壓鑄模加熱與冷卻系統設計

楊憲章

壓鑄過程中，溫度對填充過程的熱狀態，以及操作的效率等方面起著重要的作用。在壓鑄生產前壓鑄模應預熱到一定溫度，生產過程中要始終保持在穩定的溫度范圍內，這一溫度范圍就是壓鑄模的工作溫度，通過加熱和冷卻裝置控制。合理的模具工作溫度可以提高壓鑄件的內部組織和表面質量，穩定壓鑄件的尺寸精度，提高壓鑄機生產效率，降低模具熱應力，提高模具使用壽命。為了保證壓鑄生產的持續進行，在每一個壓鑄循環周期中，合金液傳給模具的熱量與模具自然散熱及冷卻水帶走的熱量應保持平衡。

1. 壓鑄模的工作溫度

壓鑄模的工作溫度可以按經驗公式計算或由推薦的模具預熱溫度及工作溫度由表1查得。

式中 θm——壓鑄模的工作溫度 （℃）；

θj——金屬液澆注溫度 （℃）。

表1 模具預熱溫度及工作溫度推薦值 （℃）

2. 壓鑄模的預熱

預熱壓鑄模能防止因金屬液激冷而流動性降低，使鑄件成形困難或產生冷隔、裂紋等缺陷；減少金屬液對低溫壓鑄模的熱作用，延長壓鑄模的使用壽命。

壓鑄模常用的加熱方法有以下幾種。

（1）煤氣、天然氣加熱 該加熱方法方便，成本低，加熱時間長。

（2）低熔點合金加熱 在常溫狀態壓鑄模中直接澆入金屬液，用金屬液熱量加熱模具。

（3）電加熱 電加熱器有電阻加熱器、電感應加熱器和紅外線加熱器。其中最常用的是電熱管加熱，電加熱清潔方便、操作安全，但成本較高。

電加熱裝置預熱所需總功率可通過下式計算∶

式中 P——預熱所需功率（kW）；

m——壓鑄模質量（kg）；

c——材料比熱容[kJ/(kg·℃)]；

θs——模具預熱溫度（℃）；

θi——模具的初始溫度（℃）；

k ——溫度補償系數，k=1.2～ 1.5；

t ——預熱時間（h）。

根據預熱總功率選擇電熱棒（見圖1）的型號和數量；設計電熱棒的安裝孔和測溫孔位置，加熱孔一般設置在動（定）模套板（也可以通過鑲塊）、支承板和定模座板上。布置時應避免與活動型芯或推桿發生干涉；在動、定模套板上可布置供安裝熱電偶的測溫孔，以便控制模具工作溫度溫，盡量避免將電熱棒和熱電偶的連線布置在模具操作者的一側。

（4）循環油加熱 利用油泵將溫度為150～200℃液壓油對模具循環加熱。在壓鑄開始時預熱模具。工作中，循環油則對模具進行冷卻。這種方法可以使模具在相對恒溫范圍內工作。但模具結構較復雜，需要一套密封較好且耐高溫的循環油系統。

3. 壓鑄模的冷卻

壓鑄模吸收金屬液的熱量若大于向周圍散失的熱量和冷卻水帶走的熱量，其溫度會不斷升高，尤其壓鑄高熔點合金時，壓鑄模升溫很快。壓鑄模溫度過高，使壓鑄件因冷卻緩慢而晶粒粗大，并且帶來金屬粘模；壓鑄件因頂出溫度過高而變形，壓鑄模局部卡死或損壞，延長開模時間，降低生產率等問題。應采取冷卻措施，使模具保持熱平衡。

壓鑄模的冷卻方式主要有風冷和水冷兩種。

（1）風冷 用于散熱量要求較小的模具，風力來自鼓風機或壓縮空氣，模具內不設冷卻裝置，結構簡單。冷卻速度慢，生產效率低，圖2為型芯風冷的結構。

(2）水冷 在大批量生產大中型鑄件或厚壁鑄件時，為保持壓鑄模熱平衡，多用冷卻水冷卻。在壓鑄模內設置冷卻水流道，使熱量隨冷卻水流動而迅速排出，保持壓鑄模獲得熱平衡。

