（材料加工工程专业论文）花键管增量式两轮冷滚轧工艺及数值模拟.pdf

武汉理1 二大学硕十学位论文 摘要 空心花键管作为传递力和扭矩的关键零件，常应用于定心精度要求高、传 递转矩大或经常滑移的联接，在汽车以及各种车辆和装备制造业中应用非常广 泛。冷滚轧精密成形属于少无切削加工工艺的一种，由于这种工艺不破坏零件 表面纤维，因而具有齿面金属纤维连续性好、齿面强度高、耐磨性好、成形效 率高和节约材料等优点。花键管冷滚轧精密成形过程不同于花键轴类零件，其 坯料金属变形量大，成形过程较为复杂。因此生产工艺不同于传统花键的生产 工艺，国内目前几乎还没有企业涉足。通过对轧制工艺方法发展趋势的分析， 可以知道，对花键冷滚轧过程进行有限元分析，精确描述轧件金属流动规律、 应力场、应变场和轧制力等，并在此基础之上对金属成形机理进行研究是十分 必要的。 本文以增量式冷滚轧为研究对象，以空心花键管为研究对象的载体，分析 研究了采用冷滚轧工艺成形空心花键管的可行性。结合实际情况，在理论分析 的基础上进行模具设计、干涉检验和初步确定滚轧工艺条件参数，通过理论分 析和仿真模拟，反复修正优化滚轧参数，使模拟结果的各项指标逐步趋于合理 化，以求以较低成本和相对简单的设备和技术条件来实现非回转体的成形，提 高滚轧成形件的质量和精度。 通过模拟仿真花键管冷滚轧过程，分析其坯料金属流动规律、应力应变场 以及轧制力等，结果表明在参数条件为：坯料尺寸a p 6 0 x 3 5 r a m 、压下量： 5 0 3 0 2 0 、摩擦系数o 1 2 和滚轮转速3 6 r p m 时成形性最好，金属塑性流动 对称均匀，等效应力应变值也较小，轧制力较为合理。在模拟分析中，本文对 于仍然存在的问题如工件打滑现象、工件尺寸长大和成形边界不够清晰等做出 了分析研究，并提出了相应的解决方案。 最后，通过对现有试验设备z 2 8 8 0 型滚丝机的改装，在其上进行试验，通 过物理试验验证理论分析和模拟仿真所得优化滚轧参数的正确性和可靠性。 关键词：花键管；冷滚轧；非回转体；有限元 武汉理工大学硕十学位论文 一一一一。- - _ _ _ - _ _ - 一 a b s t r a c t a st h ek e yp a r t sf o rt r a n s m i s s i o no fp o w e ra n dt o r q u e , t h eh o l l o ws p l i n et u b ei s o f l e na p p l i e di nt h o s es p l i n ec o n n e c t i o n s ，w h i c hn e e d sh i g hc e n t e r i n gp r e c i s i o n ，h i g h t o r q u et r a n s f e rc a p a b i l i t yo rh i g ht r a n s m i s s i o ns l i pr a t i o s o ，i ti sw i d e l yu s e di n a v a r i e t yo fv e h i c l e sa n de q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h ep r e c i s i o nc o l dr o l l f o r m i n gi so n ek i n do fl e s so rn oc u t t i n gp r o c e s s d u e t oi t sn od e s t r o y i n go nt h ep a r t s u r f a c ef i b e r , i th a sac o n t i n u o u sm e t a lt o o t hs u r f a c ef i b e r , a n dm a n y o t h e ra d v a n t a g e s s u c ha sh i g hw e a l r e s i s t a n c e ，h i g hf o r m i n ge f f i c i e n c y , m a t e r i a ls a v i n g a n ds oo n t h es p l i n et u b ed i f f e r sg r e a t l yf r o mt h es p l i n es h a f tp a r t si nt h ec o l dr o l lf o r m i n g p r o c e s s ，w h i c hh a sac o m p l e xp r o c e s sw i t hl a r g eb l a n kd e f o r m i n gq u a n t i t y t h e p r o d u c t i o np r o c e s si st h e r e f o r ed i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lp r o d u c t i o np r o c e s s o ft h e s p