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內(nèi)螺紋冷擠壓絲錐失效的影響因素分析
發(fā)布時間：
2021-07-20 10:28
內(nèi)螺紋冷擠壓是一種利用擠壓絲錐加工內(nèi)螺紋的金屬塑性加工方法，具有材料利用率高、加工精度高、表面粗糙度低、機械強度高和抗疲勞性強等特點。徐九華等對300M高強度鋼內(nèi)螺紋擠壓強化開展了試驗研究，結(jié)果表明冷擠壓內(nèi)螺紋的疲勞性能與切削螺紋相比有顯著提高，同等條件下，冷擠壓螺紋的壽命是切削螺紋的4-30倍；趙慶榮等研究了工件底孔直徑、擠壓速度、冷卻潤滑液等工藝參數(shù)對35CrMo鋼內(nèi)螺紋冷擠壓成形的影響，為冷擠壓內(nèi)螺紋工藝參數(shù)的選擇提供參考；馬平等對300M高強度鋼內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程中工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明理論底孔直徑和絲錐的計算是實現(xiàn)冷擠壓加工的關(guān)鍵，擠壓速度和冷卻潤滑液的選擇是保證螺紋加工質(zhì)量的重要因素；繆宏等通過實驗研究了工件底孔直徑對Q460高強度鋼冷擠壓內(nèi)螺紋的影響規(guī)律以及冷擠壓成形金屬流動規(guī)律，找到了最佳的加工底孔直徑參數(shù)，從微觀角度分析了冷擠壓過程中金屬組織的變化規(guī)律。目前，內(nèi)螺紋冷擠壓研究主要集中在不同材料、尺寸、工藝參數(shù)等條件下的冷擠壓內(nèi)螺紋成形理論及實驗研究，對于絲錐失效的相關(guān)研究較少。
本文采用在線監(jiān)測的實驗方法，研究了擠壓扭矩和擠壓溫度對內(nèi)螺紋冷擠壓絲錐失效的影響，測試了不同加工狀況下擠壓絲錐振動和機床噪音的總能量比和低高頻能量比。
1、試驗方法
在C6250機床上進(jìn)行M22×1.5mm內(nèi)螺紋的冷擠壓加工試驗。絲錐采用六棱錐擠壓絲錐，材料M35，工件選用Q460，機床轉(zhuǎn)速25r/min，螺紋加工長度為20mm，工件底孔直徑Φ21.25mm，潤滑液選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
①扭矩和溫度測試方法
如圖1所示，在絲錐夾具軸上設(shè)置圓軸式扭矩傳感器，在絲錐夾具軸外圓表面均布4個應(yīng)變片，各應(yīng)變片與軸線成45°角，以消除拉伸和彎曲的影響，對冷擠壓過程中的扭矩進(jìn)行測試。在工件外表面鉆孔，將K型熱電偶插入孔內(nèi)，然后將工件固定在卡盤上，熱電偶兩級通過機床集電裝置與XMT-3000工業(yè)控制/調(diào)節(jié)器相連，可測得擠壓區(qū)域的平均溫度。
②振動和噪音測試方法
振動測試時，將TS15200壓電加速度傳感器設(shè)置在扭矩夾持裝置前部頂端，振動信號經(jīng)適調(diào)器、數(shù)據(jù)采集卡至計算機輸出振動加速度值。噪音測量時，將AWA5661型精密脈沖聲級計安裝在機床托板上，噪音信號通過數(shù)據(jù)采集卡和計算機輸出噪音聲級。
2、試驗結(jié)果
(1)內(nèi)螺紋冷擠壓絲錐失效形式
試驗結(jié)束后，通過顯微鏡對擠壓絲錐的磨損狀況進(jìn)行測量，獲得加工后所有棱齒工作區(qū)寬度總和，與試驗前進(jìn)行對比得到絲錐磨損量，判定絲錐磨損情況。根據(jù)絲錐磨損及破壞程度，將絲錐加工狀況分為五個階段：正常磨損、輕微磨損、嚴(yán)重磨損、工件打滑和絲錐斷裂。前兩個加工狀態(tài)表示絲錐磨損量小，不影響內(nèi)螺紋的加工質(zhì)量，為正常工作狀態(tài)；后三個階段表示絲錐磨損量很大，甚至已發(fā)生破壞，嚴(yán)重影響內(nèi)螺紋的加工，三個階段對應(yīng)的絲錐失效狀態(tài)見圖2。絲錐嚴(yán)重磨損階段主要表現(xiàn)為絲錐牙的磨損和破損；工件打滑階段主要表現(xiàn)為絲錐與工件相對卡盤出現(xiàn)打滑；絲錐斷裂階段主要表現(xiàn)為絲錐軸斷裂。
