图1 初始模具温度

摘要：区别于传统压铸件，大型一体压铸结构件关注的重点由原来的气孔，缩孔转换到现在的成型分析，应力分析，产品结构设计和模具温度与生产节拍的控制。在这些关注点中，模具温度的分析和控制是非常重要的环节。所以，本文将对大型一体压铸结构件生产过程中模具温度的变化状态及应力分析进行深入详细的分析和阐述。

在能源问题和环境污染问题不断加剧的今天，发展新能源已经是落实国家节能减排，发展低碳经济要求的重要战略。在这样一个大背景的情况下，新能源汽车业快速发展，而其中的大型一体压铸结构件也是当下最热和大家最关注的话题。

区别于传统压铸件，模拟仿真关注的重点也发生了巨大的变化，由原来重点关注气孔，缩孔到现在需要包含温度，应力，热平衡，生产节拍，产品结构轻量化、拓扑优化在内等更多的方面，在这些关注点中，模具温度的分析和控制是重中之重，本文将对大型一体压铸结构件模具温度进行深入剖析，从无温控系统到增加温控系统，再到能量来源的分析和模具热平衡进行详细分析与阐述。

1.初始模具温度与产品应力应变分析

铸件基本信息如下：轮廓尺寸1300*1500*535，铸件毛坯质量45kg，采用一款新型免热处理合金（Si含量7%），F态力学性能满足屈服强度120Mpa，抗拉强度250Mpa，延伸率12%，并将其材料卡输入仿真软件。

在没有温控系统的状态下，对模具进行初始温度分析。如图一所示，模具进浇端温度最高，排溢端温度次之，其余区域模具温度相对较低，整体温差很大。

对应热平衡数据统计显示，单次循环结束后，整体模具摄入热量73,365.51KJ，但是排溢热量只有37,941.08KJ，基本上有一倍的差异（如图2所示）。

所以形成两大方面的问题，第一方面是摄入和排溢的热量差异过大，造成大量热量滞留在模具内；第二方面为造成模具局部高温。

图2 初始热平衡数据分析

如图3,4所示，在此种模具温度状态下，产品变形尺寸相对偏大，最大变形量达到7.904mm。同时在产品强度结构位置，米塞斯应力值相对较高，最大值达到174.8Mpa.（图3所示）

图3 初始产品变形状态与米塞斯应力分布状态

2.增加温控后的模具温度与产品应力应变分析

根据初始模拟分析结果，增加温控系统对模具温度及热量平衡进行控制。温控主要包含了两个方面，第一方面为模具的油路水路，从模具内部对温度进行控制，初始油路和水的换热系数分别为C1037.01和C5693.73；第二方面为通过传统喷涂对模具表面温度进行控制，喷涂状态下换热系数为C2000-10000，吹气状态下换热系数为1000-2700（图4所示）。

图4 温控布置

模拟结果显示增加温控后，整体模具温度得到下降。模具进浇端位置的高温区域范围大幅度缩小，最高温度值也从400°以上下降至400°左右，模具中心及两侧位置，整体温度相对降低了20-30°，模具尾端温度变化相对较小（图5所示）。

图5 充型结果分析对比

热量数据显示，增加温控后模具摄入热量为89,446.41KJ，排溢热量为83,183.58KJ，相比于之前的几乎相差一倍多，现在从数量数值角度观察，基本达到平衡状态（图6所示）。

图6 增加温控后热量数据对比

虽然模具整体热量数值达到平衡后，但如图7所示，模具整体温度分布不均衡，进浇端和尾端温度相对偏高，分别在390°和300°左右，而其余位置模具温度相对较低，尤其是模具对应产品中间位置和两侧滑块位置，其温度分别在160°和100°左右。

图7 增加温控后模具温度对比

增加空度控制后，整体热量数值虽几乎达到平衡，但由于模具温度场分布不均匀，产品的变形状态和米塞斯应力分布状态并没有得到改善，反而呈现变大的趋势，产品最大变形位置从7.904mm增大至8.969mm，米塞斯应力最大值从174.8Mpa增加至195Mpa.(图8,9所示)

图8 增加温控后产品变形状态

图9 增加温控后产品米塞斯应力状态

3.模具温度深入分析与改善方向

区别于传统压铸件，大型一体化压铸结构件整体壁厚相对平均且较薄，从图10-1可以观察到，除模具进浇端和尾端温度较高外，其余模具地方在合金释放温度后仅能达到150°左右，所以就是造成了先天吸收的能量不足。

图10-1 热量来源分析

再其次通过观察喷涂和油水的工作过程，可以发现模具在前期本来就没有得到充足的热量交换的情况，温控系统更是把模具的温度降低，最低温度区域的温度仅有70°左右（图10-2，10-3）

图10-2 热量来源分析

图10-3 热量来源分析

基于以上分析，对温控系统进行调整，喷涂由传统转为微观喷涂（亦可大幅度提升生产节拍），其次再对油水路进行优化，控制到最好的换热系数（图11）

图11 温控方案优化

4.优化后的模具温度与产品应力应变分析

优化后，整体模具温度转变均匀，平均在250°左右，各别局部区域温度较高，大约在310°左右，后续仍需继续优化（图12）

图12 优化后模具温度对比

模具温度优化均衡后，产品的变形状况和应力集中状况也得大幅度优化。产品的最大变形尺寸从8.969mm降低到6.299mm，米塞斯应力值从195Mpa.降低至94.30Mpa.(图13，图14)

图13 优化后产品变形状态

图14 优化后产品米塞斯应力状态

5.模具局部温度点热平衡判断临界值

上述观察研究过程为模具温度均衡及整体模具热平衡数值统计，但在实际生产过程中，在抓整体的同时还注意观察局部点温度热平衡的状态。

如图15，图16所示，在单个生产循环中，同一点的首温和尾温的温差如果低于5°，那么将认为该局部温度点达到点热平衡，此临界判据值可以对模拟预热循环数量的设定，实际生产过程中工艺的设定提供标准。

图15 同循环下模具首温与末温对比图

图16 完整数据图表

6.总结

根据实际生产条件，详细分析模具的热量来源与热量走向，找出可影响温度热量变化的可控因素，针对目标与需求，进行具体调整。

在产品结构不变的情况下，调整与优化模具温度，对产品变形和产品的应力分布有着明显的改善效果。

参考文献

［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：孙权全