（材料加工工程专业论文）钎杆波形螺纹滚压工艺与数值模拟.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 钎杆是凿岩机的一个部件，凿岩时将冲击力和回转动作传递到钎头上去。 螺纹钎杆是钎杆的一个重要组成部分，本文主要探讨钎杆上波形螺纹的加工。 现在螺纹加工中最常用的方法是切削加工和滚压加工。相比切削加工，滚压加 工螺纹优点明显，它不切断金属的纤维，可以节省材料。同时，因属无屑加工， 滚压工具在工件间的磨损比起别的切削加工工具要小得多。所以滚压加工工具 的使用寿命相对地延长。国内钎杆已进入大量生产阶段，也有文献对滚丝机连 续轧制长螺纹的工艺进行了详细介绍，但针对钎杆螺纹还没有实验数据公布。 本文可以为提高钎杆质量、生产效率做有效指导，具有理论价值和现实意义。 本文以轴向进给式冷滚轧作为研究方法，以波形螺纹钎杆作为研究对象， 分析了利用z 2 8 8 0 型滚丝机加工长杆件螺纹的可行性。通过对螺纹冷滚压的工 艺及原理进行分析，提出了进给量、滚压力。坯料直径等因素对成型效果的影 响。运用塑性成型时的体积不变原理求解坯件的外径，对螺纹滚压时的径向载 荷、切向载荷、扭矩的变化规律以及它们之间的相互关系进行了分析。针对钎 杆螺纹，在理论分析的基础上进行模具设计和初步确定滚压工艺条件参数，经 过模拟仿真，进一步修正滚压参数，使各项指标趋于合理化，以求以较低成本 和相对简单的技术条件和现有的设备实现工件的成型。 在二轴滚丝机z 2 8 8 0 上，用不同壁厚、直径的试件在不同的滚压力和不同 的进给量条件下进行了几组实验，得出坯料壁厚、直径、滚丝轮进给速度和滚 压力等参数对螺纹滚压的影响规律，成型效果与前面的理论分析和模拟结果基 本吻合。最后对实验中存在的问题比如工件打滑、轴向伸长等做出了分析，提 出了改善方法。 关键词：波形螺纹，钎杆，滚丝，有限元。 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d r i l lr o d ei sac o m p o n e n to f r o c kd r i l l ，t r a n s f e r si m p a c tf o r c ea n dt u r n i n gf o r c e t od r i l lb i t t h r e a de x t e n s i o ns t e e lb a r sa r ea l li m p o r t a n tp a r to fd r i l lr o d e p r o c e s s i n g m e t h o do fr o p et h r e a de x t e n s i o ns t e e lb a r si st h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e r c o m m o nt e c h n i q u e so ft h r e a dm a c h i n i n ga r ec u t t i n ga n dr o l l i n gm a c h i n i n g ，b y c o n t r a s t ，r o l l i n ge x i s t so b v i o u sa d v a n t a g e s ，i td o e sn o tc u to f f m e t a lf i b e r sa n ds a v i n g i nm a t e r i a l r o l l i n gi sac h i p l e s sm a c h i n i n g ，t h ed i ew e a ri sm u c hl e s st h a nt h e c u t t i n gm a c h i n g d r i l lr o dh a dg o n ei n t om a s sp r o d u c t i o na n dl i t e r a t u r e s a r e p u b l i s h e dc o v e r i n gt h ec o n t i n u o u sr o l l i n gl o n gt h r e a dp r o c e s s i n g ，b u tf o rt h ed r i l lr o d w a v e s h a p e t h e r e sn oo u t w a r de m p i r i c a ld a t a t h i