l i n es h a f t ，a n dt h e r ei sa l m o s tn or e l a t i v er e s e a r c hf o rt h e d o m e s t i ce n t e r p r i s e s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fd e v e l o p m e n tt r e n d so fr o l l i n gt e c h n o l o g y , w ec a ns e e t h a ti ti sn e c e s s a r yt oa c c u r a t e l yd e s c r i b et h es t r e s sa n ds t r a i nf i e l d ，t h em e t a lf l o w l a wa n dl o a dp r e d i c t i o nt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) o nc o l dr o l l i n gf o r s p l i n et u b e a sw e l la sm e t a lf o r m i n g m e c h a n i s m b yt a k i n gi n c r e m e n t a lc o l dr o l l i n ga sr e s e a r c ho b j e c t ，a n dt a k i n gt h eh o l l o w s p l i i l et u _ b ea sm ec a r r i e ro ft h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ef e a s i b i l i t yo f f o r m i n go fs p l i n et u b eb ya d o p t i n gc o l dr o l l i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt o p r a c t i c a l s i t u a t i o n ，i tc a r r i e do u td i ed e s i g n i n g ，i n t e r f e r e n c ed e t e c t i o n , p a r a m e t e rc o n d i t i o n s p r e l i m i n a r i l yd e t e r m i n eb a s e do n t h e o r e t i c a la n a l y s i s b yt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，t h e p a p e rm o d i f i e dt h ep a r a m e t e r sr e p e a t e d l yt om a k ee v e r yi n d e x e st e n d t ob em o r e r e a s o n a b l ei no r d e rt or e a l i z ef o r m i n gm et l i g hq u a l i t yd e f o r m e dp a r t sb yl o w - c o s t a n ds i m p l e re q u i p m e n ta n dt e c h n i c a lc o n d i t i o n s t h r o u g hf e a o nc o l dr o l l i n gf o rs p l i n et u b ea n dt h ea n a l y s i so ft h es t r e s sa n d s t r a i nf i e l d t h em e t a lf l o wl a wa n dl o a dp r e d i c t i o n ，t h er e s u l t s h o w st h a tt h e o p t i m i z e dp a r 锄e t e r sf o rm ep r o c e s sa r ea sf o l l o w s ：b l a n ks i z e 伊6 u 3 研聊，p r e s s q u a n t i t y5 0 3 0 2 0 ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n to 12a n ds p e e do fr o l l e r3 6 r p 肌u n d e r i i 武汉理工大学硕士学位论文 一一 t h i sc o n d i t i o n ，t h em e t a lp l a s t i cf l o wi s u n i f o r m ，t h ev a l u e so fe q u i v a l e n ts t ie s