1,、控制模溫的目的

合金在壓型中的冷卻速度是影響壓鑄件致密度的關(guān)鍵因素,。在壓射參數(shù)相同和保證合金液能充滿型腔的前提下,模溫越低則合金的冷卻速度越快,鑄件金屬組織也就越致密,。產(chǎn)品的不同結(jié)構(gòu)和壁厚,對(duì)壓型表面溫度有不同的要求。我廠是生產(chǎn)汽車氣制動(dòng)閥的專業(yè)廠,閥類壓鑄件小而復(fù)雜,壁厚一般在4-8mm范圍內(nèi),經(jīng)多年摸索,這些產(chǎn)品的壓型表面溫度,鋁合金為220一240℃時(shí)工作狀態(tài)良好,。在壓鑄生產(chǎn)過程中,只要壓型能維持在這個(gè)溫度范圍內(nèi),就能獲得優(yōu)質(zhì)鑄件,。在無冷卻系統(tǒng)的壓型中,隨著壓射次數(shù)的增加壓型溫度則不斷上升,導(dǎo)致壓型內(nèi)部與表面溫差不斷減小,使合金在壓型中的冷卻速度越來越慢,得不到致密的金屬組織,機(jī)加工后鑄件會(huì)出現(xiàn)針孔甚至大的縮孔,更嚴(yán)重的是已加工的產(chǎn)品在做氣密性試驗(yàn)時(shí)因漏氣而大量報(bào)廢。要獲得高致密度鑄件就必須控制模溫,，為此,對(duì)水冷控制模溫技術(shù)開展了研究,。

2、模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

2.1模具的熱分析

每次壓射金屬液時(shí),壓型表面溫度急劇上升,緊接著由于熱傳導(dǎo)作用,壓型內(nèi)部溫度也上升,。壓型內(nèi)部如果沒有冷卻水及時(shí)將這些增加的熱量帶走,則下一個(gè)壓射循環(huán)時(shí)壓型內(nèi)部溫度梯度縮小,。如此往返下去,溫度梯度漸趨縮小,甚至壓型心部與表面溫度接近,形成一個(gè)較均勻的溫度場(chǎng),使合金在型腔中冷卻得十分緩慢。

壓型中的熱分布受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及模具壁厚等諸多因素的影響,是一個(gè)很復(fù)雜的問題,。盡管熱分布復(fù)雜,在整體模具其他冷卻條件不變的前提下,熱傳導(dǎo)形式可歸納為兩種基本類型,。第一種類型——只與金屬液接觸不被金屬液包容的壓型,稱為熱放散型。壓型從金屬液得到熱量后能迅速不斷地向模具外形及空中傳導(dǎo)和擴(kuò)散;第二種類型——被金屬液包容的壓型,稱為熱集中型,。這種壓型從金屬液獲得的熱量最多,而且又無法向周圍的模具或空中傳導(dǎo)和擴(kuò)散,。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要對(duì)象就是這部分壓型,。在設(shè)計(jì)壓型的冷卻系統(tǒng)時(shí),首先要通過熱分析,找出形成熱集中型的那部分壓型,然后根據(jù)金屬液給與這部分壓型的熱量,計(jì)算出這部分壓型冷卻通道的表面積大小,最后根據(jù)模具結(jié)構(gòu)確定通道的密封和出入口連接方式。

2.2冷卻通道計(jì)算的基本公式

2.2.1壓射金屬液給與壓型的熱量計(jì)算

式中—單位時(shí)間壓射給金屬與壓型的熱量,kJ/h

P—每次壓射金屬液的質(zhì)量,kg/n

N—單位時(shí)間的壓射次數(shù),n/h

C —合金比熱(平均),kJ/C·kg

TC—澆注溫度,℃

ts—鑄件出模時(shí)的溫度,℃

H—合金熔解潛熱.kJ/kg

2.2.2冷卻水應(yīng)帶走的熱量

在單位時(shí)間里冷卻水應(yīng)帶走的熱量等于合金液給與壓型的熱量與自然散發(fā)熱量(壓型向空中散發(fā)和涂料帶走的熱量)之差,。即

式中—單位時(shí)間冷卻水帶走的熱量,kJ/h

—單位時(shí)間合金液給與壓型的熱量血, kJ/h

—單位時(shí)間自然散發(fā)的熱量,kJ/h

值與壓射生產(chǎn)頻率,、環(huán)境溫度、涂料噴涂量等因素有關(guān),。在我廠生產(chǎn)條件下·其平均值 ,因此:

