繆 宏 左敦穩(wěn) 張瑞宏 王樹宏

1.揚(yáng)州大學(xué),揚(yáng)州,225000 2.南京航空航天大學(xué),南京,210016 3.中國人民解放軍駐五一一廠軍事代表室,南京,210016

0 引言

高強(qiáng)度鋼部件是飛機(jī)、高速列車等的重要承力部件,在安全的行駛過程中擔(dān)負(fù)著極其重要的使命。隨著高強(qiáng)度鋼在飛機(jī)、高速列車等設(shè)計(jì)中的作用日益突出,設(shè)計(jì)人員面臨著新的挑戰(zhàn),需要設(shè)計(jì)出最為安全的機(jī)構(gòu)。飛機(jī)、高速列車的許多零件采用螺栓連接,螺栓在行駛過程中會(huì)承受強(qiáng)大的交變剪切載荷,因此螺紋連接的可靠性對(duì)機(jī)構(gòu)的使用壽命起著至關(guān)重要的作用。

采用內(nèi)螺紋冷擠壓成形工藝凈成形是當(dāng)今飛機(jī)、高速列車等所用部件抗疲勞加工的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì),其優(yōu)勢(shì)在于能夠在內(nèi)螺紋表面和次表面中保存冷作硬化狀態(tài),這不僅可以提高材料的強(qiáng)度和硬度,而且可以延長內(nèi)螺紋的疲勞壽命。傳統(tǒng)的內(nèi)螺紋冷擠壓加工僅適合于強(qiáng)度低、塑性好的有色金屬及低碳鋼的加工。高強(qiáng)度鋼不僅具有較高強(qiáng)度,而且具有良好的橫向塑性和斷裂韌性,塑性成形抗力大,傳統(tǒng)的冷擠壓技術(shù)無法適應(yīng)這類材料的加工。國內(nèi)對(duì)300M高強(qiáng)度鋼的內(nèi)螺紋冷擠壓開展了試驗(yàn)研究[1-4],徐九華等[1]研制出了扭矩與溫度測(cè)量系統(tǒng),孫暄等[5]研究了MSC-51系列的8031單片機(jī)在300M鋼大直徑內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。但目前對(duì)擠壓過程中的振動(dòng)缺乏深入研究,制約了冷擠壓內(nèi)螺紋的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

內(nèi)螺紋冷擠壓過程一般不會(huì)產(chǎn)生顫振,這時(shí)機(jī)床內(nèi)外干擾力激勵(lì)引起的受迫振動(dòng)就會(huì)影響螺紋的加工質(zhì)量和擠壓絲錐的壽命[6-9]。由于加工條件的不同,擠壓振動(dòng)檢測(cè)分析與所考慮的因素也各不相同,因此對(duì)擠壓振動(dòng)及其相關(guān)技術(shù)開展研究是提高螺紋擠壓效率,保證擠壓過程動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率生產(chǎn)的迫切要求。本文對(duì)內(nèi)螺紋不同擠壓加工條件下的振動(dòng)進(jìn)行了檢測(cè)和討論,并進(jìn)行了頻譜分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

在國產(chǎn)6250機(jī)床上進(jìn)行M22×1.5mm內(nèi)螺紋的冷擠壓加工,擠壓絲錐為Q460鋼專用冷擠壓絲錐。內(nèi)螺紋擠壓成形采取一次擠壓成形工藝,具體的擠壓工藝參數(shù)如下:機(jī)床轉(zhuǎn)速為10～40r/min,試樣底孔直徑為21.25mm,加工螺紋長度為20mm,分別采用10號(hào)機(jī)油、20號(hào)機(jī)油、30號(hào)機(jī)油與聚二甲基硅氧烷(PDMS)潤滑液對(duì)擠壓絲錐進(jìn)行冷卻潤滑。

試驗(yàn)材料采用首鋼新鋼有限責(zé)任公司特鋼部生產(chǎn)的Q460高強(qiáng)度鋼,直徑為35mm,其化學(xué)成分見表 1。取 3個(gè)拉伸試樣按 GB/T228-2002[10]進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),得到的室溫下力學(xué)性能如下:抗拉強(qiáng)度σb為570MPa,屈服強(qiáng)度σ0.12為410MPa,伸長率 δ5為27%,斷面收縮率 ψ為45%。

表1 Q460高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

高強(qiáng)度鋼內(nèi)螺紋冷擠壓振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示,采用 TS15200壓電加速度傳感器與TS6100恒流適調(diào)器測(cè)量加工過程中的縱向振動(dòng)。TS15200壓電加速度傳感器安裝在扭矩夾持裝置左側(cè)頂端。由于在內(nèi)螺紋冷擠壓過程中很難排除人為因素對(duì)加工過程中軸向振動(dòng)信號(hào)的影響,而水平振動(dòng)信號(hào)與縱向振動(dòng)信號(hào)相類似,因此本文只研究加工過程中的縱向振動(dòng)信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)中,壓電加速度傳感器監(jiān)測(cè)加工過程中的縱向振動(dòng),振動(dòng)信號(hào)經(jīng)恒流適調(diào)器輸出后,直接輸入數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集通道。在測(cè)量計(jì)算時(shí)須確定校正因子,將校正因子輸入到隨機(jī)信號(hào)與振動(dòng)分析系統(tǒng)軟件,最后通過計(jì)算機(jī)即可輸出測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度。

圖1 振動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

為了研究不同工藝參數(shù)下振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律,針對(duì)擠壓速度與冷卻潤滑液等工藝條件,設(shè)計(jì)以下2種試驗(yàn):

