异型管材挤压模具设计及工艺仿真分析-材料成型及控制工程毕业设计说明书.docx

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1、丽水学院毕业设计异型管材挤压模具设计及工艺仿真分析 二级学院：工程与设计学院 学科专业：材料成型及控制工程 姓名：戚岳锋 指导老师：苗义高2017年3月第1章 绪论1.1引言 对铝型材的挤压过程进行数值模拟可以预测实际挤压过程中可能出现的缺陷，及早优化挤压模具结构设计、调整挤压工艺参数和有针对性的指明技术解决方案。国内外研究者们对此已做了许多工作。韩国的HyunWooShin等在1993年对非轴对称挤压过程进行了有限元分析，他们利用二维刚塑性有限元方法结合厚板理论将三维问题进行了简化，对整个挤压过程进行了不失准确的数值模拟，同时也减少了计算量。对于变形模拟，于沪平等采用塑性成型模拟软件DEFO

2、RM，结合刚粘塑性有限元法函数法对平面分流模的挤压变形过程进行了二维模拟，得出了挤压过程中铝合金的应力、应变、温度以及流动速度等的分布和变化。刘汉武等利用ANSYS软件对分流组合模挤压铝型材进行了有限元分析和计算，找出了原模具设计中不易发现的结构缺陷。周飞等采用三维刚粘塑性有限元方法，对一典型铝型材非等温成型过程进行了数值模拟，分析了铝型材挤压的三个不同成形阶段，给出了成形各阶段的应力、应变和温度场分布情况以及整个成形过程中模具载荷随成形时间的变化情况。对于压力场，闫洪等在2000年利用ANSYS软件作为平台，对壁板型材挤压过程进行了三维有限元模拟和分析，获得了型材挤压过程的位移场、应变场、应

3、力场。对实际铝型材挤压中工艺参数选择和模具结构尺寸的修正起到了重要指导作用。对于挤压过程的摩擦与润滑分析，1997年，俄罗斯的VadimL.Bereshnoy等13对摩擦辅助在直接和间接挤压成型硬质铝合金中的技术进行了研究。该技术的发展和应用使生产效率和质量都得到了大大提高。美国的PradipK.Saha14在1998年对铝型材挤压成型中热动力学和摩擦学进行了研究。他采用热力学数值模拟法构造了3种不同的实验模型，分析了模具工作带和流动金属接触面上的摩擦特性，还对坯料温度和挤压过程中产生的热量对模具工作带所产生的温升的影响、并进行了实际测量验证;研究表明，挤压过程中的摩擦对铝型材的精度和表面质量

4、有直接影响，模具工作带的磨损过程取决于挤压过程中的热动力学性能，挤压热动力学性能又受到挤压变量的严重影响。在二次开发方面，国内的一些研究进展也值得关注。陈泽中、包忠诩等通过系统集成和二次开发，建立了基于UG和ANSYS的铝型材挤压模CAD/CAE/CAM系统，并对分流组合模进行了CAD/CAE/CAM研究，有效提高了模具设计制造效率。深圳大学的李积彬用C语言编写了铝型材挤压模具参数设计的程序，以流程图的形式详细引导铝型材挤压模具的设计过程;以人机对话的形式实现铝型材挤压模具参数的优化设计。兰州铁道学院的段志东通过ANSYS提供的强大的前后处理和求解功能平台，通过在ANSYS应用程序中添加自己的

5、铆钉有限元程序，介绍并总结了用UIDL对ANSYS进行图形用户界面二次开发的一般步骤和规律，铝型材为用户在扩充ANSYS功能、建立自己专用程序的同时建立起对应的图形驱动界面提供了有益的帮助。江苏戚墅堰机车车辆工艺研究所的盛伟以ANSYS软件为平台，进行金属塑性成形过程模拟软件的二次开发，并应用该软件对锻件塑性成形过程进行了模拟，为提高锻件质量、预测金属成形中的缺陷、制定合理工艺提供了理论依据。但总的说来，这些研究多侧重于理论化，一种真正适合普通设计制造人员使用的挤压模有限元分析软件在国内几乎还没有。有些二次开发在具体应用上也有很大的局限性，所以对现行有限元软件的用户化研究，使之能更好的应用于挤

6、压模具的设计就成为当务之急。窗体底端1.2挤压模具的结构形式窗体顶端1、(1)模角模角是挤压模设计中的一个最基本的参数，它是指模子的轴线与其工作端面之间所构成的夹角。模角在挤压过程中起着十分重要的作用，其大小对挤压制品的表面品质与挤压力都有很大影响。平模的模角等于90其特点是在挤压时形成较大的死区，可阻止铸锭表面的杂质、缺陷、氧化皮等流到制品的表面上，以获得良好制品表面。采用平模挤压时，消耗的挤压力较大，模具容易产生变形，使模孔变小或者将模具压坏。从减少挤压力、提高模具使用寿命的角度来看，应使用锥形模。根据模角与挤压力的关系，当=4560时，挤压力出现最小值，但当=4550时，由于死区变小，铸

