大導(dǎo)程螺母的內(nèi)螺紋冷擠壓加工工藝研究

崔 鑫， 趙永強(qiáng)*， 李瑞超， 何亞銀， 劉崇智

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.中航飛機(jī)股份有限公司 長沙起落架分公司， 陜西 漢中 723001)

大導(dǎo)程滾珠絲杠螺母副作為一種將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床功能部件，在數(shù)控機(jī)床的快速進(jìn)給系統(tǒng)中，占據(jù)著不可替代的地位。在大導(dǎo)程滾珠絲杠螺母副中，螺母的加工制約著大導(dǎo)程滾珠絲杠副的加工難度。目前大導(dǎo)程滾珠絲杠的螺母采用內(nèi)螺紋磨削的方法，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)螺母與磨削頭之間的干涉問題[1-2]，為了避免內(nèi)螺紋磨削中的干涉問題，而開展?jié)L珠絲杠螺母副的螺母內(nèi)螺紋的冷擠壓方法研究。

冷擠壓是內(nèi)螺紋加工方法之一，是利用擠壓絲錐的錐部棱齒擠壓工件金屬并使之沿軸向和徑向塑性流動(dòng)，層層擠壓形成內(nèi)螺紋的過程[3-6]。擠壓絲錐采用非切削方式，相對于切削絲錐而言，在加工過程中金屬材料金相纖維沒有被破壞，以及表面冷作硬化的作用，與傳統(tǒng)切削加工內(nèi)螺紋方法相比，冷擠壓加工形成的螺紋強(qiáng)度和硬度更高[7-8]，齒面的光潔度更好[9-10]，大幅提高了螺紋的加工質(zhì)量[11]。

內(nèi)螺紋的冷擠壓過程中，絲錐依靠擠壓扭矩進(jìn)行擠壓攻絲，在擠壓扭矩的作用下，絲錐完成擠壓動(dòng)作。內(nèi)螺紋擠壓過程所要求的扭矩大約是內(nèi)螺紋切削過程所要求扭矩的1～2倍[12-13]，因此，較普通切削絲錐而言，擠壓絲錐在擠壓加工過程中容易出現(xiàn)因扭矩過大而引起絲錐斷裂等問題。實(shí)際擠壓過程中絲錐工作扭矩的設(shè)計(jì)與預(yù)測還沒有成熟的計(jì)算方法，目前使用最多的就是通過反復(fù)多次的加工試驗(yàn)和實(shí)際測量，以得到擠壓扭矩的估算值。

本文通過三維有限元分析軟件DEFORM-3D對大導(dǎo)程滾珠絲杠螺母副中的螺母內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程進(jìn)行仿真，對擠壓階段所形成的牙形截面中質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行分析，總結(jié)擠壓過程中絲錐所受扭矩的變化規(guī)律。

1 內(nèi)螺紋冷擠壓成形原理

圖1 擠壓絲錐的結(jié)構(gòu)

內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程不同于傳統(tǒng)的切削攻絲，冷擠壓成形技術(shù)是利用工件金屬材料受力后發(fā)生塑性流動(dòng)和變形的特性，在預(yù)制好的工件底孔上擠壓出內(nèi)螺紋的方法[14]。在冷擠壓內(nèi)螺紋的過程中采用的擠壓絲錐結(jié)構(gòu)如圖1所示。擠壓絲錐是根據(jù)非圓形理論設(shè)計(jì)的螺紋齒形，通?？煞譃楣ぷ鞑糠諰1和夾持部分L2，其中工作部分又可分為擠壓部分A1和校準(zhǔn)部分A2，擠壓部分A1制成錐角為φ的錐形。當(dāng)擠壓絲錐旋入工件預(yù)制底孔時(shí)，擠壓部分A1的棱齒逐漸擠壓螺母底孔內(nèi)壁的金屬材料，使工件金屬在有限空間內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，向擠壓絲錐的齒溝流去，原因是沿齒溝方向的阻力最小。由于擠壓絲錐作螺旋線運(yùn)動(dòng)，螺母被擠壓掉的金屬變成了彎曲、連續(xù)的形狀，從兩側(cè)流向絲錐螺紋的牙底，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)螺紋的擠壓成形。在擠壓成形的過程中，由于螺母底孔內(nèi)壁上的金屬所受的三向壓應(yīng)力，可以使螺母內(nèi)螺紋的塑性得到較大提高[5]。

