鉆頭冷鐓參數(shù)建模及成形工藝優(yōu)化

周宏明 張 衡 張祥雷 彭姣嬌 張翔翔

溫州大學(xué)，溫州，325035

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鉆頭冷鐓參數(shù)建模及成形工藝優(yōu)化

周宏明 張 衡 張祥雷 彭姣嬌 張翔翔

溫州大學(xué)，溫州，325035

針對(duì)40Cr鉆頭冷鐓時(shí)廢品率高且需預(yù)先進(jìn)行熱處理的問題，提出一種優(yōu)化的冷鐓成形工藝方法，即通過優(yōu)化冷鐓參數(shù)來減少熱處理工序。通過分析冷鐓過程的影響參數(shù)，建立了冷鐓工藝參數(shù)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了最優(yōu)的冷鐓參數(shù)。分別運(yùn)用有限元模擬和試驗(yàn)的方法，對(duì)所得冷鐓參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：運(yùn)用該方法優(yōu)化冷鐓參數(shù)指導(dǎo)冷鐓加工，材料無需進(jìn)行熱處理即可加工出符合要求的冷鐓鉆頭。

鉆頭；冷鐓工藝；數(shù)值分析；有限元模擬

0 引言

冷鐓加工與傳統(tǒng)切削加工相比，具有兩個(gè)顯著優(yōu)勢：①冷鐓產(chǎn)品具有較好的力學(xué)性能；②冷鐓加工為少切削、無切削加工，材料利用率一般可達(dá)到90%以上[1]。冷鐓工藝可以成形結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件并能保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量和力學(xué)性能。

國內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)冷鐓機(jī)作了大量的研究。王保國等[2]對(duì)錨桿鉆頭坯體的溫?cái)D壓精密成形工藝進(jìn)行了研究，提出了鐓擠壓、上下模具型腔制作、徑向擠壓等新工藝，解決了非軸對(duì)稱毛壞徑向難充滿等關(guān)鍵問題。Moseley等[3]利用有限元軟件模擬碳化鎢鉆頭和成形工具的操作條件，獲得更高的預(yù)測精度。Ma等[4]提出一種可以一步成形出空心齒輪軸的壓力輔助冷鐓技術(shù)。Hwang等[5]研究了鎂合金成形過程的影響因素，并利用有限元軟件對(duì)鎂合金冷鐓成形工藝進(jìn)行了模擬。陳光明等[6]對(duì)冷鐓機(jī)曲軸滑臺(tái)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了ADAMS仿真分析。Tan等[7]把冷鐓成形技術(shù)和拉深成形技術(shù)相結(jié)合，從而得到制品的形狀。魏文婷等[8]研究了大變形量下高碳鋼環(huán)件冷軋變形行為，并利用有限元模擬方法對(duì)環(huán)件冷軋過程中的形變規(guī)律進(jìn)行了分析。Chen等[9]通過研究冷鐓過程中的工藝參數(shù)、模具形狀對(duì)零件成形的影響，制定了冷鐓判斷準(zhǔn)則，并用于鎂合金的冷鐓成形。黃俊等[10]使用有限元模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定了兩步成形工藝的參數(shù)，成形出葉盤零件。袁龍江等[11]研究了基于ABAQUS的冷鐓機(jī)各工位動(dòng)力學(xué)分析。張劍寒等[12]采用有限元模擬和正交試驗(yàn)的方法對(duì)冷鐓工藝和模具優(yōu)化進(jìn)行了分析和研究。趙旺初等[13]針對(duì)石油鉆桿端部加厚過程中易發(fā)生折疊和曲皺的問題進(jìn)行了研究，通過有限元軟件模擬優(yōu)化出最佳鍛件尺寸。上述研究對(duì)冷鐓機(jī)的發(fā)展具有重要的參考意義，但研究主要側(cè)重于冷鐓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和如何增加工位來生產(chǎn)更加復(fù)雜的零件，在分析影響因素、優(yōu)化冷鐓參數(shù)及提高效率方面的研究還存在很大的不足。

國內(nèi)冷鐓機(jī)在生產(chǎn)設(shè)計(jì)方面還不夠成熟，產(chǎn)品功能比較單一，加工硬度比較高的材料時(shí)還存在困難，往往需要借助熱處理等前處理方法才能完成后續(xù)加工。本文對(duì)某冷鐓鉆頭的加工工藝進(jìn)行了分析，建立了冷鐓參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，研究了各個(gè)冷鐓參數(shù)對(duì)冷鐓工藝的影響，最終通過優(yōu)化冷鐓參數(shù)省去熱處理這一工序，并得到符合要求的冷鐓鉆頭。

