外螺纹滚压成形的多个滚丝轮的相位调整角的研究

53卷

第4期 锻

I装备与制造按术

2018年

8月

Vol. 53 No. 4 CHINA METALFORMING EQUIPMENT & MANUFACTURING TECHNOLOGY Aug. 2018

外螺纹滚压成形的多个滚丝轮的相位调整角的研究

范淑琴，王琪，赵升吨，朱倩

J西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049)

摘要：外螺纹滚压成形技术是一种先进无屑成形加工工艺，与车削加工相比具有生产效率高、成形零件机械性能好、节能节材等 优点，广泛应用于汽车、航空航天、机床等工艺领域。随着螺纹和花键同步滚压成形、精密非标螺纹滚压成形等新工艺的发展，目 前工业生产中常采用的滚丝轮牙位调整方法已不能满足发展需求。本文基于螺纹滚压成形过程中模具和工件螺纹啮合点的运动 特征，推导出不同参数(成形工件头数nw、滚丝轮头数nd、滚丝轮个数N)下滚丝轮相位调整角的计算公式，提出了滚丝轮相位的 调整方法:滚丝轮调整方向和布置顺序都与滚压成形过程中滚丝轮的旋转方向一致。针对不同工况设计了 6组模具，通过绘制旋 转剖视图观察到相位调整后的滚丝轮螺纹错开的距离与要求一致，使用FORGE软件进行仿真模拟得到了衔接良好的连续螺 纹，因此验证了相位调整角数学计算公式和滚丝轮相位调整方法的正确性。为螺纹花键同步滚压成形和精密非标螺纹滚压成形 等新工艺的研究提供了理论依据。

关键词_螺纹滚丝轮;相位差；螺纹滚压成形;模具结构 中图分类号:TP335

文献标识码:A

文章编号 _ 1672-0121(2018)04-0073-06

D01：10.16316/j.issn.1672-0121.2018.04.021

螺纹滚压成形技术是一种先进无屑加工工艺， 与车削加工相比具有高效、节能节材、成形质量稳

收稿日期% 2018-01-16;修订日期％ 2018-02-19

基金项目：国家自然科学基金重点项目资助(51335009);国家重点研发

计划“智能农机装备”重点专项资助项目（2017YFD0700200); 江苏省科技成果转化专项资金项目（BA2015106)

通讯作者：范淑琴（1977-)，女，博士，讲师，从事塑性成形工艺与设备

研究。E-mail: sunnyfan@xjtu.edu.cn

定等优点，通常有板式冷搓和轮式滚压两种加工方 法[1，2]。轮式滚压按进给方式分为径向滚压、切向滚压 和轴向滚压，按滚丝轮个数分为两滚丝轮和三滚丝 轮滚压[3,4%，采用多滚丝轮同时加工可以提高加工质 量和效率，为了保证不同滚丝轮滚压成的螺纹能够 良好衔接，螺纹加工前需对模具进行牙位调整，使相 邻两个滚丝轮与坯料接触一侧的螺纹在模具轴线与

Design of multi-functional composite cavity for metal 3D printing post-processing

JU Zhichao1，3, XIAO Zhiling2, ZHOU Xiangkui2，YU Haitao3

(1.Anhui University of Science and Technology, Huainan 232000，Anhui China;2.Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,Henan China;3.The First Light Industry School of Anhui Province，Bengbu 233010，Anhui China)

Abstract： The metal 3D printing is the most promising processing method in additive manufacturing tech­

nology， but formed products have problems such as high porosity and low strength & hardness. In order to improve the overall performance of the workpiece through the post -treatment process， a multi -functional composite cavity integrating functions of \"heating，pressing，surface blasting\" has been designed. The forcing analysis has been conducted to the inner cylinder at 20\" and 400\" two conditions. The empirical formula calculation and finite element analysis show that the equivalent stress is 58.09 MPa under both conditions， which is less than the allowable stress of the cylinder body material at the corresponding temperature. The equivalent strain of the cylinder body increases with the increase of temperature，and the critical temperature of working order adjustment for the multi-functional composite cavity is 400\".ite cavity; Allowable stress

-73 -

Key words： Metal 3D printing; Additive manufacturing technology; Post-treatment; Multi-functional compos­

第53卷

锻压装备与制造技术

距和头数的螺纹需要不同厚度的垫片，且加工过程 中由于滚丝轮受到轴向 ，

向位置的大滚丝，轴向 1.2模具旋转法

模具 轮滚压工 于大部分滚丝 以时的滚丝轮只 能滚压衔接良好的

同步等 工的理 。滚压成模具相位

(a)

