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摘要：本文基于Deform-3D构建的内螺纹冷挤压有限元模型，对成型过程进行了数值模拟，分析了其中所得温度和挤压扭矩参数的影响，并从后处理器处获得了成形过程中的等效应力应变及应变速率。为了观测潜在的表面缺陷，模拟过程采用在工件上布置流线网的方式，有效追踪成型过程中的流线变形情况。
关键词：内螺纹；冷挤压；流线网；数值模拟
前言
目前，国内外有关低强度钢内螺纹冷挤压领域的研究集中在工艺参数优化和挤压丝锥改进方面，对高强度钢内螺纹冷挤压领域的研究主要集中在附加低频振动上，研究方法以实验研究和数值模拟为主。本文针对35钢，基于Deform-3D建立内螺纹冷挤压有限元模型并进行有限元模拟，获取成形过程中的等效应力应变及应变速率，分析挤压扭矩和温度的影响，预测可能的成形缺陷，探索内螺纹挤压的新工艺。
1 有限元模型构建
1.1工件和挤压丝锥三维建模
工件坯料利用模拟软件生成，外直径25，高度25，底孔直径11.2。材料：AISI-1035；温度：常温；单位：SI。对工件网格化，网格数取60000，牙顶和牙底间采用局部细化网格。
挤压丝锥建模通过实测M12四棱挤压丝锥，利用Solidworks软件建立挤压丝锥的三维模型，并按Deform-3D对几何模型接口要求，保存为STL格式。采用硬质合金carbide（15%cobalt），对丝锥取网格数30000。
1.2导入工件和丝锥几何模型
工件名Workpiece，从软件安装目录下调入。挤压丝锥以上模Top Die导入。由于Solidworks绘图中心坐标与Deform-3D坐标中心不一致，导入丝锥后，需通过移动使工件和丝锥的回转中心重合。为了节省计算时间，使丝锥和工件发生干涉，有一初步接触量，如图1所示。
1.3设置丝锥运动参数
丝锥旋转的同时向下运动。选择top die，类型选择旋转rotaion，旋转角速度设置为3.14rad/sec，移动方向设置为沿-Z方向，movement-constant value处设为螺距的一半，即0.875。
1.4工件坯料的固定
工件在模拟过程中应固定不动，否则丝锥旋转将使工件不规则运动。点击mesh-detailed-settings-mesh windows，用两个同轴圆柱面包围工件螺纹处，设置外圆柱面的直径要比螺纹大径要大，内圆柱面的直径要比螺纹小径要小，并且X、Y坐标全为0，单击边界条件（BBC）固定零件X、Y、Z各个方向不动。
1.5设置模拟条件
在Simulation controls对话框中设置步长和总步数，测量变形体单元长度，估算步长取0.05，总步数500步，存储增量为10，同时设置模拟终止的行程条件。为获取热传递结果，Mode选项同时选中Deformation和Heat Transfer复选框。
1.6定义接触关系
在Inter-object对话框中定义从属关系，丝锥设为Master，工件设为Slave，摩擦系数设为0.08。单击菜单中的inter Object Relationships，在窗口中点击上模→edit→tolerance→generate all，计算出适合的接触公差。
1.7检查生成数据库
在前处理目录中单击database generation，在弹出来的对话框中点击check进行核查。通过则全显示绿色，不通过会有红色提示，需要纠正错误。若全是绿色，单击generate生成DB文件，再单击退出返回（Close）前处理窗口，检查完成并进行保存。
2 运行模拟
从前处理界面退出后，找到之前保存的DB文件，单击文件，点击run开始计算。由于设置了网格自动重分，每走几步就会重新划分网格，若建模时参数设置不当，网格重分可能失败，或使计算时间过长，这时需修改数据库并重新保存。为了获取不同丝锥旋转角速度及不同螺纹底孔直径等的影响，可建不同的数据库，进行仿真结果比较。
3 模拟结果与分析
3.1 工件及丝锥的温度变化
模拟结果在后处理器中获取，如图2、图3所示分别为476模拟步时工件和丝锥的温度，从图中可知产生的热量主要传入工件中，工件因成形螺纹牙型发生了较大变形，消耗的能量转变成热量，同时受丝锥摩擦发热的影响，而丝锥只有摩擦产生的热量，故温度明显要低些。
3.2 行程和扭矩关系
图4是行程-扭矩图，显示随丝锥不断进入工件，扭矩呈增大趋势，但行程超过一半后，扭矩图趋平缓。当行程达一定距离后，丝锥前面挤压部分基本恒定，增加的只是摩擦力，但由于温度升高，部分抵消了摩擦的影响，行程最后扭矩甚至约有降低。
3.3 应力应变和应变速率的分析
在Deform有限元分析中，等效应力和等效应变是通过真实应力和真实应变定义的。图5表示等效应变图，从数据库中抽取的数据显示最大应变达10.3741。图6表示等效应力图，最大应力达913MPa。图7为模拟476步时的应变速率云图。
3.4 工件成形分析
图8是230步时的工件成形状态，图9是476步时工件断面图。由图可见，螺纹牙型基本成型，但中部有部分烂牙或折叠。
3.5点追踪分析
在点追踪窗口选择开始的模拟步和需追踪的点。图10是提取的纵向点追踪情况，由图中曲线可见，三点间各有一滞后，但中间曲線有相交的情况，或可解释为出现烂牙的原因。图11是圆周方向点追踪图。
4 总结与结论
通过仿真可获得下列结论：
三维建模及模拟参数设置中，必须调整上模中心，使其与工件中心重合。为使模拟结果收敛，需注意对网格重划分的设置。
内螺纹冷挤压，在不附加振动的情况下，当材料的强度硬度大于或等于AISI-1035对应的强度硬度值时，将不能获得良好的牙型。
挤压产生的热量，主要使工件温度升高，而丝锥温度变化不大。对于温度升高对挤压扭矩的影响，是降低扭矩还是增加扭矩有待进一步试验验证。
流线网分析对于发现成形缺陷具有可视及直观的特点，能较好反映仿真的效果。
参考文献：
[1]张善文，汤淋淋，贺强，缪宏，张剑峰.（2017）挤压速度对内螺纹冷挤压成形过程的影响[J].工具技术，51（11）：54-56.
