内螺纹冷挤压成形过程数值模拟

型 、 工艺试验 、 振 动 信 号 及 金 属 流 动 规 律 、 抗 疲 劳
引 言
高强度钢内螺纹 冷 挤 压 成 形 工 艺 是 当 今 飞 机 起 落架 、 高速列车 等 抗 疲 劳 加 工 的 一 个 发 展 趋 势 ， 其 成形之后的螺 纹 不 仅 强 度 高 、 质 量 好 ， 而 且 螺 纹 表 面组织得到细化 ， 在 表 面 形 成 一 定 厚 度 的 加 工 硬 化 层 ， 并留有残 余 压 应 力 场 ， 因 此 ， 具 有 优 良 的 抗 疲 劳性能 。 目前 ， 高强度钢内螺纹冷挤压成形工艺 ］ ３ ５ － ，文献［ 的研究和 探 索 已 取 得 了 一 定 进 展 ［ １ ２， ６ － －
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塑性工程学报
第１ ９卷
纹冷挤压数值模 拟 方 面 的 研 究 ， 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 。 本文在前人研究的基础上 ， 基于对内螺纹冷挤压 塑性成形机 理 的 分 析 ， 采用刚塑性有限元软件 Ｄ Ｅ － Ｆ Ｏ ＲＭ－ ３ Ｄ 建立 Ｑ ４ ６ ０ 高强度钢内螺纹冷挤压成形过 以再 现 内 螺 纹 冷 挤 压 三 维 成 形 过 程 ， 程有限元模型 ， 并探讨成形过程中 的 等 效 应 力 应 变 及 速 度 场 分 布 情 况， 得到其分布规律 ， 并得到成形过程中的挤压温度 和挤压扭矩 ， 从而为实际加工提供理论指导 。
ＨＵＡＮＧ Ｘ ｉ ａ ｏ ｌ ｏ ｎ Ｉ Ｘ ｉ ａ ｎ ｆ ｅ ｎ ＵＯ Ｄ ｕ ｎ ｅ ｎ Ｉ ＡＮＧ Ｙ ｕ ｘ ｕ ａ ｎ Ｈ Ｉ Ｄ ａ ｂ ｉ ｎ － Ｌ － Ｚ －ｗ Ｌ － Ｓ － ｇ ｇ ｇ （ ，Ｎ ，Ｎ ） Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ａ ｎ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ａ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｉ ｎ １ ０ ０ １ ６ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ２ ｇ ｇ ｊ ｇ ｙ ｊ ｇ ：Ｔ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｎ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｄ ｂ ｃ ｏ ｌ ｄ ｅ ｘ ｔ ｒ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍ ｅ ａ ｎ ｉ ｍ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｔ ｒ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｄ ｆ ｏ ｒ ａ ｉ ｒ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ － ｇ ｙ ｐ ｐ ｐ ｇ ，ｈ ｃ ｒ ａ ｆ ｔ ｌ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｉ ｈ ｓ ｅ ｅ ｄ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｓ ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｉ ｔ ｓ ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ ｌ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｔ ｉ ｆ ａ ｔ ｉ ｕ ｅ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｅ ａ ｒ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ．Ｔ ｈ ｅ － － ｇ ｇ ｐ ｇ ｇ ｐ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｎ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｄ ｂ ｃ ｏ ｌ ｄ ｅ ｘ ｔ ｒ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｂ ｕ ｓ ｉ ｎ Ｄ Ｅ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ － ｇ ｙ ｙ ｇ ｐ Ｆ Ｏ ＲＭ－ ３ Ｄｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ．Ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｎ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｄ ｃ ｏ ｌ ｄ ｅ ｘ ｔ ｒ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｗ ａ ｓ ｔ ｒ ｕ ｌ ｒ ｅ ａ ｅ ａ ｒ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｇ ｐ ｙ ｐ ｐ ，ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｆ ｌ ｏ ｗ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｎ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ｔ ｏ ｆ ｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｌ ｌ ｕ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｎ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｙ ｇ ｇ ｙ ｇ ｐ ，ａ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｃ ｏ ｌ ｄ ｅ ｘ ｔ ｒ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ．Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｔ ｒ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ｒ ｕ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｎ ｗ ｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｒ ｉ ｖ ｅ ｄ ｎ ｄ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ － ｐ ｐ ｐ ｑ ｐ ｇ ｇ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｌ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ． ｙ ： ；ｃ ； ；ｎ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｄ ｏ ｌ ｄ ｅ ｘ ｔ ｒ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｙ
］ 对Ｑ ９ ４ ６ ０高 强 钢 内 螺 纹 冷 挤 压 成 形 的 挤 压 力 学 模
十一五 ” 预研资助项目 。 ＊ 空装 “ ：ｋ 黄小龙 Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｅ ｌ ｌ ｅ １ ３＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ ｙ 作者 简 介 ： 黄 小 龙 ， 男 ，１ ９ ８ ８ 年 生，硕 士 研 究 生， 从 事 内螺纹冷挤压数值模拟研究 收稿日期 ：２ ０ １ １ １ ２ １ ４ － －
［ ］ １ ２ －
机理和表层的组织 结 构 及 耐 腐 蚀 性 能 进 行 了 较 为 全 面的分析与研究 。 基 于 变 分 原 理 的 刚 塑 性 有 限 元 方 法自 ２ ０ 世纪 ７ ０ 年代由 Ｓ ． Ｋ ｏ ｂ ａ ａ ｓ ｈ ｉ和 Ｃ ． Ｈ． Ｌ ｅ ｅ提 ｙ 出以来 ， 随着计 算 机 科 学 和 技 术 的 快 速 发 展 ， 已 广 泛应 用 于 分 析 对 应 变 速 率 不 敏 感 的 体 积 成 形 问
第１ ９卷 第２期 ２ ０ １ ２年４月
塑性工程学报
Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｐ Ｌ Ａ Ｓ Ｔ Ｉ Ｃ Ｉ Ｔ Ｙ Ｅ ＮＧ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ ＮＧ
ｏ ． ２ Ｖ ｏ ｌ ． １ ９ Ｎ Ａ ｒ ． ２ ０ １ ｐ ２
： ／ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ ７ ２ ０ １ ２． ２ ０ １ ２． ０ ２． ０ ０ ３ － ｊ．