(b)

坯料轴线决定的平面内沿轴向方向互相错开一定距

1〇使垫片产生一定的法的用

。

目前工业生产中常采用的模具牙位调整方法 有:垫片法、标准样件法和试滚压法，其原理是改变 滚丝轮的轴向相对位置或使滚丝轮间产生一定的相 位差，但这些方法存在精确度不高、浪费样件和试 件、操作复杂和依赖于经验等缺点。张大伟等[5]分别 分 模具

模具和三模具滚压

工件

前模具相位差的要除以模具个的余数等于

工精度。对于一些不改变滚丝轮轴

法是通过旋转滚丝轮使多模具间产生

牙位调整的方法。使用个滚丝 时，模具的

模具时

*

来 2

滚压成形情况。

全相同，由

模具面平，

牙位调整，才模具相位正

一定的相位差

除以模具个的余时，滚压前滚丝

滚压

滚 丝

滚

轮相位相同，否滚丝轮存在一定的相位差。

随轴向 滚压 的 分 有 调整方法。

确和不正确时的

用，原有的滚丝轮调整方法不目前 于滚丝轮相位调整 有相位调整 的 理分

不同

形前滚丝轮相位调整的

图！不同模具相位时的 滚压 果

(a )模具相位正确（b )模具相位不正确

1现有滚丝轮牙位调整方法及其优缺点

1.1 轴向偏移法

轴向

法是

改变滚丝轮 面的

牙位调整的方法

位置 1

使其产生轴向相对位 呈中心对 距离 垫片使相

置

模具 法调整相位又分 种：标准样件法

和试滚压法[6$8]。

(1 )标准样件法是借助标准螺纹样件调整滚丝 轮相位位置的方法。即调整滚丝轮间距使模具轻轻 的夹住标准样件，然后旋转滚丝轮直到滚丝轮的牙 型轮廓完全与标准件的牙型轮廓啮合。调整过程中， 也可以在滚丝轮下面放入一个灯泡，通过模具与样 件接触的缝隙是否均匀来判断模具的相位调整是否 正确。

(2)试滚压法是先在坯料上滚压出浅浅的压痕， 然后根据压痕的衔接情况，动滚丝轮调整模具相 位直到得到衔接良好的连续

线为止。

试滚压法较之标准样件法模具相位调整更准 确，且适用于不同规格的

，包括非标螺纹，但这

造成大量试滚

。调整前个或个滚丝轮以坯料轴线中心

面互相平齐，不同滚丝轮的齿

顶在模具轴线与坯料轴线决定的平面内互相错开的

调整时在滚丝轮一面放置度！的

个滚丝轮轴向

距离为，。轴向偏

不高，

，对工人的

移法调整滚丝轮操作 但垫片的度

和距有，工不同螺

种方法对工人的技术要求较高，

压件的浪费，两滚丝轮的相位调整试滚压次数通常 为几次几十次，三滚丝轮的相位调整则更复杂。 标准样件法只一个

图1

现有滚丝轮牙位调整方法

法

（）)模具

法

样件即可，但其准确稍

差，尤其对直径、螺距小的件不易判断相位调整的 准确，更重要的是不适用于非标螺纹件。

U)轴向

-74-

范淑琴，等：外螺纹滚压成形的多个滚丝轮的相位调整角的研究第4期

2滚丝轮相位调整角的理论公式

目前常用的两种螺纹滚压加工方法中，三滚丝

轮的相位调整比两滚丝轮的相位调整更复杂，因此 本文以三滚丝轮为例，进行螺纹滚压前滚丝轮相位 调整的理论分析，推导相位差的数学计算公式，滚丝 轮的初始位置用蓝色实线表示、中心对称位置用绿 色虚线表示、最终位置用红色虚线表示，如图3所示。

滚丝轮1

这里将滚丝轮1的位置作为三个滚丝轮的初始 位置，滚丝轮2和3由滚丝轮1平移复制得到，此时 三个滚丝轮的相位相同。整个相位调整过程分两步 进行，滚丝轮2和滚丝轮3相对于滚丝轮1的相位 差分别是两次 转到以工 和