在加工過程中，冷擠壓內(nèi)螺紋的加工條件如潤滑劑、主軸轉(zhuǎn)速、工件底孔直徑、擠壓扭矩、擠壓溫度和擠壓次數(shù)等對絲錐的加工狀態(tài)和內(nèi)螺紋的加工質(zhì)量有很大影響。為減小擠壓絲錐的磨損，避免絲錐破損與斷裂，同時提高內(nèi)螺紋的加工質(zhì)量，選擇擠壓扭矩、擠壓溫度、絲錐振動和機床噪音等加工信號的測量值作為反應(yīng)絲錐正常加工和失效的重要特征參數(shù)。
(2)擠壓扭矩對絲錐失效的影響
由圖3可知，當(dāng)絲錐擠壓扭矩為210N·m時，絲錐正常工作。隨著擠壓扭矩的增加，絲錐與工件的接觸面積和接觸強度不斷增大，絲錐磨損增加；當(dāng)擠壓扭矩達(dá)到248N·m時，絲錐進(jìn)入輕微磨損階段，隨著擠壓扭矩的進(jìn)一步增加，絲錐磨損加劇；當(dāng)擠壓扭矩達(dá)到509N·m時，絲錐進(jìn)入嚴(yán)重磨損階段；當(dāng)擠壓扭矩達(dá)到703N·m時，絲錐與工件壓合，并帶動工件一起轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)工件在卡盤上打滑的現(xiàn)象；當(dāng)擠壓扭矩增至993N·m時，絲錐軸斷裂。
(3)擠壓溫度對絲錐失效的影響
由圖4可知，當(dāng)擠壓溫度為84℃時，絲錐正常工作。隨著擠壓扭矩的增加，絲錐與工件的接觸面積和接觸強度增大，絲錐表面摩擦加劇，接觸表面產(chǎn)生的熱量增多，擠壓溫度升高，當(dāng)擠壓溫度為94℃時，絲錐進(jìn)入輕微磨損階段；隨著擠壓溫度的進(jìn)一步升高，當(dāng)擠壓溫度為105℃時，絲錐進(jìn)入嚴(yán)重磨損階段；當(dāng)擠壓溫度達(dá)到131℃時，絲錐帶動工件一起轉(zhuǎn)動，工件在卡盤上打滑；當(dāng)擠壓溫度增至145℃時，絲錐軸斷裂。
(4)擠壓絲錐振動信號特征
由圖5可知，絲錐在五個階段的振動總能量比依次為100%、112%、123%、117%、129%。絲錐振動總能量比總體趨勢增大，工件打滑時振動能量比減小。當(dāng)絲錐振動總能量比在112%以下時，絲錐能正常工作。當(dāng)絲錐振動總能量比在117%及以上時，絲錐不能正常工作，應(yīng)停止加工。其中，總能量比為各加工狀況與正常磨損總能量的比值。
由圖6可知，絲錐在五個階段的振動能量比依次為21.6%、22%、27.4%、25.5%、25.5%。絲錐振動能量比呈先增大后減小的趨勢，前兩個階段能量比基本一致。絲錐嚴(yán)重磨損階段的振動能量比最大，加工最不穩(wěn)定；后兩個階段能量較大，加工無法進(jìn)行，其中能量比為信號低高頻能量比。
(5)機床噪音信號特征
由圖7可知，當(dāng)機床噪音總能量比在100%以下時，絲錐能正常工作。當(dāng)機床噪音總能量比在828%及以上時，絲錐不能正常工作，應(yīng)停止加工。工件打滑時，機床噪音總能量達(dá)到最大值。其中，總能量比為各加工狀況與正常磨損總能量的比值。
由圖8可知，當(dāng)機床噪音能量比在7.6%以上時，絲錐正常工作。當(dāng)機床噪音能量比在3%以下時，絲錐不能正常工作，應(yīng)停止加工。工件打滑時，機床噪音總能量達(dá)到最低值。其中，能量比為信號低高頻能量比。
小結(jié)
(1)內(nèi)螺紋冷擠壓絲錐的失效形式主要有絲錐牙嚴(yán)重磨損和絲錐軸斷裂兩種。絲錐加工狀態(tài)分為五個階段：正常磨損、輕微磨損、嚴(yán)重磨損、工件打滑和絲錐斷裂。
(2)擠壓扭矩和擠壓溫度是影響內(nèi)螺紋冷擠壓加工的重要因素，采用正確的擠壓扭矩(210-248N·m)和擠壓溫度(84℃-94℃)能夠有效減小絲錐磨損，避免絲錐破損和斷裂，同時保證螺紋加工質(zhì)量。
(3)擠壓絲錐振動信號和機床噪音信號是檢測內(nèi)螺紋冷擠壓加工的重要依據(jù)，當(dāng)擠壓絲錐振動總能量比為100%-112%、擠壓絲錐振動能量比為21.6%-22%、機床噪音總能量比為85%-100%、機床噪音能量比為7.6%-14.3%時，絲錐能夠正常工作，內(nèi)螺紋加工穩(wěn)定可靠。
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