安曉龍，劉勁松，楊俊虎，鞏令凱，牛智杰

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

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內(nèi)螺紋銅管滾珠旋壓工藝模擬

安曉龍，劉勁松，楊俊虎，鞏令凱，牛智杰

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

摘要：采用有限元法模擬滾珠旋壓工藝變形的過程，對螺紋芯頭與銅管坯的間隙、螺紋芯頭圓角的優(yōu)化以及內(nèi)螺紋銅管的缺陷形成過程進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：間隙越小，內(nèi)螺紋銅管的尺寸參數(shù)越容易得到保證；隨著圓角半徑的增加，管坯與芯頭齒底圓角接觸區(qū)域的應(yīng)力有逐漸降低的趨勢；減小原管坯的內(nèi)表面和螺紋芯頭的間隙有利于改善折疊問題。

關(guān)鍵詞：內(nèi)螺紋銅管；有限元模擬；滾珠旋壓；缺陷

內(nèi)螺紋滾珠旋壓工序是內(nèi)螺紋銅管成形工藝的關(guān)鍵，旋壓工藝是否合理直接影響內(nèi)螺紋銅管內(nèi)壁螺旋齒充型和內(nèi)外表面的質(zhì)量。滾珠旋壓工藝具有旋壓局部成形、軋制和擠壓的特點(diǎn)，且金屬向型槽內(nèi)的充型為擠壓變形。金屬變形過程影響因素多，容易在銅管內(nèi)表面出現(xiàn)缺陷。文獻(xiàn)[1]提出了內(nèi)螺紋銅管滾珠旋壓加工中出現(xiàn)的內(nèi)表面折疊問題，并采用螺紋芯頭的擴(kuò)徑旋壓成形，然而采用此種工藝因?yàn)槔瘟^大而使銅管容易被拉斷。文獻(xiàn)[2-3]對旋壓頭的結(jié)構(gòu)做了研究，提出以鋼環(huán)和鋼球的點(diǎn)接觸改為面接觸來提高旋壓模具的壽命和成形的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]提出了旋壓后采用零度以下的冷卻劑急速冷卻銅管，提高拉拔后銅管的精度，通過控制溫度從一定程度上改善表面氧化問題。文獻(xiàn)[5]在螺紋芯頭表面附加CrN涂層，以提高模具的抗磨損能力。文獻(xiàn)[6-10]對潤滑和加工工藝做了比較系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究，提出使用充液旋壓成形工藝改善銅管外表面的質(zhì)量和減少拉拔力。文獻(xiàn)[11-13]用上限法計(jì)算了內(nèi)螺紋成齒的擠壓力。本文采用有限元法分析內(nèi)表面折疊缺陷形成的原因，并提出相應(yīng)的解決方法。

1三維有限元模型的建立

1.1有限元模型的建立

銅管的內(nèi)螺紋旋壓起槽(成形)工序，在銅管內(nèi)放入刻有螺紋槽的芯頭，高速旋轉(zhuǎn)的鋼球并排在螺紋芯頭周向擠壓銅管外表面使金屬向螺紋槽流動(dòng)。鋼球的旋轉(zhuǎn)速度一般在20000～35000r/min，銅管的拉拔速度為50～70m/min。芯頭外表面的螺紋槽尺寸很小，槽深一般在0.15～0.25mm。

建立的模型如圖1所示，模擬采用的原管坯的規(guī)格為φ8.38mm×0.35mm，彈性模量為118.556GPa，屈服強(qiáng)度227MPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為8.96g/cm3。螺紋芯頭材料是以碳化物為主的硬質(zhì)合金YG6，彈性模量：700MPa；泊松比0.21；質(zhì)量密度14.8g/cm3。鋼球材料為GCR15。模擬中鋼球和螺紋芯頭發(fā)生微小的彈性變形，均處理為剛體。管坯選用四面體網(wǎng)格劃分單元，單元的個(gè)數(shù)為72000個(gè)。鋼球以銅管軸線為旋轉(zhuǎn)中心，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為1570rad/s，管坯的拉拔速度設(shè)定為19.98m/min。

