異型管材擠壓模具設(shè)計(jì)及工藝仿真分析

麗水學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)異型管材擠壓模具設(shè)計(jì)及工藝仿真分析二級學(xué)院：工程與設(shè)計(jì)學(xué)院學(xué)科專業(yè)：材料成型及控制工程姓名：指導(dǎo)老師：2017年3月第1章緒論1.1引言對鋁型材的擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬可以預(yù)測實(shí)際擠壓過程中可能出現(xiàn)的缺陷，及早優(yōu)化擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)整擠壓工藝參數(shù)和有針對性的指明技術(shù)解決方案。國內(nèi)外研究者們對此已做了許多工作。韓國的HyunWooShin等在1993年對非軸對稱擠壓過程進(jìn)行了有限元分析，他們利用二維剛塑性有限元方法結(jié)合厚板理論將三維問題進(jìn)行了簡化，對整個(gè)擠壓過程進(jìn)行了不失準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，同時(shí)也減少了計(jì)算量。對于變形模擬，于滬平等采用塑性成型模擬軟件DEFORM，結(jié)合剛粘塑性有限元法函數(shù)法對平面分流模的擠壓變形過程進(jìn)行了二維模擬，得出了擠壓過程中鋁合金的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度以及流動(dòng)速度等的分布和變化。劉漢武等利用ANSYS軟件對分流組合模擠壓鋁型材進(jìn)行了有限元分析和計(jì)算，找出了原模具設(shè)計(jì)中不易發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷。周飛等采用三維剛粘塑性有限元方法，對一典型鋁型材非等溫成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了鋁型材擠壓的三個(gè)不同成形階段，給出了成形各階段的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度場分布情況以及整個(gè)成形過程中模具載荷隨成形時(shí)間的變化情況。對于壓力場，閆洪等在2000年利用ANSYS軟件作為平臺，對壁板型材擠壓過程進(jìn)行了三維有限元模擬和分析，獲得了型材擠壓過程的位移場、應(yīng)變場、應(yīng)力場。對實(shí)際鋁型材擠壓中工藝參數(shù)選擇和模具結(jié)構(gòu)尺寸的修正起到了重要指導(dǎo)作用。對于擠壓過程的摩擦與潤滑分析，1997年，俄羅斯的VadimL.Bereshnoy等[13]對摩擦輔助在直接和間接擠壓成型硬質(zhì)鋁合金中的技術(shù)進(jìn)行了研究。該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使生產(chǎn)效率和質(zhì)量都得到了大大提高。美國的PradipK.Saha[14]在1998年對鋁型材擠壓成型中熱動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)進(jìn)行了研究。他采用熱力學(xué)數(shù)值模擬法構(gòu)造了3種不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析了模具工作帶和流?dòng)金屬接觸面上的摩擦特性，還對坯料溫度和擠壓過程中產(chǎn)生的熱量對模具工作帶所產(chǎn)生的溫升的影響、并進(jìn)行了實(shí)際測量驗(yàn)證;研究表明，擠壓過程中的摩擦對鋁型材的精度和表面質(zhì)量有直接影響，模具工作帶的磨損過程取決于擠壓過程中的熱動(dòng)力學(xué)性能，擠壓熱動(dòng)力學(xué)性能又受到擠壓變量的嚴(yán)重影響。在二次開發(fā)方面，國內(nèi)的一些研究進(jìn)展也值得關(guān)注。陳澤中、包忠詡等通過系統(tǒng)集成和二次開發(fā)，建立了基于UG和ANSYS的鋁型材擠壓模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，并對分流組合模進(jìn)行了CAD/CAE/CAM研究，有效提高了模具設(shè)計(jì)制造效率。深圳大學(xué)的李積彬用C語言編寫了鋁型材擠壓模具參數(shù)設(shè)計(jì)的程序，以流程圖的形式詳細(xì)引導(dǎo)鋁型材擠壓模具的設(shè)計(jì)過程;以人機(jī)對話的形式實(shí)現(xiàn)鋁型材擠壓模具參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。蘭州鐵道學(xué)院的段志東通過ANSYS提供的強(qiáng)大的前后處理和求解功能平臺，通過在ANSYS應(yīng)用程序中添加自己的鉚釘有限元程序，介紹并總結(jié)了用UIDL對ANSYS進(jìn)行圖形用戶界面二次開發(fā)的一般步驟和規(guī)律，鋁型材為用戶在擴(kuò)充ANSYS功能、建立自己專用程序的同時(shí)建立起對應(yīng)的圖形驅(qū)動(dòng)界面提供了有益的幫助。江蘇戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所的盛偉以ANSYS軟件為平臺，進(jìn)行金屬塑性成形過程模擬軟件的二次開發(fā)，并應(yīng)用該軟件對鍛件塑性成形過程進(jìn)行了模擬，為提高鍛件質(zhì)量、預(yù)測金屬成形中的缺陷、制定合理工藝提供了理論依據(jù)。但總的說來，這些研究多側(cè)重于理論化，一種真正適合普通設(shè)計(jì)制造人員使用的擠壓模有限元分析軟件在國內(nèi)幾乎還沒有。有些二次開發(fā)在具體應(yīng)用上也有很大的局限性，所以對現(xiàn)行有限元軟件的用戶化研究，使之能更好的應(yīng)用于擠壓模具的設(shè)計(jì)就成為當(dāng)務(wù)之急。1.2擠壓模具的結(jié)構(gòu)形式1、(1)模角α

模角α是擠壓模設(shè)計(jì)中的一個(gè)最基本的參數(shù)，它是指模子的軸線與其工作端面之間所構(gòu)成的夾角。

模角α在擠壓過程中起著十分重要的作用，其大小對擠壓制品的表面品質(zhì)與擠壓力都有很大影響。平模的模角α等于90°其特點(diǎn)是在擠壓時(shí)形成較大的死區(qū)，可阻止鑄錠表面的雜質(zhì)、缺陷、氧化皮等流到制品的表面上，以獲得良好制品表面。采用平模擠壓時(shí)，消耗的擠壓力較大，模具容易產(chǎn)生變形，使?？鬃冃』蛘邔⒛＞邏簤?。從減少擠壓力、提高模具使用壽命的角度來看，應(yīng)使用錐形模。根據(jù)模角α與擠壓力的關(guān)系，當(dāng)α=45°～60°時(shí)，擠壓力出現(xiàn)最小值，但當(dāng)α=45°～50°時(shí)，由于死區(qū)變小，鑄錠表面的雜質(zhì)和臟物可能被擠出?？锥鴲夯破返谋砻嫫焚|(zhì)。因此，擠壓鋁合金用錐形模的模角一般可取45°～65°。

為了兼顧平面模和錐形模的優(yōu)點(diǎn)，出現(xiàn)了平錐模和雙錐模，如圖4—3—1(c)、(e)所示。雙錐模的模角為：α1

60°～65°：α2

=10°～45°。在擠壓鋁合金管材時(shí)，為提高擠壓速度，最好取α2

=10°～l3°。

擠壓鋁合金型材多采用平面模，因其加工比較簡單，錐模主要用來擠壓鋁合金管材。

圖為：鋁材擠壓模具分流橋設(shè)計(jì)示意圖

(2)定徑帶長度h定和直徑d定

定徑帶又稱工作帶，是模子中垂直模子工作端面并用以保證擠壓制品的形狀、尺寸和表面質(zhì)量的區(qū)段。

定徑帶直徑d定是模子設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要基本參數(shù)。設(shè)計(jì)d定大小的基本原則是：在保證擠壓出的制品冷卻狀態(tài)下不超出圖紙規(guī)定的制品公差范圍的條件下，盡量延長模具的使用壽命。影響制品尺寸的因素很多，如溫度、模具材料和被擠壓金屬的材料，制品的形狀和尺寸，拉伸矯直量以及模具變形情況等，在確定模具定徑帶直徑時(shí)一般應(yīng)根據(jù)具體情況著重考慮其中的一個(gè)或幾個(gè)影響因素。D定的計(jì)算方法將在下文中分別敘述。

定徑帶長度?；乱彩悄＞咴O(shè)計(jì)中的重要基本參數(shù)之一。定徑帶長度h定過短，制品尺寸難于穩(wěn)定，易產(chǎn)生波紋、橢圓度、壓痕、壓傷等廢品。同時(shí)，模子易磨損，會(huì)大大降低模具的使用壽命。定徑帶長度矗常過長時(shí)，會(huì)增大與金屬的摩擦作用，增大擠壓力，易于粘結(jié)金屬，使制品的表面出現(xiàn)劃傷、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷。

定徑帶長度危害應(yīng)根據(jù)擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)形式(立式或臥式)，被擠壓的金屬材料，產(chǎn)品的形狀和尺寸等因素來確定。不同產(chǎn)品模具工作帶危常的確定方法，將在下文中分別敘述。

