圖1 初始模具溫度

摘要：區別于傳統壓鑄件，大型一體壓鑄結構件關注的重點由原來的氣孔，縮孔轉換到現在的成型分析，應力分析，產品結構設計和模具溫度與生產節拍的控制。在這些關注點中，模具溫度的分析和控制是非常重要的環節。所以，本文將對大型一體壓鑄結構件生產過程中模具溫度的變化狀態及應力分析進行深入詳細的分析和闡述。

在能源問題和環境污染問題不斷加劇的今天，發展新能源已經是落實國家節能減排，發展低碳經濟要求的重要戰略。在這樣一個大背景的情況下，新能源汽車業快速發展，而其中的大型一體壓鑄結構件也是當下最熱和大家最關注的話題。

區別于傳統壓鑄件，模擬仿真關注的重點也發生了巨大的變化，由原來重點關注氣孔，縮孔到現在需要包含溫度，應力，熱平衡，生產節拍，產品結構輕量化、拓撲優化在內等更多的方面，在這些關注點中，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構件模具溫度進行深入剖析，從無溫控系統到增加溫控系統，再到能量來源的分析和模具熱平衡進行詳細分析與闡述。

1.初始模具溫度與產品應力應變分析

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

在沒有溫控系統的狀態下，對模具進行初始溫度分析。如圖一所示，模具進澆端溫度最高，排溢端溫度次之，其余區域模具溫度相對較低，整體溫差很大。

對應熱平衡數據統計顯示，單次循環結束后，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；第二方面為造成模具局部高溫。

圖2 初始熱平衡數據分析

如圖3,4所示，在此種模具溫度狀態下，產品變形尺寸相對偏大，最大變形量達到7.904mm。同時在產品強度結構位置，米塞斯應力值相對較高，最大值達到174.8Mpa.（圖3所示）

圖3 初始產品變形狀態與米塞斯應力分布狀態

2.增加溫控后的模具溫度與產品應力應變分析

根據初始模擬分析結果，增加溫控系統對模具溫度及熱量平衡進行控制。溫控主要包含了兩個方面，第一方面為模具的油路水路，從模具內部對溫度進行控制，初始油路和水的換熱系數分別為C1037.01和C5693.73；第二方面為通過傳統噴涂對模具表面溫度進行控制，噴涂狀態下換熱系數為C2000-10000，吹氣狀態下換熱系數為1000-2700（圖4所示）。

圖4 溫控布置

模擬結果顯示增加溫控后，整體模具溫度得到下降。模具進澆端位置的高溫區域范圍大幅度縮小，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 充型結果分析對比

熱量數據顯示，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，現在從數量數值角度觀察，基本達到平衡狀態（圖6所示）。

圖6 增加溫控后熱量數據對比

雖然模具整體熱量數值達到平衡后，但如圖7所示，模具整體溫度分布不均衡，進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，尤其是模具對應產品中間位置和兩側滑塊位置，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，整體熱量數值雖幾乎達到平衡，但由于模具溫度場分布不均勻，產品的變形狀態和米塞斯應力分布狀態并沒有得到改善，反而呈現變大的趨勢，產品最大變形位置從7.904mm增大至8.969mm，米塞斯應力最大值從174.8Mpa增加至195Mpa.(圖8,9所示)

圖8 增加溫控后產品變形狀態

圖9 增加溫控后產品米塞斯應力狀態

3.模具溫度深入分析與改善方向

區別于傳統壓鑄件，大型一體化壓鑄結構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，可以發現模具在前期本來就沒有得到充足的熱量交換的情況，溫控系統更是把模具的溫度降低，最低溫度區域的溫度僅有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，對溫控系統進行調整，噴涂由傳統轉為微觀噴涂（亦可大幅度提升生產節拍），其次再對油水路進行優化，控制到最好的換熱系數（圖11）

圖11 溫控方案優化

4.優化后的模具溫度與產品應力應變分析

優化后，整體模具溫度轉變均勻，平均在250°左右，各別局部區域溫度較高，大約在310°左右，后續仍需繼續優化（圖12）

圖12 優化后模具溫度對比

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

圖13 優化后產品變形狀態

圖14 優化后產品米塞斯應力狀態

5.模具局部溫度點熱平衡判斷臨界值

上述觀察研究過程為模具溫度均衡及整體模具熱平衡數值統計，但在實際生產過程中，在抓整體的同時還注意觀察局部點溫度熱平衡的狀態。

如圖15，圖16所示，在單個生產循環中，同一點的首溫和尾溫的溫差如果低于5°，那么將認為該局部溫度點達到點熱平衡，此臨界判據值可以對模擬預熱循環數量的設定，實際生產過程中工藝的設定提供標準。

圖15 同循環下模具首溫與末溫對比圖

圖16 完整數據圖表

6.總結

根據實際生產條件，詳細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，針對目標與需求，進行具體調整。

在產品結構不變的情況下，調整與優化模具溫度，對產品變形和產品的應力分布有著明顯的改善效果。

參考文獻

［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：孫權全