7、锭表面的杂质和脏物可能被挤出模孔而恶化制品的表面品质。因此，挤压铝合金用锥形模的模角一般可取4565。为了兼顾平面模和锥形模的优点，出现了平锥模和双锥模，如图431(c)、(e)所示。双锥模的模角为：16065：2=1045。在挤压铝合金管材时，为提高挤压速度，最好取2=10l3。挤压铝合金型材多采用平面模，因其加工比较简单，锥模主要用来挤压铝合金管材。图为：铝材挤压模具分流桥设计示意图(2)定径带长度h定和直径d定定径带又称工作带，是模子中垂直模子工作端面并用以保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段。定径带直径d定是模子设计中的一个重要基本参数。设计d定大小的基本原则是：在保证挤压出的制品

8、冷却状态下不超出图纸规定的制品公差范围的条件下，尽量延长模具的使用寿命。影响制品尺寸的因素很多，如温度、模具材料和被挤压金属的材料，制品的形状和尺寸，拉伸矫直量以及模具变形情况等，在确定模具定径带直径时一般应根据具体情况着重考虑其中的一个或几个影响因素。D定的计算方法将在下文中分别叙述。定径带长度矗宦也是模具设计中的重要基本参数之一。定径带长度h定过短，制品尺寸难于稳定，易产生波纹、椭圆度、压痕、压伤等废品。同时，模子易磨损，会大大降低模具的使用寿命。定径带长度矗常过长时，会增大与金属的摩擦作用，增大挤压力，易于粘结金属，使制品的表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷。定径带长度危害应根

9、据挤压机的结构形式(立式或卧式)，被挤压的金属材料，产品的形状和尺寸等因素来确定。不同产品模具工作带危常的确定方法，将在下文中分别叙述。(3)出口直径d出或出口喇叭锥模子的出口部分是保证制品能顺利通过模子并保证高表面品质的重要参数。若模子出口直径d出过小，则易划伤制品表面，甚至会引起堵模，但出口直径d出过大，则会大大削弱定径带的强度，引起定径带过早地变形、压塌、明显地降低模具的使用寿命。因此，在一般情况下，出口带尺寸应比定径带尺寸大36mm，对于薄壁管或变外径管材的模子此值可适当增大。为了增大模子的强度和延长模具的使用寿命，出口带可做成喇叭锥。出口喇叭锥角(从挤压型材离开定径带开始时)可取l3

10、0l0出(此值受锥形端铣刀角度的限制)。特别是对于壁厚小于2mm而外形十分复杂的型材模子，为了保证模具的强度，必须做成喇叭出口。有时为了便于加工，也可设计成阶梯形的多级喇叭锥。为了增大定径带的抗剪强度，定径带与出口带之间可以2045的斜面或以圆角半径为1.53mm的圆弧连接。(4)人口圆角r入模子的入口圆角是指被挤压金属进入定径带的部分，即模子工作端面与定径带形成的端面角。制作人口圆角r入可防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减少金属在流入定径带时的非接触变形，同时也减少在高温下挤压时模子棱角的压塌变形。但是，圆角增大了接触摩擦面积，可能引起挤压力增高。模子入口圆角r入值的选取与金属的强度、挤

11、压温度和制品尺寸、模子结构等有关。挤压铝及其合金时，端面入口角应取锐角，但近来也有些厂家，在平面模人口处做成r入0.20.75mm的入口圆角；在平面分流组合模的入口处做成r入0.55mm的入口圆角。(5)其他结构要素除了上述几个最基本的结构要素以外，铝合金挤压模具设计结构要素还包括有：阻碍角、止推角(或促流角)、阶段变断面型材模中的“料兜”、过渡区、组合模的凸脊结构、分流孔和焊合的形状、结构和尺寸以及穿孔针的锥度和过渡形式、模子的外廓形状和尺寸等，这些要素的确定原则将在下文中分别详细论述。1.3挤压模具的加工方法 1.3.1 材料的选用 冷轧滚珠丝杠的加工首先要选材在选择材料的过程中，对于轻型

12、丝杠和重型丝杠要有明确的判断一般大型、重型丝杠的直径约为80mm以上，长度在8m以上在轧制的过程中，重型丝杠会承受巨大的压力，所以在选材的过程中，要充分考虑这些因素，认真调查、检测、试验，尽量选用密度高延伸性好、热处理过程中收缩性小、硬度好的材料，保证材料的质量。1.3.2 要选择正确的参数在冷轧滚珠丝杠的各项精度指标中，同轴度和径向圆跳动是两个重要的参数其中，径向圆跳动主要是通过轴承和螺母安装的位置表现出来径跳公差越小，就说明轴承座与螺母之间的同轴度越高反之，则越低。 另外，在设计参数时，保持丝杠的圆柱度和管道直径的一致也至关重要，因为这直接决定着轧制丝杠的转矩。然而，在前滚珠丝杠的生产中，

