蔣 飛，趙升噸，張碩文，朱 倩，費亮瑜，馮智彥

(西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049)

0 前言

螺紋連接是使用帶有螺紋的零件組成的可拆卸連接，結構簡便、裝備和拆卸方便、應用領域廣，包括通用的緊固件零件(螺釘、螺栓、螺母)、帶有螺紋的軸、帶有螺紋孔的箱體和殼形零件等[1]。在一些重型機械設備中，如風力發(fā)電機、汽輪機氣缸，M60以上的公制螺紋或3-7英寸的英制螺紋孔被廣泛采用，這類設備噸位大、形狀復雜、工作條件惡劣，對此類螺紋的強度和精度要求很高[2]。

隨著中央財經(jīng)委員會第九次會議提出的實現(xiàn)碳達峰、碳中和政策，要求工業(yè)領域推進綠色制造，這對于機械制造行業(yè)提出了更高的要求。目前，此類大直徑內(nèi)螺紋多采用切削等減材成形的加工方式，此類加工方式一方面會使零件表面的金屬纖維被損壞，造成零件力學性能差，質(zhì)量降低等缺點；另一方面加工過程中會浪費大量切屑，而且生產(chǎn)效率較低[3-4]。所以傳統(tǒng)的內(nèi)螺紋的減材成形加工方式不符合“雙碳”目標下的綠色制造的要求，因此，需要一種新的塑性加工工藝來滿足這種需求。

塑性成形加工方法是一種等材成形的加工方式，加工后零件金屬組織未被切斷，連續(xù)性好，表層金屬的硬度和強度高，效率高，而且不會產(chǎn)生切屑，避免了材料浪費[5]。目前小直徑內(nèi)螺紋通常采用擠壓攻絲的塑性成形方式，國外Hayama[6]利用最小能量法和部分塑性變形厚壁圓筒理論建立了一個能預測內(nèi)螺紋冷擠壓過程中最大扭矩值的模型；Velio[7]等提出了一種加工小直徑內(nèi)螺紋時擠壓絲錐的設計方法，并建立了擠壓不同材料的扭矩計算公式，并用制造的絲錐擠壓不同材料的內(nèi)螺紋，得到的螺紋均在精度范圍內(nèi)；國內(nèi)繆宏[8]建立了擠壓變形區(qū)工件沿錐齒擠壓力的力學模型，得到了擠壓M22×1.5 Q460鋼內(nèi)螺紋的切向擠壓力為4 500 N，通過實驗測得的力約4 800 N，誤差低于10%，理論較合理；Li和Zhao[9～11]基于內(nèi)螺紋擠壓原理，利用Deform有限元軟件研究了螺紋形成過程、金屬流動規(guī)律及工藝參數(shù)對成形的影響。大直徑內(nèi)螺紋采用滾壓加工的研究比較少，Hallberg[12]提出了一種加工薄壁管內(nèi)螺紋的滾壓刀具；Veliko[13]建立了一種用于加工M50以上內(nèi)螺紋的升角可調(diào)式滾壓頭及一種升角不可調(diào)式滾壓頭。因此，開展對于內(nèi)螺紋軸向自進給滾壓成形工藝及其理論的研究很有必要。

本文提出一種加工大直徑內(nèi)螺紋的三滾壓模具式內(nèi)螺紋軸向自進給滾壓成形技術，詳細介紹了滾壓系統(tǒng)的結構和工作過程。通過有限元仿真研究其金屬流動規(guī)律。最后進行滾壓試驗，對內(nèi)螺紋的性能進行評價。

