原標題：基于有限元的壓鑄模壽命預測和工藝優化

摘 要：使用有限元數值模擬，研究了壓鑄工藝參數對壓鑄模熱疲勞性能的影響。首先通過ProCAST軟件計算了壓鑄循環熱平衡狀態下的溫度場，然后將溫度場熱載荷作為ABAQUS軟件的初始條件進行加載，并通過ABAQUS軟件得到壓鑄循環過程中的熱應力變化和熱疲勞壽命結果。結果表明，由計算得到的模具熱疲勞最短壽命區域與壓鑄模進行疲勞失效試驗獲得的熱疲勞裂紋產生區域相吻合，驗證了模擬結果的準確性。此外，設計了以熱疲勞壽命為試驗目標壓鑄工藝參數的正交模擬試驗，優化并得出了最合理的壓鑄工藝參數。

前 言：鋁合金壓鑄件在汽車、飛機以及小家電等領域應用廣泛，壓鑄是在高速、高壓和高溫條件下成形，導致鋁合金壓鑄模具在壓鑄過程中承受高的冷熱交變應力作用。當壓鑄模開模后模具表面與空氣接觸，受到空氣及脫模劑的冷卻作用，模具表面溫度迅速下降，模具內部溫度下降緩慢，模具表面膨脹小于模具內部，因此在模具表面產生拉應力。合模之后壓鑄模型腔再次受到金屬液的沖擊，隨著壓鑄循環的不斷進行，模具表面反復受到熱沖擊，會造成模具表面反復的熱膨脹和收縮，出現熱裂紋和龜裂，直至失效，統計表明，鋁合金壓鑄模的主要失效形式中熱疲勞失效占60%～70%。

本課題使用CREO軟件建立鋁合金壓鑄件和壓鑄模的三維模型，利用ProCAST軟件和ABAQUS軟件，分析了壓鑄循環熱平衡狀態下的溫度場以及熱應力分布和疲勞壽命預測，基于應力疲勞壽命模型，采用正交試驗，研究不同壓鑄工藝參數對壓鑄模疲勞壽命的影響，通過模擬得到的計算結果，優化并得到合理的壓鑄工藝參數。

1、模擬模型的選用及參數的設置

1.1 模擬模型的建立

選用某工廠生產的鋁合金泵體的三維模型為模擬對象，用CREO軟件進行造型，鑄件壁厚為7.5~8.6 mm，見圖1，材質為ADC12鋁合金，模具型芯采用H13鋼，在實際工況中模具型芯裂紋一般發生在模具表面澆口附近。故本模擬試驗只對整個模具型芯進行分析。選擇的具有代表性的分析點為內澆口3條流道附近對應的A、B、C點，見圖2。

圖1 鑄件三維模型

圖2 選取的分析點

1.2 ProCAST模擬參數的設置

根據工廠的實際工況，將壓鑄溫度設為670 ℃，模具預熱溫度為220 ℃，空氣環境設為20 ℃，冷卻水管直徑為10 mm，冷卻水流速為10 mm/s，一個壓鑄循環的生產周期為42 s。第20 s開模，第25 s取件，第30 s開始噴涂膜劑，第36 s結束噴涂，第40 s合模。壓鑄具體流程見圖3。

圖3 壓鑄循環流程

2、壓鑄模熱平衡溫度場計算

2.1 ProCAST邊界條件的設置

在壓鑄過程中，要設置多種邊界條件，如模具與模具，模具與外界空氣環境，模具與脫模劑，鑄件與模具，在模擬時都需要考慮它們之間的界面傳熱系數。基于有關研究[7]，將模具與鑄件間的傳熱系數設置為1 500 W/（㎡·K），模具與模具間的傳熱系數設為1 000 W/（㎡·K），模具與外界空氣環境間的傳熱系數設為10 W/（㎡·K）。脫模劑一般采用水的傳熱系數，200～1000 W/（㎡·K）。影響水的傳熱系數的主要原因就是水的流速，根據工廠的實際生產中脫模劑的噴涂速度以及有關研究[8]，最終將脫模劑與模具間的傳熱系數設為300 W/（㎡·K）。在ProCAST的工藝條件管理器和模擬參數這兩個模塊中進行脫模劑傳熱系數、脫模劑所需要噴涂的表面以及脫模劑在壓鑄循環中噴涂開始和結束的時間設置。

2.2 冷卻水與模具間的傳熱系數

通過調節冷卻水流道內水的流速來改變水的流量，由此來實現冷卻水對模具溫度場的控制，在ProCAST軟件中，不同水流速的冷卻效果可以通過設置不同的傳熱系數來實現。冷卻水和模具間的傳熱屬于無相變強迫對流傳熱，在冷卻水道中流體最常見的流動形式是旺盛紊流。冷卻水與模具之間的傳熱系數可以由以下公式計算得到。