(1)螺紋的冷擠壓加工在特定冷卻潤滑條件(采用PDMS潤滑液進(jìn)行冷卻潤滑)下進(jìn)行,擠壓速度(機(jī)床轉(zhuǎn)速)分別為 10r/min、20r/min、25r/min 、32r/min 、40r/min 。

(2)螺紋的冷擠壓加工在一些特定轉(zhuǎn)速條件(擠壓速度為25r/min)下進(jìn)行,冷卻潤滑液分別為10號(hào)機(jī)油、20號(hào)機(jī)油、30號(hào)機(jī)油與PDMS潤滑液。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.1 擠壓速度對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

圖2為4種不同擠壓速度下內(nèi)螺紋擠壓過程中的振動(dòng)信號(hào)波形。從信號(hào)波形上看,不同擠壓速度下振動(dòng)幅值變化趨勢(shì)相同,均是先增大后減小。當(dāng)冷擠壓加工速度很低時(shí),主軸振動(dòng)與工件振動(dòng)相差不大,隨著擠壓速度的增大,工件振動(dòng)幅值增加緩慢,而擠壓絲錐的振動(dòng)迅速增加,超過工件的振動(dòng)成為主振動(dòng),但當(dāng)振動(dòng)超過臨界值后,絲錐的振動(dòng)增加不大,甚至出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖3為不同擠壓速度下內(nèi)螺紋擠壓過程中的振動(dòng)頻譜。機(jī)床轉(zhuǎn)速為10r/min時(shí),主振頻率為673Hz,隨著擠壓速度的增大,主振頻率發(fā)生了變化;機(jī)床轉(zhuǎn)速為20r/min時(shí),主振頻率為795Hz。隨著擠壓速度的進(jìn)一步增大,主振頻率不隨著擠壓速度的增大呈線性變化,這是因?yàn)閿D壓絲錐的振動(dòng)頻率與機(jī)床本身的振動(dòng)頻率相關(guān),而加工過程中擠壓力對(duì)主軸與工件振動(dòng)的主振頻率影響很小。

圖2 擠壓速度對(duì)振動(dòng)波形的影響

圖3 擠壓速度對(duì)振動(dòng)頻譜的影響

2.2 冷卻潤滑液對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

在用塑性變形方法加工高強(qiáng)度鋼內(nèi)螺紋的過程中,所加的外力主要消耗在工件材料塑性變形、彈性變形以及克服擠壓絲錐與工件材料變形表面之間的摩擦力上。采用合適的冷卻潤滑液能夠減小工件與絲錐之間的摩擦,起到減振的作用,使擠壓力顯著減小,從而延長絲錐的工作壽命。

圖4所示為不同冷卻潤滑方式下內(nèi)螺紋擠壓過程中的振動(dòng)信號(hào)波形。從信號(hào)波形上來看,振動(dòng)幅值變化趨勢(shì)基本上保持不變。在使用30號(hào)機(jī)油冷擠壓內(nèi)螺紋時(shí),振動(dòng)幅值會(huì)發(fā)生急劇變化,此時(shí)擠壓絲錐出現(xiàn)斷裂。試驗(yàn)過程中,可以根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)中的振動(dòng)信號(hào)的異常變化,來判斷冷卻潤滑液的適合性,以便在試驗(yàn)過程中及時(shí)避免擠壓絲錐的失效。

圖5所示為不同冷卻潤滑方式下內(nèi)螺紋擠壓過程中的振動(dòng)頻譜。由圖5可知,主振頻率變化趨勢(shì)與振動(dòng)波形的振幅相似,基本上保持不變,為673Hz,同樣在使用30號(hào)機(jī)油冷擠壓內(nèi)螺紋時(shí),頻率發(fā)生急劇變化,出現(xiàn)了高頻振動(dòng)。

圖4 冷卻潤滑液對(duì)振動(dòng)波形的影響

圖5 冷卻潤滑液對(duì)振動(dòng)頻譜的影響

表2所示為不同冷卻潤滑液的黏度。由表2與圖5可見,隨著冷卻潤滑液黏度的增大,易出現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)異常,從而導(dǎo)致擠壓絲錐的斷裂,如圖6所示。流體薄油膜潤滑有利于減小摩擦阻力,減少振動(dòng)生成。厚油膜在壓力作用下,不利于絲錐對(duì)工件的充分?jǐn)D壓,使工件表面容易咬焊、黏著,容易在加工過程中形成振動(dòng)。因此,只有當(dāng)冷卻潤滑液的黏度超過一定的范圍后,擠壓振動(dòng)才隨著冷卻潤滑液的黏度的增大而增強(qiáng)。

圖6 斷裂絲錐(30號(hào)機(jī)油潤滑)

3 結(jié)論

表2 不同冷卻潤滑液40℃的黏度

(1)內(nèi)螺紋擠壓過程中,不同擠壓速度下振動(dòng)幅值變化趨勢(shì)相同,均是先增大、后減小。隨著擠壓速度的增大,振動(dòng)幅值先增大、后減小,而主振頻率隨著擠壓速度的增大呈隨機(jī)變化。

(2)不同冷卻潤滑液下,內(nèi)螺紋擠壓過程中的振動(dòng)幅值與主振頻率基本保持不變。當(dāng)冷卻潤滑液的黏度超過一定值時(shí),振動(dòng)幅值與頻率會(huì)發(fā)生急劇變化,出現(xiàn)高頻振動(dòng),容易導(dǎo)致擠壓絲錐的斷裂。

(3)流體薄油膜潤滑有利于減小摩擦阻力,抑制振動(dòng)。厚油膜在壓力作用下,不利于絲錐對(duì)工件的充分?jǐn)D壓,使工件表面容易咬焊、黏著,容易加劇加工過程中的振動(dòng)。

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