（材料加工工程专业论文）螺纹冷滚压模拟及实验研究.pdf

r pf；， j。毒 篝p p ， 中文摘要 中文摘要 肿i iilliillj i l i i i f r l i i fi l i ii i l l l l l l fi l l y 17 8 9 4 9 9 螺纹滚压是一种无切削加工方法，近年来螺纹冷滚压工艺及设备因其低耗、高效、 高强度和高精度等优点，在生产中得到了广泛的应用。但是目前国内外在螺纹冷滚压 精密成形的工艺方面的研究较少。因此对螺纹冷滚压进行研究，有助于促进这种无切 削新技术的推广应用，具有重要的理论意义和实用价值。 本文对螺纹冷滚压过程及原理进行了分析，将螺纹的滚压过程分为了四个阶段， 并对四个阶段的成形过程进行了系统的分析。 用d e f o r m 软件进行有限元数值模拟，得到了冷滚压加工过程中工件内部的应力 场、应变场、速度场以及工件的形状变化等信息。 在实验方面从金相组织、硬度分布及硬化层、等几个方面进行了对比分析。 通过数值模拟得出了冷滚压螺纹在滚压过程中的受力情况，并验证了螺纹冷滚压 理论分析的正确。 通过金相组织实验可知冷滚压螺纹的表层组织被压碎，晶界变的模糊不清，而切 削螺纹的金属被切断，金属组织未发生明显变化。冷滚压螺纹表面硬度高于切削螺纹 面的硬度，冷滚压后的螺纹其硬度值可达3 3 0 h v ，而切削螺纹的硬度值基本没有发生 变化，其硬度值为2 2 0 h v 。滚压螺纹的金属组织呈现连续分布的条形纤维组织，而切 削螺纹的纤维组织被切断。调质处理的坯料在冷滚压加工后工件的组织性能及表面强 化程度均优于未经调质处理的坯料滚压成形的工件。 。 本课题为进一步研究螺纹冷滚压工艺提供了理论依据，并能够指导螺纹冷滚压的 生产，具有理论价值和现实意义。 关键词螺纹； 冷滚压；硬度 螺纹冷滚j 卡模拟及实验l ! j 究 ，- _ _ _ ，_ ， a b s t r a c t a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e t e c h n o l o g yc o l dr o l l i n go ft h r e a dt e c h n o l o g yw a s r a p i d l yd e v e l o p e dd u et oi t sh i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n dp e r f e c tp r o p e r t i e so f i t sp r o d u c t i o n f e ws t u d i e sw e r ec a r r i e do u to nt h ec o l d r o l l i n gt e c h n o l o g i c a l t h e o r ya n dt h em e c h a n i c a la n a l y s i so ft h ep r e c i s ef o r m i n gb o t ha th o m ea n d a b r o a d t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ec o l dr o l l i n go ft h r e a dh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e i tc a n p r o m o t et h ea p p l i c a t i o no f t h i s n o n - c u t t i n gm e t h o r d t ob em o r ep o p u l a r i nt h i sp a p e r , t h ec o l dt h r e a dr o l l i n gp r o c e s sa n dt h e o r yw e r ea n a l y z e d t h er o l l i n gp r o c e s sw a sd i v i d e di n t of o u rs t a g e sa c c o r d i n gt ot h ea m o u n to f f e e do ft h et h r e a dr o l l i n gd i e s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n so nt h er o l l i n gp r o c e s s o fs o l i dp a r t sw e r e c a r r i e do u tw i t hd e f o r ms o f t w a r e t h es t r e s sf i e l d ，s t r a i nf