(3)出口直徑d出或出口喇叭錐

模子的出口部分是保證制品能順利通過模子并保證高表面品質(zhì)的重要參數(shù)。若模子出口直徑d出過小，則易劃傷制品表面，甚至?xí)鸲履?，但出口直徑d出過大，則會(huì)大大削弱定徑帶的強(qiáng)度，引起定徑帶過早地變形、壓塌、明顯地降低模具的使用壽命。因此，在一般情況下，出口帶尺寸應(yīng)比定徑帶尺寸大3～6

mm，對于薄壁管或變外徑管材的模子此值可適當(dāng)增大。為了增大模子的強(qiáng)度和延長模具的使用壽命，出口帶可做成喇叭錐。出口喇叭錐角(從擠壓型材離開定徑帶開始時(shí))可取l°30′～l0°出(此值受錐形端銑刀角度的限制)。特別是對于壁厚小于2

mm而外形十分復(fù)雜的型材模子，為了保證模具的強(qiáng)度，必須做成喇叭出口。有時(shí)為了便于加工，也可設(shè)計(jì)成階梯形的多級喇叭錐。

為了增大定徑帶的抗剪強(qiáng)度，定徑帶與出口帶之間可以20°～45°的斜面或以圓角半徑為1.5～3

mm的圓弧連接。

(4)人口圓角r入

模子的入口圓角是指被擠壓金屬進(jìn)入定徑帶的部分，即模子工作端面與定徑帶形成的端面角。制作人口圓角r入可防止低塑性合金在擠壓時(shí)產(chǎn)生表面裂紋和減少金屬在流入定徑帶時(shí)的非接觸變形，同時(shí)也減少在高溫下擠壓時(shí)模子棱角的壓塌變形。但是，圓角增大了接觸摩擦面積，可能引起擠壓力增高。

模子入口圓角r入值的選取與金屬的強(qiáng)度、擠壓溫度和制品尺寸、模子結(jié)構(gòu)等有關(guān)。擠壓鋁及其合金時(shí)，端面入口角應(yīng)取銳角，但近來也有些廠家，在平面模人口處做成r入

0.2～0.75

mm的入口圓角；在平面分流組合模的入口處做成r入0.5～5

mm的入口圓角。

(5)其他結(jié)構(gòu)要素

除了上述幾個(gè)最基本的結(jié)構(gòu)要素以外，鋁合金擠壓模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要素還包括有：阻礙角、止推角(或促流角)、階段變斷面型材模中的“料兜”、過渡區(qū)、組合模的凸脊結(jié)構(gòu)、分流孔和焊合的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸以及穿孔針的錐度和過渡形式、模子的外廓形狀和尺寸等，這些要素的確定原則將在下文中分別詳細(xì)論述。

