楊慶華，夏　航，王志恒，鮑官軍

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)與振動(dòng)特性研究

楊慶華，夏航，王志恒，鮑官軍

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：針對冷擠壓成形過程中變形抗力大、易產(chǎn)生擠壓不充分的問題，設(shè)計(jì)了一種新型顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái).利用ANSYS軟件建立了有限元分析模型，分析確定了振動(dòng)臺(tái)安全有效的工作方式，研究了輸入油壓、振動(dòng)臺(tái)加載、彈性端蓋凹槽中心半徑、彈性端蓋凹槽開口高度、彈性端蓋凹槽開口圓弧半徑等五項(xiàng)振動(dòng)臺(tái)振幅影響因素與振幅的數(shù)值關(guān)系及敏感度，建立了輸入-輸出的仿真二元插值模型，并通過實(shí)驗(yàn)修正模型.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：冷擠壓過程中振動(dòng)臺(tái)振幅共有五個(gè)階段，修正后的模型能有效仿真振動(dòng)臺(tái)振幅.研究結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的振動(dòng)臺(tái)滿足顫振冷擠壓成形需要，通過改變振幅影響因素能改善振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)特性.

關(guān)鍵詞：顫振；冷擠壓；有限元分析；二元插值模型；振動(dòng)特性

中圖分類號：TG376.3；TB534+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)01-0024-06

Design and research of vibration characteristic of flutter cold

extrusion vibration platform

YANG Qinghua, XIA Hang, WANG Zhiheng, BAO Guanjun

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:To reduce the problems of large resistance to deformation and inadequate extrusion, a new flutter vibration platform of cold extrusion was designed. Finite element analysis model was established with ANSYS, the safe and effective working way of the vibration platform was analyzed and determined, the sensitivity and the relationship between five factors of amplitude of the vibration platform such as input oil pressure, loaded on vibration platform, radius of groove center of elastic end cover, groove opening height of elastic end cover, the radius of circular arc groove openings of elastic end cover and amplitude values was researched, the bivariate interpolation model of input-output is established and be validated by experiments. The experimental results indicate that the amplitude of the vibration platform during the cold extrusion process is divided into five phases, and prove that the bivariate interpolation model can simulates amplitude of the vibration platform effectively. Experimental research proves the designed the vibration platform meets the need of flutter cold extrusion forming, and changing amplitude factors can improve vibration characteristics of the vibration platform.

Keywords:flutter; cold extrusion; finite element analysis; bivariate interpolation model; vibration characteristics

冷擠壓成形是一種廣泛應(yīng)用于汽車、軍工、航空航天、日用五金等各行業(yè)的先進(jìn)金屬塑性成形工藝方法，與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式相比，它具有“高效、優(yōu)質(zhì)、低消耗、低成本”等優(yōu)點(diǎn)，是國家的工業(yè)化水平及現(xiàn)代化水平的一種重要標(biāo)志和反映[1].然而，冷擠壓零件成形存在很大的變形抗力，成形力巨大，往往需要大噸位的壓力機(jī)，若成形設(shè)備噸位不足，則很容易產(chǎn)生擠壓不充分等缺陷[2-3].為解決這一難題，研究人員將振動(dòng)激勵(lì)引入塑性成形中，實(shí)驗(yàn)證實(shí)振動(dòng)激勵(lì)能有效降低材料在加工過程的變形抗力[4-6].但是，目前廣泛采用的超聲振動(dòng)激勵(lì)所產(chǎn)生的激振力有限，多用在成形力相對于冷擠壓較小的情況下，而用于冷擠壓實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)擠壓多用于易成形“軟性”材料做實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)臺(tái)幅值、頻率難以精確調(diào)整[7-8].因此，設(shè)計(jì)制造一種適用于冷擠壓實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)臺(tái)對改善冷擠壓加工工藝有著至關(guān)重要的意義.國內(nèi)對于振動(dòng)臺(tái)研究起步相對較晚，在60年代以后，同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)等先后對振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了研究，阮健等[9-11]提出的高頻電液顫振發(fā)生器采用彈性端蓋來替代傳統(tǒng)活塞實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，使得振動(dòng)發(fā)生器頻率大為提高，振幅微小，該振動(dòng)發(fā)生器可以用于振動(dòng)激勵(lì)擠壓.

