模具冷卻條件對模具溫度場的影響

1、在壓鑄生產(chǎn)過程中,模具溫度隨壓鑄周期呈周期性的升降,使模具表面產(chǎn)生周期性的熱膨脹、收縮及熱應(yīng)力,最終導(dǎo)致模具熱疲勞失效。為了優(yōu)化工藝方案,保證鑄件質(zhì)量,提高模具使用壽命,對壓鑄過程溫度場進行了定性的分析,研究工藝條件和模具結(jié)構(gòu)對壓鑄模具溫度場的影響。壓鑄生產(chǎn)過程是周期循環(huán)性的復(fù)雜過程,模具溫度受多種工藝條件以及模具結(jié)構(gòu)的影響。如金屬的充填速度與澆注溫度,模具的預(yù)熱溫度,模具加熱與冷卻系統(tǒng)的設(shè)計,澆口的位置和尺寸設(shè)計等。本課題針對A380合金汽車輪轂壓鑄件,運用有限元分析軟件ProCAST,對壓鑄模進行了壓鑄過程溫度場分析,用對比的方法定量地研究了不同的冷卻條件對模具溫度場的影響濟南票務(wù)。1模擬

2、分析系統(tǒng)和材料熱物性參數(shù)試驗采用Pro/E幾何造型,運用ProCAST軟件進行模擬系統(tǒng)網(wǎng)格劃分和數(shù)值計算,有限元分析模型見圖1。其中鑄件材料為A380,其熱物性參數(shù)見表1。模具材料為H13鋼,其熱導(dǎo)率和比熱容不高,隨溫度變化而變化,變化范圍為20500時,熱導(dǎo)率為2527.3W/(m?K);20400時,比熱容為0.45880.58776kJ/(kg?K);密度為7.367103kg/m3。2數(shù)學(xué)模型與邊界條件2數(shù)學(xué)模型根據(jù)壓鑄生產(chǎn)的傳熱特點,可將一個壓鑄循環(huán)過簡化為4個階段:金屬液充型、凝固、開模、頂出鑄件;噴涂料;合模,等待下次澆注。該鑄件4個階段的時間分別為:205、20、10、15s。

3、由于各個階段的傳熱系數(shù)不同,鑄型溫度場分析采用三維不穩(wěn)定導(dǎo)熱偏微分方程,即式中,Q為密度;Cp為比熱容;為時間;t為溫度;為熱導(dǎo)率。3邊界條件由于模具的開合,模具的換熱邊界條件隨時間和壓鑄階段的不同而變化,在模擬計算中要根據(jù)實際壓鑄階段確定相應(yīng)的邊界條件。試驗邊界條件設(shè)置如下:模具與模具界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1000W/(m2?K);模具與鑄件界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1500W/(m2?K);模具與空氣傳熱系數(shù)為10W/(m2?K);涂料與模具傳熱系數(shù)為600W/(m2?K);空氣溫度為20。3模擬結(jié)果與討論模擬分析了澆注溫度為650e,模具預(yù)熱溫度為200時,不同的冷卻條件下模具溫度場的分布。用對比的方法定量

4、地研究了模具內(nèi)的溫度經(jīng)5次循環(huán)達到“準平衡態(tài)”時,冷卻水的溫度、冷卻水管的直徑及其位置對模具溫度場的影響青島票務(wù)。4冷卻系統(tǒng)對模具溫度場的影響模具型腔表面35mm進水管距出水管距離為76mm,水管長250mm,水溫為30。模擬計算了模具內(nèi)通冷卻水與不通冷卻水時,模具內(nèi)的溫度場分布情況。兩種情況下模具上距離型腔表面不同距離處某時刻的溫度分布示意圖,見圖3。從圖3可以看出,在金屬液充入型腔后4s時,若模具內(nèi)不通冷卻水,則受壓鑄件凝固潛熱的影響,在距型腔表面415mm范圍內(nèi),溫度曲線上凸,模具內(nèi)有一個較大的溫度等溫區(qū),溫度梯度較大,有熱量的積聚(見圖3)。而模具內(nèi)通冷卻水后,模具型腔表面的溫度有所降

5、低,在大于15mm部分,模具溫度高于不通冷卻水時的,這樣整個模具鑲塊的溫度梯度減小,溫度分布呈平緩的下降趨勢。5冷卻水的溫度對模具溫度場的影響腔表面不同距離處在不同時刻的溫度分布圖。從圖4可以看出,只改變冷卻水的溫度,模具總的溫度變化基本一致,且在距離型腔表面46mm范圍內(nèi),有一個溫度平臺,有熱量的積聚。圖5為冷卻水的溫度對模具型腔表面層的溫度梯度的影響,可以看出,在距離型腔表面02mm范圍內(nèi),冷卻水的溫度為50e時,型腔表面層的平均溫度梯度是10.975/mm;冷卻水的溫度為30時,型腔表面層的平均溫度梯度是10.976/mm。同樣,在距離型腔表面24mm范圍內(nèi),型腔表面層的平均溫度梯度分別