13、要使这两者完全保持一致，几乎不太可能。因为旧式的轧制技术采用的是两套冷轧设备相结合的方式，一套是可以移动的轧丝模，另一套是固定不变的轧丝模。 这种轧制方式有一个弊端，就是在轧丝模的移动过程中，丝杠的中轴线也会随之移动，从而导致整个中轴线出现误差。所以在加工过程中，一般会采用两套皆可移动的轧丝模，同时引人CNC技术、传感技术等，减少误差。1.3.3 毛坯磨制和精密轧制 由于轧制丝杠的定位是外圆，所以在进行滚轧前，一般会对毛坯进行加工，这样可以降低机床的强度，使精坯更符合尺寸,与此同时，冷轧滚珠丝杠本身要求精度高，所以在轧制的过程中，一般会对材料、轧制模进行精密的测量，同时对得出的数据进行周密的检

14、验分析这样才能保证在轧制过程中，材料表面不会出现裂纹等现象，还能够保证椭圆、三角形弧度圆度的均匀度，另外，控制好温升也是整个轧制技术的重要一环在轧制的过程中，温度过高，会使材料发生剧烈变形或者弯曲，这就降低了轧制的精确度通常情况下采用强力冷却温控装置对温度进行有效控制，在一定程度上能够保证丝杠的精准性 对滚珠丝杠进行热处理 对滚珠丝杠进行热处理的目的是为了增加其稳定性在热处理的过程中，一般会遇到两个困难，一个是丝杠硬化层的深度难以掌握，另一个是热处理过程中丝杠的收缩尺寸难以把握口这就要求设计师首先对丝杠的性能有充分地了解，同时对轧制的尺寸进行预测和计算，确保滚珠丝杠经过热处理后不会变形，保证其

15、稳定性。 对丝杠的螺纹和滚道进行抛光 螺纹和滚道的抛光是一项精细的工艺一般轻型冷轧滚珠丝杠有标准的抛光设备对于大型的丝杠，抛光设备就需要改装和加固一因为其丝杠的滚道通常较深，而且螺纹的螺旋线较长，标准的抛光设备带动有很大困难，抛光效果也不佳所以企业在加工冷轧滚珠丝杠时，要选用合适的设备 制造与滚珠丝杠相配套的螺母螺母的制造基本上是整个滚珠丝杠加工的最后一项技术，其加工主要包括车端面、打中心孔、车内孔、车内螺纹等等在加工的过程中，要结合丝杠的参数，使螺母的每一项指标都能够与丝杠相对应，保证精确度。1.4滚珠丝杆冷轧的发展前景 冷轧滚珠丝杠的发展前景 要研究冷轧滚珠丝杠的发展前景，首先要了解其优点

16、和它当前的发展现状 3.1冷轧滚珠丝杠的优点 1)使用寿命较长、机械化精度和强度高冷轧技术本身就要求高质量的材料，高精度的工艺，冷轧滚珠丝杆也不例外这就保证了丝杠原始的精度和质量经过机械冷轧后，滚道面的硬度、密度、内部组织结构得到强化，之后进行热处理，使整个滚轮丝杠的稳定性更强这样的制作的工艺延长了滚珠丝杠的使用寿命，也能够提高其质量和精度; 2)提高了资源利用率传统的研磨技术在制作中，或多或少都会造成钢材资源的浪费而冷轧滚珠丝杠因其采用的是冷加工工艺，故而能够保证轧制过程中钢材的完整性; 3)对环境污染较少冷轧技术在使用的过程中，基本上不会对周围的环境造成重大污染，同时也不会产生大量废物;

17、4)生产效率高研磨滚珠丝杠由于工序繁琐，所以生产效率极低，生产周期较长，这些都严重影响企业的销售和订单量相反，冷压技术不断工序较为合理，生产周期大，而且能够根据客户不同的需求，制造不同型号的产品 3.2冷轧滚珠丝杠的发展现状 冷轧滚珠丝杠是一项综合性的、高新的技术，所以在发达国家以及科技水平较高的地区发展较快中国由于技术水平和资金的限制，应用冷轧滚珠丝杠的企业还不是很多，这是中国滚轮技术与发达国家的差距 21世纪到来后，人们普遍意识到环境保护的重要性，越来越多的国家开始提倡节能减排冷轧滚珠丝杠技术可以说是一项绿色的高新的生态的技术，它顺应经济发展和社会发展的潮流，发展前景自然是可观的1.5研究

