外螺紋的冷滾壓成形工藝研究

崔 鑫， 趙永強(qiáng),2*

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 漢中 723000)

在機(jī)械制造領(lǐng)域，螺紋件作為關(guān)鍵的傳動(dòng)、連接零部件，其制造工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量直接影響著各類機(jī)械產(chǎn)品的總成質(zhì)量。目前，螺紋加工的方法主要有塑性成形法(滾壓、冷搓等)和金屬切削法(銑削、車削等)兩種。金屬切削法是工件與刀具之間按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，形成螺紋牙型的過程，在加工過程中，刀具破壞了金屬纖維組織結(jié)構(gòu)，不適應(yīng)重載荷的應(yīng)用場(chǎng)合[1-2]；塑性成形法是工件金屬在外力的作用下，發(fā)生金屬塑性流動(dòng)的過程，使工件的組織、性能得到改善和提高，獲得良好的流線形狀和合理的材料利用率。

螺紋滾壓作為螺紋加工中一種典型的塑性成形方法，是一種高效、節(jié)能、低耗的理想工藝，加工時(shí)產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力，能顯著提高工件的疲勞強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，在成批量加工中得到廣泛應(yīng)用[3-5]。外螺紋滾壓產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著重要的地位，但在實(shí)際生產(chǎn)中，螺紋滾壓是一種包括材料非線性、幾何非線性的復(fù)雜擠壓過程。螺紋冷滾壓形成的速度過快，很難掌握其成形原理，至今仍然沒有形成完善的可以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的理論，在變形機(jī)理方面也缺少比較系統(tǒng)的研究[6-9]。因此，生產(chǎn)實(shí)踐中還是依靠經(jīng)驗(yàn)，用試驗(yàn)法來確定加工參數(shù)，往往造成極大的材料浪費(fèi)。

本文通過三維有限元分析軟件DEFORM-3D對(duì)三滾絲輪外螺紋滾壓成形過程進(jìn)行仿真，對(duì)滾壓過程中工件的應(yīng)力、應(yīng)變及扭矩進(jìn)行分析，總結(jié)了三滾絲輪裝置外螺紋滾壓過程中工件塑性變形的規(guī)律。

1 外螺紋的滾壓原理及裝置

1.1 外螺紋滾壓原理

螺紋滾壓工藝是一種工件在滾絲輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，并在滾絲輪的徑向擠壓力的作用下發(fā)生塑性變形的復(fù)雜生產(chǎn)工藝。滾絲輪和工件之間存在著周向旋轉(zhuǎn)和徑向進(jìn)給兩種運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在滾壓的過程中，滾絲輪做徑向進(jìn)給擠壓工件，滾絲輪剛接觸工件時(shí)，工件材料受到擠壓力發(fā)生彈性變形；隨著滾絲輪進(jìn)一步進(jìn)給，擠壓力持續(xù)增大，工件表面材料發(fā)生塑性變形；當(dāng)加工至預(yù)定尺寸后，滾絲輪停止徑向進(jìn)給并持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，對(duì)擠壓出的牙型進(jìn)行修整和光整；隨后滾絲輪反向進(jìn)給退出，工件表面形成和滾絲輪牙型相同的螺紋特征。

1.2 外螺紋三滾絲輪滾壓裝置

外螺紋三滾絲輪滾壓裝置是將3個(gè)滾絲輪分別裝在夾角互為120°的3個(gè)平行的主軸上，工件位于三滾絲輪的中心位置，通過滾絲輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)并完成螺紋的滾壓，三滾絲輪滾壓裝置較多的適用于空心工件或是管螺紋的加工。

圖1給出了兩種不同的三滾絲輪滾壓裝置原理，滾絲輪采用兩種運(yùn)動(dòng)形式。在圖1(a)所示的裝置1中，3個(gè)滾絲輪以相同的速度ω同向旋轉(zhuǎn)，并以相同的速度v沿工件徑向進(jìn)給。在圖1(b)所示的裝置2中兩個(gè)滾絲輪的中心位置固定，只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，第三個(gè)滾絲輪以速度v向工件徑向進(jìn)給，完成工件外螺紋的擠壓。在裝置1滾壓過程中，3個(gè)滾絲輪始終以?shī)A角120°不變的空間位置進(jìn)行滾壓，工件受力均勻，變形穩(wěn)定。裝置2相對(duì)裝置1而言，機(jī)床運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，消耗能量少，但隨著動(dòng)滾絲輪1的進(jìn)給，3個(gè)滾絲輪空間夾角位置不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致工件受力不對(duì)稱，螺紋成形質(zhì)量稍差。