6、是6.8244和6.8252/mm。在610mm范圍內(nèi),分別是4.4679和4.4684/mm。圖6為冷卻水的溫度對模具型腔表面的升溫速率的影響,可以看出,在05s這段時間內(nèi),當水溫為30時,型腔表面平均升溫速率為11.123/s,而水溫為50時,升溫速率為11.122/s;在510s這段時間內(nèi),其升溫速率均為1.6691/s。從上面的分析可以知道,水溫為30、50時,模具的溫度梯度和升溫速率基本一樣,只是水溫為50時,其溫度梯度和升溫速率略低一點。因此,在壓鑄過程中,冷卻水的溫度對于實際生產(chǎn)影響不大,故可把冷卻水的溫度適當調(diào)高到50左右,但不能低于20。6冷卻水管位置對模具溫度場的影響試驗?zāi)?/p>

7、擬計算了冷卻水管直徑為10.5mm,水溫為50,冷卻水管位于A、B位置時模具溫度場的分布。其中,位置B(在位置A的基礎(chǔ)上往遠離型腔的方向下移動10mm)距模具型腔表面45mm,位置A距模具型腔表面35mm.圖7為兩種情況下模具上某位置處距離型腔表面不同點在不同時刻的溫度變化示意圖。從圖7可以看出,冷卻水管位于位置B時,在距離型腔表面24mm范圍內(nèi)模具處于等溫平臺,而位于位置A時,在46mm范圍內(nèi)模具處于等溫平臺。圖8為冷卻水管位置對模具升溫速率的影響,可以知道,在05s時間范圍內(nèi),冷卻水管位于B位置時,模具型腔表面的平均升溫速率為9.5259/s;當冷卻水管位于A位置(即距離型腔表面35mm)

8、時,型腔表面的平均升溫速率是11.122/s;同樣,在510s時間范圍內(nèi),其升溫速率分別是1.3262和1.6691/s。圖9為冷卻水管位置對型腔表面層的溫度梯度的影響,可以知道,5s時刻,距離型腔表面02mm范圍內(nèi),冷卻水管位于B位置時,型腔表面層平均溫度梯度為15.045/mm,位于位置A時,為10.975/mm;距離型腔表面26mm范圍內(nèi),型腔表面層平均溫度梯度分別是2.6748和3.4122/mm。從上面的分析可以看出,冷卻水管放置在A,B兩不同位置,冷卻效果是不一樣的。冷卻水管位于位置A(即距離型腔表面35mm)時,型腔表面的升溫速率比冷卻水管位于位置B(即距離型腔表面45mm)時大

9、,而模具的溫度梯度小,且模具的等溫區(qū)遠離了型腔表面2mm。故冷卻水管離模具型腔表面35mm(位置A)時,熱量傳遞快,溫度梯度小,模具溫度分布更合理。7冷卻水管直徑對模具溫度場的影響在生產(chǎn)中,小型模具用的冷卻水管直徑一般為810mm,模擬計算了水溫為50e,冷卻水管離型腔表面35mm,直徑分別為8、9和10.5mm時模具溫度場的分布。圖10為不同冷卻水管直徑時離型腔表面不同距離處的溫度變化的示意圖。從圖10可以看出,距離型腔表面04mm范圍內(nèi),冷卻水管直徑為8mm時,模具溫度最高,在02mm范圍模具維持在一個較高的溫度平臺;水管直徑為9mm時,模具的溫度最低,在24mm范圍模具維持在一個較低的溫

10、度平臺;水管直徑為10.5mm時,模具溫度介于二者之間,呈遞減的趨勢。在距離型腔表面410mm范圍內(nèi),冷卻水管直徑為8mm和9mm時,二者的溫度分布基本一致,且在68mm范圍維持在一個較低的溫度平臺;而管徑為10.5mm時,模具溫度高于8mm和9mm時的溫度,在46mm范圍內(nèi)模具維持在一個較高的溫度平臺。從圖11型腔表面的升溫速率可以知道,在05s范圍內(nèi),管徑分別為8、9和10.5mm時,型腔表面(位置P)的平均升溫速率分別是10.26、9.9685和11.122/s,在510范圍內(nèi),其升溫速率分別是1.2332、1.4736、1.6691/s。鑒于模具的等溫區(qū)間不同,分段討論模具的溫度梯度。從表2可以知道,在5s時,在02mm范圍,管徑為9mm時平均溫度梯度為13.205/mm,大于管徑為10.5mm時的溫度梯度10.975/mm;而在24mm范圍,管徑為8mm時溫度梯度是14.826/mm,大于管徑為10.5mm時的溫度梯度6.8244/mm,因此若采用8mm或9mm的冷卻水管,模具內(nèi)溫度梯度較大,導(dǎo)致熱應(yīng)力也較大,模具容易產(chǎn)生裂紋。其中管徑為9mm時的溫度梯度比8mm時的高,這主要是由于在05s時間內(nèi)模具的升溫速率低,熱量傳遞慢,有熱量的積聚,這可能是受金屬凝固潛