温度场总论

在前面的三期里，我们讨论了模具脱模剂的喷涂要点，需要掌握的是水基脱模剂的喷涂是模具温度场设计的一部分。脱模剂在喷涂过程中，所带走的热量需要准确的计算。计算的结果是针对某个铸件产品严格控制脱模剂的喷涂量，喷嘴距离模具表面的远近，喷涂的流量，雾化效果，保障脱模剂均匀的涂附在模具的表面，并且形成保护膜薄层，起到离型的作用。

压铸产品所散发的热量有相当一部分是由水基脱模剂带走的，而另一大部分热量是通过合理设计的模具冷却水道带走。同样的，冷却水道带走的热量也需要进行具体计算。确定冷却水道带走的热量，需要把模具的班产量转换成热功率。通过热力学原理，把冷却水道的位置，水道直径，水流量确定下来。

按照这样原理设计的模具，可以提高压铸产品的班产量，减少或者避免压铸产品的变形，减少模具热结点也就是粘模的出现，有效控制铸件产品气／缩孔形成的位置等。

一条重要信息

模具的温度场设计往往被忽略了，这是因为人们认为没有办法进行准确的估算。如果现在介绍一套方法能够尽量接近准确值，那么设计人员就可以使用标准的方法来设计并且调整模具的温度场。这样一来，设计的工作也会变得简单很多。因此模具温度场设计的概念是非常关键的：很多模具的温度场设计都是400%错误的，但是如果是正负偏差40%的错误，在实际使用中会感觉到这套模具很好用。

本文介绍的方法可以把设计工程师引领到正途上来，让模具达到一个正确的热平衡。在大多数情况下，这个方法是非常实用的，然后再通过修改常见的铸造参数，包括模具喷涂、冷却水流量或者油温，就可以达到良好的温度场设计目标。

无论是在一张稿纸上手动设计温度场还是使用最先进的计算机模拟软件，设计人员都必须知道冷却水道的位置。

第二个非常重要的信息是，模具温度场设计必须在前；然后再设计顶针、螺栓或者锁紧配件的位置，以及模架的深度和尺寸，分模面以及渣包。大多数设计人员都是先安排顶针，螺栓的位置以及其它部分，最后再设计冷却水道。这样设计的模具非常容易加工，模具只是在模具厂停留短暂的时间而且模具厂的工作就是在大块的模具钢材料上加工所需要的型腔，不需要考虑在压铸过程中铝合金液态金属是如何凝固的。但是，这样的模具对于长期使用模具的压铸厂家来说，使用起来非常困难。压铸工艺其实就是在炉内把铝合金金属加热熔化，然后由模具带走成型金属在凝固过程中所散发的热量。如果忽视了这个根本，那么模具不会好用。

我们从哪里着手？

首先，需要仔细检查压铸件产品的形状。

为了把问题简单化，我们通过举例作为演示，考察一个特定的零件，来说明一下我们需要检查什么。

上面这个零件由三部分组成，图示为产品的侧视剖面图。

设计人员首先需要将零件分成不同的区域。每个区域要分别对待以便进行不同冷却水道的设计。区域的选定取决于铸件产品的形状以及壁厚。每个区域的壁厚应该相同，形状相同。壁厚不同的位置应该区分对待。形状的区分主要看其属于三种形状中的哪一种，通常铸件产品有三个形状：平整、凸台和凹陷部分。（这只是粗略的一般性的铸件形状的概括，实际情况还会有不同。）

我们挑选的这三个区域的特点是不同的，因此要区别对待。要分别计算每部分的冷却情况而且这三者之间配合要一致，这样才有利于实际生产。

希望缩孔出现在哪个位置？

有一个需要考虑的重点是凝固缩孔线的位置，也就是缺陷出现的位置。

一般来说，金属铸件产品是从产品的外壁向铸件中心凝固。金属凝固以后会收缩，在没有熔态金属补缩的情况下，会出现收缩孔洞。因此铸件产品在动定模之间会存在一条缩孔缺陷。

作为设计人员，在某种程度上是可以控制这条缩孔线出现的位置的！

铸件产品在凝固以及降温时所释放的热量会散发到模具上。如果热量是均匀进入动定模的，那么凝固缩孔线将会在铸件产品内部的正中间位置出现。

如果产品的某个面需要加工，那么可以想办法减少这个被加工面的缺陷。打比方说，比如上面那个零件的底面需要加工，那么最好的方式是将缩孔线上移。因为如果从模具底部(粗线所示)带走的热量比顶部多，缩孔线就可以上移。

缩孔线可以有部分的移动，移动量的大小取决于压铸金属产品的厚度。但是，需要理解的是：气孔疏松的位置是没有办法移动的。气孔的移动只能通过正确设计浇口系统来解决，并且需要正确的设置压铸设备参数来减少铸件产品中卷入的空气。

再回到这个例子

在这个例子中，我们假定铸件的大部分是不需要后续加工的，那么可以容许中心有缩孔线的存在。虽然如此，在C部分，凸台的底部要足够结实，因为此处铸件的部分需要钻油路孔。

因此，我们决定在区域A和B，动定模分别带走的热量是各一半。而产品C区域部分，定模带走25%，动模带走75%的热量。

这样设计之后，缩孔线将如下图所示。

计算铸件产品分割后的重量

我们需要估算铸件的每个分割部分的重量和体积。还要包括所有渣包的重量和体积，因为这些部分也会增加产品在凝固过程中散发并且进入模具的热量。

我们来计算各个部分金属产品的体积。这里我们讨论的铸件金属是铝合金。

体积可以通过CAD工具获得或者直接通过图纸计算。幸运的是，每个给到压铸商的零件都有CAD图纸，而且很多软件都可以计算产品上任何位置的体积。如果手上有铸件的话，那么获得体积最好的方式就是将铸件锯切开并称重。

