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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 600℃ 以上,熱疲勞失效約占 70%。 熱 疲勞主要是由于在壓鑄循環中, 熱應力大于熱疲勞 強度極限。而熱應力又是由壓鑄模溫度波動導致的。 所以摸清鋁合金壓鑄循環過程中壓鑄模溫度的演化 規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的溫度曲線的影響, 分析 模具材料對熱平衡形成規律的影響, 為選定合理的 模具材料提供指導。
1 模型的建立及參數設置
1.1 模型的建立

圖 1 為前蓋鋁合金零件圖, 其材質為 A390 鋁 合金。 圖 2 為定動模部分簡化模型。
1.2 參數設置
動定模的預熱溫度為200℃,澆注溫度為700℃ ,鑄件與模具的換熱系數為1500W/(m2·C),模具間的換熱系數為1000W/(m2·C) ,模具與空氣的換 熱系數為5W/(m2·C),模具與脫模劑的換熱系數為500W/(m2·C)。 由于金屬液瞬間充滿型腔,與此同時本模擬重點考慮是模具,故不考慮充型過程。循環周 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噴涂結束,第29s合模。
1.3 物性參數
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率和比 熱容。 圖 3 為模具材料的熱導率。

2 模擬結果及分析

選取動模中間截面上的5個節點為分析對象。 圖4為截面位置及節點位置圖。節點1~5分別代表 圖4(b)中從上到下的5個點。節點1在型腔表面,節點5離型腔表面距離最遠。

圖5為壓鑄模從預熱溫度To到穩態的升溫示 意圖。 壓鑄模從第 1 個壓鑄循環前的平均的預熱 溫度To增加到穩態的溫度Tmin 。從圖5可以得到,任 意一個壓鑄循環開始時模具上某點的溫度(Ti) ,在達 到穩態前可以表示為模具預熱溫度與該壓鑄循環前 經歷的每一個壓鑄循環的溫度增量(δT)之和:
T i =δT i-1 +δT i-2 +δT i-3 + …… +T 0 =T 0 +ΔT (1)
壓鑄模內各點溫度的變化通過連續的壓鑄模擬來實 現,每一次工作循環都是冷卻、開模、噴脫模劑、合模 幾個階段構成。將上述溫度場的模擬過程繼續下去, 達到熱平衡時 T max 和 T min 保持為常數, 每次壓鑄循 環溫度增量 (δT) 為零。

圖 6 為 H13 、 銅和陶瓷模具材料連續壓鑄時 5 節點溫度變化曲線。從圖 6 中可以看出,模具溫度從 預熱溫度 200℃ 經過大約 50 個壓鑄循環,壓鑄模具 溫度變化趨于穩定,壓鑄模進入熱平衡狀態。在這個 熱平衡形成過程中,隨著循環的進行,模具表面的 5 個節點的溫度每循環一次整體溫度提高 δT 不盡完 全相同,開始壓鑄循環時 δT 值最大,隨著壓鑄次數 增加, δT 越來越小,當達到熱平衡后 δT 為零。 距型 腔表面最近的節點 1 每次循環的溫度波動 (T max -T min ) 最大。離型腔表面越遠的節點溫度波動越小。圖 6(a) 中 5 個節點的溫度波動差別不大, 最重要原因是銅的導熱系數很大, 導致溫度從型腔表面向基體或從 基體向表面傳遞很快,所以溫度波動厚度比較大。圖 6(b) 中陶瓷模具材料的 5 個點只有節點 1 有溫度波 動,其它 4 個節點在每個循環基本沒有溫度波動。這 主要是由于陶瓷的熱導率很低, 每次壓鑄循環溫度 變化深入的模具厚度很薄。 圖 6(c) 的 H13 模具材料 的 1~4 節點溫度都有波動, 只有節點 5 沒有波動。 這是由于 H13 的熱導率介于銅和陶瓷之間。

圖 7 (a) 為三種模具材料節點 1 的溫度變化曲 線。 熱平衡后節點 1 的 T max 陶瓷材料為 582℃ , H13 為 529℃ ,銅為 506℃ 。這說明導熱系數越小,型腔表 面點最大溫度越高。 節點 1 的波動幅度 (T max -T min ) 陶 瓷材料為 142℃ , H13 為 64℃ ,銅為 43℃ 。 型腔表面 點的溫度波動幅度陶瓷材料最大, H13 次之, 銅最 小。 這說明型腔表面在吸熱和散熱時, 導熱系數越小熱量從型腔表面向模具基體或從基體向表面擴散 越困難,表面點溫度波動幅度也就越大。 圖 7(b) 為 三種模具材料節點 2 的溫度變化曲線。 節點 2 在型 腔內部,離型腔表面一定距離。三種模具材料的型腔 次表面的溫度波動幅度比型腔表面的溫度波動幅度 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到型腔表面 之間的模具材料的熱傳導來完成。 所以其對溫度的 敏感性比型腔表面弱。 在次表面點 2 銅的波動幅度 最大, H13 次之,陶瓷材料最小。 這是由各種材料導 熱系數所決定的。
3 結論
(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 個節點的 溫度變化曲線。指出 50 次壓鑄循環后模具進入熱平 衡狀態。距型腔表面越近點的溫度波動幅度越大。
(3) 分析了 H13 、銅和陶瓷模具材料對型腔表面 點及次表面層溫度曲線的影響。導熱系數越大,型腔 表面點的溫度波動幅度越小, 型腔次表層溫度波動 幅度越大。
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