錐形件壓鑄模冷卻流道排布研究*

西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 （陜西 710049） 陳余秋 張 帥 張 琦

一汽鑄造有限公司鑄造模具廠 （吉林長春 130062） 方建儒

在壓鑄過程中，壓鑄模是成形的關(guān)鍵部件，而壓鑄模的溫度對產(chǎn)品和模具壽命影響最大。壓鑄模溫度的控制及熱平衡對保證壓鑄合金的成形性，提高壓鑄件的表面質(zhì)量，穩(wěn)定壓鑄件的尺寸精度，降低模具的熱應(yīng)力，以及延長模具的使用壽命等都有重要的影響。同時(shí)，模具的熱平衡還可以縮短鑄件的生產(chǎn)周期，成形出尺寸精確、表面質(zhì)量高的鑄件。因此，通過對模具溫度的精確控制，有利于提高壓鑄模的整體壽命。模具溫度的調(diào)節(jié)方法是在模具內(nèi)部設(shè)置冷卻水流道，通過調(diào)節(jié)模具不同部位的冷卻水流量，以及改變冷卻流道在壓鑄模內(nèi)的排布間隔，來控制壓鑄模的溫度分布。

目前，針對模具冷卻流道和鑄件凝固分?jǐn)?shù)，以及模具熱應(yīng)力、疲勞壽命等因素之間關(guān)系的研究很少，但這些因素正是壓鑄生產(chǎn)工藝的制訂及模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文以商用轎車的錐形類鋁合金壓鑄件和生產(chǎn)此類零件的壓鑄模為例，采用有限元的方法，對模具進(jìn)行熱力耦合分析，得出了壓鑄模的熱平衡曲線和溫度場，以及在此基礎(chǔ)上得出模具熱應(yīng)力影響因子、熱疲勞壽命和鑄件凝固分?jǐn)?shù)隨流道間距變化的關(guān)系。最后，通過綜合分析得出了流道間距的合理選取范圍，為模具水冷通道的布局提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

一、冷卻水與壓鑄模傳熱系數(shù)的計(jì)算

在壓鑄模中設(shè)置冷卻流道，并通過改變冷卻水的流速來調(diào)節(jié)冷卻流道的冷卻效果，在有限元模擬中，為了分析水流速對模具溫度場的影響，采用設(shè)置不同的傳熱系數(shù)來等效水流速。

冷卻水和模具之間的傳熱屬于無相變（無氣或液的轉(zhuǎn)變）強(qiáng)迫對流傳熱，在冷卻流道內(nèi)流體的實(shí)際流動(dòng)中，旺盛紊流是最常見的流動(dòng)形式，而最常用的計(jì)算公式為：

式中，Nu為努塞爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普蘭特?cái)?shù)；f為管內(nèi)摩擦系數(shù)。

其中，Re?在104～1.2×105之間，實(shí)際流體的Pr?范圍在0.7～160，指數(shù)n為0.4。

流道與模具之間的傳熱系數(shù)為：

式中，λ為水的熱導(dǎo)率；d為流道的管徑。

文中模具的冷卻流道為直徑10mm 的圓孔，其流速為1m/s，則計(jì)算可知，模具與冷卻流道直接的傳熱系數(shù)為5300W/（m2·K）。

二、錐形件有限元模型的建立及參數(shù)設(shè)置

ProCAST軟件是由法國ESI公司為評價(jià)和優(yōu)化鑄造產(chǎn)品和鑄造工藝而開發(fā)的專業(yè)的CAE軟件。由基于有限元（FEM）的數(shù)值計(jì)算和綜合求解的方法，對鑄件充型-凝固-冷卻過程的流場、溫度場、應(yīng)力場和熱疲勞等進(jìn)行模擬分析。

在對模型進(jìn)行有限元分析前，先要建立鑄件、動(dòng)模和靜模的三維模型及其有限元模型。有限元模擬中網(wǎng)格的剖分質(zhì)量是影響計(jì)算精度的重要因素，因此本文用專業(yè)有限元前處理軟件Hypermesh來生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，然后將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ProCAST軟件中進(jìn)行邊界條件和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，最后利用ProCAST軟件進(jìn)行求解并進(jìn)行后處理。

1.有限元模型的建立

壓鑄件主要是薄壁復(fù)雜形狀的零件，通過對一些壓鑄件的幾何特征分析，結(jié)果表明很多零件都包含類似錐形件的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過簡化后的變速器殼體，模擬分析簡化后變速器殼體的壓鑄過程，以及建立冷卻流道排布形式和模具性能的關(guān)系，模擬分析不同的冷卻流道排布形式對模具性能的影響。流道以錐形結(jié)構(gòu)中心線為軸線均勻排布，流道之間所夾角度α越大，流道間距越大。

