黄奇德
德宝压铸技术公司

   压铸工艺是把熔解的合金注入金属模具，然后冷却的过程。要把产品做好，除了充填过程很重要之外，影响冷却的模温控制也是很关键的。
   如果把压铸工艺看成是一个模热循环过程，在这模具系统里，流出的热量必须等于进入的热量，不然模具会越来越冷或越来越热。附图为热室压铸模的热平衡图（Sankey diagram）; 进入系统的热量以熔解合金的热量为主，少量热能由射嘴的热能，或模温机的热能提供。离开的热量则比较多样化，最主要的是取走的铸件的热能，其次是热幅射和冷却管道带走的热量，其余的包括热对流，喷涂的少量热量。冷室模具的热平衡图在热量的比例会有不同，但原理一样。
 

模具热传递方式
    在解释模具温度热平衡的同时，让我们重温一下各种热传递的方式。
热辐射: 热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，热辐射以电磁辐射的形式发出能量,温度愈高，辐射出的总能量就愈大。同时, 物体表面积越大, 辐射量也就愈大。
 

    压铸模具在高温下会透过热辐射流失部分热能。
热传导: 热量从系统的一部分传到另一部分，或由一个系统传到另一系统的现象叫做热传导。是固体中传热的主要方式, 热量从物体的高温部分传至低温部分, 只要物体内存在温度差，就一定会发生传热。热传导速率决定于物体内温度场的分布情况。
压铸生产中，铸件热量传导至模具,模具热量传导至离型剂水分（部分蒸发）和冷却管道的流体。 在流动情况下热传导与热对流同时进行。此外,模具有少量热能传导至压铸机板，对要求高模温的模具，可以用耐高压隔热板放在模具和机板之间，减少热流失。热传导越快，热交换效率越高。一般使用的模具型芯材料1.2344或1.2343，热传导系数为25W/mK，模架材料1.1730为45W/mK，模具在某些散热比较困难，可以选择传热较快的材料，像铜基材料。有用于快速散热位置（如排气块）的鈹铜，热传导系数为100W/mK。
 模具材料,水流量对温差的影响

附图表示,在不同材料下,水的温度和模面温度差有区别。铍铜由于传热性能高，水和模面的温差很小。除了材料，管道至模面的距离，还有水流量也会影响温差。
热对流: 液体或气体中，较热的部分上升，较冷的部分下降，循环流动，互相搀和，使温度趋于均匀。对流是气体中热传递的主要方式,分自然和强迫对流。
q = hc A dT
模具热量传到环境空气，外围的热空气以对流方式带走少量热量，气化的离型剂水分透过自然对流带走热量, 冷却通道的流体以强迫对流方式带走模具热量。

模温对铸件质量的影响
   不适当的模温会影响铸件质量,温度过高会导致:
-周期时间过长
-离型剂消耗太多
-尺寸精度降低
-模具/工件变形
-缩孔/表面凹陷
-表面起泡
-粘模
-顶出困难
-模具磨损
模具温度过低则导致:
-冷纹
-填充缺料
以下为各种合金压铸模具，推荐的表面温度范围：

   因此，把模具温度控制在设定范围是很重要的。模温机正是为此而设计的。

模具的温度平衡
 

    在压铸过程中，模具温度是循环变化的，并最终保持动态周期性平衡。模温在金属进入模腔后达最高点，在刚喷涂完时达到最低点。所谓模具温度，是指射料前的温度。压铸模具形状复杂，模具温度分佈不平均,铸件也厚薄不均；导致各种质量问题，要保证铸件质量，必须细分模具热场区，并分开控制温度。而规划模温控制，须要先了解铸件要求(表面光洁度,气密性，强度要求等)。

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 缩孔区和模具过热区
   生产者要控制模温范围，还要减少温度分布差异；铸件厚壁位置和模具较热的部位容易产生缩孔，如果缩孔产生在关键部位，像接近机加工位置，就会引起外观问题，或铸件泄漏；解决办法是加强冷却。相反，铸件在模腔内的冷却过程中，薄壁位置会先凝固，产生冷纹，或堵塞了在增压时金属液补缩的途径，譬如，浇口太早凝固会令铸件的缩孔增加。因此有需要在薄壁的地方，和流程远的位置减少冷却，甚至加热。凝固速度对铸件质量也有影响，高冷却速度有助于形成细化晶粒组织，提高铸件的致密性。

模温控制方式
   为了控制模具温度，我们使用：
-离型剂喷涂（方向/范围/流量/时间可调），离型剂在高温时的附作力会影响冷却的效率（参考Leidenfrost现象，及Nukiyama沸腾曲线）

 -模具冷却管道（流量/开通时间可调），流量越高，冷却速度越快。
-模具上安装加热管（功率/时间），维护麻烦，较少应用。
-铸件渣包（大小），也可用作额外加热，但热效率低。
-模具温控管道（媒介温度可调）, 模温机的热水或热油，可加热和冷却。
-生产周期（周期越短，模温越高）等。
    不同方式各有优缺点，要解决问题，必须综合运用，才可达至最佳效果。
  