s p a p e rd i r e c tp r a c t i c a l p r o d u c t i o n ( ，h a v et h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b yt a k i n ga x i a l l yf e e dd r i v er 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 ed r i l lr o d e a st h ec a r r i e ro ft h er e s e a r c ho b j e c t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ef e a s i b i l i t yo ff o r m i n go f d r i l lr o d ew a v et h r e a d b ya n a l y z i n gt h er e l a t i o no ft h er a d i a lr o l l i n gf o r c e ，t h e t a n g e n tr o l l i n gf o r c ea n dt h ea x i a lr o l l i n gf o r c e ，t h er e l a t i o nf o r m u l a sw e r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt op r a c t i c a ls 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 ，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 nt 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 i sp 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 dt 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 gt h eh i 曲q 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 ht h ee x p e r i m e n t so nt w o - d i et h r e a dr o l l e rw i t hd i f f e r e n tr o l l i n gf o r c e ， d i f f e r e n ta m o u n to ff e e da n dd i f f e r e n tw a l lt h i c k n e s s ，c o r r e s p o n d i n gd a t aw e r e o b t a i n e da n da n a l y z e d t h ei n f l u e n c e so ft h ew a l lt h i c k n e s s t h es p e e do ff e e do ft h e d i e sa n dt h er o l l i n gf o r c eo nt h er o l l i n gp r o c e s sw e r eo b t a i n e da n dt h et h e o r e t i c a l r e s u l t sw e r ep r o v e d m e a n w h i l e ，s o l u t i o n st ot h ep r o b l e m so fa b n o r m a lp h e n o m e n o n ， s u c ha ss k i d ，a x i a ld r a wo u t ，h a sb e e np r o p o s e d k e yw o r d s ：w a v es h a p et h r e a d ，d r i l lr o d e ，r o l l i n gm a c h i n i n g ，f i n i t ee l e m e n t i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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n j j i i 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 武汉理工大学或其他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。 