成形工艺进行多方面的比较，深入分析的两种预成 形工艺的变形过程中各种指标的差异，如应力、应变分布、韧性断裂系数、材料流动情 况；提出并求解了针对微型螺钉预成形工艺的成形力模型，可以为预成形模具设计提供 参考；对预成形的工艺能力范围进行了分析，并在此基础上对各种影响因素进行了定量 的分析。 对终锻成形的研究，首先分析了不同预成形结果对终锻成形质量的影响，并提出了 终锻成形质量的评价体系，在此基础上分析了终锻成形的优劣，并总结其中的规律性， 提出了合理的预成形方案。针对微型螺钉预成形及终锻成形模具结构的缺点，提出了新 的模具结构方案。在典型的合理的头部成形工艺条件下，对各种影响因素进行了定量的 分析。 通过对螺钉成形过程中以上三个重要工序的研究，对这三个工序以及影响因素有了 深入的认识，从而可以为微型螺钉的生产提供参考。 关键词：微型螺钉，冷镦，冷成形，塑性，非线性有限元，d e f o r m 3 d ，韧性断 裂准则，摩擦，折叠，应力，应变。 a b s 仃a c t a b s t r a c t r e s e a r c ho ft h i ss u b j e c tf o c u s e so nt h r e ei m p o r t a n tp r o c e d u r e so fm i n i t y p eb o l tc o l d f o r m i n gp r o c e s s - - d r a w i n g p r e f o r m i n ga n df i n i s h f o r m i n g p a r a m e t e r ss u c h 硒s t r a i na n d s t r e s sf i e l d si nt h ef o r m i n gp r o c e s sc a nb es o l v e dw i t hn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sc a r lb eq u a n t i f i c a t i o n a l l ya n a l y z e db yd e s i g no fe x p e r i m e n ta n dd a t a p r o c e s s i n g b yn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h es p e c i a lf e a t u r eo fs t r e s s ，s t r a i nf e l d sa n d m a t e r i a lf l o wp a t t e mo ft y p i c a ld r a w i n gp r o c e s sc a nb eg o t t e n an e wm o d e lf o r m u l ao ft h e p r e s s u r eo nt h es u r f a c eo fd r a w i n gt o o lw o r k i n ga r e ai sb r o u g h tf o r w a r da n ds o l v e d ，a n dt h e d r a w i n gf o r c em o d e lb a s e do nt h i sn e wm o d e li sc o m p a r e dw i t ht h eo l de x p e r i e n t i a lf o r m u l a t h ei n f l u e n c eo fe a c hi n f l u e n c i n gf a c t o ro ns t r a i n ，s t r a i nr a t ea n dd r a w i n gf o r c ei s q u a n t i f i c a t i o n a l l ya n a l y z e d t h e s er e s e a r c h e sc a l lp r o v i d eal o to fu s e f u li m f o r m a t i o nf o rt h e d e s i g no fd r a w i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s t h ep r e f o r m i n gp r o c e s so fm i n i t y p eb o l ti sc o m p a r e dw i t ht h eo n eo fc o m m o nb o l t ，a n d t h ed i f f e r e n c e so ft h ep a r a m e t e r ss u c h 嬲s t r e s s ，s t r a i n , d