[2]张鹏升，杜宇波，李亚东，菅悦，王金辉.（2016）内螺纹冷挤压成形过程中金属流动行为研究[J].铸造技术，37（06）：1216-1217.
[3]杜宇波，张鹏升.（2015）内螺纹复合振动挤压成形过程数值模拟[J].铸造技术，36（10）：2541-2544.
[4]史大彬.（2013）内螺纹冷挤压在线监测技术研究[D].南京航空航天大学.
[5]梁瑜轩，黎向锋，左敦稳，黄小龙，缪宏.（2013）内螺纹低频振动冷挤压试验研究[J].航空学报，34（02）：442-450.
[6]缪宏，左敦稳，张瑞宏，王珉.（2011）.Q460高强度钢内螺纹冷挤压试验研究[J].机械工程学报，47（13）：160-166.
作者简介：
蒙秉嵩，男，1963年出生，副教授，主要研究方向为机械制造及其自动化。
林芸，女，1965年出生，教授，主要研究方向为机械制造及其自动化。
钟丽琼，女，1981年出生，副教授，主要研究方向为机械制造及其自动化。
姚固文，男，1982年出生，讲师，主要研究方向为机械制造及其自动化。
基金项目：
贵州省科学技术基金项目（黔科合LH字[2014]7173号）
关键词：内螺纹；冷挤压；流线网；数值模拟
前言
目前，国内外有关低强度钢内螺纹冷挤压领域的研究集中在工艺参数优化和挤压丝锥改进方面，对高强度钢内螺纹冷挤压领域的研究主要集中在附加低频振动上，研究方法以实验研究和数值模拟为主。本文针对35钢，基于Deform-3D建立内螺纹冷挤压有限元模型并进行有限元模拟，获取成形过程中的等效应力应变及应变速率，分析挤压扭矩和温度的影响，预测可能的成形缺陷，探索内螺纹挤压的新工艺。
1 有限元模型构建
1.1工件和挤压丝锥三维建模
工件坯料利用模拟软件生成，外直径25，高度25，底孔直径11.2。材料：AISI-1035；温度：常温；单位：SI。对工件网格化，网格数取60000，牙顶和牙底间采用局部细化网格。
挤压丝锥建模通过实测M12四棱挤压丝锥，利用Solidworks软件建立挤压丝锥的三维模型，并按Deform-3D对几何模型接口要求，保存为STL格式。采用硬质合金carbide（15%cobalt），对丝锥取网格数30000。
1.2导入工件和丝锥几何模型
工件名Workpiece，从软件安装目录下调入。挤压丝锥以上模Top Die导入。由于Solidworks绘图中心坐标与Deform-3D坐标中心不一致，导入丝锥后，需通过移动使工件和丝锥的回转中心重合。为了节省计算时间，使丝锥和工件发生干涉，有一初步接触量，如图1所示。
1.3设置丝锥运动参数
丝锥旋转的同时向下运动。选择top die，类型选择旋转rotaion，旋转角速度设置为3.14rad/sec，移动方向设置为沿-Z方向，movement-constant value处设为螺距的一半，即0.875。
1.4工件坯料的固定
工件在模拟过程中应固定不动，否则丝锥旋转将使工件不规则运动。点击mesh-detailed-settings-mesh windows，用两个同轴圆柱面包围工件螺纹处，设置外圆柱面的直径要比螺纹大径要大，内圆柱面的直径要比螺纹小径要小，并且X、Y坐标全为0，单击边界条件（BBC）固定零件X、Y、Z各个方向不动。
1.5设置模拟条件
在Simulation controls对话框中设置步长和总步数，测量变形体单元长度，估算步长取0.05，总步数500步，存储增量为10，同时设置模拟终止的行程条件。为获取热传递结果，Mode选项同时选中Deformation和Heat Transfer复选框。
1.6定义接触关系
在Inter-object对话框中定义从属关系，丝锥设为Master，工件设为Slave，摩擦系数设为0.08。单击菜单中的inter Object Relationships，在窗口中点击上模→edit→tolerance→generate all，计算出适合的接触公差。
