工件底孔直径对Q460高强度钢冷挤压内螺纹的影响.pdf

第4 4 卷第2 期 2 0 1 2 年4 月 南京航空航天大学学报 J o u r n a lo fN a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s & A s t r o n a u t i c s V 0 1 4 4N o 2 A p r 2 0 1 2 工件底孔直径对Q 4 6 0 高强度钢冷挤压内螺纹的影响 缪 宏1 2左敦稳2张瑞宏1王珉2汪洪峰2 ( 1 扬州大学机械工程学院，扬州，2 2 5 0 0 0 ；2 南京航空航天大学机电学院，南京，2 1 0 0 1 5 ) 摘要：试验研究了工件底孔直径对Q 4 6 0 高强度钢冷挤压内螺纹的影响，包括分析工件不同底孔直径下内螺纹牙 形、表面残余应力、硬度及端面表面形貌的变化。结果表明，冷挤压加工后内螺纹端面堆积体呈两边高，中间低的 凹陷形，随着工件底孔直径的减小，端面堆积的高度不断增加，堆积程度也就变得愈加严重，螺纹牙顶、牙侧与牙 捂处表层硬度与表面残余压应力均升高工件底孔直径的选择，在正确保证螺纹质量和丝锥寿命的前提下应尽 可能取最犬值。但是一般情况下没有必要过分要求最高的牙高率，否I q 将给内螺纹挤压成形带来许多困难。 Q 4 6 0 高强度钢冷挤压内螺纹的工件底孔直径最佳取值范围为J 2 f 2 1 2 0 j 2 f 2 1 3 0m m ，牙高率超过8 0 ，完全符 合螺纹质量要求。 关键词：内螺纹；底孔直径；残余应力；硬度 中围分类号：T G 3 7 6 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 5 2 6 1 5 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 2 2 8 0 5 E f f e c to fH o l eD i a m e t e ro fW o r ko nQ 4 6 0 I n t e r n a lT h r e a dF o r m e db yC o l d H i g h - S t r e n g t h S t e e l E x t r u s i o n M i a oH o n 9 1 ”，Z u oD u n w e n 2 ，Z h a n gR u i h o n 9 1 ，W a n gM i n 2 ，W a n gH o n g f e n 9 2 ( 1 C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，Y a n g z h o uU n i v e r s i t y ，Y a n g z h o u ，2 2 5 0 0 0 ，C h i n a ；2 C o l l e g eo fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sb - A s t r o n a u t i c s ，N a n j i n g ，2 1 0 0 1 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h ee f f e c to fh o l e - d i a m e t e ro ft h ew o r ko nQ 4 6 0h i g h s t r e n g t h s t e e li n t e r n a lt h r e a df o r m e db y c o l de x t r u s i o ni Ss t u d i e d A n dt h ec h a n g e so ft h r e a df o r m ，s u r f a c er e s i d u a ls t r e s s ，h a r d n e s sa n ds u r f a c e t o p o g r a p h yo fh e a df a c ec a u s e db yd i f f e r e n th o l e - d i a m e t e r a r ei n v e s t i g a t e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea c c u m u l a t i o nb o d yo ft h eh e a df a c eo ft h ei n t e r n a lt h r e a df o r m e db yc o l de x t r u s i o ni sh i g h e ro nb o t hs i d e s ， i nt h em i d d l eo ft h ed e p r e s s e ds h a p ef o r ml O W W i t ht h ed e c r e a s e dh o l e d i a m e t e ro ft h ew o r k 。t h es t a c k h e i g h to ft h eh e a df a c ei si n c r e a s i n g ，a n dt h ea c c u m u l a t e dl e v e li sa l s ob e c o m i n gs e r i o u s T h eh a r d n e s s a n dt h er e s i d u a lp r e s s u r es t r e s sa tc r e s t 。