内螺纹铜管滚珠旋压工艺模拟

安晓龙，刘劲松，杨俊虎，巩令凯，牛智杰

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)



内螺纹铜管滚珠旋压工艺模拟

安晓龙，刘劲松，杨俊虎，巩令凯，牛智杰

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

摘要：采用有限元法模拟滚珠旋压工艺变形的过程，对螺纹芯头与铜管坯的间隙、螺纹芯头圆角的优化以及内螺纹铜管的缺陷形成过程进行研究。研究结果表明：间隙越小，内螺纹铜管的尺寸参数越容易得到保证；随着圆角半径的增加，管坯与芯头齿底圆角接触区域的应力有逐渐降低的趋势；减小原管坯的内表面和螺纹芯头的间隙有利于改善折叠问题。

关键词：内螺纹铜管；有限元模拟；滚珠旋压；缺陷

内螺纹滚珠旋压工序是内螺纹铜管成形工艺的关键，旋压工艺是否合理直接影响内螺纹铜管内壁螺旋齿充型和内外表面的质量。滚珠旋压工艺具有旋压局部成形、轧制和挤压的特点，且金属向型槽内的充型为挤压变形。金属变形过程影响因素多，容易在铜管内表面出现缺陷。文献[1]提出了内螺纹铜管滚珠旋压加工中出现的内表面折叠问题，并采用螺纹芯头的扩径旋压成形，然而采用此种工艺因为拉拔力较大而使铜管容易被拉断。文献[2-3]对旋压头的结构做了研究，提出以钢环和钢球的点接触改为面接触来提高旋压模具的寿命和成形的稳定性。文献[4]提出了旋压后采用零度以下的冷却剂急速冷却铜管，提高拉拔后铜管的精度，通过控制温度从一定程度上改善表面氧化问题。文献[5]在螺纹芯头表面附加CrN涂层，以提高模具的抗磨损能力。文献[6-10]对润滑和加工工艺做了比较系统的试验和理论研究，提出使用充液旋压成形工艺改善铜管外表面的质量和减少拉拔力。文献[11-13]用上限法计算了内螺纹成齿的挤压力。本文采用有限元法分析内表面折叠缺陷形成的原因，并提出相应的解决方法。

1三维有限元模型的建立

1.1有限元模型的建立

铜管的内螺纹旋压起槽(成形)工序，在铜管内放入刻有螺纹槽的芯头，高速旋转的钢球并排在螺纹芯头周向挤压铜管外表面使金属向螺纹槽流动。钢球的旋转速度一般在20000～35000r/min，铜管的拉拔速度为50～70m/min。芯头外表面的螺纹槽尺寸很小，槽深一般在0.15～0.25mm。

建立的模型如图1所示，模拟采用的原管坯的规格为φ8.38mm×0.35mm，弹性模量为118.556GPa，屈服强度227MPa，泊松比为0.3，质量密度为8.96g/cm3。螺纹芯头材料是以碳化物为主的硬质合金YG6，弹性模量：700MPa；泊松比0.21；质量密度14.8g/cm3。钢球材料为GCR15。模拟中钢球和螺纹芯头发生微小的弹性变形，均处理为刚体。管坯选用四面体网格划分单元，单元的个数为72000个。钢球以铜管轴线为旋转中心，旋转速度设定为1570rad/s，管坯的拉拔速度设定为19.98m/min。

图1　球旋压工艺有限元模型

1.2有限元模型的简化

模拟采用三维刚塑性有限元软件DEFORM。旋压工艺采用六球工艺，因而将整体的旋压模型简化为六分之一的旋转对称模型，对称轴为管坯的轴线，铜管的模型取六分之一圆弧长度3mm；另外六分之一的管坯最多能和两个钢球同时接触，因此钢球的个数取2个，皆为刚体；螺纹芯头外表面，取与管坯模型接触的区域，螺纹芯头长为5mm，无需划分网格。管坯选用四面体网格划分单元，单元个数10万个。

