在鋁、鎂合金壓鑄模和重力金屬型鑄造的模具中,冷卻系統的設計也是一個關鍵。冷卻系統,有時也被稱爲冷卻管道或者冷卻迴路,是由一系列高導熱的材料組成,其主要目的是通過直接熱傳導的方式,把熱量從熔融的金屬中帶走,實現對模具溫度的控制,以及通過定向冷卻的方式,讓鑄件儘快冷卻。

一個優秀的冷卻系統,需要充分考慮鑄件各部位的質量和厚度分佈,在壁厚較大的區域也即是蘊積熱量更多的局部,有針對性地提高傳熱能力,從而達到整體平衡。此外,應儘可能地使鑄件冷卻過程形成順序凝固,即從進澆口最遠端開始凝固,到流道入口,最後凝固到流道和料餅;否則,鑄件內部將會形成“熱節”,導致宏觀縮孔缺陷。

由於生產效率高,同時具有良好的可操控性,高壓鑄造已經成爲重要的鑄造生產工藝。鑄造過程包括三個重要的階段:充型階段、凝固階段和冷卻階段。在這過程中,不僅充型階段很關鍵,凝固和冷卻階段也很重要,因爲它直接影響了生產效率和鑄件的品質。一個優秀的冷卻系統,可以大幅度減少冷卻時間,提高鑄造生產率,還可以最大限度地減少由於溫度不均勻而導致的種種缺陷,例如熱節、縮孔、殘餘應力不均、翹曲變形等。此外,它對模具壽命、產品的脫模等都有很重要的意義。

傳統上,模具冷卻系統設計仍然主要依靠設計師的經驗和有限的知識積累。然而,隨着鑄件越來越複雜和更高效率的冷卻要求,單靠經驗的方式設計冷卻系統,並不能確保獲得最優設計和最恰當的參數。在本文中,我們藉助於Cast-Designer軟件,介紹一種全新的冷卻系統設計方法和策略。

冷卻系統概述和冷卻管道的佈局

如前所述,一個優秀的冷卻系統,可以大幅度減少冷卻時間,提高生產率。均勻的冷卻能提高鑄件的品質,減少殘餘應力和變形,保證產品尺寸精度和加工穩定性。

鑄造冷卻系統通常包括以下組件:

- 溫度控制單元 Temperature controlling unit

- 泵 Pump

- 軟管 Hoses

- 供給和回收裝置 Supply and collection manifolds

- 模具中的冷卻管道 Cooling channels in the mold

模具本身可以視爲一個熱交換器,把熔融金屬的熱量,通過循環的冷卻媒介帶走。

常見的冷卻管道鑽孔排布方式有並聯式和串聯式。

並聯冷卻管道

從冷媒供應歧管到冷媒收集歧管之間有多個流路。根據各冷卻孔道流動阻力的不同,各冷卻孔道的冷媒流動速率也不同,造成各冷卻孔道不同熱傳效率,並聯冷卻孔道之間可能有着不均勻的冷卻效應。

串聯冷卻管道

從冷媒供應歧管到冷媒收集歧管之間連接成單一流路,這是最常採用的冷卻孔道排布方式。假如冷卻孔道具有均勻的管徑,可以將通過整個冷卻系統的冷媒設計成所需的紊流,獲得最有效率的熱傳。對於大型模具,可能需要多組串聯冷卻管道,才能獲得模具的均勻冷卻。

冷卻管道設計

冷卻系統設計必須考慮的幾個基本原則:

管道的排布,均勻分佈在金屬的充型區,且要考慮對模具熱平衡的影響;

當鑄件壁厚均勻時,冷卻管道與型腔距離儘量相等;當壁厚不均勻時,冷卻水可合理設計靠近型腔加強冷卻;

合理選擇冷卻水管接頭位置,爲了不影響操作,應設在模具的背面;

冷卻管內的冷卻介質流速必須達到紊流的狀態,因爲紊流的產生可以提高散熱率。對於水性冷卻液,紊流的產生和雷諾數(REYNOLDS NUMBER R)有關,此數必須超過3,500,纔可以產生紊流的狀態,以下是雷諾數的公式:

其中:ν--流速(m/s)

d --管道直徑(m)

ρ--液體密度(kg/m3)

μm -- 液體的黏度係數

Cast-Designer中的冷卻系統設計,完全基於CAD環境,可靈活、方便地建立任意複雜的冷卻管道系統。

冷卻管道的數據結構如下:

冷卻系統列表:管理已建立的冷卻管道,支持分組功能。例如,把動模側和定模側的冷卻管道,分別指定爲兩個不同的組。程序自動顯示冷卻管道的總長度和表面積。也可以利用這個分類管理功能,設計不同的冷卻水道方案。

詳細數據表:該表格列出了每個組羣中各分段的詳細參數,包括位置座標、長度、直徑和方向。各段落均爲獨立的CAD幾何體,除非用戶執行布爾運算這樣可以對其進行自動合併。

各分段的設計參數:這個區域顯示了冷卻管道各分段的設計參數。

此外,系統也提供另外一種建立冷卻管道的方式,用戶可通過描繪的特徵線,以及橫截面直徑參數,直接建立三維冷卻管道。

冷卻管道計算器和在線分析

採用冷卻管道計算器,設計師能根據實際工況計算冷卻管道所需的總長度和總面積,以資達到熱平衡。該計算器已經充分考慮了多個因數,其中包括的鑄件重量、鑄造合金、比熱、澆鑄溫度、出模溫度、生產效率、冷卻管道直徑、介質流速和熱效率等。通過該計算器,可獲得良好的熱平衡條件。

