ADINA分析压铸型温度场及应力场
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操作前将3Cr2W8V钢制铝合金压铸模进行预
热(2000C),可提高其韧性,降低模具表面层的温度 梯度和热应力,防止早期开裂。图3所示为预热后模 具的温度与热流分布图。
型芯表面一直在绿色范围即400。C左右,整个模 具的温度差有200。(2左右,较未预热时减小了200。C。
图4型芯中心温度梯度图
热流最大值也有所降低,由原来的1445W/m2降低 到1121W/m2,这表明炽热金属对模具的热冲击较未 预热时小。研究表明,将模具预热至200qC,并在模腔 上喷涂经加热的石墨水剂,使模温一直保持在200— 400℃时,模具寿命可提高一倍以上。
Keywords:FEM softwareADINA;temperaturefield;stressfield;diecasting dies
压铸型的费用很高,中等大小的铸件所用的压 铸型费用在2~15万人民币,大型铸件和形状复杂的
零 件所需的压铸型费用则更高。因此,如何提高压铸
型的寿命是关键11I。压铸型的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,采 用有限元数值模拟的方法分析保压过程的传热现 象,对模具的温度梯度、温度场分布、应力分布有了 新的认识方法,得到铸件和模具在工作中的温度场 的分布,温度梯度及最大主应力,为优化模具结构和 压铸工艺提供依据。
3应力场分析 根据材料力学第一强度理论可
知:当铸造最大主应力大于金属的强度 极限时便会出现裂纹。由于选择的制件 厚度一致,只考虑由于热冲击与机械阻 力(合金的固态膨胀、收缩受到铸型和 芯型的机械阻碍)形成的应力。铸造内 应力是铸件产生变形和裂纹的基本原 因,其在铸件冷却过程中与热应力共同 作用,促进了了铸件的裂纹倾向。
ADINA分析压铸型温度场及应力场
ADINA Analysis of the Temperature and the Stress Field of Die Casting Dies
曾珊琪张翠珠(陕西科技大学机电工程学院,西安市710021)
摘要:采用有限元软件ADINA对压铸型在初期压铸过程中模具型芯温度场及应力场的分布情况进行数 值模拟,得到压铸型温度场与热流分布图和最大应力分布图:并利用ADINA软件分析了冷却水管的作用以及 预热对模具温度梯度的影响。
1模具材料及压铸工艺 目前用压铸法生产的铝合金铸件最多,约占
90%,因此本文选择铝合金为压铸件材Βιβλιοθήκη Baidu。选用的压 铸件平均壁厚为10ram,形状如图1所示的壳体。其 工作温度为6000C左右,铝合金液压人型腔的速度为 45~180m/s,因此在模拟过程中忽略充填时间,认为 合金瞬间充满型腔。
型芯的材料为3Cr2W8V;本研究中涉及的参数 包括[21:密度为7740kg/m3;正弹性模量E=214000N/ mm2;泊松比A=0.466;热导率、线膨胀系数随温度变 化,如表l、表2所示。
CFMT 万中方国铸数造据装备与技术3/2008
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. 图6为最大主应力分布图,预热 后应力差相对于未预热时明显减小, 从图中可以推测早期裂纹出现的位 置。
型芯可以自发地通过变形来减缓 其内应力,以便趋于稳定状态。显然, 只有原来受拉伸部分产生压缩变形, 受压缩部分产生拉伸变形,才能使残 余应力减小或消除。所以,设计时尽可 能使铸件的壁厚均匀,形成对称;工艺 上采用同时凝固原则,以使冷却均匀 采用反变形法(长而易变形的铸件); 重要机件进行时效处理(自然时效、人 工时效),加热550~650。C,进行去应 力退火。
4杨裕国.压铸模的热流最与温度梯度.特种铸造及有色合金:压铸专 刊【J】,2002:130-133.
5韩雄伟,吴卫.铝合盒压铸模其温度场数值分析[J】常熟理工学 院学报,2007(4):80—83.
