利用熱應(yīng)力場模擬分析對壓鑄模具局部區(qū)域壽命進(jìn)行估算
孫永明，陳振宇，陳國恩，李四娣，汪學(xué)陽
（廣東鴻圖科技股份有限公司，廣東高要 526108）
摘要：壓鑄模具表面在壓鑄生產(chǎn)過程中周期性的重復(fù)受到拉應(yīng)力、壓應(yīng)力影響從而導(dǎo)致出現(xiàn)熱疲勞。本文利用MAGMASOFT軟件對某大型動力總成部件模具熱應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過熱疲勞壽命計算可以估算出模具距離進(jìn)澆口不同距離的部位實際使用壽命，并針對使用壽命較低區(qū)域提出設(shè)計優(yōu)化措施，從而提高整套模具使用壽命。
關(guān)鍵詞：熱應(yīng)力分析；模具壽命；鑲件；
中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
The simulation analysis of thermalstress field which is used to estimate the local life of die - casting dies
Yongmingsun,Zhenyu chen,Guoen chen,Sidi li,Xueyangwang
(GuangdongHongtu Technology(Holdings) Co.,Ltd., Guangdong 526108)
Keywords:thermal stress analysis; Die life; mold Insert;
Abstract:The surface of die - casting mould is affected by tensile stress andcompressive stress periodically in the process of die-casting which will leadto thermal fatigue. In thispaper, MAGMASOFT software is used to conduct numerical simulation analysis ofthe thermal stress field of a large powertrain component mold. The actualservice life of the parts with different distance from the mold to the gate canbe estimated by calculating the thermal fatigue life. Finally, designoptimization measures for areas with low servicelife are put forward to improve the service lifeof the whole mold.
4 模具使用壽命估算
4.1金屬熱疲勞壽命計算的方法
模具在壓鑄循環(huán)生產(chǎn)周期內(nèi)，模具表面反復(fù)的進(jìn)行急熱、急冷熱循環(huán)，由于模具表面溫度與模具內(nèi)部溫度變化幅度的差異，導(dǎo)致模具表面反復(fù)的交替出現(xiàn)壓縮熱應(yīng)力及拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生循環(huán)的交變熱應(yīng)力和應(yīng)變。當(dāng)模具表面產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力超過了屈服強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生熱疲勞微裂痕，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，微裂痕會在模具表面或向內(nèi)部出現(xiàn)由慢到快的擴(kuò)展過程，從導(dǎo)致模具表面出現(xiàn)龜裂或開裂。當(dāng)模具表面出現(xiàn)嚴(yán)重的龜裂紋會直接影響鑄件成形面質(zhì)量及尺寸精度，生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)燒傷、粘料現(xiàn)象，影響生產(chǎn)效率及增加維護(hù)成本，更嚴(yán)重的直接導(dǎo)致模具鑲塊開裂至使模具使用功能喪失[4]。