sa n d e q u i v a l e n ts t r a i na r es m a l l e r , a n dr o l l i n gf o r c ei sm o r er e a s o n a b l e m e a n w h i l e , s o m e i s s u e sms i m u l a t i o nw e r e a n a l y z e d ，a n dt h er e s p e c t i v es o l u t i o n sw e r ep r o p o s e d a tn l ef i n a l ，t h ep h y s i c a le x p e r i m e n tw a s c a r r i e do nt h er e t r o f i to fs c r e wm a c h i n e t h ee x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o np r o v e st h ec o r r e c t n e s sa n d r e l i a b i l i t yo fa b o v et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n k e yw o r d s ：s p l i n er o b e ；c o l dr o l l i n g ；n o n - r o t a t i n gb o d y ；f e a i i i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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，也不包含为获得武汉理工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了谢意。 研究生( 签名) ：互卑层期2 丝旺 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：耳导师c ：笾址嗍犁 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理l 人学硕1 一学佛论文 1 1 引言 第l 章绪论 花键联接由内花键和外花键组成，键齿侧面是工作面，工作时靠键齿侧面的 挤压束传递转矩，内、外花键均为多齿零件，在内圆柱表面上的花键为内花键， 在外圆柱表面r 的花键为外花键。显然，花键联接是平键联接在数日上的发展 属于多齿工作，齿根较浅，具有承载能力高、对中性和导向性好、应力集中与对 轴、毂削弱较小等优点口6 ”。作为传递力和扭矩的关键零件，常应用于定心精 度要求高、传递转州大或经常滑移的联接，在汽车以及各种车辆和装备制造业中 席用非常广泛。 口医 a 外花键b 内花键 图l - l 花键联控 传统诧键如矩形、渐开线形和三角形花键尚具有一定的缺陷：重量大，材料 利用率低，伸缩量小等。内外空心花键管，分别相当于传统意义上的外花键和内 花键，是当前新型的传动结构。与传统花键相比，重量轻，伸缩量大，抗震吸震 能力强，具有良好的发展| j i 景。 嘲1 2 空心花键群 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 花键的研究现状 花键轴类零件加工方法可分为两类：切削加工工艺，以插齿和滚齿为代表； 少无切削加工工艺，以滚轧、挤压为代表。 切削加工方法不仅生产率低，浪费材料，而且花键强度弱，寿命短，承载能 力也较低。在一些工业发达国家，这些传统加工方法已逐渐被塑性成形替代，即 少无切削加工。这种工艺由于不破坏零件表面纤维，因而齿面金属纤维连续性好、 齿面强度高、耐磨性好，形成效率高和节约材料等优点，因此在大批量高强度、 高精度的花键类零件的生产中，少无切削的冷滚轧加工工艺受到越来越多的重视 与应用【i 2 】。目前采用较多的冷挤压成型，可达到较高的精度等级，但是在花键 齿圆角的成型和挤压过程中摩擦力过大容易造成挤压力过大、挤压粘着或模具失 效的问题方面亟待进一步的研究解决【8 7 1 。 国内花键联接副的加工成型已经取得了很大进步，但是花键联动主要还是由 轴和轮毂来实现，没有空心花键管联接的先例。 1 3 冷滚轧工艺概述 花键冷滚轧成形是利用某些金属在冷态下的可塑性来成形花键，在外力作用 下通过带一定齿廓形状的滚轮模具使工件( 花键) 产生变形，从而获得所需形状的 花键。 在少无切削加工冷成形方法中，冷滚轧成形因其独有的成形特点如高效率低 消耗、精度稳定、强度高、表面质量好等应用范围越来越广泛。 1 3 1 冷滚轧工艺发展现状 冷滚轧技术由美国a n d e r s o n c o o k 公司于五十年代研究开发成功。在此之前 齿轮滚轧法的研究进行了近多半个世纪，但是，由于滚轧成形的精度低，滚轧工 具寿命存在一定问题，一直没有进入实用化。六十年代，数控线切割机床的应用 为加工形状复杂、精度高的冷滚轧模具创造了条件，使精密冷滚轧技术的开发应 用产生了质的飞跃。与此同时，研制出适于批量生产的精密冷滚轧机床，使精密 冷滚轧成形进入实用化阶段。 