崭书《锈造丝术两题习萦》(第2皈)俞语
由陈琦、彭兆弟主编的《铸造技术问题对策》(第2版),已由机械工业出版社于2008年4月出
图5冷却水管对模具温度及热流的影响
4结束语 通过ADINA软件对压铸型的保
压初始阶段的温度及应力分析的结果 可以看到:模具的预热及合理的冷却水管设计对于
降 低模具温度梯度、减少热应力、推迟裂纹的产生起
着重要的作用。本文为以后通过ADINA设置时间函 数后对模具热平衡问题的掌握提供了前期基础和研 究方法。
:,关键词:有限元软件ADINA,温度场,应力场,压铸型 中图分类号:TG249.2;文献标识码:A;文章编号:1006—9658(2008)03—3. Abstract:The core temperature field and stress field in the initial stages of the process of the high
合金及其熔制、造型材料及其制备、砂型铸造与特种铸造、铸造质量与检验分析、铸造安全卫生与
环境保护等诸多方面的问题对策。
(陈琦)
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万方数据
CFMT中国铸造装备与技术3/2008
万方数据
CFMT中国铸造装备与技术312008
格划分、载荷加载,同时生成料.TMP文件,获得铸型 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。利用PLOT模块得到在环境温度为20℃,浇注 温度为600。C情况下,铸造1s后铸件与型芯的温度 场分布图与热流分布图如图2所示,此图与利用温 度作为载荷,在ADINA结构模块中得到的温度场分 布是完全相同的,且模拟结果与参考文献[4】中基本 相同。
pressure die casting have been numerically simulated with FEM software ADINA.with the temperature。 heat flux and the maximum stress distribution chart obtained.The influence of the preheating and the cooling water pipe on temperature gradient Of the die has also been analyzed with this ADINA.
温物体或区域传向低温物体或区域。考虑三种经典 热量传热方式:铸件与模具间主要以热传导的方式 传递热量;模具与周围环境主要以热辐射(合金表面 的热辐射系数一般为O.22~0.4t31)与热对流的方式传 递热量;冷却水管与模具间主要考虑热对流与热传 导。 2.1 ADINA分析结果
由于此次分析选择的铸件与型芯结构简单、均 为轴对称实体,所以将其简化为二维图形进行分析。 应用ADINA中Thermal分析模块建立模型、进行网
收稿日期:2008-01-07 文章编号:2008--006 作者简介:曾珊琪(1954一),女。教授,主要研究方向为材料成形理论
及模具制造
图l制件结构图
表l 3Cr2W8V的热导率
温度/oC
100
燕导率用.(m.K)一-
20.1
200 22.2
700 24.3
表2 Cr2W8V线膨胀系数
2温度场分析 有温度差存在的地方,就会有热量自发地从高
10~30mm 151,模拟选用距离模具表层 20cm直径为10era的水管。
图5为不考虑预热,水温为20℃ 条件下温度与热流分布图。与图1相 比。模具整体平均温度降低,梯度减 小,热流沿着冷却水管方向流动,带走 部分热量。为了减少水管对模具急冷 作用,一般应将水加热到30~400C。
图2朱预热情况下温度场与热流避分布图(左:温度场右:热流黾) 图3预热条件下温度场与热流鼍分布
从ADINA中可查看任意节点处的温度,例如模 具中心线部分的温度图如图4所示。温度梯度随着 距离制件距离的增加而不断减小。梯度越大,说明其 在以后使用过程中热疲劳程度越大,在设计型芯过 程中可针对主要疲劳区域进行有效的热处理措施。 2.3 ADINA分析冷却水管对温度的影响
在模具内增设冷却水管可以降低模具表层的温 度梯度,降低温度变化对模具的热冲击,及其产生的 热应力。一般大型模具的冷却水管直径为15~20mm, 小型模具一般为8-10mm,距型腔表面的距离一般为
版。
‘
据统计,第2版已对原书的铸造技术问题对策进行了214条修改,20条整合、分解或删除, 230条新增,总计修订条款约为全书的44%。
第2版仍保留了原有的编写视角和编写风格,并根据“以人为本”创建绿色铸造、和谐铸造的
基本思路,新增加一篇“铸造安全卫生与环境保护方面”的内容。
修订后的第2版《铸造技术问题对策》一书,按铸件设计和铸造技术分为7篇,筒述了铸造领 域中44个方面的1048条铸造技术问题对策,既涉及到铸件设计方面的问题对策,也涉及到铸造
参考文献
图6最大主应力分布图(左:未预热右:预热)
1李仁杰.压力铸造技术[M1.JE京:国防工业出版社,1996(7). 2林慧国,等.模具材料应用手册fMl一E京:机械工业出版社,2004:
257—260.
3殷经星,翻比非应用有限元瞬态温度场分析软件辅助设计大直径 铝锭感应加热方案【J】.全国工业炉髓电热学术会议.2000:297—302.