本研究設(shè)計(jì)了一種顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái)，通過對振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真確定其安全的有效工作方式[12-13]；通過單因素分析、敏感度分析和多因素分析研究振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)特性影響因素，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證[14-16].

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足冷擠壓加工高載荷、小位移的工況，本研究設(shè)計(jì)的振動(dòng)臺(tái)通過激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋彈性變形實(shí)現(xiàn)顫振，結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物照片如圖1所示.振動(dòng)臺(tái)采用組合式結(jié)構(gòu)，主要分四大組成部分：頂板、彈性端蓋、下板以及密封裝置.

頂板的主要作用是將振動(dòng)臺(tái)與模具聯(lián)系起來，其上端與模具的凹模模板固定，下端與彈性端蓋連接.彈性端蓋外形為帶凸臺(tái)的圓盤，凸臺(tái)四周設(shè)有上下對稱的弧狀圓環(huán)形凹槽，液壓油通過油路可進(jìn)入圓環(huán)形凹槽，油的壓力直接作用于彈性端蓋的下表面，實(shí)現(xiàn)彈性端蓋繞著圓環(huán)形凹槽實(shí)現(xiàn)顫振.下板外形為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，內(nèi)圈設(shè)有凹槽，使得顫振缸體上下板之間存在的一定的間隙.油腔內(nèi)設(shè)有4個(gè)扇形加強(qiáng)體，避免彈性端蓋在擠壓試驗(yàn)的作用下發(fā)生過形變導(dǎo)致?lián)p壞，加強(qiáng)體隔開四個(gè)槽來減小油膜影響，避免液壓油不能完全充填油腔.為實(shí)現(xiàn)密閉的工作環(huán)境，頂出桿套與彈性端蓋對應(yīng)位置設(shè)有密封圈，顫振缸體上下板的間隙亦有液壓密封膠密封.

1—頂出桿；2—頂出桿套；3—頂板；4—彈性端蓋；5—下板；6—擋圈；7，12—O型圈；8—油腔；9—上下板間隙；10—密封膠；11—弧形凹槽；13—油路圖1　顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure of flutter cold extrusion vibration platform

振動(dòng)臺(tái)采用浙江工業(yè)大學(xué)阮健教授團(tuán)隊(duì)提出的2D激振閥來控制彈性端蓋實(shí)現(xiàn)上下高頻微幅振動(dòng).工作時(shí)，振動(dòng)臺(tái)與2D激振閥、油箱和儲(chǔ)能器共同組成顫振冷擠壓系統(tǒng)，振動(dòng)臺(tái)依靠2D激振閥實(shí)現(xiàn)高頻微幅振動(dòng).通過控制2D激振閥閥芯不斷旋轉(zhuǎn)，振動(dòng)臺(tái)的彈性端蓋將產(chǎn)生微幅振動(dòng)；通過控制閥芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向位移，能夠?qū)崿F(xiàn)對顫振平臺(tái)振動(dòng)頻率和幅值的分離控制.

2關(guān)鍵部件仿真分析

2.1靜力學(xué)分析

彈性端蓋作為振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)元件，對振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)特性有著至關(guān)重要的影響，本研究通過靜力學(xué)和模態(tài)分析研究其力學(xué)性能.在ANSYS中建模，彈性端蓋選用SOLID45單元，材料為60SiMnA，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3.在彈性端蓋內(nèi)側(cè)受力面施加10 MPa流體壓力，分別設(shè)置端蓋頂部空載和受100 t壓力進(jìn)行計(jì)算，由于對稱性，采用1/2模型進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖2所示.

圖2　空載、負(fù)載下的等效應(yīng)力、位移云圖Fig.2　The equivalent stress and displacements cloud images under no-load and load

從圖2中可以看出：空載和加載下，圓弧槽兩端的應(yīng)力相對較高，在弧形槽外側(cè)過渡節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)最大應(yīng)力，其他部分應(yīng)力較小，在彈性端蓋頂端圓孔附近位移最大.

