加工參數對高速冷滾打中擊打力的影響

王曉強，王　宇，崔鳳奎，李春梅,2，韓坤鵬

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安710048)

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加工參數對高速冷滾打中擊打力的影響

王曉強1，王宇1，崔鳳奎1，李春梅1,2，韓坤鵬1

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安710048)

摘要：為了解決冷滾打加工參數的選擇問題，以漸開線花鍵冷滾打過程為研究對象，進行冷滾打加工過程的有限元模擬和擊打力測量試驗，得到了擊打力和沖擊隨加工參數的變化規(guī)律。研究結果表明：擊打力隨著進給量的增大而增大，隨著滾打輪轉速的提高先增大后減小。擊打力受工件進給量的影響大，受滾打輪轉速的影響小。降低工件的進給量和提高滾打輪的轉速，可以有效減小加工過程中的沖擊。

關鍵詞：冷滾打；漸開線花鍵；加工參數；有限元法；擊打力

0引言

高速冷滾打成形是一種綠色、近凈成形的先進制造技術[1-3]。在冷滾打加工過程中，滾打輪每次擊打工件的時間極短，且工件變形區(qū)域發(fā)生了劇烈的彈塑性變形，造成擊打力極大。而擊打力對工件成形質量有重大影響，過高的擊打力會導致滾打輪壽命降低，引起工件裂紋等缺陷?；ㄦI冷滾打是連續(xù)的擊打過程，滾打輪和工件之間的高頻有序碰撞對整個加工系統(tǒng)形成沖擊，其沖擊的頻率和滾打輪轉速相關，單次沖擊的大小和加工參數密切相關。因此，根據實際加工情況選擇合理的加工參數有重要意義，研究加工參數對冷滾打中擊打力的影響具有重要的工程應用價值。

在冷滾打變形力研究方面，文獻[4-6]根據漸開線花鍵冷滾打的加工工藝，建立了有限元分析模型，分析了擊打中不同時刻的等效應變分布狀況，得到了工件溫度場和應力場的分布規(guī)律，得出在工件的劇烈變形和金屬流動較大的區(qū)域工件溫度較高的結論，為研究冷滾打擊打力奠定了基礎。文獻[7]研究了高速冷滾打過程中工件材料為40Cr鋼的動態(tài)力學性能，利用分離式Hopkinson壓桿試驗裝置對40Cr鋼進行了動態(tài)壓縮試驗，建立了40Cr鋼的J-C本構方程。文獻[8]完成了有限元模型的建立，分析了變形力隨時間變化的規(guī)律。文獻[9]通過試驗和數值模擬相結合的方法，研究了絲杠冷滾打成形過程中金屬的流動規(guī)律。文獻[10]建立了絲杠冷滾打動力學模型，分析了絲杠在冷滾打中的受力情況。文獻[11]將宏觀應力變化和位錯密度變化機理相結合，驗證了高速冷滾打過程中的加工硬化效應。

目前，冷滾打的動力學分析以冷滾打絲杠居多，對加工參數影響擊打力的研究較少。本文采用ABAQUS有限元軟件模擬冷滾打多次擊打過程，對不同加工參數下的擊打力進行了測量，得到了不同加工參數下?lián)舸蛄Φ淖兓?guī)律，分析了進給量和滾打輪轉速對擊打力和沖擊的影響。

1高速冷滾打有限元模型

1.1有限元幾何模型

漸開線花鍵參數：模數m為2.5 mm，齒數z為14，壓力角為30°，齒頂高因數ha*=0.5，齒根高因數hf*=0.75。由于高速冷滾打成形是兩個滾打輪同步反向回轉對工件擊打成形，為面對稱問題，因此，進行有限元分析時只需考慮加工系統(tǒng)的一半。高速冷滾打有限元幾何模型如圖1所示，工件半圓半徑為17.5 mm，長度為20.0 mm；滾打輪寬度為8.0 mm，半徑為19.0 mm，圓角半徑為0.5 mm；滾打輪和工件接觸面為漸開線的回轉面，滾打輪公轉半徑為36.0 mm。

