王建文，李 超，徐興偉，文 亮，安慶龍，陳 明

(1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交大智邦科技有限公司，上海 201306)

0 引言

螺紋擠壓成型工藝作為一種先進(jìn)的螺紋制造技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)工件螺紋高效率、高精度加工的同時(shí)，能夠?qū)ぜ菁y進(jìn)行疲勞性能強(qiáng)化，即抗疲勞制造，顯著提升工件螺紋機(jī)械連接強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用至飛機(jī)、高鐵、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等需承受變載荷、高負(fù)載條件工況的裝備關(guān)鍵部件螺紋制造過程中[1-3]。金屬螺紋擠壓加工的原理是應(yīng)用專用刀具——擠壓絲錐對(duì)工件預(yù)制底孔部分材料進(jìn)行多次擠壓，使材料沿著絲錐刀齒發(fā)生塑性流動(dòng)，變形為預(yù)期形狀的內(nèi)螺紋，本質(zhì)為金屬塑性成型過程。由于螺紋擠壓成型過程不破壞材料表面組織纖維，螺紋加工表面完整性高，螺紋根部形成殘余壓應(yīng)力層，大大提升了螺紋的抗疲勞性能；同時(shí)，擠壓成型加工速度高，生產(chǎn)效率高，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)中[4-5]。

目前針對(duì)螺紋擠壓成型工藝的研究，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用加工實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方法對(duì)螺紋擠壓成型工藝過程載荷和加工表面質(zhì)量影響因素進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[1,3,5-6]針對(duì)飛機(jī)起落架所用的Q460高強(qiáng)鋼進(jìn)行了螺紋擠壓加工試驗(yàn)研究，分析潤滑液、工件底孔直徑、擠壓速度與擠壓次數(shù)等工藝參數(shù)條件對(duì)擠壓扭矩與擠壓溫度的影響；并分析了擠壓成型螺紋在顯微硬度、殘余應(yīng)力、表面組織等表面質(zhì)量指標(biāo)的提升。文獻(xiàn)[4]通過Deform-3D進(jìn)行絲錐單齒對(duì)1018鋼的螺紋擠壓成型仿真，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析了刀具結(jié)構(gòu)和潤滑參數(shù)對(duì)螺紋成型結(jié)果的影響。文獻(xiàn)[7]基于Deform-3D對(duì)Q460鋼螺紋冷擠壓成型進(jìn)行了仿真研究，探究工藝參數(shù)對(duì)擠壓扭矩和溫度等刀具壽命影響指標(biāo)的影響規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)。

當(dāng)前螺紋擠壓加工研究主要集中于航空制造業(yè)中所應(yīng)用的高強(qiáng)鋼的螺紋加工過程扭矩、溫度等變量影響因素及規(guī)律探究，而面向汽車制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的硅鋁合金的螺紋擠壓加工及其刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較少。故本文面向汽車發(fā)動(dòng)機(jī)箱體類零件生產(chǎn)線中螺紋擠壓加工過程的刀具壽命提升和加工能耗降低，基于Deform-3D有限元仿真和加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)A356鋁合金的螺紋擠壓成型加工載荷進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析，進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

1 基于Deform-3D的螺紋擠壓成型建模仿真

1.1 A356鋁合金本構(gòu)方程模型

A356鋁合金(AlSi7Mg)作為一種綜合力學(xué)性能優(yōu)良的壓鑄鋁合金，被廣泛應(yīng)用于當(dāng)今汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、缸體等動(dòng)力總成部件制造。本文以A356鋁合金為研究對(duì)象材料，采用Johnson-Cook本構(gòu)方程來描述工件材料螺紋成型過程中的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系：

(1)

表1 A356鋁合金Johnson-Cook本構(gòu)方程參數(shù)

