孟彬，陈鑫，潘隽，杨庆华*
（特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室（浙江工业大学），浙江杭州310014）
摘要：本文提出一种锥齿轮高频颤振挤压的成形方式，并设计其成形工艺。通过Deform软件对成形过程进行数值模拟仿真，比较了颤振挤压与传统挤压的变形力、速度场及应力场。结果显示，冲头载荷与传统成形方式相比降低约50%，效果显著；应力状态更为均匀、成形件力学性能优异；齿轮最终成形效果好，齿形饱满。根据设备要求，设计高频颤振发生器，并设计出相应的挤压模具。 关键词：锥齿轮颤振挤压数值模拟模具设计
中图分类号：TG376.3 文献标识码：A 文章编号：
Numerical simulation analysis and die design of cold extrusion forming with high-frequency
vibration for bevel gear
MENG Bin，CHEN Xin，PAN Juan，YANG Qing-hua
(Key Laboratory of E&M (Zhejiang University of Technology), Ministry of Education & Zhejiang Province,
310014)
Abstract:The cold extrusion forming with high-frequency vibration for bevel bear was put forward, and it's technological measures was also designed. Numerical simulation is used to analysis the whole extrusion process，comparing the forming press、velocity field and stress field to the conventional extrusion forming with Deform. The result is obtained that the punch load is reduced about 50%, which is significant; and the stress field is more uniform, thus the mechanical property is better; the final shape is perfect. Finally the generator of high frequency and the extrusion die are designed according to the equipment requirements.
Keywords:bevel gear; vibration extrusion;numerical simulation; die design
相比传统的机械加工，冷挤压成形具有效率高、材料消耗少、成形件力学性能好等诸多优点[1]，因此冷挤压技术已被广阔应用于工业生产中。然而，由于材料的高流动应力以及坯料与模具之间的摩擦力，使得挤压力大大增加，这对于挤压设备以及模具寿命有了更高的要求。
F. Blaha 和B. Langenecker[2]在1955年首次提出了附加的超声振动能减小单晶体锌塑性变形时的变形抗力。此后，世界各国的许多学者对振动在金属塑性加工中的应用展开了广泛深入的理论与实验研究[3-4]。迄今为止在线材、管材和异型材料的拉拔、金属材料的冲孔、剪切、精压、轧制等方面都进行过振动加工的试验[5-7]。受此启发，本文将高频颤振技术引入锥齿轮冷挤压成形中，高频颤振有利于零件成形时的材料流动，并能改善金属与模 收稿日期：2011-12-6；修订日期：
作者简介：孟彬（1979-），男，硕士，讲师；*通讯作者
：bin_meng@ 具之间的摩擦状态以及减小挤压力，从而达到减摩降载的目的。此外，由于振幅微小，亦不会影响成形件的尺寸精度。
1. 锥齿轮挤压工艺
本文采用的锥齿轮零件如图1所示。该齿轮大端模数2.5mm，齿数22，齿形角为20º，采用45号钢。
图1 锥齿轮零件图
Fig.1 Drawing of bevel gear
图1中的欲成形锥齿轮结构复杂，周向小模数齿形、齿轮大端倒角和小端凹陷加大了成形难度。为了提高凸模强度，通常凸模压头平整或者中部较为突出，图中大端倒角设计对凸模的设计要求较高，结构较复杂，同时降低凸模强度；齿轮小端凹陷使得外围尖角突出，冷精锻成形困难。若不对此成形件做一些适合冷精锻加工的改动，凸模设计将变得复杂，为了成形饱满的小端尖角，加工过程中的变形抗力会急剧升高，从而破坏模具。
因此，本文根据成形件修改设计出了冷精锻件如图2所示。修改后得到的冷精锻件给齿轮大小端填上
了一定的余料，以使冷挤压件上下端平整，利于加工过程中的金属的流动，获得性能优良的冷精锻件。
图2 锻件图
Fig.2 Drawing of forging