1 建立冷鐓參數(shù)數(shù)學(xué)模型

1.1 40Cr鉆頭冷鐓工藝分析

鉆頭是鉆床上必用的一種工具，也是制造業(yè)生產(chǎn)過程中不可或缺的加工工具。本文研究的鉆頭如圖1所示，材料為40Cr合金鋼，具有良好的低溫沖擊韌性和較低的缺口敏感性。

圖1 鉆頭尺寸結(jié)構(gòu)簡圖

40Cr鉆頭冷鐓成形工藝如圖2所示。首先，對(duì)材料頭部進(jìn)行預(yù)成形，通過上下模具調(diào)整，在材料兩端鐓制出45°倒角；從第二工位開始，通過計(jì)算和模擬，逐漸增加冷鐓力，改變上下模角度，減少冷鐓阻力。同時(shí)，改變冷鐓力和變形程度，經(jīng)過頭部預(yù)成形、頭部精鐓和縮頸等步驟，最后沖切成形得到鉆頭毛坯。

圖2 鉆頭冷鐓成形工藝流程

1.2 冷鐓參數(shù)分析與確定

冷鐓加工過程中的影響因素有很多，其中，冷鐓力、變形程度、模具夾角的影響最為顯著。冷鐓力的大小直接決定材料變形，對(duì)材料的塑性和變形抗力有很大影響。常用冷鐓力計(jì)算公式[14]為

(1)

式中，d為鐓鍛后工件頭部的最大直徑，mm；h為鐓鍛后工件頭部的最大高度，mm；A為工件頭部冷鐓終止時(shí)的投影面積，mm2；Z為變形系數(shù)；n為工具形狀因數(shù)；a為工件變形部分形狀因數(shù)；μ為摩擦因數(shù)。

Z、n、a、μ的值可按表1選擇。

冷鐓變形程度(坯料被鐓鍛部分長度在冷鐓終止后的壓縮量與原始高度的比值，或坯料截面在冷鐓終止后的截面積增加量與原始橫截面的比值)對(duì)材料的塑性和變形抗力有很大影響。變形程度可以用鐓鍛比S和鐓鍛率ε來表示[14]：

S=h0/d0

(2)

表1 冷鐓力計(jì)算系數(shù)

ε=(A0-A)/A0

(3)

式中，h0為被鐓鍛部分的原始高度；d0為被鐓鍛部分的原始直徑；A0為鐓鍛前頭部材料的原始橫截面積；A為工件頭部冷鐓終止時(shí)的投影面積。

鐓鍛比越小，變形量越小，變形越容易；上下模具對(duì)冷鐓過程中材料的塑性和變形抗力的影響也很大。多工位冷鐓中，上一工位冷鐓的半成品形狀，直接影響著下一工位的成形。模腔錐角是模具中的一個(gè)重要因素，根據(jù)體積經(jīng)驗(yàn)公式和圖3得出模腔錐角α的公式[14]：

(4)

式中，H1為模具錐形體高度；dm為模具錐形體小端直徑；DK為模具錐形體大端直徑。

圖3 初鐓沖模內(nèi)腔形狀

通過對(duì)影響材料塑性和變形抗力參數(shù)的分析，運(yùn)用冷鐓基本原則，結(jié)合冷鐓力基本公式，可以建立冷鐓參數(shù)最優(yōu)化模型：

g=f(F，ε，α)

(5)

1.3 建立冷鐓參數(shù)數(shù)學(xué)模型

由圖3和式(4)可以得出模腔錐角α、小端直徑dm及模具高度H1之間的關(guān)系。對(duì)于冷鐓加工的金屬材料，由體積不變定律可知加工前后的體積V1和V2相等。由冷鐓基本原則可知，錐形體模具的小端直徑dm等于或略小于原材料的最小尺寸，錐形體模具的大端直徑DK一般取1.2dm～1.3dm。忽略上下模間隙，錐形體模具高度H1可取工件頭部冷鐓后的高度h。結(jié)合冷鐓力近似理論推導(dǎo)公式可以建立冷鐓參數(shù)最優(yōu)化模型g：

(6)

對(duì)式(6)進(jìn)行推導(dǎo)分析，消除多余參數(shù)，得出F、ε、α之間的關(guān)系式，從而建立冷鐓參數(shù)數(shù)學(xué)模型：

(7)

