內螺紋擠壓關鍵技術

范淑琴，朱倩，王琪，趙升噸

（西安交通大學 機械工程學院，西安 710049）

內螺紋冷擠壓塑性成形工藝是一種利用金屬的塑性進行塑性成形的方法，此方法通過在工件相應位置上預制加工底孔，然后擠壓絲錐的擠壓錐部旋進底孔，錐部棱脊部分擠壓工件材料，使得材料沿絲錐牙側流動，層層擠壓形成螺紋[1—5]。由于采用非切削方式，材料晶相纖維沒有被破壞，保持連續狀態，加之冷作硬化作用，與傳統的內螺紋切削方法相比，擠壓形成的螺紋強度和硬度更高[6—8]，光潔度更好[9—11]，沒有切削時產生的亂扣缺陷，在很大程度上提高了內螺紋的質量[12—13]。

內螺紋冷擠壓過程中絲錐主要是依靠擠壓扭矩進行擠壓攻絲的，在擠壓扭矩的作用下，絲錐完成擠壓動作。內螺紋擠壓過程所要求的扭矩大約是內螺紋切削過程所要求扭矩的 1.5～2倍[14—16]，因此，擠壓過程很容易出現因扭矩過大而引起溫度過高、絲錐折斷等問題。在實際生產中，需要通過反復實驗才能得到內螺紋擠壓時所需扭矩，浪費了大量的人力物力。隨著數值模擬方法的不斷發展，通過數值仿真的方法模擬擠壓加工過程及擠壓扭矩，已經成為今后的發展趨勢。文中將通過設計M12～M24粗牙擠壓絲錐，作出其三維模型及相應的工件模型，通過體積成形數值模擬軟件Deform-3D，仿真內螺紋擠壓過程，得到內螺紋擠壓過程及擠壓扭矩變化規律，并比較仿真最大扭矩和理論最大扭矩，進而驗證數值仿真的可行性，為內螺紋冷擠壓機器的設計提供一定指導。

1 內螺紋冷擠壓成形基本理論

1.1 內螺紋冷擠壓塑性成形過程

內螺紋冷擠壓過程分為成形過程、成形校形同時存在的過程及校形過程。在成形過程，絲錐擠壓錐部擠入工件底孔，當第一個棱脊擠入底孔中，在錐齒擠壓和摩擦力的作用下，材料產生變形，當第一個棱脊離開后，材料的彈性變形恢復，塑性變形被保留，隨后在第二個棱脊的作用下，材料繼續發生變形，如此重復，直至校準部進入底孔，此時成形過程和校形過程同時存在，當擠壓錐部完全通過底孔時，校形過程開始，材料在成形過程出現的部分彈性變形及螺紋牙形得以修正，最終形成質量較好的內螺紋[17—18]。內螺紋冷擠壓原理見圖1。

圖1 內螺紋冷擠壓原理Fig.1 Cold extrusion principle of internal thread

1.2 內螺紋冷擠壓扭矩變化規律

在成形過程，隨著擠壓錐部逐漸進入底孔，參與擠壓的錐齒逐漸變多，使得擠壓扭矩不斷變大；在校形過程，內螺紋已基本成形，材料的變形量很小，參與擠壓的錐齒不斷減少，此時擠壓扭矩不斷變??；而在二者同時存在的過程中，隨著擠壓錐部的不斷旋出及校形錐部的旋入，扭矩是先增加后減小[19—20]。內螺紋冷擠壓過程扭矩變化曲線見圖2。

圖2 內螺紋冷擠壓過程扭矩變化曲線Fig.2 Changing curve of torque in cold extrusion of internal thread

2 擠壓絲錐主要參數的設計及計算

2.1 大徑、中徑、小徑

在擠壓加工過程中，材料受到擠壓棱齒的擠壓力而產生塑性變形，金屬材料沿著牙側流動而形成螺紋孔，當棱齒離開后，材料會因為彈性收縮使得尺寸縮小，因此，考慮到材料的彈性回彈、加工制造誤差、絲錐使用過程中的磨損等，所以要求擠壓絲錐大徑比同尺寸、同精度的切削絲錐的大徑要稍大 0.01p（p為螺距）左右。一般按照式(1)計算[21—23]，按照式(1)計算得到的M12～M24粗牙擠壓絲錐大徑如下：內螺紋規格為 M12-1.75, M14-2, M16-2, M18-2.5,M20-2.5, M22-2.5, M24-3的大徑分別為 12.252?0.021,14.268?0.023, 16.268?0.023, 18.284?0.024, 20.284?0.024, 22.284?0.024,24.340?0.028mm。

