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    壓鑄模具廠
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    簡析鋁合金壓鑄模具溫度場的設計對壓鑄模具使用壽命的影響

    2019-11-02

    鋁合金壓鑄模具在使用過程中,由于液態鋁合金在瞬間填充模具型腔使得模具表面承受高溫而表面溫度升高。壓鑄鋁合金產品的冷卻成形是模具材料做為導熱體把鋁合金凝固過程散發的熱量傳遞到模具內部。由于壓鑄成形的產品形狀不規則,即產品的厚度不均勻,那么鑄件產品在凝固過程中所散發的熱量是不同的。模具設計過程中,需要有效的設計模具的內冷卻水道分布使得模具表面溫度差降低到Z小。這樣才能減少模具表面溫度差異從而控制壓鑄產品的變形,減少縮孔的發生,保證班產量與生產節拍。


    模具溫度場的控制需要在模具設計的初期就考慮周全。也就是說,需要設定好班產量與生產節拍(如:60件產品/小時)從而了解模具在生產過程中所散發的熱功率。在了解模具不同厚薄部分在生產時所散發的熱功率后,按照圖2的Monogram圖表計算出冷卻水道的直徑,距離表面的距離,以及冷卻水的流量,從而控制模具表面溫度在240度。


    目前常見的問題是,溫度場的建立不是在計算的基礎之上,而且根據經驗大致估計一下冷卻水道距離表面的距離,以及冷卻水道的孔徑。其結果是,模具表面溫度難達到均勻。當模具局部有過熱時,采用大量噴涂脫模劑的方法來冷卻模具。這樣的結果是,模具在使用很短一段時間后,如3000多模次,模具表面出現熱疲勞裂紋。在其后的生產過程中,由于模具持續承受劇烈的冷/熱循環導致模具早期失效達不到預定的8-10萬模次壽命要求。


    1、壓鑄時鋁合金的熱量散發:


    壓鑄時,通常使用鋁錠把其熔化成液態。如果有6公斤的鋁錠需要熔化成730度的液體,那么所需要的熱量是:6436千焦耳的熱量(這里省去計算公式)。這其中包括升溫需要的比熱量以及固態到液態的熱熔量。


    壓鑄時,模具需要帶走熱量把鋁合金凝固成需要成形的產品。如果把液態的鋁合金成形到固態的產品而產品的溫度在380度時,6公斤的鋁所需要帶走的熱量是:4400千焦耳的熱量(這里省去計算公式)。


    如圖1所示,這些熱量的散失可以是模具內冷卻水帶走10-50%的熱量,也可以是脫模劑帶走10-50%的熱量。熱量散發到空氣中5%左右,壓鑄設備帶走10%左右的熱量。 但是,直接把鋁合金凝固的熱量帶走的是模具與水基脫模劑。那么在模具設計時,就需要考慮模具內冷卻水帶走的模具熱量占的比例以及水基脫模劑帶走熱量占的比例。高端模具設計應當是內冷卻水帶走的熱量多,而盡量減少水基脫模劑的噴涂。


    2、壓鑄模具溫度場設計的計算:


    鋁合金液體從600度冷卻到固體的350度時,所散發的熱量大致是1500焦耳/立方厘米。這些熱量的散發,包括溫度差下降所釋放的熱量以及鋁合金熱熔量所散發的熱量總合。


    如果考慮厚度8毫米的鑄件的部分,長度是100毫米,寬度是80毫米,那么這部分鑄件的體積是:64立方厘米;這部分鋁合金凝固時,所散發的熱量是:1500X64=96千焦耳的熱量。這些熱量所散發在模具表面的面積是:100X80=80平方厘米。


    如果生產節拍是60件產品每小時,那么每個小時模具所接收的熱功率是:60X96=5760千瓦的熱功率。

     

    根據圖2的圖表,如果所討論的產品部分是平面,冷卻水道如果距離表面45毫米的距離。冷卻水道直徑在6毫米,而且水的流量在4升/分鐘時,冷卻水帶走的熱功率是:359千焦耳/厘米。那么,需要的冷卻水道長度是:5760÷359=16厘米。這樣,對于所討論的平板部分的產品需要在模具內安裝2條冷卻水道,每個水道直徑6毫米,水流量4升/分鐘,水道長度80毫米,水道距離模具表面45毫米。