为对内螺纹铜管成形机理进行更好的表征，分别应用有限元模拟软件MSC.Marc和Deform建立内螺纹铜管的二维1/2轴对称模型和整体模型以及三维模型，如图2所示。MSC.Marc主要应用于二维数学模型的分析，利用其进行不同间隙的模拟过程及螺纹芯头圆角优化。Deform主要应用于三维模型的建立，对折叠的缺陷进行分析。

(a)二维1/2模型

(b)二维整体模型

(c)三维模型

2有限元模拟与结果分析

2.1不同间隙的模拟

螺纹芯头与铜管坯的间隙是影响内螺纹铜管质量的一个重要因素，间隙大小直接影响金属流动，从而影响成形。数值模拟中分别采用间隙0.01mm、0.03mm、0.05mm进行模拟。图3为不同间隙下成形的内螺纹铜管应力云图。

(a)间隙0.01mm

(b)间隙0.03mm

(c)间隙0.05mm

图3应力云图中间隙分别为0.01mm、0.03mm、0.05mm时，从图标的最大应力值可知，图3a～3c的应力分别为446.9MPa、438.6MPa、434.0MPa，其值逐渐减小；这是由于间隙越大，坯料自由流动的空间范围相对增大，坯料用于充齿的体积部分减小；当间隙增加到一定值时，不能满足充齿成形的需要。

通过对不同间隙内螺纹铜管的成形进行模拟，得到不同间隙下的应力、应变云图，并对成形后的内螺纹铜管的底壁厚进行分析，发现间隙越小内螺纹铜管的尺寸参数越容易得到保证。

2.2螺纹芯头圆角优化数值模拟

在内螺纹成形过程中，螺纹芯头的齿底圆角是影响内螺纹铜管质量和性能的一个重要因素，对铜管坯在成形过程中的金属流线有很大的影响。另外，由于芯头加工复杂性，在现有的条件下，生产现场的螺纹芯头均以无齿底圆角的形式出现。随着生产精细化制作的进步，螺纹芯头齿底圆角的优化设计也成为内螺纹铜管成形过程中的研究课题之一。

考虑螺纹芯头齿底圆角对内螺纹铜管的影响，分别采用齿底圆角半径为0.02mm、0.03mm、0.04mm的螺纹芯头进行模拟，得到成形过程中的应力分布，如图4所示。对于不同圆角的芯头，取其在相同子步下的应力云图进行比较分析。

从图4可以看到，随着圆角半径的增加，管坯与芯头齿底圆角接触区域的应力逐渐降低，这是由于随着圆角半径的增大，金属流动过程中的阻力减小，成齿容易得到保证，因此有必要增大螺纹芯头的齿底圆角；但圆角半径增大，铜管的长度、重量增加，考虑到实际的需要，采用圆角0.03mm比较合适。

图4　不同圆角的应力变化趋势

图5　旋压过程截面图

2.3折叠缺陷分析

通过有限元模拟可以有效的分析内螺纹铜管的缺陷形成过程。图5为有限元模拟的管横截面齿成形过程，由图5可以看出，在钢球旋压的前方，管坯鼓起、芯头内表面出现间隙，旋压后出现如图6所示的折叠缺陷。从图6可以看出，旋压钢球的正下方没有出现折叠，而在其前后出现周期性的折叠痕，在图7截面可以清楚的看出齿侧的折叠分布。折叠是滚珠旋压加工内螺纹管在铜管内表面最容易出现的缺陷，同时说明减小原管坯内表面和螺纹芯头的间隙有利于改善折叠问题。图8为简化的六分之一管坯还原后的交接面的对称情况，从图8中可以看出，交接面和管坯的轴线倾斜成一定的角度且从开始时的平面变为曲面，多个钢球旋压时就会在外表面出现锯齿状的裂纹线。类似的原管坯的裂纹面在旋压后也会出现和交接面相同的曲面裂纹。