图3为锥齿轮挤压工艺流程图。采用45号钢圆柱形棒料剪切下料，减少批量生产锥齿轮时的材料损耗；在坯料部分长度上车削出锥度，作为部分欲成形及便于坯料在凹模中定位；对机加工后的毛坯进行球化退火以降低其硬度，然后酸洗去氧化皮，磷化皂化润滑处理；冷精锻工序镦挤出全部齿形；对冷精锻工序镦挤得到的锥齿轮进行机加工修形，将端面多余材料切除。
图3 工艺流程图
Fig.3 T echnological measures
2. 有限元仿真模型建立
充退磁控制器2.1 模型建立
使用Deform-3D软件对冷精锻锥齿轮进行数值模拟仿真需要首先提供用于仿真的模具坯料的三维模型，由于在成形过程中模具的一些辅助零件对成形结果影响甚微，在前处理中可以忽略这些零件，从而简化数值模拟的模型，提高数值模拟的计算速度。几何模型简化如图4所示，模型选取1个齿形，即1/22模型用于数值模拟仿真。
1
2制卡设备
3
4
颗粒级配
1凸模2整体凹模3垫块4坯料
图4 有限元模型
Fig.4 FE model of bevel gear and die
2.2 模拟参数设置
（1）单元划分
数值模拟采用Deform软件默认的四面体单元网格，采用绝对网格设置方法，并对坯料外侧网格进行局部细化，坯料被划分为17979个单元。坯料材料选择Deform材料库中的AISI-1045，该美标钢号与我国的45号钢对应。
（2）边界条件
模具与坯料之间采用剪切摩擦模型，取摩擦系数为0.12。
由于挤压过程伴随热量变化，热量导致的温度变化会改变塑性材料的流变曲线[8]，进而影响到挤压过程中的变形抗力及应力分布，因此采用热力耦合分析。本模拟设置室温为20º，坯料与模具之间的热量传递可以通过设置接触条件中的热传递系数来实现，选择热传递系数为11。
凸模挤压速度设置为30mm/s。整体凹模与垫块以相同的振幅和频率一起振动，振幅和频率分别为0.01mm和1000Hz。
（3）终止条件
本文选择凸模位移作为终止条件，根据成形需要，设定凸模位移为15.4mm，步长选择0.09mm，即最小网格尺寸的1/3[9]。
3. 有限元仿真结果分析
3.1行程载荷分析
锥齿轮成形过程的行程载荷如图5所示，挤压一个齿形所需载荷20.1吨，整个齿轮挤压成形所需设备需要提供442.2吨的载荷。
A B
D
C
（15.4, 20.1）
图5 行程载荷图
Fig.5 Stroke-load curve
从图可以看出，成形过程可分为三个阶段：AB 阶段，只有凸模的第一个凸台接触坯料做挤压运动，接触面积小，因此载荷较为平稳。BC阶段，凸模第二个凸台开始接触坯料，接触面积增大，而坯料也开始进入凹模齿腔，摩擦力增大，因此，载荷逐步增加。CD阶段，坯料变形率大，并且挤压过程接近终了，载荷继续上升。整个成形过程的载荷曲线呈锯齿形，这是由于凹模的高频颤振，坯料在被挤压过程中有瞬间脱离凸模的趋势，因此使得挤压力不断的上下浮动。
图6所示为颤振挤压与传统冷挤压方式下的行程载荷比较图。AB和BC两个阶段，
A
B
D
C
（15.4, 20.1）
（15.4, 40.68）
图6 行程载荷比较图
Fig.6 Comparing of stroke-load
两曲线的载荷变化趋势基本一致。而CD阶段，即成形的终了阶段，在传统冷挤压方式下，由于坯料进入凹模齿腔时受到的摩擦力不断增加，金属流动困难，因此载荷力急剧上升，到了最后阶段，载荷更是有一个阶跃式的飞升。而在颤振挤压方式下，由于凹模的高频颤振，减小了材料的流动应力，并改善了坯料与凹模之间的摩擦状态，金属流入凹模齿腔的阻力大大降低，从而使得载荷保持在一个相对稳定的水平。从图中可以看出，传统挤压方式下最终载荷约为40吨，而颤振挤压方式下最终载荷约为20吨，降低了50%，效果显著。3.2成形速度场分析
图7(a)、(b)分别为颤振挤压和传统冷挤压方式下，在接近成形终了时材料的流动情况。此阶段主要为齿轮齿部的成形阶段，因此，材料流动主要集中在外侧。如前文所述，由于凹模的高频颤振，可以降低材料流动应力，改善坯料与模具间的摩擦状态，有利于金属的流动；而齿轮齿部的截面积较小，因此，如图(a)所示，齿轮齿部材料流动速度较大，有利于成形。而传统冷挤压方式下成形终了时阻力大，材料流动困难，如图(b)所示，齿轮齿部材料流动速度慢，成形较为困难。
(a)
(b)
图7 成形速度场
Fig.7 Velocity vector field during extrusion
图8为锥齿轮最终成形效果图。由于凹模颤振的存在，有利于材料向齿腔流动，因此，齿轮齿形部分饱满。此外，颤振的振幅只有0.01mm，在齿轮的公差范围内，不会影响齿轮的尺寸精度。
图8 齿轮最终成形图
Fig.8 The final shape of bevel gear
3.3 成形应力场分析
图9(a)、(b)分别为颤振挤压及传统冷挤压方式下，齿轮成形终了时的应力分布状态。在颤振挤压方式下，齿轮最大、最小应力分别为944Mp和784Mp；而传统挤压方式下最大、最小应力分别为913Mp和384Mp。虽然在颤振方式下，齿轮的最大应力值略大于传统方式下的最大应力值（两者均在许用应力范围内），然而，颤振方式下齿轮的应力分布较为均匀，因此，齿轮的力学性能更好。
pc104总线
(a)
(b)
图9 成形应力场
Fig.9 Stress field during extrusion
4. 高频颤振挤压模具设计
4.1 颤振发生器设计
