压铸工艺被广泛应用于汽车、摩托车、家用电 器、电子通讯等行业,尤其是汽车行业.在压铸过程 中,压铸模具是成型的关键部件,而压铸模具的温度 控制对提高压铸件的表面质量、稳定压铸件的尺寸 精度、缩短铸件的生产周期、降低模具的热应力以及 延长模具的使用寿命等都具有重要的影响作用.模 具温度的调节方法是在模具内部设置冷却水流道, 通过调节模具不同部位的冷却水流量和改变冷却流 道在压铸模具内的排布形式,来控制压铸模具的温度分布.
目前,研究人员开展了影响压铸模具冷却流道 的相关工作.Lin分析了流道间距、流道与型腔之 间垂直距离对模具变形的影响规律,从而获得了最 佳冷却系统的相关参数.Kosec等人用热影像仪 测量了压铸模具表面的温度场,并对模具的疲劳失 效形式进行了分析.Aloe等人用ProCAST铸造模 拟软件对压铸过程进行仿真,结果表明,当模具上设 置流道时,沿着流道的热应力较大,但疲劳寿命较 短.Srivasrava等人通过有限元和实验的方法,预 测了压铸模上热裂纹产生的区域、裂纹分布方向和 模具失效前的循环数.Hu等人用实验的方法研 究了冷却流道的流速对压铸模局部模温的影响,获 得了散热量是关于冷却时间和水流速度的函数,即 流速越大,散热越快.因此,水流速度越高,冷却水流 道的输出水温到达热平衡的时间越短,则平衡温度 就越低.
然而,针对模具冷却流道和铸件凝固分数,以及 模具热应力、疲劳寿命等因素的系统研究还未见有 报道,但这正是压铸生产工艺的制定及模具设计的 关键.因此,本文将以用于商用轿车的盒形类铝合金 压铸件为例,采用有限元的方法,对模具进行热力耦 合分析,得出了压铸模具的热平衡曲线和温度场,以 及在此基础上得出的模具热应力影响因子、热疲劳 寿命和铸件凝固分数随流道间距变化的关系.最后, 通过综合分析得出了流道间距的合理选取范围,为 模具水冷通道的布置提供了设计依据.
1冷却水与压铸模传热系数的计算
具有冷却流道的压铸模具可以通过改变冷却水 的流速来调节冷却流道的冷却效果,在有限元模拟 中,为了分析水流速对模具温度场的影响,采用设置不同的传热系数来等效水流速.
冷却水和模具之间的传热属于无相变(无汽或液的转变)强迫对流传热，在冷却流道内流体的实际流动中，旺盛紊流是最常见的流动形式，而最常用的形式为
2 盒形件有限元模型的建立及参数设置
ProCAST软件是为评价和优化铸造产品与铸 造工艺而开发的专业CAE系统,同时可以对压铸 模在铸件充型、凝固和冷却过程中的的温度场、应力 场、热疲劳等进行模拟分析.
在对模型进行有限元分析前,先要建立铸件和 动、静模的三维模型及其有限元模型.有限元模拟中 网格的剖分质量是影响计算精度的重要因素,因此 本文采用专业有限元前处理软件Hypemesh来生 成高质量网格,然后将网格数据导入ProCAST软 件中进行边界条件和相关参数的设置,最后利用ProCAST软件进行求解并进行后处理.
2.1有限元模型的建立
压铸件主要是薄壁复杂形状的零件,且种类和形状各异,通过对一些压铸件的几何特征分析结果 表明,很多零件都包含类似盒形件的结构.图1a为 带有浇口、浇包和排气口的汽车变速箱上盖压铸件, 其两侧都有类似盒形的特征.将该汽车减速器的上 盖模型简化为盒形件(见图1b),其尺寸与原铸件保 持相同,长度为400 mm,宽度为260 mm,高度为60 mm,壁厚为15 mm,是原铸件的平均壁厚且质量与 原铸件相当.
