铸造模具的修复以及维护

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　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。