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模具预热温度对水泵模具成型的重要性

热挤压工艺在挤压前,需要将模具预热到一定温度,降低模具脆性的同时在挤压成形中较好的保持管坯的温度,还能够有效避免模具与材料之间的巨大温差而导致的应力集中现象,提高工件的成形质量。

 

从水泵模具的使用寿命上考虑,模具不能预热到太高温度,模具在高温下容易发生磨损,出于模具所选用材料的性能,模具的材料也未必能够承受的住,因此,需要对模具的预热温度进行合理的分析。东莞南方泵业分别对模具的预热温度设置为20℃(室温)、300℃(温热)、600℃(高温),代表三种不同的温况。预设材料的加热温度1000℃,推进速度设为10mm/s,其他条件不变,分别生成不同模具预热温度的数据库,返回主菜单,完成模拟。

 

水泵模具的预热温度对挤压成形的主要影响表现在挤压力方面,在常温20C和300C模具预热温度下的成形初期中,挤压力的变化不是很大,相比较600C下的成形初期,挤压力有小幅度的下降,原因主要是成形初期,工件与水泵模具的接触时间较短,热交换少,管坯能保证一定的高温。例如,在260步,也就是32秒的时候,模具温度20C下的挤压力为16.5t,模具温度300C下的挤压力为15.8t,而模具温度600C下的挤压力为14.5t,变化并不明显。

 

随着挤压逐渐进行到稳定阶段,20C和300C下模具温度的挤压力开始出现差距,但仍然不是很大,原因主要是在该温度下模具与管坯的温差较大,热传递损失的热量较高,管坯温度出现变化;相比较模具预热温度在600C下的成形,挤压力出现明显的大幅度下降,降幅达到20%,并且随着成形的进行,降幅在18%-25%之间。这主要是高温预热的模具与管坯之间的温度梯度较小,因热传递损失的热量较少,管坯的温度变化小,能够维持在较高的温度下成形,因此所需的挤压力较小。

 

此后,随着成形的继续往下进行,不同温度下的挤压推力基本趋于一致,原因在于通过一段时间的热传递,模具的温度已经基本达到一致,管坯与模具(环境)之间达到热平衡状态。在南方水泵成形的后半段,挤压力的数值基本一致。因此,模具预热温度对成形的影响主要在初始成形中,较高的模具预热温度能够在初期实现稳定的挤压成形。

 

此外,由于受制于水泵模具材料的耐热温度,模具的预热温度不能无限制的增大,成形过程中模具与材料的接触时间较长,一直存在热传递,模具的温度会一直升高,如果超过模具材料的承受范围,水泵模具就会严重损坏。考虑到上面选用的模具材料,模具的预热温度定为600℃左右。

图1:模具温度300℃下推力随时间变化的曲线

模具温度300℃下推力随时间变化的曲线

本文进行了热挤压模具的设计,充分考虑到挤压变形的多方面因素,最终确定了导入、成形、导出的模具型腔,并设计了适合生产的模具结构一一分块式。

 

利用设计好的水泵模具,东莞南方泵业制定了分为两步的成形模拟过程一合模和推进挤压成形。对于第一步合模过程,通过DEFORM-3D的模拟结果,对设计的模具进行部分修正,发现当合模处圆角半径在6mm时合模效果最佳;第二步推进螺旋管的成形模拟,利用DEFORM-3D所提供的等效应力、等效应变、温度变化以及材料流动示意图,对模拟结果进行了综合分析,发现水泵成形区域可以明显的分为三部分:模具入口处、沿螺旋线外轮廓与沿螺旋线内轮廓。

 

针对影响螺旋管成形的因素模具与管坯之间的摩擦系数、管坯的加热温度、推进速度以及模具的预热温度,通过设置不同的参数,依次进行水泵数值模拟,并进行了对比分析论证,得到最佳的成形工艺参数,当成形温度为1000C,摩擦系数尽可能降低(0.08-0.1之间),推进速度为10mm/s,模具的预热温度为600C左右的时候,螺旋管的成形效果比较好。为后面水泵机械动力设备的参数计算和水泵选型提供了理论依据,并对实际的生产试验有一定的指导作用。