i e l d ，v e l o c i t yf i e l d i nt h ew o r k p i e c ew e r eg o t i nt h ee x p e r i m e n t st h em i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s sa n dh a r d e n e dl a y e r , a n d s e v e r a lo t h e ra r e a sw e r ec o m p a r e d t h ef o r c eo fc o l dr o l l i n gt h r e a dw a s o b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dt h et h e o r yo fc o l dr o l l i n gt h r e a dw a s v e r i f i e d t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dt h ec o m p a r a t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s s a n dh a r d e n e dl a y e ra n dr e s i d u a ls t r e s s ，w ec o n c l u d et h a t ：t h em i c r o s t r u c t u r eo f c o l dr o l l e dt h r e a dw a sc r u s h e d ，g r a i nb o u n d a r i e sb e c o m eb l u r r e d ，a n dt h e c u t t i n gt h r e a d sw e r ec u to f f , m e t a ls t r u c t u r ed i dn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l y t h e s u r f a c eh a r d n e s so fc o l d r o l l i n gt h r e a dw a sb e t t e rt h a n c u t t i n g t h r e a d h a r d n e s so fc o l d - r o l l i n gt h r e a dw h i c hw a st r e a t e da f t e rh e a tt r e a t m e n tc a n r e a c h3 30 36 0 h v , i nc o n t r a s tb e f o r eh e a tt r e a t m e n tc a no n l yr e a c h2 9 0 h v t h e h a r d e n e dl a y e ro ft h ec o l d r o l l e dt h r e a dh a v eac e r t a i nd e p t hi nn o r m a l d i r e c t i o n ，o t h e r w i s e ，t h eh a r d n e s so ft h et h r e a dc u t t i n gh a v en od i v e r s i f i c a t i o n ； c o l dr o l l e dt h r e a ds u r f a c ea r e ah a v eac o n t i n u o u sf i b r o u ss t r u c t u r e ，a n dt h e m i c r o s t r u c t u r ew a sr e f i n e d t h es t r u c t u r ep r o p e r t ya n dt h es u f a c eh a r d n e s so f t h r e a dw h i c h ；sr o l l e da f t e rh e a tt r e a t m e n tisb e t t e rt h a nc o l dr o l l e db e f o r e 螺纹冷滚j r 模拟及实验研究 m e n t t h ec o n c l u s i o np r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho f c o l d r o l l i n gt e c h n o l o g y a n dp r a c t i c a l o p e r a t i o n i