內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程數(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度及其抗疲勞壽命，因此在當(dāng)今高速、大負(fù)載、動載條件下的航空、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)過多年試驗研究已取得了一定的進展，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。本文建立了成形過程扭矩力學(xué)模型，并利用剛塑性有限元軟件DEFORM-3D進行了內(nèi)螺紋冷擠壓成形

2、過程的數(shù)值模擬，從而為深入理解內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程，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理，在此基礎(chǔ)上分析了內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程的受力情況，得到了擠壓變形區(qū)的接觸應(yīng)力、接觸弧長等理論公式，進而推導(dǎo)出了整個內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程扭矩的理論計算公式。對比分析了相同工藝參數(shù)條件下得到的理論

3、與試驗擠壓扭矩曲線，兩者的變化趨勢一致，且誤差較小，可以作為進一步內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)。
　　 (2)采用剛塑性有限元軟件DEFORM-3D對內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程進行了數(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)螺紋冷擠壓成形過程，表明了所建有限元模型是有效的，可作為進一步數(shù)值模擬研究分析的基礎(chǔ)。分析了成形過程等效應(yīng)力應(yīng)變，表明成形過程等效應(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、。對擠壓過程金屬流動速度場進行了一定的分析，速度場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，充分說明金屬材料在擠壓過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)。最后利用軟件的點追蹤功能獲得了成形過程擠壓扭矩和擠壓溫度曲線，并與試驗曲線進行對比，兩者隨時間的變化趨勢一致，且誤差較小，充分驗證了模型的正確性。
　　 (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、冷卻潤滑液種類對成形過程擠壓扭矩及溫度的影響規(guī)律。利用正交分析的方法對內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)選出工藝參數(shù)。
　　 (4)在現(xiàn)有內(nèi)螺紋低頻振動加工試驗裝置的基礎(chǔ)上，通過ADAMS動力學(xué)仿真，得到振動板的位移曲線，進而獲得振動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。研究了振動擠壓的另一減摩機制：工件與擠壓絲錐之間由于振動而產(chǎn)生瞬間分離，而使得原本封存在擠壓絲錐凹槽的冷卻潤滑液重新進入擠壓區(qū)，并分析了外加振動頻率對擠壓扭矩的綜合影響關(guān)系。將振動導(dǎo)入DEFORM-3D中進行了內(nèi)螺紋低頻振動冷擠壓成形過程的數(shù)值模擬，表明當(dāng)施加了20Hz的外加振動之后，其成形過程、等效應(yīng)力應(yīng)變、金屬流動規(guī)律與傳統(tǒng)內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程一致，

7、而擠壓扭矩約減少到傳統(tǒng)內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程的57.2％，與試驗得到的數(shù)值進行對比，兩者之間的誤差較小，為13.7%，一定程度上驗證了其減摩理論的正確性。
　　 (5)在建立的擠壓扭矩力學(xué)模型并在試驗驗證其正確性的基礎(chǔ)上，研究了成形過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)化對成形過程扭矩降低是有效的，為后續(xù)內(nèi)螺紋