1 0 f o 、芗、爻箩 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( 签名) ：素酿闩 导师( 签名) ：鬈易积期触o 芗、肖 武汉理t 太学碗七学位论文 11 引言 第l 章绪论 在人类社会发展的过程中，为了开采资源，进行基础工业发展和现代物质 文明建设，都要和岩石打交道。随着历史的进步，人类的凿岩技术也在进步 在实践中积累了丰富的经验。其中，凿岩和爆破是人类掌握的最为得力的两种 手段对现代化建设起到了巨大的推动作用。尤其是十九世纪资本主义的兴起， 工业的迅速发展导致煤和矿物的需求量大大增加，道路的修筑也需要开凿髓洞， 伴随着这种需要，凿岩机随着工业产业革命的兴起出现了并逐渐取代了之前 的手锤凿岩u 4 j 。随着大功率、重型化凿岩机的应用，对钎杆的选材和制造工艺 的要求也进一步提高。 如图卜1 所示，钎杆是凿岩机的一个部件，叩承受活塞冲击力，并将冲击 力和回转动作传递到钎头上去的一个细长杆件。在它的前部有梢头、后部有钎 尾、钎肩，钎秆的中心有水孔( 一般为6 8 m m 直径) 。它们的作用分别为：梢 头是钎杆插入钎头的部分；钎尾为插入风钻杆钎尾套中直接承受凿岩机活塞的 冲击助和接受扭矩的部分；钎肩的作用，一是限制钎尾过多插入机体而缩短 冲程：二是使钎卡能卡住钎子，使它不致从钎尾套中脱落。钎杆是传递冲击力 和扭矩的部分。小孔是用来吹洗炮眼的水的通路。 1 夏 ，j 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 钎杆示意图 本文研究的螺纹连接钎杆是杆体两端或一端带有连接螺纹的中空圆形杆 件，它是螺纹连接配套钎具的主体部件。螺纹连接钎杆一端通过连接套筒与钎 尾和凿岩机进行连接，另一端直接采用螺纹或者锥体结构形式与钎头进行连接； 或者一端通过连接套筒( 有的钎杆杆体上直接带有连接套筒) 与其他钎杆进行 连接，组成螺纹连接配套钎具整体进行钻凿【2 】。 1 2 钎杆的螺纹形式 由于钎杆在凿岩作业中承担着传递钻机规律到凿岩钎头进行破岩的任务， 除了表面会受到磨蚀，还要承受弯曲、扭转、挤压以及脉动冲击的复杂合力作 用。螺纹钎杆是钎杆的重要组成部分，具有适用范围广、钻进速度快、冲击能 量传递损失小、凿岩效率高、易于实现机械化钻凿和改善凿岩条件等优越性。 现己成为应用最广、数量较大、规格最全的一种钎具产品，并且在钎具产品所 占比例越来越大【3 。6 j 。 钎杆的螺纹形式和加工方法，会直接影响到钎杆的连接强度和使用寿命， 为了提高钎杆的使用寿命和生产效率，我们有必要对钎杆螺纹形式及其加工方 法进行研究、探讨。在凿岩钎具的历史过程中，螺纹的连接形式经历了多次的 演变。这些螺纹包括锥形管螺纹、旧式梯形螺纹、锯齿形螺纹及灯座式螺纹。 但这些螺纹形式存在螺距小、承压面小的问题，导致应力集中、磨损快、传动 损失大，钎杆寿命低并且加工装卸困难，从而逐渐被淘、汰【2 1 。目前常用的螺纹形 式主要有波形螺纹、梯形螺纹以及复合螺纹。其中又以波形螺纹连接钎具的品 种、规格、数量为最多，适应的凿岩机型及钻凿应用最广【4 】。波形螺纹因其齿形 呈圆顶圆底、波浪形而得名，其结构及参数如图1 - 2 所示。在中、小截面钎具 范围内，它是最主要的连接螺纹结构形式。 2 武汉理工大学硕士学位论文 波形螺纹复合螺纹 梯形螺纹 图1 - 2 三种螺纹形式的结构参数 波形螺纹是应用成熟，使用历史最长，广泛采用的一种螺纹连接钎具，其 结构和几何尺寸已纳入国标，根据i s 0 1 0 2 0 国际标准和g b t 6 4 8 2 国家标准，波 形螺纹的结构及尺寸参数如图1 - 3 、表卜1 所示【6 1 。 图1 - 3 左旋波形螺纹螺弧形状示意图 表1 - 1 波形螺纹的尺寸参数 内鬃皱络媛缀 螺纹盎经 豢径 落径 1 ) ： l r t r 2 西 | l 缘雕p ( 公擀)+ 移2 5 , 4 - 0 ，2 o 4主0 。j 唪9 0 拍 ，ir 2 9 oo + o 。4哼t ，4 o 1 5 露2 21 8 蕊1 5s s 62 1 8 41 5s s61 2 7 砒s2 1 。7 61 55 5 62 4 7 41 5s 。