th a s at h e o r e t i c a l if i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：t h r e a d s ；c o l dr o l l i n g ；h a r d n e s s h 录 目录 第一章绪论l 1 1 研究的背景及意义l 1 2 国内外水平及发展状况3 1 3 螺纹冷滚压加工发展趋势5 1 4 研究内容5 1 5 研究方法5 第二章螺纹冷滚压原理7 2 1 冷滚压螺纹的特点7 2 2 两滚丝轮螺纹的加工工艺7 2 3 滚丝轮及坯料的设计7 2 3 1 平顶平底滚丝轮8 2 3 2 圆顶平底滚丝轮9 2 3 3 圆顶圆底滚丝轮1 1 2 3 4 毛坯直径的调质处理1 2 2 4 螺纹的滚压过程一1 2 2 5 螺纹冷滚压的成形特点1 4 2 6 滚丝轮与工件的相对运动1 6 第三章冷滚压螺纹的数值模拟1 9 3 1 数值模拟的发展1 9 3 2 有限元力学模型与主要工艺参数1 9 3 2 1 力学模型的建立1 9 3 2 2 主要工艺参数一2 0 3 3 模拟结果及分析一2 2 3 3 1 模具载荷2 2 3 3 2 螺纹件滚压过程的应变场2 6 3 3 3 螺纹件滚压过程的应力场2 8 3 3 4 螺纹什滚压过程的速度场3 0 3 3 5 模具充填和成形效果一3 1 第四章冷滚压螺纹的实验研究3 3 螺纹冷滚胝模拟及实验研究 4 1 螺纹冷滚压的实验研究3 3 4 2 试件分析3 6 4 2 1 金相组织实验3 6 4 2 2 显微硬度测试3 7 4 3 实验结果与分析3 7 4 3 1 冷滚压加工对会属显微组织的影响3 8 4 3 。2 调质处理后滚压螺纹硬度分布4 3 4 3 3 调质处理后切削螺纹硬度分布4 4 4 3 4 调质处理前后螺纹滚压实验的对比研究4 6 第五章结论5 3 参考文献5 5 致谢5 9 攻读硕士期间发表的论文6 1 ，_。 、： 茧 # # 第一章绪论 第一章绪论弟一草箔化 1 1 研究的背景及意义 在世界范围内，绝大多数应用于消费者和工业部门的产品使用紧固件。据估计， 在一个工艺制成品中，紧固件的价格至少占到产品总价格的百分之一【l l 。汽车工业 是最大的紧固件使用者具有代表性的家用轿车中，大约有2 8 0 0 到3 1 0 0 个紧固件被使 用【引。然而塑料紧固件只能使用在连接力比较小的地方，因此大多数的紧固件是用合 金和金属做成的，其中外螺纹紧固件中有超过9 0 的产品为滚压成形 3 1 。 螺纹件是机械制造行业中的关键传动联接零部件其制造工艺水平和产品质量直接 影响各类机械产品的总成质量。随着国内外航空、航天、汽车及械工业的迅速发展， 各类螺纹零件的需求量日益增加。根据报告：1 9 9 8 年至2 0 0 4 年期间，美国紧固件需 求量从1 9 9 8 年的9 2 亿美元提升到1 1 2 亿美元，是最大的紧固件消费国；其次是欧洲， 主要是西欧，从1 9 9 8 年的8 3 亿美元一直提升到1 1 7 亿美元；第三就是中国，从1 9 9 8 年的2 0 亿美元提升到2 0 0 4 年3 7 亿美元。在未来的几年中，中国的紧固件消费还会继 续增长，每年将增长1 2 4 ，和亚洲其它国家增长率8 5 相比，中国紧固件需求的增 长在全世界排行榜列第一名1 4 j 。 目前用于螺纹加工的方法很多，主要分为以下四大类：锻压加工、切削加工、铸 造和粉末冶刽4 1 。 图1 1 螺纹加工方法的分类 f i gl - 1s o r to ft h r e a dp r o c e s s i n g 以上的螺纹加工方法中，铸造加工方法是把螺纹做成砂型，然后浇铸金属熔液， 冷却凝固后得到螺纹。虽然铸造螺纹不会产生切屑，能够节省材料，但螺纹相埘比较 ：j ? 较料糙，目螺纹外形大都需要整形处理等一系列方法进行校正。且适应范围较窄( 直 一 径大于5 7 m m ，螺距大于0 6 m m 的有色会属、合金以及塑料件) 。粉末冶会烧结法也 螺纹冷滚坻模拟及实验研究 具有同样缺点，因此以上两种方法在实际生产中并不常用。 现在螺纹生产中比较常用的方法是切削加工和滚压加工。切削加工方法虽然工艺 成熟、操作方便、但是其生产效率很低，而且会产生切屑，降低材料利用率，同时零 件的表面质量也降低，因此不能适应使用量大、质量要求高的情况。 据统计，机械零件的失效主要是由于其表面性能不足而引起，其中磨损、疲劳和 腐蚀占了8 0 以上，这些失效形式主要与表面粗糙度、划痕、硬度、裂纹以及残余应 力等有关。表面 h 糙度大的零件其耐腐蚀性和密封性能就差，而且易于产生疲劳断裂； 零件的接触刚度和耐腐蚀性等也与表面质量密切相关，直接影响零件的效用和整机的 使用寿命。因此为了加工出精度高和质量好的螺纹，必须用其它加工方法。 螺纹滚压是一种无切削加工方法，它需要有一套带有螺纹的模具，并使金属通过 转移产生外螺纹，如下图所示。