f l a n ka n dr o o to ft h et h r e a da r ei n c r e a s e d F o re n s u r i n gt h e q u a l i t yo ft h et h r e a da n dt h et a pl i r e ，t h eh o l e d i a m e t e ro ft h ew o r ks h o u l ds e l e c tm a x i m u mv a l u ea sf a r a sp o s s i b l e B u ti ti su n n e c e s s a r yt op u r s u et h eh i g h e s tt h r e a dh i g hr a t e ，o t h e r w i s ee x t r u s i o nf o r m i n go f i n t e r n a lt h r e a di sa t t e n d e dw i t hm u c hd i f f i c u l t y T h eb e s tr a n g eo fh o l e - d i a m e t e ro fQ 4 6 0h i g h s t r e n g t h - s t e e lw o r ki sb e t w e e n 彩2 1 2 0m ma n d 历2 1 3 0m m ，t h et h r e a dh i g hr a t ee x c e e d s8 0 ，a n di tc o m p l e t e l ym e e t st h er e q u r e m e n to ft h eq u a l i t yo ft h et h r e a d K e yw o r d s ：i n t e r n a lt h r e a d ；h o l e d i a m e t e r ；r e s i d u a ls t r e s s ；h a r d n e s s 高强度钢是飞机、高速列车等的重要承力部件，在安全的行驶过程中担负着极其重要的使命。 基金项目：国家高技术研究发展计划( “八六三”计划) ( S Q 2 0 0 8 A A I O X K l 4 6 8 8 5 9 ) 资助项目 收稿日期：2 0 1 1 0 4 2 2 ；修订日期：2 0 1 2 0 1 一I i 通讯作者：左敦稳，男，教授，博士生导师，1 9 6 2 年生，E m a i l ：m h n u a a g m a i l c o m 。 万方数据 第2 期缪宏，等：工件底孔直径对Q 4 6 0 高强度钢冷挤压内螺纹的影响 2 2 9 随着高强度钢在近、现代飞机、高速列车、现代农业 机械等设计中的作用日益突出，设计人员面临着新 的挑战，需要设计出最为安全的机构。它们的许多 零件采用螺栓连接，安装螺栓在行驶过程中会承受 强大的交变剪切载荷，因此螺纹连接的可靠性对机 构的使用寿命起着至关重要的作用。 采用内螺纹冷挤压成形工艺净成形是当今飞 机、高速列车等抗疲劳加工的一个发展趋势。其优 势在于能够在内螺纹表面和次表面中保存冷作硬 化状态，这不仅可以提高材料的强度和硬度，而且 可以提高内螺纹的疲劳寿命。传统的内螺纹冷挤压 加工仅适合于强度低、塑性好的有色金属以及低碳 钢的加工。而飞机、高速列车等采用高强度钢系列 进行加工，它不仅具有较高强度，而且具有良好的 横向塑性和断裂韧性，塑性成形抗力大，传统的冷 挤压技术无法适应这类材料的加工。据冷挤压成形 机理，在高强度钢内螺纹冷挤压加工过程中，塑性 变形量的大小主要由工件的底孔尺寸确定，底孔尺 寸的选择不仅直接影响到内螺纹挤压表面的质量， 而且关系到挤压过程是否能顺利进行，合理选择底 孔尺寸能避免工件的报废和延长丝锥使用寿命。国 内对3 0 0 M 高强度钢的内螺纹冷挤压开展了试验 研究1 q ，但对于冷挤压内螺纹的底孔直径缺乏深 入研究，制约了冷挤压内螺纹的产业化发展。 本文以Q 4 6 0 高强度钢为例，采用冷挤压法加 工内螺纹，通过分析内螺纹挤压过程、牙形状况、残 余应力与硬度的变化来阐述工件底孔直径在高强 度钢内螺纹冷挤压加工中的作用，为进一步研究应 用提供指导依据。 1 工件底孔直径 由塑性成形理论可知，在冷塑性加工高强度 钢材料的情况下，金属的密度和体积是不变的， 所以挤压螺纹的底孔尺寸为口1 d 。= d 一0 0 6 77 7 P ( 1 4 5 7 ) + 0 0 0 45 ( 1 ) 式中：d 为内螺纹大径；以为工件底孔直径；P 为螺 距；叩为螺纹牙高率，叩为 ( 。h ，) 1 0 0 ( 2 ) 式中：h 。为标准牙高； 。为实际牙高。 2 实验材料与方法 实验材料采用首钢新钢有限责任公司特钢部 生产的Q 4 6 0 高强度钢，直径为万3 5m m ，其化学成 分见表1 。取3 个拉伸试样按G B T 2 2 8 - - 2 0 0 2 E 5 1 进 行室温拉伸实验，得到室温力学性能为：抗拉强度 ( a b ) 为5 7 0M P a ，屈服强度( 仃0 1 2 ) 为4 1 0M P a ，伸 长率( d 。) 为2 7 ，断面收缩率( 妒) 为4 5 。 襄1Q 4 6 0 高强度钢的化学成分 元素CS iM nPSC rN i 质量分数0 1 40 3 5 1 4 50 0 0 80 0 0 40 4 60 2 7 实验在国产6 2 5 0 机床上进行M 2 2 1 5m m 内螺纹的冷挤压加工，如图1 所示。挤压丝锥为 Q 4 6 0 钢专用冷挤压丝锥，结构为圆锥式棱齿结构， 丝锥材料为H S S 高速钢，表面进行氮化铝钛处理。 内螺纹挤压成形采取一次挤压成形工艺，具体的挤 压工艺参数为：机床转速2 5r m i n ，加工螺纹长度 为2 0m m ，采用P D M S 聚二甲基硅氧烷润滑液对挤 压丝锥进行润滑，试样底孑L 直径d 。分别为 彩2 1 1 5 ，彩2 1 2 0 ，彩2 1 2 5 ，彩2 1 3 0 ，彩2 1 3 5 与 彩2 1 4 0m m 。 图1内螺纹冷挤压过程图 采用M S F 一3 M 型X 射线应力分析仪对冷挤压 内螺纹的牙面沿牙深方向进行残余应力的测