于1 9 6 2 年成立的美国肯尼福集团公司( k i n e f a cc o r p o r a t i o n ) ，致力 于金属精密冷成型技术的研发创新，创始人霍华德( h o w a r da g - r e i s ) 代表肯尼福 公司起草了相关冷成型专业的美国国家技术标准，并编著了美国机械加工工艺技 2 武汉理丁大学硕士学位论文 术手册中的滚轧工艺手册，为先进精密冷挤压滚轧成型加工技术的发展作出了很 大贡献。 瑞士e r n s tg r o b 公司也已开发生产出冷滚轧设备，并具有一套完整的生产工 艺及滚轧轮的设计制造技术。其采用的c 6 和c 9 系列冷轧机轧制，调整时间短， 即使是2 0 - 3 0 件的小批量生产也十分经济。c 6 和c 9 的改进型1 2 1 4 n c 和 删1 2 1 4 n c 具有更高的生产效率、精度及可调性。 七十年代，精密冷滚轧技术在日本得到了迅速发展，简易实用的n a c h i 精 密冷滚轧机被研制使用。该精密冷滚轧机去除了西欧设备复杂的保护系统，由驱 动、冷却、润滑三个系统组成。日本九州大学( k y u s h uu n i v e r s i t y ) 、三菱重工 ( m i t s u b i s h ih e a v yi n d u s t r i e sl t d ) 的r m a t s u n a g a ，r k a m a s h i t a 等人对用于自 动变速器的离合器中的花键套筒的滚压加工进行了分析，但其主要侧重于用实验 方法验证其) m - r 精度满足使用要求。 我国于八十年代中期开始，先后从日、德、美等国家引进冷滚轧机床和模具， 许多厂家和科研单位着手进行研究开发。国内北京齿轮总厂、青岛生建机械厂、 青岛星晨机床有限公司、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花键冷滚的实际加工中的一些问题作了初步研究与试验， 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。 九十年代初期，燕山大学开始对冷滚轧技术进行研究开发，完成了渐开线花 键与螺纹精密冷滚轧工艺及模具的初步研究试制。 国内外相关厂家在工艺设备等方面进行了一定的研究，可以加工出合格的零 件。但由于花键冷滚压成形技术是一种连续的局部变形过程，变形机理较为复杂， 理论分析和参数计算有较大的难度，花键类零件冷滚压成形的工艺理论和力学分 析的研究较少，尚停留在定性分析阶段，没有形成系统的冷滚压成形工艺参数计 算理论，现有的成形工艺和生产基本上是依靠经验，缺乏系统的理论指导。 1 3 。2 冷滚轧工艺分类 按滚轮数目分可分为【5 】： 1 单滚轮滚轧法，如图2 1 所示，主要应用于最初研究齿轮、花键滚压，较 适用于热成形： 3 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 单滚轮滚轧成形原理简图 2 双滚轮滚轧法，如图2 2 所示，这是现行典型的花键冷滚轧加工方法，通 过冷滚轧使工件差生塑性变形，形成花键： 。一铆 公处 弋 、 j 掰； # 给、 n 必 f 0 a 、b 滚轧轮c - 一工件 卜_ 滚压力 图2 - 2 双滚轮滚轧成形原理简图 3 三滚轮滚压法，如图2 3 所示，多用于空心螺纹、花键类零件的滚压成形。 图2 3 三滚轮滚轧成形原理简图 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 冷滚轧工艺成形影响因素 冷滚轧是精密塑性体积成型的一个重要组成部分，其加工过程即靠模具来控 制金属流动，从而坯料金属体积大量转移形成零件。 金属塑性的影响因素大致分为两方面：一是金属的内在因素，如化学成分、 组织状态等；一是变形的外部条件，如变形温度、应变速率、变形的力学条件等 因素【4 4 3 1 。 1 变形温度。冷成形变形抗力较大，存在加工硬化现象。就大多数金属而 言，总趋势是：温度升高，塑性增加。 2 应变速率。冷变形时，随着应变速率的增加，开始塑性略有下降，以后 由于温度效应的增强，塑性会有较大的回升。就材料性质来说，化学成 分越复杂或合金元素含量越高，则再结晶速度就越低，软化过程进展越 缓慢，因而应变速率与塑性的关系就越敏感，此时，增加应变速率会引 起塑性的明显降低，碳钢和低合金结构钢的塑性受应变速率的影响较 小。 3 变形力学条件。变形力学条件的影响可从应力状态和应变状态两方面判 断。应力状态对塑性的影响最终可归结为其静水压力对塑性的影响。当 静水压力越大，也即在主应力状态下压应力个数越多、数值越大时，金 属的塑性越好。应变状态对金属塑性也有一定的影响，一般认为，压缩 应变有利于塑性的发挥，而拉伸应变则对塑件不利。 4 其它因素，如不连续变形和尺寸( 体积) 因素。实践表明，在不连续变形 ( 或多次分散变形) 的情况下，金属的塑性亦能得到提高。变形体的尺寸 ( 体积) 会影响金属的塑性。尺寸越大，塑性越低：但当变形体的尺寸( 体 积) 达到某一临界值时，塑性将不再随体积的增大而降低。 