18、内容和研究方法 结合实际情况，本文主要研究波形螺纹钎杆的成形工艺和成形机理，设计合理的滚丝轮，通过理论分析和仿真模拟，以相对简单的技术条件和较低成本实现用窄滚丝轮滚压波形螺纹，提高滚压成形件的质量和使用寿命阎。本课题采用理论分析，结合数值模拟和实验的方法，主要对以下内容进行研究:第2章 两滚丝轮冷轧螺纹工艺2.1 成型原理 一般的说，可以使用两种机械加工方法加工机械零件的外螺纹，分别为滚压加工和车削加工。滚压加工螺纹是一种无排屑加工方法，利用毛坯在低温冷态下的可塑性，使毛坯受到滚压工具的轧制，而在其表面产生塑性变形，滚压出对应的螺纹，两轮滚压的示意图如图2-1。滚压法加工较切削法加工相比，有着

19、生产效率高，节约原材料，螺纹表面性能较高等优点。图2-1 螺纹滚压示意图 滚压加工的成型原理是，如图2-1所示，在滚丝机的两根主轴上分别安装了成对的动静两个滚丝轮，工件的螺纹旋向相反，两滚丝轮的螺纹旋向相同，比如工件螺纹是左旋，那么两滚丝轮螺纹应为右旋。需要保证两滚丝轮端面在同一平面内进行安装，螺纹相互错开0.5个螺距。两轮旋转方向是相同的，并且有同样的旋转速度，其中的动滚丝轮可以径向进给的，工件放置在两滚丝轮之间，可用顶尖的方式或支撑块定位，通常其轴线高度应比滚丝轮轴线位置略低，这是为了防止滚压过程中工件受挤压而变形。 当动滚丝轮在水平方向上进给直到两滚丝轮切入工件产生摩擦时，摩擦力将会使工

20、件旋转并产生塑性变形，并且使其逐渐受压形成螺纹，当螺纹尺寸基本成型时，动轮不再进给并保持旋转，为了对螺纹表面压实并降低粗糙度，对螺纹廓形修整和滚光，当螺纹达到要求时，滚丝轮退回，工件便可取下。2.2 成型过程 螺纹滚轧可以认为是典型压痕问题的一种特殊情况。国内一些研究人员用滑移线场的方法研究过这种压入问题，不过这些研究主要是把滚压认为是一个单独的压入工具压入一个静止的平坦曲面。国外学者把平坦的工件和楔形工具间的滑移在一个上限模型中综合考虑来预测力，尽管这种模型是限于分析单独的V形凹槽在一个平坦曲面上的情况。他们对一个单独的楔块压入一个自由面，并且加载一个剪切力的情况提出一种理论分析。尽管这个模

21、型比较全面的整合了模具运动，但在严格意义上它依然无法表示螺纹滚压的实际情况。近年计算机技术的高速发展为我们带来了另一种解决问题的方法，由于计算机结果的可靠性和高效率，仿真分析广泛应用于金属成型过程。二维模型的金属冷成形工过程已经得到肯定，其三维模型也在迅速的普及开来。其中有限元模型被大量应用于冷墩、挤压和线材拉拔的仿真模拟和分析，但是在螺纹滚压过程方面的仿真模拟却还不多。 除了硬度很高的材料之外，常见的大部分螺纹都可以在室温下进行滚压。螺纹可以用滚丝轮、搓丝板、以及行星式滚丝机成形。在上述三种形式中，螺纹在圆锥形或者圆柱的毛坯表面上成形，毛坯则在一对高强度模具之间旋转。2.2.1 成型中材料的

22、体积分配 螺纹的成型过程指由滚压工具螺纹挤出的坯件金属重新分配的结果。如图2-2所示，MN直线为滚轧初始的边界线，滚轧开始时，滚丝轮的顶点b在MN上，轧制过程中滚丝轮的齿顶牙形首先进入滚压，挤入坯料内部，挤出的金属沿滚压工具螺纹齿顶边缘形成局部凸起，咬入的材料流入滚丝轮牙底，随着滚压过程的进行，最后滚丝轮的牙底被填满，根据塑形成形体积不变原理，咬入坯料的面积abc（V1）等于流入滚丝轮牙底的面积cde (V2)。图2-2 滚压过程体积分配图2.2.2 丝杆螺纹成型的四个阶段 滚压过程中，当滚丝轮的进给量S一定时，滚丝轮相对于工件的压下量z(单个滚丝轮滚过工件一次，工件半径的减小量)是不断变化的

23、，我们根据滚压过程中滚丝轮压下量的不同将滚压过程分为楔入、稳定滚压、成形和精整四个阶段，如图2-3所示。 第一阶段为楔入阶段，如图2-3a所示，从开始直到工件转过0.5圈，每个滚丝轮在工件的圆柱面上滚过0.5圈，而另一个滚丝轮并未到达前一个滚丝轮经过的位置，滚丝轮齿顶与工件的接触点6按照阿基米德螺线轨迹，将工件滚出由浅入深的v型槽。图2-3a 螺纹滚压的第一阶段 图中1, 2分别表示2个滚丝轮齿顶与工件接触点形成的曲线，2个滚丝轮的压下量z从零稳定增加到S/2，接触点曲线的轨迹线可以用下式表示对线1 1=r0， （0，） （2-1）式中， w工件的角速度，rad/s； r0工件的初始半径，mm