除了建立压铸件的简化模型,还需建立压铸模 具的动模和静模,如图2所示.模具中当某点位置与 型腔表面距离大于50.8 mm时,铸件凝固时释放出 的热量对模具在该位置温度的影响较小.因此,本 文将流道与模具型腔表面的垂直距离设为50 mm, 流道的管径为10 mm,模具长为750mm,宽为645 mm,下模厚度为120 mm,上模厚度为200 mm.如 图3、图4所示,将模具内流道的排布方式分为横向排布和纵向排布,当流道横向排布时,流道间距H 分别为25、50、75、100、125、150、175、200 mm(见图 3);当流道纵向排布时,H分别为25、50、75、100 mm(见图4).采用ProCAsT软件进行分析时,铸 件的四面体单元数为1×105,模具的单元数为 1×106.
2.2 模拟参数设置
压铸模具材料为H13钢,铸件材料为Alsi5Cu3铝合金,浇铸溶液的温度为675°C.模具与铸件之间的传热系数为1500 W/(m2·K),动、静模之间的传热系数为1000W/(m2·K),冷却流道和模具间 的传热系数为5300 W/(m2·K),空气与模具之间 的传热系数设为10W/(m2·K).填充过程的时间 由慢压射时间(4 s)、快压射时间(o.1 s)和持压时间 组成,共34 s.开模、关模时间为10 s,拔模时间为 10 s,一个循环周期时间为64 s,模拟总共计算了20 个循环周期,模拟中的室温为25°C.
2.3 冷却流道横向排布的模拟结果分析
如图5所示，首先对模具冷却流道的排布进行设计，然后分析模具系统的热平衡和温度场，在温度场的基础上计算铸件的凝固分数、热应力和热疲劳，再将这3者结合起来进行综合分析。
2.3.1模具的温度场模拟与分析
在进行温度场 分析之前,首先要保证模具系统达到热平衡,然后在 动模、静模和铸件上分别任取一点绘制热平衡曲线. 由图6可知,从第6个循环以后,各曲线的顶点和谷底分别处于同一水平线上,表明模具处于热平衡状态.当流道间距增大时,热平衡所需的循环次数、达到热平衡所需的时间也将增加,因此从生产角度上, 要尽量减少热平衡之前的循环次数,以提高产品生 产的合格率.
对温度场进行分析时,应选取模具达到热平衡 时的状态,图7所示为热平衡状态下开模时刻的模 具温度场的分布情况.由图可知,随着冷却流道排布间距的逐渐增加,动模及其型腔表面的温度也逐渐 升高,使得型腔表面的温度分布越来越不均匀.当流 道间距超过150 mm时,型腔表面温度分布开始呈 波浪形状,在型腔中间部位垂直冷却流道的截面图 中(见图8),模具的温度分布由型腔表面向模具内部形成一个温度梯度,而且主要分布在流道和型腔表面之间.同时,由流道间距增大造成的温度分布不均,会逐渐引起型腔表面温度场的分布不均.
铸件在凝固时,如果凝固分数过小,则会引起铸件的强度不够,脱模时就容易变形.当凝固分数 过大时,铸件收缩大,抽芯和顶出铸件的阻力也过 大,不仅不易拔模,而且也降低了压铸的生产率.因此,在生产中应使铸件的各个部位获得合适的凝固 分数.
如图9所示,当铸件的流道间距增大时,铸件上 会出现较低的区域,且越来越大;当开模顶出铸件 时,这些区域会发生变形,铸件上低的区域最后凝固,而且容易产生缩松缩孔.
从图10中可以看出,随着冷却流道的增加,铸件的近似线性减小.流道间距越大,则冷却流道的 个数越少,型腔表面到模具内部的温度梯度也越小, 而模具冷却效果越差,铸件就越不容易凝固.
2.3.2模具的热应力场和热疲劳分布
模具内的 热应力主要产生于铸件与模具之间的温差,以及模 具系统内部的温度梯度.在计算热应力时,将热平衡 状态下模具的温度场作为初始温度场,假设在开模时刻,铸件和模具开始分离.在模具内部,热应力在一个循环周期内先由型腔表面向模具内部扩散、增 大,在接近开模时刻达到最大,然后逐渐消退.开模 时取不同流道间距下的热应力进行对比,发现热应 力主要分布在型腔部位,分布深度在10 mm以内, 在与铸件直接接触的部位可以看到,型腔表面热应 力分布的整体数值随流道间距的增大呈下降的趋势 (见图11).