圖1　高速冷滾打有限元幾何模型

1.2網格劃分

工件和滾打輪局部接觸部分的單元網格劃分線段長度為0.12 mm，其他部分單元網格的等分線段長度設置為2.00 mm，網格類型設置為熱力耦合六面體單元C3D8RT。滾打輪硬度很大，故在有限元模型中將其視為剛體，不發(fā)生變形。

1.3材料模型

通過在Hopkinson試驗平臺上對20鋼進行動態(tài)壓縮試驗，獲得工件材料在不同溫度和應變率下的應力應變數據，J-C本構方程[7]如式(1)所示。工件材料20鋼的J-C方程參數如表1所示。

(1)

表1　工件材料20鋼的J-C方程參數

工件材料的密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為213 GPa，泊松比為0.282，比熱容為470 J/(kg·K)，熱導率為44 W/(m·K)。

1.4邊界條件

為滾打輪滾打施加繞Z軸的旋轉運動，旋轉速度為滾打輪轉速。在工件的全部節(jié)點上加載沿X軸正方向運動的進給量，在工件的底面施加面對稱約束。滾打輪與工件的接觸類型為面面接觸，剪切摩擦因數為0.2。定義工件材料的初始溫度為20 ℃。

仿真設置了冷滾打滾輪的4個進給量和5個轉速的組合，共進行了20組仿真。進給量分別為：0.16 mm/r、0.22 mm/r、0.27 mm/r和0.33 mm/r。轉速分別為：1 428 r/min、1 581 r/min、1 806 r/min、2 032 r/min和2 258 r/min。

2仿真結果與分析

2.1擊打力的分解

進給量為0.16 mm/r，滾打輪轉速為1 428 r/min時的總擊打力及其分力曲線如圖2所示。圖2中，X軸為沿工件切向的分力，Y軸為沿工件徑向的分力。在冷滾打加工過程中，沿工件徑向的分力最大，為沿切向分力的2.4倍。切向分力的最大值為3 293 N，徑向分力的最大值為8 032 N，總擊打力的最大值為8 671 N。在滾打輪與工件的接觸過程中，擊打力的變化趨勢為先增大后減小。

圖2　冷滾打總擊打力和分力曲線

2.2加工參數對擊打力的影響

加工參數對擊打力的影響如圖3所示。從圖3中可以看出：擊打力隨著工件進給量的增大而增大；隨著滾打輪轉速的增加，先增大后減小。這是由于進給量越大，滾打輪每次擊打工件，發(fā)生變形的工件材料越多，變形阻力越大，對滾打輪的反作用力就越大。隨著轉速的增加，擊打力的峰值隨著轉速的提高先增大后減小，在1 806 r/min轉速下?lián)舸蛄_到最大。當轉速低于1 806 r/min時，擊打力逐漸升高；當轉速高于1 806 r/min時，擊打力逐漸降低。

圖3　加工參數對擊打力的影響

在高速冷滾打成形過程中，滾打輪在極短的時間內擊打工件，使工件的局部區(qū)域發(fā)生劇烈的彈塑性變形并產生大量的熱。在高速擊打過程中，擊打力受加工硬化效應、應變率效應和溫度軟化效應的影響。其中，加工硬化效應和應變率效應增加了擊打力的值，溫度軟化效應降低了擊打力的值。

從圖3中還可以看出：擊打力受進給量的影響大，受轉速的影響小。這是由于不同的加工參數對加工硬化效應、應變率效應和溫度軟化效應的影響程度不同，進而對擊打力的數值影響不同。加工的進給量增大會增加變形區(qū)域的應變，增強應變強化效應；進給量增大也會增加每次擊打變形金屬的體積，提高溫度，增強溫度軟化效應。提高加工轉速會增強應變率效應，導致?lián)舸蛄υ黾?；提高轉速也會縮短兩次擊打之間的散熱時間，增強溫度軟化效應。在低轉速下，應變率效應強于溫度軟化效應，導致?lián)舸蛄υ黾?；在高轉速下，應變率效應弱于溫度軟化效應，導致?lián)舸蛄p小。