24、； vr滚丝轮的径向进给速度，mm/s ；第二阶段是稳定滚压阶段，如图2-3b，从上一阶段结束到滚丝轮径向进给达到预定值，整个过程压下量为S/2，成为一定值。由于工件的接触面积和加工硬化不断增加，滚压力也不断增加，因此这也是螺纹成形的重要阶段。这个阶段工件转过的圈数为：m=.(圈)式中:S总一螺纹滚压完成所需滚丝轮的总进给量同样，线1, 2的轨迹线为线1 1=r0，（，.S总） 线2 1=r0（），（2，.S总） （2-2） 图2-3b 螺纹滚压的第二阶段 第三阶段为预精整阶段，如图2-3c所示，滚丝轮己完成预定行程，不再进给，这一阶段的轨迹线为线1 1=r0S，（.S总，.S总）线2 2=r

25、0S，（.S总+，.S总2） （2-3）图2-3c 螺纹滚压的第三阶段 第四阶段为精整阶段，理论上滚丝轮的进给量和压下量都为零，但实际上工件还存在不圆度需要进行压下精整，因此还存在少量的无法预期的压下量。最后的精整阶段可以使工件表面的粗糙度降低，有利于形成较高的零件最终的表面质量。2.2.3 成型时的旋转 如图2-4所示，滚压时工件主要受到两个力的作用:径向滚压力P和摩擦力TT是有P作用引起的，其大小为:T=kP ， k是计算系数，由于螺纹加工接触面不总是平面，k并不等于摩擦系数。根据力学知识，可以推出工件旋转条件就是T力引起的扭矩大于P力引起的扭矩，表达式为： MTMPZd (2-4)图2-

26、4 滚压时工件受力情况 根据上述分析，我们可以发现影响工件旋转的几个因素，第一，前面滚压理论介绍的滚丝轮直径越大，滚压越平稳越容易进行，在式中的表现是轧辊直径与工件直径之比D/d值越大，旋转条件越好，但这个值超过5至6时，影响不再显著。第二，k值越大，旋转条件越容易满足，但事实上，k值是受齿形影响要小于摩擦系数的一个值，它的增大导致摩擦的增大，工件轧制时容易产生毛刺。第三，Z/d的增大也会导致旋转条件的劣化。2.2.4丝杆冷轧的旋转条件 丝杆滚压时是旋转与轴向进给同时进行的，因此，图2-4只是描述某一瞬间的受力情况，丝杆滚压的情况要更复杂，由于工件相对于滚丝轮不断前进，二者之间的作用力不是稳定

27、连续的，而是处于波动状态。丝杆轧制时不断有新的部分进入轧制状态，因此，满足式2-3的旋转条件就能实现丝杆的旋转条件 轧制过程中要注意轴向进给和旋转要配合良好，否则，引起工件与滚丝轮之间力的波动会产生乱齿的现象发生。2.2.5工件的变形情况 根据塑性力学原理，滚丝轮在滚压过程中，工件受滚压力作用，内部产生应力。工件圆环先是发生弹性变形，当各应力方程满足一定条件时：f（1、2、3），材料进入塑性状态，圆环局部或整体发生塑性变形。而这有可能造成螺纹件的失效，会发生出现被压扁、裂纹或其他不规则形状，或者不圆度超出允许公差范围等情况。为了避免零件滚压失效，我们要对空心件能否承受滚压力进行校核，也就是判断

28、它的可滚压性。 工件两滚丝轮滚压时的受力示意图，可以研究工件的变形情况。屈雷斯加屈服准则是这样判断屈服条件的，当这一微单元体的最大切应力达到一定值时，材料进入屈服状态，即：13=S式中，1最大主应力; 3最小主应力; S材料的屈服强度 根据上式可以求出危险点的应力状态，这也是判断空心件能否滚压加工的强度条件。如图2-5所示，塑性变形最早出现在接触点1、2，当1, 2点也达到屈服极限时，截面11、22形成局部的塑性变形。而当截面33、44也发生塑性变形时，圆环也就产生整体塑性变形，这时容易导致圆环形状不规则，滚压不能继续进行。图2-5 塑性变形圆环的应力状态2.3 连续滚压长螺纹的方法轴向进给滚