1.3擠壓模具的加工方法1.3.1材料的選用冷軋滾珠絲杠的加工首先要選材在選擇材料的過程中，對于輕型絲杠和重型絲杠要有明確的判斷一般大型、重型絲杠的直徑約為80mm以上，長度在8m以上在軋制的過程中，重型絲杠會(huì)承受巨大的壓力，所以在選材的過程中，要充分考慮這些因素，認(rèn)真調(diào)查、檢測、試驗(yàn)，盡量選用密度高延伸性好、熱處理過程中收縮性小、硬度好的材料，保證材料的質(zhì)量。1.3.2要選擇正確的參數(shù)在冷軋滾珠絲杠的各項(xiàng)精度指標(biāo)中，同軸度和徑向圓跳動(dòng)是兩個(gè)重要的參數(shù)其中，徑向圓跳動(dòng)主要是通過軸承和螺母安裝的位置表現(xiàn)出來徑跳公差越小，就說明軸承座與螺母之間的同軸度越高反之，則越低。另外，在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，保持絲杠的圓柱度和管道直徑的一致也至關(guān)重要，因?yàn)檫@直接決定著軋制絲杠的轉(zhuǎn)矩。然而，在前滾珠絲杠的生產(chǎn)中，要使這兩者完全保持一致，幾乎不太可能。因?yàn)榕f式的軋制技術(shù)采用的是兩套冷軋?jiān)O(shè)備相結(jié)合的方式，一套是可以移動(dòng)的軋絲模，另一套是固定不變的軋絲模。這種軋制方式有一個(gè)弊端，就是在軋絲模的移動(dòng)過程中，絲杠的中軸線也會(huì)隨之移動(dòng)，從而導(dǎo)致整個(gè)中軸線出現(xiàn)誤差。所以在加工過程中，一般會(huì)采用兩套皆可移動(dòng)的軋絲模，同時(shí)引人CNC技術(shù)、傳感技術(shù)等，減少誤差。1.3.3毛坯磨制和精密軋制由于軋制絲杠的定位是外圓，所以在進(jìn)行滾軋前，一般會(huì)對毛坯進(jìn)行加工，這樣可以降低機(jī)床的強(qiáng)度，使精坯更符合尺寸,與此同時(shí)，冷軋滾珠絲杠本身要求精度高，所以在軋制的過程中，一般會(huì)對材料、軋制模進(jìn)行精密的測量，同時(shí)對得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行周密的檢驗(yàn)分析這樣才能保證在軋制過程中，材料表面不會(huì)出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，還能夠保證橢圓、三角形弧度圓度的均勻度，另外，控制好溫升也是整個(gè)軋制技術(shù)的重要一環(huán)在軋制的過程中，溫度過高，會(huì)使材料發(fā)生劇烈變形或者彎曲，這就降低了軋制的精確度通常情況下采用強(qiáng)力冷卻溫控裝置對溫度進(jìn)行有效控制，在一定程度上能夠保證絲杠的精準(zhǔn)性對滾珠絲杠進(jìn)行熱處理對滾珠絲杠進(jìn)行熱處理的目的是為了增加其穩(wěn)定性在熱處理的過程中，一般會(huì)遇到兩個(gè)困難，一個(gè)是絲杠硬化層的深度難以掌握，另一個(gè)是熱處理過程中絲杠的收縮尺寸難以把握口這就要求設(shè)計(jì)師首先對絲杠的性能有充分地了解，同時(shí)對軋制的尺寸進(jìn)行預(yù)測和計(jì)算，確保滾珠絲杠經(jīng)過熱處理后不會(huì)變形，保證其穩(wěn)定性。對絲杠的螺紋和滾道進(jìn)行拋光螺紋和滾道的拋光是一項(xiàng)精細(xì)的工藝一般輕型冷軋滾珠絲杠有標(biāo)準(zhǔn)的拋光設(shè)備對于大型的絲杠，拋光設(shè)備就需要改裝和加固一因?yàn)槠浣z杠的滾道通常較深，而且螺紋的螺旋線較長，標(biāo)準(zhǔn)的拋光設(shè)備帶動(dòng)有很大困難，拋光效果也不佳所以企業(yè)在加工冷軋滾珠絲杠時(shí)，要選用合適的設(shè)備制造與滾珠絲杠相配套的螺母螺母的制造基本上是整個(gè)滾珠絲杠加工的最后一項(xiàng)技術(shù)，其加工主要包括車端面、打中心孔、車內(nèi)孔、車內(nèi)螺紋等等在加工的過程中，要結(jié)合絲杠的參數(shù)，使螺母的每一項(xiàng)指標(biāo)都能夠與絲杠相對應(yīng)，保證精確度。1.4滾珠絲桿冷軋的發(fā)展前景冷軋滾珠絲杠的發(fā)展前景要研究冷軋滾珠絲杠的發(fā)展前景，首先要了解其優(yōu)點(diǎn)和它當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀3.1冷軋滾珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)1)使用壽命較長、機(jī)械化精度和強(qiáng)度高冷軋技術(shù)本身就要求高質(zhì)量的材料，高精度的工藝，冷軋滾珠絲桿也不例外這就保證了絲杠原始的精度和質(zhì)量經(jīng)過機(jī)械冷軋后，滾道面的硬度、密度、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)得到強(qiáng)化，之后進(jìn)行熱處理，使整個(gè)滾輪絲杠的穩(wěn)定性更強(qiáng)這樣的制作的工藝延長了滾珠絲杠的使用壽命，也能夠提高其質(zhì)量和精度;2)提高了資源利用率傳統(tǒng)的研磨技術(shù)在制作中，或多或少都會(huì)造成鋼材資源的浪費(fèi)而冷軋滾珠絲杠因其采用的是冷加工工藝，故而能夠保證軋制過程中鋼材的完整性;3)對環(huán)境污染較少冷軋技術(shù)在使用的過程中，基本上不會(huì)對周圍的環(huán)境造成重大污染，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生大量廢物;4)生產(chǎn)效率高研磨滾珠絲杠由于工序繁瑣，所以生產(chǎn)效率極低，生產(chǎn)周期較長，這些都嚴(yán)重影響企業(yè)的銷售和訂單量相反，冷壓技術(shù)不斷工序較為合理，生產(chǎn)周期大，而且能夠根據(jù)客戶不同的需求，制造不同型號的產(chǎn)品3.2冷軋滾珠絲杠的發(fā)展現(xiàn)狀冷軋滾珠絲杠是一項(xiàng)綜合性的、高新的技術(shù)，所以在發(fā)達(dá)國家以及科技水平較高的地區(qū)發(fā)展較快中國由于技術(shù)水平和資金的限制，應(yīng)用冷軋滾珠絲杠的企業(yè)還不是很多，這是中國滾輪技術(shù)與發(fā)達(dá)國家的差距21世紀(jì)到來后，人們普遍意識到環(huán)境保護(hù)的重要性，越來越多的國家開始提倡節(jié)能減排冷軋滾珠絲杠技術(shù)可以說是一項(xiàng)綠色的高新的生態(tài)的技術(shù)，它順應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的潮流，發(fā)展前景自然是可觀的1.5研究內(nèi)容和研究方法結(jié)合實(shí)際情況，本文主要研究波形螺紋釬桿的成形工藝和成形機(jī)理，設(shè)計(jì)合理的滾絲輪，通過理論分析和仿真模擬，以相對簡單的技術(shù)條件和較低成本實(shí)現(xiàn)用窄滾絲輪滾壓波形螺紋，提高滾壓成形件的質(zhì)量和使用壽命閻。本課題采用理論分析，結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法，主要對以下內(nèi)容進(jìn)行研究:第2章兩滾絲輪冷軋螺紋工藝2.1成型原理一般的說，可以使用兩種機(jī)械加工方法加工機(jī)械零件的外螺紋，分別為滾壓加工和車削加工。滾壓加工螺紋是一種無排屑加工方法，利用毛坯在低溫冷態(tài)下的可塑性，使毛坯受到滾壓工具的軋制，而在其表面產(chǎn)生塑性變形，滾壓出對應(yīng)的螺紋，兩輪滾壓的示意圖如圖2-1。滾壓法加工較切削法加工相比，有著生產(chǎn)效率高，節(jié)約原材料，螺紋表面性能較高等優(yōu)點(diǎn)。圖2-1螺紋滾壓示意圖滾壓加工的成型原理是，如圖2-1所示，在滾絲機(jī)的兩根主軸上分別安裝了成對的動(dòng)靜兩個(gè)滾絲輪，工件的螺紋旋向相反，兩滾絲輪的螺紋旋向相同，比如工件螺紋是左旋，那么兩滾絲輪螺紋應(yīng)為右旋。需要保證兩滾絲輪端面在同一平面內(nèi)進(jìn)行安裝，螺紋相互錯(cuò)開0.5個(gè)螺距。