除了建立壓鑄件的簡化模型外，還需簡化壓鑄件模具的動(dòng)模和靜模，如圖2所示。

2.模型參數(shù)設(shè)置

在邊界條件和參數(shù)設(shè)置時(shí)，應(yīng)盡量避免除冷卻流道以外的其他因素的影響；同時(shí)，也參考了模具實(shí)際生產(chǎn)的工況和相關(guān)參數(shù)。

模具由澆注的金屬液和模具預(yù)熱輸入熱，由空氣、噴涂涂料和冷卻流道輸出熱。模具的平衡溫度是由模具初始溫度、噴涂、冷卻流道等共同作用的結(jié)果。澆注金屬液的溫度為665～675℃，這里取675℃，金屬液體積為成形鑄件的體積。在生產(chǎn)過程中，模具需要預(yù)熱，且預(yù)熱溫度相對高時(shí)，模具的平衡溫度也會(huì)變高。這里為了避免預(yù)熱溫度對分析結(jié)果的影響并接近生產(chǎn)實(shí)際，我們設(shè)置初始溫度為25℃?？諝馀c模具之間的傳熱是不可避免的，僅對模具的表面起作用，對模具的影響較小，設(shè)為10W/（m2·K）。

除以上參數(shù)外，還需定義循環(huán)時(shí)間，模具與鑄件材料，以及與接觸面間的傳熱系數(shù)。一個(gè)循環(huán)周期的時(shí)間由慢壓射時(shí)間、快壓射時(shí)間和持壓時(shí)間組成，共34s；噴涂時(shí)間為0s；開模、閉模時(shí)間分別為10s；起模時(shí)間為10s；一個(gè)循環(huán)周期時(shí)間為64s；模擬時(shí)，總共計(jì)算20個(gè)循環(huán)周期。

此外，模具材料為H13鋼，鑄件材料為鋁合金，模具與鑄件間傳熱系數(shù)為h1＝1500W/（m2·K）；動(dòng)模與靜模間的傳熱系數(shù)為h2＝1000W/（m2·K）；冷卻水與模具間的傳熱系數(shù)由以上計(jì)算得h＝5300W/（m2·K）。

3.模具熱平衡及壓鑄過程動(dòng)態(tài)仿真

在進(jìn)行溫度場模擬前，要保證模具達(dá)到熱平衡。當(dāng)α=30°時(shí)，在動(dòng)模、靜模和鑄件上分別取一點(diǎn)繪制熱平衡曲線（見圖3）。由圖可知，模具在第13個(gè)循環(huán)時(shí)到達(dá)熱平衡，從第13個(gè)循環(huán)往后，各曲線的頂點(diǎn)和谷底分別處于同一水平線，說明已處于熱平衡狀態(tài)。

4.模具的溫度場模擬與分析

分析溫度場及溫度場隨流道間距變化規(guī)律時(shí)，只取模具達(dá)到熱平衡狀態(tài)的下模進(jìn)行分析，時(shí)間選在開模時(shí)刻。模具的平均溫度應(yīng)在合適的范圍內(nèi)，模具內(nèi)部的溫差不能過大，模具同部位之間的溫差也不能過大。

以模具的動(dòng)模作為對象進(jìn)行分析。隨著冷卻流道之間的間距增加，動(dòng)模型腔表面的溫度逐漸升高，尤其在中間和隔板對應(yīng)的區(qū)域。在帶錐度型腔表面，左端開口溫度較低，越往右溫度越高，帶錐度型腔表面左端和右端之間形成一個(gè)溫度梯度，隨著流道間距的增加，這個(gè)梯度越明顯，即溫度分布越不均；流道間距增加，沿帶錐度型腔表面的溫度分布出現(xiàn)波浪形，而且越來越明顯，如圖4所示。

垂直錐形結(jié)構(gòu)的中心線，在靠近帶錐度型腔部位的右端作截面，如圖5所示。當(dāng)α＝30°、α＝45°時(shí)，型腔表面的溫度分布均勻；當(dāng)α＝60°、α＝90°時(shí)，型腔表面的溫度不均，呈現(xiàn)波浪形。而且，流道間距增加，模具內(nèi)部的溫度分布越來越不均勻。