    圖2中左上角的三條曲線,中間的曲線是鋁合金模具表面溫度在240度。右側豎軸是每厘米長度的水每小時帶走的熱功率。曲線底部的橫軸是冷卻水距離表面的距離。舉例而言,如果冷卻水距離模具表面是25毫米那么其所能帶走的熱功率是:150千焦耳/小時。即,每小時帶走150千焦耳的熱量。


    涉及具體產品的溫度場設計時,需要把部件分解成不同的小部分來具體分析局部冷卻水道的安裝,并且計算出是采用直管冷卻還是點冷卻。對于盒子類產品,多數情況下需要點冷卻這時需要具體計算點冷管道頂端距離模具表面的距離。點冷通常是直管道冷卻效率的50%。 


    3、借助模流分析的凝固場模擬來設計冷卻水:


    壓鑄產品的形狀是千差萬別的,在同一個產品上有些部分鋁合金壁較厚,而另一些部分就會璧較薄。通常在模具設計時,當澆注系統設計完成后,設計人員會使用模流分析來分析鋁合金液體的流態。常用的模流分析軟件也有速度場,溫度場分析功能。借助鋁合金凝固溫度場分析,可以看到凝固Z慢的壁厚部分其也是Z容易產生縮孔的部分,如圖3所示。


    縮孔的產生是因為鋁合金液體在凝固為固體時會有4%以上的體積收縮。 溫度場設計時,可以考慮把鋁合金產品的加工面的冷卻加強使得縮孔部分推移到非加工面內。在圖示的凝固模擬分析中,環形孔部分需要加工那么就需要考慮在這個部分加強冷卻。具體冷卻水道的安排需要按著第二部分討論的計算方法進行計算:位置,水道直徑,水的流量,帶走的熱量。


    在此基礎之上,計算整個模具的冷卻水排布。之后,把數據輸入模擬分析軟件進行溫度場分析模擬。同時,還需要考慮水基脫模劑帶走的熱量,決定脫模劑的噴涂量。理想的模具設計是盡量采用模具內冷卻來把模具的熱量帶走,Z少的使用水基脫模劑的噴涂。


    因為脫模劑的噴涂會對模具表面產生熱沖擊。


    4、脫模劑對模具表面的熱沖擊:


    在模具使用過程中,通常模具的表面溫度在150-350之間。 脫模劑噴涂到模具表面時,模具表面溫度會下降形成溫度差ΔT。溫度差(ΔT)越大,模具表面由于溫度變化所產生的熱應力越高。并且應力的變化遵循以下物理學公式:σ=(Ε/1-ν)*ΔT*α    


    這里:σ是熱應力MPa;Ε是楊氏模量;ν是柏松比;α是熱膨脹系數。


    按以上公式計算,如果模具表面的溫差達到380度時,熱應力的大小在800MPa以上。對于46HRC硬度(1500MPa強度)的模具材料,當模具表面溫度瞬間達到520度時,材料在高溫下的強度下降到800MPa左右。也就是說,由于噴涂脫模劑所產生的溫差已經超過模具材料的強度。這樣,模具由于熱沖擊可以在幾百模次開始產生裂紋。因為溫度差所產生的應力已經超過模具材料表面的強度。


    在實際生產中,通常的問題是由于溫度場設計不合理,內冷卻不夠,導致使用大量的脫模劑噴涂模具,脫模劑的水滴從模具表面流下來。這說明模具的表面溫度已經低于水的沸點100攝氏度。模具材料承受著激冷急熱,模具會在實際生產幾千件產品后出現大量的微裂紋。


    5、溫度場設計不當案例:


    由于模具的型腔多數不是平板,有些產品壁厚的部分又是曲面。在模具溫度場設計時,需要分別考慮冷卻水道的安排并計算所帶走的熱量。使得模具表面的不同部分溫度達到一致。


    圖4是汽車轉向器產品在生產6萬模次產品后的狀態。產品的主壁厚3毫米左右,側面圓筒壁厚5-6毫米??梢钥闯?,模具3毫米壁厚處沒有任何熱疲勞裂紋。但是,產品壁厚5-6毫米處熱疲勞裂紋很嚴重。說明,壁厚處溫度較高,脫模劑在此處的噴涂量不夠。長時間的使用會導致模具此部分的局部溫度上升,模具表面硬度會下降,耐熱疲勞性能下降。材料在此處容易出現熱疲勞裂紋。