例如：我们得到区域B的体积

区域B的金属体积=100立方厘米

现在需要估计一下班产量或者压铸循环时间。那么，我们假设循环时间是30秒。

在压射过程中，区域B填满了熔融铝合金金属，随着铝合金液体的凝固其热量被带走，铸件的温度降至凝固的顶出温度。

热量的表述是功率也就是热流量，其单位是千焦耳/小时。

因此，我们需要计算出每小时进入动定模两部分的能量各有多少。

模具需要带走的能量包括从液态金属冷却到固态时凝固所散发的能量，以及温度下降到铸件产品的顶出温度所需要带走的能量。

液态到固态散发的能量称为潜热，而将金属降温释放的能量是比热。下表中给出相关数值。

铸件是铝，铸件产品在450℃时顶出，液态铝合金到达这个温度，其散发热量的公式就是：

每立方厘米热量损失 = 潜热 + 2.9× （液态温度 - 顶出温度）

=1094 + 2.90 ×（593 - 450）

=1500焦耳 / 立方厘米

每立方厘米的金属在凝固过程中，需要带走的热量达到1500焦耳。

因此从B区域需要带走的热量 = 100 × 1500焦耳

=150000焦耳

我们提过一半的热量是通过定模带走的而另一半通过动模带走。

那么动模部分需要带走的热量=75000焦耳

我们设定的压铸循环周期是30秒，那么这些热量是在30秒内被带走的，每小时(3600秒)带走的热量就是

热量损失率 = 3600秒 × 75000焦耳/30秒

=9000000焦耳/小时或者9000千焦/小时

那么区域B的动定模需要各带走9000千焦耳/小时的热量。

接下来我们需要计算一下型腔表面积，热量是从模具的这个铸件部分的表面积上带走的。在这个例子中，B部分的模具表面积是10厘米*10厘米。B部分型腔表面积=100平方厘米

下一步我们来计算冷却水道的位置，这是通过一种简易的查图表的方式实现的。

我们假设所有的热量由冷却水道带走。将这个作为起始点是非常合适的，因为通过调整冷却水的流量阀是比较容易的，这样冷却水道带走的热量可以通过阀门来调节其增加或减少。这意味着更容易调整模具喷涂和内冷却所带走的热量。也就意味着，模具喷涂量可以减少，这样不但降低生产成本而且可以有效的延长模具的使用寿命。

压铸模冷却水道的计算

使用如上的列线图布局冷却水不但有系统性而且简易。我们还是使用这个例子作说明，看看如何使用这个列线图。

我们先取出例线图的上半部分，然后逐步计算。

别忘记，我们现在得到的有关B部分的数据包括：模具动定模侧需要带走的热量=9000千焦/小时：B部分型腔表面积=100平方厘米

图表包括三个部分。首先是我们通过计算得到的热流量是9000千焦/小时。这是我们标记的第一点。在那条斜线（是所考虑的铸件解析部分的模具表面积数值）上，我们找到计算所得到的100平方厘米的型腔表面积。从热流量线9000的位置画一条线通过型腔表面积的100平方厘米这个点，延长到热通量这条线也就是图表中的右侧竖轴垂直线。

那么我们再看看列线图的左侧。

图表上有三组曲线。最下面的一组曲线是压铸锌合金产品时使用的，中间一组是压铸镁合金或者铝合金的，最上面一组是压铸黄铜的。在这个例子里，我们讨论的金属是铝合金所以参考中间的铝合金曲线。对于铝合金的曲线，其描述的是：压铸铝合金温度为650度，模具在使用时，模具的表面温度在240度。锌合金压铸温度是405度，模具表面温度是230度，而铜合金压铸温度是950度，模具表面温度是510度。

图表中，横坐标箭头所指的位置其显示的就是型腔表面沿着热量流动的方向到冷却水道的距离(对于平整铸件)。

继续计算之前，我们先引入一个非常重要的概念。就是热量进入模具的流动扩散路径以及方向。这里有两种可能，要么就是所有能量汇聚到一点或者一点的附近(铸件曲率是凹的表面)，要么就是均匀发散(曲率是凸的表面)。

铸件表面的曲率是汇聚还是发散？

如上面所述的那样，我们最后需要的一个信息是热量如何从零件传递扩散到模具里去的。热量习惯于沿着垂直方向进入与产品接触的模具表面。

很明显，热量的传递方式与模具中热量的走向是以上三种的哪一类有关。在每一个情况下，都必须确定热的走向是汇聚，平行，还是发散。然后再粗略估计零件弯曲半径。

对于区域B我们可以看到零件基本是平整的，那么热的走向也是平行的。

接下来我们看一下列线图的最后一部分内容。

在上图的顶部我们可以看到一组曲线。中间的一条45度斜线是给平面形状零件使用的直线。这条线上面那些线条是给热量汇聚零件使用的，这条线下面那些线条是给热量发散型零件使用的。在我们的例子中，热量线是平行的，所以使用的应该就是这条直线，也就是”平面”的线。将箭头线向下延伸直到与直线交叉，从交叉点画一条水平线，我们就得到数值37毫米。这就意味着冷却水道或者油冷管道距模具表面的距离是37毫米。既然这个B部分热量是平均散失到动定模中的，那么在两半模具中水或油冷却管道距离型腔表面的都是37毫米。

计算非常简易，通过实践，计算速度可以大大加快！