式中：d為擠壓絲錐大徑(mm)；D為內螺紋大徑

基本尺寸(mm)；Vd為絲錐大徑磨損量（約為0.4TD2，TD2為內螺紋中徑公差，按 8級公差選用）(mm)；l1為內螺紋大徑彈性收縮量（約為 0.4TD2）(mm)；Δd為擠壓絲錐大徑制造公差（約為 1/3JS，JS是普通切削絲錐大徑下偏差）(mm)。

一般來說，中徑是衡量內螺紋質量的重要指標，由于冷擠壓是塑性成形工藝，擠壓絲錐的中徑將直接反映在內螺紋上面，所以擠壓絲錐的中徑控制很嚴格，其公差約為同規格切削絲錐的2/3～4/5[21—23]。一般按照式(2)計算絲錐中徑。M12-1.75, M14-2, M16-2,M18-2.5, M20-2.5, M22-2.5, M24-3的中徑分別為11.021?0.021, 12.869?0.023, 14.869?0.023, 16.554?0.024,18.554?0.024, 20.554?0.024, 22.263?0.028mm。

式中：d2為擠壓絲錐中徑(mm)；D2為內螺紋中徑基本尺寸(mm)；Es為內螺紋中徑上偏差(mm)；Em為內螺紋中徑下偏差(mm)；l2為內螺紋中徑彈性收縮量（約為0.4TD2）(mm)；Δd2為擠壓絲錐中徑制造公差（一般取 2/3(Es?Em)）(mm)。

擠壓絲錐的小徑一般按照普通切削絲錐小徑的最大值選取，一般按照式(3)計算[21—23]，M12-1.75,M14-2, M16-2, M18-2.5, M20-2.5, M22-2.5, M24-3的小徑最大值分別為 10.170, 11.903, 13.903, 15.366,17.366, 19.366, 20.837 mm。式中：d1max為擠壓絲錐小徑最大值(mm)；d1為普通切削絲錐小徑最大值(mm)。

2.2 鏟磨量

擠壓絲錐的實際截面形狀對內螺紋的質量起著決定性作用，其中至關重要的一個參數是鏟磨量κ。每一種規格的擠壓絲錐都有一個對應的最大允許鏟磨量κmax，若超過κmax，會造成棱脊變尖，影響絲錐壽命甚至造成牙形畸變；若κ過小，會造成擠壓扭矩過大，使絲錐極易折斷。一般來說，當棱脊數為4時，κ≤0.06d；當棱脊數為6時，κ≤0.03d；當棱脊數為 8時，κ≤0.02d，此時能使擠壓扭矩控制在合理范圍內，且保證絲錐壽命和內螺紋的質量[22—24]。M12-1.75, M14-2, M16-2, M18-2.5, M20-2.5, M22-2.5,M24-3的鏟磨量分別為 0.72, 0.84, 0.96, 0.54, 0.60,0.66, 0.72 mm。

2.3 預制底孔直徑

在內螺紋冷擠壓之前，需要在加工位置處預制擠壓底孔，其大小對擠壓扭矩及內螺紋的質量至關重要，若太大，則絲錐不能充分擠壓工件材料，使得牙高率不足，若太小，則絲錐擠壓困難，造成擠壓扭矩劇增甚至引起絲錐折斷。底孔直徑一般按照式(4)計算[21—23]，M12-1.75, M14-2, M16-2, M18-2.5, M20-2.5, M22-2.5,M24-3的預制底孔直徑分別為11.125, 13, 15, 16.75,18.75, 20.75, 22.5 mm。

式中：d孔為預制底孔直徑(mm)；d為預擠壓內螺紋公稱直徑(mm)；P為預擠壓內螺紋螺距(mm)。

3 有限元模擬的實現

利用三維建模軟件Solidworks建立M12～M24粗牙擠壓絲錐及工件的三維模型，為了提高計算效率，只用1/4工件進行仿真，見圖3（以M18-2.5擠壓絲錐及工件為例）。