滚压螺纹要优于切削螺纹。其主要原因是它能够节约 成本，并提高材料利用率，因此，在批量生产中，滚压螺纹几乎淘汰了切削螺纹，成 为一种具有竞争优势的加工方法【5 】。 图卜2 螺纹滚压示意图 f i g l 一2d e f o r m a t i o no f t h r e a dr o l l i n g 冷滚压加工在螺纹加工上的应用已有一百多年。最早是利用搓丝机搓制紧固铁路 枕木用的螺纹，1 9 4 0 年以后冷滚压精密螺纹才得到广泛应用。各国学者也对其冷滚压 过程、滚压原理进行了研究与探索。虽然取得了不少成果，但是由于螺纹成形是一种 非线性大变形过程，受力情况比较复杂，以及滚压过程中许多因素的不确定性，对于 螺纹的冷滚压加工，尤其是对螺纹冷滚压参数( 坯件材料的物理一机械性能与配件直 径偏差；滚压工具和设备的制造精度；滚压用量：工艺系统的力衰形与热变形；刀具 的磨损；冷却及其润滑情况等) 的确定。由于各种各样误差因素的存在，有时滚压螺 纹零件产生某种缺陷，甚至会产生废品。为了得出各种参数对滚压螺纹质量的影响， 2 第一章绪论 并为冷滚压工艺提供最佳参数，必须分析其产生缺陷的原因。从而找到解决问题的方 法。从而能够有效地指导生产实践，促进冷滚压成形设备和成形技术的推广和应用。 1 2 国内外水平及发展状况 螺纹加工的应用可追溯到公元前2 2 0 年希腊学者阿基米德创造的螺旋提水工具。 公元4 世纪，地中海沿岸国家在酿酒用的压力机上开始应用螺栓和螺母的原理。当时的 外螺纹都是用一条绳子缠绕到一根圆柱形棒料上，然后按此标记刻制而成的。而内螺纹 则往往是用较软材料围裹在外螺纹上经锤打成形的。1 5 0 0 年左右，意大利人列奥纳 多达芬奇绘制的螺纹加工装置草图中，已有应用母丝杠和交换齿轮加工不同螺距螺纹 的设想。此后，机械切削螺纹的方法在欧洲钟表制造业中有所发展。1 9 世纪2 0 年代， 莫兹利制造出第一批加工螺纹用的丝锥和板牙。2 0 世纪初，汽车工业的发展进一步促 进了螺纹的标准化和各种精密、高效螺纹加工方法的发展，各种自动张开板牙头和自 动收缩丝锥相继发明，螺纹铣削开始应用。2 0 世纪3 0 年代初，出现了螺纹磨削。螺 纹滚压技术虽然在1 9 世纪初期就有了专利，但因当时生产力水平的限制，模具制造困 难，且容易损坏，因此冷滚压技术发展比较缓慢，直到第二次世界大战时期( 1 9 4 2 - 1 9 4 5 ) ，由于军火生产的需要以及螺纹磨削技术的发展解决了模具制造精度的问题，才 使冷滚压技术获得迅速发展1 8 。1 。 1 9 世纪木和2 0 世纪初，随着坯件材料机械性能的进一步改善，以及滚压工具和 工艺性能更高的滚丝机床的研制成功，滚压螺纹的加工技术得到更大的发展和普及， 并且可以在碳素钢、合金钢( 包括工具钢、不锈钢) 、黄铜、青铜、铝、钛、铍、镍、 粉末冶金和塑料等不同坯件材料上。对各种类型的零件( 如丝献动力螺栓和发动机地 脚螺栓、丝杠螺纹和主轴、空心薄壁件上螺纹等) 进行各种螺纹( 包括精密螺纹) 的滚压 加工。现在螺纹冷滚压有圆柱滚丝机、搓丝板、行星式自动滚丝机等多种滚丝机，还 把高科技用在了滚丝机一l z ，为了提高滚压螺纹的质量，一些监控系统用在了滚丝机上， 例如s k 和h e l p r o 系统。这些都使得螺纹冷滚压技术更加成熟，滚压螺纹精度更高【l 。 美国m a r q u e t t eu n i v e r s i t y 的j o s e p hp d o m b l e s k y 和f e n gf e n g 应用有限元分析软 件d e f o r m e 对外螺纹冷滚压g ht _ 过程进行了数值模拟，但这种板式成形螺纹的加工 工艺，与本研究的加工工艺尚有区别。前苏联托姆列诺夫( a j tom y lehob ) 等利片j 滑移线的方法给出了横轧时接触面平均单位压力的封闭解。俄罗斯的r 兀莫 斯塔雷金等研究分析了滚压的螺纹牙的定应力场和应变场。 。 。 - 北京科技大学的闰华军，刘晋平，樊旭平，胡正寰对楔横轧轧制螺纹轴应力状态 进行了研究：提供了楔横f l c l cj j 螺旋轴类件模型，并通过d e f o r m 3 d 有限元软件模 螺纹冷滚抹模拟及实验研究 拟了楔横轧轧制梯形齿形截面螺旋轴类件的成形过程，对轧件成形过程中两个重要变 形阶段( 成形段和精整段) 的应力分布及变化规律进行了的详细分析。 国内北京齿轮总厂、青岛生建机械厂、河南鹤壁市恒力汽车配件公司、南京工艺 装备厂、襄樊东风汽车公司等单位对螺纹、花键冷滚的实际加工中的一些问题作了初 步研究，但都集中于滚前坯料、滚轮的设计计算和生产实际经验的总结上。 近年来，国外的冷滚压设备有了很大的发展，随着现代电子技术的发展，螺纹冷 滚压设备从喂料系统、质量控制以及自动化程度等方面都有了很大的提高。现在的螺 纹冷滚压设备已经将许多先进的技术应用到了螺纹冷滚压设备中，例如p l c 和c n c 等技术。