1 4 课题来源及研究意义 本课题来源于湖北省重点科技攻关项目“精密挤轧空心花键管工艺装置 ( 项 目编号：2 0 0 4 1 9 0 0 1 ) 论文将就花键管冷滚轧工艺方案可行性进行理论分析、数值模拟以及试验验 证，从而期望得出花键管坯料金属流动规律及成形机理，完善花键管冷滚轧精密 成形的理论体系，并且，通过研究分析的结果可为异形截面管件的成形提供一定 的借鉴依据，对于促进冷滚轧精密成形这种少无切削技术的推广也具有一定的理 论和实用价值。 5 武汉理下大学硕士学位论文 1 5 课题研究内容 通过对轧制工艺方法发展趋势的分析可知，对花键冷滚轧过程进行有限元分 析，精确描述金属流动规律、应力场、应变场等，并在此基础之上对金属成形机 理进行研究是十分必要的。结合实际情况，本文主要研究花键管的成形工艺和成 形机理，设计合理的滚轧轮。通过理论分析和仿真模拟，以低成本和相对简单的 设备和技术条件来实现非回转体异形件的成形，提高滚轧成形件的质量和精度。 本文主要研究内容如下： 1 逆向求样品参数：运用三坐标测量仪测量分析标准件，将物理模型转化 为数据点云图，再应用逆向反求技术，得出花键管各项参数。 2 花键管冷滚轧工艺可行性分析：通过对滚轧的成形原理及运动学分析， 确定成形方法的可行性。 3 工艺及模具设计：根据测量所得参数和现有的成形设备( z 2 8 8 0 型滚丝 机) 各项参数，合理设计出工艺路线和滚轧轮和滚轧芯轴等。由于花键 管的非对称性和非标准齿形( 即齿廓曲线不是渐开线或摆线) ，给成形 工艺和模具的设计带来了一定的难度。 4 数值模拟：采用有限元模拟软件d e f o r m - 3 d 对花键管的冷滚轧。由于不 同的边界条件如坯料尺寸、轧制速度和摩擦系数等，对金属的流动影响 不同，直接关系到产品的成形质量，本文将就此进行分析，并选出合理 的工艺参数。 5 试验验证：通过物理试验验证理论分析和模拟仿真的正确性、可靠性， 并优化工艺方案。 1 6 本文的研究方法和技术路线 研究方法： 采用理论工艺性分析、建模数值模拟与试验验证相结合的方法，先建立花键 管冷滚轧的数学模型，对成形过程进行数值模拟，并进行理论分析，获取相关工 艺和滚轧参数，再进行试验验证。 技术路线： 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 7 本章小结 本章首先确定了研究对象的载体空心花键管，就其研究现状和成形制造 方法进行了介绍，以此引出近年来发展起来的少无切削工艺即精密冷滚轧成型。 通过对冷滚轧工艺的技术背景介绍、发展趋势以及成形制约因素的研究，明确了 本课题的研究意义和主要内容，即分析用冷滚轧工艺成形空心花键管的可行性， 并在次基础上进行模具设计和确定合理的滚轧工艺参数，最后得出坯料金属的流 动规律和应力、应变场等。 7 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章花键管冷滚轧成形工艺 2 1 冷滚轧成形原理 2 。1 。1 成形原理 冷滚轧花键是一种利用同向滚动的滚轧轮模具成形花键的无切削加工工艺， 其示意图如图2 1 。 图2 - l 冷滚轧示意图 其成形原理为【2 l 】：在冷滚压机的两个平行的传动主轴上，分别安装参数相 同的一个带一定齿廓形状的滚轮。在传动机构的驱动下两主轴作同步、同方向旋 转。在滚压力的作用下，一轴或两轴同时以均匀的速度或恒定的滚压力作径向进 给运动。当滚轮与工件接触时产生摩擦力矩，带动工件旋转并使其产生塑性变形。 滚轮以恒定的旋转和持续的径向进给连续地向坯料施压，直至成形与滚轮齿廓形 状相应的渐开线花键。 一般地所成形的渐开线花键轴向长度小于滚轮的轴向宽度，滚压过程中滚轮 与工件无轴向进给。滚压过程中工件被动旋转，自由分齿，实际生产中不免存在 滑动现象，因此为保证分齿精度实际生产用滚轮必须考虑滑动现象。由于滚轮与 工件的重合度小于l ，成形过程中滚轮前一齿与工件脱离接触，相邻齿尚未与工 件接触，滚轮与工件接触是断续的，有间断。这也是与花键板式冷搓、螺纹轮式 8 武汉理工大学硕士学位论文 滚压的一个明显区别。 2 1 2 成形过程 花键冷滚轧模具展开后类似一对齿条，按照各部分齿形功能的不同，沿整个 模具长度方向上可分为轧入齿、校正齿和退出齿三个部分。展开齿形示意图如图 3 2 。各齿区情况如下【9 】： 1 轧入齿的齿顶连线与底面成角度伊l ，称之为轧入角。轧入齿阶段由于模 具刚刚咬入，毛坯对模具的作用力相对较大，为保证模具的强度和使用 寿命，对该工作段的前部分齿形要作特殊的喷丸处理。另外，喷丸处理 后的齿顶表面摩擦系数增大，有利于咬入阶段的顺利进行。 2 校正齿的齿顶连线与底面平行。该部位的齿形精度非常重要，它决定了 工件尺寸大小、表面粗糙度和精度的高低。通常，模具制造精度要比工 件精度高1 , - - - , 2 级，表面粗糙度高2 级以上。 3 退出齿的齿顶连线与底面成角度伊z ，称之为退出角。此时，齿形加工己 完成，为了不影响工件精度，故必有一退出角伊么，并且在工件退出时要 求保证工件与模具相互啮合。 li l k ! ：；一7 一一一 司 图2 - 2 滚轧轮展开齿形示意图 花键管冷滚轧成型初始阶段，毛坯表面产生少量的塑性变形，呈现出凸起 和凹槽；在轧入阶段，毛坯被准确地轧出凸起和凹槽；接着进入校正齿位置，花 键齿已基本成形，被轧花键管只发生少量的金属流动，齿形的各部分得到校正， 齿形精度得以提高；最后，被轧花键在滚轧模具的带动下边旋转边脱离滚轧模具。 