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内螺纹铜管指外表面光滑,内表面具有一定数量、一定形状的螺纹齿的铜管,是一种应用于空调器的高效传热管。无缝铜管旋压法是目前成形内螺纹铜管的主要方法,而滚珠旋压成形是该方法生产内螺纹铜管的核心工艺。内螺纹铜管滚珠旋压成形时,铜管坯不仅有直径和壁厚的变化,而且还有内螺纹齿的生成,因而金属流动规律比较复杂,涉及几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等一系列难题。研究内螺纹铜管滚珠旋压的成形规律对合理设计模具、优化工艺参数及预测产品缺陷具有重要指导意义。本文从解析求解和有限元模拟两个角度对内螺纹铜管滚珠旋压成形工艺进行了研究,其中解析求解为辅,有限元模拟为主。
本文将内螺纹铜管滚珠旋压成形简化为平面应变问题,在光滑圆柱芯头旋压成形和金属挤压成形的研究的基础上,利用上限法建立了求解铜管坯外表面接触应力的解析模型。
本文阐述了大变形弹塑性有限元数值模拟基本理论在内螺纹铜管滚珠旋压数值模拟中的应用,解决了滚珠运动轨迹的数学描述、单元类型选择、材料模型建立、网格自适应划分、接触和摩擦问题处理等数值模拟关键问题,综合利用MSC.Mentat、Unigraphics/NX、MSC.Patran软件建立了简化合理的内螺纹铜管滚珠旋压成形二维及三维弹塑性有限元模拟模型,并在MSC.MARC上对内螺纹铜管滚珠旋压成形过程进行了仿真运算。
本文以二维仿真结果研究了滚珠旋压成形内螺纹铜管的常见缺陷——凹口的产生原因和位置。以三维仿真结果研究得到了滚珠旋压成形时铜管坯的金属流动规律、应力应变分布规律、滚珠与芯头的受力特点,研究了滚珠压下量对内螺纹铜管滚珠旋压成形的影响。本文还将铜管坯接触应力的解析解与三维有限元数值模拟数值解进行了比较,二者具有较好的吻合性,从而验证了本文模拟结果的正确性。