a m a g ea n df l o wp a t t e r na r ea n a l y z e d am o d e lo fm i n i t y p eb o l tp r e f o r m i n gf o r c ei sp u tf o r w a r da n ds o l v e d ，a n di tc a nb eu s e di nt h e d e s i g no fp r e f o r m i n gd i e t h ec a p a b i l i t yo fm i n i t y p eb o l tp r e f o m i n gp r o c e s si ss t u d i e d t h e i n f l u e n c eo f e a c hi n f l u e n c i n gf a c t o ri sq u a n t i f i c a t i o n a l l ya n a l y z e dt o o f o rt h er e s e a r c ho nf i n a l f o r m i n gp r o c e s s ，t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp r e f o r m i n gp r o c e s s o nf i n a l - f o r m i n gq u a l i t yi sa n a l y z e d ，a n daj u d g e m e n ts t a n d a r do ff i n i a l f o r m i n gq u a l i t yi s s c h e m e do u t b a s e do nt h i ss t a n d a r d ，t h eq u a l i t yo ff i n a l f o r m i n gc a nb ej u d g e da n dt h e p r e f o r m i n gs h a p ei s 孕a d e d t h el a wo fg o o dp e r f o r m i n gs h a p e i ss u m m i n gu p a i m i n ga tt h e s h o r t a g eo fm i n i t y p eh e a df o r m i n gd i es t r u c t u r e ，an e w s t r u c t u r ei sw o r k e do u t t h ei n f l u e n c e o fe a c hi n f l u e n c i n gf a c t o ro nt y p i c a lf i n a l f o r m i n gp r o c e s si sq u a n t i f i c a t i o n a l l ya n a l y z e d f i n a l l y t h r o u g ha l lo ft h e s er e s e a r c h e sa b o v e ，t h et h r e ef o r m i n gp r o c e d u r eo fm i n i t y p eb o l t f o r m i n gp r o c e s sa r eu n d e r s t o o dd e e p l y t h i ss u b j e c ti ss i g n i f i c a t i v ef o rt h em a n u f a c t u r eo f m i n i t y p eb o l t k e y w o r d s ：m i n i t y p eb o l t ，c o l du p s e t t i n g ，c o l df o r m i n g ，p l a s t i c ，n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t m e t h o d 、d e f o r m 一3 d ，d u c t i l ef r a c t u r ec r i t e r i o n ，f r i c t i o n ，f o l d ，s t r e s s ，s t r a i n 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 蛆 日期 迦! 亟每；亟幽 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名 导师签名 日 期： 五墨每业乳 第一e 绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源 课题来源于与螺钉生产企业的合作项口。