此阶段内，毛坯只发生弹性恢复而没有塑性变形。 2 1 3 平面应变基本理论 花键管冷滚轧成形中，根据体积不变原则，认为滚压前后工件( 花键) 轴截 面面积相等，即：花键冷滚压成形中沿轴向无变形，沿轴向位移和应变为零。也 就是花键冷滚压成形状态为平面应变状态。那么，在理论研究滚轧过程塑性变形 9 武汉理工大学硕士学位论文 区的应力、应变状态时，满足如下假设： 1 花键管轴向无变形，属于平面应变问题。 2 滚轧塑性变形时坯料体积不发生变化。 3 工件材料为理想刚塑性材料。 4 滚轧轮齿顶与工件接触面、齿侧接触面上的正压力和摩擦力分布均匀； 滚轧轮齿顶与工件接触面应采用常摩擦力条件，而滚轮齿侧接触面上应 选用库伦摩擦条件。 花键管冷滚轧成形过程中的受力情况较为复杂，其变形区主要集中在花键管 的凹陷处。则工件在塑性变形区内相应点a 、b 的应力和应变状态如图3 3 。由 图可知，工件变形主要表现在内、外金属纤维的交替缩短和伸长，就绝对值来看 切向应变值为最大应变( 外层应变白为正，内层应变白为负) ，切向应力为最大 应力( 外层应力乃为正，内层应力乃为负) 。由于花键管的相对宽度： b9 0 。一， 一= 碍z ) ，uj 丁3 5 因此，变形时宽度方向上的阻力很大，材料不能自由变形，应变接近于零。 舞伊 a 点应力状态和应变状态 i 印i p 始伊a b j 坛 u 图2 - 3 花键管各点主应力状态图 塑性成形时，如果物体内所有质点都只在同一坐标面内( x o y ) 发生变形， 而该平面的法向方向( z 轴方向) 没有变形，这种变形称为平面变形或平面应变。 发生变形的平面称为塑性流平面。花键管冷滚压成形即为平面变形，那么平面应 变状态的特点及应力平衡微分方程、几何方程( 位移增量与应变增量的关系) 都 适应于花键管冷滚压成形状态。 平面应变基本方程有： 变形体沿z 轴方向没有变形，变形只限于x o y 坐标面内。这样变形体内位 移的变化与坐标z 无关，即： u ( x ，j ，) ，v = v ( x ，y ) ，w = 0 ( 2 - 1 ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 根据几何方程可得应交分量为： 色a乱 一 占x2 _ ，8 y = _ ，如2 _ 20 厂叫：喜( 害+ 薹) ，7 稆三圭( 宝+ 妾) ：。，厂芦：圭( 害+ 鲁) ：。 ( 2 - 2 ) 由s ：= 0 可推出s ：- o ，根据圣文南塑性流动方程旬2 力仃，则有： g ：= 五仃：= a ( 巧：一仃m ) = 0 ( 2 3 ) 一j 式中：名a = 竺，d 2 为正的瞬时状态； 仃，- 平均应力，盯。= 喜( 仃，+ 盯y + 盯：) 有： 仃：一仃。= 0 ( 2 4 ) 故： 仃：- 圭+ 州= 仃m = 盯户圭( 酣 ( 2 - 5 ) 变形过程中，物体内与塑性流平面相平行的平面之间没有相对的错动，即： f 。= f 。= o ( 2 - 6 ) 由第一、第三主应力可得最大剪切应力f 一为： z m a x = 去( 仃l 一仃3 ) ( 2 _ 7 ) 在任一点q 的应力状态，都可用平均应力仃。和最大剪应力* m a x 表示： 仃l = 仃脚+ f 哪0 2 = 盯埘0 3 = 盯m f l l 戳， ( 2 8 ) 则q 点的应力摩尔圆如图2 - 8 所示。图中p l 为主应力方向角，能为最大剪 应力方向角，其值为： t a r l 2 缈1 = 忑2 r ym 2 炉警a x o vz z 础 平面应变下屈雷斯加( h t r e s c a ) 屈服准则： 0 2 一盯i f 憾= 一2 2 ( 2 9 ) ：k ：竺( 2 1 0 ) 2 武汉理工大学硕士学位论文 式中：k 剪切屈服强度 平面应变下米塞斯( v o n m i s e s ) 屈服准则： o x a y ) 1 2 + 4 f 矽2 = 4 k 2 = ( 弓) 2 c 2 一- t ， 则平面应变下的屈服准则可用统一形式表示： i ：k ：竺 ( 仉叮y ) ：+ 4 r 2 = 4 k 2 慨一：童 协 变形体处于塑性平面应变状态时，在塑性流动平面上( 塑性区) 各点的应力状 态均满足屈服准则，而且过任一点q 都存在两个相互正交的第一、第二剪切方 向。 一般来说，这两个方向将随q 点的位置变化而变化。当q 点的位置沿最大 切应力方向连续变化时，则得两条相互正交的最大切应力方向轨迹线，即称为滑 移线。 将q 点沿第一剪切方向所得的滑移线称为a 线，沿第二剪切方向所得的滑 移线称为d 线，由于过塑性区内任一点均可引出两条相互正交的滑移线，从而可 构成滑移线网络，它们布满塑性区，形成滑移线场，如图2 - 9 所示。 1 2 武汉理下大学硕士学位论文 d 图2 5 滑移线与滑移线场 由坐标轴o x 正向转向第一剪切方向的角度( 见图2 - 9 ) 称为第一剪切方向 的方向角，也就是滑移线的方向角。