圖1 初始模具溫度

摘要：區(qū)別于傳統(tǒng)壓鑄件，大型一體壓鑄結(jié)構(gòu)件關(guān)注的重點(diǎn)由原來的氣孔，縮孔轉(zhuǎn)換到現(xiàn)在的成型分析，應(yīng)力分析，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和模具溫度與生產(chǎn)節(jié)拍的控制。在這些關(guān)注點(diǎn)中，模具溫度的分析和控制是非常重要的環(huán)節(jié)。所以，本文將對大型一體壓鑄結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程中模具溫度的變化狀態(tài)及應(yīng)力分析進(jìn)行深入詳細(xì)的分析和闡述。

在能源問題和環(huán)境污染問題不斷加劇的今天，發(fā)展新能源已經(jīng)是落實國家節(jié)能減排，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)要求的重要戰(zhàn)略。在這樣一個大背景的情況下，新能源汽車業(yè)快速發(fā)展，而其中的大型一體壓鑄結(jié)構(gòu)件也是當(dāng)下最熱和大家最關(guān)注的話題。

區(qū)別于傳統(tǒng)壓鑄件，模擬仿真關(guān)注的重點(diǎn)也發(fā)生了巨大的變化，由原來重點(diǎn)關(guān)注氣孔，縮孔到現(xiàn)在需要包含溫度，應(yīng)力，熱平衡，生產(chǎn)節(jié)拍，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化、拓?fù)鋬?yōu)化在內(nèi)等更多的方面，在這些關(guān)注點(diǎn)中，模具溫度的分析和控制是重中之重，本文將對大型一體壓鑄結(jié)構(gòu)件模具溫度進(jìn)行深入剖析，從無溫控系統(tǒng)到增加溫控系統(tǒng)，再到能量來源的分析和模具熱平衡進(jìn)行詳細(xì)分析與闡述。

1.初始模具溫度與產(chǎn)品應(yīng)力應(yīng)變分析

鑄件基本信息如下：輪廓尺寸1300*1500*535，鑄件毛坯質(zhì)量45kg，采用一款新型免熱處理合金（Si含量7%），F(xiàn)態(tài)力學(xué)性能滿足屈服強(qiáng)度120Mpa，抗拉強(qiáng)度250Mpa，延伸率12%，并將其材料卡輸入仿真軟件。

在沒有溫控系統(tǒng)的狀態(tài)下，對模具進(jìn)行初始溫度分析。如圖一所示，模具進(jìn)澆端溫度最高，排溢端溫度次之，其余區(qū)域模具溫度相對較低，整體溫差很大。

對應(yīng)熱平衡數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，單次循環(huán)結(jié)束后，整體模具攝入熱量73,365.51KJ，但是排溢熱量只有37,941.08KJ，基本上有一倍的差異（如圖2所示）。

所以形成兩大方面的問題，第一方面是攝入和排溢的熱量差異過大，造成大量熱量滯留在模具內(nèi)；第二方面為造成模具局部高溫。

圖2 初始熱平衡數(shù)據(jù)分析

如圖3,4所示，在此種模具溫度狀態(tài)下，產(chǎn)品變形尺寸相對偏大，最大變形量達(dá)到7.904mm。同時在產(chǎn)品強(qiáng)度結(jié)構(gòu)位置，米塞斯應(yīng)力值相對較高，最大值達(dá)到174.8Mpa.（圖3所示）

圖3 初始產(chǎn)品變形狀態(tài)與米塞斯應(yīng)力分布狀態(tài)

2.增加溫控后的模具溫度與產(chǎn)品應(yīng)力應(yīng)變分析

根據(jù)初始模擬分析結(jié)果，增加溫控系統(tǒng)對模具溫度及熱量平衡進(jìn)行控制。溫控主要包含了兩個方面，第一方面為模具的油路水路，從模具內(nèi)部對溫度進(jìn)行控制，初始油路和水的換熱系數(shù)分別為C1037.01和C5693.73；第二方面為通過傳統(tǒng)噴涂對模具表面溫度進(jìn)行控制，噴涂狀態(tài)下?lián)Q熱系數(shù)為C2000-10000，吹氣狀態(tài)下?lián)Q熱系數(shù)為1000-2700（圖4所示）。

圖4 溫控布置

模擬結(jié)果顯示增加溫控后，整體模具溫度得到下降。模具進(jìn)澆端位置的高溫區(qū)域范圍大幅度縮小，最高溫度值也從400°以上下降至400°左右，模具中心及兩側(cè)位置，整體溫度相對降低了20-30°，模具尾端溫度變化相對較?。▓D5所示）。

圖5 充型結(jié)果分析對比

熱量數(shù)據(jù)顯示，增加溫控后模具攝入熱量為89,446.41KJ，排溢熱量為83,183.58KJ，相比于之前的幾乎相差一倍多，現(xiàn)在從數(shù)量數(shù)值角度觀察，基本達(dá)到平衡狀態(tài)（圖6所示）。