这大大提高了冷滚压的自动化、生产效率和产品质量。世界金属冷挤压滚轧 成型技术的领导者美国肯尼福( 集团) 公司( k i n e f a ec o r p o r a t i o n ) 是美国花键、齿轮及 螺纹冷挤压滚轧成型技术领域的龙头企业，m c 8 0f t ic n cp o w e r b o xk i n e r o l l e r 可以 通过触摸屏控制坯料的进给，而且能打开和关闭进料。且该设备上还装有批量进料器 v e n u s 2 5 0 等，此进材料器可以通过重量传感器和倾斜端给设备均匀地供料，自动使多 余的原料返凹进料端，而且能挑选出不合格的产品。螺纹冷滚压正向着易于调整、自 动化、多功能、高质量的方向发展【l 引。 近年来国内有很多学者从实际运用的角度对螺纹冷滚压技术进行了研究，从而推 动了螺纹冷滚压技术的应用，并得出了很多的有实用价值的结果。王秀伦于1 9 9 0 年编 著了螺纹加工技术一书，比较较全面地论述了螺纹加工中的各种问题。1 9 7 8 年，崔长 华出版了螺纹的滚压加工一书，总结了螺纹冷滚压加工中的经验，如滚丝轮的调整、 设计，滚压螺纹毛坯直径的计算、典型螺纹件的加工要点等等。计志孝等人于1 9 9 0 年6 月出版了螺纹加工新工艺一书，对特殊结构的多台阶、细长杆和薄壁零件上的螺 纹冷滚压加工技术、工艺装备的设计与制造，先进的铲齿滚丝轮的设计、制造以及滚 压螺纹工艺，内螺纹的拉削技术等做了较详细的论述。以上的成果为螺纹冷滚压加工 工艺在国内的推广和应用做出了贡献。 由上综述可知，国内外虽然对冷滚压螺纹进行了一定的研究。但是由于螺纹冷滚 压成型技术是一种连续的局部变形过程，变形机理复杂。前期的研究主要集中在冷滚 压的理论分析和滚压坯件的参数计算。国内外尚缺乏对冷滚压后的螺纹质量的研究。 经塑性成形后的螺纹件，滚压后的质量对其使用寿命有极大的影响。因此对冷滚压螺 纹件的质量研究，对于促进这种无切削新技术的推广应用，具有重要的理论意义和实 用价值。 4 第一章绪论 1 3 螺纹冷滚压加工发展趋势 与传统的切削加工相比，滚压加工的优越性在于： ( 1 ) 产品性能高。使用切削加工办法，由于金属纤维发生断裂，表面质量不高，一 般需增加磨削工序。无屑加工采用塑性成形的办法，使工件表面产生冷作硬化，表面 粗糙度能达到r a o 4 - - , 0 8 ，工件的强度、硬度、抗弯扭程能力等均有所提高。 ( 2 ) 生产效率比传统方法提高8 - - 3 0 倍以上。 ( 3 ) j j nw _ 精度提高1 - - - - 2 级。 ( 4 ) 材料消耗减少1 5 - - - - 3 0 。 由以上分析可知：传统的螺纹切削加工方式无法满足航天，汽车、精密机械等行 业对螺纹类零件的需求。采用塑性无屑加工艺加工螺纹已成为螺纹加工的发展趋势。 并且螺纹的冷滚压方法除具有上述其它无屑加工方法的特点之外，还可应用于加工传 统切削加工方法无法加工的细长杆螺纹。因此，对螺纹冷滚压技术予以深入地研究并 在生产实际中推广应用是螺纹制造业急待解决的问题。 1 4 研究内容 长久以来，各国学者在螺纹冷滚压加工方面做了大量研究，取得了很多成果。但，。 由于螺纹冷滚压的成彤是在比较短的时间内完成，成形过程复杂，存在材料几何以及 边界条件等多重非线性问题，因此螺纹件的质量问题主要发生在成形生产过程中，但 在使用过程中才能反应出来。本论文采用数值模拟与实验相结合的方法，主要对以下 内容进行了研究： 1 冷滚压螺纹的成形过程及其原理进行分析和研究。 2 利用有限元软件d e f o r m 一3 d 进行计算机数值模拟，从模具的切向、径向和 轴向的受力情况分析，从而可以推导出坯料的受力情况。并且对金属在滚压成形过程 的应力场、应变场和速度场进行分析研究。 3 对滚压成形的螺纹件和切削成形的螺纹件，在金相组织和显微硬度两个方面进 行对比分析。 4 分别对比和研究调质处理的后的坯料在滚压后的金相组织，以及显微硬度。 1 5 研究方法 1 有限元模拟已被广泛应用于分析和研究冷滚压的成形问题，本论文采用 ： d e f o r m 3 d 进行计算机数值模拟。使用三维实体造型工具u g ，分别构造冷滚压模具 和坯料的几何模型，然后转换成“s t l ”标准格式，导入d e f o r m 一3 d 进行物理模型建构。 。 5 螺纹冷滚爪模拟及实验研究 模拟的各项参数按照实际生产情况进行设置，同时为了节约时间并减少计算机的 量，本文做了一些必要的假设。把坯料的成形过程分为四个阶段，并对各个阶段 力学分析和研究。对模具的受力情况( 切向力，径向力以及轴向力) 进行分析， 得出坯料的受力。 由于冷滚压的滚压过程是一个及其复杂的弹塑性三维变形过程，因此本文对工件 场和应变场以及速度场进行分析和研究。 2 对滚压成形和切削加工成形的螺纹分别用金相组织实验，和显微硬度测试进行 和分析。