摩托车发动机右盖压铸模温度场数值模拟

来源：现代模具作者：韩雄伟吴卫发布时间：2007-11-06

关键字：铝合金；压铸模具；温度场；PROCAST

摘要：采用PROCAST对铝合金摩托车发动机右盖压铸用模具在压铸过程中的温度场进行了数值模拟，对压铸边界条件和传热系统的潜热采用热焓法进行了处理，分析了在不同时刻模具的温度场分布，分析了在不同的浇注温度和不同的模具预热温度情况下对模具温度场的影响，并且预测了热应力集中的位置，对压铸工艺参数的优化提出了见解，分析了冷却水管的作用，为压铸模具的热应力分析奠定基础。

Numerical Simulation of Temperature field of Aluminum Alloy Die Casting Dies

HAN Xiong-wei, WU Wei,

School of Material Science and Engineering ，Xihua University,

Chengdu 610039 Sichuan China

Abstract ： The temperature field of aluminum alloy die casting dies during high pressure die casting process has been simulated with PROCAST. The boundary conditions and the latent heat of heat transfer system have been treated by heat-enthalpy method.The temperature distribution of mould at different times has been simulated.The effect of different pouring and preheat temperature on the temperature fields of the die have been revealed. The temperature gradient has been obtained to predict thethermal stresses concentration and to optimize the casting process parameters. The effect of water cooling tubes in the dies has been simulated.It is a fundamental job for simulation of thermal stress of die.

Key Words ：aluminum alloy; die casting dies ; temperature field ; PROCAST ;

压铸过程是利用高压力、高速度迫使浇入压铸机的熔融或半熔融状态的金属在极短时间内充满压铸模的型腔。在这样的充填条件下，虽然金属压铸模的导热性很高，蓄热能力很强，但要求在压铸模型腔内获得形状完整、轮廓清晰、尺寸精度高的铸件，必须选用合理的模具结构和压铸工艺，而压铸模具的尺寸精度和使用寿命在很大程度上取决于其在压铸过程中热应力和其产生的变形。而实际测量模具的热应力难度大、成本高，故采用有限元数值模拟的方法，预测铸件和模具工作在工作中的温度场的分布，通过温度梯度的分析预测应力集中的部位，并预测了裂纹可能出现的位置。从而为优化模具结构和压铸工艺提供依据。^[1]

本文通过对铝合金压铸模具的温度场模拟，分析了不同压铸工艺时模具的温度场分布，为确定压铸工艺参数提供参考。对进一步模拟模具的应力场的分布打下了基础。

1模拟的压铸件和模具

选用的压铸件平均壁厚为5mm,压铸过程中蓄热量较大，模具温度场效果明显，适于温度场模拟。模拟部分包括铸件、型芯、动模和定模，如图1所示。

压铸件材料为：YZAlSi10Mg，液相线温度为616 ^oC，固体相密度和焓都是随温度变化的函数，

模具的材料为：Steel-H13;密度为7360Kg/m³；热导率和比热容都是随温度变化的函数，热导率不高，热膨胀系数较大，易产生热疲劳。

模具与铸件间的传热系数为1000W/（m²K）；模具与模具间的传热系数为1500W/（m²K）；模具与冷却水管间的传热系数为500W/（m²K）。^[2]

1动模 2铸件 3型芯 4定模

图1 模拟的模具和铸件实体

2压铸过程温度场控制方程和边界条件

2.1数学模型的建立

在对铝合金压铸件及其模具进行数值模拟时，根据压铸的传热特点，将一个压铸循环过程简化为四个阶段，即第一阶段：金属液充型、凝固；第二阶段：开模、顶出铸件；第三阶段：喷涂料；第四阶段：合模，等待下次浇注。四个阶段的时间设为25s、15s、10s、10s。由于各个阶段的传热系数不均，其温度场为三维不稳态温度场，控制方程： C_P = + + + ^[2]

也可表示为 ▽ + = C_P 。式中， —密度，C_P—比热容， —时间，T—温度， —热导率，为单位体积内热源，▽为拉普拉斯算子。

铸型温度场数值模拟是计算机在铸造生产中应用的核心内容之一。通过确定初始条件、边界条件,求解热传导偏微分方程等，获得铸型每一时刻的温度分布及其变化，并以此为依据将求解所得的温度转换为热载荷，模拟压铸模具的热应力分布，进而研究热疲劳对模具寿命的影响以及模具的变形等问题。

2.2初始条件、边界条件

（1)初始条件

一般认为压铸充型在瞬间完成，压铸模具在周期性的压铸生产循环过程中不断地被加热和冷却，经过一定的周期循环达到热平衡，铸件浇注温度和模具的预热温度对压铸过程中的温度分布有着很重要的影响作用，故采用不同的浇注温度和模具预热温度进行分析。

（2)边界条件

在压铸过程中，有多种边界条件，如模具/铸件；模具/模具；模具/空气；模具/冷却通道及模具/涂料，在模拟计算时要考虑它们的界面传热系数，用公式表示为：

|_b=h_f(T_f+ - T_f-)|_b

|_b为边界法向温度梯度，h_f 为边界换热系数，T_f+、T_f-为边界两边温度。^[3]

3潜热的处理

对与模具、冷却和加热系统，单位内热源 =0，而对于铸件 =潜热固相分数，即当液态金属温度下降到液相线以下时，开始析出固相，并释放结晶潜热。潜热的处理方法有：热焓法、温度回升法和比热容法。现采用热焓法对潜热进行处理，其具体方法为：先定义金属材料自T

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