兩輪旋轉(zhuǎn)方向是相同的，并且有同樣的旋轉(zhuǎn)速度，其中的動(dòng)滾絲輪可以徑向進(jìn)給的，工件放置在兩滾絲輪之間，可用頂尖的方式或支撐塊定位，通常其軸線高度應(yīng)比滾絲輪軸線位置略低，這是為了防止?jié)L壓過程中工件受擠壓而變形。當(dāng)動(dòng)滾絲輪在水平方向上進(jìn)給直到兩滾絲輪切入工件產(chǎn)生摩擦?xí)r，摩擦力將會(huì)使工件旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生塑性變形，并且使其逐漸受壓形成螺紋，當(dāng)螺紋尺寸基本成型時(shí)，動(dòng)輪不再進(jìn)給并保持旋轉(zhuǎn)，為了對螺紋表面壓實(shí)并降低粗糙度，對螺紋廓形修整和滾光，當(dāng)螺紋達(dá)到要求時(shí)，滾絲輪退回，工件便可取下。2.2成型過程螺紋滾軋可以認(rèn)為是典型壓痕問題的一種特殊情況。國內(nèi)一些研究人員用滑移線場的方法研究過這種壓入問題，不過這些研究主要是把滾壓認(rèn)為是一個(gè)單獨(dú)的壓入工具壓入一個(gè)靜止的平坦曲面。國外學(xué)者把平坦的工件和楔形工具間的滑移在一個(gè)上限模型中綜合考慮來預(yù)測力，盡管這種模型是限于分析單獨(dú)的V形凹槽在一個(gè)平坦曲面上的情況。他們對一個(gè)單獨(dú)的楔塊壓入一個(gè)自由面，并且加載一個(gè)剪切力的情況提出一種理論分析。盡管這個(gè)模型比較全面的整合了模具運(yùn)動(dòng)，但在嚴(yán)格意義上它依然無法表示螺紋滾壓的實(shí)際情況。近年計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展為我們帶來了另一種解決問題的方法，由于計(jì)算機(jī)結(jié)果的可靠性和高效率，仿真分析廣泛應(yīng)用于金屬成型過程。二維模型的金屬冷成形工過程已經(jīng)得到肯定，其三維模型也在迅速的普及開來。其中有限元模型被大量應(yīng)用于冷墩、擠壓和線材拉拔的仿真模擬和分析，但是在螺紋滾壓過程方面的仿真模擬卻還不多。除了硬度很高的材料之外，常見的大部分螺紋都可以在室溫下進(jìn)行滾壓。螺紋可以用滾絲輪、搓絲板、以及行星式滾絲機(jī)成形。在上述三種形式中，螺紋在圓錐形或者圓柱的毛坯表面上成形，毛坯則在一對高強(qiáng)度模具之間旋轉(zhuǎn)。2.2.1成型中材料的體積分配螺紋的成型過程指由滾壓工具螺紋擠出的坯件金屬重新分配的結(jié)果。如圖2-2所示，MN直線為滾軋初始的邊界線，滾軋開始時(shí)，滾絲輪的頂點(diǎn)b在MN上，軋制過程中滾絲輪的齒頂牙形首先進(jìn)入滾壓，擠入坯料內(nèi)部，擠出的金屬沿滾壓工具螺紋齒頂邊緣形成局部凸起，咬入的材料流入滾絲輪牙底，隨著滾壓過程的進(jìn)行，最后滾絲輪的牙底被填滿，根據(jù)塑形成形體積不變原理，咬入坯料的面積abc（V1）等于流入滾絲輪牙底的面積cde(V2)。圖2-2滾壓過程體積分配圖2.2.2絲桿螺紋成型的四個(gè)階段滾壓過程中，當(dāng)滾絲輪的進(jìn)給量S一定時(shí)，滾絲輪相對于工件的壓下量z(單個(gè)滾絲輪滾過工件一次，工件半徑的減小量)是不斷變化的，我們根據(jù)滾壓過程中滾絲輪壓下量的不同將滾壓過程分為楔入、穩(wěn)定滾壓、成形和精整四個(gè)階段，如圖2-3所示。第一階段為楔入階段，如圖2-3a所示，從開始直到工件轉(zhuǎn)過0.5圈，每個(gè)滾絲輪在工件的圓柱面上滾過0.5圈，而另一個(gè)滾絲輪并未到達(dá)前一個(gè)滾絲輪經(jīng)過的位置，滾絲輪齒頂與工件的接觸點(diǎn)6按照阿基米德螺線軌跡，將工件滾出由淺入深的v型槽。圖2-3a螺紋滾壓的第一階段圖中1,2分別表示2個(gè)滾絲輪齒頂與工件接觸點(diǎn)形成的曲線，2個(gè)滾絲輪的壓下量z從零穩(wěn)定增加到S/2，接觸點(diǎn)曲線的軌跡線可以用下式表示對線1ρ1=r0－EQ\F(vr,w)θ，θ∈（0，π）（2-1）式中，w——工件的角速度，rad/s；r0——工件的初始半徑，mm； vr——滾絲輪的徑向進(jìn)給速度，mm/s； 第二階段是穩(wěn)定滾壓階段，如圖2-3b，從上一階段結(jié)束到滾絲輪徑向進(jìn)給達(dá)到預(yù)定值，整個(gè)過程壓下量為S/2，成為一定值。由于工件的接觸面積和加工硬化不斷增加，滾壓力也不斷增加，因此這也是螺紋成形的重要階段。這個(gè)階段工件轉(zhuǎn)過的圈數(shù)為：m=EQ\F(S總,vr).EQ\F(w,2π)－EQ\F(1,2)(圈)式中:S總一螺紋滾壓完成所需滾絲輪的總進(jìn)給量同樣，線1,2的軌跡線為線1ρ1=r0－EQ\F(vr,w)θ，θ∈（π，EQ\F(w,vr).S總） 線2ρ1=r0－EQ\F(vr,w)（θ－π），θ∈（2π，EQ\F(w,vr).S總－π）（2-2）圖2-3b螺紋滾壓的第二階段第三階段為預(yù)精整階段，如圖2-3c所示，滾絲輪己完成預(yù)定行程，不再進(jìn)給，這一階段的軌跡線為線1ρ1=r0－S，θ∈（EQ\F(w,vr).S總，EQ\F(w,vr).S總＋π）線2ρ2=r0－S，θ∈（EQ\F(w,vr).S總+π，EQ\F(w,vr).S總＋2π）（2-3）圖2-3c螺紋滾壓的第三階段第四階段為精整階段，理論上滾絲輪的進(jìn)給量和壓下量都為零，但實(shí)際上工件還存在不圓度需要進(jìn)行壓下精整，因此還存在少量的無法預(yù)期的壓下量。最后的精整階段可以使工件表面的粗糙度降低，有利于形成較高的零件最終的表面質(zhì)量。2.2.3成型時(shí)的旋轉(zhuǎn)如圖2-4所示，滾壓時(shí)工件主要受到兩個(gè)力的作用:徑向滾壓力P和摩擦力TT是有P作用引起的，其大小為:T=kP，k是計(jì)算系數(shù)，由于螺紋加工接觸面不總是平面，k并不等于摩擦系數(shù)。根據(jù)力學(xué)知識，可以推出工件旋轉(zhuǎn)條件就是T力引起的扭矩大于P力引起的扭矩，表達(dá)式為：MT≥MPZd≤EQ\F(k2,1+d/D)(2-4)圖2-4滾壓時(shí)工件受力情況根據(jù)上述分析，我們可以發(fā)現(xiàn)影響工件旋轉(zhuǎn)的幾個(gè)因素，第一，前面滾壓理論介紹的滾絲輪直徑越大，滾壓越平穩(wěn)越容易進(jìn)行，在式中的表現(xiàn)是軋輥直徑與工件直徑之比D/d值越大，旋轉(zhuǎn)條件越好，但這個(gè)值超過5至6時(shí)，影響不再顯著。第二，k值越大，旋轉(zhuǎn)條件越容易滿足，但事實(shí)上，k值是受齒形影響要小于摩擦系數(shù)的一個(gè)值，它的增大導(dǎo)致摩擦的增大，工件軋制時(shí)容易產(chǎn)生毛刺。第三，Z/d的增大也會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)條件的劣化。2.2.4絲桿冷軋的旋轉(zhuǎn)條件絲桿滾壓時(shí)是旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給同時(shí)進(jìn)行的，因此，圖2-4只是描述某一瞬間的受力情況，絲桿滾壓的情況要更復(fù)雜，由于工件相對于滾絲輪不斷前進(jìn)，二者之間的作用力不是穩(wěn)定連續(xù)的，而是處于波動(dòng)狀態(tài)。絲桿軋制時(shí)不斷有新的部分進(jìn)入軋制狀態(tài)，因此，滿足式2-3的旋轉(zhuǎn)條件就能實(shí)現(xiàn)絲桿的旋轉(zhuǎn)條件軋制過程中要注意軸向進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)要配合良好，否則，引起工件與滾絲輪之間力的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生亂齒的現(xiàn)象發(fā)生。2.2.5工件的變形情況根據(jù)塑性力學(xué)原理，滾絲輪在滾壓過程中，工件受滾壓力作用，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。工件圓環(huán)先是發(fā)生彈性變形，當(dāng)各應(yīng)力方程滿足一定條件時(shí)：f（σ1、σ2、σ3），材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，圓環(huán)局部或整體發(fā)生塑性變形。