29、压方法在Z28-80滚丝机上，如果不采用轴向进给的滚压方法，滚压螺纹的长度就受到滚丝轮长度的限制，为了克服机床性能或滚丝轮宽度的限制而不能滚压长螺纹的困难，设计滚丝轮，使其中径处的螺旋升角与被滚压螺纹中径处的螺旋升角不相等，从而当滚丝轮中径圆柱与被滚压螺纹中径圆柱作纯滚动时，滚丝轮与被滚压工件就会产生轴向运动的原理来实现。图2-6a表示滚丝轮齿顶处的螺纹升角滚与被滚压螺纹毛坯外圆处的螺纹升角零相等，滚丝轮与零件做纯滚动，零件转过一圈，接触点a在滚丝轮上沿螺旋线移至点b。滚丝轮运动的轴向距离Lah=d0tant滚其中do为被滚压螺纹毛坯直径被滚压螺纹上，接触点a沿螺旋线移至点c，移动的轴向距离为

30、Lah=d0tant滚因此a图所示情况滚丝轮与被滚压工件没有轴向的相对运动。同理，图2-6b所示情况，其中被滚压工件转动一圈时滚丝轮的轴向移动距离为Lah=d0tant滚此时，被滚压工件上接触点的轴向移动距离Lah=d0tant滚 由于此时假定滚丝轮的螺纹升角滚与被滚压工件的螺纹升角滚不相等，因此滚丝轮与被滚压工件做纯滚动时，二者有相对轴向运动。图2-6 滚丝纶滚压螺纹的示意图 实际当中滚丝轮中径由于滚丝轮内孔、强度、机床及制造等原因都比工件大几个整数倍，因此滚丝轮大多都做成多头的(也有头数相等的)。实践证明，滚丝轮直径越大，滚压越平稳、操作方便，使用寿命长。但要受到滚丝机允许极限尺寸的限制。

31、2.4 轴向进给滚压方法时滚丝轮的选择和设计 采用轴向进给的滚压方法时，设计滚丝轮要遵循一些依据，比如要考虑滚丝机的型号(两主轴中心距可调极限尺寸、轴径尺寸、键宽配合尺寸等);螺纹种类、公称尺寸、螺距及精度要求;工作螺纹部分的长度。此外，滚丝轮要满足以下条件才能生产出符合要求的螺纹形状。 首先，我们是采用被滚压螺纹中径处的螺纹升角零与滚丝轮中径处的螺纹升角滚不相等的原理来实现滚压时的轴向进给的，滚可以大于零，也可以小于零，但前提是滚丝轮的螺距必须与被滚压零件的螺距相等其次，滚丝轮的宽度L应满足下列不等式要求:L2d其中，d为被滚压螺纹的公称直径。第三，被滚压螺纹零件每转的轴向位移量l零应满足下

32、列不等式:l大l零l小其中，l大在螺纹滚压过程中，被滚压零件每转轴向位移量的最大允许值，一般取l大=0. 5t, t为螺距;l零滚压螺纹时，被滚压零件与滚丝轮的相对位移量，l零=d2（tan零tan滚），d2为被滚压螺纹中经；l小被滚压零件每转轴向位移量的最小允许值，l小=式中，l被滚压螺纹长度，mm; L实验用滚丝轮的宽度，mm; T滚丝机的最大的滚压时间，min; n滚丝轮每分钟转数，转/分; U滚丝轮螺纹中径D2与被滚压螺纹中径d2的比值，即 U=D2/d2.理论上讲，l大可接近被滚压螺纹的螺距，但零件每转的轴向位移量大的话，虽然滚压效率提高，但会使被加工零件的螺纹升角发生畸变，滚丝轮的

33、耐用度降低。被滚压零件材料的硬度较低的情况下，其每转位移量l大可取较大值;被滚压材料较硬时，其每转位移量l大应取较小值。2.5 螺纹滚压参数的选择 合理的选择螺纹滚压参数是滚压出合格螺纹以及保障滚丝轮寿命的重要前提，螺纹滚压过程中的滚压参数包括滚压力P、滚压速度V和滚压时间T。滚压参数的选择要综合考虑到滚压螺纹的尺寸要素以及滚压材料的机械性能。滚压参数选取的合适，不仅可以使滚压设备得以可靠、持久、稳定的运行，提高滚丝工具的耐用度，还会使滚压螺纹的精密性得到保证。2.5.1 滚压压力的选择 滚压压力是螺纹滚压很重要的一个参数，滚压压力是设计、选用滚压机床与装置的依据，同时对滚压齿形的精度、滚压生

34、产率、滚丝轮的寿命以及形成齿形的持续时间都有关系。螺纹冷滚压是塑性成形，滚压压力迫使坯件材料产生塑性变形，从而成形出螺纹形状，选择适当的压力，不仅可以使生产效率得以提高，滚丝轮的使用寿命也不会缩短。而滚压力选择不当将直接、严重的影响螺纹的成型效果。 如图2-7所示，螺纹滚压加工是局部的变形，很难求得所需准确的压力值。滚压过程中，在回转的坯件半径方向施加压力时，若假定在回转向没有材料的流动，即可把变形考虑为二次元的变形，于是可以用解析法求解螺纹的滚压压力。图2-7 滚丝纶滚压螺纹 下面介绍一种日本有关资料介绍的滚压过程中滚压压力的理论计算公式。坯件变形首先由滚丝轮挤压开始，被滚丝轮挤压而排挤出的

