【案例分享】壓鑄模具水路系統的設計

以下文章來源於壓鑄實踐 ,作者《中國壓鑄》雜誌 SVEN JANSEN


依據全新的模具設計理念,透過高效率的模內冷卻系統讓模具的散熱提高(圖片由德國奧迪提供)
依據全新的模具設計理念,透過高效率的模內冷卻系統讓模具的散熱提高(圖片由德國奧迪提供)


前言

鋁合金壓鑄製程可生產複雜結構的一次成型鑄件,其特點是強度高、結構複雜和減輕重量。這也說明了為什麼鋁合金壓鑄的車身結構件屬於高端產品。圖1為最新的奧迪A8車身結構。

圖1:奧迪A8車身
圖1:奧迪A8車身


從圖1可以看出新世代的車身設計結合了不同的材料,其中壓鑄件有連接節點的作用。這種複合材料結構可滿足各種功能的上需求,如降低重量和提高燃燒效率,最佳的駕駛效果和舒適度以及高強度的碰撞安全性。


壓鑄結構件除了擁有多個優點,在中低價位的車輛中使用還受到經濟性的影響。壓鑄的主要成本包括壓鑄生產週期(較大鑄件需要1-2分鐘)和壓鑄模具的使用壽命。從模具使用壽命原因分析,溫度是壓鑄製程中最重要的影響因素。本研究將針對壓鑄模具的熱循環來規劃,探討冷卻系統和離型劑噴塗過程對模具溫度的影響。



概述

在一般的壓鑄製程中,每個壓鑄週期都要向模具表面噴塗大量的水-離型劑混合液,較大的水量用於模具表面降溫,但會對模具產生熱衝擊和應力,這些熱裂和應力裂紋是影響模具壽命的原因之一。


透過一種新的模具設計,使用高效能的模內冷卻循環達到對模具無損害的散熱過程,來代替用噴塗過程實現表面冷卻。新型的冷卻系統設計是成為微量噴塗的基礎,也就是說使用更少量的離型劑濃縮液來減少模具表面產生大量的冷卻作用。


壓鑄模具溫度再隨時間變化時是處於穩定狀態,這對製程來說是重要因素。有效的管理模具溫度,可透過高效冷卻系統來對模具進行溫度調控,是快速散熱和較短循環週期的基礎。目前仍缺少新的冷卻理念設計和尺寸有關的具體設計標準和經驗公式。另外放棄外部冷卻將是一個極大的挑戰,需透過局部調整噴塗量或者噴嘴設置,根據需求控制自由度和冷卻效果,才能使微噴技術實現,所以在模具設計階段就必須精準的了解熱循環的模具溫度,在未來壓鑄生產過程中才可有最佳的溫度分佈。


本篇的目的是開發一種設計方法,通過壓鑄模具中的冷卻系統實現對優化的熱循環。透過模擬軟體顯示出原理,必要的製程知識可以產生何種效果,並且可以為模具設計者模擬整個力學、熱學和熱力學關係和過程。


首先介紹模具冷卻的基礎,然後是關於設計方法的概述。最後應用此方法模擬實際生產的車身結構件模具-減震塔。



模具熱循環基礎理論

冷卻系統提升效率的方法需要通過一個簡化的理想案例得出,如圖2所示。評估冷卻效率的決定性物理值是熱量Q,表示單位時間傳導的熱量值。


圖2:理想的熱傳導系統從鑄件—模具—冷卻道
圖2:理想的熱傳導系統從鑄件—模具—冷卻道

透過冷卻系統帶走熔湯在壓鑄過程給模具的熱量,有3個熱傳導是關鍵,首先必須讓鑄件的熱量傳導到模具上,這個過程是獨立於冷卻設計,在工作框架內不做另外考慮。最重要的是壓鑄模具內的熱傳導Q、模具和冷卻道的熱傳導Q通道。



模具內的熱傳導:

Q模具=(λ模具·A)·(T模具表面-T通道壁)/X (1)   A:熱傳導面積 λ模具:導熱能力 X:模具表面和冷卻道間的距離  冷卻道的熱傳導: Q通道=α通道·A冷卻道(T通道壁-T流體) (2) A :冷卻道面積 α通道:傳熱係數







冷卻道的熱傳導:








透過這些公式可以得到最終影響熱傳導的因素大小,可以用於冷卻效果優化方法中。具體涉及到模具表面和冷卻道之間的距離X、一種具有高傳熱能力的型鋼λ模具、冷卻道表面增加的A冷卻道、高的傳熱係數α通道、以及降低溫度的冷卻介質T流體。最終的大小不能隨意變化,因為模具溫度決定了壓鑄過程。另外作為材料屬性的傳熱能力只受到適用的熱模具鋼的影響,此項工作的重點在於幾何影響因素的大小,隨造型變化、大面積的流動通道。然而,這也意味著在壓鑄模具製作過程中,需比傳統的簡單鑽孔的冷卻道有較高的力學和熱力學負載。只有全面的理論評估才能保證在模具設計中實現隨造型變化的冷卻設計。



模具熱循環輔助設計方法

目前壓鑄模具中隨造型變化的冷卻系統與傳統技術標準不符,缺少新模具設計時可參考的經驗,所以將開發一種新的設計方法,來輔助模具設計者,使其能夠更完善的考慮及了解新的冷卻理念設計和因素大小,並藉由模擬軟體讓壓鑄製程中的熱學、力學和熱力學負載量化,如要實際應用該方法論還需滿足一系列的要求,以有效驗證模具設計過程。


圖3:設計方法
圖3:設計方法

由於模具溫度處於不穩定狀態,可能對於熱負載、熱力學…等產生一定的影響性。所以提出完整性的要求,透過模組化方式進行,把全部問題分佈到單一工作或者模擬模組上,使每個模組的資訊更加詳實。


模組0:鑄件幾何分析是冷卻理念的基礎。對壁厚分佈的檢查有助於了解鑄件材料的熱累積,並且能夠儘早確定冷卻系統的特殊區域。


模組1:通過熱循環模擬可以計算壓鑄模具內時間與溫度分佈的關係,連續的壓鑄週期計算可以評估持續運行發熱的模具狀況,目的是以相同的模具和鑄件溫度為基礎對冷卻設計進行評估和優化。


模組2:借助力學設計模組,壓鑄模具在壓鑄過程中受到應力影響時,可以對其設計進行分析。輸入資料包括填充時的模具內壓力和壓鑄設備的壓射力。


模組3:熱力學模擬模組可以對溫度變化和溫度梯度產生的熱膨脹效果進行分析。輸入資料是週期熱循環模擬中與時間有關的溫度場。


模組4:從這一模組開始,從對整體模具的觀察轉移到局部區域,並更詳細的觀察(例如有關的計算網格因素大小、連接元件和幾何細節的模擬)。通過力學結構模擬,產生的力學負載可以對高度負荷的部件區域和元件進行分析。


模組5:補充第4個計算模組的熱力學應力模組,主要是壓鑄模具中的元件在溫度梯度和溫度變化中引起的應力。


如設計模組概述中所表達的,熱學和力學要分開計算。熱力學模組的輸入資料是與時間有關的溫度場 (週期熱模擬的結果)。此操作符合一個連續-關聯模擬的要求,可以明顯降低計算成本。前提條件是,模具內的傳熱過程不受力學效果的影響,在目前的應用案例中可以實現。在此開發項目框架內使用Simulia/Dassault Systemes的FEM-Software Abaqus,它擁有極高的功能性,能出色完成對複雜物理問題中必需的撓度、以及在多用處理器和存儲支援中對較大、較複雜情況的計算。


為了在模具生產製程中成功應用此設計方法,需要驗證輸入參數和邊界條件,例如每個單獨的模擬模組都必需的傳熱係數。為了得到一組有效的參數組,已經在專案中進行了大量的實驗和驗證。最終借助此方法設計出一款實驗模具來進行比較。



模具熱循環設計應用

除了設計隨造型變化冷卻系統的理論基礎,研究項目的另一項任務是建造一款擁有優化熱管理功能的壓鑄模具,並在實際製程中透過微噴技術進行實驗。這裡刻意進行了實際車身結構件的生產,而不是生產一個理想的實驗體。


1. 傳統模具

作為開發此項創新實驗模具的參考,使用了一款傳統的減震塔壓鑄模具。圖4顯示出該鑄件和使用傳統冷卻系統的剖面圖作為參考。



2. 實驗模具

為了能夠在模具內部的冷卻系統完成整體的溫度控制,以此代替傳統的外部冷卻方法,必須有一個全新的隨形實驗模具。因此實驗模具在大範圍使用了“分割式單體結構”設計,圖5顯示的是部分零件。通過“殼-芯-原則”可以實現一種特別的隨形和大面積的冷卻道。在輪廓背面有一個銑槽,因此模腔內只能允許一個相對薄的殼。在槽中嵌入一個合適幾何形狀的芯,通過底板固定並與輪廓密封接合。在芯和嵌入物之間還有冷卻介質的流動空間。這種設計的如圖5所示,顯示了冷卻介質(藍色)和鑄件(紅色)的位置。巧妙的結構設計以及入口和回流口保證冷卻介質的均勻流動。