(a) 裝置1 (b) 裝置2圖1 兩種不同的三滾絲輪裝置

1.3 滾壓的操作要領(lǐng)

(1)采用三滾絲輪滾壓裝置，在滾壓前需調(diào)整滾絲輪的軸向距離。為了保證螺紋不亂扣，按照正三角形分布的3個(gè)滾絲輪中，兩相鄰滾絲輪分布夾角為120°，即1/3的圓周，因此，兩相鄰的滾絲輪的軸向偏移距離相差1/3個(gè)螺距。實(shí)際加工中，為了嚴(yán)格保證3個(gè)滾絲輪擠壓后的外螺紋的一致而避免亂扣，通常采用在工件毛坯表面預(yù)壓痕，以此作為3個(gè)滾絲輪的引導(dǎo)。

(2)欲得到表面質(zhì)量較好的螺紋牙型，就要求滾絲輪擠壓工件的速度要合適，滾絲輪在進(jìn)給到預(yù)定尺寸時(shí)，停止徑向進(jìn)給，繼續(xù)保持軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)工件牙型進(jìn)行光整[10]。一般情況下，要保證工件在3個(gè)滾絲輪的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)大于4圈，使工件具有充分的塑性變形時(shí)間[11]。

2 外螺紋滾壓對(duì)工件的要求和受力分析

2.1 工件直徑的選擇

如圖1(a)所示，使用三滾絲輪滾壓外螺紋時(shí)，必須避免三滾絲輪之間的相互干涉。在滾絲輪選定的前提下，所能滾壓的工件最小直徑是一定的，工件的最小直徑可以參照以下方法確定。

基于三滾絲輪空間位置的對(duì)稱性，以滾絲輪1、滾絲輪3和工件三者之間的幾何關(guān)系為例，推導(dǎo)過程如下：

在△O1OO3中，OO1=OO3=R+r，∠O1OO3=120°，由三角函數(shù)關(guān)系知：

(1)

取極限工況，即相鄰兩滾絲輪相切時(shí)，工件根圓半徑達(dá)到最小，用rmin表示，則

O1O3=2R，

(2)

由此可得

(3)

以上公式中R為滾絲輪的頂圓半徑；r為工件根圓半徑；rmin為三滾絲輪所能加工的最小工件根圓半徑，即相鄰滾絲輪相切時(shí)所對(duì)應(yīng)的工件根圓半徑。

因此，在實(shí)際加工中，為保證三滾絲輪不干涉，所能加工工件的根圓半徑r必須滿足r>rmin，即r>0.155R。

2.2 工件的受力分析

滾壓過程中工件主要受到徑向滾壓力和切向滾壓力的作用，徑向滾壓力是滾絲輪施加給工件使工件發(fā)生變形的主要作用力，切向滾壓力是帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)從而完成變形的主要作用力[8]。在滾壓過程中，工件的兩端分別由兩頂尖定位，三滾絲輪分別沿工件徑向互成120°的方向直線進(jìn)給，工件受到3個(gè)滾絲輪的擠壓作用區(qū)域呈120°平衡分布，如圖2(a)所示。以滾絲輪1與工件之間的力作用區(qū)域?yàn)槔?，研究滾壓過程中的工件受力情況，其中A點(diǎn)的受力如圖2(b)所示。

(a) 工件受力情況 (b) 工件上A點(diǎn)的受力圖2 受力分析簡(jiǎn)圖

在滾壓的過程中，A點(diǎn)受到來自滾絲輪1的兩個(gè)力，即正壓力dN和摩擦力dT，其方向與工件和滾絲輪1的圓周相切，根據(jù)庫(kù)倫摩擦公式，摩擦力dT的大小為

dT=K·dN，

(4)

式中K為計(jì)算系數(shù)，K的值總是小于摩擦系數(shù)且和螺紋的齒形角有關(guān)。

正壓力dN和摩擦力dT的合力dF表示為

(5)