式中，h為冷卻水與模具間的傳熱系數；Nμ為努爾指數；Re為雷諾數；λ為水的傳熱系數；Pr為普朗常數；ρ為水的密度；v為水的流速；D為冷卻水管直徑；μ為動力粘度；a為導熱系數。

冷卻水道的直徑為10 mm，冷卻水流速為1 m/s，通過計算得到的冷卻水與模具的傳熱系數為5 000 W/(㎡·K)。

2.3 連續壓鑄達平衡態下溫度場模擬分析

圖4為試驗的特征點溫度-時間圖。可以看出，隨著壓鑄循環進行，溫度增幅越來越小，大約15次壓鑄循環之后，壓鑄模進入了熱平衡狀態。從熱平衡狀態下可看到，A點的溫度上升較快，B點的溫度上升較慢，C點的溫度上升最慢。圖5為試驗的第15次循環特征點溫度-時間圖，在第15次循環周期中25 s開始時，A、B、C 3點的溫度下降速度變快，是因為模具開模，模具型芯與空氣接觸，溫度下降；在30 s時，溫度下降速度最快，這是因為在30 s時開始噴涂脫模劑，由于脫模劑的作用，模具型芯溫度開始迅速下降。分析得到的特征點溫度-時間云圖與實際工況中的特征點位置的溫度循環變化基本一致，驗證了有限元模型模擬的可靠性。

將熱平衡狀態下的第15次壓鑄循環的溫度場的數值模擬結果導出，用模擬的結果為熱循環載荷，導入到ABAQUS中進行下一步的熱應力模擬。

圖4 特征點時間溫度曲線

圖5 第15次循環特征點時間溫度曲線

2.4 ProCAST溫度場模擬結果的導出

在ProCAST的后處理界面中選定要導出的溫度場結果及相應的時間步數區間，如第15次循環的溫度場結果，在Selection工具欄target list黑色箭頭選中Node，然后在Selection工具欄最右端有一個向下箭頭，用來確定選取模具型芯表面節點的方式，然后將整個模具型芯的節點進行框選，右鍵屬性即可將所選的每個節點的溫度以及節點對應的三維坐標結果進行提取顯示，具體提取結果見圖6。

圖6 溫度場結果的提取

3、熱應力數值模擬以及疲勞壽命計算

3.1 ABAQUS材料屬性的設置

把ProCAST中劃分好的網格模具型芯模型直接進行保存，在ABAQUS中直接將保存好的模具型芯網格文件打開， ProCAST中導出的模型文件不包括模具型芯的材料屬性，所以要在ABAQUS中重新定義模具型芯材料的屬性，H13鋼密度設為7 876 kg/m³，楊氏模量設為210 GPa，泊松比設為0.3。

3.2 溫度載荷的加載和邊界條件的設置

模具型芯在實際服役過程中，最開始前幾次循環的非熱平衡狀態下產生的熱應力在整個模具型芯服役過程中占比非常小，且對整個服役過程沒有太大的影響，所以忽略。模具型芯絕大部分工作時間狀態為熱平衡狀態，因此模擬模具型芯熱應力場的載荷選用熱平衡狀態下的溫度載荷。將ProCAST計算得到的熱平衡狀態下的溫度場結果和對應節點的三維坐標導入到ABAQUS的模型中作為溫度載荷進行加載。在實際工況下，此模具型芯的約束情況是兩端固定，所以在ABAQUS中也進行兩端固定的約束設置,見圖7。

圖7 模具型芯約束狀態

3.3 熱應力的分析結果

整個模具型芯表層在熱平衡狀態下的一個循環周期內的表層熱應力變化情況見圖8。在模具開模前，模具型芯表層膨脹，受到壓應力；開模后，模具型芯表層收縮，受拉應力。在循環周期內A、B、C 3點的最大等效熱應力值逐漸減小，由A點的943 MPa降至C點的756 MPa。將熱平衡狀態下的循環周期的熱應力結果文件進行導出，導入到ABAQUS的FE-safe模塊中進行疲勞結果的仿真與計算。

圖8 各節點等效應力與時間周期關系

3.4 FE-safe的疲勞仿真與計算

疲勞分析運用應力法，以材料的S-N曲線為基礎，使用疲勞累積損傷理論與名義應力，分析了疲勞危險部位的疲勞強度，并預測材料結構的疲勞壽命。材料S-N曲線的獲得，通常情況下有兩種方法：一種是以材料的屈服強度、抗拉強度和楊氏模量為基礎，然后通過算法計算獲得；另外一種是直接通過疲勞試驗進行測得。以上兩種方法全都需要對獲取的S-N曲線進行平均應力修正來達到計算的要求。對S-N曲線修正時，需要考慮各種因素的影響，各因素間的關系為。