1.2 擠壓絲錐刀具模型

以汽車動(dòng)力總成生產(chǎn)線中M6×1螺紋加工所用刀具為例，采用的是某國外廠商生產(chǎn)的硬質(zhì)合金擠壓絲錐，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 生產(chǎn)線所用M6×1擠壓絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于工件螺紋加工主要由絲錐主體的錐齒部分對(duì)工件進(jìn)行擠壓成型，為了提高仿真效率，對(duì)M6絲錐的主體工作部分基于SolidWorks軟件進(jìn)行等比例3維建模，如圖1所示。生成stl格式模型后，導(dǎo)入至Deform-3D仿真軟件中，作為仿真中的刀具模型。絲錐材料由Deform-3D自身材料庫導(dǎo)入，設(shè)為硬質(zhì)合金(Carbide, 19%Cobalt)。

(a) 刀具實(shí)物圖

(b) 絲錐主體三維圖圖1 M6×1擠壓絲錐

1.3 螺紋擠壓成型仿真建模與求解

基于金屬塑性成型有限元仿真軟件Deform-3D對(duì)A356鋁合金M6×1內(nèi)螺紋擠壓成型加工過程進(jìn)行仿真建模，工件設(shè)為塑性體，幾何模型為內(nèi)圓為預(yù)設(shè)底孔尺寸，外圓尺寸7 mm，軸向尺寸15 mm的圓筒，材料為A356。網(wǎng)格劃分上，采用四面體網(wǎng)格單元，設(shè)定工件模型網(wǎng)格數(shù)450 000，并對(duì)底孔部分材料局部細(xì)化，尺寸細(xì)化比例0.1，獲得底孔螺紋成型部分網(wǎng)格尺寸約為0.08 mm，全局最小單元尺寸0.063 mm；絲錐設(shè)定為剛體，網(wǎng)格數(shù)量約為120 000，對(duì)擠壓錐部進(jìn)行局部細(xì)化。

圖2 螺紋擠壓成型Deform仿真模型

仿真模型的邊界條件設(shè)置為工件外圓單元固定，絲錐沿轉(zhuǎn)軸按照設(shè)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以進(jìn)給量1 mm/r，即螺紋螺距，軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)?？紤]實(shí)際螺紋擠壓過程所采用潤滑油潤滑，加工設(shè)置摩擦模型為庫倫摩擦[9]，摩擦系數(shù)0.04，熱傳導(dǎo)率11 W/(m·K)，環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃。仿真模型求解形式為Lagrangian增量，求解器為稀疏矩陣法，迭代法采用收斂性較好的Newton-Raphson法，初始迭代步長設(shè)為0.021 mm/step。最終建立螺紋擠壓有限元模型如圖2所示。

圖3 擠壓成型螺紋仿真結(jié)果(剖視圖)

以加工工況擠壓速度10 m/min，即絲錐轉(zhuǎn)速530.52 rpm，底孔直徑5.55 mm下的螺紋擠壓成型仿真結(jié)果為例，螺紋成型效果如圖3所示，能夠獲得預(yù)期型號(hào)完整、準(zhǔn)確的內(nèi)螺紋牙型，通過工件徑向剖視圖可以看到螺紋牙頂部分固有的“缺口”特征[4]，與實(shí)際加工效果一致。

螺紋擠壓成型過程載荷仿真結(jié)果如圖所示，以擠壓過程刀具扭矩為例，在完整過程中可分為3個(gè)階段：擠壓錐部擠壓階段、校正部分?jǐn)D壓階段、平穩(wěn)擠壓階段。在初始階段即擠壓錐部擠壓階段，如圖4a所示，絲錐擠壓錐部棱齒以一定的齒升量對(duì)底孔部分材料進(jìn)行漸進(jìn)式重復(fù)擠壓，刀具載荷主要來源于使材料發(fā)生塑性屈服而初步成型的擠壓力，刀具扭矩增加；在校正部分?jǐn)D壓階段，如圖4b所示，刀具扭矩接近線性增加趨勢，是由于此階段主要為絲錐校正部分棱齒對(duì)初步成型的螺紋進(jìn)行重復(fù)擠壓修正，主要載荷來源于齒面與材料之間的摩擦作用，且隨著軸向進(jìn)給的增加，參與加工的校正齒數(shù)量逐步增加；在平穩(wěn)擠壓階段，如圖4c所示，絲錐工作部分已全部進(jìn)入底孔部分同步擠壓加工，載荷主要由擠壓錐部對(duì)材料擠壓屈服和校正部分與成型螺紋之間的摩擦作用，由于參與加工的絲錐齒數(shù)恒定，刀具扭矩不再顯著增加，整體在一定的數(shù)值上呈周期振蕩，在當(dāng)前加工參數(shù)下刀具扭矩穩(wěn)定值約為1.74 N·m。