35、材料逐渐向滚丝轮牙底的方向流动，产生凸起，所以在yz平面上ABCOD位置的滚丝轮，在前半转与另一个转向的滚丝轮形成A B C 0 D接触，这一瞬间的接触面积投影在图2-8a的x0y平面上，如图2-8b图实线图所示。图2-8 螺纹的滚压过程 假定没有x方向的变形，接触面积的投影图可以近似认为是边长分别为2z和x0的长方形，如果工具和坯件的接触长度OC的值为l，那么:z=lsin x0可由几何关系求的，考虑到D2d22y，加工初期坯件没有扁平化的理论接触时，x0可近似表达为:X=d0S式中，do坯件直径，mm; S工件每转进给量，mm。滚压终了时，当坯料在压力作用下铸件扁平化，此时是平面接触的情况

36、，坯件的形状指数改变，此时有:x=D2S如果V表示螺纹牙数的值，那么在xz平面瞬间的全部接触面积A为:A=x0*z*2v=2x0*lsin然后根据在yz平面上由挤压被排除面积和凸起的面积相等而求出:l/h=11-2（y/h）seca/2式中，y滚压中总进刀量，mm。 因为是二次元变形，如图2-9所示在yz平面上，可以表示出作用在螺纹齿侧面的垂直应力P0、半径应力r以及螺纹面的凸起方向的摩擦力mk，其中，半径应力r与垂直应力P0成直角，形成以螺纹顶角为中心的扇形，摩擦力mk,m是一个系数，其值介于0与1之间，k是螺纹横截面上的屈服应力。图2-9 作用在螺纹牙型上的力假定以上值为常数，则可求出初等

37、解:P0/2k=mctglin(z/zr)+1全部滚压力P0为:P0/2k=K*h*x0*v式中，k=-（m+2tg+1）ln(1-(l/h)cos/2) 除了公式以外，还有列线图可以求解两个滚丝轮螺纹时接近时的滚压压力，已知螺距，材料屈服应力，坯件长度即可查出公制螺纹或者梯形螺纹分别对应的滚压压力。另外，根据日本学者的研究，滚压压力与滚压时间之间存在着联系，在S20C碳钢的坯件材料液压滚制各种尺寸螺钉的试验中，二者表现出随着滚压时间的增大，滚压压力随之递减的关系。 实际当中，由于批件材料的不均匀性，滚压螺纹的过程中材料性质也会发生变化，以及其他的影响因素，理论计算公式与实际压力之间存在误差。

38、但为了掌握和及时调整滚压过程，提高工件的成型质量，通过分析计算事先求出滚压压力的大小是必须得，公式所求的值应在实验当中验证、分析实验结果进一步验证其理论公式的可靠性。 在实验操作中，为了调整方便，不仅需要知道总滚压力，还须知道机床液压系统的工作压力，从而可以直接在压力表上观察压力的变化。对我们试验用的Z28-80型滚丝机，结合上述日本和苏联公式的计算方法可由下式计算压力：P0=0.49L0p1.2(HRC)0.7d0.3(MPa)其中Lo滚压长度，mm; P滚压时坯件的变形阻力，MPa2.5.2 滚压速度的选择 在用滚丝轮加工螺纹的过程中，滚压速度包括滚丝轮的圆周速度v以及径向进给速度，而径向

39、进给速度又取决于整个滚压过程滚丝轮的进给量S和滚压时间T。滚压速度是一个关键参数，直接影响螺纹成型效果，它的选取适当与否，决定了坯料的变形程度和表现速度是否合理。理论上，滚丝轮的圆周速度V遵循等式:v=*=0*式中，D滚丝轮外径，mm; 滚丝轮角速度，rad/s; 0坯件角速度，rad/s; d1纹内径，mm 上式是理想状态下，事实上，滚压过程中滚丝轮与坯料之间存在打滑，坯件的圆周速度小于滚丝轮的圆周速度，所以：V0=*v 式中，打滑系数，一般取0.850.95. 实际当中要选取合适的圆周速度或者转速，要考虑到不同材料的物理、机械性能，被滚压螺纹的几何参数和精度要求。选定了滚丝轮速度后，即可计

40、算出滚丝机主轴转速：n=1000式中，v滚丝轮圆周速度，mm/min; D滚丝轮外径，mm。2.5.3 滚压进给量S的选择滚压进给量S是指坯件每转滚丝轮对坯件的径向进给深度，它的选取，要综合考虑到生产率、工件质量、机床负荷以及滚丝轮的耐用性等因素。以上因素是相互制约的，如果加大工件每转的进给量，生产率得以提高的同时，发热也会增加，有可能导致螺纹圆度误差增加。并且，坯料材料的硬度较高时，会加剧滚丝轮的磨损，降到使用寿命。进给量与坯件转速有关，在保证工具寿命和螺纹精度的前提下，可以提高滚丝轮转速，以提高生产效率。因此，在注重生产经济效率的时候，又要估计传动原件的扭矩负荷，从而确定进给量的大小。 在