把形状不规则的螺纹件试样在镶嵌机上样进行镶嵌，以便进行研磨和抛 从而也有利于对试样进行金相组织分析和显微硬度测试，以便对其所得到的数据 分析。 3 分别对坯料在调质处理前后的金相组织的变化进行分析。并对调质处理前后 料，在滚压加工与切削加工后的显微硬度进行分析和研究。 6 第一二幸螺纹冷滚抹原理 第二章螺纹冷滚压原理 2 1 冷滚压螺纹的特点 螺纹的冷滚压加工就是用滚压工具进行挤压，使金属产生塑性变形而形成螺纹的 加工方法。滚压螺纹的金属纤维是连续的，而切削螺纹的金属纤维是断开的，因此冷 滚压加工技术在实际生产中得到广泛的应用。但是由于螺纹滚压加工时，一副滚丝轮 只能加工一种规格的螺纹，通用性比较差，而且滚丝轮需要到专业刀具生产厂订做， 价格较高。所以螺纹冷滚压加工工艺多用于批量大的螺纹件的加工【蚓。 2 2 两滚丝轮螺纹的加工工艺 两滚丝轮滚压螺纹的原理：在滚丝机上滚丝轮是两个为一副使用的，如图2 1 。两 滚丝轮装在相互平行的轴上，并错开半个螺距作同向旋转，工件放在两滚丝轮中间， 在滚丝轮的作用力下作反向旋转，当动滚丝轮向静滚丝轮靠近时，工件逐渐受压成形。 滚丝轮的螺纹升角与工件的螺纹升角相同，但工件的旋转方向与滚丝轮的旋转方向相 反。工件达到预定尺寸后，动滚轮停止进给，并继续转动以修正螺纹的牙形廓形，这 个阶段为精整阶段。随后动滚丝轮后退，最后取下工件，一个完整的滚压过程结束。 2 3 滚丝轮及坯料的设计 坯件外径的选择，直接影m j n 滚压后螺纹的精度。坯件直径过大时，多余金属在 滚丝轮间受到挤压从而产生很大的变形抗力，引起机器的震动，使牙形不正，并使模 具寿命缩短，严重时甚至使滚丝轮牙形崩裂；坯料直径过小则滚不出完整的牙齿形。 因此对坯件的直径和滚压部分的长度，以及他们的公差要合理选择。可以认为，在滚 压过程中所形成的螺纹牙根处的金属，体积不变的被搬到了螺纹的牙顶处。由此可知， 坯件直径过大会使工件螺纹发生畸变，因此工具槽中无法容纳过剩的金属，这将导致 滚压工具的寿命下降，甚至损坏工具。如果坯件直径过小，则滚压后的螺纹外径和中 径小于设计尺寸而变成废品。 坯件的直径，不仅取决于螺纹本身的规格及精度，而且也跟滚丝轮的牙型的儿何 形状、螺距以及牙型的精度有密切的关系f 7 1 。如果滚丝轮的螺距精度及牙型精度高， 则滚压成形的螺纹的螺距误差以及牙型误差就小，因此，对坯件直径尺寸的要求可以 放宽一些，反之对坯件的要求就应当严格。 7 螺纹冷滚k 模拟及实验研究 1 滚丝轮2 支撑块3 工件 图2 - 1 两滚丝轮滚压螺纹原理 f i 醇一1t w o - d i er o l l i n gp r o c e s s i n g 平顶平底滚丝轮 下图所示，根据塑性力学中的体积不变原理，牙根b 处的金属材料体积不变地 牙顶a 处，在此假设螺纹的大径d w ，中径d 2 ，小径d l ，螺距p ，坯件直径d o ， 半径分别为1 8 r w ，r 2 ，r 0 图2 - 2 平顶平底滚丝轮 f i 9 2 2s q u a r ec r e s ta n df i a tr o o tr o l l e rr o l l e r 先求解a 部的体积，取微元d r d 2 2 p - - - 2 c o t c r 一) ) 2 刀r ，办 。2 。， 所以a 的体积为： y 一= j , i ( - p 二- 2c o t 口( r t ) ) 2 万厂，d 厂 ( 2 2 ) 第一二章螺纹冷滚胜原理 圪= p 石+ 2 丌c 。，仅匕) 厂2 一詈尼c 。，a ，3i ： = ( 三万+ 2 万c 。t 口。) b 2 - t 0 2 ) 一詈n - c o t a - b 3 - - f 0 3 ) 。2 3 ， 同理 d = p - 2 c o t a 眈一，) ) 2 刀。办 。2 川 b 的体积为： 2 f ( 导一2 c 。t 口眈一，) ) 2 刀。咖 。2 司 = p n - 2 n c o t a r 2 ) 导：r c o t a r 3 l ： = p r r - 2 z - c o t a r 2 ( t o - r j 2 ) + ；n - c o t o r - k 3 _ r 3 ) ( 2 6 ) 吃： 整理后得： 一p r 0 2 = 一p + 2 c o t a r 2 ) r w2 - ( p - 2 c o t a - r 2 ) 12 + 导c 。t 口f w - - f 1 3 ) 2 ( 2 7 ) 2 3 2 圆顶平底滚丝轮 如下图所示，圆顶平底滚丝轮也是现在比较常用的一种滚丝轮，牙根b 处的金属 材料被体积不变地转移到牙项a 处，在此假设螺纹的大径为d w ，中径d 2 ，小径d l ， 螺距p ，坯件直径d o ，相应的半径为惭，_ ，吃，过渡圆弧的半径为r 2 ，求解方法同上 f 2 0 】： 9 螺纹冷滚爪模拟及实验研究 图2 - 3圆项平底滚丝轮示意图 f i 9 2 3 d o m ec r e s ta n df l a tb o s o m i n gr o l l e r a 部的面积推导与上面相同，则： l = ( 三刀+ 2 万c o t 口吃) b 2 - - t 0 2 ) 一导n - c o t a ( r w 3 - - f 0 3 ) 圪= 眦一。