从图2 - 9 中可得两族滑移线的微分方程为： 因q 线为最大剪应力作用方向，令( ) = 巾：代入式( 2 9 ) 联立式( 2 11 ) 得： it a n 2 缈：o x - - o y 2 f 叫 忙一莎y ) 2 坞矽2 = 4 k 2 解上式可得：f 盯，：仃。一k s i n 2 0 9 仃y = o m _ i - k s i n 2 0 ( 2 1 4 ) 【f 矽= k c o s 2 c o 2 2 冷滚轧过程的运动学分析 2 2 。1 滚轧轮与轧件的相对运动 1 圆周速度 花键管精密冷滚轧技术是横轧技术的一种，但由于花键管是管件，轧制过程 与典型的横轧有很大的区别。图2 1 0 为花键管轧制的轴向视图的一部分。滚轧 轮以特定的方向主动旋转，轧件在摩擦力带动下反方向旋转。 滚轧轮上任一点的圆周速度为： 1 3 线 贼 硝 酗 5 羹 沿 彩 虹 绷 哟 切 一 痧一出咖一出 武汉理t 大学硕士学位论文 v l = m r = 告 ( 2 - 1 5 ) 式中：w l 、n l 一分别为滚轧轮的角速度和转速，r 、d 一分别为滚轧轮上任 意一点的半径与直径值。 图2 - 6 花键管冷滚轧轴同视图 滚轧轮上各点的圆周角速度如图2 - i 所示，呈三角形0 ，k b 分布。滚轧轮表 面圆周速度最大值在k 处( 齿顶处) ，其速度v 足l 为： k l = w i r r - j r d 。r u n l 一( 2 - 1 6 ) 式中：r 足、d k 分别为滚轧轮上齿顶处( k 点) 的半径与直径值。 滚轧轮表面圆周速度最小值在a 处，其速度y 4 l 为： = 呐= 警( 2 - 1 7 ) 式中：r 一、d 爿分别为滚轧轮与轧件接触表面处( a 点) 的最小半径与直 径值。 轧件视为刚体，当正常稳定轧制时，轧件上任意一点的圆周速度为： ，= w r = 塑 ( 2 1 8 ) 6 0 式中：w 2 、n 2 分别为滚轧轮的角速度和转速，r 、d 分别为滚轧轮上任意一 点的半径与直径值。 轧件的圆周速度如图2 - 1 所示，成三角形0 2 a c 分布。轧件表面圆周速度 最大值在a 处，其速度v 4 2 为： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 = _ = 、乃d a 矿b 2 ( 2 - 1 9 ) 式中： 、d 一分别为为轧件上齿顶处( k 点) 的半径与直径值。 轧件表面圆周最小速度处在k 处，其速度v 足2 为： k 2 = w 2 k = 、乃d k r n 2 ( 2 - 2 。) 式中： 、d x 分别为轧件与滚轧轮接触表面处( k 点) 的最小半径与直 径值。 2 相对滑动 一般情况下，将轧件视为绝对刚体，那么滚轧轮与轧件间的相对运动参照图 2 - 6 ，分析如下： ( 1 ) 在k 处，滚轧轮与轧件的圆周速度大小相等；两者做无相对滑动的纯 滚动，即： = 哦= 警- - v k 2 - k = 百7 压d k n 2 ( 2 - 2 1 ) 由此可得： ，z ，= 生刀， ( 2 2 2 ) 珞 1 式中：v 置l 、v k 2 分别为滚轧轮与轧件在k 处的圆周速度，r k 、k 分别为 滚轧轮与轧件的轧制半径。 k 点位置应根据轧件自身力矩平衡条件来确定，即作用在轧件上的力矩之和 为零( m = 0 ) 。但由于孔型形状、压力分布、摩擦系数等因素较为复杂，难 于用解析式求出精确表达式，但可以根据滚轧轮转速n 。与轧件转速忍2 的方法求 得。 ( 2 ) 在k a 段，滚轧轮的圆周速度v l 均小于轧件的圆周速度v 2 ，两者之间 将产生相对滑动。圆周速度差最大处在a 点处，其速度差( 即相对滑动速度) a v 一 为： a v 一= y 一2 一v l = ，吃r 4 一w , r 彳 = 罴( 帆一凡，l 。) = 面( _ 甩2 一尺一n 1 ) ( 2 - 2 3 ) 忍 一 ； 坠k 塔 堕如 武汉理- t 大学硕士学位论文 式中：w _ 2 、k 1 分别为轧件与滚轧轮在a 处的速度。 虽然a 处的相对滑动较大，但此整个花键管滚轧过程中的压力并不大，所 以在a 处附近的磨损不是很严重。 轧件上的扭矩以花键管和芯轴为平衡对象，由于相对滑动发生的摩擦力，对 轧件形成力偶矩，沿轧件轴向长度上是变化的。此力矩m 在轧件内产生的剪应 力f 应小于轧件在常温状态下的屈服剪应力f 。否则会发生扭转塑性变形，即： f = 一m r 。( 2 - 2 4 ) 彬 4 式中：矿为轧件的剪切模量。 2 2 2 轧件的旋转条件 1 横轧的旋转条件 在横轧过程中，轧辊对轧件作用有四个外力：两个p 力与两个t 力如图2 7 。 他们对称作用与轧件，p 为正压力，它的方向一边通过轧辊中心0 1 ，另一边通 过接触弧力的中间位置，即p 的方向与瓦万之间的夹角为旋转角妒的一半；t 为轧辊给轧件的摩擦力，他与p 力垂直，其大小与正压力p 成正比，即： t = 胪 ( 2 2 5 ) 式中： 轧辊与轧件之间的摩擦系数。 轧件能够旋转起来的条件应该是t 力的力偶矩大于或等于p 力的力偶矩， 即： m r m p ( 2 - 2 6 ) 由式( 2 2 6 ) 可以推出比较实用的旋转条件关系式引，即： 墨乓( 2 - 2 7 ) d l + 鱼 d 从式( 2 2 7 ) 中可以看出以下几点吲： ( 1 ) 摩擦系数对旋转条件有很大的影响，为了满足旋转条件，我们希望 越大越好 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 7 简单横轧受力图 但是值过大的话，会造成f 增大，也会对轧件的表面光洁度有影响。