根據(jù)金屬疲勞學(xué)可知，金屬部件出現(xiàn)熱疲勞微裂痕的前提條件是產(chǎn)生了塑性變形，金屬部件應(yīng)變交集處所產(chǎn)生的最大局部應(yīng)變及應(yīng)力決定了部件的疲勞壽命。本文所研究的壓鑄模具疲勞壽命，可以認(rèn)為最大局部應(yīng)變和應(yīng)力相同區(qū)域其疲勞壽命也相同。通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料可知H13鋼的斷裂韌性在100~160MPam，因此可通過低周疲勞的應(yīng)變-壽命（）曲線對模具熱疲勞壽命進(jìn)行估算[5]。以Coffin-Mansio方程作為應(yīng)變-壽命曲線表達(dá)式為：
（6）
式中：為塑性應(yīng)變幅；為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；
N為循環(huán)疲勞壽命；為疲勞延性系數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)；
四點關(guān)聯(lián)法、通用斜率法和10%規(guī)律法被廣泛運(yùn)用于利用拉伸性能數(shù)據(jù)估算材料的疲勞性能常數(shù)。本文研究采用四點關(guān)聯(lián)估算法對H13壓鑄模具鋼材料進(jìn)行使用壽命估算，相關(guān)變量計算表達(dá)式為：
（7）
（8）
（9）
（10）
式中：為拉伸真實斷裂應(yīng)力，為抗拉強(qiáng)度，為斷裂延性應(yīng)變，E為彈性模量。
4.2鋁合金變速箱殼體壓鑄模具使用壽命估算
如4.1所述，通過對Coffin-Mansio方程求解來對鋁合金變速箱殼體壓鑄模具的使用壽命進(jìn)行估算。從相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)資料可查出方程式計算過程所需的數(shù)據(jù)，H13鋼彈性模量為200000MPa，抗拉強(qiáng)度為1580MPa，真實拉伸斷裂應(yīng)力為1620MPa，斷裂延性應(yīng)變?yōu)?.25mm[6]，將所查詢到的數(shù)據(jù)分別代入表達(dá)式（7）至表達(dá)式（10），可以得到H13鋼的疲勞強(qiáng)度系數(shù)、疲勞強(qiáng)度指數(shù)b、疲勞延性系數(shù)及疲勞延性指數(shù)c，最后將計算得出的相關(guān)性能參數(shù)代入表達(dá)式（6）即可描繪出H13模具鋼的應(yīng)變-壽命曲線圖，具體如下圖3所示：
圖3 H13模具鋼材料應(yīng)變-壽命關(guān)系曲線圖
根據(jù)應(yīng)力場模擬分析結(jié)果可知，A-B區(qū)域、C-D區(qū)域及E-F區(qū)域所發(fā)生的最大應(yīng)變值分別為0.034mm、0.025mm及0.022mm，將應(yīng)變數(shù)值代入表達(dá)式（4-5）可以估算出，模具對應(yīng)部位使用壽命分別約為45,000模次、90,000模次及100,000模次。
4.5 模具壽命延長的改善措施
熱疲勞失效是目前模具失效的主要失效模式。模具的熱疲勞失效往往是由模具局部出現(xiàn)了一個或多個熱疲勞源，當(dāng)重復(fù)循環(huán)熱沖擊所產(chǎn)生的的應(yīng)力超過了模具表面的屈服強(qiáng)度后，模具表面發(fā)生塑性變形從而形成微裂痕，并在后續(xù)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)由慢至快的裂痕擴(kuò)散，從而導(dǎo)致模具報廢。因此針對模具疲勞失效總是在某一區(qū)域先產(chǎn)生的特點，可以對失效的源頭部位進(jìn)行預(yù)測，并針對局部區(qū)域的模具進(jìn)行對應(yīng)改善措施以延長模具整體使用壽命。
本文所研究的模具整體采用H13模具鋼材料，根據(jù)4.3及4.4章節(jié)對模具應(yīng)力分析及壽命估算結(jié)果，對模具靠近進(jìn)澆口區(qū)域采取的措施有：
（1）模具局部進(jìn)行切割鑲件處理。
局部切割鑲件的好處：局部鑲件切割可以使模具局部冷卻系統(tǒng)加工過程更簡單，冷卻點距離模具成形面可以設(shè)計到5mm以下，對模具局部高溫區(qū)域冷卻效果更好；鑲件結(jié)構(gòu)相對簡單，有利于熱處理過程獲得更好的物理性能及降低表面強(qiáng)化處理的工藝處理難度；局部鑲件可以使用物理性能更好的材料制作，而不會對模具整體制作成本產(chǎn)生太大影響；鑲件提前老化失效方便重新制作并替換，延長模具整體使用壽命[6]。本文所研究的變速箱殼體模具局部鑲件設(shè)計具體如圖4-4所示：