图6　模拟的内表面折叠缺陷

图7　旋压过程截面的折叠情况

图8　管坯还原整体后的交接情况

3结论

(1)通过对不同间隙内螺纹铜管的成形进行模拟，和对成形后的内螺纹铜管的底壁厚进行分析，发现间隙越小内螺纹铜管的尺寸参数越容易得到保证。

(2)随着圆角半径的增加，管坯与芯头齿底圆角接触区域的应力逐渐降低，成齿易得到保证；但圆角半径增大，使铜管的长度和重量增加，所以应结合实际需求，选择合适的圆角参数。

(3)减小原管坯内表面和螺纹芯头的间隙有利于改善折叠问题。

参考文献：

[1]Chikara Saeki,Minoru Nishibe.Inner grooving process for a metallic tube:United State Patent,4876869[P].1989-10-31.

[2]Jean-ouis Sauvonnet,Franck Delavaquerie.Devices for the grooving oftubes:United State Patent,5526663[P].1996-06-18.

[3]Chikara Saeki.Inner grooved tube forming apparatus:United State Patent,5724844[P].1998-03-10.

[4]Saeki Chikara.Manufacture of inner surface grooved tube and its manufacturing device:Japanese Patent,JP 2000288622[P].2000-10-17.

[5]Suzuki Yoshio,Omoto Hideto.Manufacturemethod of inner face grooved tube:Japanese Patent,JP2002143920[P].2002-05-21.

[6]汤勇.超高速充液旋压时轴向拉力和断管分析[J].华南理工大学学报:自然科学版，2001,29(4):13-16.

[7]汤勇,叶邦彦,曾志新,等.超高速充液旋压时全膜润滑临界条件确定[J].中国机械工程，2001,12(7):815-818.

[8]汤勇,陈澄洲,张发英,等.内螺旋翅片铜管充液旋压成形加工的研究[J].工具技术，1998,32(4):12-15.

[9]汤勇,陈澄洲,张发英,等.增压条件下充液旋压成形内螺旋翅片铜管[J].锻压技术，1998，30(3):35-38.

[10]汤勇,夏伟,曾志新,等.充液内螺旋翅片游动芯头的性能分析[J].华南理工大学学报:自然科学版，2000,28(9):14-17.

[11]Ishibashi Akihiko.Heat transfer tube with inner surface groove:Japanese Patent,JP7012483[P].1995-01-17.

[12]黄明焉.内螺纹铜管成型工艺的探讨[J].有色金属工业，2001,26(5):46-47.

[13]于恩林,姜伟,于凤芹,等.管材内螺纹成型有限元分析及换热性能试验研究[J].钢铁，2002,37(11):22-25.

(责任编辑：赵丽琴)

Simulation of Inner Grooved Copper Tube Ball Spinning Process

AN Xiaolong,LIU Jinsong,YANG Junhu,GONG Lingkai,NIU Zhijie

(Shenyang Ligong University, Shenyang 100159, China)

Abstract：To simulate the deformation process of ball spinning process by using finite element method,the main gap of screw thread core and copper tube, screw thread core rounded optimization and defect of inner grooved copper tube forming process was studied. The research results show that the smaller the gap size the more easily parameters of inner grooved copper tube are guaranteed;with the increase of radius,stress control tube billet and the core head tooth bottom fillet contact area gradually decreases;reducing the screw thread core groove surface roughness and increasing external one-sided roughness is conducive to reducing the folding.

Key words：inner grooved copper tube;finite element simulation;ball spinning;defect

中图分类号：TG376.1

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2016)01-0067-05

作者简介：安晓龙(1993—)，男，本科生;通讯作者：刘劲松(1971—)，男，副教授，研究方向：管材加工。

基金项目：2014年辽宁省大学生创新创业训练计划项目(甲类)(201410144002)

收稿日期：2014-11-28