，( 主_ 2 c o t o ( 吒叫) 锄厂办 ( 2 8 ) ( 2 9 ) k = p ；r - 2 r e c o t c rl 吒) ( r 0 2 - + 尺( 1 - c o s a ) 2 ) + 詈万c 。t 口( r 0 3 - e l + 尺( 1 - c o s a ) 3 ) 。2 ，。， 对于圆弧部分的体积：设r 为牙顶圆半径，仍然取微元d r ，可得 d v = 2 n r d r 2 圪= r 珈曲幼听巧i 蕊 令r 一，+ 1 2r c o s t r = r + _ 一r c o s t ，d r = r s i n t d t 可以求得： 弘4 掷+ _ 停一半) 号矶一口 根据体积不变原理：= + 圪 1 0 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 第二章螺纹冷滚玳原理 一p r 0 2 = 一p + 2 c o t a r 2 惭2 一( 詈一2 c 。t 口吒) ( 一r o - - c o s ) ) 2 + 4 jc o t c r ( r w 3 一“一r o - - c o s 6 z ) ) 3 ) 圳( m 程一丁s i n 2 a ) 一咖3 a ，0 2 ( 2 1 4 1 上式虽然复杂，但考虑了影响坯件外径的所有因素，精度高，在使用过程中可以 编程，只要代入各项参数即可自动计算结剁2 1 1 。 2 3 3 圆顶圆底滚丝轮 如图3 5 所示，圆顶圆底滚丝轮，牙根b 处的金属材料被体积不变地转移动到牙 顶a 处，设螺纹的大径d w ，中径d 2 ，小径d l ，螺距为p ，坯件直径为d o ，相应的半 径为惭，_ ，吃，过渡圆弧的半径分别为r l 、r 2 ，求解方法同上【2 2 】： f i 9 2 4 d o m ec r e s ta n dr o u n dr o o tr o l l e r k = r 吲1 一叻2 ( 冬一2 c o s 优p 一) ) 办 k = 2 n - 2 n - c o t o r r ：) ( r 0 2 - ：( 1 - c o s c z ) 2 ) + 罢t 口- ( 3 一 + r 2 ( 1 - c o sc r ) 3 ) 螺纹冷滚j 卡模拟及实验刨f 究 k = r 侧切岖可葡 圪= k 刮2 加2 压可i i 由于k + 圪= 圪+ 圪 经化简得： 2 p t a n 口= 式中 万嗄 a 螺旋升角。 2 3 4 毛坯直径的调质处理 冷滚压加工时，为了提高滚压螺纹的质量、延长模具的使用寿命，应尽量使坯件 组织均匀，并减小坯件的硬度。本论文的加工对象为4 5 号钢，对于4 5 号钢应采用调 质处理，以降低坯料的硬度并使坯料内部组织相对均匀。 2 4 螺纹的滚压过程 螺纹冷滚压过程中，滚丝轮的进给量和旋转速度是一定的【1 4 】，随着加工的进行滚 丝轮在工件上的切入量是随时间逐渐增大，直至牙型成形滚丝轮挤出的坯料金属 重新分配的结果。在此把螺纹的变形分四个阶段，并对四个阶段的成形过程进行系统 的分析。 在变形的第一阶段，坯件表面产生很多单个，且各自独立的牙。其变形是基于滚 丝轮和坯料刚开始接触的部分，在此阶段，材料的流动受到周围未变形部分的限制。 随着模具锲入量的增大，逐渐形成牙形，如图2 ，5 所示。在每个牙形两端的金属，丌 始向水平方向移动，但是由于变形抗力，坯料的牙根处产生一个小的“堆积”，随着模 具进给量的增大，堆积逐渐变人并发展成牙彤【2 引。最初坯件表层的金属沿着牙形轮廓 流动，而目滚丝轮牙形之问的金属也夕 ：始发生变形。坯料凹痕的发展过程也证明了： 1 2 第一二章螺纹冷滚压原理 在螺纹的成形过程中坯料内部有死区存在( 滚丝轮牙顶处) 。 一，。- r - a z b | 。一，7 j ： ，。_ ，。，e ，；j 。，：。 ，。，o z - 掣i s oo ，：j 一 、， ，j t ，!， ， 。i 2 ，一 。， 图2 - 5 第一个变形阶段 f i 9 2 5f i r s td e f o r m a t i o n 螺纹变形至5 0 处，表明变形的第二阶段开始，如图2 - 6 所示。牙顶和牙根的轮 廓开始形成。牙顶是以每个牙形内部金属的流动和变形为特征的。在第二阶段开始时， 从牙形邻近区域移动来的金属逐渐形成一致的牙形表面，因为牙形之间的金属所受的 挤压力是相同的，金属的水平流动方向是相反的。 螺纹冷滚k 模拟及实验研究 基于以上分析，在实际的滚压加工过程中必须考虑到滚丝轮与坯料不能够完全接 触。