(a) 擠壓錐部擠壓階段 (b) 校正部分?jǐn)D壓階段 (c) 平穩(wěn)擠壓階段圖4 螺紋擠壓成型過程扭矩仿真結(jié)果

2 螺紋擠壓加工仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.1 加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方案

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，采用不同加工參數(shù)進(jìn)行A356鋁合金螺紋擠壓加工試驗(yàn)，測量加工過程載荷數(shù)據(jù)，與仿真求解結(jié)果對(duì)比分析。加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖5所示，采用德瑪吉DMU 70V高速加工中心進(jìn)行加工，采用Kistler切削測力儀及數(shù)采軟件系統(tǒng)測量并記錄加工過程刀具載荷數(shù)據(jù)。試驗(yàn)刀具為汽車動(dòng)力總成生產(chǎn)線所用的M6×1擠壓絲錐，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與仿真建模中所述一致。

圖5 螺紋擠壓加工實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

設(shè)置實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)為2組底孔尺寸：5.55、5.61 mm和4組擠壓速度：5、10、15、20 m/min，交叉組合共8組加工實(shí)驗(yàn)。螺紋加工采用日本SKS攻絲潤滑油進(jìn)行潤滑。工件底孔加工先采用φ5.2 mm鉆頭進(jìn)行粗加工，而后采用φ5.55/5.61 mm鉸刀鉸削，加工精度10 μm。

2.2 加工載荷數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證

基于測力系統(tǒng)及軟件獲得螺紋擠壓加工實(shí)驗(yàn)的刀具載荷數(shù)據(jù)，進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)濾波后，獲取螺紋擠壓加工過程載荷曲線的穩(wěn)態(tài)值。以刀具扭矩為例，如圖6所示，扭矩曲線可根據(jù)加工過程分為螺紋正向擠壓階段和反向退刀階段，在螺紋正向擠壓加工過程中，扭矩隨著絲錐逐漸擠入工件底孔而增大，而后進(jìn)入平穩(wěn)擠壓階段，變化趨勢和特征與仿真結(jié)果一致；之后由于進(jìn)給行程結(jié)束，主軸制動(dòng)，扭矩曲線發(fā)生一定的波動(dòng)。故選取加工過程平穩(wěn)擠壓階段的扭矩值即為擠壓穩(wěn)態(tài)值進(jìn)行分析。

圖6 螺紋加工實(shí)驗(yàn)扭矩

按照8組加工參數(shù)組合進(jìn)行對(duì)應(yīng)的螺紋擠壓加工仿真建模與求解，獲得刀具扭矩等載荷加工穩(wěn)態(tài)值，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖7所示。由于刀具扭矩直接影響刀具壽命和加工能耗，故以刀具扭矩作為載荷驗(yàn)證指標(biāo)。

仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，底孔尺寸5.61 mm下扭矩穩(wěn)態(tài)值及變化趨勢基本一致，數(shù)值誤差在6%以內(nèi)；底孔尺寸5.55 mm下扭矩穩(wěn)態(tài)值隨擠壓速度增加整體呈增加趨勢，數(shù)值上實(shí)驗(yàn)結(jié)果較仿真結(jié)果的變化趨勢更為顯著，仿真數(shù)值誤差在35%以內(nèi)，其誤差受實(shí)驗(yàn)底孔加工誤差等因素影響。因此，多組加工參數(shù)下實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果趨勢一致，數(shù)值上誤差較小，表明仿真模型可以反映加工載荷受因素的影響規(guī)律，驗(yàn)證了仿真模型的正確性和有效性。

圖7 實(shí)驗(yàn)與仿真所得刀具載荷

3 刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)加工載荷影響分析

3.1 正交仿真試驗(yàn)