和。

大径d/mm

20

表1

零件螺纹参数

螺 t/mm

2.5

60

步：将滚丝轮1和滚丝轮2由初始位置旋

线为中心旋转对称置的位置。此时

线的平

b

两个滚丝轮线工

中径d2/mm18.376

式中：P#—

—&—

工件螺纹导程;工件螺纹头数；工件和滚丝轮螺纹螺距。

c)工接触一侧的滚丝轮螺纹相互错开的滚丝轮2的相位调整角为：

距离为0,如图4所示，过程中，

设滚压前滚丝轮2与滚丝轮1轴线与工件轴线 决定的平面内，两滚丝轮上与工件接触一侧的螺纹

滚丝轮3的相位调整角为：!3=2!2=4\"

(2)

牙顶沿轴线方向应相互错开距离'，根据螺纹滚压成 形运动特征，i即工件由滚丝轮1旋转到滚丝轮2时 工件上螺纹牙顶啮合点的轴向位移为：

i寻

⑷

第二步：将滚丝轮由中心对称位置调整到螺纹 牙顶相互错开

数、 和滚丝轮 3 移为

\"#=$%&

⑶

离的最终位置，这 数、螺

时工

。螺纹

的

位离与工

式(1 )、(2)、(4)中，3是螺纹滚丝轮个数。

滚丝轮2旋转2\"时螺纹啮合点的轴向位移为： i ! =$*&

的位移，滚丝轮2应旋转的角度为：

-75-

螺纹滚压过程中当工由滚丝轮1经滚丝轮2

(5)

要想使滚丝轮2上的螺纹啮合点沿轴向发生i

第53卷

!2=2\"!

锻压装备与制造技术

(6)

具螺纹头数成正比，模具尺寸越大加工时模具应力 越，模具的使用 越长，因 的

内模具螺纹头数越越好39，114。由于多头螺纹具有一 的

( + )

，滚丝轮旋转个角度前

是

式中% \"$是滚丝轮的螺纹头数。

将式(4)、(5)代入式(6)，得到：

3

一的，是模具错开一个螺距应的旋转角％

(13)

因此，可根据多头螺纹滚丝轮的这一特征对式(12)进行 结

，由式（12),得结

式（13),得

结

的结果即为滚丝轮相位调整角的

同理滚丝轮3第二次调整应旋转的角度为％

〇3=262=3 \"$

(8)

故滚丝轮2滚压前的相位调整角为：#2=$2+!2=^\"+^\"- • 1=^\"- • \"w+\"d

3 3 \"$ 3 \"$滚丝轮3滚压前的相位调整角为：#3\"$3+!3=2($2+!2)=2* ^\" • \"+\"^

3 \"$

调整第二个滚丝轮的相位，调整角为：

2\"丨 2\" •\")=\"■•\")+\"$

2 2 \"$ \"$综上，当滚丝轮个数为&时，滚丝轮'的相位调整角为：

一1). j\"-. \"w+\"$

(12)(ii)(1〇)(9)

。

3理论公式和调整方法的验证

根据第二节的分析，本节对两模具和三模具螺

同理，采用两滚丝轮进行螺纹滚压加工时，只需

纹滚压 计了 3模具，件螺纹数

2。 过二 第二节的理

1， 应 和进行验

模具参数、相位调整角和相位调整滚丝轮 沿向错开的距离）

模拟两种方

证。

根据具体参数建立模具几何模型，并按表2中 相位调整角的计算结果进行了相位调整，

以过 的旋转的距离

滚丝轮

，

)相6

，

和 5

件 ，

的

为

调整过程中，滚丝轮布置顺序与螺纹滚压加工 时模具的旋转方向一致，为了保证模具螺纹错开的 距离是沿着工件的螺纹旋向，滚丝轮的调整方向也 应和螺纹滚压加工时模具的旋转方向一致。

由相位调整角的数学计算公式可以看出，滚丝 轮的相位差只与模具个数、工件螺纹头数和模具螺 纹头数有关，与螺纹的升角和螺距无关。因学计算公式

进螺纹滚压工，也用 螺纹

的

，数

用 向进 螺纹滚压工 和 向

螺纹加工和具有

相位调整相滚丝轮的证相位调整角是正的。结可以看出，相两

螺纹沿向错开的距离％是与 2中

％和）相

中的

旋转

模具的螺纹 沿向方向错开的距离与 2中的

距离相，因此证了相位调整角计算公式的正确 。

为了验证第二节提出的相位调整方法能够正确 成形出 2中3

6

的螺纹，应用有 。

次有

件Forge为的目的是得到

滚丝轮的螺纹成过程进行数值模拟，结

件加工时的模具相位调整。

螺纹滚压加工时滚丝轮常使用多头螺纹结构。 采用向进给式螺纹滚压工加工时模具尺寸与模

表2

两模具滚压

序号127

122

556

#2(*\")争/07\" 8\"