由于螺纹成形是一个复杂的过程，模具上每个牙形之问的宽度以及坯料的直径是 一个十分重要的参数，考虑到模具的负载和压力，滚丝轮的每个牙形必须要达到强度 要求，因为在变形的第一阶段只有牙形的少量和坯料表面接触。用h 来表示在瞬时接 触时模具牙形的接触面积【2 0 1 ，坯料的原始直径为d ，众所周之，d h 的值大于8 7 时【8 】， 这种局部的不均匀性变形才能开始，并且每个压痕的压力将3 倍于材料的屈服强度， a 型滚丝轮牙形的接触长度通常由牙根外圆角半径表示，可认为其接触时为平面接触， 因为牙根半径远远小于螺纹坯料直径，当d h 超过8 7 时，滚压可以顺利进行【2 1 1 。 第四变形阶段为精整阶段，此时，滚丝轮不再进给。由于加工时会造成工件的不 圆度，滚丝轮的继续旋转能够精整螺纹的不圆度，同时提高螺纹表面的光洁度。 2 5 螺纹冷滚压的成形特点 如图2 8 ，2 - 9 所示，滚压螺纹只使材料的晶粒发生变形，其组织成分并未改变。 图2 - 8 滚压螺纹表层组织图2 - 9 螺纹内部组织螺纹 f i 9 2 8s u r f a c el a y e rm e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e f i 9 2 9i n t e r i o rm e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e 金属经塑性变形后，晶内出现滑移带，同时各晶粒均沿变形方向延伸和扭曲，被 压成条形纤维组织。金属的塑性变形在螺纹表层最为剧烈，距表层越远变形就越小。 滚丝轮与坯件接触处的晶粒变形及拉伸程度最大，因为此处材料向牙型顶部流动的速 度大于向牙型中心的流动速度。螺纹槽底部金属表层的纤维组织被压紧到难以分辨出 品粒的程度，形成一股流线平稳地绕过螺纹牙底并沿牙型侧面流动，紧靠这些纤维组 织的晶粒也向牙型方向流动，接近工件内部逐渐减弱，坯料罩层材料呈现原始组织状 态，如图2 1 0 所示。 1 4 第一二章螺纹冷滚雕原理 图2 1 0 滚压螺纹牙根金相组织 f i 9 2 一10t h er o o to fm e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e 随着变形的发展，不仅晶粒的形状会发生改变，而且晶粒内部的业结构也会发生 明显地改变。晶粒破碎、位错密度增加，使金属的变形抗力迅速增大，材料的塑性和 韧性下降，强度和硬度显著升高，从而产生加工硬化现象。如图2 1 1 所示，滚压轮转 速6 0 0 r m i n ，进给速度5 0 m m m i n ，进给位移5 m m 的情况下，随着滚压加工的进行， 滚丝轮的所受力矩急剧增大，然后维持一个平衡值，然后力矩急剧减小，在8 0 0 毫秒 处波动，这个阶段是精整阶段，螺纹的变形基本完成，此时螺纹的圆度会增加，表面 粗糙度减小。 螺纹冷滚旭模拟及实验研究 ，壤。# 黪獬蟹勰豫i 躲舷黼露嬲镌黪e 蟹憩鬻 时f - 毫秒 0 图2 - 1 1 力矩随时i 司的变化 f i 9 2 - l1m o m e n tv a r i a t i o nw i t ht i m e 6 滚丝轮与工件的相对运动 在冷滚压加工过程中，滚丝轮与工件的运动关系，对于了解工件在滚丝轮上是如 相对运动，零件是怎样成形的，滚丝轮是如何调整的，具有重要的意义。滚丝轮的 损以及工件发生变形缺陷等都与之有直接的关系。图2 一1 2 为冷滚压加工原理图。滚 轮以逆时针主动旋转，带动工件顺时针旋转口4 乏5 1 。 滚丝轮上任意一点的圆周速度v 为： y ：国。r ：r c d n ( 2 1 5 ) 6 0 式中：万l ，刀l 分别为滚丝轮的角速度r a d s 与转速r m i n y 为滚丝轮上任意一点的线速度m r n s r ，d 分别为滚丝轮上任意一点的半径与直径，m m 。 1 6 v 0 0 o 0 0 v 0 0 o 0 v 0 0 0 0 n j 0 l 1 蚕r 第一二章螺纹冷滚压原理 图2 - 1 2 滚压加工截面 f i 9 2 - 12c r o s ss e c t i o no f c o l d - r o l l i n gp r o c e s s i n g 滚丝轮表面圆周速度最人值在b 处( 牙顶处) ，其速度v b 为 v b = 荭y l r b = 1 r c d b 矿n w ( 2 1 6 ) 上式中 r b ，d 口分别为滚丝轮齿顶面的半径与直径，m m 。 滚丝轮表面圆周速度最小值在a 处，其速度圪为 v a 刃1 r a - - 警 ( 2 1 7 ) 式中凡，d 爿分别为滚丝轮与工件接触表面中最小半径与最小直径，m m 。 将工件视为绝对刚体，在正常稳定滚压时工件上任一点的圆周速度缈为 缈：缈，r ：型竺( 2 1 8 )缈= 缈，r = 2lz 6 u 式中：彩