而這有可能造成螺紋件的失效，會(huì)發(fā)生出現(xiàn)被壓扁、裂紋或其他不規(guī)則形狀，或者不圓度超出允許公差范圍等情況。為了避免零件滾壓失效，我們要對空心件能否承受滾壓力進(jìn)行校核，也就是判斷它的可滾壓性。工件兩滾絲輪滾壓時(shí)的受力示意圖，可以研究工件的變形情況。屈雷斯加屈服準(zhǔn)則是這樣判斷屈服條件的，當(dāng)這一微單元體的最大切應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，材料進(jìn)入屈服狀態(tài)，即：σ1－σ3=σS式中，σ1—最大主應(yīng)力;σ3—最小主應(yīng)力;σS—材料的屈服強(qiáng)度根據(jù)上式可以求出危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，這也是判斷空心件能否滾壓加工的強(qiáng)度條件。如圖2-5所示，塑性變形最早出現(xiàn)在接觸點(diǎn)1'、2'，當(dāng)1,2點(diǎn)也達(dá)到屈服極限時(shí)，截面11'、22'形成局部的塑性變形。而當(dāng)截面33'、44'也發(fā)生塑性變形時(shí)，圓環(huán)也就產(chǎn)生整體塑性變形，這時(shí)容易導(dǎo)致圓環(huán)形狀不規(guī)則，滾壓不能繼續(xù)進(jìn)行。圖2-5塑性變形圓環(huán)的應(yīng)力狀態(tài)2.3連續(xù)滾壓長螺紋的方法軸向進(jìn)給滾壓方法在Z28-80滾絲機(jī)上，如果不采用軸向進(jìn)給的滾壓方法，滾壓螺紋的長度就受到滾絲輪長度的限制，為了克服機(jī)床性能或滾絲輪寬度的限制而不能滾壓長螺紋的困難，設(shè)計(jì)滾絲輪，使其中徑處的螺旋升角與被滾壓螺紋中徑處的螺旋升角不相等，從而當(dāng)滾絲輪中徑圓柱與被滾壓螺紋中徑圓柱作純滾動(dòng)時(shí)，滾絲輪與被滾壓工件就會(huì)產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)的原理來實(shí)現(xiàn)。圖2-6a表示滾絲輪齒頂處的螺紋升角τ滾與被滾壓螺紋毛坯外圓處的螺紋升角τ零相等，滾絲輪與零件做純滾動(dòng)，零件轉(zhuǎn)過一圈，接觸點(diǎn)a在滾絲輪上沿螺旋線移至點(diǎn)b。滾絲輪運(yùn)動(dòng)的軸向距離Lah=πd0tant滾其中do為被滾壓螺紋毛坯直徑被滾壓螺紋上，接觸點(diǎn)a沿螺旋線移至點(diǎn)c，移動(dòng)的軸向距離為Lah=πd0tant滾因此a圖所示情況滾絲輪與被滾壓工件沒有軸向的相對運(yùn)動(dòng)。同理，圖2-6b所示情況，其中被滾壓工件轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)滾絲輪的軸向移動(dòng)距離為Lah=πd0tant滾此時(shí)，被滾壓工件上接觸點(diǎn)的軸向移動(dòng)距離Lah=πd0tant滾由于此時(shí)假定滾絲輪的螺紋升角τ滾′與被滾壓工件的螺紋升角τ滾′不相等，因此滾絲輪與被滾壓工件做純滾動(dòng)時(shí)，二者有相對軸向運(yùn)動(dòng)。圖2-6滾絲綸滾壓螺紋的示意圖實(shí)際當(dāng)中滾絲輪中徑由于滾絲輪內(nèi)孔、強(qiáng)度、機(jī)床及制造等原因都比工件大幾個(gè)整數(shù)倍，因此滾絲輪大多都做成多頭的(也有頭數(shù)相等的)。實(shí)踐證明，滾絲輪直徑越大，滾壓越平穩(wěn)、操作方便，使用壽命長。但要受到滾絲機(jī)允許極限尺寸的限制。2.4軸向進(jìn)給滾壓方法時(shí)滾絲輪的選擇和設(shè)計(jì)采用軸向進(jìn)給的滾壓方法時(shí)，設(shè)計(jì)滾絲輪要遵循一些依據(jù)，比如要考慮滾絲機(jī)的型號(兩主軸中心距可調(diào)極限尺寸、軸徑尺寸、鍵寬配合尺寸等);螺紋種類、公稱尺寸、螺距及精度要求;工作螺紋部分的長度。此外，滾絲輪要滿足以下條件才能生產(chǎn)出符合要求的螺紋形狀。首先，我們是采用被滾壓螺紋中徑處的螺紋升角τ零與滾絲輪中徑處的螺紋升角τ滾不相等的原理來實(shí)現(xiàn)滾壓時(shí)的軸向進(jìn)給的，τ滾可以大于τ零，也可以小于τ零，但前提是滾絲輪的螺距必須與被滾壓零件的螺距相等其次，滾絲輪的寬度L應(yīng)滿足下列不等式要求:L≥2d其中，d為被滾壓螺紋的公稱直徑。第三，被滾壓螺紋零件每轉(zhuǎn)的軸向位移量Δl零應(yīng)滿足下列不等式:Δl大＞︱Δl零︱＞Δl小其中，Δl大——在螺紋滾壓過程中，被滾壓零件每轉(zhuǎn)軸向位移量的最大允許值，一般取Δl大=0.5t,t為螺距;Δl零——滾壓螺紋時(shí)，被滾壓零件與滾絲輪的相對位移量，Δl零=πd2（tanτ零－tanτ滾），d2為被滾壓螺紋中經(jīng)；Δl小——被滾壓零件每轉(zhuǎn)軸向位移量的最小允許值，Δl小=EQ\F(l-L,TnU)式中，l—被滾壓螺紋長度，mm;L—實(shí)驗(yàn)用滾絲輪的寬度，mm;T—滾絲機(jī)的最大的滾壓時(shí)間，min;n—滾絲輪每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)/分;U—滾絲輪螺紋中徑D2與被滾壓螺紋中徑d2的比值，即U=D2/d2.理論上講，Δl大可接近被滾壓螺紋的螺距，但零件每轉(zhuǎn)的軸向位移量大的話，雖然滾壓效率提高，但會(huì)使被加工零件的螺紋升角發(fā)生畸變，滾絲輪的耐用度降低。被滾壓零件材料的硬度較低的情況下，其每轉(zhuǎn)位移量Δl大可取較大值;被滾壓材料較硬時(shí)，其每轉(zhuǎn)位移量Δl大應(yīng)取較小值。2.5螺紋滾壓參數(shù)的選擇合理的選擇螺紋滾壓參數(shù)是滾壓出合格螺紋以及保障滾絲輪壽命的重要前提，螺紋滾壓過程中的滾壓參數(shù)包括滾壓力P、滾壓速度V和滾壓時(shí)間T。滾壓參數(shù)的選擇要綜合考慮到滾壓螺紋的尺寸要素以及滾壓材料的機(jī)械性能。滾壓參數(shù)選取的合適，不僅可以使?jié)L壓設(shè)備得以可靠、持久、穩(wěn)定的運(yùn)行，提高滾絲工具的耐用度，還會(huì)使?jié)L壓螺紋的精密性得到保證。2.5.1滾壓壓力的選擇滾壓壓力是螺紋滾壓很重要的一個(gè)參數(shù)，滾壓壓力是設(shè)計(jì)、選用滾壓機(jī)床與裝置的依據(jù)，同時(shí)對滾壓齒形的精度、滾壓生產(chǎn)率、滾絲輪的壽命以及形成齒形的持續(xù)時(shí)間都有關(guān)系。螺紋冷滾壓是塑性成形，滾壓壓力迫使坯件材料產(chǎn)生塑性變形，從而成形出螺紋形狀，選擇適當(dāng)?shù)膲毫Γ粌H可以使生產(chǎn)效率得以提高，滾絲輪的使用壽命也不會(huì)縮短。而滾壓力選擇不當(dāng)將直接、嚴(yán)重的影響螺紋的成型效果。如圖2-7所示，螺紋滾壓加工是局部的變形，很難求得所需準(zhǔn)確的壓力值。滾壓過程中，在回轉(zhuǎn)的坯件半徑方向施加壓力時(shí)，若假定在回轉(zhuǎn)向沒有材料的流動(dòng)，即可把變形考慮為二次元的變形，于是可以用解析法求解螺紋的滾壓壓力。圖2-7滾絲綸滾壓螺紋下面介紹一種日本有關(guān)資料介紹的滾壓過程中滾壓壓力的理論計(jì)算公式。坯件變形首先由滾絲輪擠壓開始，被滾絲輪擠壓而排擠出的材料逐漸向滾絲輪牙底的方向流動(dòng)，產(chǎn)生凸起，所以在yz平面上ABCOD位置的滾絲輪，在前半轉(zhuǎn)與另一個(gè)轉(zhuǎn)向的滾絲輪形成A'B'C'0'D'接觸，這一瞬間的接觸面積投影在圖2-8a的x0y平面上，如圖2-8b圖實(shí)線圖所示。圖2-8螺紋的滾壓過程假定沒有x方向的變形，接觸面積的投影圖可以近似認(rèn)為是邊長分別為2`z和`x0的長方形，如果工具和坯件的接觸長度OC的值為l，那么:`z=lsinEQ\F(α,2)`x0可由幾何關(guān)系求的，考慮到D2≥d2≥2y，加工初期坯件沒有扁平化的理論接觸時(shí)，`x0可近似表達(dá)為:`X=√EQ\F(1,2)d0S式中，do—坯件直徑，mm;S—工件每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，mm。