561 2 7 露2 82 4 弼1 55 s 6 2 7 9 5 t 5s 561 2 7 r 3 22 s 3 6 1 55 563 l 。3 41 5s s 61 2 7 k 3 , 83 5 t | l 1 。5s s63 7 孵 s5 s 61 2 7 本文采用的波形螺纹结构形式及尺寸参数如图卜3 所示，各种连接螺纹为 与凿岩机旋向协调，均采用左旋方向。波形的特点有： ( 1 ) 在保证加工质量的基础上，可以进行渗碳等表面强化手段，使其具有足够 的耐磨性。如图卜4 对三种不同螺纹形状耐磨情况的比较； 武汉理工大学硕士学位论文 图卜4 三种常用螺纹的耐磨状况 ( 2 ) 装卸方便，换钎时间短，节省时间； ( 3 ) 传能损失小； ( 4 ) 可以采用车床加工，成本低。 1 3 螺纹钎杆的基本要求和加工方法 螺纹钎杆的用途决定了其工作条件的恶劣，工作时承受复杂的应力状态，实 际工作寿命常常只有几十小时。因此，提高钎杆的生产工艺水平、尽量减少钎 杆质量问题，才能保证钎杆寿命，提高工作效率，并减少钢材的大量消耗。 1 3 1 螺纹钎杆的基本要求 螺纹钎杆工作时通过上面的螺纹将钎尾、钎杆、钎头和套管连接着钎具组， 要求螺纹连接紧密、能量传递损失小、耐磨以及拆卸耗时少。钎杆设计、制造 及后处理时，保证钎杆寿命的一些基本条件如下【l 】： ( 1 ) 疲劳强度和断裂性能的配合：螺纹钎杆是细长杆件，工作时受弯曲应力和 冲击力、轴推力，因此要求具有高疲劳强度和高断裂性能； ( 2 ) 防腐蚀能力：螺纹钎杆工作时内孔容易受到酸性水腐蚀，因此，有必要在 钎杆加工后进行防腐处理，好的防水腐蚀能力有效避免疲劳断裂； ( 3 ) 结构设计：良好的结构设计可以减小应力变化、避免应力集中； ( 4 ) 优良的耐磨性和弹性：钎杆常常在弯曲状态下工作，弹性不佳就会造成钎 杆折断失效。钎杆螺纹要承受微动磨损和冲击磨损，螺纹耐磨性好才能保 证钎杆寿命高。 ( 5 ) 平直度和刚性：螺纹钎杆具有高的平直度和刚性，可提高工作效率，减少 疲劳弯曲应力；平直度低或刚性不足，钎杆工作时会出现偏心打击的不利 影响，破坏增加；钎杆矫直后，要求平直度在1m m m 以下【2 1 。 除上述要求外，提高加工精度、降低表面粗糙度、减小配合间隙等，都是 4 武汉理工大学硕士学位论文 提高钎杆质量的有效办法【3 1 。 1 3 2 钎杆加工方法 钎杆螺纹的成型方法有车床车削加工、尖刀偏心轴车削、滚压法三种机加 工法。车床车削加工设备简单，工艺成熟，操作方便，但螺纹加工精度及表面 光洁度较差，而且生产率低，不适合大批量生产。尖刀车削的方法只适合于车 制用样板刀加工较为困难的大螺距波形螺纹【5 。8 】。相比之下，滚压法用于波形螺 纹成型优势明显： ( 1 ) 滚压加工属于无屑加工，节省材料成本； ( 2 ) 钎杆螺纹经过滚压得到更加致密的金属纤维组织，而切削螺纹由于表层 纤维组织被切断，使用性能降低；如图1 - 5 为滚压及切削加工后金属表 层纤维组织变化情况； 图1 - 5 滚压与切削加工后金属纤维组织 ( 3 ) 表层滚压后，产生表面硬化层，提高了钎杆疲劳强度，且达到较高的光 洁度8 】； ( 4 ) 生产效率高，滚压一根钎杆仅需一分钟，并且节省了切削加工后的磨削 精加工工序。 1 3 3 钎杆滚压工艺概述 在两轴滚丝机上滚压钎杆的方式如图1 - 6 所示。在钎杆这种圆柱形零件的 外圆表面上，滚压螺纹的方法主要有三种形式： ( 1 ) 用搓丝板，工件切向进给滚压； ( 2 ) 圆形工具不移动，工件切向进给的滚压； ( 3 ) 用主动的圆形工具，工件切向、径向、轴向以及径一轴向进给的滚压。 在我国实际生产中常用的是两搓丝板和两滚丝轮加工方式，搓丝板加工螺 纹已被广泛应用于直径从3 到2 0 毫米的普通碳钢紧固螺纹的生产当中，这种方 5 武汉理工大学硕士学位论文 法生产效率高，型面的粗糙度较低，被加工螺纹在活动搓丝板的一次走刀中形 成，易于实现自动化【9 1 。但这种方法也存在不足之处，比如机床的调整比较复杂， 加工精度也低于滚丝轮加工，搓丝时径向力很大，搓丝板寿命低等。相比之下， 两滚丝轮的加工工艺更完善：滚压过程中产生压力比搓丝板大为降低，可以加 工空心和薄壁或硬度高的螺纠6 1 。 ，一 伊蔫尹。 泰 ) j 么除力 一 ，j i 一 图卜6 两滚丝轮滚压螺纹示意图 1 4 国内外钎杆滚压的现状 1 4 1 国内钎杆生产现状 我国从上世纪5 0 年代开始生产凿岩机械，同时开始生产碳钢钎杆，进入6 0 年代，钢铁生产企业中建设了中空钢和凿岩钎具生产车间，以满足矿业开采对 钎具的大量需求。7 0 年代末，钎杆生产形成规模，钎具质量也有很大提高。