圖5:分割式單體結構“冷卻體”設計
圖5:分割式單體結構“冷卻體”設計

對於冷卻要求較高的充填區域使用了一個澆鑄分流錐,可使用雷射熔融的增材生產製程進行製造,以實現最佳的散熱效果。


為了保證所需的散熱效果和平均的溫度分佈,總共在模具中結合了20個獨立的循環。圖6顯示定模(B)和動模(A)的冷卻系統。相比傳統的鑽孔矩陣式冷卻道,單體結構的優勢一目了然,也顯示出模腔和冷卻系統間的距離。相關鑄件標記為綠色。在實驗模具裡,根據新開發的冷卻設計,在大範圍內使用與鑄件距離僅為20mm,這也最終滿足了在較短的週期內完成微量噴塗過程所需的必要條件。


圖6:傳統和實驗模具的冷卻設計比對
圖6:傳統和實驗模具的冷卻設計比對

3. 實驗模具壓鑄生產

根據結構和模擬設計出具有優化冷卻系統的實驗模具,並按照設計方法對壓鑄過程進行了測試。成功完成了超過1500件減震塔的生產,而壓鑄過程中僅使用微量噴塗技術。數位模擬顯示出在與參考模具的比對下,熱循環明顯得到改善,同時節省了20%的循環週期時間。


模具冷卻時間因為高效的冷卻效果明顯縮短,另外相比傳統的噴塗過程,離型濃縮液產生作用的時間也明顯縮短。圖7顯示出隨造形水路的實驗模具和傳統模具在運行中的溫度對比。


圖7:實驗模具和傳統模具定模的模擬溫度對比
圖7:實驗模具和傳統模具定模的模擬溫度對比

在沒有額外的外部冷卻系統,只使用模具內部的冷卻系統時,熔湯熱量的降溫效果如何,在圖8中的動模熱顯像圖中一目了然。

圖8:實驗模具壓鑄過程中的熱顯像
圖8:實驗模具壓鑄過程中的熱顯像

傳統以水為基礎的離型劑會使模具表面產生裂紋,並且會損壞壓鑄模具,設計方法的第5模組就可驗證,這一理論也透過熱力學結構模擬結果得到證實。圖9顯示在一個壓鑄週期裡,模腔內比對位置的表面溫度和熱應力變化曲線。兩邊的溫度變化明顯不同。傳統模具中有一處溫度下降明顯,表示噴塗過程。也可視為熱衝擊,在圖9的右側圖表中也可見。結構應力突然從壓力區域(負值)轉向拉力區域(正值),表示型鋼冷卻的表面區域將要收縮,但因其下方發熱的部分被抑制。隨造形冷卻的壓力趨勢相對平穩,整個週期都保持在壓力區域。從量上看,隨造形的冷卻實驗模具顯示出更佳的壓力水準。

圖9:傳統大量噴塗和微量噴塗的溫度、應力變化比對
圖9:傳統大量噴塗和微量噴塗的溫度、應力變化比對


總結

對於壓鑄模具中隨造形冷卻系統專案的發展,有以下結論:


新開發的實驗模具的冷卻系統即使沒有噴塗冷卻過程,也可維持壓鑄過程中的熱循環。對比傳統的參考模具,其週期時間明顯縮短。


實驗模具有一點讓人印象深刻,即大範圍的模擬設計與實驗費用是值得投資的,無論是開發新的模具或冷卻設計,透過模擬可開發功能全面的模具,並考量微量噴塗有關的自由度,即通過調整噴射量控制模具冷卻,所以必須對模具冷卻系統進行預設。已開發的設計方法能夠支援需求導向的冷卻系統和滿足負載的模具結構。


簡化的外部模具冷卻降低了對模鋼的熱應力和衝擊,這一點從熱力學計算結果中可見。因為此實驗模具只生產了小批量的鑄件,還不能確定這種新型冷卻設計在實際生產中的使用潛力。



FLOW-3D CAST

為了準確預測模具熱循環模擬中模具內部的溫度分佈,需要對噴塗冷卻過程的空間參數變化進行建模。FLOW-3D CAST模具噴塗冷卻模型就是為此而開發的。該模型明確地計算了每個噴塗的冷卻,而不是假設整個模腔傳熱係數是恒定的。由於噴嘴的移動,模具表面的噴塗面積不斷計算和更新。該模型還考慮了噴塗液的盲區,從而考慮了噴塗角度和模具表面形狀對冷卻的影響。該模型提供了準確的模具表面溫度分佈和可靠、真實的輸入參數,幫助工程師更好地設計和優化冷卻過程,以消除熱點。