41、实验过程中，进给量要选取适当，过大会使坯件变形剧烈，内部出现裂纹，过小又影响生产效率。其最优值可以由下式近似确定:式中，f摩擦系数; P单位滚压力，MPa，公制螺纹，P=( 2. 5一3)T； E材料弹性模量。动滚丝轮安装在机床活动头上，活动头的移动速度v7可按下式求得:式中，v滚丝轮的圆周速度，m/min; W滚丝轮径向进给速度; d0坯件直径，mm 增大滚丝轮圆周周速度和径向进给量，会使变形程度加剧，引起大的金属表层的切向位移，造成螺纹外层的剥离。增加圆周周速度且同时减少滚丝轮进给速度，能减少金属表层的切向位移。此时金属变形比较均匀，不会发生金属粘在滚丝轮上。常用材料的推荐进给速度值表2-

42、1。表2-1 常用材料的滚压进给速度（mm/s）材料滚压进给量/mm铝6.88.0黄铜3.05.0低碳钢2.03.5高碳钢0.91.7表2-1 常用材料的滚压进给速度（mm/s） 考虑到材料的机械特性，对于软材料(T245. 3MPa和相对延伸率大于0. 16)以及空心件，进给量要相应减小为原来的0. 4 0. 5，另外，螺距不同，滚压螺纹的进给量也要调整。通常对于机车用的优质螺纹，推荐采用进给量S为0.0250.030mm/r。2.5.4 辊压时间T的选择 冷滚压螺纹的每个工作循环包括丝个部分:首先，滚丝轮靠近坯件表面，其次，滚丝轮继续径向进给以较慢速度压入坯料;然后停止进给，对螺纹形状进行

43、精整;最后，滚丝轮快退至起始位置，零件取出。因此，每个循环的滚压时间可以由下式表示:T=TB+TK+Tn式中，TB螺纹成型时间，s; TK螺纹精整时间，s; Tn滚丝轮靠近及退回时间(空行程时间)，s。 螺纹成型所需时间TB可以计算得出:式中，h螺纹齿高，mm; d0坯件直径，mm; S滚丝轮径向进给量，mm/r; D滚丝轮外径; n主轴转速，r/min. 螺纹成型后还需要进一步精整，可以提高螺纹精度和表面质量，减小残余应力。精整时间TK的大小，取决于坯件的直径、材料的机械性能以及螺纹精度要求。压出和精整螺纹的总时间可以表示为:式中，k精整时间的影响系数，与螺纹中径公差间的关系由查表得。 空行

44、程时间兀取决于滚丝轮外径与坯件表面之间的距离，一般取为0.020.04min。 在实际生产过程中，先根据材料的机械性能和被滚压螺纹的螺距、直径来确定滚压速度，要确保足够保证精度要求的最小滚压力，然后通过实验确定径向进给速度，从而得出保证螺纹质量的最短时间。除了上述三个时间部分外，还存在着停歇时间的问题，就是工具在退刀位置的停留时间，这段时间要把成型零件取出，换上新的坯件。停歇时间对生产效率也有着较大影响。2.6 本章小节第3章 滚珠丝杆冷滚轧模具设计3.1 滚丝纶的材料 滚丝轮在滚压螺纹的过程中要承受超过2000MPa的单位压力，因此对材料的性能有很高要求，不仅要有通常模具材料的高硬度、高韧性

45、、高强度以及高耐磨度，还要耐热，在发热时有高的抗塑性变形能力。 本文实验采用的滚丝轮材料为Cr12MoV，是制造滚压工具时广泛采用的一种高铬工具钢，比中合金钢和高碳钢具有更高强度，还具有高淬透性的特点。在真空淬火热处理后使滚压工具的强度和耐磨度进一步提高，Cr12MoV还具有晶粒小，热处理变形小的优点，确保了滚压工具的精度。 为了降低滚压工具钢中碳化物不均匀性的缺点，提高滚压工具的寿命，实验采用锻造钢件作为滚压工具的坯料。锻造过程中，材料中多余的粗大的碳化物以及莱氏体网状结构会破碎，这就使金属组织分布更加均匀。3.2 滚丝纶的设计依据和基本要素 如图3-1所示，滚丝轮的几何尺寸有滚丝轮外径D，滚丝轮的中径D2，滚丝轮的内孔直径d，滚丝轮键槽宽度b，滚丝轮的宽度B,螺距P，牙型角a，螺牙上齿高h1，下齿高h2，齿顶圆弧R，滚丝轮头数z，螺纹导程T。