金属流动行为分析与模具结构优化 对于图2所示的型材和模具机构,采用Defrom-3D进行模拟,获得挤压各阶段型材金属流动行为,如图6所示。在分流阶段(如图6a所示),金属在分流桥的作用下被拆分为4股进入分流孔,由于4个分流孔面积相同,因此由各分流孔内挤出金属的长度相同。在填充焊合室阶段( 如图6b所示) ,4 股金属相继与焊合室底面接触,形成径向流动并围绕模芯开始填充焊合室。型材成形阶段( 如图6c所示) ,焊合室已经被金属完全填充满,此时开始进入稳态挤压阶段。
图6 简单空心断面型材挤压分流、充填焊合室和成形阶段的金属流动分析
图7给出了从开始填充焊合室到焊合完成时的焊合过程的金属流动行为。初始填充焊合室时,相邻金属流动面的相距情况如图7a所示。随着挤压行程的增加,相邻两面逐渐接近,如图7所示。当行程为33. 1mm时,相邻两面已形成焊合面,如图7c。
上述金属流动行为的数字仿真结果表明,焊合面位置基本与设计位置( 如图2a中的点划线所示) 相同、分流孔内金属流动均匀、型材无明显扭拧、刀弯等缺陷,因此可以认为模具结构设计合理。
挤压试模所得的焊合面情况如图7d所示。由图7c和7d对比可知,该型材的仿真结果和实验所获得的焊合面位置基本一致。
图7 焊合室内的金属流动
对于图3所示的型材,采用图4所示的模具进行挤压,金属流动行为如图8所示。引流孔内金属焊合面上开始发生焊合时,Q1和Q8,Q3和Q4,Q4和Q5焊合面尚未开始焊合,而中部流速较快的部位已有金属被挤出模孔。由于中部分流孔内金属流速高于边部分流孔,导致Q3和Q4的焊合面位置(焊缝)偏离分流桥对称面。在成形阶段,金属的流动延续了填充焊合阶段的不均匀性,挤出型材的断面流速不均,且型材头部长度不等,导致型材底边中间部位上产生了卷翘。
图8 复杂断面型材挤压金属流动分析
根据上述金属流动行为的分析结果可知,在分流焊合过程中各部位金属流速相差较大,从而导致出模孔处型材断面金属流量不均及底部产生卷翘缺陷。因而可从分流孔配置优化调整金属的流速,使中部4个分流孔内的金属流速减小,边部4个分流孔内金属流速增加,从而降低中部和边部分流孔内金属流速差,实现分流及焊合过程的金属流速及流量的平衡,尽量保证各焊合面同时进入焊合阶段。
模具结构尺寸优化后,分流孔挤出金属流速及流量匹配较合理,消除了挤出型材底面卷翘的缺陷,改善了挤出型材的外形质量。图9所示为分流孔配置优化前后的挤出型材头部形状。
图9 模具优化前后挤出型材外形
挤压产品质量预测分流模挤压过程中,焊合室内静水压力大小决定型材的焊合质量,焊合面上的静水压力越高,挤出型材的焊合质量就越好。同时,焊合室内静水压力分布决定着模芯均匀受力情况,模芯受不均应力作用而产生偏移是导致型材断面壁厚偏差的主要因素之一。
图3所示型材稳态挤压时焊合室内金属变形体的静水压力分布如图10所示。由图10可知,焊合室内的静水压力分布由焊合室周边向模芯表面逐渐减小,模芯周围所受静水压力分布较为均匀,大小约为253MPa,模芯受力均匀,不容易产生偏移,有利于减小或避免型材壁厚超差缺陷。
图10 复杂断面空心型材焊合室内金属静水压力分布( 稳定成形阶段)