內(nèi)螺紋冷擠壓成形的實(shí)質(zhì)是擠壓絲錐的第一個(gè)棱齒與螺母內(nèi)壁金屬之間的相互接觸，接觸部位的金屬在絲錐擠壓力和摩擦力的雙重作用下發(fā)生變形，螺母內(nèi)壁的金屬材料沿著棱齒的齒面流動(dòng)，隨著擠壓絲錐的逐步進(jìn)給，工件材料的變形進(jìn)一步增加。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)棱齒離開時(shí)，工件金屬材料的彈性變形恢復(fù)而塑性變形被保留，隨后在連續(xù)的第二棱齒擠入工件時(shí)，對前面已發(fā)生塑性變形的金屬進(jìn)行再一次的擠壓，絲錐棱齒擠入工件的深度會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。如此反復(fù)，當(dāng)擠壓絲錐的最后一個(gè)棱齒離開工件首次發(fā)生變形的區(qū)域時(shí)，該區(qū)域便形成了一個(gè)完整的牙形。以此類推，當(dāng)擠壓絲錐的最后一個(gè)棱齒離開工件時(shí)，便形成了一個(gè)完整的內(nèi)螺紋型線。

2 影響冷擠壓加工質(zhì)量的因素

2.1 螺母底孔直徑的確定

圖2 螺紋牙尖缺肉

大導(dǎo)程螺母在擠壓前預(yù)留的底孔直徑大小直接影響冷擠壓加工后的螺紋質(zhì)量，底孔直徑太大會(huì)導(dǎo)致螺紋小徑偏大，螺紋牙尖缺肉，不能形成完整的齒形，擠壓的牙形失真，如圖2所示，直接影響螺紋連接強(qiáng)度；預(yù)留孔直徑過小，使得工件金屬擠滿牙尖，加工過程中絲錐受到的擠壓力、摩擦力變大，絲錐的磨損加快甚至折斷。所以，選擇合適的底孔直徑是保證加工要求的重要指標(biāo)[15]。

因此，應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算底孔的直徑大小，擠壓絲錐攻絲加工底孔直徑的經(jīng)驗(yàn)公式[16-17]為

D=d-0.68LP，

(1)

式中，D為預(yù)留孔直徑，單位mm；d為絲錐的公稱直徑，單位mm；L為螺紋的螺距，單位mm；P為螺紋的牙形百分比。

由于冷擠壓成形時(shí)金屬機(jī)械硬化的作用，使得擠壓螺紋的牙形百分比達(dá)到60%就滿足強(qiáng)度要求，因此通常情況下以65%作為P的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值。

2.2 擠壓速度的選擇

內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程中，當(dāng)擠壓速度過高時(shí)，螺紋表面局部過熱，引起表面燒傷，在高溫條件下，絲錐與工件表面會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)作用，使表面形成缺陷。擠壓速度過慢時(shí)，工件材料和絲錐的接觸時(shí)間延長，擠壓變形區(qū)的溫度下降較多，金屬的屈服強(qiáng)度增大，所需的擠壓力增大，螺紋成形效果也會(huì)變差，故擠壓速度也不能太低[13,18]。

在內(nèi)螺紋的冷擠壓加工中，擠壓速度的選擇直接影響著擠壓扭矩。當(dāng)擠壓速度小于6 r/min時(shí)，擠壓扭矩較大；當(dāng)擠壓速度大于6 r/min時(shí)，擠壓扭矩會(huì)迅速下降；但是，隨著擠壓速度的進(jìn)一步增大，擠壓扭矩的增長緩慢，而擠壓絲錐的磨損加劇。因此，冷擠壓加工內(nèi)螺紋時(shí)，擠壓速度應(yīng)該控制在4～6 r/min范圍內(nèi)。

2.3 冷卻潤滑液的選擇

在內(nèi)螺紋冷擠壓成形加工中，因擠壓絲錐與工件金屬材料之間發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，產(chǎn)生大量的熱量引起擠壓區(qū)溫度升高，導(dǎo)致加工質(zhì)量受到影響。

采用合適的冷卻液不僅能夠減少工件與絲錐之間的摩擦力，使擠壓力減小，并能提高絲錐的工作壽命。隨著冷卻液黏度的增大，擠壓扭矩與擠壓溫度都會(huì)增加，采用薄油膜潤滑有利于降低摩擦阻力，減少熱生成。厚油膜在壓力作用下，不利于絲錐對工件的充分?jǐn)D壓，會(huì)引起工件表面的咬焊和粘著，影響螺紋的加工質(zhì)量[3,6]。

3 內(nèi)螺紋冷擠壓的有限元模擬

3.1 建模和初始設(shè)置

DEFORM-3D是一個(gè)基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)(Finite Element Method，F(xiàn)EM)，專門用于分析各種金屬成形過程中的三維流動(dòng)，其本身強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分系統(tǒng)、計(jì)算精度和結(jié)果可靠性，越來越得到成形模擬領(lǐng)域的認(rèn)可[19-21]。利用三維軟件UG建立的有限元模型如圖3所示。為了簡化模型，減少計(jì)算的工作量，特作以下假設(shè)：(1)設(shè)定絲錐為剛性體(Rigid)，在擠壓的過程中不發(fā)生塑性變形；(2)擠壓過程溫度保持不變；(3)設(shè)定工件屬性為塑性體(Plastic)，不發(fā)生彈性變形，材料為35號鋼；(4)工件和絲錐之間的摩擦系數(shù)恒定不變。其余初始條件和邊界條件設(shè)置如表1所示。