内螺纹冷挤压成形过程数值模拟 ＊
（ ） 黄小龙 黎向锋 左敦稳 梁瑜轩 史大彬 南京航空航天大学 机电学院 ， 南京 ２ １ ０ ０ １ ６
摘 要 ： 基于 Ｄ Ｅ Ｆ Ｏ ＲＭ－ ３ Ｄ 建立内螺纹冷挤压有限元 模 型 ， 对 其 成 形 过 程 进 行 数 值 模 拟 。 得 到 内 螺 纹 冷 挤 压 螺 纹 牙型 ， 真实再现了内螺纹冷挤压三维成形 过 程 ； 分 析 了 内 螺 纹 冷 挤 压 成 形 过 程 中 的 等 效 应 力 应 变 及 金 属 流 动 速 度 场的分布规律 ， 说明了内螺纹冷挤压的成形机理 ； 通过数值模拟得到了成形过程的挤压温度和挤压扭矩曲线 ， 并进 行了试验验证 。 关键词 ：内螺纹 ； 冷挤压 ； 成形 ； 数值模拟 ）０ 中图分类号 ：Ｔ Ｇ ３ ７ ６ ． ３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ７ ２ ０ １ ２（ ２ ０ １ ２ ２ ０ ０ １ １ ０ ６ － － －
＊ ｉ ＊ ｉ
建模时不 考 虑 丝 锥 变 形 ， 设 置 丝 锥 为 刚 体 。 采 ／ 用相对网格划分 方 式 ， 并 在 距 内 表 面 １ ２螺距的变 形集中区 域 进 行 局 部 网 格 细 分 ， 共 划 分 节 点 ４ ７ ７ ６ ６ 个 ， 单元 ２ １ ９ ６ ５ ５个。在 Ｃ Ａ ６ １ ４ ０ 机床开展内螺纹冷 挤压 试 验 ， 选 取 加 工 工 艺 参 数 为 ， 机 床 主 轴 转 速 ／ ， 润滑液为 Ｐ ２ ５ ｒ ｍ ｉ ｎ ＤＭＳ 聚 二 甲 基 硅 氧 烷 润 滑 液 。 ， 因此 设定工 件 位 置 不 动 ， 并 根 据 丝 锥 螺 距 、 丝 锥 进给速度及机床 主 轴 转 速 之 间 的 关 系 ， 设 定 丝 锥 的 ／ ，丝锥转速 ２ ／ 。采用 进给速度 ０ ． ６ ２ ５ ｍｍ ｓ ． ６ １ ８ ｒ ａ ｄ ｓ 剪 切 摩 擦 模 型， 丝 锥 与 工 件 之 间 摩 擦 系 数 设 为 ０ ． １ ２。 采用 Ｎ ｅ ｗ－Ｒ ａ ｈ ｓ ｏ ｎ 迭代算法 ， 设置模拟强制 ｐ 停止条件为丝锥运动距离 ４ ５ ｍｍ， 设置运行 ５ ０ ０步， 步长 ０ ． １ ｍｍ。
Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ三维建模 软 件 建 立 丝 锥 及 工 件 的 几 何 模 型如图 ２ 所 示 。 工 件 材 料 为 Ｑ ４ ６ ０ 高 强 度 钢， 其 应 力应变曲线如图 ３ 所示 。
１ 数值模Fra Baidu bibliotek基本理论
Ｄ Ｅ Ｆ Ｏ ＲＭ－ ３ Ｄ软件 的 核 心 算 法 是 刚 塑 性 有 限 元 ， 该方法采用 Ｌ ｅ ｖ ｉ ｓ ｅ ｓ本构方程和 Ｍ ｉ ｓ ｅ ｓ屈服 －Ｍ ｙ 准则 ， 求解未知 量 为 节 点 位 移 速 度 ， 通 过 在 离 散 空 间对速度积分来 解 决 几 何 非 线 性 ， 因 而 解 法 相 对 简 单 ， 并且求解效率高 ， 求解精度可以满足工程要求 。 刚塑性有限元建 立 在 刚 塑 性 材 料 变 分 原 理 基 础 上 ， 可具体表 述 为 ： 对 刚 塑 性 边 值 问 题 ， 在 满 足 变 １ （ 、 体积不 可 压 缩 条 形几何方程式 ， ｖ ｖ ε ｉ ｉ ｉ） ｊ＝ ｊ＋ ｊ， ２ ０ 件式 ｖ ε ε δ Ｖ＝ ｉ ｉ ｉ＝ ｉ 的 ｊ ｊ ＝０ 和 边 界 位 移 速 度 条 件 式 ｖ 一切运动容许 速 度 场ｖ
Ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｃ ｏ ｌ ｄ ｅ ｘ ｔ ｒ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｐ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｄ Ｅ Ｆ Ｏ ＲＭ
］ １ ０ １ ２ － ， 但对内螺纹 冷 挤 压 成 形 过 程 数 值 模 拟 方 面 题［
／ 的研究却较为 匮 乏 。 文 献 ［ 利 用 ＡＮ １ ３］ Ｓ Ｙ Ｓ Ｌ Ｓ Ｄ Ｙ － ＮＡ 对内螺 纹 成 形 过 程 进 行 数 值 模 拟 ， 分 析 了 成 形 过程中应力应变 的 分 布 规 律 ， 但 并 未 再 现 内 螺 纹 冷 挤压的三维成形 过 程 ， 也 未 获 得 成 形 过 程 中 的 挤 压 温度和挤压扭矩 ； 文 献 ［ 利用刚塑性有限元软件 １ ４］ Ｄ Ｅ Ｆ Ｏ ＲＭ－ ３ Ｄ 模拟 分 析 了 １ ５钢挂钩轴内螺纹冷挤 压成形规律 ， 分析了 挤 压 扭 矩 随 工 件 底 孔 直 径 及 挤 压速度的变化规 律 ， 但 并 未 对 成 形 过 程 金 属 流 动 和 等效应力应变分 布 规 律 进 行 分 析 ， 且 数 值 模 拟 获 得 的挤压扭矩未 得 到 试 验 验 证 。 因 此 ， 亟 需 加 强 内 螺