2.2模態(tài)分析

為確定振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)與各部件振動(dòng)狀況特性，確定振動(dòng)臺(tái)合理的振動(dòng)頻率范圍，本研究對振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析[17].對該振動(dòng)臺(tái)的有限元模型進(jìn)行求解運(yùn)算，并提取其前6階固有頻率和模態(tài)振型，如表1和圖3所示.模擬時(shí)隱藏螺栓等易影響結(jié)果的因素，用約束來替代.

表1顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái)前6階固有頻率

Table 1The first six natural frequencies of flutter cold extrusion vibration platform

數(shù)量/階固有頻率/Hz1409.052513.273644.634803.195834.5961075.00

圖3　顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái)前6階模態(tài)振型Fig.3　The first six modal shape of flutter cold extrusion vibration platform

通過分析可知：顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)變形主要分為振動(dòng)臺(tái)整體的振動(dòng)變形和振動(dòng)臺(tái)頂板的振動(dòng)變形兩類.由振動(dòng)臺(tái)前6階固有頻率可得各階的共振頻率，其中1階固有頻率為409.05 Hz，而顫振冷擠壓加工過程中，激振器所采用的振動(dòng)頻率在200 Hz以下，實(shí)驗(yàn)臺(tái)固有頻率遠(yuǎn)大于實(shí)際實(shí)驗(yàn)頻率，是一個(gè)安全的實(shí)驗(yàn)頻率，振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生對實(shí)驗(yàn)不利共振.因此該裝置整體穩(wěn)定性良好，且各階固有頻率下的變形振幅較小.

3振動(dòng)特性影響因素分析

3.1單因素分析

顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)特性關(guān)乎冷擠壓加工件質(zhì)量，而輸入油壓(P)、振動(dòng)臺(tái)加載(F)、彈性端蓋凹槽中心半徑(L)、彈性端蓋凹槽開口高度(H)、彈性端蓋凹槽開口圓弧半徑(r)等因素對振動(dòng)特性有至關(guān)重要的影響，因此需要對這些影響因素其進(jìn)行分析.振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)特性主要包括振幅和頻率兩部分，根據(jù)模態(tài)分析，振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)大于實(shí)際實(shí)驗(yàn)頻率，實(shí)驗(yàn)中不會(huì)產(chǎn)生對實(shí)驗(yàn)不利的共振，動(dòng)剛度和靜剛度基本相同；同時(shí)，根據(jù)彈性波研究成果可知，該彈性端蓋的彈性波傳遞速度遠(yuǎn)高于激振速度，在本研究100 Hz的油頻條件下，響應(yīng)頻率可認(rèn)為和激振頻率相同.因此，對振動(dòng)特性的研究主要針對振幅的研究.

設(shè)置單因素分析基準(zhǔn)，分別改變五個(gè)單因素基準(zhǔn)的值，控制其余因素為基準(zhǔn)值，采用靜力學(xué)分析研究振動(dòng)臺(tái)振幅.基準(zhǔn)和影響因素變量如表2所示.

表2　單因素分析基準(zhǔn)和影響因素變量表

通過仿真可得各變量和彈性端蓋位移的關(guān)系曲線，如圖4所示.

由圖4仿真分析結(jié)果可知：彈性端蓋位移與輸入油壓正相關(guān)，且近似二元一次函數(shù)關(guān)系，輸入油壓6.34 MPa為彈性端蓋能否正常激振的臨界點(diǎn)；彈性端蓋位移與振動(dòng)臺(tái)加載負(fù)相關(guān)，且近似二元一次函數(shù)關(guān)系，振動(dòng)臺(tái)加載111.2 t為彈性端蓋能否正常激振的臨界點(diǎn)；彈性端蓋位移與彈性端蓋凹槽中心半徑正相關(guān)，且近似二元二次函數(shù)關(guān)系，彈性端蓋凹槽中心半徑218.1 mm為彈性端蓋能否正常激振的臨界點(diǎn)；彈性端蓋位移與彈性端蓋凹槽開口高度、彈性端蓋凹槽開口圓弧半徑均正相關(guān)，且近似二元二次函數(shù)關(guān)系.

