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高压铸造模具的冷却系统设计与快速验证

时间：2022-06-05点击次数：209

压铸模具的冷却系统设计与快速验证

冷却系统的设计也是铝、镁合金压铸模具和重力金属铸造模具的关键。冷却系统，有时也被称为冷却管或冷却电路，由一系列高导热材料组成，其主要目的是通过直接导热，从熔融金属中带走热量，实现模具温度的控制，通过定向冷却，使铸件尽快冷却。

一个优秀的冷却系统需要充分考虑铸件各部分的质量和厚度分布。在壁厚较大的区域，即热量积累较多的局部部分，有针对性地提高传热能力，从而实现整体平衡。此外，铸件的冷却过程应尽可能有序地固化，即从*远端到流道入口，*后固化到流道和蛋糕；否则，铸件内部会形成热节，导致宏观收缩孔缺陷。

高压铸造由于生产效率高性好，高压铸造已成为一种重要的铸造生产工艺。铸造过程包括三个重要阶段：充电阶段、凝固阶段和冷却阶段。在这个过程中，不仅充电阶段非常关键，而且凝固和冷却阶段也非常重要，因为它直接影响了铸件的生产效率和质量。优秀的冷却系统可以大大降低冷却时间，提高铸造生产率，*大限度地减少温度不均匀、缩孔、残余应力不均匀、翘曲变形等缺陷。此外，它对模具寿命、产品脱模等具有重要意义。

传统上，模具冷却系统的设计仍然主要依靠设计师的经验和有限的知识积累。然而，随着铸件的冷却要求越来越复杂和高效，冷却系统的设计并不能保证*佳设计和*合适的参数。在本文中，我们使用它Cast-Designer该软件介绍了冷却系统的新设计方法和策略。

冷却系统概述及冷却管道布局

正如上述，一个优秀的冷却系统可以大大降低冷却时间和生产率。均匀冷却可以提高铸件的质量，减少残余应力和变形，保证产品的尺寸精度和加工稳定性。

铸造冷却系统通常包括以下组件：

- 温度控制单元 Temperature controlling unit

- 泵 Pump

- 软管 Hoses

- 提供和回收设备 Supply and collection nifolds

- 模具中的冷却管道 Cooling channels in the mold

通过循环冷却媒带走熔融金属的热量，可以将模具本身视为热交换器。

图1:典型的冷却系统组件

冷却管道常用的钻孔布置方法有并联式和串联式。

并联冷却管

从制冷剂供应歧管到制冷剂收集歧管之间有多个流程。根据不同冷却孔的流动阻力，制冷剂的流动速率也不同，导致不同冷却孔的热传输效率不同，并联冷却孔之间的冷却效果可能不均匀。

串联冷却管

从制冷剂供应歧管到制冷剂收集歧管，这是*常用的冷却通道布置方法。如果冷却通道管径均匀，则通过整个冷却系统的制冷剂设计为所需的湍流，以获得*有效的热传输。对于大型模具，可能需要多组串联冷却管，以获得模具的均匀冷却。

冷却管道设计

冷却系统设计必须考虑几个基本原则：

管道布置均匀分布在金属填充区域，考虑对模具热平衡的影响；当铸件壁厚均匀时，冷却管与型腔之间的距离尽可能相等；当壁厚不均匀时，冷却水可合理设计靠近型腔加强冷却；合理选择冷却管接头位置，设置在模具背面，冷却管内的冷却介质流量必须达到湍流状态，因为湍流可以提高散热率。对于水基冷却液，湍流和雷诺数（REYNOLDS NUMBER R)这个数字必须超过3500，才能产生湍流状态，以下是雷诺数的公式：

其中：ν--流速(m/s)

d --管道直径(m)

ρ--液体密度(kg/m3)

μm -- 液体粘度系数

Cast-Designer冷却系统的设计完全基于CAD任何复杂的冷却管道系统都可以灵活方便地建立在环境中。

图2：Cast-Designer 冷却管设计界面

冷却管的数据结构如下：

冷却系统列表：管理已建立的冷却管道，支持分组功能。例如，将模具侧和模具侧的冷却管分别*为两个不同的组。该程序自动显示冷却管道的总长度和表面积。该分类管理功能也可用于设计不同的冷却水道方案。

详细数据表：该表列出了位置坐标、长度、直径和方向等各组分段的详细参数。每个段落都是独立的CAD除非用户执行布尔运算，否则几何体可以自动合并。

各段设计参数：该区域显示冷却管各段设计参数。

图3:冷却管预览(左:二维预览，右:三维预览)

