內(nèi)螺紋冷擠壓成形過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、內(nèi)螺紋冷擠壓因其成形的螺紋精度高、表面完整性好，且保持冷擠壓之后內(nèi)螺紋表面及次表面的冷作硬化狀態(tài)，提高了螺紋的連接強(qiáng)度及其抗疲勞壽命，因此在當(dāng)今高速、大負(fù)載、動(dòng)載條件下的航空、航天和高速列車等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。內(nèi)螺紋冷擠壓技術(shù)經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)研究已取得了一定的進(jìn)展，然而其數(shù)值模擬技術(shù)方面的研究仍較匱乏，亟需加強(qiáng)內(nèi)螺紋冷擠壓數(shù)值模擬方面的研究。本文建立了成形過(guò)程扭矩力學(xué)模型，并利用剛塑性有限元軟件DEFORM-3D進(jìn)行了內(nèi)螺紋冷擠壓成形

2、過(guò)程的數(shù)值模擬，從而為深入理解內(nèi)螺紋冷擠壓成形過(guò)程，工藝參數(shù)優(yōu)化，絲錐的合理選擇和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為內(nèi)螺紋冷擠壓工藝提供新的研究手段。本文完成的主要工作及取得的成果如下：
　　 (1)在彈塑性變形理論的基礎(chǔ)上分析了內(nèi)螺紋冷擠壓的成形機(jī)理，在此基礎(chǔ)上分析了內(nèi)螺紋冷擠壓成形過(guò)程的受力情況，得到了擠壓變形區(qū)的接觸應(yīng)力、接觸弧長(zhǎng)等理論公式，進(jìn)而推導(dǎo)出了整個(gè)內(nèi)螺紋冷擠壓成形過(guò)程扭矩的理論計(jì)算公式。對(duì)比分析了相同工藝參數(shù)條件下得到的理論

3、與試驗(yàn)擠壓扭矩曲線，兩者的變化趨勢(shì)一致，且誤差較小，可以作為進(jìn)一步內(nèi)螺紋冷擠壓成形過(guò)程力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)。
　　 (2)采用剛塑性有限元軟件DEFORM-3D對(duì)內(nèi)螺紋冷擠壓成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了內(nèi)螺紋冷擠壓的螺紋牙形，再現(xiàn)了內(nèi)螺紋冷擠壓成形過(guò)程，表明了所建有限元模型是有效的，可作為進(jìn)一步數(shù)值模擬研究分析的基礎(chǔ)。分析了成形過(guò)程等效應(yīng)力應(yīng)變，表明成形過(guò)程等效應(yīng)力應(yīng)變集中在工件螺紋變形區(qū)，而工件的其它部位基本不受擠壓變形的影響

4、。對(duì)擠壓過(guò)程金屬流動(dòng)速度場(chǎng)進(jìn)行了一定的分析，速度場(chǎng)沿牙形表層輪廓形成了一股流線，螺紋牙形頂部的速度大于螺紋的其它部位，充分說(shuō)明金屬材料在擠壓過(guò)程中是沿變形方向不斷流向阻力小的擠壓絲錐的齒溝(即牙形頂部)。最后利用軟件的點(diǎn)追蹤功能獲得了成形過(guò)程擠壓扭矩和擠壓溫度曲線，并與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，兩者隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，且誤差較小，充分驗(yàn)證了模型的正確性。
　　 (3)從降低擠壓扭矩和擠壓溫度出發(fā)，以提高成形螺紋的質(zhì)量和擠壓絲錐的壽命為

5、目的，在已經(jīng)驗(yàn)證數(shù)值模擬正確性與有效性的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法獲得了各工藝參數(shù)包括：工件底孔直徑、擠壓速度、冷卻潤(rùn)滑液種類對(duì)成形過(guò)程擠壓扭矩及溫度的影響規(guī)律。利用正交分析的方法對(duì)內(nèi)螺紋冷擠壓成形過(guò)程的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)選出工藝參數(shù)。
　　 (4)在現(xiàn)有內(nèi)螺紋低頻振動(dòng)加工試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，通過(guò)ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真，得到振動(dòng)板的位移曲線，進(jìn)而獲得振動(dòng)桿及擠壓絲錐的角速度。數(shù)值分析了摩擦系數(shù)減小量與激振力、激振力臂及擠壓速度之間

6、的非線性關(guān)系，當(dāng)激振頻率一定，擠壓速度越小，激振力越大，激振力臂越小，減摩效果越好。研究了振動(dòng)擠壓的另一減摩機(jī)制：工件與擠壓絲錐之間由于振動(dòng)而產(chǎn)生瞬間分離，而使得原本封存在擠壓絲錐凹槽的冷卻潤(rùn)滑液重新進(jìn)入擠壓區(qū)，并分析了外加振動(dòng)頻率對(duì)擠壓扭矩的綜合影響關(guān)系。將振動(dòng)導(dǎo)入DEFORM-3D中進(jìn)行了內(nèi)螺紋低頻振動(dòng)冷擠壓成形過(guò)程的數(shù)值模擬，表明當(dāng)施加了20Hz的外加振動(dòng)之后，其成形過(guò)程、等效應(yīng)力應(yīng)變、金屬流動(dòng)規(guī)律與傳統(tǒng)內(nèi)螺紋冷擠壓成形過(guò)程一致，

7、而擠壓扭矩約減少到傳統(tǒng)內(nèi)螺紋冷擠壓成形過(guò)程的57.2％，與試驗(yàn)得到的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，兩者之間的誤差較小，為13.7%，一定程度上驗(yàn)證了其減摩理論的正確性。
　　 (5)在建立的擠壓扭矩力學(xué)模型并在試驗(yàn)驗(yàn)證其正確性的基礎(chǔ)上，研究了成形過(guò)程的擠壓扭矩與擠壓絲錐各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。通過(guò)遺傳算法分別以總擠壓扭矩及單齒擠壓扭矩為適應(yīng)度函數(shù)各獲得了一組最優(yōu)的擠壓絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)，表明擠壓絲錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對(duì)成形過(guò)程扭矩降低是有效的，為后續(xù)內(nèi)螺紋