合金熔體對金屬模具的熱-力作用行為研究.pdf

1、模具壽命是非固態(tài)近凈成形技術(shù)推廣應(yīng)用的限制環(huán)節(jié)。合金熔體對模具的熱-力作用是造成模具失效的根本原因。本文針對非固態(tài)合金熔體對金屬模具的熱沖擊行為、熱穿透行為以及模具的熱，力耦合行為和失效行為進行了理論和模擬研究，并依據(jù)這些研究成果對非固態(tài)近凈成形工藝和模具關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計準則進行了改進和完善。 合金熔體的熱沖擊是造成模具塑性變形和早期開裂的主要原因，通過對熱沖擊現(xiàn)象的理論分析，提出了非固態(tài)近凈成形過程中合金熔體對模具熱沖擊損傷的兩

2、個無量綱表征參量-熱沖擊塑變指數(shù)和熱沖擊致裂指數(shù)。它們定量描述了熱沖擊行為對模具發(fā)生塑性變形和開裂行為的影響程度。熱沖擊塑變指數(shù)代表了熱沖擊應(yīng)力與材料屈服強度的接近程度，熱沖擊塑變指數(shù)值越大，致使模具發(fā)生塑變變形的趨勢越大；當熱沖擊塑變指數(shù)達到1時，熱沖擊應(yīng)力將達到材料的屈服強度，模具將發(fā)生塑性變形。熱沖擊致裂指數(shù)定量反映了熱沖擊應(yīng)力與材料抗拉強度的接近程度，當熱沖擊致裂指數(shù)達到1時，熱沖擊應(yīng)力將達到材料的抗拉強度，致使模具出現(xiàn)開裂。通

3、過傳熱理論分析和模擬計算，建立了熱沖擊塑變指數(shù)和熱沖擊致裂指數(shù)的計算模型，發(fā)現(xiàn)：熱沖擊塑變指數(shù)和熱沖擊致裂指數(shù)隨著界面熱阻的減小、澆注溫度的升高、熱沖擊前模具溫度的升高而增大，與界面熱阻、澆注溫度和熱沖擊前模具溫度分別可以擬合成指數(shù)曲線、直線和三次曲線關(guān)系，為有效控制合金熔體對模具的熱沖擊損傷指明了方向。 合金熔體對模具的另一個熱作用是熱穿透。每一模次的成形結(jié)束時制件凝固放出的熱量向模具或型芯內(nèi)部傳遞的距離定義為合金熔體對模具或

4、型芯的單次熱穿透深度。通過對非固態(tài)近凈成形模具溫度場的近似積分解和合金熔體凝固過程的分析，建立了模具和型芯單次熱穿透深度的理論估算模型。研究結(jié)果表明，模具的單次熱穿透深度隨界面熱阻的增大呈指數(shù)規(guī)律增大、隨澆注溫度和熱作用前模具平均溫度的升高呈三次方規(guī)律增大；在模具/制件界面熱阻、澆注溫度和熱作用前模具溫度相同的情況下，模具熱穿透深度隨熱作用時間的增大呈指數(shù)曲線規(guī)律增大。 通過對連續(xù)使用的、無冷卻系統(tǒng)模具熱穿透深度冷面溫度的分析，

5、得知無冷卻系統(tǒng)模具熱穿透深度冷面溫度隨成形周期的增加會逐漸升高，即模具平均使用溫度會逐漸升高。當模具平均使用溫度高到一定值時，模具將失去整體剛性，這時模具將達到其最大使用次數(shù)。據(jù)此，提出了模具冷卻系統(tǒng)位置和冷卻介質(zhì)參數(shù)設(shè)計的原則：模具冷卻系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在熱穿透深度以內(nèi)；冷卻系統(tǒng)帶走的熱量等于該過程合金熔體放出的熱量；冷卻系統(tǒng)的冷卻能力要大于冷卻系統(tǒng)位置原模具的導(dǎo)熱能力。 建立了考慮模具和制件之間熱-力作用的非固態(tài)近凈成形脫模力和抽芯