圖1　球旋壓工藝有限元模型

1.2有限元模型的簡化

模擬采用三維剛塑性有限元軟件DEFORM。旋壓工藝采用六球工藝，因而將整體的旋壓模型簡化為六分之一的旋轉(zhuǎn)對稱模型，對稱軸為管坯的軸線，銅管的模型取六分之一圓弧長度3mm；另外六分之一的管坯最多能和兩個(gè)鋼球同時(shí)接觸，因此鋼球的個(gè)數(shù)取2個(gè)，皆為剛體；螺紋芯頭外表面，取與管坯模型接觸的區(qū)域，螺紋芯頭長為5mm，無需劃分網(wǎng)格。管坯選用四面體網(wǎng)格劃分單元，單元個(gè)數(shù)10萬個(gè)。

為對內(nèi)螺紋銅管成形機(jī)理進(jìn)行更好的表征，分別應(yīng)用有限元模擬軟件MSC.Marc和Deform建立內(nèi)螺紋銅管的二維1/2軸對稱模型和整體模型以及三維模型，如圖2所示。MSC.Marc主要應(yīng)用于二維數(shù)學(xué)模型的分析，利用其進(jìn)行不同間隙的模擬過程及螺紋芯頭圓角優(yōu)化。Deform主要應(yīng)用于三維模型的建立，對折疊的缺陷進(jìn)行分析。

(a)二維1/2模型

(b)二維整體模型

(c)三維模型

2有限元模擬與結(jié)果分析

2.1不同間隙的模擬

螺紋芯頭與銅管坯的間隙是影響內(nèi)螺紋銅管質(zhì)量的一個(gè)重要因素，間隙大小直接影響金屬流動(dòng)，從而影響成形。數(shù)值模擬中分別采用間隙0.01mm、0.03mm、0.05mm進(jìn)行模擬。圖3為不同間隙下成形的內(nèi)螺紋銅管應(yīng)力云圖。

(a)間隙0.01mm

(b)間隙0.03mm

(c)間隙0.05mm

圖3應(yīng)力云圖中間隙分別為0.01mm、0.03mm、0.05mm時(shí)，從圖標(biāo)的最大應(yīng)力值可知，圖3a～3c的應(yīng)力分別為446.9MPa、438.6MPa、434.0MPa，其值逐漸減??；這是由于間隙越大，坯料自由流動(dòng)的空間范圍相對增大，坯料用于充齒的體積部分減??；當(dāng)間隙增加到一定值時(shí)，不能滿足充齒成形的需要。

通過對不同間隙內(nèi)螺紋銅管的成形進(jìn)行模擬，得到不同間隙下的應(yīng)力、應(yīng)變云圖，并對成形后的內(nèi)螺紋銅管的底壁厚進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)間隙越小內(nèi)螺紋銅管的尺寸參數(shù)越容易得到保證。

2.2螺紋芯頭圓角優(yōu)化數(shù)值模擬

在內(nèi)螺紋成形過程中，螺紋芯頭的齒底圓角是影響內(nèi)螺紋銅管質(zhì)量和性能的一個(gè)重要因素，對銅管坯在成形過程中的金屬流線有很大的影響。另外，由于芯頭加工復(fù)雜性，在現(xiàn)有的條件下，生產(chǎn)現(xiàn)場的螺紋芯頭均以無齒底圓角的形式出現(xiàn)。隨著生產(chǎn)精細(xì)化制作的進(jìn)步，螺紋芯頭齒底圓角的優(yōu)化設(shè)計(jì)也成為內(nèi)螺紋銅管成形過程中的研究課題之一。

考慮螺紋芯頭齒底圓角對內(nèi)螺紋銅管的影響，分別采用齒底圓角半徑為0.02mm、0.03mm、0.04mm的螺紋芯頭進(jìn)行模擬，得到成形過程中的應(yīng)力分布，如圖4所示。對于不同圓角的芯頭，取其在相同子步下的應(yīng)力云圖進(jìn)行比較分析。

