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(dá)600℃以上，熱疲勞失效約占70%。熱疲勞主要是由于在壓鑄循環(huán)中，熱應(yīng)力大于熱疲勞強(qiáng)度極限。而熱應(yīng)力又是由壓鑄模溫度波動(dòng)導(dǎo)致的。所以摸清鋁合金壓鑄循環(huán)過程中壓鑄模溫度的演化規(guī)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(yù)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(bào)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(huán)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(diǎn)的溫度曲線的影響，分析模具材料對熱平衡形成規(guī)律的影響，為選定合理的模具材料提供指導(dǎo)。

　　1模型的建立及參數(shù)設(shè)置

　　1.1模型的建立

　　圖1為前蓋鋁合金零件圖，其材質(zhì)為A390鋁合金。圖2為定動(dòng)模部分簡化模型。

　　1.2參數(shù)設(shè)置

　　動(dòng)定模的預(yù)熱溫度為200℃，澆注溫度為700℃，鑄件與模具的換熱系數(shù)為1500W/(m2·C)，模具間的換熱系數(shù)為1000W/(m2·C)，模具與空氣的換熱系數(shù)為5W/(m2·C)，模具與脫模劑的換熱系數(shù)為500W/(m2·C)。由于金屬液瞬間充滿型腔，與此同時(shí)本模擬重點(diǎn)考慮是模具，故不考慮充型過程。循環(huán)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(jié)束，第29s合模。

　　1．3物性參數(shù)

　　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(dǎo)率和比熱容。圖3為模具材料的熱導(dǎo)率。

　　2模擬結(jié)果及分析

　　選取動(dòng)模中間截面上的5個(gè)節(jié)點(diǎn)為分析對象。圖4為截面位置及節(jié)點(diǎn)位置圖。節(jié)點(diǎn)1～5分別代表圖4(b)中從上到下的5個(gè)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)1在型腔表面，節(jié)點(diǎn)5離型腔表面距離最遠(yuǎn)。

　　圖5為壓鑄模從預(yù)熱溫度To到穩(wěn)態(tài)的升溫示意圖。壓鑄模從第1個(gè)壓鑄循環(huán)前的平均的預(yù)熱溫度To增加到穩(wěn)態(tài)的溫度Tmin。從圖5可以得到，任意一個(gè)壓鑄循環(huán)開始時(shí)模具上某點(diǎn)的溫度(Ti)，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)前可以表示為模具預(yù)熱溫度與該壓鑄循環(huán)前經(jīng)歷的每一個(gè)壓鑄循環(huán)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(nèi)各點(diǎn)溫度的變化通過連續(xù)的壓鑄模擬來實(shí)現(xiàn)，每一次工作循環(huán)都是冷卻、開模、噴脫模劑、合模幾個(gè)階段構(gòu)成。將上述溫度場的模擬過程繼續(xù)下去，達(dá)到熱平衡時(shí)T max和T min保持為常數(shù)，每次壓鑄循環(huán)溫度增量(δT)為零。

　　圖6為H13、銅和陶瓷模具材料連續(xù)壓鑄時(shí)5節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線。從圖6中可以看出，模具溫度從預(yù)熱溫度200℃經(jīng)過大約50個(gè)壓鑄循環(huán)，壓鑄模具溫度變化趨于穩(wěn)定，壓鑄模進(jìn)入熱平衡狀態(tài)。在這個(gè)熱平衡形成過程中，隨著循環(huán)的進(jìn)行，模具表面的5個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度每循環(huán)一次整體溫度提高δT不盡完全相同，開始壓鑄循環(huán)時(shí)δT值最大，隨著壓鑄次數(shù)增加，δT越來越小，當(dāng)達(dá)到熱平衡后δT為零。距型腔表面最近的節(jié)點(diǎn)1每次循環(huán)的溫度波動(dòng)(T max T min)最大。離型腔表面越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)溫度波動(dòng)越小。圖6(a)中5個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度波動(dòng)差別不大，最重要原因是銅的導(dǎo)熱系數(shù)很大，導(dǎo)致溫度從型腔表面向基體或從基體向表面?zhèn)鬟f很快，所以溫度波動(dòng)厚度比較大。圖6(b)中陶瓷模具材料的5個(gè)點(diǎn)只有節(jié)點(diǎn)1有溫度波動(dòng)，其它4個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)循環(huán)基本沒有溫度波動(dòng)。這主要是由于陶瓷的熱導(dǎo)率很低，每次壓鑄循環(huán)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(jié)點(diǎn)溫度都有波動(dòng)，只有節(jié)點(diǎn)5沒有波動(dòng)。這是由于H13的熱導(dǎo)率介于銅和陶瓷之間。

　　圖7(a)為三種模具材料節(jié)點(diǎn)1的溫度變化曲線。熱平衡后節(jié)點(diǎn)1的T max陶瓷材料為582℃，H13為529℃，銅為506℃。這說明導(dǎo)熱系數(shù)越小，型腔表面點(diǎn)最大溫度越高。節(jié)點(diǎn)1的波動(dòng)幅度(T max－T min)陶瓷材料為142℃，H13為64℃，銅為43℃。型腔表面點(diǎn)的溫度波動(dòng)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(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)越小熱量從型腔表面向模具基體或從基體向表面擴(kuò)散越困難，表面點(diǎn)溫度波動(dòng)幅度也就越大。圖7(b)為三種模具材料節(jié)點(diǎn)2的溫度變化曲線。節(jié)點(diǎn)2在型腔內(nèi)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(dòng)幅度比型腔表面的溫度波動(dòng)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(diǎn)到型腔表面之間的模具材料的熱傳導(dǎo)來完成。所以其對溫度的敏感性比型腔表面弱。在次表面點(diǎn)2銅的波動(dòng)幅度最大，H13次之，陶瓷材料最小。這是由各種材料導(dǎo)熱系數(shù)所決定的。

　　3結(jié)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(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線。指出50次壓鑄循環(huán)后模具進(jìn)入熱平衡狀態(tài)。距型腔表面越近點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度越大。

　　(3)分析了H13、銅和陶瓷模具材料對型腔表面點(diǎn)及次表面層溫度曲線的影響。導(dǎo)熱系數(shù)越大，型腔表面點(diǎn)的溫度波動(dòng)幅度越小，型腔次表層溫度波動(dòng)幅度越大。

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