為了能夠分析刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺紋擠壓加工載荷的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)4因素-4水平正交試驗(yàn)進(jìn)行螺紋擠壓加工仿真，設(shè)置仿真擠壓速度50 m/min，底孔直徑尺寸5.55 mm，與生產(chǎn)線螺紋加工參數(shù)對(duì)接一致。

擠壓絲錐刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括擠壓錐角φ、鏟背量K、擠壓錐部齒數(shù)lc、截面棱邊數(shù)n，所設(shè)計(jì)仿真正交試驗(yàn)因素水平表如表3所示，其中，刀齒鏟磨量K的具體取值范圍與截面棱邊數(shù)有關(guān)[7]，其上限值Kzmax根據(jù)截面棱邊數(shù)z的具體取值為：

(2)

d為內(nèi)螺紋擠壓加工的螺紋公稱直徑。因此，對(duì)于M6的擠壓絲錐，當(dāng)前不同棱邊截面的刀齒鏟磨量K的最大取值為0.12 mm。為了能夠基于正交試驗(yàn)來綜合分析各因素組合對(duì)載荷指標(biāo)的影響，統(tǒng)一設(shè)取仿真試驗(yàn)中的刀齒鏟磨量K最大值為0.12 mm。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，進(jìn)行相應(yīng)的絲錐建模后導(dǎo)入至Deform-3D中進(jìn)行A356螺紋擠壓成型仿真，求解獲得加工過程刀具扭矩和軸向力結(jié)果作為載荷主要指標(biāo)，如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)仿真載荷結(jié)果

3.2 加工載荷因素影響分析

基于仿真正交試驗(yàn)所得的多組載荷數(shù)據(jù)，進(jìn)行極差法分析刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺紋加工過程扭矩和軸向力的影響規(guī)律，如表5、表6所示。

表5 正交試驗(yàn)極差法扭矩值分析表

由仿真結(jié)果數(shù)據(jù)來看，絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擠壓過程扭矩的影響主次順序?yàn)椋航孛胬膺厰?shù)n>擠壓錐部齒數(shù)lc>鏟背量K>擠壓錐角φ，刀具扭矩值主要受截面棱邊數(shù)n影響最大，變化趨勢為隨著截面棱邊數(shù)n的增加而增加。絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擠壓軸向力影響的主次順序?yàn)椋虹P背量K>截面棱邊數(shù)n>擠壓錐角φ>擠壓錐部齒數(shù)lc。各因素不同水平對(duì)刀具擠壓過程軸向力數(shù)值的影響趨勢如圖8～圖11所示，刀具軸向力主要受鏟磨量K影響最大，變化趨勢為隨著鏟磨量K的增加而減小。

表6 正交試驗(yàn)極差法軸向力值分析表

圖8 擠壓錐角對(duì)刀具載荷影響

圖9 鏟磨量對(duì)刀具載荷影響

圖10 擠壓錐部齒數(shù)對(duì)刀具載荷影響

圖11 截面棱邊數(shù)對(duì)刀具載荷影響

4 絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

4.1 絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)組合尋優(yōu)

面向汽車動(dòng)力總成生產(chǎn)線的螺紋擠壓加工刀具壽命提升和加工能耗降低，基于以上仿真結(jié)果，對(duì)擠壓絲錐進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。擠壓絲錐壽命的直接影響因素為擠壓扭矩[1]，扭矩過大會(huì)直接引發(fā)斷刀，故以扭矩值為絲錐壽命優(yōu)化指標(biāo)。

根據(jù)螺紋擠壓加工過程原理，加工能耗[10]由刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行螺紋擠壓主運(yùn)動(dòng)能耗和軸向進(jìn)給能耗組成，具體計(jì)算為：螺紋擠壓成型中由機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)絲錐進(jìn)行旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，M6×1絲錐主運(yùn)動(dòng)能耗功率計(jì)算：

(3)

其中，T為刀具扭矩，n為轉(zhuǎn)速；絲錐進(jìn)給運(yùn)動(dòng)能耗功率計(jì)算：

(4)

式中，F(xiàn)a為軸向力，vf為進(jìn)給速度，f為進(jìn)給量，單位mm/r，對(duì)于M6×1絲錐，f=1 mm/r。故有螺紋擠壓成型過程能耗功率：