1 內(nèi)螺紋滾壓成形技術基本原理與工藝過程

1.1 基本原理

如圖1所示為內(nèi)螺紋滾壓成形工藝系統(tǒng)，圖1a展示了內(nèi)螺紋滾壓成形工藝系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由4個滾壓模具、坯料、三爪卡盤、中心模具、推力夾鉗等組成。滾壓模具結構參數(shù)完全相同，與坯料軸向平行安裝，沿坯料圓周方向均勻分布，如圖1b所示，滾壓模具包括切入刃角段和校正段，切入刃角段與滾壓模具軸線夾角為αe，切入刃角段先進入工件，對坯料進行徑向擠壓，使螺紋牙高不斷增大形成初始牙型，然后校正段對螺紋牙型進行修整，去除螺紋表面的毛刺及金屬屑，細化螺紋輪廓，形成最終牙型；中心模具和滾壓模具端部平齊，滾壓模具通過和中心模具相互嚙合保證其始終處于正確相位，保證螺紋牙型位置要求，防止?jié)L壓前期坯料和滾壓模具出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，保證多個滾壓模具之間同步同向精確運動；推力夾鉗可保證滾壓前滾壓模具和三爪卡盤夾持的坯料端面保持良好嚙合。

圖1 內(nèi)螺紋滾壓成形工藝系統(tǒng)

1.2 工藝過程

內(nèi)螺紋滾壓成形過程包括以下步驟：

(1)將坯料置于三爪卡盤中固定夾緊；

(2)伺服電機驅(qū)動坯料以轉(zhuǎn)速ns正向旋轉(zhuǎn)，滾壓模具由螺紋嚙合以轉(zhuǎn)速nd同向、同步、同速旋轉(zhuǎn)，同時中心模具和滾壓模具以轉(zhuǎn)速nd反向、同步、同速旋轉(zhuǎn)；

(3)在滾壓初期閉合推力夾鉗使?jié)L壓模具和坯料端部良好接觸，此時，由于滾壓模具和坯料的升角不同，滾壓模具會做恒定速度為v的自進給運動，滾壓模具的切入刃角段徑向滾壓螺紋使得螺紋牙高不斷增大形成初始牙型，當校正段開始滾壓螺紋時，螺紋的牙型不斷被修正形成最終螺紋，螺紋的長度不斷增加；

(4)滾壓結束后，伺服電機驅(qū)動坯料反向旋轉(zhuǎn)，滾壓模具以恒速v向外退出，直到切入刃角段脫離坯料端面，滾壓結束。

如圖2所示為滾壓成形過程中滾壓前、滾壓中和滾壓后三個階段。

圖2 內(nèi)螺紋滾壓成形過程

2 有限元仿真

內(nèi)螺紋滾壓過程中坯料發(fā)生明顯的塑性變形形成螺紋，模具的反復軋制使得坯料彈性變形量很小，基本可忽略不計，因此，本文采用Deform-3D軟件利用剛塑性有限元分析技術開展內(nèi)螺紋成形過程的數(shù)值仿真分析。

2.1 工藝運動特征轉(zhuǎn)化與運動參數(shù)

在內(nèi)螺紋滾壓成形過程中，坯料以轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)，三個滾壓模具(A、B、C)受到摩擦力的作用繞各自轉(zhuǎn)軸(OA、OB、OC)以轉(zhuǎn)速nd旋轉(zhuǎn)，由螺紋嚙合原理可得坯料轉(zhuǎn)速ns與滾壓模具轉(zhuǎn)速nd之間的關系可表示為：

(1)

式中，d1為滾壓模具的中徑；d2為坯料的中徑。滾壓過程的具體運動特征如圖3a所示。

本文中ns=10 r/min，d1=32.9 mm，d2=97.701 mm，由等式(1)可得到nd=30 r/min。在Deform-3D軟件中，坯料一般保持靜止，而內(nèi)螺紋滾壓成形工藝的系統(tǒng)組成及運動特征與行星輪系類似，所以可將其轉(zhuǎn)換為如圖3b中的輪系形式，其運動特征為：將坯料固定于轉(zhuǎn)軸 上，假設行星輪系中的保持架上安裝三個滾壓模具(A、B、C)，其轉(zhuǎn)軸與坯料轉(zhuǎn)軸 重合，當滾壓模具(A、B、C)繞各自轉(zhuǎn)軸(OA、OB、OC)以轉(zhuǎn)速nd自轉(zhuǎn)時，也將同時以轉(zhuǎn)速ns繞坯料轉(zhuǎn)軸 公轉(zhuǎn)，并沿坯料軸向方向以恒定速度v軸向運動，軸向速度大小由旋轉(zhuǎn)模具和待加工內(nèi)螺紋的螺旋角決定，大小為0.666 mm/s。