2 鉆頭冷鐓工藝優(yōu)化

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，40Cr材料在冷鐓加工之前必須進(jìn)行熱處理，否則在冷鐓過程中容易產(chǎn)生冷作硬化，從而導(dǎo)致后續(xù)工序無法進(jìn)行等問題。但是，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[15]，材料經(jīng)過熱處理之后不但無法達(dá)到節(jié)約能源的目的，而且鉆頭的質(zhì)量也無法保證。本文通過對(duì)冷鐓參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合冷鐓力基本公式，通過調(diào)整模具角度參數(shù)、合理分配各工位冷鐓力和冷鐓變形程度，實(shí)現(xiàn)鉆頭的免熱處理加工。本文研究的工藝方法通過對(duì)冷鐓參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，減小摩擦因數(shù)和因模具約束而產(chǎn)生的阻力，使材料的冷作硬化問題得到改善，工位之間的冷鐓力逐漸增大。同時(shí)，通過參數(shù)調(diào)整，解決材料頂端平整和表面潤滑問題，保證產(chǎn)品精度。

2.1 參數(shù)數(shù)值分析

由圖1計(jì)算出冷鐓鉆頭成形坯料的體積V=1238.13 mm2，由式(6)得出所需棒料的理論長度h0=127.5 mm，根據(jù)體積不變定律得到所需冷鐓棒料理論直徑d0=25.55 mm。由式(4)可得鐓鍛比S=4.99。由鐓鍛次數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式[14]：

(8)

式中，S為鐓鍛比；f(S)為理論鐓鍛次數(shù)。

得出所需理論冷鐓次數(shù)為3。

通過以上計(jì)算可知，冷鐓該鉆頭需要分三工位進(jìn)行，由于第一工位需要預(yù)鐓倒角，使材料在第二工位初鐓變形中具有良好的對(duì)中性和穩(wěn)固性，所以實(shí)際工位數(shù)為4，如圖2所示。第一工位模具錐角通常取得特別小，基本起著整形的作用。所以，從第二工位開始對(duì)冷鐓參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。通過表1中的計(jì)算參數(shù)查出，初鐓時(shí)的參數(shù)為：Z=1.0，n=1.0，a=1.3，μ=0.1，F(xiàn)0=πd02/4≈512.45 mm2，通過對(duì)40Cr材料屬性查詢可知，材料抗拉強(qiáng)度σb=980 MPa。把各個(gè)參數(shù)代入式(7)，通過計(jì)算和冷鐓基本知識(shí)可以得出ε的范圍15.4%～24.3%，α的范圍為8°～16°，通過數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，得出最優(yōu)化冷鐓參數(shù)g2=(385.05 N，20.7%，14.5°)。同理，對(duì)第三、四工位進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。材料在第三、四工位由于冷鐓變形等原因，抗拉強(qiáng)度發(fā)生變化，σb需進(jìn)行重新計(jì)算，通過數(shù)值模擬計(jì)算，得出優(yōu)化后的參數(shù)：F3=500.58 N，ε3=24%，α3=21.3°；F4=577.59 N，ε4=12.8%，α4=20.6°。

表2所示為優(yōu)化前后的冷鐓參數(shù)。優(yōu)化前，冷鐓加工過程中會(huì)產(chǎn)生加工硬化，加工硬化給金屬件的進(jìn)一步加工帶來困難，導(dǎo)致愈鐓愈硬，以致鐓不動(dòng)，因而需要對(duì)材料預(yù)先熱處理以滿足冷鐓要求。優(yōu)化后的參數(shù)符合冷鐓參數(shù)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型得出的冷鐓力、變形程度及模具夾角可減少表面層的冷作硬化，從而滿足冷鐓要求。最后運(yùn)用有限元模擬和試驗(yàn)方法，對(duì)所得冷鐓參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 第二工位冷鐓參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

2.2 有限元模型建立

根據(jù)實(shí)際加工的鉆頭尺寸和冷鐓工藝，對(duì)冷鐓過程中的棒料、粗鐓模和精鐓模建立有限元模型[16](由于只是分析材料成形，故對(duì)模具外觀形狀進(jìn)行簡化，棒料是指在切料階段切好的部分)，模型如圖4所示。

中國物流業(yè)潮起潮涌，在資本的助推下強(qiáng)者更強(qiáng)，行業(yè)集中度在上升，企業(yè)規(guī)模在壯大，中國物流業(yè)將迎來并購整合的黃金時(shí)代。

圖4 有限元模型

模擬過程中，為減小計(jì)算量，假設(shè)模具為剛體，在冷鐓過程中不發(fā)生變形。該模型鉆頭材料屬性如表3、表4所示，分別為材料的彈性特性和塑性特性。

表3 40Cr材料彈性特性

表4 40Cr材料塑性特性

為了使各工位變形程度分配合理，按照上述工藝流程將冷鐓過程分為四工位(預(yù)鐓倒角、頭部預(yù)成形、頭部成形和縮頸、沖切成形)進(jìn)行。材料的冷鐓為漸進(jìn)式變形，采用剛塑性模型進(jìn)行有限元計(jì)算。根據(jù)上述建立的數(shù)學(xué)模型建立三維有限元模型，如圖4所示，將模型導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行冷鐓模擬，通過對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直到滿足冷鐓要求，產(chǎn)品無工藝缺陷為止。冷鐓模擬各工位結(jié)果如圖5所示。通過數(shù)值模擬得到冷鐓參數(shù)F2=388.25 N，ε2=20.2%，α2=13.9°;F3=498.88 N,ε3=23.8%，α3=21.2°;F4=580. 93 N,ε4=13.5%，α4=21°。通過比對(duì)可知，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合。