德事隆( t e x t r o n ) 紧i , q f l ：系统址令球 最大的紧固件生产商，我院曾与其无锚分公司在技术疗而1 有过合作。螺# f q - 产过程巾有 很多难以解决的问题，特别是在头部成形过耙中出现的常见缺陷，如：头偏心、槽偏心、 填充不满、头部裂纹、槽内折叠、尺寸偏差等。造成这些问题的原因比较复杂，在1 ：艺 与模具设计过程中难以预测避免。而一旦发生往往比较难以解决容易造成生产线停机、 产品和模具都要报废，这些都会给企业造成重大的损失。德事隆希望通过技术合作，对 其现有生产工艺进行研究，从而为工艺的改进、提高工艺设计水平提供支持。 螺钉生产的是冷成形过程，其机理比较复杂，影响因素众多，对其进行深入研究是 很有意义的。因此确定课题为螺钉生产工艺以及螺钉性能影响凼素的研究。 图i 卜l 螺钊槽内的折叠 1 _ 2 课题研究的内容 课题将针对德事隆现有螺钉生产工艺的三个重要工序拉拔、预成形和终锻成形 进行深入的研究，并对各种影响因素定量的分析，从而为螺钉生产提供参考。具体研究 如下： 对现有工艺进行研究。包括每个工序的加工方法特点，工艺设计方法，工艺参数的 选择等，并对影响成形过程的各种因素进行初步分析。为计算机仿真的建模以及后续对 影响因素的分析提供参考。 利用计算机仿真软件对螺钉成形典型过程进行模拟，吼获得蝶钉成形过程中，材料 流动、应力应变分都等的基本参数。可以对螺钉成形过程的特点有更深入的认泓。 通过实验设计，确定对影响螺钉成形过程的各个因素进行研究的实验方案。然后利 用有限兀仿真进 r 虚拟实验，获得各个因裘不同水平f 螺钉成形的结果。通过数捌处理， 对各个影l 卿网豢进行定嚣分析。并可咀对短裂、折叠等缺| j f j 进彳_ = 预测。 对光塑性实验模拟技术进行初步的研究。确定光塑性模拟螺钉成形实验的方法。 1 3 课题研究的意义 1 3 1 螺钉发展的新趋势 螺钉是一种广泛使用的重要的机械基础件，随着科技的发屣刘螺钉的练台性能的要 求越来越高。螺钉及其行业的发展出现了新的趋势。 a 螺 t 种类多样化和结构异形化 “ i mt o f j ( t ￥“论女 为了方便在某些特殊场合f 的使用螺钉结构也出现了备种各样的变异，导敏种类 越米越多样化，结构越来越异形化。图卜2 一l 为多种多样的异形螺钉。 b 螺钉材料新型化 在某些特殊工作环境中，普通材料难以满足某些特殊要求，新的材料被应用到螺钉 q 1 。同时某些新的台会材料及工程塑料，由于具有更加优良的性能且价格合理，也逐渐 被应用到螺钉的生产中， c 螺钉综合性能要求越来越高 不仅要求螺钉的可靠性、承载能力和寿命更高，而且还需要满足特殊条件和特殊规 格的要求。 _ j 勤鸨心姨么夕舯f 、蛐b 吁位一尹和认一甜 3 u 园叠西_ ot 商掣： 泐螂。撕：蠹篡，嚣 幽卜2 1品种多样的异形螺钊 d 市场环境和生产模式的变化 由于螺钉生产行业长期处于竞争局面要求螺钉生产商不断的降低生产和安装成 本。螺钉生产出少品种，大批量生产向小批量定单式生产转变。 以上的发展趋势对螺钉生产工艺提出了重大的挑战，现有的工艺研究水平和方法难 以满足这些新趋势的要求。 1 3 2 我国螺钉行业现状 我国是紧固件产品的生产大国和出口大国，但我国紧固件行业存在着很多不容乐观 的问蹶。 a 螺钉产品质量水平较底，缺乏市场竞争力。 我国紧周件行业产品质量水平较低，高质量的高档产品稀缺，缺乏市场竞争力。工 业部门急需的高档产品需从丁业发达国家进口：国内生产的产品还不能取代进口产品。 b 紧固件生产企业生产水平落后。 我国紧周件生产企业的设备比较陈1 日落后，企业规模小，产品品种单一，主要以普 通标准件螺钉为主，对小批量定单式生产适应能力差，也难以使用螺钉产品发展的新趋 势。 1 3 3 相关领域的研究现状 我国在螺钉生产工艺方面的研究是十分落后的研究投入少，专业性的研究机构极 少，采用的方法和手段落后。高等院校和科研机构很少对镦锻成形进行研究。大多数企 业都是在停斛在传统工艺水平上，很少对工艺进行研究和改进。同时整个h - l k 内州技术 第一章绪论 信息资料匮乏，建国5 0 多年来，我国未曾正式编辑出版过这类镦锻工艺技术方面的工 具书或教科书。这也是造成螺钉产品质量在低档次徘徊的原因。 国外在对镦锻工艺的研究楣对领先，主要是借助成熟的计算机仿真技术和各种实验 模拟技术，对镦锻工艺进行定量深入的研究。但具有价值的相关研究成果及技术资料难 以获得。 螺钉行业发展的趋势和国内螺钉生产行业的现状说明，对螺钉的生产工艺进行深入 的研究是非常有必要的，可以说是迫切需要的。因此，课题的研究是非常有意义的。 1 4 课题研究的方法 1 4 1 各种研究方法的优缺点 a 试验法 试验法是采用最为广泛的方法，以试验取优的方法解决生产中出现的问题。开发新 产品的工程中也往往如此。这种方法要制造试验用的模具，并在不同的工艺参数下进行 试验，需要很长的时间，浪费大量材料，而且难以找到最佳的工艺方案。 