了孓

0)1

序号456

122

螺纹滚压成形前滚丝轮的相位调整要求

三模具滚压#2(*\")556

#3(*\")-8\" /028\" / 4\"

15 可16\" /\"9 9

)1

)2

争

/〇

14\" / 2\"

15 可8\" /2\"

|

/〇29

-76 -

范淑琴，等：外螺纹滚压成形的多个滚丝轮的相位调整角的研究第4期

(e)

图5

W

⑴

⑴零件6

两滚丝轮和三滚丝轮螺纹滚压模型旋转剖视图及测量结果 ⑴零件2 ()零件3

⑷零件4 ()零件5

零件1

和不同滚丝轮个数的情况下，前述相位调整方法都 具有可行性。

4结论

(1)基于螺纹滚压成形过程中滚丝轮和工件螺

纹 调整

图6

三模具螺纹滚压有限元模拟结果 ()零件4 (b)零件5 (c)零件6

的 螺纹滚压前滚丝轮的相位由相位差为零的初始位置旋

位置 的

位置

由中心

转到以工件线为中心的中

位置旋转到 滚丝轮相位调整的数

良好的螺纹，不需要得到完整的螺纹牙型，故只需在 工件表面滚压出较浅的压痕即可。有限元仿真结果 显示经相位调整后的三组模具均可以正确成形出衔 接良好的连续螺纹，图6\"中零件5成形后的螺纹头 数是1头，图6b图中零件5成形后的螺纹头数是2 头，图6c图中零件6成形后的螺纹是3头，三个零 件的螺纹头数都与表2中的成形要求相符。因此，可 以说明在不同零件螺纹头数、不同滚丝轮螺纹头数

(2) 根据螺纹旋向提出了滚丝轮相位调整方法：模具调整方向和置 转方 相同

(3)

由相位调整角的理论计算公式可以看出，滚

丝轮的相位调整只与工件头数、滚丝轮头数及模具

都与滚压加工时模具的旋

-77 -

第53卷 锻压装备与制造技术

thread and spline synchronous rolling process， Int. J.Adv. Manuf. Technol. 81 (2015) 513-528.

个数有关，不受螺纹螺距和牙型角等的影响。

(4)本文理论推导的模具相位调整角计算公式 和模具调整方法为螺纹花键同步滚压成形、精密非 标螺纹滚压成形等工艺的研究和模具的结构设计提 供了理论依据。

参考文献：

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[5] D.W. Zhang， S.D. Zhao, S.B.Wu， Q. Zhang， S.Q. Fan，

J.X. Li， Phase characteristic between dies before rolling for

Study on the phase adjustment angle of multiple thread rollers

with external thread roll forming process

FAN Shuqin, WANG Qi, ZHAO Shengdun, ZHU Qian

Abstract： The external thread rolling technology is an advanced chipless forming process. Compared with

turning process, it has the advantages of high production efficiency, good mechanical properties of formed parts, energy saving and materials, etc. It is widely used in automobiles, aerospace, machine tools, etc. With the development of new processes such as thread & spline synchronous roll forming process and precision non-standard thread roll forming process, the adjustment method of the thread roller tooth position which is often used in industrial production has been unable to meet the development needs. In the text, on the ba­sis of motion characteristics of the meshing point of the die and the workpiece thread during the thread roll forming process, the calculation method of phase adjustment angle of the thread roller under different pa­rameters (head number of formed workpieces nw, head number of thread roller nd, number of thread roller N) has been derived. The adjusting method of the thread roller phase position has been put forward. The adjustment direction and the arrangement order of the thread roller are consistent with the rotation direction of the thread roller during the roll forming process. Six sets of dies have been designed for different work­ing conditions. The distance between the phase-adjusted thread rollers has been observed to be consistent with the requirements by drawing the rotating sectional view. The FORGE software has been used to simu­late and the continuous thread with good cohesion has been obtained. Thus in this way, the correctness of mathematical calculation formula of the phase position angle and the adjusting method of phase position of thread roller has been verified. It provides a theoretical basis for the research of new processes such as thread & spline synchronous roll forming process and precision non-standard thread roll forming process.

(School of Mechanical Engineering, Xi@an Jiaotong University, Xi@an 710049, Shaanxi China)

Key words： Thread roller; Phase position difference; Thread roll forming; Die structure

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