在線冷卻系統分析

對於設計好的冷卻水道,如何評估其設計的優劣是非常重要的。數值模擬是現有比較成熟的冷卻系統評估方法,如今,隨着CAE技術的發展,硬件設備的提升,CAE分析軟件越來越成爲鑄造模具開發過程中不可或缺的工具了。在模具生產與製造之前,最大限度地保障產品缺陷最少、生產效率最高、以及最好的品質。爲了達到這些目的,需要反覆的修改設計方案,再進行驗證分析。

然而,採用數值模擬進行冷卻水道評估時也會遇到巨大的挑戰。

首先,數值模擬要求用戶必須具備完整的三維造型數據,其中包括鑄件、冷卻管道、模具和澆鑄系統等。但由於在概念設計的初期階段,往往存在多個設計方案,這些方案都需要進行分析驗證,建模是一項非常艱鉅的任務。而且一旦方案被放棄,則這種工作幾乎全部是浪費。

其次, 太長的分析時間。包含全套模具的分析需要很長的分析時間,特別是要考慮穩態模溫的時候更是如此。

再次,分析的結果是綜合的結果,無從知曉與冷卻水道特別是某一水道的關聯性。因此,即時進行了詳細地分析,仍無法有的放矢。

爲此,Cast-Designer引入了在線冷卻系統分析的方法。這種方法是革命性的,能幫助設計師在設計的早期階段,快速檢查冷卻管道設計的合理性。在三到五分鐘之內,即可獲得在線結果。針對這個方茜結果,用戶可以進行即時的方案變更,而變更的結果也可以立等可取。這種效率的提升是顯而易見的。

從技術上說,這種在線分析是非常獨到的,且分析的內容和傳統CAE分析是異曲同工的。該方法綜合考慮了鑄件的幾何特徵,冷卻管道的數量和位置,還有熱傳遞的影響。最終結果顯示鑄件和冷卻管道之間的冷卻效率,爲設計師調整冷卻管道的設計提供幫助。

下面通過一個實際的工業案例,體驗一下在線冷卻系統分析的工作流程和使用價值。

第一步:EMDI (鑄件質量分佈)分析

EMDI 的概念源於Geo-Designer裏面的MDI,MDI的意思是Mass Distribution Index(質量分佈指數),我們可以簡單地理解爲鑄件的三維厚度分佈。EMDI則是把鑄件的三維厚度分佈進行整理,直接用雲圖的模式顯示在鑄件表面上,且 EMDI沒有單位,只有級別之分,級別數越大代表該處厚度也越大。在EMDI的計算過程中,系統會在後臺自動生成一個分析網格。用戶可自定義網格密度,更小的網格尺寸可以得到更精確的結果,但需要更多的CPU時間和資源。

待EMDI計算完成後,系統會採用另一個光順的網格用雲圖直接顯示EMDI的結果。所有的網格生成都是自動的,無需用戶做任何干預。

EMDI 的結果數據非常容易讀懂,且在冷卻管道設計過程中意義重大。該數值直觀地描述了鑄件的厚度分佈情況,數值越高的地方,代表越厚,數值越低,代表越薄。在冷卻管道的設計過程中,我們總希望在鑄件壁厚較大的區域,有更高的冷卻效率,帶走更多的熱量以達到熱平衡的狀態,減少熱節的產生。

第二步:快速冷卻效率分析

快速冷卻分析,主要用於冷卻管道對鑄件各部位的冷卻效率評估。該效率可簡單理解爲熱影響距離的函數。冷卻管道直徑越大,越靠近鑄件,則冷卻效率越高。對於有多條冷卻管道的綜合影響,此數據具有很高的參考性。

該指標直接反應了冷卻管道的綜合影響和冷卻效率,數值越高的區域,代表更好的冷卻效率,帶走的熱量越多,相反,數值越低的區域,代表較差的冷卻效率,帶走的熱量越少。

第三步:冷卻影響分析

在冷卻管道的設計過程中,應該考慮在鑄件壁厚越大的區域,設計越高的冷卻效率,帶走越多的熱量,減少熱節。現在,我們把EMDI的數據和快速冷卻效率分析的數據結合在一起分析,其結果就是冷卻影響分析。計算公式如下:

冷卻影響結果 = 快速冷卻效率因子 – K * EMDI

其中,EMDI的影響係數K可由用戶自定義。

這種方法同時考慮了鑄件的幾何形狀和冷卻管道的冷卻效率,最終結果對於冷卻系統的設計非常有用。

當我們把顯示標尺調整到小於0.5的數值,即可發現冷卻不足的位置,這些位置可能由於鑄件壁厚過大而且沒有足夠的冷卻效率。此時,我們需要調整冷卻管道設計,獲得更好的熱平衡。例如,調整冷卻管道跟鑄件之間的距離,或者在這些冷卻不足的位置上,添加更多的冷卻管道。一般來說,一個熱影響均勻的冷卻系統設計,不單可以提升鑄件的品質,而且可以延長模具的壽命。

當然,冷卻管道也不足以解決所有的鑄造缺陷,如由於鑄件壁厚分佈極其不平均而造成的縮孔,則需要尋找另外的解決方案。

結論與建議

本文介紹了一種新的冷卻水道設計和在線分析的方法。這種方法能非常有效地應用在模具設計的前期階段,通過對鑄件的幾何和初始的設計方案進行快速分析,給出直接而有效的設計指導。這種方法的操作非常便捷,效率是傳統CAE方法的百倍以上。

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