圖3 內(nèi)螺紋滾壓工藝運動特征轉(zhuǎn)換

2.2 有限元建模

本文對M100×2內(nèi)螺紋滾壓成形過程進行仿真，為減小計算量，并且更精確地模擬滾壓過程，取坯料的1/12進行仿真，用固定套代替三爪卡盤進行坯料的定位，完成對整體坯料、1/12坯料、滾壓模具和固定套的三維建模，將其以STL格式輸出至Deform-3D軟件中，如圖4所示。取坯料長度為10 mm，材料選擇軟件自帶的35號鋼。由于M100×2內(nèi)螺紋的全牙高只有1.08 mm，為了能更好的模擬內(nèi)螺紋牙型形成過程，需要保證牙高處至少有三個四面體單元，若整體對坯料劃分網(wǎng)格則網(wǎng)格數(shù)量太多，計算機硬件達不到要求。由于滾壓成形中材料的變形主要發(fā)生在坯料表面，且主要發(fā)生在牙高及牙底內(nèi)側0.3 mm處，即在坯料表面深度約1.5 mm的區(qū)域進行系數(shù)為0.01的局部網(wǎng)格細化。

圖4 內(nèi)螺紋滾壓有限元模型

2.3 有限元仿真結果

2.3.1 成形過程

如圖5所示為整體坯料模型和1/12有限元模型下隨著模具軸向進給深度的增加，牙型的成形過程，可以看到，在滾壓前期(模具軸向運動10 mm)，切入刃角段滾壓坯料，坯料表面形成了較淺的牙型；在滾壓中后期(模具軸向運動9～20 mm)，校正段進入坯料，螺紋牙頂逐漸成形。

圖5 內(nèi)螺紋牙型隨著進給深度增加時的成形過程

2.3.2 等效應力分布

如圖6所示為內(nèi)螺紋滾壓成形不同階段坯料截面等效應力分布圖。可以看出，在滾壓階段(s=5.8 mm)，隨著切入刃角段的擠入，金屬材料逐漸向模具牙側堆積，螺紋牙底附近所受應力最大，約949 MPa，離牙底越遠，等效應力越小，在距坯料表面1.1 mm處，等效應力為零。

圖6 內(nèi)螺紋滾壓成形不同階段坯料截面等效應力分布云圖

隨著滾壓模具的前進，被滾壓的坯料變多，但等效應力的最大值未變。由牙頂徑向延伸，等效應力由零(牙頂附近0.12 mm內(nèi))逐漸增大到500 MPa左右(距牙頂約0.38 mm)，然后又逐漸減小到零(距牙頂約2 mm)；由牙底徑向延伸，等效應力由最大(牙底附近0.3 mm內(nèi))逐漸變?yōu)榱?距牙底約1.26 mm)。如圖7所示為滾壓校形階段不同截面等效應力的分布圖，可以看出，等效應力是從右下至左上分布的，在左上截面(A-A截面)，滾壓模具前進方向的螺紋牙側比背離模具前進方向的牙側的等效應力大(深度約0.3 mm)，在右下截面(B-B截面)，滾壓模具前進方向的螺紋牙側比背離模具前進方向的牙側的等效應力小(深度約0.45 mm)。這是由于A-A截面是滾壓模具正在滾壓的截面，模具與坯料升角的不同使得二者存在軸向運動，A-A截面模具的軸向速度大于坯料的軸向速度，B-B截面模具的軸向速度小于坯料的軸向速度，使得等效應力呈此分布。

