周玉辉

摘 要 运用有限元分析软件ProCAST,对压铸模进行了压铸过程热分析,用对比的方法定量地研究了冷却水的温度、冷却水管的直径及其位置对模具温度场的影响。结果表明,水温为30、50e时,模具的温度梯度和升温速率基本一样;冷却水管的位置对模具的温度场影响较大,当冷却水管离型腔表面35 mm时模具的升温速率高,热量传递快,而温度梯度低,模具的温度场分布较合理;改变冷却水管的直径,模具的温度变化明显,且采用10.5 mm的管径,冷却效果最好。
关键词 压铸模具;温度场;冷却系统;数值模拟
  在压铸生产过程中,模具温度随压铸周期呈周期性的升降,使模具表面产生周期性的热膨胀、收缩及热应力,最终导致模具热疲劳失效。为了优化工艺方案,保证铸件质量,提高模具使用寿命,对压铸过程温度场进行了定性的分析,研究工艺条件和模具结构对压铸模具温度场的影响。压铸生产过程是周期循环性的复杂过程,模具温度受多种工艺条件以及模具结构的影响。如金属的充填速度与浇注温度,模具的预热温度,模具加热与冷却系统的设计,浇口的位置和尺寸设计等。本课题针对A380合金汽车轮毂压铸件,运用有限元分析软件ProCAST,对压铸模进行了压铸过程温度场分析,用对比的方法定量地研究了不同的冷却条件对模具温度场的影响。
1 模拟分析系统和材料热物性参数
试验采用Pro/E几何造型,运用ProCAST软件进行模拟系统网格划分和数值计算,有限元分析模型见图1。其中铸件材料为A380,其热物性参数见表1。模具材料为H13钢,其热导率和比热容不高,随温度变化而变化,变化范围为20~500℃时,热导率为25~27.3W/(m•K);20~400℃时,比热容为0. 458 8 ~0.587 76 kJ/(kg•K);密度为7.367×103kg/m3。

2 数学模型与边界条件
2.1 数学模型
根据压铸生产的传热特点,可将一个压铸循环过简化为4个阶段:金属液充型、凝固、开模、顶出铸件;喷涂料;合模,等待下次浇注。该铸件4个阶段的时间分别为:205、20、10、15 s。由于各个阶段的传热系数不同,铸型温度场分析采用三维不稳定导热偏微分方程,即

式中,Q为密度;Cp为比热容;τ为时间;t为温度;λ为热导率。
2.2 边界条件
由于模具的开合,模具的换热边界条件随时间和压铸阶段的不同而变化,在模拟计算中要根据实际压铸阶段确定相应的边界条件。试验边界条件设置如下:模具与模具界面传热系数为1 000 W/(m2•K);模具与铸件界面传热系数为1 500 W/( m2•K);模具与空气传热系数为10 W/( m2•K);涂料与模具传热系数为600W/( m2•K);空气温度为20℃。
3 模拟结果与讨论
模拟分析了浇注温度为650e,模具预热温度为200℃时,不同的冷却条件下模具温度场的分布。用对比的方法定量地研究了模具内的温度经5次循环达到“准平衡态”时,冷却水的温度、冷却水管的直径及其位置对模具温度场的影响。
3.1 冷却系统对模具温度场的影响
模具采用U形直流式水冷装置,在模具侧面钻孔直接冷却定模镶块(见图2)。冷却水管距

模具型腔表面35 mm(见图2中位置A),进水管距出水管距离为76 mm,水管长250 mm,水温为30℃。模拟计算了模具内通冷却水与不通冷却水时,模具内的温度场分布情况。两种情况下

模具上距离型腔表面不同距离处某时刻的温度分布示意图,见图3。从图3可以看出,在金属液充入型腔后4 s时,若模具内不通冷却水,则受压铸件凝固潜热的影响,在距型腔表面4~15 mm范围内,温度曲线上凸,模具内有一个较大的温度等温区,温度梯度较大,有热量的积聚(见图3)。而模具内通冷却水后,模具型腔表面的温度有所降低,在大于15 mm部分,模具温度高于不通冷却水时的,这样整个模具镶块的温度梯度减小,温度分布呈平缓的下降趋势。
3.2 冷却水的温度对模具温度场的影响
模拟计算了冷却水温度为30、50e时,模具温度场的分布。图4为种情况下模具上距离

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型腔表面不同距离处在不同时刻的温度分布图。从图4可以看出, 只改变冷却水的温度,模具总的温度变化基本一致,且在距离型腔表面4~6 mm范围内,有一个温度平台,有热量的积聚。图5 为冷却水的温度对模具型腔表面层的温度梯度的影响,可以看出,在距离型腔表面0~2mm范围内,冷却水的温度为50e时,型腔表面层的平均温度梯度是10.975℃/mm;冷却水的

温度为30℃时,型腔表面层的平均温度梯度是10.976℃/mm。同样,在距离型腔表面2~4 mm范围内,型腔表面层的平均温度梯度分别是6.824 4和6.825 2℃/mm。在6~10 mm范围内,分别是4.467 9和4.468 4℃/mm。图6为冷却水的温度对模具型腔表面的升温速率的影响,可以看出,在0~5 s这段时间内,当水温为30℃时,型腔表面平均升温速率为11.123℃/s,而水温为50℃时,升温速率为11.122℃/s;在5~10 s这段时间内,其升温速率均为1.669 1℃/s。从上面的分析可以知道,水温为30、50℃时,模具的温度梯度和升温速率基本一样,只是水温为50℃时,其温度梯度和升温速率略低一点。因此,在压铸过程中,冷却水的温度对于实际生产影响不大,故可把冷却水的温度适当调高到50℃左右,但不能低于20℃。