图中正方形网格的边长为10mm,可以看到图2 中温度分布的不均匀性较为严重,引起较大的热应 力。(暂不考虑制件与型芯问的界面层)靠近制件的 型芯表层的温度几乎接近制件温度,由于热辐射的 作用,距离制件越远温度越低。由热流图(左图虚线 所示部分)可见在制件拐角部分的热流最大,该部分 有可能是产生最大热应力的部分。模具表层长时间 受到金属液在充型和凝固时的强烈冲刷和不断循环 的热应力作用将严重影响模具使用寿命。 2.2预热对模具温度的影响
热(2000C),可提高其韧性,降低模具表面层的温度 梯度和热应力,防止早期开裂。图3所示为预热后模 具的温度与热流分布图。
型芯表面一直在绿色范围即400。C左右,整个模 具的温度差有200。(2左右,较未预热时减小了200。C。
图4型芯中心温度梯度图
热流最大值也有所降低,由原来的1445W/m2降低 到1121W/m2,这表明炽热金属对模具的热冲击较未 预热时小。研究表明,将模具预热至200qC,并在模腔 上喷涂经加热的石墨水剂,使模温一直保持在200— 400℃时,模具寿命可提高一倍以上。
Keywords:FEM softwareADINA;temperaturefield;stressfield;diecasting dies
压铸型的费用很高,中等大小的铸件所用的压 铸型费用在2~15万人民币,大型铸件和形状复杂的
零 件所需的压铸型费用则更高。因此,如何提高压铸
型的寿命是关键11I。压铸型的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,采 用有限元数值模拟的方法分析保压过程的传热现 象,对模具的温度梯度、温度场分布、应力分布有了 新的认识方法,得到铸件和模具在工作中的温度场 的分布,温度梯度及最大主应力,为优化模具结构和 压铸工艺提供依据。
3应力场分析 根据材料力学第一强度理论可
知:当铸造最大主应力大于金属的强度 极限时便会出现裂纹。由于选择的制件 厚度一致,只考虑由于热冲击与机械阻 力(合金的固态膨胀、收缩受到铸型和 芯型的机械阻碍)形成的应力。铸造内 应力是铸件产生变形和裂纹的基本原 因,其在铸件冷却过程中与热应力共同 作用,促进了了铸件的裂纹倾向。
ADINA分析压铸型温度场及应力场
ADINA Analysis of the Temperature and the Stress Field of Die Casting Dies
曾珊琪张翠珠(陕西科技大学机电工程学院,西安市710021)
摘要:采用有限元软件ADINA对压铸型在初期压铸过程中模具型芯温度场及应力场的分布情况进行数 值模拟,得到压铸型温度场与热流分布图和最大应力分布图:并利用ADINA软件分析了冷却水管的作用以及 预热对模具温度梯度的影响。
1模具材料及压铸工艺 目前用压铸法生产的铝合金铸件最多,约占
90%,因此本文选择铝合金为压铸件材Βιβλιοθήκη Baidu。选用的压 铸件平均壁厚为10ram,形状如图1所示的壳体。其 工作温度为6000C左右,铝合金液压人型腔的速度为 45~180m/s,因此在模拟过程中忽略充填时间,认为 合金瞬间充满型腔。
型芯的材料为3Cr2W8V;本研究中涉及的参数 包括[21:密度为7740kg/m3;正弹性模量E=214000N/ mm2;泊松比A=0.466;热导率、线膨胀系数随温度变 化,如表l、表2所示。
CFMT 万中方国铸数造据装备与技术3/2008
35
. 图6为最大主应力分布图,预热 后应力差相对于未预热时明显减小, 从图中可以推测早期裂纹出现的位 置。
型芯可以自发地通过变形来减缓 其内应力,以便趋于稳定状态。显然, 只有原来受拉伸部分产生压缩变形, 受压缩部分产生拉伸变形,才能使残 余应力减小或消除。所以,设计时尽可 能使铸件的壁厚均匀,形成对称;工艺 上采用同时凝固原则,以使冷却均匀 采用反变形法(长而易变形的铸件); 重要机件进行时效处理(自然时效、人 工时效),加热550~650。C,进行去应 力退火。
4杨裕国.压铸模的热流最与温度梯度.特种铸造及有色合金:压铸专 刊【J】,2002:130-133.
5韩雄伟,吴卫.铝合盒压铸模其温度场数值分析[J】常熟理工学 院学报,2007(4):80—83.