式中，Kf為疲勞缺口系數；?為尺寸系數；CL為加載系數；β為表面系數；Sa為結構件的S-N曲線應力；σa是材料的S-N應力曲線。

本次模擬運用FE-safe軟件中自帶的Seegers Method算法進行S-N曲線的估算，并進行修正，見圖9。

通過FE-safe軟件進行疲勞分析計算后，得到模具型芯的最短壽命為20 847循環次實際模具型芯的壽命在20 000次左右，模型沒有考慮金屬液的沖刷和侵蝕，導致預測壽命偏大。

圖9 修正得到的材料S-N曲線

將FE-safe計算得到的疲勞分析結果文件進行保存，在ABAQUS中看模具型芯疲勞壽命的分布云圖，見圖10，可以看到，疲勞壽命較低的區域在A點區域。通過對H13模具型芯進行疲勞失效試驗獲得的疲勞裂紋產生區域和FE-safe計算得到的疲勞最短壽命區域位置基本一致，見圖11，驗證了有限元模型模擬的可靠性。

圖10 模具型芯疲勞壽命分布云圖

圖11 疲勞失效裂紋產生區域

4、正交試驗設計及結果分析

4.1 正交試驗設計

壓鑄過程中，影響模具型芯表面溫度和熱應力的因素很多，主要為鑄件澆注溫度，模具預熱溫度以及脫模劑的傳熱系數，因此建立了3因素3水平的正交試驗，見表1。

表1 因素水平表

試驗選擇正交表L18（37），見表2。

表2 正交試驗表

4.2 熱應力疲勞結果分析

通過ProCAST軟件對模具型芯進行溫度場的數值模擬，將熱平衡狀態下的模具型芯溫度場的模擬結果導入到ABAQUS中進行熱應力場的模擬，最后將熱應力的結果文件導入到FE-safe中進行疲勞分析和計算，在FE-safe中采用應力法對模具型芯進行疲勞壽命的分析和計算。最終每次試驗分析計算得到的模具型芯疲勞壽命結果,見表3。

表3 正交試驗結果

4.3 模具型芯疲勞壽命正交試驗參數優化

根據正交試驗的結果，采用正交試驗中的極差分析法，對正交試驗獲得的疲勞結果進行分析，結果見表4。

表4 正交疲勞壽命試驗結果分析表

從表4的極差Qc的值可以得到，因素A的水平變動對模具型芯的壽命影響最大，q其次是因素B最差是因素C，因素A與因素C的交互作用排第4。

從表4可以得到，獲得模具型芯最大疲勞壽命的最佳參數組合為A3B3C1（模具預熱溫度為220 ℃、脫模劑傳熱系數為800 W/( ㎡·K)、澆注溫度為650 ℃）。

5、試驗驗證

選用模擬得出的泵殼壓鑄模具型芯最優壓鑄工藝參數對其進行熱疲勞試驗。在模具型芯分別進行了10 000、20 000、30 000次的壓鑄循環后，根據模擬結果對模具型芯容易產生熱疲勞裂紋的區域進行體顯微鏡的觀察，發現在30 000次壓鑄循環的時候，模具型芯開始出現熱疲勞裂紋，見圖12。可以得出在實際壓鑄過程中，得到的熱疲勞壽命結果與模擬得到的結果基本一致。

圖12 熱疲勞裂紋產生區域

6、結論
（1）根據工廠的實際壓鑄工藝參數，對泵殼壓鑄件進行了壓鑄的周期性循環模擬，模擬計算得到的模具型芯疲勞壽命和疲勞裂紋與工廠中生產驗證得到的基本一致。
（2）建立了泵殼壓鑄件壓鑄模具的正交試驗，得到的模具型芯最佳壓鑄工藝參數組合是：模具預熱溫度為220℃，澆注溫度為650℃，脫模劑傳熱系數為800W/( ㎡·K)。
（3）根據優化得到的泵體壓鑄模型芯的壓鑄工藝參數，進行了壓鑄生產的熱疲勞試驗，得到的熱疲勞壽命結果與模擬結果基本一致，驗證了模擬結果的準確性。

作者
劉明澤 桑寶光 陳國鑫 郝春磊
大連工業大學 機械工程與自動化學院
封少波
中國科學院金屬研究所 沈陽材料科學國家研究中心
本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志