(5)

基于量綱歸一化法[11]設(shè)定子優(yōu)化指標(biāo)：

刀具扭矩歸一化指標(biāo):

(6)

加工能耗歸一化指標(biāo):

(7)

基于線性加權(quán)法[11]建立目標(biāo)函數(shù)，將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化，得到綜合優(yōu)化指標(biāo)：

(8)

其中，wj為指標(biāo)yj的權(quán)重因子。在此，優(yōu)化刀具載荷以擠壓扭矩為首要優(yōu)化目標(biāo)，保證刀具壽命和可靠性；再次降低擠壓加工能耗。設(shè)定優(yōu)化權(quán)重w1=0.67,w2=0.33，基于正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算多組絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的優(yōu)化指標(biāo)，如表7所示。

根據(jù)計(jì)算可得，第15組試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為當(dāng)前的最優(yōu)參數(shù)組合，即：擠壓錐角φ為12°，鏟背量K為0.1 mm，擠壓錐部齒數(shù)lc為2P，截面棱邊數(shù)n為3。

表7 正交試驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)優(yōu)化目標(biāo)值

4.2 錐齒鏟磨量單因素仿真試驗(yàn)

由于在截面棱邊數(shù)為3條件下，對(duì)應(yīng)的刀齒鏟背量K的取值范圍為[0,0.42]mm，因此，可基于當(dāng)前正交試驗(yàn)分析得到的優(yōu)化結(jié)果組合，對(duì)鏟背量K在當(dāng)前可優(yōu)化范圍[0,0.42]mm內(nèi)進(jìn)一步尋優(yōu)，進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)。

基于正交試驗(yàn)仿真優(yōu)化得到的刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，保持其中3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)變量恒定，僅對(duì)鏟背量K在其可優(yōu)化范圍[0,0.42]mm內(nèi)繼續(xù)設(shè)取9組參數(shù)，從而組成鏟背量K的10組單因素試驗(yàn)，通過仿真計(jì)算得到刀具載荷數(shù)值，進(jìn)而計(jì)算優(yōu)化指標(biāo)值，如圖8所示，鏟磨量K=0.3 mm為當(dāng)前試驗(yàn)組合中目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。

圖12 鏟磨量單因素仿真試驗(yàn)結(jié)果

4.3 絲錐結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

基于以上仿真試驗(yàn)分析與尋優(yōu)計(jì)算，得到絲錐擠壓部分刀齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化組合，考慮到產(chǎn)線工件盲孔螺紋加工深度下限為18 mm，設(shè)計(jì)刀具工作刀齒部分長度不宜過高，否則刀具載荷增加，設(shè)定刀具校正部分齒數(shù)為9P。面向A356鋁合金M6×1螺紋加工的擠壓絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表8所示。

表8 絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

與生產(chǎn)線現(xiàn)用M6擠壓絲錐相比，優(yōu)化前后擠壓扭矩值降低約55%，螺紋加工能耗降低約48%。

5 結(jié)論

(1)基于Deform-3D實(shí)現(xiàn)了A356鋁合金工件螺紋擠壓成型有限元建模仿真，求解加工過程刀具載荷數(shù)據(jù)，結(jié)合不同加工參數(shù)下螺紋加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型仿真的有效和準(zhǔn)確。

(2)基于正交試驗(yàn)仿真獲取多組載荷數(shù)據(jù)，結(jié)合極差法分析刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)刀具扭矩和軸向載荷的影響，結(jié)果表明：絲錐截面棱邊數(shù)對(duì)擠壓扭矩影響最為顯著，扭矩隨截面棱邊數(shù)增加而增加；棱齒鏟磨量對(duì)擠壓軸向力影響最顯著，軸向力隨著鏟磨量的增加而減小。

(3)面向汽車動(dòng)力總成生產(chǎn)線螺紋加工的刀具壽命提升和加工能耗控制，以降低刀具扭矩和軸向力為目標(biāo)，基于仿真試驗(yàn)和線性加權(quán)目標(biāo)函數(shù)獲得優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效降低了刀具扭矩和加工能耗，提升刀具可靠性，同時(shí)縮減了優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。