前面已敘述,冷卻通道設(shè)計(jì)的主要對(duì)象是熱集中型的壓型,。形成這部分鑄件形狀是由兩部分壓型組成的,即被金屬液包容和不被金屬液包容的壓型。經(jīng)過幾年的摸索和驗(yàn)證,前者為得到冷卻水應(yīng)帶走熱量的,后者僅為,。因此在計(jì)算熱集中型壓型得到的熱量 時(shí),在式(3)前者面應(yīng)冠入 這樣一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù),即是 ,由式(1)(2) (3)得:

2.2.3壓型表面到冷卻水孔表面的距離計(jì)算

為了維持壓型表面合適的工作溫度,在每一個(gè)壓射循環(huán)內(nèi)金屬液給與壓型多余的熱量應(yīng)正好由冷卻水帶走,就要確定壓型表面至冷卻水孔表面的距離。由熱傳導(dǎo)公式可求得其距離,現(xiàn)作如下推導(dǎo),。

l)平壁類熱傳導(dǎo)公式

中—平壁類壓型表面至冷卻水孔距離,m

—導(dǎo)熱系數(shù),模具鋼為168kJ/ (m·h·℃)

S—壓型受熱面積,m2

—壓型表面理想工作溫度,鋁合金 =220-240℃

—離壓型表面 處的壓型溫度,℃

—每小時(shí)冷卻水應(yīng)帶走的熱量,kJ/h

(2)圓筒類熱傳導(dǎo)公式

熱集中型

熱放散型

式中—熱集中型時(shí),，壓型表面至冷卻通道表面的距離,m

—熱放散型時(shí),壓型表面至冷卻通道表面的距離,m

—平壁類壓型表面至冷卻通道表面的距離,m

R —圓筒類鑄件的半徑,m

2.2.4冷卻通道表面積計(jì)算公式

式中—冷卻水從壓型中應(yīng)帶走的熱量,kJ/h(熱集中型時(shí)為 )

A—冷卻通道表面積,m2

h—冷卻水入、出口平均溫差下的傳熱系數(shù),(kJ/m2·h·C)

t2—冷卻通道周圍壓型溫度,℃

t3 —冷卻水入,、出口溫差,℃

2.2.5冷卻水傳熱系數(shù)值的確定

h值受冷卻水入出口溫差,、流量、通道大小等因素的影響,計(jì)算十分復(fù)雜,。國際壓鑄會(huì)議確定了值的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式:

式中 W—冷卻水流速,m/s

D —冷卻水孔通道直徑,m

b—冷卻水入,、出口平均溫差下水溫常數(shù)(表l)

3、 應(yīng)用計(jì)算舉例

為了簡(jiǎn)明起見,用圖1 所示的最簡(jiǎn)單壓鑄件為例,。該件要求加工后在1MPa氣壓下無泄漏,。在合模力1300KN壓鑄機(jī)上生產(chǎn)。壓鑄合金為A380.0鋁合金,。

3.1 A380.0合金特性及壓鑄工藝設(shè)定

合金密度Y=2.7g/cm3,平均比熱C=1.05kJ/(℃·kg),熔解潛熱襯=359kJ/kg,。每小時(shí)壓射次數(shù)N=100n/h,澆注溫度TC=650℃,鑄件出模時(shí)的溫度ts=350℃,壓型表面理想溫度t1=250℃,冷卻通道壓型溫度t2=180℃,冷卻水出入口平均溫差t3=60℃(出口80℃,入口循環(huán)水水溫20℃),水的流速W=0.5m/s。

3.2熱分析

從圖一可知:形成φ16mm, φ50mm,φ34.7mm, φ9mm孔的型芯為被金屬液包容的壓型即熱集中型,其余為熱放散型,。其中φ9mm型芯太小通水困難,因此該產(chǎn)品模具只對(duì)φ16mm, φ50mm, φ34.7mm型芯設(shè)計(jì)冷卻通道(見圖2,、圖3)。

