内螺纹冷挤压成形过程数值模拟技术基础研究

摘要

内螺纹冷挤压因其成形的螺纹精度高、表面完整性好，且保持冷挤压之后内螺纹表面及次表面的冷作硬化状态，提高了螺纹的连接强度及其抗疲劳寿命，因此在当今高速、大负载、动载条件下的航空、航天和高速列车等领域有着巨大的应用前景。内螺纹冷挤压技术经过多年试验研究已取得了一定的进展，然而其数值模拟技术方面的研究仍较匮乏，亟需加强内螺纹冷挤压数值模拟方面的研究。本文建立了成形过程扭矩力学模型，并利用刚塑性有限元软件DEFORM-3D进行了内螺纹冷挤压成形过程的数值模拟，从而为深入理解内螺纹冷挤压成形过程，工艺参数优化，丝锥的合理选择和优化奠定基础，同时也为内螺纹冷挤压工艺提供新的研究手段。本文完成的主要工作及取得的成果如下：
　　 (1)在弹塑性变形理论的基础上分析了内螺纹冷挤压的成形机理，在此基础上分析了内螺纹冷挤压成形过程的受力情况，得到了挤压变形区的接触应力、接触弧长等理论公式，进而推导出了整个内螺纹冷挤压成形过程扭矩的理论计算公式。对比分析了相同工艺参数条件下得到的理论与试验挤压扭矩曲线，两者的变化趋势一致，且误差较小，可以作为进一步内螺纹冷挤压成形过程力学分析的理论基础。
　　 (2)采用刚塑性有限元软件DEFORM-3D对内螺纹冷挤压成形过程进行了数值模拟，得到了内螺纹冷挤压的螺纹牙形，再现了内螺纹冷挤压成形过程，表明了所建有限元模型是有效的，可作为进一步数值模拟研究分析的基础。分析了成形过程等效应力应变，表明成形过程等效应力应变集中在工件螺纹变形区，而工件的其它部位基本不受挤压变形的影响。对挤压过程金属流动速度场进行了一定的分析，速度场沿牙形表层轮廓形成了一股流线，螺纹牙形顶部的速度大于螺纹的其它部位，充分说明金属材料在挤压过程中是沿变形方向不断流向阻力小的挤压丝锥的齿沟(即牙形顶部)。最后利用软件的点追踪功能获得了成形过程挤压扭矩和挤压温度曲线，并与试验曲线进行对比，两者随时间的变化趋势一致，且误差较小，充分验证了模型的正确性。
　　 (3)从降低挤压扭矩和挤压温度出发，以提高成形螺纹的质量和挤压丝锥的寿命为目的，在已经验证数值模拟正确性与有效性的基础上，采用数值模拟方法获得了各工艺参数包括：工件底孔直径、挤压速度、冷却润滑液种类对成形过程挤压扭矩及温度的影响规律。利用正交分析的方法对内螺纹冷挤压成形过程的工艺参数进行了优化，优选出工艺参数。
　　 (4)在现有内螺纹低频振动加工试验装置的基础上，通过ADAMS动力学仿真，得到振动板的位移曲线，进而获得振动杆及挤压丝锥的角速度。数值分析了摩擦系数减小量与激振力、激振力臂及挤压速度之间的非线性关系，当激振频率一定，挤压速度越小，激振力越大，激振力臂越小，减摩效果越好。研究了振动挤压的另一减摩机制：工件与挤压丝锥之间由于振动而产生瞬间分离，而使得原本封存在挤压丝锥凹槽的冷却润滑液重新进入挤压区，并分析了外加振动频率对挤压扭矩的综合影响关系。将振动导入DEFORM-3D中进行了内螺纹低频振动冷挤压成形过程的数值模拟，表明当施加了20Hz的外加振动之后，其成形过程、等效应力应变、金属流动规律与传统内螺纹冷挤压成形过程一致，而挤压扭矩约减少到传统内螺纹冷挤压成形过程的57.2％，与试验得到的数值进行对比，两者之间的误差较小，为13.7%，一定程度上验证了其减摩理论的正确性。
　　 (5)在建立的挤压扭矩力学模型并在试验验证其正确性的基础上，研究了成形过程的挤压扭矩与挤压丝锥各结构参数之间的关系。通过遗传算法分别以总挤压扭矩及单齿挤压扭矩为适应度函数各获得了一组最优的挤压丝锥结构参数，表明挤压丝锥的结构参数优化对成形过程扭矩降低是有效的，为后续内螺纹的试验及研究奠定了基础。