同樣，在生產(chǎn)錐形件中也要兼顧模溫和凝固時(shí)間，使鑄件的各個(gè)部位獲得合適的凝固分?jǐn)?shù)。由于錐形件錐壁壁厚4mm、中間隔板厚20mm，壁厚差較大。如圖6所示，開模時(shí)，由于錐壁壁厚和中間隔板厚度相差大，錐壁已經(jīng)凝固，而中間隔板以及錐壁上靠近隔板區(qū)域還未凝固。冷卻流道間距增加，錐壁靠近隔板未凝固區(qū)域略微擴(kuò)大，隔板上凝固分?jǐn)?shù)逐漸降低。圖中在澆口處加了溫度邊界條件，對鑄件沒有影響。

鑄件整體的凝固分?jǐn)?shù)隨流道間距的變化趨勢如圖7所示，基本呈線性下降關(guān)系。流道間距越大，模具的溫度越高，鑄件越不容易凝固。

5.模具的熱應(yīng)力場和熱疲勞模擬與分析

在模具內(nèi)部，熱應(yīng)力在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)先由型腔表面向模具內(nèi)部擴(kuò)散、增大，在開模時(shí)刻達(dá)到最大，然后逐漸消退。取不同流道間隔情況下的熱應(yīng)力進(jìn)行對比，時(shí)間選在開模時(shí)刻。熱應(yīng)力主要分布在型腔部位。澆口部位的熱應(yīng)力最大，但是它對鑄件質(zhì)量的影響不大。在型腔表面，靠近鑄件隔板的區(qū)域和澆道表面的區(qū)域熱應(yīng)力最大（見圖8），在帶錐度型腔表面靠近右端區(qū)域，熱應(yīng)力隨流道間距增加而逐漸變大，其他區(qū)域沒有明顯變化。

在模具的靜模型腔表面一小區(qū)域內(nèi)分別取5個(gè)點(diǎn)讀取溫度值和熱應(yīng)力值，時(shí)間還是選在開模時(shí)刻。然后將5個(gè)點(diǎn)的溫度值和熱應(yīng)力值取平均值，就有了模具分別對應(yīng)的溫度值和熱應(yīng)力值。再在溫度-屈服應(yīng)力曲線上讀取溫度對應(yīng)的屈服應(yīng)力值。最后將數(shù)值代入公式m = 熱應(yīng)力/屈服應(yīng)力，計(jì)算出m值，并畫出m值隨流道間隔變化的曲線，如圖9所示。從圖中可以看到，m值均小于0.2，其變化范圍很小，比值m越小，說明模具在承受熱應(yīng)力時(shí)越安全。而且，隨著流道間距的增加，m值總體呈下降趨勢。從熱應(yīng)力角度來看，流道間距越大，模具越安全。

由熱疲勞的計(jì)算結(jié)果可知，型腔部位是熱疲勞指標(biāo)（見圖10）相對較低的地方，最容易發(fā)生疲勞破壞。從型腔表面熱疲勞整體分布來看，當(dāng)冷卻流道間距增大時(shí)，熱疲勞指標(biāo)并沒有發(fā)生明顯變化。同樣，分別在模具的型腔表面一小區(qū)域內(nèi)取5個(gè)點(diǎn)，讀出熱疲勞指標(biāo)值，然后取平均值，得到模具型腔表面的平均熱疲勞指標(biāo)值。繪制冷卻流道與疲勞壽命之間關(guān)系趨勢，模具疲勞壽命隨流道間距變大而增大，如圖11所示。

三、結(jié)語

通過對一些壓鑄件的幾何特征分析，結(jié)果表明很多零件都包含類似錐形結(jié)構(gòu)，并對典型的錐形件進(jìn)行了模擬和分析。研究了模具的相對應(yīng)力比值m、熱疲勞壽命和鑄件凝固分?jǐn)?shù)隨流道間距變化的規(guī)律。

分析錐形件時(shí)，當(dāng)α=30°，模具在第13個(gè)循環(huán)時(shí)到達(dá)熱平衡，第13個(gè)循環(huán)往后，各曲線的頂點(diǎn)和谷底分別處于同一水平線，說明已處于熱平衡狀態(tài)。隨著冷卻流道間距增加，動(dòng)模型腔表面的溫度逐漸升高，尤其在中間和隔板對應(yīng)的區(qū)域。由于錐壁壁厚和中間隔板厚度相差大，錐壁已經(jīng)凝固，而中間隔板及錐壁上靠近隔板區(qū)域還未凝固。鑄件整體的凝固分?jǐn)?shù)隨流道間距的變化趨勢基本上呈線性下降關(guān)系。從熱應(yīng)力角度來看，流道間距越大，模具越安全。

（20120926）