(a)第一工位預(yù)鐓倒角

(b)第二工位頭部預(yù)成形

(c)第三工位頭部成形和頸縮

(d)第四工位沖切成形

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

由以上研究結(jié)果可知，在棒材冷鐓過程中，冷鐓力、變形程度及模具角度起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)有限元模擬出的數(shù)據(jù)，參考數(shù)值模擬的結(jié)果，制造試驗(yàn)?zāi)＞哌M(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。鉆頭加工過程無需熱處理，并且產(chǎn)品廢品率由6%降至1.5%以下。從圖6可以看出，冷鐓鉆頭試驗(yàn)樣品無工藝缺陷，表面質(zhì)量良好，與冷鐓模擬結(jié)果吻合。

(a)試驗(yàn)樣品

(b)模擬對(duì)比

3 結(jié)論

(1)提出了鉆頭冷鐓成形方法，采用該工藝方法冷鐓40Cr材料可以免去熱處理工藝，并能保證冷鐓產(chǎn)品精度。

(2)分析了冷鐓過程中各參數(shù)的影響，以保證產(chǎn)品精度、節(jié)約能源為目標(biāo)，優(yōu)化了冷鐓加工工藝過程，最終得到了優(yōu)化的冷鐓參數(shù)數(shù)學(xué)模型。

(3)結(jié)合冷鐓參數(shù)數(shù)學(xué)模型，對(duì)鉆頭冷鐓成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬、有限元模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示三組數(shù)據(jù)相吻合。

(4)本文通過數(shù)值模擬、有限元分析和試驗(yàn)研究，得到了最優(yōu)化的冷鐓參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)40Cr材料的免熱處理加工，并且為同類材料的冷鐓提供了參考依據(jù)。

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(編輯 張 洋)

第七屆表面工程國際會(huì)議、第十一屆

全國表面工程大會(huì)暨第八屆全國青

年表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議于2016年

10月23日在成都開幕

此次會(huì)議由機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)主辦、西南交通大學(xué)和表面物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承辦。中國工程徐濱士院士、薛群基院士、周克崧院士、丹麥科學(xué)院院士Niels Hansen以及新西蘭皇家工程院院士Wei GAO等嘉賓同國內(nèi)外千余名代表出席了開幕式。西南交通大學(xué)材料學(xué)院院長朱旻昊教授主持開幕式。西南交通大學(xué)馮曉云副校長代表承辦單位致歡迎辭。

多位國內(nèi)外表面工程領(lǐng)域重量級(jí)專家為在場的代表作了具有世界領(lǐng)先水平的報(bào)告。代表們表示，今天的報(bào)告，代表了當(dāng)今世界表面工程領(lǐng)域的最高水平，受益匪淺。此次盛會(huì)加強(qiáng)了國際、國內(nèi)專家之間的交流與合作，增進(jìn)了各大高校、研究院和企業(yè)之間的溝通與協(xié)作。

(本刊編輯部)

Drill Bit Cold Heading Parametric Modeling and Forming Process Optimization

Zhou Hongming Zhang Heng Zhang Xianglei Peng Jiaojiao Zhang Xiangxiang

Wenzhou University, Wenzhou, Zhejiang, 325035

Aiming at problems of high rejection rate and pre-heat treatment in cold heading of 40Cr drill bit, a cold heading forming method was put forward. The method optimized parameters of cold heading and reduced the treatment processes. Through the analyses of the influence parameters of cold heading processes, a cold heading parameter mathematical model was established. Numerical analysis of mathematical model got the optimization of parameters of cold upsetting. Using finite element simulation and experimental method, cold upsetting parameters were verified herein. The results show that, in the cold heading process that was guided by optimized cold heading parameters, materials without heat treatment may be used to produce cold heading drill bit with requirements.

drill bit; cold heading process; numerical analysis; finite element simulation

2016-01-11

浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015C01SA350004)

TG386

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.21.021

周宏明，男，1969年生。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授。主要研究方向?yàn)楣I(yè)工程。發(fā)表論文30余篇。張 衡，男，1990年生。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。張祥雷(通信作者)，男，1987年生。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師。彭姣嬌，女，1993年生。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。張翔翔，男，1990年生。溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。