上 世纪8 0 年代，国内基建工程所需凿岩工具还需要大量从国外进口，国内科研和 生产单位，在钎杆的生产制造、工艺研究、材料选择方面有了很大进步，使钻 车用钎杆形成了一定规模，投向钎具产品的企业不断增多。到了9 0 年代，国内 钎杆的生产数量和品种规格进一步扩大，企业大量引进钎杆的生产技术和制造 设备，使用性能和产品质量有很大提高，但由于受国内中空钢材质量的影响， 与国外产品还有差距。目前，国内生产的大多数钎具技术含量不高，技术含量 相对较高的钎具产品也存在着质量稳定系数不佳，品种规格不全等问题【l o - 1 2 】。 2 0 世纪9 0 年代，个体经营小型矿山增加，钎具生产的小企业也不断增加， 生产量上升，质量却下降，进入价格竞争阶段。国内钎杆规模较大、产量超过 一千吨的，有贵钢、贵州三占、山东三山、新抚钢、莲花山等厂家，还有小厂 6 武汉理工大学硕士学位论文 协会、大矿务局自己制钎杆掣3 l 。 从我国生产出第一根中空钎杆至今已有5 0 多年历史，经历了几代人的心血 和努力的付出才能走到今天，例如2 0 世纪6 0 年代的钎钢工作队、7 0 年代的钎 钢协作组、8 0 年代的“六五、“七五 攻关、9 0 年代的改革开放、2 1 世纪的 建设节约型社会等发展阶段。由于目前国内的钻车钎杆市场仍被国外产品垄断， 可以预料，国内钎( 钻) 具市场未来的发展趋势是由低技术含量常规化产品向 高技术含量专业化产品方向发展! ”以5 1 。 1 4 2 国外钎杆生产现状 国外钎具规模较大的公司有瑞典的s a n d v i k 公司、a t l a s - - c o p c o 公司、南非 的b o r a tl o n y e a r 公司等，它们在国际市场上占有很大份额，也基本代表了国际 市场的发展方划。 s a n d v i k 公司成立于1 8 6 2 年，s a n d v i k 公司生产凿岩机械和钎具的部门是采 矿与建筑设备部( s a n d v i k m i n i m ga n dc o n s t r a c t i o n ，s m c ) ，该部门年销售收入2 0 亿美元，在中国已建立了5 家独资或合资公司，并在1 0 个城市有办事处。该公 司早年著名的专利之一就是对钎杆的s r 防腐处理，隔离了水对钎杆内孔的腐蚀 作用，防止内疲劳断裂。而国内钎杆由于经过整体气体渗碳工艺，内孔也经受 了渗碳，含碳量增加导致耐腐蚀性能降低、缺口敏感性增高，而国内只对钎杆 外表面喷漆，内孔不经任何处理。所以，钎杆的防腐处理技术的提高是缩小我 国与国外钎杆水平的一个重要途径。瑞典法格斯特公司采用静电喷漆的方法对 钎杆外表面和内孔进行防腐处理，实验证明，漆膜粘着十分牢固，效果很理想【3 】。 钎杆的平直度要达到产品标准，需要经过矫直精整。对于圆形螺杆，国外 采用多级双斜辊矫直机，矫直精度可到达0 5 m m m ，国内有双斜辊矫直机，但 稳定性不足。在钎杆的热处理工艺上，国产钎杆水平与国外先进水平也有较大 差距。国外大部分螺纹钎杆选择2 5 c r n i 3 m o 钢，采用整体气体渗碳工艺。国内 钎杆材质含碳量高而不经渗碳，只淬火，表面硬度不高，耐磨性型5 | 。 国外钎具产品优于国内产品的个重要原因还在于，国外公司向来把产品 开发放在首位，针对凿岩机械的发展变化，钎具的研发、生产、使用都要随着 进步。而国内钎具厂家多是将钎具作为主导产品，长期依赖一种产品，这样很 不利于企业根本实力的提高。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 研究内容和研究方法 1 5 1 研究内容 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【5 】。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： 1 ) 通过分析滚压原理设计滚丝轮，运用塑性变形的体积不变原理求解坯件外径 【5 1 2 ) 研究滚压过程中的滚压力和各项滚压参数，比如进给速度，摩擦系数，工件 材料对滚压力和成型效果的影响； 3 ) 采用有限元分析软件d e f o r m - 3 d 模拟钎杆的滚轧过程，对整个滚压过程中螺 纹变形区的应力、应变，以及滚丝轮的滚压力的变化规律进行研究，分析不 同边界条件对产品质量的影响，并选出合理的工艺参数； 4 ) 根据成形设备( z 2 8 - 8 0 型滚丝机) 的各项参数，合理设计工艺路线，利用滚 丝机在不同的轧制速度、进给量下进行螺纹滚压实验，对钎杆滚轧过程进行 进一步研究，分析实验数据，找出轧制参数之间的联系，对理论研究进行验 证。 