3.3 冷却水管位置对模具温度场的影响
试验模拟计算了冷却水管直径为10.5 mm,水温为50℃,冷却水管位于A、B位置时模具温度场的分布。其中,位置B(在位置A的基础上往远离型腔的方向下移动10 mm)距模具型腔表面45 mm,位置A距模具型腔表面35 mm(见图2)。图7为两种情况下模具上某位置处距离

型腔表面不同点在不同时刻的温度变化示意图。从图7可以看出,冷却水管位于位置B时,在距离型腔表面2~4 mm范围内模具处于等温平台,而位于位置A时,在4~6 mm范围内模具处于等温平台。图8为冷却水管位置对模具升温速率的影响,可以知道,在0~5 s时间范围内,冷却水管位于B位置时,模具型腔表面的平均升温速率为9.5259℃/s;当冷却水管位于A位置(即距离型腔表面35 mm)时,型腔表面的平均升温速率是11.122℃/s;同样,在5~10 s时间范围内,其升温速率分别是1.326 2和1.669 1℃/s。
图9为冷却水管位置对型腔表面层的温度梯度的影响,可以知道,5 s时刻,距离型腔表面0~2 mm范围内,冷却水管位于B位置时,型腔表面层平均温度梯度为15.045℃/mm,位于位置A时,为10.975℃/mm;距离型腔表面2~6 mm范围内,型腔表面层平均温度梯度分别是2.674 8和3.412 2℃/mm。

从上面的分析可以看出,冷却水管放置在A,B两不同位置,冷却效果是不一样的。冷却水管位于位置A(即距离型腔表面35 mm)时,型腔表面的升温速率比冷却水管位于位置B(即距离型腔表面45 mm)时大,而模具的温度梯度小,且模具的等温区远离了型腔表面2 mm。故冷却水管离模具型腔表面35 mm(位置A)时,热量传递快,温度梯度小,模具温度分布更合理。
3.4 冷却水管直径对模具温度场的影响
在生产中,小型模具用的冷却水管直径一般为8~10 mm,模拟计算了水温为50e,冷却水管离型腔表面35 mm,直径分别为8、9和10.5 mm时模具温度场的分布。图10为不同冷却水管直径时离型腔表面不同距离处的温度变化的示意图。从图10可以看出,距离型腔表面0~4 mm范围内,冷却水管直径为8 mm时,模具温度最高,在0~2mm范围模具维持在一个较高的温度平台;水管直径为9 mm时,模具的温度最低,在2~4 mm范围模具维持在一个较低的温度平台;水管直径为10.5 mm时,模具温度介于二者之间,呈递减的趋势。在距离型腔表面4~10 mm范围内,冷却水管直径为8 mm和9 mm时,二者的温度分布基本一致,且在6~8 mm范围维持在
一个较低的温度平台;而管径为10.5 mm时,模具温度高于8 mm和9 mm时的温度,在4~6 mm范围内模具维持在一个较高的温度平台。

从图11型腔表面的升温速率可以知道,在0~5 s范围内,管径分别为8、9和10.5 mm时,

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型腔表面(位置P)的平均升温速率分别是10.26、9.968 5和11.122℃/s,在5~10 s范围内,其升温速率分别是1.233 2、1.473 6、1.669 1℃/s。
鉴于模具的等温区间不同,分段讨论模具的温度梯度。从表2可以知道,在5 s时,在0~2 mm范围,管径为9 mm时平均温度梯度为13.205℃/mm,大于管径为10.5 mm时的温度梯度10.975℃/mm;而在2~4mm范围,管径为8mm时温度梯度是14.826℃/mm,大于管径为10.5 mm时的温度梯度6.824 4℃/mm,因此若采用8 mm或9 mm的冷却水管,模具内温度梯度较大,导致热应力也较大,模具容易产生裂纹。其中管径为9 mm时的温度梯度比8 mm时的高,这主要是由于在0~5 s时间内模具的升温速率低,热量传递慢,有热量的积聚,这可能是受金属凝固潜热的影响。根据前面冷却水管的位置对模具温度场的影响,可考虑改变水管的位置来消除热量的积聚。  从上面的分析知道,冷却水管直径不同,模具的等温区间不一样,管径分别为8、9、10.5 mm时,等温区分别距离型腔表面0~2 mm、2~4 mm、4~6 mm。采用较大的管径(10.5 mm),模具的升温速率大,热量传递快,而模具的温度梯度低,模具内温度分布比较均匀。
4 结论
(1)运用有限元分析软件ProCAST对轮毂压铸模进行了压铸过程热分析,从型腔表面的升温速率和型腔表面层的温度梯度方面,定量地分析了模具冷却系统对模具温度场的影响,得到了较好的生产工艺方案。
(2)压铸过程中,模具内部通冷却水,一定程度可以减小模具的温度梯度分布,调节模具内部温度变化不规则区域,消除局部过高温度,使模具达到均匀的热平衡效果。
(3)改变冷却水温,模具总的温度变化基本一致;而改变冷却水管的直径(即冷却水的流量),模具的温度变化明显,且采用10.5 mm的管径,冷却效果最好。冷却水管距离型腔表面距离不同,型腔表面层的温度分布变化明显,可改变水管的位置来消除热量的积聚。