    為了避免這樣的情況發生,在模具設計初期就需要計算厚壁部分側滑塊的內冷卻水道安裝。使得模具表面無論在壁厚與壁薄處的溫度一致或者近似。具體的,壁厚部分鋁合金部件內徑58毫米,外徑64毫米,長度60毫米。厚壁部分的鋁合金重量是93克,抽芯的表面積是:


    10平方厘米。鑄件的曲率半徑是29毫米。93克的鋁合金凝固到350度時,如果每小時生產60件產品,那么散發的熱功率是:1500X35X60=3150千焦耳/小時。這些熱量散發到10平方厘米的面積上。按照圖2的Monogram曲線,那么采用10毫米的冷卻水道在側滑塊的心部,流量在4升/分鐘,每厘米長水道內的水帶走的熱量是540千焦耳/小時的熱功率。采用60毫米長的心部冷卻水道,能夠把鋁合金在凝固過程中把所散發的熱量帶走使得模具表面的溫度在240度。這樣,6毫米壁厚的部分就可以與其他3毫米壁厚的部分模具表面溫度一致。


    現在的問題是,由于沒有很好的計算內冷卻水的設計導致模具壽命的下降。其補救措施只有在脫模劑的噴涂上做調整。如果不考慮改變模具內冷卻水的設計改變,對于復制模具,可以參考借鑒之前的模具使用情況,把脫模劑的局部噴涂做調整。對于過熱的部分,多噴脫模劑使得模具表面溫度盡量均勻一致。


    圖5 是制作缸體蓋罩產品的模具。由于冷卻水道距離模具表面太近,導致產品有冷隔。為了使生產持續進行,采取的措施是關閉冷卻水。而模具的冷卻采用大量的噴涂脫模劑。由于脫模劑冷卻的只是模具材料的表面一層,而且模具會承受冷熱沖擊。這類模具無論采用什么進口模具材料都在3000模次以內產生龜裂紋如圖所示。而相應的定模部分由于冷卻水設計合理則無熱疲勞裂紋。 


    這個案例是模具溫度場設計不當導致冷卻水無法使用。這時,模具表面過熱只有通過大量的脫模劑噴涂來冷卻模具。如果不大量噴涂脫模劑,出現粘?,F象,鑄件產品有頂出問題。但是大量噴涂脫模劑的結果是:模具早期出現龜裂紋并且模具的整體壽命無法達到預期的結果。


    6、熱結點的溫度場考量:


    對于大型模具,如:發動機缸體模具,由于產品有些局部壁厚比較厚,模具會有“熱結點”。這時,方法是考慮采用模具內部的高壓點冷卻(Jet cooling),其特點是高壓的循環水(10-16bar)高速通過點冷水道把局部高熱量帶走。其后,高壓氣體把冷卻水道的水吹干。


    高壓點冷的好處是:鋁合金產品在點冷處迅速凝固形成致密的凝固組織其范圍可達20毫米。在其后的吹氣過程中,隨著鋁合金的凝固與散熱,點冷的pin(型心)不會被產品冷卻收縮而“固住”。型心不會因為“卡死”而斷裂。而型心周圍的致密凝固組織因為無縮孔等缺陷,為其后鋁合金部件產品的加工提供保障。


    7、結語:


    本文討論了模具溫度場的設計概念。 在模具設計的初期就需要根據班產量考慮冷卻水的安置。通過計算決定冷卻水道的長度,分布,水流速度,帶走的熱功率等。這樣,才能保障模具的表面溫度均勻盡量減少脫模劑的噴涂延長模具的使用壽命。


    例舉的實際案例表明:如果內冷卻水安裝的不夠,那么模具表面在生產過程中溫度升高。長時間的使用模具會使得模具表面硬度下降,模具壽命縮短。另外一種情況則是:冷卻水設計不當影響生產只能關閉。這樣,模具的表面過熱會出現粘?,F象鑄件產品難以頂出。此時,采用大量的噴涂脫模劑那么模具表面承受激冷急熱,模具短期生產后表面出現早期龜裂紋。模具的整體使用壽命也會下降。


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