1 5 2 研究方法和技术路线 采用理论研究、数值模拟与试验验证相结合的方法，先建立钎杆螺纹冷滚轧 的有限元计算模型，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。 技术路线如图卜7 ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 本章小结 稀鼬崮l 竺竺兰曼二i 图1 - 7 钎杆螺纹滚压技术路线图 本章讲述了钎杆的一些基本知识：用途、螺纹型式、基本要求和加工方法 等，以此引出了少无切削的螺纹滚压成型方法，分析了国内外现状，明确了本 文的研究内容和研究意义，制定出了技术路线。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章两滚丝轮冷滚压螺纹工艺 滚压螺纹的工具常用的有搓丝板和滚丝轮。其中滚丝轮在实际生产的应用 中是比较广泛的。滚丝轮滚压螺纹的形式有单滚丝轮、双滚丝轮和三滚丝轮， 根据进给方式又可分为径向进给、轴向进给和切向进给三种。本文主要研究两 滚丝轮切向进给的形式【1 5 - 1 7 1 。 2 1 成型原理 通常来讲，机械零件的外螺纹可通过两种机械加工手段制成：车削加工和 滚压加工。滚压螺纹是一种无屑加工方法，利用材料在冷态下的可塑性，使坯 件受到滚压工具之轧制表层产生塑性变形，滚压出相应螺纹，两轮滚压的示意 图如图2 1 。滚压法加工较切削法加工，有着节约原材料，生产效率高，螺纹表 面性能得到提高等优点【1 8 之1 1 。 动滚丝轮 2 1 螺纹滚压示意图 其成型原理是，如图2 - 1 所示，成对的动静两个滚丝轮分别装在滚丝机的 两根主轴上，两滚丝轮的螺纹旋向相同，工件的螺纹旋向与之相反，比如工件 螺纹是右旋，那么两滚丝轮螺纹应为左旋。安装时要保证两滚丝轮端面在同一 平面内，螺纹相互错开半个螺距。两轮旋转方向是一致的，并且有相同的旋转 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 速度，其中动滚丝轮是可以径向进给的，工件是放在两滚丝轮之间的，可用支 撑块或项尖的方式定位，通常其轴线高度应比滚丝轮轴线位置稍低，这时为了 防止滚压过程中工件受挤压而上窜 2 0 - 2 4 1 。 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 会带动工件旋转使其产生塑性变形，并逐渐受压形成螺纹，螺纹尺寸基本形成 时，动轮不再进给并继续旋转，这是为了对螺纹廓形修整和滚光，对螺纹表面 压实并降低粗糙度，当螺纹达到要求时，滚丝轮会退回，工件即可取下。 2 2 成型过程 从基本意义上讲，螺纹滚轧可以认为是典型压痕问题的一种特殊情况，也 就是一系列平行楔形压头压入旋转的圆柱面中。这种压入问题被一些研究人员 用滑移线场的方法广泛研究过，但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。k u d o 和t a m u r a 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。j o h n s o n 和h i l l i e r 对一个单独的俣块压入 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。尽管这个模型综 合了模具运动，它假设工具部分压入并在工件的表面旋转，但严格意义上它不 能表示螺纹滚压的实际情况。另一些分析加入了多个压头并有滑动接触，这是 被认为最接近实际滚压情况的模型，b e t h l e h e m 发表了一些螺纹滚压的实验结果 2 6 - 2 7 o 由于计算机结果的高效率和可靠性，有限元模型广泛应用于金属成型过程 的分析。金属冷成形工过程的二维模型已经得到肯定，三维模型也在普及。有 限元模型被大量应用于线材拉拔、冷镦和挤压过程的模拟和分析，但应用于发 展螺纹滚压过程模拟的还不多，其中包括m a r t i n 应用m a r c 软件分析了螺牙底 部的残余应力分布【2 引。 除了一些很硬的材料( 指洛氏硬度大于3 5 ) ，大部分的螺纹都是在室温下 滚压。螺纹可以用搓丝板，滚丝轮以及行星式滚丝机成形。在以上三种形式中， 螺纹在圆柱或者圆锥形的毛坯表面上成形，毛坯在一对淬火钢材料的模具之间 旋转。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 成型中材料的体积分配 螺纹的成型过程也就是由滚压工具工作螺纹挤出的坯件金属重新分配的结 果【1 2 。