圖7 內(nèi)螺紋滾壓成形中等效應力不同截面的等效應力分布云圖

在校形階段，如圖6c所示，此時坯料等效應力的最大值未變，由牙頂向外延伸，在距牙頂1.68 mm處等效應力為零。

2.3.2 等效應變分布

如圖8所示為內(nèi)螺紋滾壓成形不同階段坯料截面等效應力分布云圖。由圖8c可以看到，牙底處的等效應變最大，由牙底向外延伸，等效應變由最大約12.8 mm/mm(距牙底約0.37 mm內(nèi))逐漸減小(距牙底約4.36 mm)，直至變?yōu)榱?距牙底約5.56 mm)；由牙頂向外延伸，等效應變在牙頂處(牙頂附近約0.25 mm內(nèi))較小，約7 mm/mm，然后逐漸增大到10 mm/mm左右，該區(qū)域為螺紋牙底的連線區(qū)域(距牙頂約0.8 mm)，超過此區(qū)域，距牙頂約0.8～5.76 mm處等效應變呈逐漸減小的趨勢，但仍較大，在距牙頂5.76 mm之外的區(qū)域，等效應變逐漸減小為零(距牙頂約6.26 mm處)。

圖8 內(nèi)螺紋滾壓成形不同階段坯料截面等效應變分布云圖

2.3.2 材料流動分布

如圖9所示為內(nèi)螺紋滾壓完成后材料流動位移分布，圖9a是內(nèi)螺紋滾壓成形后材料的整體位移云圖，可以看出，材料的徑向位移大于軸向位移，有利于內(nèi)螺紋牙型的形成；由圖9b可看出，材料的軸向位移速度主要是沿z軸正向，即滾壓模具前進的方向，且“凸邊”處材料的軸向位移較大。

圖9 內(nèi)螺紋滾壓完成后材料流動位移分布

如圖10所示為滾壓模具前進s=15.7 mm時(滾壓校形階段)材料不同截面的流動速度分布云圖，可以看出，滾壓區(qū)材料流動速度大于校形區(qū)的流動速度，牙底的速度最大。

圖10 滾壓成形過程中不同截面的材料流動速度分布

3 實驗研究

3.1 內(nèi)螺紋滾壓設備

內(nèi)螺紋行星滾壓工藝實驗采用自制加工設備進行，如圖11所示，內(nèi)螺紋滾壓系統(tǒng)主要由推力夾鉗、滾壓輪機構、三爪卡盤、減速機、交流伺服電機和自進給系統(tǒng)組成。滾壓模具由三個滾壓模具和中間模具組成，三爪卡盤用于夾緊坯料，交流伺服電機產(chǎn)生扭矩通過減速機帶動坯料旋轉(zhuǎn)，滾壓輪系統(tǒng)沿著導軌朝著坯料軸向移動。實驗參數(shù)與上文仿真中的運動參數(shù)一致。

圖11 內(nèi)螺紋滾壓裝置實物圖

3.2 實驗結果

3.2.1 螺紋牙型與尺寸

如圖12所示為坯料預制底孔為98.4 mm直徑下35號鋼滾壓內(nèi)螺紋斷面、內(nèi)部和截面實物圖，截面圖中從右至左為滾壓模具的前進方向，可以看出，各環(huán)螺紋清晰可見，沒有亂牙現(xiàn)象，牙型為三角形。滾壓模具的牙底對螺紋牙頂起了修繕的作用，使牙頂形狀越來越接近模具牙底的形狀。而且螺紋齒頂出現(xiàn)了“月牙”凹槽，且滾壓模具前進側的凹槽更高，這與有限元仿真中等效應力的分布及螺紋牙型的形狀一致。這是由于在滾壓過程中，材料沿著牙側向牙頂方向移動，坯料與模具間具有相對軸向運動，所以 坯料內(nèi)模具運動側的金屬流動較背離模具側的金屬流動快，使得牙頂兩側凸起產(chǎn)生“月牙”凹槽。