圖4　各因素與彈性端蓋位移數(shù)據(jù)擬合圖Fig.4　Data fitting map of various factors and elastic cap displacement

3.2敏感度分析

單因素分析描繪了五項(xiàng)影響因素與輸出指標(biāo)的相關(guān)性，由以上仿真可見：除振動(dòng)臺(tái)加載外其余影響因素與彈性端蓋移均為正相關(guān).為進(jìn)一步對各因素與輸出指標(biāo)的影響程度進(jìn)行直觀地比較，本研究選用正交表L16(45)安排試驗(yàn)，進(jìn)行敏感度分析.對16組正交試驗(yàn)分別進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行極差分析，試驗(yàn)指標(biāo)是彈性端蓋位移，單位為mm，因素—水平和極差結(jié)果如表3所示.

根據(jù)極差值的大小可以得到因素的主次，從以上極差分析可知，因素的主次為：L>F>P>H>r.

表3正交試驗(yàn)因素—水平和極差分析結(jié)果表

Table 3The factor-level table and range analysis results of orthogonal experimental

項(xiàng)目P/MPaF/tL/mmH/mmr/mm因素水平7.25802207177.5852309197.759024011218952501323極差0.052880.068380.073950.026470.01321

3.3多因素分析

通過以上分析可知，在實(shí)際冷擠壓工作中，隨著振動(dòng)臺(tái)加載和輸入油壓的變化，顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái)振幅也會(huì)隨之變化，若能控制振動(dòng)臺(tái)振幅在振動(dòng)臺(tái)加載和輸入油壓變化的過程中始終處于最優(yōu)數(shù)值區(qū)域內(nèi)則可以有效提高冷擠壓工件質(zhì)量.因此，需對振動(dòng)臺(tái)加載和輸入油壓與振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋的位移之間的數(shù)值關(guān)系進(jìn)行多因素分析.結(jié)合單因素分析結(jié)果，在多因素分析中控制輸入油壓范圍為6~8 MPa，每0.25 MPa設(shè)置一個(gè)仿真點(diǎn)；控制振動(dòng)臺(tái)加載范圍為0~40 t，40~80 t，80~120 t三部分，每隔5 t設(shè)置一個(gè)仿真點(diǎn).對以上關(guān)鍵點(diǎn)仿真后對數(shù)據(jù)進(jìn)行二元插值處理，所得插值圖像如圖5所示.

圖5　輸入油壓、振動(dòng)臺(tái)加載、彈性端蓋位移二元插值圖Fig.5　The interpolation figure of enter oil pressure, vibration platform load and elastic cap displacement

通過以上多因素分析，建立了輸入油壓6~8 MPa，振動(dòng)臺(tái)加載0~120 t，輸出為振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋位移的二元插值圖像，研究對得到不同振動(dòng)臺(tái)加載和輸入油壓下的振動(dòng)臺(tái)振幅有著重要意義.

4實(shí)驗(yàn)研究

整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含顫振臺(tái)系統(tǒng)以及檢測模塊兩大部分組成.顫振臺(tái)系統(tǒng)包括顫振臺(tái)本體、控制器、2D激振閥、供液油泵、模具等組成，模具通過螺栓連接到顫振臺(tái)上，顫振臺(tái)通過液壓機(jī)臺(tái)面T型槽固定；檢測模塊包括激光位移傳感器、示波器、加載檢測模塊.控制器連接激振閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)，閥體輸出連接到顫振臺(tái)油腔，閥體輸入端連接油泵.