利用有限元模擬軟件 Deform-3D進行內螺紋擠壓仿真，其初始條件和邊界條件設置如下：① 為簡化模擬過程，將絲錐設置為剛形體，忽略其彈性變形；② 設置工件材料為35鋼，其應力應變曲線見圖4；③ 采用整體劃分網格+局部細化的方法進行工件網格的劃分，以保證計算精度及效率；④ 按照內螺紋冷擠壓低碳鋼時的最佳擠壓速度為 5～6 r/min，設置擠壓速度為5 r/min，由此得到M12～M24粗牙擠壓絲錐攻絲時轉速分別為133, 113, 99, 88, 79, 72, 66 r/min；⑤ 采用剪切摩擦模型，將絲錐和工具之間的摩擦因數設為軟件推薦的0.12；⑥ 采用New-Raphson算法，設置運行步為1500步，步長按照最小網格尺寸的1/3選取，模擬強制停止運動條件根據絲錐實際運動距離設定。

圖3 M18-2.5擠壓絲錐及工件的三維模型Fig.3 3D model of M18-2.5 extrusion taps and workpiece

圖4 35鋼應力應變曲線Fig.4 Stress strain curve of 35 steel

4 仿真結果分析

4.1 內螺紋冷擠壓變形過程分析

圖5 M18-2.5成形過程Fig.5 Forming process of M18-2.5

圖6 M18-2.5校形過程Fig.6 Shape process of M18-2.5

以M18-2.5擠壓仿真為例，其變形過程和校形過程的仿真圖及相應的金屬變形速度矢量、等效應力、等效應變分別見圖5和圖6?？梢钥闯?，由于內螺紋冷擠壓是一個等體積的塑性變形過程，在成形過程，材料在擠壓力和摩擦力的作用下沿錐齒齒側流動，材料變形量很大，錐齒附近的材料流動速度大于工件內部的材料流動速度，此時擠壓絲錐棱脊和材料接觸的地方應力最大，受力較大區域約在距內螺紋牙底一個牙高處；在校形過程，牙形已經基本形成，材料流動量較成形過程小，且大部分向牙側方向移動，進行內螺紋牙形的校正，此時擠壓絲錐棱脊和材料接觸的地方應力仍是最大，距牙底一個牙高處的材料基本上沒有應力，其變形量很小。

4.2 內螺紋冷擠壓扭矩規律分析

以M18-2.5為例，仿真擠壓絲錐扭矩變化曲線見圖7，由于采用1/4工件進行仿真，實際的仿真扭矩需要在此基礎上乘4。從圖7可看出，曲線的總趨勢同理論的扭矩變化曲線一致。

圖7 M18-2.5擠壓絲錐仿真擠壓扭矩變化曲線Fig.7 Simulation extrusion torque curve of M18-2.5 extrusion tap

4.3 仿真最大扭矩與理論最大扭矩對比分析

根據文獻[24]中冷擠壓鋼最大扭矩計算公式：T=D×P2，計算出 M12～M24粗牙擠壓絲錐理論最大扭矩，理論最大扭矩范圍為36～216 N·m，仿真最大扭矩范圍為37～190 N·m，根據體積成形有限元軟件Deform-3D仿真結果，作出絲錐擠壓M12～M24內螺紋擠壓最大扭矩和理論最大扭矩對比及二者的誤差見圖8?？梢钥吹?，不論是仿真最大扭矩還是理論最大扭矩，螺距對于擠壓扭矩的影響小于內螺紋大徑對擠壓扭矩的影響，且仿真最大扭矩比理論最大扭矩稍大，且隨著大徑的增大，誤差范圍為3%～13%，但是實際擠壓最大扭矩受底孔直徑、轉速、鏟磨量等因素的影響，而上面所述公式沒有體現這些因素，因此理論最大扭矩公式還需完善。

圖8 M12～M24擠壓絲錐仿真最大扭矩和理論最大扭矩曲線Fig.8 Simulation maximum torque and theoretical maximum torque curve of M12～M24 extrusion taps

5 結論

1)簡述了內螺紋擠壓塑性變形的過程，基于擠壓絲錐小徑、中徑、鏟磨量計算公式，設計了M12～M24粗牙擠壓絲錐的重要參數，并建立了相應的三維模型。

2)選擇擠壓速度為 5 m/min、摩擦因數為 0.12的工藝參數進行仿真，得到了能比較好地反映內螺紋擠壓成形過程及扭矩變化規律的結果，得到了仿真最大扭矩范圍為37～190 N·m，并和理論計算最大扭矩進行比較，誤差范圍為3%～13%，為內螺紋冷擠壓機器的設計提供一定的指導。

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