模具材料對鋁合金壓鑄模熱平衡影響的有限元研究
鋁合金壓鑄模的主要失效形式為熱疲勞。 鋁 合金的熔化溫度為 600～760℃ ，其壓鑄模型腔表面 溫度高達(dá) 600℃ 以上，熱疲勞失效約占 70%。 熱 疲勞主要是由于在壓鑄循環(huán)中， 熱應(yīng)力大于熱疲勞 強(qiáng)度極限。而熱應(yīng)力又是由壓鑄模溫度波動(dòng)導(dǎo)致的。 所以摸清鋁合金壓鑄循環(huán)過程中壓鑄模溫度的演化 規(guī)律以及熱平衡的形成就變得越來越重要。趙信毅、 Hsieh 、李朝霞、張光明等人分別研究了冷卻工藝、冷 卻水溫及冷卻管徑、模具預(yù)熱溫度、澆注溫度等因素 對鎂合金及鋁合金鑄件和模具溫度場的影響。 但 是模具材料對熱平衡影響的未見報(bào)道， 而模具材料 對鋁合金壓鑄模溫度、 熱平衡以及使用壽命有非常重要的影響。
本文采用 PRO/E 和 PROCAST 軟件，以前蓋鋁 合金壓鑄件為例， 通過對其壓鑄循環(huán)過程中溫度場 的模擬，研究壓鑄模的熱平衡的形成，模具材料對距 模具型腔表面不同位置點(diǎn)的溫度曲線的影響， 分析 模具材料對熱平衡形成規(guī)律的影響， 為選定合理的 模具材料提供指導(dǎo)。
1 模型的建立及參數(shù)設(shè)置
1.1 模型的建立
圖 1 為前蓋鋁合金零件圖， 其材質(zhì)為 A390 鋁 合金。 圖 2 為定動(dòng)模部分簡化模型。
1.2 參數(shù)設(shè)置
動(dòng)定模的預(yù)熱溫度為200℃，澆注溫度為700℃ ，鑄件與模具的換熱系數(shù)為1500W/(m2·C)，模具間的換熱系數(shù)為1000W/(m2·C) ，模具與空氣的換 熱系數(shù)為5W/(m2·C)，模具與脫模劑的換熱系數(shù)為500W/(m2·C)。 由于金屬液瞬間充滿型腔，與此同時(shí)本模擬重點(diǎn)考慮是模具，故不考慮充型過程。循環(huán)周 期為30s，第0s開始充型，第15s開模，第20s推出 壓鑄件，第23s噴脫模劑，第25s噴涂結(jié)束，第29s合模。
1.3 物性參數(shù)
模具材料采用性能差別大的 H13 、陶瓷和純銅。 影響模具溫度的主要因素為模具材料的熱導(dǎo)率和比 熱容。 圖 3 為模具材料的熱導(dǎo)率。
2 模擬結(jié)果及分析
選取動(dòng)模中間截面上的5個(gè)節(jié)點(diǎn)為分析對象。 圖4為截面位置及節(jié)點(diǎn)位置圖。節(jié)點(diǎn)1～5分別代表 圖4(b)中從上到下的5個(gè)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)1在型腔表面，節(jié)點(diǎn)5離型腔表面距離最遠(yuǎn)。
圖5為壓鑄模從預(yù)熱溫度To到穩(wěn)態(tài)的升溫示 意圖。 壓鑄模從第 1 個(gè)壓鑄循環(huán)前的平均的預(yù)熱 溫度To增加到穩(wěn)態(tài)的溫度Tmin 。從圖5可以得到，任 意一個(gè)壓鑄循環(huán)開始時(shí)模具上某點(diǎn)的溫度(Ti) ，在達(dá) 到穩(wěn)態(tài)前可以表示為模具預(yù)熱溫度與該壓鑄循環(huán)前 經(jīng)歷的每一個(gè)壓鑄循環(huán)的溫度增量(δT)之和：
T i =δT i-1 +δT i-2 +δT i-3 + …… +T 0 =T 0 +ΔT (1)
壓鑄模內(nèi)各點(diǎn)溫度的變化通過連續(xù)的壓鑄模擬來實(shí) 現(xiàn)，每一次工作循環(huán)都是冷卻、開模、噴脫模劑、合模 幾個(gè)階段構(gòu)成。將上述溫度場的模擬過程繼續(xù)下去， 達(dá)到熱平衡時(shí) T max 和 T min 保持為常數(shù)， 每次壓鑄循 環(huán)溫度增量 (δT) 為零。