從圖4可以看到，隨著圓角半徑的增加，管坯與芯頭齒底圓角接觸區(qū)域的應(yīng)力逐漸降低，這是由于隨著圓角半徑的增大，金屬流動(dòng)過程中的阻力減小，成齒容易得到保證，因此有必要增大螺紋芯頭的齒底圓角；但圓角半徑增大，銅管的長度、重量增加，考慮到實(shí)際的需要，采用圓角0.03mm比較合適。

圖4　不同圓角的應(yīng)力變化趨勢

圖5　旋壓過程截面圖

2.3折疊缺陷分析

通過有限元模擬可以有效的分析內(nèi)螺紋銅管的缺陷形成過程。圖5為有限元模擬的管橫截面齒成形過程，由圖5可以看出，在鋼球旋壓的前方，管坯鼓起、芯頭內(nèi)表面出現(xiàn)間隙，旋壓后出現(xiàn)如圖6所示的折疊缺陷。從圖6可以看出，旋壓鋼球的正下方?jīng)]有出現(xiàn)折疊，而在其前后出現(xiàn)周期性的折疊痕，在圖7截面可以清楚的看出齒側(cè)的折疊分布。折疊是滾珠旋壓加工內(nèi)螺紋管在銅管內(nèi)表面最容易出現(xiàn)的缺陷，同時(shí)說明減小原管坯內(nèi)表面和螺紋芯頭的間隙有利于改善折疊問題。圖8為簡化的六分之一管坯還原后的交接面的對稱情況，從圖8中可以看出，交接面和管坯的軸線傾斜成一定的角度且從開始時(shí)的平面變?yōu)榍?，多個(gè)鋼球旋壓時(shí)就會在外表面出現(xiàn)鋸齒狀的裂紋線。類似的原管坯的裂紋面在旋壓后也會出現(xiàn)和交接面相同的曲面裂紋。

圖6　模擬的內(nèi)表面折疊缺陷

圖7　旋壓過程截面的折疊情況

圖8　管坯還原整體后的交接情況

3結(jié)論

(1)通過對不同間隙內(nèi)螺紋銅管的成形進(jìn)行模擬，和對成形后的內(nèi)螺紋銅管的底壁厚進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)間隙越小內(nèi)螺紋銅管的尺寸參數(shù)越容易得到保證。

(2)隨著圓角半徑的增加，管坯與芯頭齒底圓角接觸區(qū)域的應(yīng)力逐漸降低，成齒易得到保證；但圓角半徑增大，使銅管的長度和重量增加，所以應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求，選擇合適的圓角參數(shù)。

(3)減小原管坯內(nèi)表面和螺紋芯頭的間隙有利于改善折疊問題。

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Simulation of Inner Grooved Copper Tube Ball Spinning Process

AN Xiaolong,LIU Jinsong,YANG Junhu,GONG Lingkai,NIU Zhijie

(Shenyang Ligong University, Shenyang 100159, China)

Abstract：To simulate the deformation process of ball spinning process by using finite element method,the main gap of screw thread core and copper tube, screw thread core rounded optimization and defect of inner grooved copper tube forming process was studied. The research results show that the smaller the gap size the more easily parameters of inner grooved copper tube are guaranteed;with the increase of radius,stress control tube billet and the core head tooth bottom fillet contact area gradually decreases;reducing the screw thread core groove surface roughness and increasing external one-sided roughness is conducive to reducing the folding.

Key words：inner grooved copper tube;finite element simulation;ball spinning;defect

中圖分類號：TG376.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-1251(2016)01-0067-05

作者簡介：安曉龍(1993—)，男，本科生;通訊作者：劉勁松(1971—)，男，副教授，研究方向：管材加工。

基金項(xiàng)目：2014年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(甲類)(201410144002)

收稿日期：2014-11-28