圖4-4 變速箱殼體模具鑲件設(shè)計
（2）局部采用獨立高壓點冷設(shè)計。點冷設(shè)計如圖4-5所示：
圖 4-5 鑲件冷卻管道設(shè)計
（3）鑲件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。主要方案為對鑲件進(jìn)行拋丸及離子氮化處理，模具表面通過拋丸處理，可以在其表面形成層致密的壓應(yīng)力層，從而提高抗疲勞強(qiáng)度，另外拋丸還可以將模具在加工過程中形成的加工紋路去除，減少應(yīng)力集中點。
（4）選用彈性模量E更大，韌性、熱疲勞抗力及抗氧化性更好的8418模具鋼材進(jìn)行鑲件制作；
4.6 模具壽命統(tǒng)計及驗證
通過生產(chǎn)管理ERP系統(tǒng)對模具實際生產(chǎn)使用壽命統(tǒng)計，本文所研究的變速箱殼體模具實際生產(chǎn)為92,762模次，模具停用報廢處理。鑲件在實際生產(chǎn)過程中生產(chǎn)了53,164模次后進(jìn)行了新鑲件的更換，鑲件失效模式為表面龜裂嚴(yán)重，鑄點嚴(yán)重影響到產(chǎn)品外觀質(zhì)量，并由于表面出現(xiàn)冷卻水滲漏，導(dǎo)致鑲件失去使用功能，具體如圖圖4-6及圖4-7所示。圖4-6為殼體鑲件成型毛坯面龜裂狀態(tài)，可以看出鑲件成型毛坯面的鑄點明顯比金屬液充填中末端毛坯面的鑄點要多，龜裂的更嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響產(chǎn)品毛坯外觀質(zhì)量及產(chǎn)品使用性能。圖4-7為鑲件表面實際龜裂失效狀態(tài)。考慮到模具在生產(chǎn)實際過程中實際使用壽命受到諸多不確定因素的影響，可以認(rèn)為模擬結(jié)果與實際結(jié)果基本吻合，且改善措施有效。
圖 4-6 鑲件成型毛坯面龜裂狀態(tài)
圖 4-7 鑲件表面龜裂狀態(tài)
總結(jié)
本文在模具溫度場數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，對模具表面的應(yīng)力場進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果表明，模具表面的應(yīng)力、應(yīng)變的產(chǎn)生，主要是由于模具表面的溫度的劇烈變化，模具表面在合模金屬液充填凝固過程中，受到吸熱過程與內(nèi)部溫差所形成的壓縮應(yīng)力及壓鑄機(jī)所提供的鎖模壓應(yīng)力。在開模后，由于沒有了鎖模約束，模具只受到模具表面熱量散失所帶來的拉應(yīng)力，應(yīng)力及應(yīng)變最大值出現(xiàn)在模具表面溫度變化幅度最大的時候。模具表面在壓鑄生產(chǎn)過程中周期性的受到拉、壓應(yīng)力影響，從而導(dǎo)致出現(xiàn)熱疲勞。通過熱疲勞壽命計算，模具充填前段與中后段的使用壽命，最后通過實際生產(chǎn)驗證及模具壽命統(tǒng)計，驗證了模擬數(shù)據(jù)的真實性和有效性。
參考文獻(xiàn)
[1] 廖敦明. 基于有限差分法的鑄件凝固過程熱應(yīng)力場數(shù)值模擬的研究[D].華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文,2002
[2] 虞康. 大型復(fù)雜動力總成部件的壓鑄模具的溫度場與應(yīng)力場研究[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012
[3] 陳立亮，劉瑞祥，廖敦明，周建新. 壓力/低壓/金屬型鑄造多周期、多階段數(shù)值模擬技術(shù)的研究與應(yīng)用[M] 鑄造技術(shù) 2006,(06)550~553
[4] 楊裕國等, 壓鑄工藝與模具設(shè)計[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社, 1996
[5] 曾正明. 實用工程材料手冊[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2001
[6] 翰雄偉,楊金鳳,武友德. 鋁合金壓鑄模具壽命預(yù)測研究[J]. 鑄造技術(shù),2013,(34)10:1315~1317