因此 值应在此之间权衡取定； ( 2 ) 轧辊直径与轧件直径之比里d 越大，旋转条件越好。当詈 5 6 时，影响不大；从旋转条件来看，一般取弓值为3 6 比较符合要求o ( 3 ) 相对压缩量；越大，旋转条件越差。 d 2 花键管冷滚轧的旋转条件 花键管的旋转条件基本上与简单横轧相同。但是横轧过程中，轧辊与工件之 间的作用力比较稳定连续，而花键管的冷滚轧过程中，滚轧轮与轧件之间的作用 力是处于波动状态的，有时还可能出现间断不连续的情况。并且，花键管冷滚轧 过程中的轧制力一般要比普通横轧小。因此，满足式( 2 - 2 7 ) 的旋转条件一定满足 花键管冷滚轧旋转条件，即花键管冷滚轧的旋转条件可以采用公式( 2 2 7 ) 来判 别。 整个轧制过程中，滚轧轮与轧件之间的传动比要保持为一个定值，但前面的 分析指出两者之间的作用力不断波动，有时还会出现间断情况，很难让其自然保 持一定传动比。并且由于齿形的原因，也很难自行找正，容易出现乱齿的现象。 武汉理工大学硕十学位论文 综合考虑以上情况，必须用传动机构( 比如同步带传动或是齿轮传动) 来传递动 力和保持定传动比。与简单横轧不同的另外一点是，花键管在轧制过程中相对 于芯轴可能会出现相对滑动。这种情况直接导致的后果是轧不出合格的齿形或者 轧出的齿数多于所需的齿数，并且其规律很难控制。因此，花键管轧件与芯轴之 间必须用销子之类的零件固定，将管坯相对于芯轴沿圆周方向的旋转自由度约束 住。 2 3 冷滚轧成形力分析 花键管冷滚轧过程中受力情况比较复杂，由于轧制零件的特殊性，与普通轧 制工艺有很大区别。观察花键管冷滚轧变形过程，发现如果局部考虑花键管轧制 过程，其受力情况类似于弯曲变形。图2 8 是简化后的单个齿形受力情况。 管坯局部变形时变形区内的切向应力口，在内层为压( 乃 o ) ，形成的弯矩为 7 1 ： m = f c r e 膨d p ( 2 2 8 ) 将n = o ，肛吼代入式( 2 2 9 ) 7 1 ( 为了计算简便，将模型简化为纯弯曲状态， 不考虑加工硬化) ： = 5 5 州k 啪n 卅n p 卜习p 一 5 5 川k 斜也七n - ( - l n p “) 、( 图2 - 8 花键管局部受力简化图 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 求得妍为： m = 丢曰t z c r ( 2 - 3 0 ) 由力矩平衡条件可知，作用于管坯上的外载荷所形成的弯矩m 。应等于m ， 如图3 - 1 1 所示，由图可知： 1 必= 二只( 2 3 1 ) 4 由式( 2 3 0 ) 和( 2 - 3 1 ) 可得： 磊= 竿吒 ( 2 - 3 2 ) 从式( 2 3 2 ) 可以看出，轧制力的数值与管坯尺寸( b ，t ) 、材料力学性能、 滚轧轮和芯轴齿形等因素有关。实际生产中可以采用经验公式( 2 - 3 3 ) 来近似计 算轧制力。 名= c k _ b t 2 ( 2 - 3 3 )，一= 仃 () 日 ，+ t “ 式中：c 为与弯曲系数，一般取0 6 或0 7 ；k 为安装系数；b 为料宽( m ) ； t 为料厚( m m ) ：r 为弯曲半径( m m ) ；为材料强度极限( m p a ) 。 2 4 本章小结 本章从两方面对冷滚轧成形原理进行了介绍分析，即工件的受力状况和运动 条件。工件的受力方面，通过对花键管内外壁受力情况的研究，得出花键管冷滚 轧成形为平面应变，那么平面应变状态的特点及应力平衡微分方程、几何方程都 适应于花键管冷滚压成形状态。工件的运动条件方面，通过分析得出其圆周速度 和旋转条件。 1 9 武汉珲1 人学硕f 学竹论文 第3 章花键管冷滚轧成形模具设计 31 花键管的三维造型 空心花键管套管和芯营实物如图3 度较高，配f 精度较高。对于此类零件 寸精度。 所示，横截面形状较复杂，内外管直线 般采用三坐标测量仪测量数掘，保证尺 31 1 测量与分析 幽3 - 1 花键管横断面 三坐标测最仪原理：将被测物体放置于三坐标测量机的测量空日j ，经过测量， r r 获得物体上各测点的坐标位置；根据这些点的空闻坐标值经过数学运算，求 出被测物体的几何尺寸、形状和位置。对于任何复杂的几何表面与形状，只要测 量机的测头能够瞄准或者感受到的地方，就可以测出其几何形状和相互位置关 系，并借助于计算机完成数据处理。三坐标测量仪在逆向求标准件参数的工程中 已被广泛运用，其特点在于： i 精度高，可靠性好。产品的精度、质量和重复性得以保证 2 高速扫描测头的推广拓展了测量机的应用领域 3 适于测量复杂曲面，方便快捷，节省了设计造型时间 本文利用三坐标仪测量，将物理模型转化为测量数据点云，如图3 2 所示。 在零件原型数字化形成合一系列的空问离散点后，应用计算机辅助儿何设计来构 造零件原型的c a d 经u g 三维建模软件处理后的字心花键管横截面点云经过处 理，拟台出其横截面的几何图形如图3 3 所示。 武汉