3.3計(jì)算

設(shè)型芯I這部分鑄件的一次壓射合金液質(zhì)量為P1,型芯I與金屬液接觸的表面積為S1,、其表面到冷卻通道表面的距離為d1,冷卻通道孔徑為D1,冷卻通道最小長度為L1,。設(shè)型芯Ⅱ的相應(yīng)量為。

這樣己完全確定了型芯I,、Ⅱ的冷卻通道最小長度,分別為: φ33.46mm×76.7mm, φ15.3mm×42.4mm,。冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2、圖3,。

關(guān)于冷卻水出口孔徑的計(jì)算:不管進(jìn)入冷卻通道的孔徑是多大,只要出水孔的大小額定了,在水流速度相同時(shí),冷卻通道的水流量也就額定了,出水口即為節(jié)流口,。分別設(shè)型芯I、型芯Ⅱ的孔徑為嬌φ1,。φ2,。

由熱力學(xué)公式 和質(zhì)量與流量的關(guān)系式

得

式中—出水口(節(jié)流口)孔徑,m

—lh內(nèi)由冷卻水帶走的熱量,kJ(對(duì)熱集中型為)

—水的比熱, c =4.187kJ/(kg·C)

—水的出入口溫差即為式(8)的t3,℃

w —水的流速,m/s

T—lh, T=3600s

—水的密度, =1000kg/m3

對(duì)于型芯I,節(jié)流孔徑為:

我們備有帶冷卻塔的循環(huán)水池,水壓、流速、水溫都較穩(wěn)定,。必須指出,圖2的件2,、圖3的件4一定要伸入成形段的最前端,否則達(dá)不到預(yù)期的冷卻效果,這是為了低溫水強(qiáng)行通過高溫區(qū)而設(shè)置的導(dǎo)水管。

4,、冷卻通道的密封與連接

根據(jù)模具結(jié)構(gòu),冷卻通道可采用O形橡膠圈端面或徑向密封,、錐管螺塞、紫銅柱鉚死等形式密封,其中O形橡膠圈用的最廣,?？灸：蛪鸿T時(shí)只要冷卻水暢通,普通橡膠能用上萬模次,若用橡膠I一1或Ⅱ一2,壽命可達(dá)3-4萬模次。

冷卻通道的連接可用密封管螺紋接頭,也可用細(xì)牙直螺紋接頭,。生接方式多種多樣,視模具結(jié)構(gòu)定,。如圖2、圖3的進(jìn),、出水管就用了兩種不同連接方式,。

5、控制模溫后產(chǎn)生的效果

5.1提高了壓鑄件的致密度

我公司生產(chǎn)耐壓壓鑄件95萬件,其中僅5%為鋅壓鑄件,其余為鋁壓鑄件,。加工后均須在1-2.5MPa氣壓下作氣密性試驗(yàn),。未進(jìn)行模溫控制之前,經(jīng)真空浸滲處理后,鋅壓鑄件漏氣率為15%-20%,鋁壓鑄件漏氣率為40%-50%。水冷控制模溫后提高了鑄件致密度,鋅,、鋁壓鑄件的漏氣率均已降到5%以下,。

5.2提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率

未控制模溫前,由于壓鑄生產(chǎn)時(shí)模溫不斷上升,有的模溫可高達(dá)400℃以上,為了維護(hù)正常生產(chǎn),避免粘模拉模和鑄件頂出不變形,只得放慢壓鑄生產(chǎn)頻率。

5.3提高了模具壽命

我們擔(dān)心壓型模壁減薄了易開裂,。幾年使用的結(jié)果表明:同樣的壓型材料和熱處理,模具壽命可提高1.5倍以上,。這是因?yàn)榭s小了模具溫差和降低了模溫,防止了較大熱變應(yīng)力產(chǎn)生的緣故。

5.4減少了涂料用量

模溫控制后由于鑄件表層組織致密,改善了脫模效果,不易粘模,可以少上或不上壓鑄涂料,。

本文作者：中國重型汽車集團(tuán)重慶卡福汽車零部件公司 劉金保