圖12 成形內(nèi)螺紋實物圖

成形螺紋小徑、大徑和牙高的測量結果和仿真結果的對比如表1所示，小徑與仿真模擬誤差為0.10%，大徑與仿真模擬的誤差為0.13%，牙高與仿真模擬誤差為0.9%。說明仿真結果與試驗結果一致。

表1 成形內(nèi)螺紋牙型尺寸

3.2.2 微觀結構

通過電火花線切割加工沿軸線切割成形螺紋零件，將螺紋部分制成樣品，用砂紙打磨，用4%硝酸乙醇腐蝕，通過光學顯微鏡觀察微觀結構，分別放大觀察牙頂、牙型中部、牙型底部、外表面附近、牙側和牙底6個部位，如圖13所示。坯料外表面附近為均勻的鐵素體和珠光體組織，材料沒有明顯的流動；螺紋牙底為呈纖維狀的鐵素體和珠光體組織，晶粒被明顯拉長，越靠近表面，晶粒越薄，說明此處發(fā)生了明顯的塑性形變，材料受到模具的滾壓作用最顯著，材料表面加工硬化作用最明顯；螺紋牙側晶粒具有一定程度的拉伸，沿徑向向外，對應滾壓成形的最小阻力方向，說明此處沿徑向向外發(fā)生了輕微的材料流動；螺紋牙頂、牙型中部及底部晶粒均被輕微拉伸，說明均發(fā)生了材料的流動。由此可見，滾壓形成的內(nèi)螺紋牙底、牙頂、牙側晶粒明顯被拉長，均有連續(xù)流線狀的纖維組織，使得該區(qū)域的力學性能呈現(xiàn)各向異性，在流線方向上塑性、韌性顯著提高，且晶粒明顯細化，提高了螺紋的硬度和抗疲勞性能[5]，相較于材料組織被破壞的切削內(nèi)螺紋，滾壓內(nèi)螺紋的性能明顯更優(yōu)。

圖13 內(nèi)螺紋橫截面不同區(qū)域組織

3.2.3 加工硬化現(xiàn)象

以內(nèi)螺紋外表面的硬度為標準，各成形區(qū)域硬度與內(nèi)螺紋外表面硬度比值作為硬化程度，對滾壓內(nèi)螺紋橫截面上三個區(qū)域內(nèi)采用維氏硬度(HV)標準進行硬度測量，如14a所示，對測得的硬度值取均值，不同材料不同區(qū)域的硬度見圖14b，可以看出牙底的硬化程度最大，硬度可達283.3 HV,牙頂和牙側次之，牙型中部和牙型底部雖有硬化，但其硬化程度較低，坯料的中外部和外表面材料無硬化。硬化最大的牙底硬度較坯料原始硬度增加了大約38%，因為在模具牙頂?shù)臄D壓下，牙底的塑性變形最大，產(chǎn)生了一定厚度的硬化層。

圖14 內(nèi)螺紋不同區(qū)域硬度測量方案與結果

4 結論

(1)M60以上的公制內(nèi)螺紋加工可以使用軸向自進給三滾壓模具成形方式，滾壓過程中依靠滾壓模具螺紋的升角與待加工內(nèi)螺紋升角不同而產(chǎn)生軸向進給的速度，中間模具與三個滾壓模具相互嚙合，從而完成滾壓過程。

(2)通過仿真模擬得到內(nèi)螺紋滾壓過程中的金屬流動規(guī)律，塑性變形及材料流動主要發(fā)生在坯料內(nèi)表面，牙底的材料流動最大，越靠近外表面，材料流動越小甚至不發(fā)生塑性形變，軸端部分的材料向兩端溢出，牙底材料在模具徑向滾壓力作用下一部分沿徑向朝外流動，一部分沿徑向朝里流動。

(3)通過試驗得到滾壓后的內(nèi)螺紋牙型的高度與仿真的誤差為0.9%，由于模具牙頂對內(nèi)螺紋牙底的擠壓，使得牙底的塑性變形程度最大，晶粒被拉長，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，硬度較坯料加工前硬度提高大約38%。