將dF沿工件與滾絲輪1的中心連線方向及其與之垂直方向進(jìn)行分解，可分解為徑向力dP和切向力dQ。徑向力dP的作用使工件產(chǎn)生變形，而切向力dQ的作用使工件自身轉(zhuǎn)動(dòng)，二者的計(jì)算式為

dP=dFcos(α-φ)，

(6)

dQ=dFsin(α-φ)，

(7)

切向力dQ對(duì)工件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M為

(8)

外螺紋的冷滾壓屬于小變形，滾絲輪沿工件徑向的進(jìn)給量較小，所以φ角很小，在計(jì)算受力時(shí)，可以近似認(rèn)為dP≈dN，dQ≈dT。

徑向力dP是液壓缸通過滾絲輪施加在工件徑向的作用力，切向力dQ是電機(jī)通過滾絲輪傳遞至工件外表面切向的作用力。因此，徑向力dP是液壓缸理論設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算依據(jù)，而切向力dQ是電機(jī)功率的計(jì)算參考[8]。

3 有限元仿真

DEFORM-3D是一個(gè)基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)(FEM)，專門用于分析各種金屬成形過程中的三維流動(dòng)，多用于復(fù)雜金屬成形過程的三維金屬流動(dòng)分析[12-13]。

3.1 模型的簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分

螺紋滾壓是一種多參數(shù)影響，多模具約束，多變形區(qū)協(xié)調(diào)的復(fù)雜不均勻變形過程，成形過程中工件旋轉(zhuǎn)、變形、加載和卸載不斷交替進(jìn)行，使得邊界條件不斷變化[14-15]。在利用有限元軟件分析時(shí)，為了簡(jiǎn)化模型，減少計(jì)算的工作量，特作以下假設(shè)：第一，滾絲輪的屬性為剛性體，在滾壓的過程中不發(fā)生塑性變形；第二，滾壓過程中的溫度保持不變；第三，工件材料設(shè)置為塑性體，不發(fā)生彈性變形；第四，工件和滾絲輪之間的摩擦系數(shù)恒定不變。

在三維建模軟件UG中建立的三滾絲輪滾壓外螺紋的簡(jiǎn)化模型如圖3所示。將該模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，根據(jù)理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)設(shè)定[16]的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖3 三滾絲輪裝置簡(jiǎn)化模型

表1仿真參數(shù)設(shè)定

序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值1工件材料AISI10252工件初始直徑/mm9.343工件長(zhǎng)度/mm154溫度/(°)205摩擦系數(shù)0.256滾絲輪轉(zhuǎn)速/(rad·s-1)6.287滾絲輪進(jìn)給速度/(mm·s-1)0.258滾絲輪大徑/mm409滾絲輪螺紋導(dǎo)程/mm1

網(wǎng)格劃分：在冷滾壓螺紋的過程中，只有在滾絲輪和工件接觸區(qū)域應(yīng)力較大，工件其余部分應(yīng)力和應(yīng)變基本為零，所以在網(wǎng)格劃分上可進(jìn)行工件表面網(wǎng)格細(xì)化，減小仿真計(jì)算量。

3.2 數(shù)值模擬和后處理

圖4 仿真結(jié)果

外螺紋的滾壓加工過程可以分為3個(gè)階段：滾壓的初始階段、滾壓階段、精整階段。在滾壓的初始階段，滾絲輪的下壓量從零開始增大，隨著滾壓的進(jìn)給，工件與滾絲輪之間的接觸面積不斷增大，滾壓力穩(wěn)定上升；滾壓階段，滾絲輪齒面與工件的接觸面積增大，工件發(fā)生的塑性變形增大，并且伴隨表面加工硬化現(xiàn)象的產(chǎn)生，滾壓力快速增大；精整階段，滾絲輪不再?gòu)较蜻M(jìn)給，只作周向旋轉(zhuǎn)，對(duì)已經(jīng)形成的牙形進(jìn)行矯正和表面光整，在此階段，受前期擠壓形成螺紋的不圓度影響，滾壓力會(huì)出現(xiàn)上下跳動(dòng)和忽高忽低等變化。以M10×1螺紋為例進(jìn)行數(shù)值仿真，最終的螺紋成形結(jié)果如圖4所示，3個(gè)階段的仿真過程如圖5所示。從模擬結(jié)果可以看出螺紋的牙型完整，牙高符合要求，表面質(zhì)量較好。