2.3加工參數對沖擊的影響

在冷滾打擊打的過程中，選擇合理的加工參數對降低加工過程的沖擊、提升加工質量和增加滾打輪壽命均有重要作用。加工過程中的沖擊不僅和擊打力有關，也和工件與滾打輪的接觸時間有關。擊打力和接觸時間越大，加工過程中的沖量越大。高速冷滾打的擊打時間只和滾打輪轉速相關，1 428 r/min、1 581 r/min、1 806 r/min、2 032 r/min和2 258 r/min轉速下的擊打時間分別為2.45 ms、2.27 ms、2.05 ms、1.75 ms和1.60 ms。

圖4　加工參數對擊打沖量的影響

不同加工參數下工件受到的擊打沖量如圖4所示。由圖4可知：單次擊打的沖量隨著進給量的減小和滾打輪轉速的降低而減小。在相同的轉速下，滾打輪與工件的接觸時間相同，進給量越大，擊打力越大，相應的沖量就越大。在相同的進給量下，轉速越高，滾打輪與工件的接觸時間越短，相應的沖量越小。由此可得，降低工件的進給量和增加滾打輪的轉速可以有效地減小滾打輪對工件的沖擊。

3試驗驗證

為了驗證有限元模型的可靠性，本文以20鋼為試驗材料，基于不同的滾打輪轉速和進給量進行試驗，將有限元仿真結果和試驗結果進行比較。冷滾打成型試驗在改造的機床上完成，擊打力的測量系統(tǒng)主要由專用應變測力儀和NEC數據采集儀RA1200組成。在擊打試驗中得到穩(wěn)定階段的擊打力數據。

在冷滾打試驗中，測量系統(tǒng)的采樣頻率為5 kHz，加工系統(tǒng)的進給量設置和滾打輪轉速設置與有限元仿真中設置一致。試驗分為兩組進行：第一組選擇滾打輪轉速1 428 r/min，分別對應工件4個不同的進給量，用來驗證工件進給量對擊打力的影響；第二組選擇工件進給量0.16 mm/r，分別對應5個不同滾打輪轉速，用來驗證滾打輪轉速對擊打力的影響。在試驗中，獲得了冷滾打過程中儀器采集的電信號，將電信號轉換為擊打力曲線，提取穩(wěn)定擊打階段中每次徑向擊打的擊打力峰值，計算平均值，作為每次擊打過程中徑向擊打力的最大值。提取與兩組試驗相同加工參數下的有限元仿真結果，并將有限元仿真的徑向擊打力最大值和試驗獲得的徑向擊打力最大值相比較，對比結果如圖5所示。

由圖5可知:仿真和試驗的徑向擊打力誤差保持在7%以內，證明了有限元模型的準確性。誤差產生的原因，主要來自于J-C方程參數的準確性和有限元仿真邊界條件與實際加工過程的差別。

圖5　擊打力仿真與試驗對比

4結論

(1)在滾打花鍵軸加工過程中，花鍵軸所受的徑向擊打力大于切向擊打力。

(2)擊打力隨著工件進給量的增大而增大，隨著滾打輪轉速的提高先增大后減小，且擊打力受工件進給量的影響大，受轉速的影響小。

(3)滾打輪轉速越快，滾打輪擊打工件的時間間隔越小，擊打時間越短。滾打輪的轉速越高，工件的進給量越小，工件受到滾打輪的擊打沖量越小。

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基金項目：國家自然科學基金項目(51475146,51475366)

作者簡介：王曉強(1972-)，男，山東萊州人，教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為先進制造技術.

收稿日期：2016-03-13

文章編號：1672-6871(2016)05-0016-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.05.004

中圖分類號：TH16

文獻標志碼：A