模具冷却管道的布置和设计
   压铸模具的内部温度控制是非常重要的。它缩短了生产周期，降低了模具整体温度，和减少温度差异。可能是由于安装管道麻烦，影响换模时间，或模具生产成本，或供水条件差等问题，很多压铸厂没有重视模具的内部冷却；而主要依赖离型剂喷涂来冷却模具，这会：
-令模具表面容易龟裂，寿命降低；
-过多的水气导致铸件困气；
-水渍附在模面，影响传热效果；
-消耗太多离型剂，增加了成本，也导致污水处理的问题；
-不适合稳定的自动化生产；
-同时也拖长了生产周期，影响效率和产品质量。
   在设计冷却管道时，首先要知道模具有不同的热场区域，它们有不同的冷却要求，冷却管道的布置要可以独立控制每个区域的冷却量或温度控制；最简单可以分为三个区域，即冲头区（或分流锥区），流道区和型腔区。
冲头区
   这里一般是模具最热的位置。要最快的把大量热能带走，最好是用冷水冷却，因为水的热容量和热传导系数高。
流道区
   视乎模具大小和铸重，可选择使用水冷或油冷。浇口区要独立的温度控制，防止粘模。
型腔区
   型腔区是模温机主要应用的区域，复杂的型腔，可以再细分热场区。模具设计师根据经验，或利用模热分析软件，判断不同热场区，如滑块，型芯，不同厚薄区等，以此来布置多条冷却管道。
  

使用模温机的好处
   模温机可以提高铸件质量。目前，大部分的欧洲压铸厂都在使用模温机，模温机已经是成为标准的压铸周边设备。如何利用模温机来提升铸件质量，模具设计是关键。
   用冷水来控制模具内部冷却是目前国内比较普遍使用的方法。优点是使用成本低，冷却效率高，要求管径较小。缺点是1.水垢堆积在管道壁上，水垢是隔热的材料，会令热传递效率下降，改变冷却量，不利于自动化生产。解决方法是定期清洗管道,和处理冷却塔的水。2.冷水温度低，和模面的温差大，内应力较大。3.流量要求高，一般需要１０－２０lpm的流量，铸件越大，要求流量越高，还要考虑距离远的要有足够水压。４.如果生产不稳定，经常中断生产，则模具水冷经常需要关闭，甚至模具需要适当预热，模温无法有效控制。５.在调机时，用冷水调模温比较难调。
   模温机和冷水控制都是利用模具的冷却管道来调节模温，主要的分别是模温机不单只可以冷却，还可以加热。模温机分为热水及热油两种，我们在下一篇文章会有详细描述。适当使用模温机有以下好处：#p#分页标题#e#
-提高模具寿命。熔融金属和冷模接触会对模具产生严重的热冲击力，可以很快令模具热裂；　相反，如果把模具预热至１５０Ｃ以上，可以大大提高模具的热冲击强度，故此，预热模具，特别是大型而昂贵的模具，是必要的。
-减轻热冲击。流体温度高些可以提升模具基本温度（缩短生产周期也可以），而加大流量可以降低模具最高温度（加强内部冷却），两方面都可以缩小热冲击温差。
-模温机对薄件的生产很重要。薄壁件需要很高的模温来提升金属流动性，必须长期加热来保持高模温。特别是镁合金薄壁件，它的热容小，要求的加热功率也大。
-不用担心管道水垢问题，就算是热水机，也是用循环水，问题不大。
-减少使用离型剂，降低使用成本，也降低模具热裂的机会。
-减少预生产的废品。
-利用点式冷却管道，可以减少型芯过热的情况。
-铸件表面质量明显提高。
-模具温度不受生产中断，如停机／修模／换班的影响。
-生产质量稳定，无需太过依赖操作工的经验。
-降低模具的温差梯度，改善模温不平衡，减少变形。
    

 
-铸件尺寸稳定。
-模具温度稳定，修模次数减少。
-适合自动化生产。

分析工具
   冷却管道规划不好，很难在事后纠正。因此在设计模具时准确预测铸件和模具温度分佈与变化很重要。模热分析软件可以担当此任务。使用软件的模热循环功能，可以找出压铸生产时模具较热和较冷的位置。软件的铸件凝固功能，可以找出铸件最后凝固的位置（即缩孔的位置）。方便在模具开发设计階段找出相应优化的冷却管道佈置。

   在正式生产时，要掌握模具表面温度的实时信息，最好就是用红外线热成像仪。它可以用颜色画面显示温度分布，用户可以直观地判断模具较冷和较热的位置，作为调整冷水流量，模温机温度和离型剂喷涂量的依据。
 

   本公司代理有关模温控制的产品，包括奥地利模温机，美国高压点冷机，美国模流分析软件，日本热成像仪等。在下一篇文章里，我们将会介绍热油和热水模温机的工作原理和特点，选型和管道计算，使用方法，以及应用。