該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱搜芯空駝?dòng)臺(tái)輸入條件對振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋振幅的影響，并檢驗(yàn)修正前文建立的仿真二元插值模型.第一步，對振動(dòng)臺(tái)空載振幅進(jìn)行分析研究.在振動(dòng)臺(tái)軸向不施加載荷的條件下，將振動(dòng)臺(tái)輸入油液壓力設(shè)置為5個(gè)值，每個(gè)值分別檢測記錄5組振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋振幅波形，分析波形得到振動(dòng)臺(tái)位移均值，與二元插值模型仿真模型對比后修正仿真模型，結(jié)果如圖6所示.計(jì)算5組實(shí)驗(yàn)比例系數(shù)的方差和標(biāo)準(zhǔn)差可知比例系數(shù)接近且穩(wěn)定.因此，為修正仿真二元插值模型，可選取5組實(shí)驗(yàn)比例系數(shù)均值1.3作為修正系數(shù)，即修正后二元插值模型仿真值為原仿真值與修正系數(shù)之積.實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)修正后的二元插值模型能較準(zhǔn)確仿真振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋在不同激振條件下的振幅，該結(jié)果有利于對振動(dòng)臺(tái)加載振幅進(jìn)行進(jìn)一步分析.

圖6　變形量值柱狀比較圖Fig.6　The columnar comparison chart of deformation magnitude

第二步，對振動(dòng)臺(tái)冷擠壓過程中振幅進(jìn)行分析研究.控制振動(dòng)臺(tái)輸入油液壓力為7.5 MPa，油頻為100 Hz，完成完整的冷擠壓工序，檢測記錄冷擠壓整個(gè)過程振動(dòng)臺(tái)上表面加載曲線和振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋位移曲線.選取加載曲線關(guān)鍵點(diǎn)后根據(jù)修正后的仿真二元插值模型得到振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋仿真位移曲線，與實(shí)際檢測位移曲線對比研究，結(jié)果如圖7所示.由圖7可見：在冷擠壓實(shí)驗(yàn)中，擠壓初期約0.2 s振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋振幅迅速而平滑地下降；在約0.2~0.6 s時(shí)間中振幅伴隨劇烈波動(dòng)進(jìn)一步下降，但此階段下降速度明顯減緩；在約0.6~1.2 s時(shí)間中振幅基本勻速下降至零點(diǎn)，直到在約2.7 s迅速回復(fù)至初始振幅.

圖7　振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋變形量仿真曲線實(shí)驗(yàn)曲線比較圖Fig.7　The comparison chart of the elastic deformation of the vibration platform cap between experimental curve and simulation curve

對比仿真曲線和實(shí)驗(yàn)曲線，兩者同樣存在振幅前期急速下降階段、波動(dòng)階段、中期急速下降階段、無法激振階段和后期回復(fù)階段.雖然兩者在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值上有差異，但差異較小，總體曲線走勢基本一致.實(shí)驗(yàn)證明：仿真曲線能較好反映實(shí)際振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋振幅變化曲線，修正后的二元插值模型同樣適用于仿真加載條件下振動(dòng)臺(tái)振幅.實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)顯示了整個(gè)冷加壓過程中，振動(dòng)臺(tái)經(jīng)歷了上述五個(gè)激振階段.

5結(jié)論

針對冷擠壓成形過程中變形抗力大、易產(chǎn)生擠壓不充分的問題，設(shè)計(jì)了一種新型顫振冷擠壓振動(dòng)臺(tái).通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真校核了所設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)的穩(wěn)定性，運(yùn)用單因素分析法研究了五項(xiàng)振動(dòng)特性影響因素與振幅的數(shù)值關(guān)系，并對比了各因素敏感度，研究數(shù)據(jù)有利于改善振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)特性；通過多因素分析建立了輸入為輸入油壓、振動(dòng)臺(tái)加載，輸出為振動(dòng)臺(tái)彈性端蓋位移的二元插值模型，經(jīng)實(shí)驗(yàn)修正后的模型能有效仿真空載和加載下振動(dòng)臺(tái)振幅，本研究為控制冷擠壓過程中振動(dòng)臺(tái)振幅始終處于最優(yōu)數(shù)值范圍打下了良好基礎(chǔ).

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(責(zé)任編輯：劉巖)

作者簡介：楊慶華(1964—)，男，浙江義烏人，教授，博士，研究方向?yàn)榻饘偎苄猿尚巍C(jī)器人技術(shù)、機(jī)電一體化，E-mail:zjutme@163.com.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275475)；浙江省科技廳基金資助項(xiàng)目(2012C21112)

收稿日期：2014-09-05