滾壓終了時(shí)，當(dāng)坯料在壓力作用下鑄件扁平化，此時(shí)是平面接觸的情況，坯件的形狀指數(shù)改變，此時(shí)有:`x=√EQ\F(1,2)D2S如果V表示螺紋牙數(shù)的值，那么在xz平面瞬間的全部接觸面積A為:A=`x0*`z*2v=2`x0*lsinEQ\F(α,2)然后根據(jù)在yz平面上由擠壓被排除面積和凸起的面積相等而求出:l/h=[1－√1-2（y/h）]seca/2式中，y—滾壓中總進(jìn)刀量，mm。因?yàn)槭嵌卧冃?，如圖2-9所示在yz平面上，可以表示出作用在螺紋齒側(cè)面的垂直應(yīng)力P0、半徑應(yīng)力σr以及螺紋面的凸起方向的摩擦力mk，其中，半徑應(yīng)力σr與垂直應(yīng)力P0成直角，形成以螺紋頂角為中心的扇形，摩擦力mk,m是一個(gè)系數(shù)，其值介于0與1之間，k是螺紋橫截面上的屈服應(yīng)力。圖2-9作用在螺紋牙型上的力假定以上值為常數(shù)，則可求出初等解:P0/2k=mctgEQ\F(a,4)lin(z/zr)+1全部滾壓力P0為:P0/2k=K*h*`x0*v式中，k=-（m+2tgEQ\F(a,2)+1）ln(1-(l/h)cosα/2)除了公式以外，還有列線圖可以求解兩個(gè)滾絲輪螺紋時(shí)接近時(shí)的滾壓壓力，已知螺距，材料屈服應(yīng)力，坯件長度即可查出公制螺紋或者梯形螺紋分別對應(yīng)的滾壓壓力。另外，根據(jù)日本學(xué)者的研究，滾壓壓力與滾壓時(shí)間之間存在著聯(lián)系，在S20C碳鋼的坯件材料液壓滾制各種尺寸螺釘?shù)脑囼?yàn)中，二者表現(xiàn)出隨著滾壓時(shí)間的增大，滾壓壓力隨之遞減的關(guān)系。實(shí)際當(dāng)中，由于批件材料的不均勻性，滾壓螺紋的過程中材料性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，以及其他的影響因素，理論計(jì)算公式與實(shí)際壓力之間存在誤差。但為了掌握和及時(shí)調(diào)整滾壓過程，提高工件的成型質(zhì)量，通過分析計(jì)算事先求出滾壓壓力的大小是必須得，公式所求的值應(yīng)在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中驗(yàn)證、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證其理論公式的可靠性。在實(shí)驗(yàn)操作中，為了調(diào)整方便，不僅需要知道總滾壓力，還須知道機(jī)床液壓系統(tǒng)的工作壓力，從而可以直接在壓力表上觀察壓力的變化。對我們試驗(yàn)用的Z28-80型滾絲機(jī)，結(jié)合上述日本和蘇聯(lián)公式的計(jì)算方法可由下式計(jì)算壓力：P0=0.49L0p1.2(HRC)0.7d0.3(MPa)其中Lo—滾壓長度，mm;P—滾壓時(shí)坯件的變形阻力，MPa2.5.2滾壓速度的選擇在用滾絲輪加工螺紋的過程中，滾壓速度包括滾絲輪的圓周速度v以及徑向進(jìn)給速度，而徑向進(jìn)給速度又取決于整個(gè)滾壓過程滾絲輪的進(jìn)給量S和滾壓時(shí)間T。滾壓速度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，直接影響螺紋成型效果，它的選取適當(dāng)與否，決定了坯料的變形程度和表現(xiàn)速度是否合理。理論上，滾絲輪的圓周速度V遵循等式:v=︱ω︱*EQ\F(D,2)=︱ω0︱*EQ\F(d1,2)式中，D—滾絲輪外徑，mm;ω—滾絲輪角速度，rad/s;ω0—坯件角速度，rad/s;d1—紋內(nèi)徑，mm上式是理想狀態(tài)下，事實(shí)上，滾壓過程中滾絲輪與坯料之間存在打滑，坯件的圓周速度小于滾絲輪的圓周速度，所以：V0=η*v式中，η—打滑系數(shù)，一般取0.85~0.95.實(shí)際當(dāng)中要選取合適的圓周速度或者轉(zhuǎn)速，要考慮到不同材料的物理、機(jī)械性能，被滾壓螺紋的幾何參數(shù)和精度要求。選定了滾絲輪速度后，即可計(jì)算出滾絲機(jī)主軸轉(zhuǎn)速：n=1000EQ\F(v,πD)式中，v—滾絲輪圓周速度，mm/min;D—滾絲輪外徑，mm。2.5.3滾壓進(jìn)給量S的選擇滾壓進(jìn)給量S是指坯件每轉(zhuǎn)滾絲輪對坯件的徑向進(jìn)給深度，它的選取，要綜合考慮到生產(chǎn)率、工件質(zhì)量、機(jī)床負(fù)荷以及滾絲輪的耐用性等因素。以上因素是相互制約的，如果加大工件每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量，生產(chǎn)率得以提高的同時(shí)，發(fā)熱也會(huì)增加，有可能導(dǎo)致螺紋圓度誤差增加。并且，坯料材料的硬度較高時(shí)，會(huì)加劇滾絲輪的磨損，降到使用壽命。進(jìn)給量與坯件轉(zhuǎn)速有關(guān)，在保證工具壽命和螺紋精度的前提下，可以提高滾絲輪轉(zhuǎn)速，以提高生產(chǎn)效率。因此，在注重生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效率的時(shí)候，又要估計(jì)傳動(dòng)原件的扭矩負(fù)荷，從而確定進(jìn)給量的大小。在實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)給量要選取適當(dāng)，過大會(huì)使坯件變形劇烈，內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，過小又影響生產(chǎn)效率。其最優(yōu)值可以由下式近似確定:式中，f摩擦系數(shù);P—單位滾壓力，MPa，公制螺紋，P=(2.5一3)σT；E—材料彈性模量。動(dòng)滾絲輪安裝在機(jī)床活動(dòng)頭上，活動(dòng)頭的移動(dòng)速度v7可按下式求得:式中，v—滾絲輪的圓周速度，m/min;W—滾絲輪徑向進(jìn)給速度;d0—坯件直徑，mm增大滾絲輪圓周周速度和徑向進(jìn)給量，會(huì)使變形程度加劇，引起大的金屬表層的切向位移，造成螺紋外層的剝離。增加圓周周速度且同時(shí)減少滾絲輪進(jìn)給速度，能減少金屬表層的切向位移。此時(shí)金屬變形比較均勻，不會(huì)發(fā)生金屬粘在滾絲輪上。常用材料的推薦進(jìn)給速度值表2-1。表2-1常用材料的滾壓進(jìn)給速度（mm/s）材料滾壓進(jìn)給量/mm鋁6.8~8.0黃銅3.0~5.0低碳鋼2.0~3.5高碳鋼0.9~1.7表2-1常用材料的滾壓進(jìn)給速度（mm/s）考慮到材料的機(jī)械特性，對于軟材料(σT<245.3MPa和相對延伸率大于0.16)以及空心件，進(jìn)給量要相應(yīng)減小為原來的0.4~0.5，另外，螺距不同，滾壓螺紋的進(jìn)給量也要調(diào)整。通常對于機(jī)車用的優(yōu)質(zhì)螺紋，推薦采用進(jìn)給量S為0.025~0.030mm/r。2.5.4輥壓時(shí)間T的選擇冷滾壓螺紋的每個(gè)工作循環(huán)包括絲個(gè)部分:首先，滾絲輪靠近坯件表面，其次，滾絲輪繼續(xù)徑向進(jìn)給以較慢速度壓入坯料;然后停止進(jìn)給，對螺紋形狀進(jìn)行精整;最后，滾絲輪快退至起始位置，零件取出。因此，每個(gè)循環(huán)的滾壓時(shí)間可以由下式表示:T=TB+TK+Tn式中，TB—螺紋成型時(shí)間，s;TK—螺紋精整時(shí)間，s;Tn—滾絲輪靠近及退回時(shí)間(空行程時(shí)間)，s。螺紋成型所需時(shí)間TB可以計(jì)算得出:式中，h—螺紋齒高，mm;d0—坯件直徑，mm;S—滾絲輪徑向進(jìn)給量，mm/r;D—滾絲輪外徑;n—主軸轉(zhuǎn)速，r/min.螺紋成型后還需要進(jìn)一步精整，可以提高螺紋精度和表面質(zhì)量，減小殘余應(yīng)力。精整時(shí)間TK的大小，取決于坯件的直徑、材料的機(jī)械性能以及螺紋精度要求。壓出和精整螺紋的總時(shí)間可以表示為:

式中，k—精整時(shí)間的影響系數(shù)，與螺紋中徑公差間的關(guān)系由查表得?？招谐虝r(shí)間兀取決于滾絲輪外徑與坯件表面之間的距離，一般取為0.02~0.04min。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，先根據(jù)材料的機(jī)械性能和被滾壓螺紋的螺距、直徑來確定滾壓速度，要確保足夠保證精度要求的最小滾壓力，然后通過實(shí)驗(yàn)確定徑向進(jìn)給速度，從而得出保證螺紋質(zhì)量的最短時(shí)間。除了上述三個(gè)時(shí)間部分外，還存在著停歇時(shí)間的問題，就是工具在退刀位置的停留時(shí)間，這段時(shí)間要把成型零件取出，換上新的坯件。停歇時(shí)間對生產(chǎn)效率也有著較大影響。2.6本章小節(jié)第3章滾珠絲桿冷滾軋模具設(shè)計(jì)3.1滾絲綸的材料滾絲輪在滾壓螺紋的過程中要承受超過2000MPa的單位壓力，因此對材料的性能有很高要求，不僅要有通常模具材料的高硬度、高韌性、高強(qiáng)度以及高耐磨度，還要耐熱，在發(fā)熱時(shí)有高的抗塑性變形能力。本文實(shí)驗(yàn)采用的滾絲輪材料為Cr12MoV，是制造滾壓工具時(shí)廣泛采用的一種高鉻工具鋼，比中合金鋼和高碳鋼具有更高強(qiáng)度，還具有高淬透性的特點(diǎn)。在真空淬火熱處理后使?jié)L壓工具的強(qiáng)度和耐磨度進(jìn)一步提高，Cr12MoV還具有晶粒小，熱處理變形小的優(yōu)點(diǎn)，確保了滾壓工具的精度。為了降低滾壓工具鋼中碳化物不均勻性的缺點(diǎn)，提高滾壓工具的壽命，實(shí)驗(yàn)采用鍛造鋼件作為滾壓工具的坯料。鍛造過程中，材料中多余的粗大的碳化物以及萊氏體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)破碎，這就使金屬組織分布更加均勻。3.2滾絲綸的設(shè)計(jì)依據(jù)和基本要素如圖3-1所示，滾絲輪的幾何尺寸有滾絲輪外徑D，滾絲輪的中徑D2，滾絲輪的內(nèi)孔直徑d，滾絲輪鍵槽寬度b，滾絲輪的寬度B,螺距P，牙型角a，螺牙上齒高h(yuǎn)1，下齒高h(yuǎn)2，齒頂圓弧R，滾絲輪頭數(shù)z，螺紋導(dǎo)程T。圖3-1滾絲綸的結(jié)構(gòu)要素滾絲輪的設(shè)計(jì)依據(jù)主要是被加工螺紋的尺寸和精度要求，以及滾絲機(jī)的型號。3.3滾壓法加工的可行性圖3-2和圖3-4分別為本文工件和螺紋尺寸示意圖。材料為45號鋼，由于該工件為空心件，故必須對其進(jìn)行驗(yàn)算，以了解其是否適合采用該方法進(jìn)行加工。帶孔的零件在滾壓過程中承受著很大的徑向壓力，如果超過坯件的強(qiáng)度負(fù)荷，會(huì)使?jié)L壓后的螺紋中徑橢圓度產(chǎn)生較大誤差，甚至不能形成完整牙型，因此，進(jìn)行強(qiáng)度校核是很有必要的。圖3-2工件示意圖根據(jù)材料力學(xué)理論，滾壓螺紋時(shí)，滾壓壓力在零件內(nèi)部的應(yīng)力σr，不應(yīng)超過該零件的彈性極限。在這里，允許中徑和外徑有少許橢圓的前提下，可以用該材料的屈服極限代替彈性極限，空心薄壁零件可以進(jìn)行滾壓加工的強(qiáng)度條件也就是:σr≤σr屈服σr屈服可以從資料中查取，σr是由滾壓壓力引起的，可以通過計(jì)算求得。如圖3-4，零件在滾壓時(shí)，兩滾絲輪施加給坯件的力P在a,d兩點(diǎn)處引起最大值的壓縮應(yīng)力，b,c處為最大值的拉伸應(yīng)力，這四點(diǎn)處也就是我們要校核的危險(xiǎn)點(diǎn)，假設(shè)a,b,c,d各點(diǎn)的應(yīng)力值分別為σa、σb、σc、σd，根據(jù)理論力學(xué)知識可以求出:σa=σd=EQ\F(M(R1-r),SR1)σb=σc=EQ\F(M(R2-r),SR2)式中，R1—零件外徑，mmR2—零件內(nèi)徑，mm;r—中性層曲率半徑，mm；r=EQ\F(h,lnR1/R2)=EQ\F(R1-R2,lnR1/R2)S—圓環(huán)軸向截面面積對中性軸的靜矩（mm3）S=F(R0-r)其中，F(xiàn)=(R1-R2)L；R0=EQ\F(1,2)（R1-R2）.M—作用在圓環(huán)上通過點(diǎn)a與b和點(diǎn)c與d之軸向截面上的彎矩，M=-0.318PR0(kg*mm,P可以根據(jù)材料查表獲得。圖3-3滾壓時(shí)零件受力示意圖如果批件材料的拉伸屈服極限和壓縮屈服極限相等，那么只要點(diǎn)b和點(diǎn)c兩處的正應(yīng)力值σb和σc。不大于批件材料的屈服極限，坯件就不會(huì)產(chǎn)生超出允許范圍的塑性變形。因此空心薄壁零件能否進(jìn)行滾壓加工的驗(yàn)算公式為：EQ\F(M(R2-r),SR2)≤σb其中；M=-0.318PR0,45鋼的σb為34kg/mm2而P=0.9Lt1.2（HRC）0.7d0.3，或查表可知P=230kgR0=EQ\F(1,2)(R1+R2)=EQ\F(1,2)(10+16)=13mm則：M=-0.318PR0=-0.318×230×13=-950.82kg/mm而r=EQ\F(R1-R2,lnR1/R2)=EQ\F(16-10,ln16/10)=EQ\F(6,0.47)=12.765mm而S=F(R0-r)，其中F=（R1-R2）*L=（16-10）*100=600mm2所以σb′=EQ\F(-950.82*(10-12.765),141*10)=1.8kg/mm2＜34kg/mm2故該工件可采用滾壓法進(jìn)行加工。又經(jīng)計(jì)算，該形狀工件的最短加工長度為5.48mm。3.4滾絲綸的設(shè)計(jì)螺紋尺寸如3-5所示。圖3-4樣件螺紋尺寸圖預(yù)選Δl零。按不等式Δl大＞︱Δl零︱預(yù)選被滾壓零件每轉(zhuǎn)軸向位移量Δl大=0.5t；t為螺距，則Δl大=0.5t=0.5×10=5mm，取Δl零=1.2mmΔl零為用所選擇的滾絲綸滾壓螺紋時(shí)，被滾壓零件與滾絲綸的相對軸向位移Δl零=πd2（tanτ零-tanτ滾），d2為被滾壓螺紋中徑，且經(jīng)計(jì)算得d2=27.95mm(滾珠絲桿螺紋沒有中徑，d2?。╠+d1）/2)（2）確定滾絲綸螺紋中徑處的螺紋升角τ滾τ滾=arctanEQ\F(t-Δl零,πd2)=arctanEQ\F(10-1.2,π*25.51)=6.2716°（3）驗(yàn)算Δl零是否滿足下列不等式：Δl大＞︱Δl零︱＞Δl小∵Δl大=5mmΔl零=1.2mmΔl小=EQ\F(l-L,TnU)=EQ\F(200-96,1*25*4)=1.04滿足不等式（4）中徑D2和頭數(shù)Z中徑和頭數(shù)是滾絲輪各要素中主要的兩項(xiàng)，如果選擇不適當(dāng)，會(huì)影響到模具壽命和零件加工精度，甚至加工過程中亂扣。由于存在內(nèi)孔，并考慮到強(qiáng)度、機(jī)床及制造原因，滾絲輪中徑要比工件中徑大好幾倍，也就是說滾絲輪必須做成多頭的。根據(jù)實(shí)踐，頭數(shù)越多，滾壓越平穩(wěn)，滾絲輪壽命也越高。頭數(shù)只能取整數(shù)，最大直徑受機(jī)床允許條件的限制D2=EQ\F(Td2,︱△L-P︱)=EQ\F(ZPd2,︱△L-P︱)EQ\F(D2,Z)=EQ\F(27.95*10,8.8)=31.76取Z=4所以:D2=127.05mm需要說明的是，這里計(jì)算出的中徑尺寸，不必另加修磨量。這是因?yàn)榧恿诵弈チ恐螅瑵L壓工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向跳動(dòng)，不利于滾絲輪的使用。滾絲輪外徑h1=1/2（d2-d1）=1/2（31.6-28.1）=3.05mmD=D2+2h1=135.0+1.75×2=133.15mm滾絲綸倒角Ψ與fΨ=5°，f=5導(dǎo)程TT=P*Z=4*10=40mm滾絲綸的寬度L≥3d+2f，取L=100mm滾絲綸的孔徑鍵槽尺寸根據(jù)Z28-80型機(jī)床選取內(nèi)孔d=54+0.03mm鍵槽b=12+0.36+0.12，h=57.5+0.74mm設(shè)計(jì)出的滾絲綸如圖3-5所示圖3-5滾絲綸設(shè)計(jì)尺寸圖3.5采用軸向進(jìn)給滾壓時(shí)滾絲機(jī)的調(diào)整采用軸向進(jìn)給的滾壓方法時(shí)，滾絲機(jī)的調(diào)整有些地方與普通滾壓時(shí)不同，下面對軸向進(jìn)給滾壓時(shí)對滾絲機(jī)調(diào)整方法做一些介紹。3.5.1支片的選擇選擇支片時(shí)要根據(jù)所用的對刀方法，本文采用的支片結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，這種高度可調(diào)，頂部放置工件的部位鑲有硬質(zhì)合金，提高耐磨性。支片的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能保證滾壓時(shí)支片的工作部分與滾絲輪保持合理的軸向相對位置。支片的高度H和頂部工作部分的最大寬度B用下式確定:H=h-0.5d′B=d-2.5t式中，h—支片底座與滾輪中心之間距離，mm;d′—與滾絲輪螺紋升角相同的螺紋的公稱直徑，mm;t—螺紋螺距，mm。圖3-6支片結(jié)構(gòu)3.5.2滾絲機(jī)調(diào)整過程采用試滾對刀法時(shí)，首先安裝上滾絲輪，把支片固定在底座上，調(diào)整它們之間的軸向位置，使二者端面大體齊平;調(diào)整兩輪中心距和主動(dòng)輪的進(jìn)給行程;安裝支片時(shí)注意工作部分的后端面不要超過滾絲輪后端的完整齒部分，否則，滾壓好的螺紋會(huì)被擠傷。試滾調(diào)整完畢后，即可選擇滾壓用量并進(jìn)行試加工。3.6本章小結(jié)本章介紹了滾絲輪的選材、設(shè)計(jì)方法以及支片的選擇，并設(shè)計(jì)出了加工本文的波形螺紋釬桿的滾絲輪，由于釬桿波形螺紋螺牙較淺，螺距很大，相應(yīng)的，會(huì)給制造滾絲輪帶來一些困難。在設(shè)計(jì)滾絲輪時(shí)，可以不必規(guī)定滾絲輪螺紋中徑的制造公差，因?yàn)橹圃鞎r(shí)出現(xiàn)一些偏差也不會(huì)對被加工螺紋的精度有很大影響。但要注意的時(shí)，兩滾絲輪螺紋中徑的尺寸不能差別太大，否則會(huì)導(dǎo)致兩滾絲輪的圓周速度有差別，引起工件加工時(shí)跳動(dòng)，牙型畸變。螺紋滾壓過程的有限元模擬4.1有限元理論簡介金屬成形時(shí)可分為兩種不同的材料模型:剛塑性材料和彈塑性材料。