b 理论计算法 随着塑性理论的发展，很多实用而比较准确的计算公式和计算方法被提出。如主应 力法、能量法、上限法、滑移线场法等等。 主应力法 主应力法只能确定接触面上的应力大小和分布，而内部应力场、应变场均无法给出。 其计算结果的推确性和所做假设与实际情况的接近程度有关。 滑移线法 滑移线法是针对滑移线场某些特性求解塑性加工问题，如确定变形体内的应力分 布、计算变形力、分析变形和决定毛坯的合理外形、尺寸等。 滑移线法对于理想刚塑性体的平面应变问题的求解是精确的，它能近似处理轴对称 问题，但无法解决诸如温度、材料性能等参量的不均匀问题：对于加工硬化、速率敏感 性问题的解决也是相当困难的。 上限法 上限法是根据理想刚塑件材料的极值原理提出的比滑移线法简单的求极限载荷的 方法。上限法的应用是建立在对变形体提出合适的运动许可速度模式的基础上的。因此， 在很多情况下还要借助实验建立运动许可速度场，方能进行正确计算。另外，上限法不 能算出变形体内部的应力分布规律。 对冷镦工艺过程的研究，不仅需要知道镦锻力，而且需要知道工件内部的应力应 变状况、材料流动情况、并能够对断裂和折叠进行预测。只有得到这些信息，才能够对 冷镦工艺过程做全面准确的分析。显然上述的方法都无法满足这样的要求。 c 塑性成形的有限元仿真 以非线性有限元理论、塑性成形理论、非线性问题数值计算方法为理论基础，并以 计算机技术为支撑，塑性成形计算机仿真得到了很大的发展，并己经能够投入实际应用。 l l w 学w ，l 宄_ * n 沦女 通过山业螗嗣l 删论 池给h 的小构戈系、边界条件、摩擦关系式，按变分原理推导出场 方程，帐 l _ ：离敞技水建立汁算模型，从而实现对复杂成形问题进行有限元数值模拟。分 析成彤过 啪心力戍变分粕及其变化规律如剧卜31 所示，由此提供较为可靠的主 要成形f 艺参数。有限元法已成为分析和研究会属塑性成形问题的最重要的数值分析方 洼之，它h 有以下优点： “ 目卜3 1 塑性成形有限元仿真获得的等敖应变场 在未变形体( 毛坯) 与变形体( 产品) 之间建立运动学关系，预测金属塑性成 形过程巾的金属流动规律，其中包括应力应变场量变化、温度变化及热传导等。 计算金属塑性戚形极限，即保证会属材料在塑性变形过程中不产生任何表面及 内部缺陷的最人变形量能性。 预测金属塑性成形过程得以顺利进行所需的成形力及能量，为正确选择加工设 备和进行模只设计提供依掘。 尽管塑性成彤有限元理论及技术都有很大的发展，国内外的学者在一些方面已取得 f 顾的成果，但i l i 于塑性成形自身的特点，使得有限元在这个领域中的应用还存在许多 具体的难题，如：如何建立一个能真实反映材料在成形过程中变形规律的本构关系、摩 擦接触问题的处理、如何在分析过程中自动生成高质量的三维有限元网格及网格重划问 题，宏观模拟和微观组织预测等。 d 模拟实验技术 模拟实验中，光塑性实验是应用最广泛的。光塑性实验模拟技术，是建立在经典光 弹性理论基础之上的新的实验方法，是利用应变( 或应力) 光性定律味测试变形体的弹 塑性啦力应蹙场的种牟域性测试技术。图卜3 2 为镦粗光塑性实验获得的等值线和等 倾线。 幽| _ 3 - 2 镦朝的等值线和等倾线 _ 第一章绪论 1 4 2 课题研究方法 通过对各种研究方法的比较，并结合螺钉成形过程的特点，确定把塑性成形的有限 元仿真技术作为课题研究的主要方法。如果条件允许，可以利用光塑性实验来检验有限 元分析结果的正确性。 1 5 小结 课题立足于生产实践，将塑性成形的有限元仿真技术引入螺钉生产的工艺研究中， 促进对螺钉成形过程由定性研究向定量研究转变。并对影响螺钉成形的各个因素进行定 量分析。从而为螺钉生产的工艺设计和模具设计提供参考。 m 学mf ：d o f 北* n 论z 第二章螺钉生产典型工艺 一整套完整的螺钉生产的典型工艺过程山搬多工序纽成，以f 对其中最重要的几个 工序进行了简要介绍： 2 1去氧化皮 在螺钉后续加工之前，必须对原材料进行去氧化皮。因为线材由于先前的热处理 般都会在表面形成氧化皮，而铁锈在拉拔过程中会破坏线材的表面质量，同时造成拔丝 模的磨损。如果氧化皮嵌入线材中，会对后续的成形过程造成影响。通常的去锈方法有 机械去锈法和酸洗去锈法。 2 2拉拔 拉拔是利用拉延方法使金属通过截面逐渐减少的模孔，拉制圆形或异形线材的方 法。拉拔是制造各种直径线材的最普遍的工艺方法，拉拔获得产品有很多优点：能够保 证尺寸准确，公差可以控制在0 2 m m 以下，而且表面质量较好；能够生产断面很小的 细线材，如直径1m m 以下的线材。拉拔过程是冷塑性成形过程，获得的产品会有冷作 硬化现象，在某些情况下是有利的。但如果硬化是不利的，可通过热处理消除。拉拔和 去氧化皮也被称为材料的改制或备料工序。 ，圈 酉 国2 - 2 2 拔丝模拉拔孔 十 第一二章螺钉生产典型t 艺 l 润滑锥或前锥：拉拔时通过次区域导入润滑剂。 2 工作带：此区域是对材料进行挤压的区域，受到的作用力最大。 