文/虞 康   万 里  方健儒  周承广  吴树森

摘要：对某新型汽车的大型铝合金变速箱壳体的模具温度场进行数值模拟，分析了模具温度场的特点及主要影响因素。分析表明，浇注温度越高，模具温度变化幅度越大，模具温度梯度也越大，易产生较大热应力。较高的模具预热温度可以减少达到热平衡时所需循环次数，降低温度变化幅度。根据模拟分析结果，给出了较优的工艺参数选择来指导实际生产。

关键词：压铸；数值模拟；温度场；铝合金。

随着汽车行业在中国的不断发展，轻量化成为人们关注的一个热点。因此密度小，比强度比刚度高的铝合金在汽车行业得到了越来越多的应用。目前，对于复杂铝合金零件通常采用高压铸造的方法进行生产。

在压铸生产中，模具温度场分布对压铸件质量压铸模具寿命有着重要影响。一方面模具温度场影响压铸件的成型和冷却过程，因此对压铸件的质量有着重要影响。另一方面，在压铸过程中，当金属液压射入模具内时，模具型腔表面温度温度上升剧烈，而内层升温缓慢，由于受热不均导致模具内部膨胀不均，因此在型腔表面将会产生压应力。而当开模后，由于铸型表面受空气和涂料激冷作用，表面温度下降速度大于内层，因此在型腔表面会产生拉应力。在压铸循环中，这种循环应力伴随着压铸循环而进行，最终达到模具疲劳极限导致表面产生裂纹失效。而在压铸生产中压铸模具是必不可少的工具，在压铸件成本中占有相当大的比重。因此，通过改善工艺条件来获得合适的压铸模具温度场对提高生产效率，提高模具寿命，降低生产成本有着重要作用。

在实际生产中，对模具温度场影响较大的参数主要为金属液浇注温度、模具预热温度和冷却条件设置。本文采用flow3d软件，针对变速箱壳体铸件模具进行了模具温度场数值仿真，通过对模具表面取点，分析在压铸循环中模具温度场变化特点。通过改变金属液浇注温度和模具预热温度，分析金属液和预热温度对模具温度场影响，以期获得合适的工艺参数来指导实际生产。

1、压铸件及模具

本次模拟的压铸件为一汽生产的某新型汽车变速箱壳体，主要组件包括铸件、动模、定模、左滑块、右滑块、上滑块、下滑块、冷却管路。零件外轮廓尺寸约为420mm×400mm×420mm，压铸模具整体质量近30t。其具体位置关系如图1所示，冷却水管直径为14mm，冷却水管布置如图2所示。

2、压铸材料及模具基础参数设定

压铸铝合金材料为YL112，密度为2460kg/m3，液相线、固相线温度分别为574.4、497.3℃，结晶潜热为389kJ/kg。模具材料为热作模具钢H13，环境温度为20℃，模具与铸件间传热系数设为20000W(m2·K)，模具与空气接触传热系数设为100 W(m2·K)，涂料与模具换热系数为100 W/(m2·K)，冷却水管直径为14mm，水温设为20℃，水速设为2m/s，冷却水与模具间换热系数经计算后取值为10000W/(m2·K)。生产周期简化分为四部分，第一阶段充填金属，保压凝固；第二阶段开模，取件；第三阶段喷涂料；第四阶段为合模，等待下次充型时间。四阶段时间分别设为40、10、5和10s。一次循环总时间为65 s。

3、压铸过程温度场控制方程

压铸过程为不稳态温度场,其控制方程可描述为：

式中：ρ为密度；cp为比热容；T为温度；t为时间；x，y，z为坐标；Q为热导率；为单位体积内热源，对于有相变单元，Q=潜热×固相分数，对其他单元则为0。

因为压铸充型时间较短，通常只有几十毫秒，因此假设金属瞬间充满，开型和合模也是瞬间完成的。

4、模拟实验分析

4.1模具温度变化规律

为研究模具温度场分布变化特点，本次实验选取点如图3所示的A处，该处为动模与铸件接触处。在生产过程中该点温度变化最剧烈。模拟计算后记录下点A处距离铸型不同距离的部位温度在压铸循环过程中变化情况。当浇注温度为943K，模具预热温度为473K时，结果如图4所示。可以看出，模具温度在压铸过程作周期性变化，当压入金属液后模具温度迅速上升，然后在保压和开模时温度以不同速率持续下降。同时在表中我们可以发现经过约6次压铸循环后模具温度达到平衡状态，此时从图中可以看出温度变化最剧烈的为铸型表面。温差可以达到180K，温度梯度也达到了约29.83K/mm。因此可知与铸件接触的铸型表面热应力最大。

4.2、不同浇注温度对模具温度场影响

图5所示为在相同的预热温度473K下，不同浇注温度下模具温度场的变化情况。可以看出浇注温度越高，铸型表面温度变化越剧烈。当浇注温度为963 K时，模具温度在经过5次压铸循环后温度开始稳定，动模最高温度可达703K，此时温度变化幅度为186K，温差梯度为30.73K/mm。当浇注温度为943 K时，动模最高温度为691 K，温度变化幅度为180 K，温差梯度为29.83 K/mm。浇注温度为923 K时,动模最高温度为680K，温差为174K，温差梯度为28.63K/mm。可以看出，当使用较低的浇注温度时，可以降低稳定模具温度，减小温度变化幅度和温差梯度，从而可以减小模具热应力。综合实际生产考虑，可以选用923 K的浇注温度。

4.3、不同模具预热温度对模具温度场的影响

图6所示为在943K浇注温度下，不同模具预热温度对模具动模接触表面温度场的影响。当预热温度为523K时，模具经过4次循环，模具即可达到热平衡，此时动模最高温度为707K，温度变化幅度为168K，温度梯度为27.66K/mm。当预热温度为473 K时，模具经过6次循环，模具达到热平衡，此时动模最高温度为691K，温度变化幅度为180K，温差梯度为29.83K/mm。当预热温度为423K时，模具经过12次循环后才能达到热平衡，此时动模最高温度为686K，温度变化幅度为183K，温差梯度为30.33 K/mm。

可以看出，较高的模具预热温度可以有效减少模具达到热平衡所需循环次数，减少模具温度变化幅度和降低温度梯度。因此在满足压铸生产要求时可以使用较高的模具预热温度。因此综合考虑在本压铸件生产中可以使用523K预热温度。

4.4、较优工艺参数下模具温度场分布

根据上述实验得出的结论，选用浇注温度为923 K，模具预热温度523 K。发现模具经4次循环即达到热平衡，模具温度变化幅度最大为161K，温度变化梯度最大为26.33K/mm。

图7即为在此条件下，模具达到热平衡状态时浇注前模具动模温度场的分布情况。可以看出，浇注前模具型腔内表面温度分布较为均匀，没有出现局部过热情况。因此，该方案能有效降低热应力，提高模具寿命。

5结论

(1)采用flow3d数值模拟的方法研究了汽车变速箱铸件模具温度场分布变化特点，结果表明在金属液刚充填进去时模具表面温度最高，温度变化幅度和温差梯度也最高。因此此时产生的热应力也最高。

(2)讨论了不同浇注温度和不同模具预热温度对模具温度场变化的影响，发现浇注温度越高，温度变化幅度越大，温度梯度也越大，因 此产生的热应力也越高。较高的模具预热温度可以减少达到热平衡时所需循环次数，降低温度变化幅度，减小温度梯度，从而减小热应力。

(3)结合实际生产情况，对于本铸件可以使用923 K浇注温度和523 K模具预热温度。这样可以减小循环次数，提高生产效率，并且可以减小热应力，从而可以提高模具寿命。