圖 6 為 H13 、 銅和陶瓷模具材料連續(xù)壓鑄時(shí) 5 節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線。從圖 6 中可以看出，模具溫度從 預(yù)熱溫度 200℃ 經(jīng)過大約 50 個(gè)壓鑄循環(huán)，壓鑄模具 溫度變化趨于穩(wěn)定，壓鑄模進(jìn)入熱平衡狀態(tài)。在這個(gè) 熱平衡形成過程中，隨著循環(huán)的進(jìn)行，模具表面的 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度每循環(huán)一次整體溫度提高 δT 不盡完 全相同，開始壓鑄循環(huán)時(shí) δT 值最大，隨著壓鑄次數(shù) 增加， δT 越來越小，當(dāng)達(dá)到熱平衡后 δT 為零。 距型 腔表面最近的節(jié)點(diǎn) 1 每次循環(huán)的溫度波動(dòng) (T max -T min ) 最大。離型腔表面越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)溫度波動(dòng)越小。圖 6(a) 中 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度波動(dòng)差別不大， 最重要原因是銅的導(dǎo)熱系數(shù)很大， 導(dǎo)致溫度從型腔表面向基體或從 基體向表面?zhèn)鬟f很快，所以溫度波動(dòng)厚度比較大。圖 6(b) 中陶瓷模具材料的 5 個(gè)點(diǎn)只有節(jié)點(diǎn) 1 有溫度波 動(dòng)，其它 4 個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)循環(huán)基本沒有溫度波動(dòng)。這 主要是由于陶瓷的熱導(dǎo)率很低， 每次壓鑄循環(huán)溫度 變化深入的模具厚度很薄。 圖 6(c) 的 H13 模具材料 的 1～4 節(jié)點(diǎn)溫度都有波動(dòng)， 只有節(jié)點(diǎn) 5 沒有波動(dòng)。 這是由于 H13 的熱導(dǎo)率介于銅和陶瓷之間。
圖 7 (a) 為三種模具材料節(jié)點(diǎn) 1 的溫度變化曲 線。 熱平衡后節(jié)點(diǎn) 1 的 T max 陶瓷材料為 582℃ ， H13 為 529℃ ，銅為 506℃ 。這說明導(dǎo)熱系數(shù)越小，型腔表 面點(diǎn)最大溫度越高。 節(jié)點(diǎn) 1 的波動(dòng)幅度 (T max -T min ) 陶 瓷材料為 142℃ ， H13 為 64℃ ，銅為 43℃ 。 型腔表面 點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度陶瓷材料最大， H13 次之， 銅最 小。 這說明型腔表面在吸熱和散熱時(shí)， 導(dǎo)熱系數(shù)越小熱量從型腔表面向模具基體或從基體向表面擴(kuò)散 越困難，表面點(diǎn)溫度波動(dòng)幅度也就越大。 圖 7(b) 為 三種模具材料節(jié)點(diǎn) 2 的溫度變化曲線。 節(jié)點(diǎn) 2 在型 腔內(nèi)部，離型腔表面一定距離。三種模具材料的型腔 次表面的溫度波動(dòng)幅度比型腔表面的溫度波動(dòng)幅度 小。 這是由于次表面不和高溫鋁以及低溫的脫模劑 直接接觸。 其吸熱和散熱都要通過該點(diǎn)到型腔表面 之間的模具材料的熱傳導(dǎo)來完成。 所以其對溫度的 敏感性比型腔表面弱。 在次表面點(diǎn) 2 銅的波動(dòng)幅度 最大， H13 次之，陶瓷材料最小。 這是由各種材料導(dǎo) 熱系數(shù)所決定的。
3 結(jié)論
(1) 利用 PRO/E 和 PROCAST 建立了前蓋鋁合 金壓鑄的三維有限元模型。
(2) 分析了距型腔表面不同距離的 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)的 溫度變化曲線。指出 50 次壓鑄循環(huán)后模具進(jìn)入熱平 衡狀態(tài)。距型腔表面越近點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度越大。
(3) 分析了 H13 、銅和陶瓷模具材料對型腔表面 點(diǎn)及次表面層溫度曲線的影響。導(dǎo)熱系數(shù)越大，型腔 表面點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度越小， 型腔次表層溫度波動(dòng) 幅度越大。
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