3 定径带：其作用是保证拉拔后线料的准确尺寸。 4 出口锥：保证被拉拔金属由工作带平稳拉出。 拔丝模的材料主要是硬质合金，硬质合金硬度高，耐磨性好，模孔的磨损较慢长期 不需要校验，可以避免经常换模，节约大量时间。 螺钉生产中的拉拔主要是为了将标准线径的线料拉制成螺钉要求的直径。拉拔后的 线料的质量会对螺钉成形过程以及螺钉的性能产生影响。因此，有必要在后续内容中对 其工艺和影响因素进行更加深入的探讨。 2 3下料 下料是利用切料模和切料刀的剪切运动，将线料切切成符合长度要求的坯料。如图 2 3 1 所示。坯料的长度依靠调节定位桩头的位置来确定。 l 送料辊轮；2 切料模；3 切料刀 图2 3 1下料示意图 下料所得毛坯的尺寸精度以及端部的质量，会对螺钉后续成形过程造成比较大的影 响。如果长度出现较大的波动，则会造成螺钉头部的材料体积发生变化，影响头部成形 时的填充，导致头部不饱满或者头部过大。如果断部产生毛刺，则在头部成形中毛刺压 入螺钉头部形成折叠，影响表面质量和外观。 2 4 头部成形一一冷镦 头部成形也称打头，是螺钉生产过程中最重要的工序。目前普遍采用的工艺方法是 镦锻成形，由于是在室温下进行镦锻，没有加热到金属的再结晶温度，因此通常又称为 冷镦。下料和冷镦一般都是在多工位冷镦机上完成的。 典型的镦锻成形工艺主要有双击镦锻、三击镦锻和四击镦锻。其中双击镦锻是目前 使用最为广泛的工艺。就其数量上来讲，约占6 0 8 0 。之所以都是多击镦锻，是从 材料的性能和工件金属纤维组织的流动状况来考虑的。以双击镦锻为例，第一次镦锻称 为预镦粗，目的是使工件产生一定的预变形，一方面能够使变形量在两次镦锻中均匀分 布，避免单次变形量过大，而造成工件开裂。另一方面，在第一次镦锻中，利用模具将 工件头部镦锻成特定的形状，从而控制第二次镦锻中材料的流动，使工件金属纤维组织 能够合理的分布，避免出现折叠、断裂等情况。第二次镦锻称为终锻成形，此时螺钉头 部已经加工完成。 江南人学顾i j 研究生毕业论文 氏v繇i烈,nxin 、 0饧 锣谚涝滞蕊 0珍 弓气、，、 形夕钐庐钨馨巡p k 心j 断 一 目国 谚蔫黔氯幕躲 v - ，刀、 闩越 ，竞毫鞴i 亡盘、 簇淞珍斛辩 e 髟蕊照黝澍惑 v 。j - x , i z 八、 巡阏 4 - 一序预成形上冲模：s 一一序预成形f 冲组合模：卜二序预成形上冲组合模； s 一二序预成形下冲组合模；i o 一终锻成形1 二冲组合模：l l 螫锻成形下冲组合模 6 、9 、1 2 顶料销 图2 - 4 1螺钉头部成形示意图 冷镦工艺具有很多优点，是其他加工方式所无法比拟的。 a 冷镦工艺能够提高产品的光洁度和保证产品的精度。 b 冷镦工艺能够使金属材料发生强化，提高了金属材料的性能。无论是什么规格 的螺钉，使用冷镦工艺加工，其抗拉强度比切削加工能提高越1 0 左右。 c 冷镦工艺与热处理工艺相结合，能够保证零件的力学性能和物理化学性能的稳 定。 d 材料的利用率高。冷镦的平均材料利用率为9 0 9 3 ，在很多情况下，甚至能够 达到1 0 0 ，与切削工艺相比材料的利用率提高1 0 0 2 0 0 。 e 生产效率高。使用多工位自动冷镦机或者在冷挤压机上采用多工位加工，其生 产率比切削加工提高4 q 倍，是切削加工无法比拟的。某些特殊螺钉只能够通过冷镦 进行加工，无法使用切削加工。 f 易于实现自动化生产。当设备调整好后，便能够自动生产无须人工操作。实现 了各道工序在同一台机床上加工，从而减少了设备投资，减少了生产场地，减少了半成 品在各个工序间的运输，特别是减少了工人的劳动强度，改善了劳动条件。 冷镦工艺是非常典型的冷塑性成型过程，与普通的切削加工相比，又具有其自身的 复杂性，主要体现在： a 变形机理：塑性成型加工，金属材料发生很大的塑性变形。这时材料的本构关 系和几何变化关系同时存在着非线性，即物理非线性( 应力与应变的关系) 和几何非线 性( 应变和位移的关系) ，因此导致了分析模型和理论的复杂化。 b 变形金属材料性能的可变性：在塑性变形过程中，金属材料屈服应力的变化是 由变形条件参数的变化所引起的。一方面，在变形的任一瞬间，由于这些参数场在变形 区内分布不均匀，而导致屈服应力在金属材料内部分布不均匀；另一方面，随着变形过 第二章螺钉生产典型t 艺 程的进行，这些参数本身也在变化，从而导致了各处屈服应力的进一步变化。 c 接触界面与摩擦条件：金属毛坯是由模具在接触界面上施加压力而逐步产生塑 性变形的。接触界面的形状、表面状况对金属毛坯的变形分布以及最终产品的形状有着 决定性的作用。在塑性加工过程中的任一瞬间，变形毛坯和模具在接触表面有相对运动， 因而必然存在着摩擦。由于摩擦的作用，模具产生磨损，工件表面出现划伤，这样既缩 短了模具寿命，又影响了产品质量，同时还会引起毛坯变形不均匀，使塑性成型时的变 形力和变形功增加等等。 