目前常用的振动发生装置主要有机械式、电动式和电液式3种类型[10]。相比其他两种形式，电液式振动发生器具有无极调幅、调频，输出作用力大，简化系统且易于实现自动化控制等优点，因此在工业生产中应用最为广泛。然而传统的液压振动是通过液压缸活塞往复运动产生振动，由于活塞具有一定
的质量再加上载荷，频率高时加速度、惯性力和阻尼力都很大，需要极大的回复力来克服惯性力进行振动，因此，上限频率受到限制。此外，由于活塞往复运动的幅度往往较大，成形件的尺寸精度亦得不到保证。
为解决上述传统液压振动发生器频率及振幅的限制，本文采用一种新型的颤振发生器，结构如图10所示。颤振发生器结构简单，主要由上下板两部分组成。上板为带凸台的圆板，在凸台周围开
145
23
恒温扩增仪
7
86
1上板2半圆形凹槽3密封圈4螺栓5下板
6 油道7上下板间隙8 T形槽
图10 颤振发生器结构图
Fig.10 Schematic of vibration provider
设上下对称的半圆形凹槽，凸台表面设有均布T形槽，用以固定模具。下板上表面设有凹槽，使之与上板之间存有一定的空隙。下板一侧设有油道，用于液压油的进（回）油。上下板通过螺栓紧密连接，并通过密封圈保证其密封性。工作时，液压油通过油道进入上下板之间的空隙，使其压强迅速增
大。由于凹槽的存在，上板凸台部分会迫使向上偏移；液压油流出上下板之间的空隙时，其压强回到常态，上板凸台部分又回到初始位置。通过高频阀的控制，即可实现上板凸台部分以一定的频率和幅度上下振动。
4.2 模具设计
根据锥齿轮成形工艺以及数值模拟结果，设计模具结构，如图11所示。模具可分为成形及颤振
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1上模板2凸模垫块3支撑圈4凸模压圈
5凸模6凹模7凹模外圈8压套螺母
9(11)凹模垫块10顶杆12凹模套13颤振台上板
14颤振台下板15导杆16下模板
图11 模具结构图
Fig.11Schematic of cold extrusion die
发生两部分。成形部分与传统挤压模具类似，主要由凸、凹模以及相关辅助部件组成；颤振发生部分
则主要由上述颤振发生器组成。工作时，模具成形部分挤压零件同时，颤振发生器亦工作，以一定的频率和振幅带动凹模振动。高频的颤振有利于零件成形时的材料流动，并能改善摩擦条件以及减小流动应力，从而达到减摩降载的目的。此外，由于颤振的振幅微小，不会影响成形件的尺寸精度要求。
5 结论
（1）提出一种适用于锥齿轮的高频颤振挤压方式。根据零件特点设计其成形工艺，并通过Deform软件对于锥齿成形过程进行数值模拟仿真。分析了其成形过程的行程载荷及速度场以、应力场分布状态，得出了颤振挤压确实可降低载荷，并且可改善摩擦状态，利于金属流动的结论。此外，颤振挤压还提高了成形件的质量。
（2）采用一种新型的颤振发生装置，可实现高频微幅振动。根据锥齿轮成形工艺以及模拟分析结果设计了颤振挤压模具结构。
亨润成型机炮筒公司
参考文献
[1] 洪慎章. 冷挤压实用技术[M].北京：机械工业出
版社,2005.
[2] Blaha F, Langenecker B. Elongation of ZincMono-crystals Under Ultrasonic Action, Die Natur Wissenschafen, 1955, 42 (20) : 556. [3] Jinyao Chen, Jinder Jow. Physical and chemical effects of ultrasound vibration on polymer melt in extrusion[J].UltrasonicsSonochemistry17(2010)66-71.
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[5] 胡子非, 毛华杰.可轴向振动挤压模体精锻过程中振幅影响的数值模拟[J]. 热加工工艺，2007,36(13):78-81.
[6] 孟永钢, 刘新忠等. 超声波在拔丝加工中减摩降载作用的研究[J]. 清华大学学报（自然科学版）.1998, 38.
[7] Takashi Jimma, Yukio Kasuga. An application of ultrasonic vibration to the deep drawing process[J]. Journal of Materials Processing Technology 80–81 (1998) 406–412.
[8] Dieter George. Mechanical Metallurgy[M]. 第3版. McGraw-Hill, 1986.
[9] 李传民, 王向丽等.金属成形有限元分析实例指导教材[M]. 北京：机械工业出版社，2006.
[10] 吴昌聚，沈润杰等.大尺寸高频振动台的设计[J]. 机电工程，2002,19(4):6.
修改说明（文中红字体为修改部分）：
1、参考文献增加至10篇，
2、摘要增加了仿真结果的说明，使之更为具体
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