钢球冷镦工艺的优化研究

摘要

课题主要对钢球生产工艺中最重要的一道工序--冷镦成形进行研究。利用非线性有限元分析技术为主要研究手段，结合试验设计与数据处理方法，针对现有冷镦工艺的不足，进行优化研究，并提出一种新的冷镦工艺，将现有球形球坯做了优化，并且对锥鼓形和椭球形球坯做了研究，经试验得出比较合理的球坯参数，对实际生产提供参考依据。
　　 首先，对现有冷镦机切料机构进行研究，比较现有开式和闭式两种切料刀的优缺点，提出一种新型的复合式切料刀，通过有限元仿真比较三种不同切料刀的剪切效果，对冷镦机的改进设计提供帮助。
　　 其次，针对大量调研中发现的不足，存在冷镦球坯毛刺和球坯镦偏等现象，并且现有工艺一次冷镦成型，变形过大，导致钢球冷镦质量不高。基于这些考虑，本文提出一种搓角机构，对剪切后的棒料进行预处理，优化其端面形状，改善棒料的局部应力分布，从而提高冷镦质量。通过仿真分析，比较不同区域的应力应变，得出在增加搓角机构后，应力应变明显降低，冷镦质量明显提高。
　　 再次，建立钢球冷镦变形的数学模型，深入分析变形特点，使用主应力法将钢球冷镦过程简化为三个步骤:即轴对称的挤压变形、轴对称镦粗变形和模锻的最终变形这三部分，建立冷镦力数学模型。与传统的冷镦力模型相比，本模型可以得到不同环带、两极尺寸的冷镦力，同时还能计算在冷镦过程中典型阶段的冷镦力，模型精度与仿真结果基本吻合。而传统模型只能计算不同直径的冷镦力，并且误差较大。同时，本文设计正交试验，仿真不同试验的冷镦变形，提出圆度、冷镦力等评价指标，得到了比较正确的球坯参数。在球形球坯的基础上，本文还对另外两种新型球坯:锥鼓形球坯和椭球形球坯，做了深入研究，得到了合理的球坯参数。
　　 最后，本文以等效应力应变、damage、网格流动等对三种球坯进行了比较，以分析不同球坯的特点。
　　 总之，本文对钢球冷镦工艺作了深入的研究，提出了一些新的工艺方法，并且对三种球坯作了详细分析，对钢球的生产研究有一定的指导和借鉴意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究内容

1.3 课题意义

1.3.1 钢球的发展趋势

1.3.2 国内外钢球行业的现状

1.3.3 相关领域的研究

1.4 研究方法

1.4.1 各种研究方法的优缺点

1.4.2 deform软件的介绍

第二章 钢球冷镦工艺以及影响因素分析

2.1 钢球加工工艺

2.1.1 钢球的标准介绍

2.1.2 钢球加工基本工艺路线

2.2 钢球毛坯冷镦成形

2.2.1 冷镦压成形

2.2.2 冷镦压球坯形状改进

2.2.3 钢球毛坯的有关计算

2.3 冷镦钢球球坯好坏的影响因素

2.3.1 棒料的剪切质量

2.3.2 压缩比

2.3.3 变形速度

2.3.4 模具

第三章 不同切料刀对棒料的剪切影响

3.1 现有切料刀的优缺点

3.2 提出新型切料刀

3.3 建立模型仿真分析比较开式、闭式和复合式切料刀

第四章 增加预处理工艺对钢球的影响

4.1 预处理工艺的确定

4.1.1 预处理工艺的提出

4.1.2 预处理工艺的的理论分析

4.1.3 提出预处理工艺方案

4.1.4 比较预处理方案

4.2 主要工艺参数分析

4.2.1 工艺参数的确定

4.2.2 确定具体工艺参数

4.3 仿真模拟

4.3.1 通过deform仿真分析

4.3.2 不同工艺的应力分析

第五章 钢球冷镦数学模型的建立

5.1 棒料在模具中的变形分析

5.2 冷镦模型的建立

5.2.1 从刚接触到稳定的接触面过程

5.2.2 中间棒料的镦粗过程

5.2.3 充满球坯的过程

5.2.4 建立钢球冷镦力模型

第六章 现有球形球坯工艺参数优化及仿真分析

6.1 现有球坯的缺点

6.2 当前工艺生产的球坯仿真

6.3 现有球坯及球形球坯的工艺参数优化

6.3.1 球形球坯参数计算

6.3.2 参数分析及设计试验方案

6.3.3 球坯评价标准

6.4 建模仿真分析及筛选

6.4.1 建立冷镦模型及数据的导入

6.4.2 对钢球冷镦仿真结果分析

6.4.3 钢球球坯参数的筛选

第七章 锥鼓形球坯工艺参数优化及仿真分析

7.1 锥鼓形球坯理论分析

7.2 锥鼓形球坯的工艺参数分析及优化

7.2.1 锥鼓形球坯体积分析

7.2.2 锥鼓形球坯的参数分析与试验设计

7.2.3 建模仿真分析

7.2.4 比较仿真球坯和实物球坯以及锥鼓形球坯模具设计

第八章 椭球形球坯工艺参数优化及仿真分析

8.1 椭球形球坯理论分析

8.2 椭球形球坯的工艺参数分析及优化

8.2.1 椭球形球坯体积分析

8.2.2 椭球形球坯参数分析及设计试验

8.2.3 建模仿真分析

8.2.4 椭球形球坯的模具设计

第九章 钢球冷镦模型与球坯仿真结果分析

9.1 对不同钢球球坯冷镦模型分析

9.1.1 钢球冷镦变形接触面积分析

9.1.2 钢球冷镦力模型分析

9.1.3 不同钢球球坯冷镦力分析

9.1.4 不同钢球球坯冷镦力仿真结果与数学模型误差分析

9.2 对不同钢球球坯有限元分析

9.2.1 不同钢球球坯表面积分析

9.2.2 不同钢球球坯damage分析

9.2.3 不同钢球球坯mean stress分析

9.2.4 不同钢球球坯effective stress分析

9.2.5 不同钢球球坯Flow Net分析

9.2.6 不同钢球球坯effective strain分析

9.3 比较不同钢球球坯

第十章 总结与展望

10.1 研究结论

10.2 创新之处

10.3 不足之处

10.4 前景展望

致谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文及学术成果