d 模具和加工设备：模具的参数包括：模具结构几何尺寸，工作表面加 工精度，模具刚度，模具材料在使用条件下的力学性能和热物理条件。这些都 会在塑性成型加工中影响塑性成型的过程，以及产品的性能。设备的加工速度、精度以 及载荷能量特性对塑性成型也有很大的影响作用。 由于塑性成形的复杂性，影响因素多，导致了在实际加工中，工艺研究的困难。在 后续研究中将利用塑性成形的有限元仿真技术对冷镦过程以及各种影响因素进行定量 研究。 2 5搓牙 搓牙是在螺钉杆上加工出螺纹的工序，也是一个利用模具进行的塑性成形过程。所 使用的模具是两块搓牙板。这两块搓牙板上有与螺纹规格相对应的凹槽牙型。加工时， 螺钉在两块搓丝板之间相对运动时，表面会产生一定的挤压作用，在螺钉的光杆上挤压 出对应规格的螺纹。 2 6热处理和电镀 热处理的作用是为了提高螺钉的性能。能够改善螺钉内部的显微组织情况，消除加 工过程中出现的残余应力，提高螺钉的强度等等。一般来说螺钉的热处理主要是调质和 渗碳。电镀是为了使螺钉能够具有在一定条件下一定的耐腐蚀能力。一般是镀锌。 由以上的介绍可知，螺钉的主要成形工序，如拉拔、冷镦、搓牙都是塑性成形过程。 其中冷镦工序变形量很大，对螺钉的性能影响也非常大，是螺钉生产中最关键的一个工 序。课题将主要对冷镦工艺进行研究。由于拉拔和下料会对螺钉的成形过程造成影响， 因此，课题也将对拉拔过程进行一定的探讨。搓牙虽然也是重要的工序，但由于工作量 和时间的原因，课题将不对其进行研究。 江南人学硕l ：研究生毕业论文 第三章：螺钉成形工艺和影响因素以及研究方案 3 1 拉拔工艺的研究 3 1 1 拉拔的变形量 a 体积不变条件： 在拔丝过程中，金属发生塑性变形，变形过程中遵循体积不变条件： v o = k ， 变形前体积，巧变形后体积 即： 加2 l o = z d 2 l l 3 1 1 厶- 变形前线材长度，l i 变形后线材长度 d 变形前线材直径，d 变形后线材直径 b 压缩率允： 变形量大小也可以使用压缩率旯来表示，它表示拉拔前后线材横截面面积的变化。 名：尘丛：了z d 2 - z d 2 = 生里：l 一篓 3 - 1 - 2 4 zddd 4 变形前横截面面积，a 。变形后横截面面积 压缩率旯反映的是宏观变形量。而不能准确的表示线材内部各点的变形量的大小和 变形量的分布情况。只有通过理论计算或者有限元分析才能够获得各点真实应变情况。 3 1 2 拔丝模的结构 a 拉拔模基本参数 图3 - 1 - 1 拔丝模的主要结构参数 拔丝模的主要结构参数如图3 一卜1 所示： d 工作带入口直径 d 工作带出口直径或定径带直径 口工作带锥度 定径带的长度 第三章螺钉成形t 艺和影响w 索以及研究方案 b 拉拔模参数对拉拔过程的影响 拔丝模最重要的参数是工作带锥度o l 。当口角较小时，工作带长度较长，变形速度 较缓慢，但材料与模具接触面增大，会影响材料与模具的接触面摩擦力。当口角较大时， 工作带长度较短，变形剧烈，模具作用力较大，也会造成摩擦增大。因此，口对拔丝过 程的影响是非常大的。 定径带的长度也会对拔丝过程有重要的影响，当较长时，材料与定径带的接触 面积会增大，摩擦力也会随之增大。定径带的长度太短，一方面会降低模具工作带的强 度；另一方面，材料经过拉拔后表面质量较差。 拔丝模的这几个重要参数通常都是根据经验进行取值。口的取值通常在1 2 0 1 5 。之 问，的取值在o 5 2 r a m 之间。一旦出现问题，需要找到原因，重新设计模具。将会 导致生产中断，造成重大损失。 3 1 3 拉拔工艺影响因素的初步分析 由前面的分析可知，影响拉拔过程的主要因素有： a 模具参数： 工作带锥度口 定径带长度 b 。摩擦系数：摩擦系数直接影响到拉拔力和模具磨损情况，也会对拉拔线材的 表面质量造成影响。 c 拉拔速度v ：拉拔速度越快单位时间变形的材料越多，会影响模具的磨损情况。 同时变形速度的变化也会引起变形抗力的增加。 d 材料的性能： ，流动应力，用屈服极限强度盯。代替。流动应力越大所需的拉拔力也越大，模 具作用力和摩擦都会上升。 弹性模量e ：弹性模量主要影响定径带区域受到的回弹力的大小。对定径带与 线材的摩擦力以及拉拔力造成影响。 e 变形量兄：变形量越大，所需拉拔力越大，线材与工作带的接触面积也越大， 摩擦力也越大。 3 1 4 拉拔过程的受力分析 当拉拔进入稳定阶段，线材所受的外力有：拉拔力f 、线材与模具间的作用力。和 2 ，线材与模具间的摩擦力z 和厶。其中i 、：分别为工作带和定径带对线材的作 用力；z 和五分别为工作带和定径带对线材的摩擦力；l 和：的方向是接触面的法向， z 和正的方向为接触面切向，且与材料流动方向相反。如图3 - 1 - 9 所示。 江南人学烦l ：研究生毕业论文 图3 一卜2 拔丝过程的受力分析 l 与z 有下面的关系： l = n i s l 工作带表面的正应力，s 。工作带与线材接触面面积。 若选用库仑摩擦模型，则： z = n t = n i s i 3 - 1 3 - 0 3 其中，为摩擦系数。 