摘 要 根据压铸合金凝固收缩过程对铸件质量的影响 ， 利用 Ｐｒｏ／ Ｅ 软件对铸件和模具造型 ， 并用有限元分析软件 ＡＮ－ ＳＹＳ 对压铸模的温度场进行了分析和控制 。 结果表明 ， 运用有限元数值模拟分析方法 ， 可对复杂压铸件的生产工艺进行优 化 ， 得到最佳的模具预热温度 ， 使模具的温度场分布趋于合理 ， 有效地提高铸件精度 ， 避免出现废品 ； 在对铸件形状和模具 结构进行三维造型时 ， 可以忽略一些不重要的细部结构 ； 六面体单元用于压铸过程分析比较方便 、 合理 ； 单元数量和时间步 长的选择 ， 要兼顾运算结果的精度和模拟过程的效率 。
随着计算机技术在制造业领域的广泛应用 ， 有限元 分析方法逐渐体现出明显的优势 。 在对复杂工况进行 数值模拟及其分析方面 ， 有限元法具有适应性强 、 计算 精度高 、 简单易学等优点 。 在压铸生产中 ， 压铸模的温 度场对压铸件的质量有极大的影响 ， 若能正确地运用 有限元法来分析压铸模的温度场 ， 掌握温度场的变化规 律 ， 从而控制合金液的凝固成形状态 ， 就能有效地提高 压铸件的质量 。 实践证明 ， 这种方法在生产条件下能够 获得显著的效果 。
１ 温 度场对压铸件质量的影响
１．１ 压铸件成形过程的流动和散热规律
在压铸件的成形过程中 ， 热量的传递是以热传导 、 热对流和热辐射 ３ 种方式同时进行的 。 其中合金液 与模具型壁直接接触 ， 热量传递的方式是热传导 ； 模具 温度升高之后 ， 与周围的空气产生对流传热 ； 高温模具 还产生热辐射 。 但大量研究表明 ， 热传导是压铸件成形 过程最主要的传热方式 。 因此 ， 对压铸件成形散热问 题的研究应以热传导为主 ， 兼顾热对流和热辐射 。
１．２ 压铸模温度场与压铸件的相互作用
压铸模温度场的分布 ， 会对压铸件的品质产生重要 的影响 。 随着压铸件壁厚差的扩大 。 压铸件薄壁部分 凝固时 ， 若此处模温过低 ， 合金液受到 “ 激冷 ” 作用而凝 固速度过快， 使压铸件力学性能下降 ； 反之 ， 当厚壁部 分凝固时 ， 若此处模温过高 ， 合金液散热困难 ， 也会因凝 固时间长 ， 使其收缩率增大 ， 造成压铸件的尺寸精度 下降 ， 还可能出现疏松 、 缩孔等缺陷 。 并导致铸件组织 晶粒粗大 ， 造成其力学性能下降 。 压铸件力学性能与压 铸模温度的关系见图 １ 。 因此 ， 对模具温度场的分析 与控制 ， 是提高压铸件各项质量指标的重要手段 。
式中 ，Ｔ 为温度 ，Ｋ ；λ为 热导率 ，Ｗ ／（ｍ ·Ｋ ）。
若在单位时间内 ， 液态合金的发热率为 Ｑ · ， 则在 ｄｔ 时间内 ， 微元体的发热量为 Ｑ · ·ｄ ｘｄｙｄｚ· ｄｔ。
因此 ， 在 ｄｔ 时间内微元体中的总热量变化为：
式中 ，ｃ ｐ 为模具材料的定压比热容 ，Ｊ ／ （ｋ ｇ· Ｋ） ； ρ 为密 度 ，ｋ ｇ／ ｍ ３ 。
将式 （１ ）、 式 （２ ）、 式 （３ ） 带入式 （４ ）， 并与式 （５ ） 比较 可得 ：
式中 ，ｑ ｘ 、ｑ ｙ 、ｑ ｚ 分 别 表 示 ｘ、 ｙ、 ｚ 方 向 的 热 流 强 度 ， Ｗ／ ｍ ２ ；ｎ ｘ 、ｎ ｙ 、ｎ ｚ 分别表 示 ｘ、 ｙ、 ｚ 方向的方 向余弦 ；ｈ 表示边界对流传热系数 ，Ｗ ／（ｍ ２ ·Ｋ ） ；? 表示物体的 温度 ，℃ ；? α 表 示 在 自 然 对 流 条 件 下 周 围 介 质 的 温 度 ，℃ 。
３ 有 限元分析方法的生产应用
３．１ 用于数值模拟分析的压铸件及其热物性参数
某厂生产的用于某型轿车的控制电路系统的连接 臂压铸件 ， 铸件外形尺寸为 ５０．３ｍｍ×７２．１ｍｍ×６１．６ ｍｍ，平均壁厚为 ４．３ｍｍ（铸件的三维模型见图 ２） 。 材 质为 ＹＺＡｌＳｉ１２ 铝合金 。
通过分析发现 ， 在液态合金射入模具型腔的瞬间 ， 即开始对模具本体传热 ， 并通过模具向大气散热 。 在液 态合金的凝固过程中 ， 若模具的预热温度过低 ， 合金液 受到激冷作用 ， 产生较大的线收缩率 ， 导致铸件尺寸精 度下降 ， 甚至造成废品 。 相反 ， 若模具的预热温度过高 ， 合金液需要较长的时间才能完成冷却凝固 ， 也会产生较 大的线收缩率 ， 导致铸件因尺寸精度下降而造成废品 。 因此 ， 经过反复模拟和分析 ， 最后得到最佳的模具预热 温度为 １６５～１８３℃。这 使得模具的温度场分布趋于合 理 ， 铸件达到了图纸要求的各项技术指标 。 研究表明 ， 在精密复杂压铸件的生产中 ， 有限元数值模拟分析方法 对生产有很强的实际指导意义 。
４ 结 论
（１ ） 运用有限元数值模拟分析方法 ， 可对精密复杂 压铸件的生产工艺进行优化 ， 得到最佳的模具预热温 度 ， 使模具的温度场分布趋于合理 ， 有效地提高铸件精 度 ， 避免出现废品 。
（２ ） 在对铸件形状和模具结构进行三维造型时 ， 可 以忽略一些不重要的细部结构 。 六面体单元用于压铸 过程分析比较方便 、 合理 。 单元数量和时间步长的选 择 ， 要兼顾运算结果的精度和模拟过程的效率 。