1.7检查生成数据库
在前处理目录中单击database generation，在弹出来的对话框中点击check进行核查。通过则全显示绿色，不通过会有红色提示，需要纠正错误。若全是绿色，单击generate生成DB文件，再单击退出返回（Close）前处理窗口，检查完成并进行保存。
2 运行模拟
从前处理界面退出后，找到之前保存的DB文件，单击文件，点击run开始计算。由于设置了网格自动重分，每走几步就会重新划分网格，若建模时参数设置不当，网格重分可能失败，或使计算时间过长，这时需修改数据库并重新保存。为了获取不同丝锥旋转角速度及不同螺纹底孔直径等的影响，可建不同的数据库，进行仿真结果比较。
3 模拟结果与分析
3.1 工件及丝锥的温度变化
模拟结果在后处理器中获取，如图2、图3所示分别为476模拟步时工件和丝锥的温度，从图中可知产生的热量主要传入工件中，工件因成形螺纹牙型发生了较大变形，消耗的能量转变成热量，同时受丝锥摩擦发热的影响，而丝锥只有摩擦产生的热量，故温度明显要低些。
3.2 行程和扭矩关系
图4是行程-扭矩图，显示随丝锥不断进入工件，扭矩呈增大趋势，但行程超过一半后，扭矩图趋平缓。当行程达一定距离后，丝锥前面挤压部分基本恒定，增加的只是摩擦力，但由于温度升高，部分抵消了摩擦的影响，行程最后扭矩甚至约有降低。
3.3 应力应变和应变速率的分析
在Deform有限元分析中，等效应力和等效应变是通过真实应力和真实应变定义的。图5表示等效应变图，从数据库中抽取的数据显示最大应变达10.3741。图6表示等效应力图，最大应力达913MPa。图7为模拟476步时的应变速率云图。
3.4 工件成形分析
图8是230步时的工件成形状态，图9是476步时工件断面图。由图可见，螺纹牙型基本成型，但中部有部分烂牙或折叠。
3.5点追踪分析
在点追踪窗口选择开始的模拟步和需追踪的点。图10是提取的纵向点追踪情况，由图中曲线可见，三点间各有一滞后，但中间曲線有相交的情况，或可解释为出现烂牙的原因。图11是圆周方向点追踪图。
4 总结与结论
通过仿真可获得下列结论：
三维建模及模拟参数设置中，必须调整上模中心，使其与工件中心重合。为使模拟结果收敛，需注意对网格重划分的设置。
内螺纹冷挤压，在不附加振动的情况下，当材料的强度硬度大于或等于AISI-1035对应的强度硬度值时，将不能获得良好的牙型。
挤压产生的热量，主要使工件温度升高，而丝锥温度变化不大。对于温度升高对挤压扭矩的影响，是降低扭矩还是增加扭矩有待进一步试验验证。
流线网分析对于发现成形缺陷具有可视及直观的特点，能较好反映仿真的效果。
参考文献：
[1]张善文，汤淋淋，贺强，缪宏，张剑峰.（2017）挤压速度对内螺纹冷挤压成形过程的影响[J].工具技术，51（11）：54-56.
[2]张鹏升，杜宇波，李亚东，菅悦，王金辉.（2016）内螺纹冷挤压成形过程中金属流动行为研究[J].铸造技术，37（06）：1216-1217.
[3]杜宇波，张鹏升.（2015）内螺纹复合振动挤压成形过程数值模拟[J].铸造技术，36（10）：2541-2544.
[4]史大彬.（2013）内螺纹冷挤压在线监测技术研究[D].南京航空航天大学.
[5]梁瑜轩，黎向锋，左敦稳，黄小龙，缪宏.（2013）内螺纹低频振动冷挤压试验研究[J].航空学报，34（02）：442-450.
[6]缪宏，左敦稳，张瑞宏，王珉.（2011）.Q460高强度钢内螺纹冷挤压试验研究[J].机械工程学报，47（13）：160-166.
作者简介：
蒙秉嵩，男，1963年出生，副教授，主要研究方向为机械制造及其自动化。
林芸，女，1965年出生，教授，主要研究方向为机械制造及其自动化。
钟丽琼，女，1981年出生，副教授，主要研究方向为机械制造及其自动化。
姚固文，男，1982年出生，讲师，主要研究方向为机械制造及其自动化。
基金项目：
贵州省科学技术基金项目（黔科合LH字[2014]7173号）