如果选用常剪切摩擦模型，则： 一= m k s i 3 一l 一3 固 其中m 为摩擦因子，k 为剪切强度，k = 。 z 是对工作带表面正应力的近似，可以将其理解为工作带表面正应力的平均值。实 际上工作带表面各点的正应力大小是不相等的，但在大部分区域比较接近。在第五章分 析的结果中可以验证这个假设。利用对工作带表面的正应力分布情况进行近似，可以 使分析由力进阶到应力分析。啊一定程度上能够反映实际工作带表面正应力的大小。因 此，这样的近似是有意义的。 的大小与变形量兄、工作带锥度a 以及拉拔速度，都有关系，且与塑性变形时材 料的流动应力呈正比关系，假设n 。与这些参数关系如式3 一卜8 。 甩l = ( b o a + 6 i 口2 + 6 2 兄+ b 3 2 2 + 6 4 瑾兄+ 6 5 口2 五+ 6 6 口旯2 + 6 7 v + b s v 2 ) 盯5 3 - 1 4 其中：b o 、岛，b s 为需要求解的参数，口采用弧度单位。 工作带与材料的接触面面积为： s l = n ( r + ，) 其中z 为工作带与线材接触锥面的母线长度，z ：墨! 。 s 1 n 口 带入上式可得： 第三章螺钉成形丁艺和影响l 大i 素以及研究方案 耻_ ，r 紫( 脚) = 4 ( d 2 - 盂1s m 口s l n 口 由于a = 卜歹d 2 ，可得。2 = l d _ 一l 2 ，带入上式可得： 弘三c 篙卅，圭= 等e 南，圭 对于定径带同样有： n 7 = n 2 s 2 正= 2 = 1 2 岛，或： 3 - 1 5 石= i n k s 2 3 15 n 2 定径带区域的正应力，s 2 定径带区域表面积。 ，l ，是对定径带表面正应力的近似。材料产生变形后，受到很大的静水压应力作用， 进入定径带后，受到约束，对定径带产生挤压。刀：与伪类似，与变形量五、工作带锥度 口，以及材料性能( 主要是弹性模量e ，因为弹性回弹时，应力仃与应变g 的关系为 仃= e g 。) 都有关系。假设有以下关系： 刀2 = ( c o a + c l 口2 + c 2 2 + c 3 名+ c 4 a 2 + c 5 倪元+ c 6 口2 2 + c 7 晓兄2 ) - e 3 - 1 6 其中：c o 、c l ，e 7 为需要求解的参数，口采用弧度单位。 是= 砒 由受力平衡可得： f = n i 。s i n a + 石c , o s a + 五 3 一卜7 选用库仑摩擦模型，可得：f = n i s i n t r + 石c o s a + a = n i s i n a + z 。l c o s o f + 。2 = n i ( s i n a + z c o s a ) + n 2 s 2 = n i 墨( s i n a + z c o s 口) + n 2 s 2 毡等( 南) 壶( s i n t x + z c o s 小m ：砒 邓等( 南) ( 1 + 删口) + 1 n 2 砒 = ( b o a + 易1 1 2 2 + 6 2 五+ 2 j 3 刀+ 钆以+ 以以+ 6 6 础2 + 岛v + 旷) q 等( 南) ( 1 + c o t 口) + ( c o 口+ c l 口2 + c 2 2 + c 3 刀+ c 4 a a + c s 砝+ c 6 口2 2 + c 7 口矛) e ，砒 3 一l 一8 一 拉拔力的这个模型中，总共有1 6 个未知量。通过实验，可以获得不同工艺参数下 的拉拔力，从而可以对上述公式中的未知系数进行求解。由式3 一卜8 一可知，f 由 两项组成： f = e + e 江南人学硕l ：研究生毕业论文 e 工作带上作用力在拉拔方向上的分量，f 定径带上的作用力在拉拔方向 上的分量。 e = ( b o a + b a 2 + b 2 2 + b 3 2 2 + 6 4 以+ b 5 以+ 以2 却却2 ，等( 南) ( 1 + c o t a ) e = ( c o 口+ c l 口2 + c 2 力+ c 3 磐+ c 4 a 2 + c 5 a 2 + c 6 口2 兄+ c 7 a 2 2 ) e - f f d l 如果在计算机仿真建模时将拔丝模分为两部分，如图3 - 1 - 3 所示。则在一次模拟时 可以分别获得f 和e 。这样能够在相同数量的模拟试验获得两倍的信息，从而可以提 高求解参数b 0 、b 。，b 8 ，c 。、c 。，c ，时的精度，而且对拉拔过程不会造成影 响。 若选用常剪切摩擦模型可得： f = ( b o a + 耵+ 6 2 五+ 6 3 名+ 6 4 砒+ 以内+ 6 6 砒2 + 易v + 旷) q 等( 南) + 堕2i l 堑4 ( 南口+ 砒 3 十 实际上拉拔力的计算有现有的经验公式，圆截面金属材料拉拔时，拉拔力的经验公 式为： f = 仃；4 式中盯；冷硬强化的变形阻力( m p a ) 仃；o b ( 1 + p c o t a 。) l n 粤 口换算角度，按下面公式计算： ( d d l t a n a t a n 口= _ 乙一 整理可得： f = 仃。 ，+ 兰：；j 等 n 鲁) 彳。 3 一- 一9 经验公式3 1 9 与新的模型3 1 8 的相似之处是两个模型都把最主要的影响因素作 第三章螺钉成彤t 艺年n 影响i 大| 素以及 i j f 究方案 为变量。不同点是经验公式采用的是库仑摩擦模型；新模型是从应力出发推倒而来。 如果新的模型能够成立，则可以通过工艺参数直接对模具工作表面的正应力进行近似 的求解，从而为模具设计和模具磨损研究提供参考。 3 1 5 拉拔过程的应力应变初步分析 由于拉拔的是圆形截面的线材，材料在模具的作用下径向受到压缩，发生塑性变形。 变形过程中，受力和接触、摩擦等边界条件都是轴对称的。因此，拉拔过程是轴对称问 题。以圆柱坐标系进行讨论，其中以拉拔方向即轴向为z 轴，径向和周向分别为，轴和口 轴。 在模具工作带区域的线材上取微元，如图3 - 1 - 4 所示。正应力仃，、盯，、盯。都为压 应力，剪应力f 。= r ，0 ，f ：8 = z r e r - - 龟= f ，p = 0 。即在对称面上没有剪应力分布。因此 又是主应力。拉拔过程中，线材受到较大的三向压应力作用。在变形区域，向、口向、 z 向都受到压缩作用，这三个方向正应变g ，= 岛= 占： 0 。剪应变= 0 ， 7 毋= 厂柑= 7 a = 厂：口= 0 。 图3 一卜4 应力分析 3 1 6 拉拔研究方案 a 试验研究方案的制订 利用正交试验设计法进行试验方案的设计。正交试验设计具有优良的均匀分散性和 整齐可比性，其设计的试验点具有强烈的代表性，往往能以较少的试验次数，分析出各 个因素的主次顺序以及对试验指标的影响规律。 表3 一卜1 影响拉拔的因素和水平 前 因n 1 2345 摩擦系数 o 0 80 1 0o 1 20 1 40 1 6 定圄撇( m m ) 0 5l 0l s2 0 2 5 工作带锥度口( 。) 81 01 21 41 6 变形量力( ) 51 0 1 52 0 2 5 拉拔速度k m m s ) 1 02 03 04 0 5 0 首先，对每个影响因素在合理的范围内取几个水平。然后利用正交试验表进行试验 【m ml “一t * n * i 参数的设计。各凼素的取值如表3 1 1 。总共5 个因素，每个因索取5 个水半。可以参 考6 因索5 水平难交试验表l 25 ( 5 6 ) ，进行试验设计，总批要进行2 5 纽试验。试验的参 数组合见附录表l 。在试验方案确定之后根掘每个试验的参数进行算机仿真建模， 然后进行有限元分析。通过有限元分析，可以获得每个试验条件下拉拔的结粜。从而刈 影响因素进行定量的分析。训算机建模和有限元分析将在第三章进行讨论。 b 研究的目标 对典型拉拔过程的应力应变分布、材料流动情况、模具作用力等进行定量的研 究。 分析各个影响因素对应变、应变牢等指标的影i 啊情况。 通过在不同参数下进行计算机仿真可以获得拉拔力f ，然后可以通过极差分析， 对各个因素的主敞顺序和对指标f 的影响舰柞进行初步探讨。并对把拔力f 的模型- 1 的 项进行筛选。对新提出的模型式311 6 的显著性进行检验井利用同归分析求解 出b o 、b l ，b 6 ，c o 、c l ，c 4 的值- 3 2 头部成形工艺的研究 32 1 两种预成形工艺的比较 微型螺钉采用的成形方法与传统工艺有_ 。定的区别。传统的拎镦顸成j 1 ；过程如图 32 1 所示，而微型螺钉的预镦羊f i 如图322 所示，二者存在很大差异。 传统挣镦l ：艺的预成形过程 幽3 - 2 - 2 微型螺钉的成形过样 a 变形过程的差异 传统冷镦工艺的预成形足镦粗过程，特别是初期变彤与自山镦桐类似。扁期材料和 模具锥面接触，在模具的约束f 继续变形。l 町微掣螺钉的预成彤是挤压过程，在冲头模 囱 旧旧旧n 斟彰。一 旧冈h_ 第三章螺钉成彤- e 艺= 和影响i 捌素以及研究方案 孔中的材料受到的是各向相等的静水压应力的作用，不发生塑性变形，只有进入主模模 腔后才产生变形。这种变形过程的差异导致了变形后材料流动情况、应力应变情况都存 在差异。课题将利用有限元分析比较二者的差剐。 b 工艺设计上的差异 出于变形过程存在差异，导致工艺设计过程也存在很大差异。传统冷镦工艺根掘形 成头部材料的高径比确定冷镦次数，利用模具内腔的形状和尺寸调节变形量的分布和材 料的流动状况。而微型螺钉采用的工艺都是一模两冲加工，通过冲头模孔前段的凹坑来 调节预成形变形量。 c 模具结构上的差异 l 冲头芯棒；2 弹簧；3 冲头模套；p - 冲头；睁一主模模套；6 一主模；7 顶料销 图3 - 2 3 微型螺钉预成形模具结构 l 冲头模套；2 、7 弹簧；3 忡头；4 、8 项科销：5 一预成形凹模：卜模套 图3 吃- 4 传统冷镦预成形模具结构 模具结构的差别主要