3.2.1 工件的應(yīng)力分析

圖6給出了工件滾壓過程中所受載荷的變化情況，由圖可知，工件滾壓過程中受到的應(yīng)力狀態(tài)與理論分析基本一致。在滾壓的過程中，隨著滾絲輪徑向進(jìn)給量的增加，滾絲輪與工件的接觸面增大，工件受到的載荷變大，應(yīng)力區(qū)逐漸增大，等效應(yīng)力隨之增大。工件和滾絲輪之間的作用力是在滾絲輪與工件表面接觸區(qū)域，在接觸區(qū)的等效應(yīng)力最大，離接觸區(qū)較遠(yuǎn)的位置應(yīng)力值幾乎為零。在滾壓過程中，工件外螺紋的齒形不斷增高，但等效應(yīng)力的最大值變化不大。在滾壓后期的精整階段，工件的徑向載荷和切向載荷減小，但工件表面的局部會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力。

(a)初始階段 (b)滾壓階段 (c)精整階段 圖5 等效應(yīng)力狀態(tài)圖

(a) 徑向載荷分析圖 (b) 切向載荷分析圖 圖6 工件載荷隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

3.2.2 工件應(yīng)變分析

在滾壓過程中，工件的等效應(yīng)變狀態(tài)如圖7所示。在滾壓的初始階段，工件與滾絲輪的接觸面積較小，受到擠壓力發(fā)生塑性變形量較小；隨著滾絲輪的進(jìn)給，工件的塑性變形進(jìn)一步加大，但在整個(gè)滾壓過程中，工件發(fā)生穩(wěn)定的塑性變形；在精整階段，工件的塑性變形逐漸減小，發(fā)生的變形量較小。

(a) 初始階段 (b) 滾壓階段 (c) 精整階段 圖7 工件的等效應(yīng)變狀態(tài)

3.2.3 扭矩分析

在滾壓過程中，工件在滾絲輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以通過滾絲輪的扭矩來分析工件所受到的扭矩。滾絲輪的扭矩變化曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著滾壓過程的進(jìn)行，工件與滾絲輪之間的接觸面積不斷增大，工件發(fā)生塑性變形的作用力增大，扭矩也不斷增大，大約到了8.5 s時(shí)刻，滾壓進(jìn)入精整階段。當(dāng)滾絲輪不再?gòu)较蜻M(jìn)給時(shí)，只對(duì)已加工的牙型進(jìn)行矯正和表面光整，所需扭矩迅速下降。

圖9為滾絲輪驅(qū)動(dòng)扭矩與工件切向載荷比值的變化曲線，從圖中可以看出，滾絲輪的驅(qū)動(dòng)扭矩與工件的切向載荷比值維持在20左右，這也正好是滾絲輪的半徑。這與理論分析的結(jié)果一致，即滾絲輪施加在工件上的驅(qū)動(dòng)扭矩約為工件半徑與切向載荷的乘積。

圖8 扭矩狀態(tài)圖 圖9 扭矩與切向載荷比值的變化曲線

4 結(jié) 語

(1)對(duì)外螺紋的冷滾壓工藝進(jìn)行了理論分析，并利用DEFORM-3D軟件，以M10×1的外螺紋的滾壓為例進(jìn)行有限元仿真模擬，得到了滾壓過程中工件受到的徑向力、切向力和扭矩的變化曲線，對(duì)外螺紋的滾壓工藝的研究起到較好的指導(dǎo)作用。

(2)在外螺紋的冷滾壓過程中，工件和滾絲輪之間的作用力集中在滾絲輪與工件表面的接觸區(qū)域，在接觸區(qū)域中的等效應(yīng)力最大，遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的應(yīng)力值迅速減小，并趨向于零；

(3)在外螺紋的冷滾壓過程中，外螺紋的齒形不斷增高，但所受等效應(yīng)力的最大值變化不大；

(4)在外螺紋的冷滾壓過程中，徑向滾壓力是使工件發(fā)生變形的主要作用力，滾壓螺紋所需的扭矩可近似認(rèn)為是滾絲輪的切向載荷與滾絲輪半徑的乘積。