丝杠调整冷滚打成形方法研究

摘要

绿色、节能、精密及高效加工技术是当今制造加工领域重点研究和发展方向之一，先进近净成形技术已成为零件制造技术的前沿研究领域，探索轻量化、快速和精密的塑性加工新方法是该领域重要的研究课题。高速冷滚打成形技术作为一种新型的近净成形技术，是利用金属固有的塑性，使用特定廓形、高速旋转的滚打轮对毛坯进行逐点断续滚压和打击，使坯料表层金属产生塑性流动，利用滚打轮与坯料之间的相对运动关系产生累积效应，最终形成预定形状要求的一种无模无约束自由塑性成形技术。本文在分析丝杠高速冷滚打成形原理的基础上，采用理论分析、有限元数值模拟及试验研究相结合的方法，对丝杠高速冷滚打运动学、动力学及成形过程进行系统研究，探索高速冷滚打成形的基本规律，为该项技术应用提供技术支撑，具有重要的理论意义和应用价值。
　　提出了基于高速冷滚打原理的丝杠成形方法，建立了丝杠冷滚打过程的啮合方程以及螺旋滚道方程；研究了丝杠冷滚打螺旋滚道面法向截形误差和滚珠中心轨迹螺旋线误差，获得了误差的求解方法；提出了一种采用滚珠丝杠理论螺旋滚道面包络滚打轮的滚打轮廓形设计方法，以啮合原理和丝杠冷滚打运动关系为前提，采用丝杠理论螺旋滚道面来包络滚打轮，进行滚打轮轴向截面的设计，建立了滚打轮轴向截面设计的数学模型；分析了成形过程中的干涉问题，给出了解决丝杠冷滚打干涉问题的滚打轮安装方法。
　　依据高速冷滚打时材料呈现出的高应变速率和大变形特性，设计了高速冷滚打条件下材料性能的静态和动态实验方案，针对40Cr材料的静动态特性要求进行霍普金森压杆实验研究，分析了冷滚打条件下温度和应变速率对材料流动应力的影响，获得了材料应变速率敏感性和温度敏感性与流动应力的关系；基于实验结果，确定了材料应变速率敏感系数、应变硬化系数和热软化系数，建立了描述40Cr流动应力的J-C动态本构方程；通过40Cr流动应力本构方程与实验数据的相关性分析，验证了所建立的本构方程描述冷滚打40Cr材料动静态特性的有效性。
　　建立了丝杠高速冷滚打成形过程有限元分析模型，并对丝杠高速冷滚打成形过程进行模拟；分析了丝杠冷滚打成形过程不同时刻等效应力和应变分布、滚道轮廓关键位置的等效应力和应变时间历程以及不同区域的主应力和应变状态及其累积效应；获得冷滚打成形过程中等效塑性应变的变化规律；分析了丝杠冷滚打成形力、金属流动速度场及其速度矢量的分布与形态、工件温度场的分布及关键位置温度的变化规律；从应力场、应变场、速度场和温度场等不同方面揭示了丝杠髙速冷滚打金属流动与材料变形规律。
　　分析了不同初始温度对冷滚打最大等效应力、最大等效应变、工件温升和金属流动速度等的影响，分析了滚打轮过渡圆角半径对变形场和工件温度场的影响；针对冷滚打成形中的摩擦特点，讨论了摩擦系数对变形场的影响；研究了工艺参数对变形场、变形区关键位置等效应变和温度变化的规律及工艺参数对成形力的影响规律；采用正交试验方法，进行冷滚打工艺参数的优化研究，建立了成形工艺参数的多元回归模型；初步发现了工艺参数对冷滚打成形的影响规律，为冷滚打工艺参数优化提供了依据。
　　开发了丝杠高速冷滚打成形装置，进行了丝杠高速冷滚打试验研究；从丝杠滚道廓形几何误差角度对丝杠冷滚打仿真结果及试验结果进行对比分析，验证了有限元仿真的有效性和所提出的丝杠冷滚打成形方法的可行性；对冷滚打丝杠滚道的表面质量进行了测试；研究了冷滚打丝杠成形丝杠成形表层的硬度分布及滚打轮转速对表层硬度的影响关系，分析不同转速、不同进给量下冷滚打丝杠滚道底部、侧面和顶部的金属微观组织，验证了丝杠冷滚打成形过程中的金属流动规律，为该技术的深入研究和应用提供理论依据。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 丝杠加工概述

1.3 高速冷滚打成形技术研究现状

1.4 论文研究内容和章节安排

2 丝杠冷滚打成形过程运动学建模及误差分析

2.1 丝杠冷滚打成形的基本原理

2.2 冷滚打丝杠滚道面方程的建立

2.3 丝杠冷滚打误差分析

2.4滚打轮截面廓形数学模型

2.5 本章小结

3 丝杠高速冷滚打成形材料本构特性分析

3.1 丝杠高速冷滚打热力耦合特性分析

3.2 高速冷滚打材料动静特性实验设计及分析

3.3 冷滚打材料应变速率敏感性分析

3.4 冷滚打材料温度敏感性分析

3.5 高速冷滚打材料本构方程的确立及分析

3.6 本构方程与实验数据相关性分析

3.7 本章小结

4 丝杠高速冷滚打成形过程数值模拟分析

4.1 丝杠高速冷滚打成形有限元仿真模型建立

4.2 丝杠高速冷滚打成形过程仿真

4.3 丝杠高速冷滚打应力场分析

4.4 丝杠高速冷滚打应变场分析

4.5 丝杠高速冷滚打成形力分析

4.6 丝杠高速冷滚打速度场分析

4.7 丝杠高速冷滚打温度场分析

4.8 丝杠高速冷滚打节点位移分析

4.9 本章小结

5 工艺因素对丝杠高速冷滚打成形的影响研究

5.1 初始温度对冷滚打成形影响分析

5.2 滚打轮圆角半径对冷滚打成形的影响分析

5.3 摩擦系数对冷滚打成形的影响规律分析

5.4 滚打轴转速对冷滚打成形的影响规律分析

5.5 打入量对丝杠冷滚打成形过程的影响分析

5.6 工艺参数对变形力的影响

5.7 冷滚打成形工艺参数的优化研究

5.8 本章小结

6 丝杠高速冷滚打实验研究

6.1 丝杠冷滚打试验方案

6.2 试验结果与分析

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

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