圖6 增加溫控后熱量數(shù)據(jù)對比

雖然模具整體熱量數(shù)值達(dá)到平衡后，但如圖7所示，模具整體溫度分布不均衡，進(jìn)澆端和尾端溫度相對偏高，分別在390°和300°左右，而其余位置模具溫度相對較低，尤其是模具對應(yīng)產(chǎn)品中間位置和兩側(cè)滑塊位置，其溫度分別在160°和100°左右。

圖7 增加溫控后模具溫度對比

增加空度控制后，整體熱量數(shù)值雖幾乎達(dá)到平衡，但由于模具溫度場分布不均勻，產(chǎn)品的變形狀態(tài)和米塞斯應(yīng)力分布狀態(tài)并沒有得到改善，反而呈現(xiàn)變大的趨勢，產(chǎn)品最大變形位置從7.904mm增大至8.969mm，米塞斯應(yīng)力最大值從174.8Mpa增加至195Mpa.(圖8,9所示)

圖8 增加溫控后產(chǎn)品變形狀態(tài)

圖9 增加溫控后產(chǎn)品米塞斯應(yīng)力狀態(tài)

3.模具溫度深入分析與改善方向

區(qū)別于傳統(tǒng)壓鑄件，大型一體化壓鑄結(jié)構(gòu)件整體壁厚相對平均且較薄，從圖10-1可以觀察到，除模具進(jìn)澆端和尾端溫度較高外，其余模具地方在合金釋放溫度后僅能達(dá)到150°左右，所以就是造成了先天吸收的能量不足。

圖10-1 熱量來源分析

再其次通過觀察噴涂和油水的工作過程，可以發(fā)現(xiàn)模具在前期本來就沒有得到充足的熱量交換的情況，溫控系統(tǒng)更是把模具的溫度降低，最低溫度區(qū)域的溫度僅有70°左右（圖10-2，10-3）

圖10-2 熱量來源分析

圖10-3 熱量來源分析

基于以上分析，對溫控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，噴涂由傳統(tǒng)轉(zhuǎn)為微觀噴涂（亦可大幅度提升生產(chǎn)節(jié)拍），其次再對油水路進(jìn)行優(yōu)化，控制到最好的換熱系數(shù)（圖11）

圖11 溫控方案優(yōu)化

4.優(yōu)化后的模具溫度與產(chǎn)品應(yīng)力應(yīng)變分析

優(yōu)化后，整體模具溫度轉(zhuǎn)變均勻，平均在250°左右，各別局部區(qū)域溫度較高，大約在310°左右，后續(xù)仍需繼續(xù)優(yōu)化（圖12）

圖12 優(yōu)化后模具溫度對比

模具溫度優(yōu)化均衡后，產(chǎn)品的變形狀況和應(yīng)力集中狀況也得大幅度優(yōu)化。產(chǎn)品的最大變形尺寸從8.969mm降低到6.299mm，米塞斯應(yīng)力值從195Mpa.降低至94.30Mpa.(圖13，圖14)

圖13 優(yōu)化后產(chǎn)品變形狀態(tài)

圖14 優(yōu)化后產(chǎn)品米塞斯應(yīng)力狀態(tài)

5.模具局部溫度點(diǎn)熱平衡判斷臨界值

上述觀察研究過程為模具溫度均衡及整體模具熱平衡數(shù)值統(tǒng)計，但在實際生產(chǎn)過程中，在抓整體的同時還注意觀察局部點(diǎn)溫度熱平衡的狀態(tài)。

如圖15，圖16所示，在單個生產(chǎn)循環(huán)中，同一點(diǎn)的首溫和尾溫的溫差如果低于5°，那么將認(rèn)為該局部溫度點(diǎn)達(dá)到點(diǎn)熱平衡，此臨界判據(jù)值可以對模擬預(yù)熱循環(huán)數(shù)量的設(shè)定，實際生產(chǎn)過程中工藝的設(shè)定提供標(biāo)準(zhǔn)。

圖15 同循環(huán)下模具首溫與末溫對比圖

圖16 完整數(shù)據(jù)圖表

6.總結(jié)

根據(jù)實際生產(chǎn)條件，詳細(xì)分析模具的熱量來源與熱量走向，找出可影響溫度熱量變化的可控因素，針對目標(biāo)與需求，進(jìn)行具體調(diào)整。

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不變的情況下，調(diào)整與優(yōu)化模具溫度，對產(chǎn)品變形和產(chǎn)品的應(yīng)力分布有著明顯的改善效果。

參考文獻(xiàn)

［1］WWW.MAGMASOFT.CN
［2］CONLEY J G,HUANG J,ASADA J, et al., et al .Modeling the effects of cooling rate , hydrogen content , grain refiner and modified onmicroporosity formation in Al A356 alloys [J]. Materials Science and Engineering，2000，A285：49-55.
［3］J.G.Conley, B.Moran, and J.Gray. A New Paradigm for the Design of Safety Critical Castings. Aluminum in Automotive Applications,SP-1350,SAE International Inc., Warrendale PA, USA, 1998, 25～38

作者：孫權(quán)全