模具材料对铝合金压铸模热平衡影响的有限元研究

  铝合金压铸模的主要失效形式为热疲劳。 铝 合金的熔化温度为 600～760℃ ，其压铸模型腔表面 温度高达 600℃ 以上，热疲劳失效约占 70%。 热 疲劳主要是由于在压铸循环中， 热应力大于热疲劳 强度极限。而热应力又是由压铸模温度波动导致的。 所以摸清铝合金压铸循环过程中压铸模温度的演化 规律以及热平衡的形成就变得越来越重要。赵信毅、 Hsieh 、李朝霞、张光明等人分别研究了冷却工艺、冷 却水温及冷却管径、模具预热温度、浇注温度等因素 对镁合金及铝合金铸件和模具温度场的影响。 但 是模具材料对热平衡影响的未见报道， 而模具材料 对铝合金压铸模温度、 热平衡以及使用寿命有非常重要的影响。

  本文采用 PRO/E 和 PROCAST 软件，以前盖铝 合金压铸件为例， 通过对其压铸循环过程中温度场 的模拟，研究压铸模的热平衡的形成，模具材料对距 模具型腔表面不同位置点的温度曲线的影响， 分析 模具材料对热平衡形成规律的影响， 为选定合理的 模具材料提供指导。

  1 模型的建立及参数设置

  1.1 模型的建立

  图 1 为前盖铝合金零件图， 其材质为 A390 铝 合金。 图 2 为定动模部分简化模型。

  1.2 参数设置

  动定模的预热温度为200℃，浇注温度为700℃ ，铸件与模具的换热系数为1500W/(m2·C)，模具间的换热系数为1000W/(m2·C) ，模具与空气的换 热系数为5W/(m2·C)，模具与脱模剂的换热系数为500W/(m2·C)。 由于金属液瞬间充满型腔，与此同时本模拟重点考虑是模具，故不考虑充型过程。循环周 期为30s，第0s开始充型，第15s开模，第20s推出 压铸件，第23s喷脱模剂，第25s喷涂结束，第29s合模。

  1．3 物性参数

  模具材料采用性能差别大的 H13 、陶瓷和纯铜。 影响模具温度的主要因素为模具材料的热导率和比 热容。 图 3 为模具材料的热导率。

  2 模拟结果及分析

  选取动模中间截面上的5个节点为分析对象。 图4为截面位置及节点位置图。节点1～5分别代表 图4(b)中从上到下的5个点。节点1在型腔表面，节点5离型腔表面距离最远。

  图5为压铸模从预热温度To到稳态的升温示 意图。 压铸模从第 1 个压铸循环前的平均的预热 温度To增加到稳态的温度Tmin 。从图5可以得到，任 意一个压铸循环开始时模具上某点的温度(Ti) ，在达 到稳态前可以表示为模具预热温度与该压铸循环前 经历的每一个压铸循环的温度增量(δT)之和：

  T i =δT i-1 +δT i-2 +δT i-3 + …… +T 0 =T 0 +ΔT (1)

  压铸模内各点温度的变化通过连续的压铸模拟来实 现，每一次工作循环都是冷却、开模、喷脱模剂、合模 几个阶段构成。将上述温度场的模拟过程继续下去， 达到热平衡时 T max 和 T min 保持为常数， 每次压铸循 环温度增量 (δT) 为零。

  图 6 为 H13 、 铜和陶瓷模具材料连续压铸时 5 节点温度变化曲线。从图 6 中可以看出，模具温度从 预热温度 200℃ 经过大约 50 个压铸循环，压铸模具 温度变化趋于稳定，压铸模进入热平衡状态。在这个 热平衡形成过程中，随着循环的进行，模具表面的 5 个节点的温度每循环一次整体温度提高 δT 不尽完 全相同，开始压铸循环时 δT 值最大，随着压铸次数 增加， δT 越来越小，当达到热平衡后 δT 为零。 距型 腔表面最近的节点 1 每次循环的温度波动 (T max -T min ) 最大。离型腔表面越远的节点温度波动越小。图 6(a) 中 5 个节点的温度波动差别不大， 最重要原因是铜的导热系数很大， 导致温度从型腔表面向基体或从 基体向表面传递很快，所以温度波动厚度比较大。图 6(b) 中陶瓷模具材料的 5 个点只有节点 1 有温度波 动，其它 4 个节点在每个循环基本没有温度波动。这 主要是由于陶瓷的热导率很低， 每次压铸循环温度 变化深入的模具厚度很薄。 图 6(c) 的 H13 模具材料 的 1～4 节点温度都有波动， 只有节点 5 没有波动。 这是由于 H13 的热导率介于铜和陶瓷之间。

  图 7 (a) 为三种模具材料节点 1 的温度变化曲 线。 热平衡后节点 1 的 T max 陶瓷材料为 582℃ ， H13 为 529℃ ，铜为 506℃ 。这说明导热系数越小，型腔表 面点最大温度越高。 节点 1 的波动幅度 (T max －T min ) 陶 瓷材料为 142℃ ， H13 为 64℃ ，铜为 43℃ 。 型腔表面 点的温度波动幅度陶瓷材料最大， H13 次之， 铜最 小。 这说明型腔表面在吸热和散热时， 导热系数越小热量从型腔表面向模具基体或从基体向表面扩散 越困难，表面点温度波动幅度也就越大。 图 7(b) 为 三种模具材料节点 2 的温度变化曲线。 节点 2 在型 腔内部，离型腔表面一定距离。三种模具材料的型腔 次表面的温度波动幅度比型腔表面的温度波动幅度 小。 这是由于次表面不和高温铝以及低温的脱模剂 直接接触。 其吸热和散热都要通过该点到型腔表面 之间的模具材料的热传导来完成。 所以其对温度的 敏感性比型腔表面弱。 在次表面点 2 铜的波动幅度 最大， H13 次之，陶瓷材料最小。 这是由各种材料导 热系数所决定的。

  3 结论

  (1) 利用 PRO/E 和 PROCAST 建立了前盖铝合 金压铸的三维有限元模型。

  (2) 分析了距型腔表面不同距离的 5 个节点的 温度变化曲线。指出 50 次压铸循环后模具进入热平 衡状态。距型腔表面越近点的温度波动幅度越大。

  (3) 分析了 H13 、铜和陶瓷模具材料对型腔表面 点及次表面层温度曲线的影响。导热系数越大，型腔 表面点的温度波动幅度越小， 型腔次表层温度波动 幅度越大。