在體積變形時(shí)，金屬材料發(fā)生的塑性變形較大時(shí)，彈性變形在總變形中占的部分少，這時(shí)可以忽略彈性變形，只考慮塑性變形的部分，這種材料模型就是剛塑性材料模型。沖壓板料時(shí)，變形中彈性變形和塑性變形都要考慮，這就是彈塑性材料模型。剛塑性有限元方法求解時(shí)采用Mises屈服準(zhǔn)則和Levy-Mises速率方程，可以求出節(jié)點(diǎn)速度場。體積成形工藝有冷(溫)態(tài)成形和熱態(tài)成形，相應(yīng)的材料模型也分為剛塑性硬化材料模型和剛粘塑性硬化材料模型。這種方法相對簡單、效率高。不足之處在與不能進(jìn)行卸載分析，無法分析殘余應(yīng)力、變形及回彈，計(jì)算也有一定誤差[}aa-a7}0彈塑性有限元法綜合考慮彈性變形和塑性變形，彈性變形采用Hooke定律，塑性區(qū)采用Prandtl-Reuss方程和Miles屈服準(zhǔn)則，求解節(jié)點(diǎn)位移量。彈性區(qū)根據(jù)對應(yīng)問題描述的不同又分為大變形彈塑性有限元法和小變形彈塑性有限元法。顧名思義，小變形彈塑性有限元法采用小變形增量描述大變形問題，這種方法會(huì)產(chǎn)生較大累計(jì)誤差，現(xiàn)在已很少使用。大變形彈塑性有限元法在大變形理論的基礎(chǔ)上采用Lagrage描述，增量步長很小，因此效率低。彈塑性有限元法可以分析塑性成形的加載和卸載過程，變形后工件的殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變、回彈及工件與模具間的相互作用。4.2Forge有限元分析軟件FORGE2D軟件由SNECMA公司和法國EcoledesMinesdeParis大學(xué)聯(lián)合研究，在1989年開始應(yīng)用在塑性成型領(lǐng)域。FORGE3D軟件由法國PEUGEOTS.A.公司、FORGESDECOURCELLES公司、SAFEASCOMETAL公司、意大利的TEKSID公司、EcoledesMinesdeParis大學(xué)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)。FPRGE2011由FORGE2D和FORGE3D合并而成，是由世界數(shù)值模擬研討大會(huì)的創(chuàng)始者，CEMEF（材料成型研究中心）研發(fā)。4.2.1FOGE的功能及特點(diǎn)FORGE軟件主要由前處理器和網(wǎng)絡(luò)生成器GLPre、求解器solver2D/3D、后處理器GLviewlnova、材料數(shù)據(jù)庫、設(shè)備數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成。二維模式下，需要導(dǎo)入IG-ES和DXF格式二維幾何圖形；三維模式下，需要導(dǎo)入STL，STEP/STP等格式文件。可用AutoCAD、solidWorks、UG、Pro/E、CATIA等行業(yè)常用軟件繪制幾何模型。軟件可對幾何圖形進(jìn)行總體有限元網(wǎng)絡(luò)劃分，局部網(wǎng)絡(luò)細(xì)化，手動(dòng)網(wǎng)絡(luò)劃分，邊緣切割，節(jié)點(diǎn)居中或刪除。軟件可對冷鍛、溫鍛、熱鍛、沖壓、切削、熱處理等工藝進(jìn)行二、三維模擬。熱鍛變形模擬時(shí)使用熱-粘塑定律。溫鍛和冷鍛變形模擬使用使用熱-彈-塑模型，并可模擬殘余應(yīng)力。軟件具有穩(wěn)定的自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)生成和再生技術(shù)，更加適合于復(fù)雜零件的三維網(wǎng)絡(luò)劃分。FORGE軟件可在Windows95/98/2000/XP/NT/Vista/7/8/10以及Linux系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，支持32位和64位多種語言操作系統(tǒng)。三維FORGE軟件并行/集群版本，最多支持128位CPU的并行處理計(jì)算，極大提高了計(jì)算效率。FORGE軟件能對鍛造生產(chǎn)剪切下料、加熱、輥鍛、鍥橫鍛、輥環(huán)、熱鍛、冷鍛、切邊等各個(gè)過程進(jìn)行模擬分析。同時(shí)FORGE可以對金屬材料的奧氏體化過程、正火、回火、退火、淬火等熱處理過程進(jìn)行模擬，并可模擬成型過程的動(dòng)態(tài)在結(jié)晶過程。FORGE軟件系統(tǒng)中采用標(biāo)準(zhǔn)的端淬試驗(yàn)?zāi)嫦蝌?yàn)證優(yōu)化淬火介質(zhì)性能，幫助用戶準(zhǔn)確獲得熱處理介質(zhì)性能，軟件系統(tǒng)中有液壓機(jī)、螺旋壓力機(jī)、鍛錘、輥環(huán)機(jī)、組合模具和特種鍛壓設(shè)備等。含有多種標(biāo)準(zhǔn)的鍛造和模具材質(zhì)、潤滑劑數(shù)據(jù)庫，并且用戶可根據(jù)自己的需求進(jìn)行更新和擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫。4.2.2FORGE處理流程 FORGE的各個(gè)處理模塊分為前處理、模擬計(jì)算、后處理三大模塊。在前處理中，如圖4-1a，用戶輸入幾何模型、設(shè)置邊界條件，最終生成下一步模擬計(jì)算要調(diào)用的數(shù)據(jù)文件。FORGE模擬采用的模型需從外部導(dǎo)入，數(shù)值模擬模型的正確與否是仿真是否有實(shí)際意義的關(guān)鍵所在。接著如圖4-1b，系統(tǒng)啟動(dòng)模擬計(jì)算模塊，調(diào)用上一步生成的數(shù)據(jù)文件，有限元求解器通過迭代運(yùn)算法開始進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)材料性能選擇不同的迭代計(jì)算法。模擬計(jì)算完成后，如圖4-1c，后處理模塊把模擬對象的應(yīng)力場、應(yīng)變場、速度場、溫度場等用圖形界面表現(xiàn)給用戶。工件和模具三維文件讀入工件和模具三維文件讀入工件和模具材料屬性及溫度設(shè)置工件和模具材料屬性及溫度設(shè)置工件的網(wǎng)絡(luò)細(xì)分及重新計(jì)算體積工件的網(wǎng)絡(luò)細(xì)分及重新計(jì)算體積 前處理前處理工件和模具的約束關(guān)系、邊界條件及摩擦的定義工件和模具的約束關(guān)系、邊界條件及摩擦的定義模具運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置模具運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置模擬步數(shù)、步長定義等模具參數(shù)設(shè)置模擬步數(shù)、步長定義等模具參數(shù)設(shè)置生成數(shù)據(jù)文件生成數(shù)據(jù)文件圖4-1a轉(zhuǎn)入模擬計(jì)算模塊進(jìn)行增量計(jì)算計(jì)算轉(zhuǎn)入模擬計(jì)算模塊進(jìn)行增量計(jì)算計(jì)算圖4-1b應(yīng)變場分析應(yīng)變場分析應(yīng)變速率分析應(yīng)變速率分析溫度場分析溫度場分析后處理后處理應(yīng)力場分析應(yīng)力場分析速度場分析速度場分析損傷分析損傷分析圖4-1c4.3模擬基本步驟及基本假設(shè)4.3.1FORGE模擬基本步驟結(jié)合FORGE對問題的處理流程，滾珠絲桿冷軋的數(shù)值模擬主要分為以下幾步。首先我們用UG三維造型軟件建立滾絲輪、坯料、支板的模型，轉(zhuǎn)化成Prt格式文件(做三維造型時(shí)要根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置精度，精度不夠會(huì)影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，精度太高會(huì)延長模擬計(jì)算所需時(shí)間)，然后導(dǎo)入到FORGE的前處理模塊中建立模型，調(diào)整它們的相對位置。接著，在前處理模塊中，選擇模具、坯料的材料屬性，模具為剛性，坯料為塑性，材料選用35#/25#鋼，溫度為200C(室溫)，材料的彈性模量和泊松比從DEFORM自帶數(shù)據(jù)庫中讀入。坯料劃分成三維四面體的單元網(wǎng)格，生成坯料與模具的接觸條件以及二者之間的約束、載荷、運(yùn)動(dòng)條件等。前處理完成后，會(huì)生成DB文件，然后就可以進(jìn)入運(yùn)算處理模塊，由于滾壓螺屬于小變形，變形過程復(fù)雜，運(yùn)算需要幾個(gè)小時(shí)。運(yùn)算完成后，我們可以進(jìn)入后處理模塊，對模擬生成的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。其具體的流程圖如圖4-2所示。目錄第一章項(xiàng)目總論 -1-§1.1項(xiàng)目簡介 -1-§1.2可行性研究的范圍 -2-§1.3編制依據(jù) -2-第二章項(xiàng)目建設(shè)背景及必要性 -3-§2.1橡膠密封件項(xiàng)目提出的背景 -3-§2.2國家產(chǎn)業(yè)政策 -6-§2.3項(xiàng)目建設(shè)的必要性 -8-第三章項(xiàng)目優(yōu)勢 -11-§3.1市場優(yōu)勢 -11-§3.2技術(shù)優(yōu)勢 -16-§3.3組織優(yōu)勢 -17-§3.4政策優(yōu)勢:關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃 -17-§3.5區(qū)域投資環(huán)境優(yōu)勢 -17-第四章產(chǎn)品介紹與技術(shù)介紹 -20-§4.1橡膠密封件產(chǎn)品介紹 -20-§4.2產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) -21-§4.3產(chǎn)品特征及材質(zhì) -21-§4.4產(chǎn)品方案 -26-§4.5產(chǎn)品技術(shù)來源 -27-第五章項(xiàng)目產(chǎn)品發(fā)展預(yù)測 -28-§5.1產(chǎn)品行業(yè)關(guān)聯(lián)環(huán)境分析 -28-§5.2行業(yè)競爭格局與競爭行為 -33-§5.3競爭力要素分析 -39-§5.4項(xiàng)目發(fā)展預(yù)測