崭书《锈造丝术两题习萦》(第2皈)俞语
由陈琦、彭兆弟主编的《铸造技术问题对策》(第2版),已由机械工业出版社于2008年4月出
图5冷却水管对模具温度及热流的影响
4结束语 通过ADINA软件对压铸型的保
压初始阶段的温度及应力分析的结果 可以看到:模具的预热及合理的冷却水管设计对于
降 低模具温度梯度、减少热应力、推迟裂纹的产生起
着重要的作用。本文为以后通过ADINA设置时间函 数后对模具热平衡问题的掌握提供了前期基础和研 究方法。
:,关键词:有限元软件ADINA,温度场,应力场,压铸型 中图分类号:TG249.2;文献标识码:A;文章编号:1006—9658(2008)03—3. Abstract:The core temperature field and stress field in the initial stages of the process of the high
合金及其熔制、造型材料及其制备、砂型铸造与特种铸造、铸造质量与检验分析、铸造安全卫生与
环境保护等诸多方面的问题对策。
(陈琦)
36
万方数据
CFMT中国铸造装备与技术3/2008
万方数据
CFMT中国铸造装备与技术312008
格划分、载荷加载,同时生成料.TMP文件,获得铸型 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。利用PLOT模块得到在环境温度为20℃,浇注 温度为600。C情况下,铸造1s后铸件与型芯的温度 场分布图与热流分布图如图2所示,此图与利用温 度作为载荷,在ADINA结构模块中得到的温度场分 布是完全相同的,且模拟结果与参考文献[4】中基本 相同。
pressure die casting have been numerically simulated with FEM software ADINA.with the temperature。 heat flux and the maximum stress distribution chart obtained.The influence of the preheating and the cooling water pipe on temperature gradient Of the die has also been analyzed with this ADINA.
温物体或区域传向低温物体或区域。考虑三种经典 热量传热方式:铸件与模具间主要以热传导的方式 传递热量;模具与周围环境主要以热辐射(合金表面 的热辐射系数一般为O.22~0.4t31)与热对流的方式传 递热量;冷却水管与模具间主要考虑热对流与热传 导。 2.1 ADINA分析结果
由于此次分析选择的铸件与型芯结构简单、均 为轴对称实体,所以将其简化为二维图形进行分析。 应用ADINA中Thermal分析模块建立模型、进行网
收稿日期:2008-01-07 文章编号:2008--006 作者简介:曾珊琪(1954一),女。教授,主要研究方向为材料成形理论
及模具制造
图l制件结构图
表l 3Cr2W8V的热导率
温度/oC
100
燕导率用.(m.K)一-
20.1
200 22.2
700 24.3
表2 Cr2W8V线膨胀系数
2温度场分析 有温度差存在的地方,就会有热量自发地从高
10~30mm 151,模拟选用距离模具表层 20cm直径为10era的水管。
图5为不考虑预热,水温为20℃ 条件下温度与热流分布图。与图1相 比。模具整体平均温度降低,梯度减 小,热流沿着冷却水管方向流动,带走 部分热量。为了减少水管对模具急冷 作用,一般应将水加热到30~400C。
图2朱预热情况下温度场与热流避分布图(左:温度场右:热流黾) 图3预热条件下温度场与热流鼍分布
从ADINA中可查看任意节点处的温度,例如模 具中心线部分的温度图如图4所示。温度梯度随着 距离制件距离的增加而不断减小。梯度越大,说明其 在以后使用过程中热疲劳程度越大,在设计型芯过 程中可针对主要疲劳区域进行有效的热处理措施。 2.3 ADINA分析冷却水管对温度的影响
在模具内增设冷却水管可以降低模具表层的温 度梯度,降低温度变化对模具的热冲击,及其产生的 热应力。一般大型模具的冷却水管直径为15~20mm, 小型模具一般为8-10mm,距型腔表面的距离一般为
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据统计,第2版已对原书的铸造技术问题对策进行了214条修改,20条整合、分解或删除, 230条新增,总计修订条款约为全书的44%。
第2版仍保留了原有的编写视角和编写风格,并根据“以人为本”创建绿色铸造、和谐铸造的
基本思路,新增加一篇“铸造安全卫生与环境保护方面”的内容。
修订后的第2版《铸造技术问题对策》一书,按铸件设计和铸造技术分为7篇,筒述了铸造领 域中44个方面的1048条铸造技术问题对策,既涉及到铸件设计方面的问题对策,也涉及到铸造
参考文献
图6最大主应力分布图(左:未预热右:预热)
1李仁杰.压力铸造技术[M1.JE京:国防工业出版社,1996(7). 2林慧国,等.模具材料应用手册fMl一E京:机械工业出版社,2004:
257—260.
3殷经星,翻比非应用有限元瞬态温度场分析软件辅助设计大直径 铝锭感应加热方案【J】.全国工业炉髓电热学术会议.2000:297—302.
图中正方形网格的边长为10mm,可以看到图2 中温度分布的不均匀性较为严重,引起较大的热应 力。(暂不考虑制件与型芯问的界面层)靠近制件的 型芯表层的温度几乎接近制件温度,由于热辐射的 作用,距离制件越远温度越低。由热流图(左图虚线 所示部分)可见在制件拐角部分的热流最大,该部分 有可能是产生最大热应力的部分。模具表层长时间 受到金属液在充型和凝固时的强烈冲刷和不断循环 的热应力作用将严重影响模具使用寿命。 2.2预热对模具温度的影响