5 1 。如图2 - 2 所示，心直线为滚轧初始的边界线，滚轧开始时，滚丝轮的 顶点b 在心上，s l n 过程中滚丝轮的齿顶牙形首先进入滚压，咬入坯料内部， 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a b c ( v 。) 等于流入滚丝轮牙底的面积c d e ( v ：) 。 图2 - 2 滚压过程体积分配图 2 2 2 螺纹成型的四个阶段 n 在滚压过程中，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，根据滚压过 程中滚丝轮压下量的不同我们将滚压过程分为楔入、稳定滚压、成形和精整四 个阶段【8 】【2 6 1 ，如图2 3 所示。 第一阶段为楔入阶段，在图2 3 a 中可以看到，即从开始到工件转过1 2 圈， 每个滚丝轮在工件的圆柱面上滚过1 2 圈，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按阿基米德螺线轨迹，将工件滚出 由浅入深的v 型槽【2 9 - 3 1 1 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3a 螺纹滚压的第一阶段 图中l 、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( 极坐标 表示，以工件的轴心为极点) 对线1p j = r o 一生秒， 秒( o ，万) ( 2 1 ) 式中，工件的初始半径，硼； y ，滚丝轮的径向进给速度，硼s ； 万工件的角速度，r a d s 第二阶段是稳定滚压阶段，如图2 - 3 b ，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。由于工件的加工硬化和接触 面积不断增加，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朋= 誓。旦2 z 一三( 圈) 式中： 同样， 线l 线2 一螺纹滚压完成所需滚丝轮的总进给量 线1 、2 的轨迹线为 岛= ，o 一 乡，秒( 万，詈s 总) n = 一告( p 一万) ，矽( 2 万，号& + 万) c 2 2 ， 武汉理工大学硕士学位论文 至量迹景拳砌 线1 岛寸& 儿眵号尽一j 、 线2 见2 一& 乡l 号心总+ 万，号+ 2 万j ( 2 ) 图2 - 3 c 螺纹滚压的第三阶段 第四阶段为精整阶段，理论上滚丝轮的压下量和进给量都为零，但实际当 中还要对工件存在的不圆度进行压下精整，因此还存在少量的不可预期的压下 量。最后的精整阶段可以使工件表面的粗糙度降低，对零件最终的表面质量有 较大影响。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 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 1 t 是有p 作用引起的，其大小为：t k p ，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 3 0 - 3 1 】。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 2 9 - 3 1 】： m r m 尸 墨 a l 小 ( 2 1 8 ) 其中，十在螺纹滚压过程中，被滚压零件每转轴向位移量的最大允许 武汉理工大学硕士学位论文 值，一般取钒= o 5 t ，t 为螺距； 出孽一一滚压螺纹时，被滚压零件与滚丝轮的相对位移量， 础零= 力2 ( t l i l i 零一t a i l 强) ，d 2 为被滚压螺纹中径； 址小被滚压零件每转轴向位移量的最小允许值， 啄= 嚣 防1 9 ) 式中，被滚压螺纹长度，咖； 三实验用滚丝轮的宽度，咖； 丁滚丝机的最大的滚压时间，m i n ； 刀滚丝轮每分钟转数，转分； u 滚丝轮螺纹中径d 与被滚压螺纹中径么的比值，即u = b d ，。 理论上讲，世士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，其每转位移量峨可取较大值；被 滚压材料较硬时，其每转位移量f 士应取较小值。 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【1 3 】。滚 压参数选