当流道间距发生变化时,模具型腔表面的温度 和热应力的大小会随之变化,而且H13模具钢的屈 服应力会随着温度的上升而下降.在正常情况下,热 应力应小于屈服应力,否则模具则发生塑性变形.为 了更准确地评估模具的热应力,应将热应力和屈服 应力结合起来考虑,给出新的归一化参数热应力影响因子n,即热应力与屈服应力的比值.挖越小,说明 模具在承受热应力时越安全.当n小于1时,H13 模具钢发生弹性变形;当n大于1时,H13模具钢发生塑性变形.在开模时刻,模具动模型腔表面与铸件接触中间部位的小区域内分别取平均温度值和热 应力值,找出对应于这一温度值的屈服应力,将数值 代入热应力/屈服应力计算式中,计算出n值.从图 12可以看到,n均小于0.5,而且随着流道间距的增 加,靠呈下降趋势,但模具则比较安全.
由于模具的循环次数低于104~105,因此模具 热疲劳的计算模型等效于低循环疲劳指标.在不同 流道间距下,动模具的热疲劳预测如图13所示.在ProCAST软件中,采用热疲劳指标r表示模具寿命 的长短,该指标越高,模具的寿命越长,说明模具失 效的可能性越小.从整体分布来看,当冷却流道间距 增大时,模具与铸件接触部位的f也随之增加,并且 r较小的区域主要分布在型腔表面下10 mm以内的区域,也是最容易发生疲劳破坏的区域.
同样,在模具型腔表面中间部位的小区域内获取平均疲劳指标值,绘制冷却流道与热疲劳寿命之 间的关系图,如图14所示.模具热疲劳寿命随冷却流道间距的变大而逐渐增大,由于热疲劳寿命由压铸过程中交替的冷热循环产生,因此与之对应的模 具热应力和温度梯度也越大.
2.3.3 综合分析
综合和r随H增大的变化趋 势,发现r逐渐上升,则逐渐下降,两条曲线相交, 如图15所示.因此,在满足生产效率的情况下,要保 证工件能够达到一定的凝固分数,应尽可能地增大 冷却流道的间距,以提高模具的热疲劳寿命.
从n和的角度,也可以综合和r随H增大 的变化趋势.从图16中可以看出,随着H的增大,n和都减小,且两者均近似呈现线性规律.
2.4 冷却流遒纵向排布的模拟结果分析
本文对冷却流道呈纵向排布的情况进行了分析,其计算过程与冷却流道横向排布相同.纵向排布时冷却流道的间距分别为25、50、75、100 mm.
图17所示为流道间距与热应力和热疲劳寿命 之间的关系曲线.由图可知,随着冷却流道间距的增大,n呈下降趋势,但模具热疲劳寿命则逐渐增大,其基本规律与流道横向排布是一致的.
3结论
本文采用有限元模拟的方法,系统地分析了盒 形件压铸模具的冷却流道间距对模具热平衡、温度 场、热应力影响因子和热疲劳寿命,以及对压铸件凝 固分数的影响规律,得到的结论如下.
(1)当模具的内流道间距增大时,其热平衡所需 的循环数越多,达到热平衡所需的时间就越长;当冷 却流道呈横向排布,流道间距为25 mm时,模具只 需6次循环即可达到热平衡.
(2)随着冷却流道间距的增加,模具整体温度逐 渐升高,模具中间部位与冷却流道垂直的横截面温 度场呈波浪状,且模具型腔表面的温度分布也越不 均匀.随着冷却流道间距的增大,模具的热应力影响 因子减小,则热疲劳寿命增大、铸件的凝固分数减 小,并且盒形件压铸模具的热应力影响因子均小于 0.5.
(3)在冷却流道纵向排布与横向排布的情况下, 其模具温度、应力随流道间隔变化的规律相同,模具的热疲劳寿命和热应力区域位于模具型腔下10 mm以内的区域.