圖3 絲錐與工件的三維模型

項(xiàng)目參數(shù)絲錐轉(zhuǎn)速0.523 6 rad/s絲錐軸向運(yùn)動(dòng)速度0.125 mm/s摩擦系數(shù)0.12網(wǎng)格單元數(shù)100 000溫度20 ℃

3.2 內(nèi)螺紋冷擠壓成形過程模擬分析

對M10-1.5內(nèi)螺紋的冷擠壓進(jìn)行了模擬仿真，其在擠壓階段、校核階段的仿真圖及相應(yīng)的金屬變形速度矢量、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變?nèi)鐖D4、圖5所示。

圖4 M10-1.5成形過程 圖5 M10-1.5校核階段

由于內(nèi)螺紋冷擠壓成形是金屬本身的塑性流動(dòng)過程，在圖4(a)、(b)中可以看出，擠壓絲錐棱齒與工件材料接觸的地方應(yīng)力相對較大，受力較大的地方大約在距離內(nèi)螺紋牙底的一個(gè)牙高處。由圖5(c)中可以看出，工件材料在擠壓力和摩擦力的作用下向齒側(cè)流動(dòng)且材料的流動(dòng)速度在錐齒附近時(shí)較大。在冷擠壓成形階段，應(yīng)力、應(yīng)變的跨度范圍較大，隨著擠壓絲錐的逐步進(jìn)給，工件的應(yīng)變整體逐漸變大。在圖5校核階段，牙形基本上已經(jīng)形成，在對成型階段的牙形進(jìn)行校正，金屬的應(yīng)力、應(yīng)變相對穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)局部的應(yīng)力較大，變形量也相對成形階段較小。

3.3 內(nèi)螺紋冷擠壓扭矩規(guī)律分析

在內(nèi)螺紋冷擠壓過程中，擠壓絲錐的扭矩變化可總結(jié)為三個(gè)階段：第一階段是成形階段，隨著擠壓絲錐不斷地旋入底孔，參與擠壓的絲錐棱齒逐漸變多，使絲錐的扭矩逐漸增大；第二階段是成形和校核共存的階段，在校核階段牙形已經(jīng)成形，相對應(yīng)變較穩(wěn)定，扭矩較小，因此在此階段，絲錐的扭矩會(huì)有平緩的上升趨勢；第三階段是旋出階段，隨著擠壓絲錐的軸向進(jìn)給，絲錐成型部分逐漸旋出工件，與底孔分離，使絲錐受到的扭矩逐漸減小。

對M10-1.5內(nèi)螺紋的冷擠壓進(jìn)行了模擬仿真，在冷擠壓加工的過程中內(nèi)螺紋的扭矩變化曲線如圖6所示，隨著擠壓絲錐的軸向進(jìn)給，扭矩曲線的總變化趨勢與理論分析的扭矩變化一致。

圖6 擠壓絲錐仿真時(shí)的扭矩曲線

根據(jù)擠壓絲錐的平均壽命，擠壓絲錐攻絲時(shí)所需扭矩的計(jì)算公式[15]為

MD=1.5A·KS·d1/1000[N·m]，

(2)

式中，切屑截面積A=0.25P2mm2，d1為絲錐大徑，KS為材料的比切力。

采用M10-1.5的絲錐，工件材料為35鋼，根據(jù)式(2)計(jì)算得到的理論扭矩為21 N·m。根據(jù)冷擠壓內(nèi)螺紋的仿真結(jié)果，最大扭矩為23.1 N·m，二者基本相近。在理論最大扭矩的計(jì)算式(2)中，沒有體現(xiàn)底孔直徑、工作轉(zhuǎn)速和擠壓絲錐的參數(shù)對扭矩的影響，因此在模擬仿真的最大扭矩比理論最大扭矩稍大屬于正常。

4 結(jié) 論

針對大導(dǎo)程螺母難磨削的技術(shù)缺陷，提出了一種內(nèi)螺紋冷擠壓的成形加工方法，建立了M10-1.5的螺母內(nèi)螺紋底孔直徑和擠壓扭矩的計(jì)算公式和有限元分析模型，并對擠壓加工過程在DeFORM-3D軟件中，絲錐按照0.523 6 rad/s的轉(zhuǎn)速和0.125 mm/s的軸向速度在常溫下仿真時(shí)，最大等效應(yīng)力達(dá)到918.5 MPa，等效應(yīng)變最大為19.94 mm/mm，金屬的流動(dòng)速度最大為0.199 mm/s。擠壓絲錐的工作扭矩在成形階段逐漸增大，在成形和校核共存階段仍會(huì)平緩上升并且達(dá)到最大扭矩值23.1 N·m，而扭矩波動(dòng)值增大；而在旋出階段會(huì)逐漸減小。內(nèi)螺紋擠壓的仿真結(jié)果與理論計(jì)算值21 N·m相比的差值在10%以內(nèi)，具有一定的可信度。