此外，该系统还提供了另一种建立冷却管道的方法，用户可以通过描述的特征线和横截面直径参数直接建立三维冷却管道。

图4直接通过特征线建立冷却管

冷却管道计算器和在线分析

采用冷却管计算器，设计师可以根据实际情况计算冷却管所需的总长度和总面积，以实现热平衡。该计算器充分考虑了铸件重量、铸造合金、比热、铸造温度、模具温度、生产效率、冷却管直径、介质流量和热效率等多个因素。通过该计算器，可以获得良好的热平衡条件。

图5：冷却管道计算器

在线冷却系统分析

如何评估冷却水道的设计优缺点是非常重要的。数值模拟是现有成熟的冷却系统评估方法。现在，随着CAE技术发展，硬件设备改进，CAE分析软件已经成为铸造模具开发过程中不可或缺的工具。在模具生产制造前，*大限度地保证产品缺陷*少、生产效率*高、质量*好。为了实现这些目标，需要反复修改设计方案，然后进行验证和分析。

然而，使用数值模拟进行冷却水道评估也将面临巨大的挑战。

首先，数值模拟要求用户拥有完整的三维建模数据，包括铸件、冷却管道、模具和铸造系统。然而，在概念设计的早期阶段，往往有多个设计方案，需要分析和验证，建模是一项非常困难的任务。一旦计划被放弃，这项工作几乎都是浪费。

其次，分析时间太长。分析模具需要很长时间，尤其是在考虑稳态模温时。

第三，分析结果是综合结果，不可能知道与冷却水道的相关性，特别是某一水道。因此，即时详细分析仍不能有针对性。

为此，Cast-Designer介绍了在线冷却系统的分析方法。这种方法是革命性的，可以帮助设计师在设计的早期阶段快速检查冷却管道设计的合理性。在三到五分钟内获得在线结果。用户可以立即的结果，用户可以立即改变方案，改变结果也可以等待。这种效率的提高是显而易见的。

从技术上讲，这种在线分析是非常独特和传统的CAE分析是相似的。该方法综合考虑了铸件的几何特性、冷却管的数量和位置以及热传递的影响。*终结果表明，铸件与冷却管之间的冷却效率有助于设计师调整冷却管的设计。

通过实际的工业案例，体验在线冷却系统分析的工作流程和使用价值。

图5：用户界面分析在线冷却系统

第一步：EMDI (铸件质量分布)分析

EMDI 的概念来源Geo-Designer里面的MDI，MDI的意思是Mass Distribution Index(质量分布指数)，我们可以简单地理解为铸件的三维厚度分布。EMDI整理铸件的三维厚度分布，直接在铸件表面显示云图模式， EMDI没有单位，只有等级，等级越大，厚度越大。EMDI在计算过程中，系统会在后台自动生成分析网格。用户可以定制网格密度，较小的网格尺寸可以得到更准确的结果，但需要更多CPU时间和资源。

待EMDI计算完成后，系统将使用另一个光滑的网格直接显示云图EMDI结果。所有网格生成都是自动的，不需要用户干预。

图6：Cast-Designer EMDI结果

EMDI 的结果数据非常容易理解，在冷却管的设计过程中具有重要意义。该值直观地描述了铸件的厚度分布。值越高，越厚，值越低，越薄。在冷却管的设计过程中，我们总是希望在铸件壁厚较大的区域有更高的冷却效率，带走更多的热量，以实现热平衡，减少热节的产生。

第二步：快速冷却效率分析

快速冷却分析主要用于评估铸件各部件的冷却效率。这种效率可以简单地理解为热影响距离的函数。冷却管直径越大，离铸件越近，冷却效率越高。该数据对多个冷却管的综合影响具有很高的参考价值。

图7:快速冷却效率分析

该指标直接反映了冷却管道的综合影响和冷却效率。区域值越高，冷却效率越好，热量越多。相反，区域值越低，冷却效率越差，热量越少。

第三步：冷却影响分析

在冷却管道的设计过程中，应考虑铸件壁厚越大，冷却效率越高，带走的热量越多，热节越少。现在，我们将EMDI结果是冷却影响分析，将数据与快速冷却效率分析数据相结合。计算公式如下：

冷却影响结果 = – K EMDI

其中，EMDI的影响系数K用户可以自定义。

该方法还考虑了铸件的几何形状和冷却管的冷却效率，*终结果对冷却系统的设计非常有用。