4. 壓鑄模冷卻熱量的計算

在設置模具冷卻水裝置時，首先要考慮模具總體的熱平衡，如何確定模具總體的熱平衡，可以用傳熱學的公式進行計算。

（1）模具吸收的熱量

式中 m ——單位時間澆入模具的 合金總質量（g/s）；

cp——合金液的比熱容 [J/ (g ·℃)]；

θj——合金液澆注溫度(℃)；

θk——合開模時的溫度(℃)。

（2）單位時間內冷卻水從壓鑄模帶走的熱量

式中 m1——合金液質量（g）；

θm——模具工作溫度（℃）；

C潛——合金的熔化潛熱（J/g）；

Q散——冷卻水帶走的總熱量 （J/kg）。

（3）所需冷卻水量 由于熱量通過輻射和對流的方法帶走的熱量相對較少，約占Q吸的5%，而壓鑄模具通過傳導傳給壓鑄機而被壓鑄機冷卻水帶走的熱量約占Q吸的40%，在壓鑄模冷卻裝置設計時可作為不變的因素來考慮，把剩余的熱量都看作壓鑄模冷卻水從冷卻水流道帶出，則單位時間內需要的冷卻水量為：

式中 θc——出水溫度（℃）；

θr——入水溫度（℃）；

K——熱傳導系數（見表2）。

（4）冷卻水流量

式中 ρ ——水的密度（g/cm3）；

（5）冷卻水管直徑

式中 L ——冷卻水流量（m3/s）；

Re——臨界雷諾系數，取2000～2300；

ν——水的運動黏度（m2/s）。

（6）冷卻水道的總傳熱面積

式中 B ——常取0.95；

K ——熱傳導系數；

Δt ——冷卻水的溫差，取 200℃；

T ——冷卻時間（s）。

（7）冷卻水道的總長s

式中 A ——冷卻水道的總傳熱面積（m2）；

D ——冷卻水道直徑（m）。

圖1 電熱棒及其安裝

圖2 型芯風冷的結構

表2 熱傳到系數

（8）冷卻水道的個數

式中 A ——冷卻水流道的總傳熱面積（m2）；

D ——冷卻水流道直徑（m）；

s ——冷卻水流道工作有 效長度，（即在型腔的投影長度）。

5. 冷卻水流道的設計

冷卻水流道設計要注意：

（1）冷卻水流道要布置在型腔內溫度最高，熱量比較集中的區域，通暢，無堵塞現象。

（2）模具鑲拼結構上有冷卻水流道通過時，要采取密封措施，防止泄漏。

（3）冷卻水流道至型腔表面的距離應盡量相等，冷卻水流道孔直徑一般為8～16mm，其孔壁距離澆口或型腔壁面10～15mm。

（4）冷卻水流道間的中心距，應為冷卻流道直徑的3～5倍。

（5）冷卻水流道出口接頭規格應統一，以便于連接管路，并盡可能設置在壓鑄模模具下方或操作者對面一側，以便于操作。

（6）冷卻水流道外連接冷卻水管的尺寸一定要大于或等于壓鑄模內冷卻水流道的直徑。

（7）冷卻水的流動方向與熔融金屬流動的方向應一致，有利于散熱和熔融金屬充填型腔。

（8）為了能自動控制平衡點溫度，對要求比較高的壓鑄模，型腔內應設置利用熱電偶來控制冷卻水管電磁閥開關的溫度自動控制裝置。

6. 冷卻水流道的布置形式

為了更好地起到冷卻作用，冷卻水流道要合理地布置和選擇形式，與鑄件的大小、形狀和壓鑄模的結構有關，設計時可參考圖3、圖4常用的幾種型腔、型芯冷卻水流道布置形式。分流錐冷卻如圖5所示，澆口套冷卻如圖6所示。

7. 結語

壓鑄模工作溫度與壓鑄周期長短、冷卻水流量有直接關系，一般來說，周期時間長，壓鑄模工作溫度低；周期時間短，壓鑄模工作溫度高。冷卻水流量大，壓鑄模工作溫度低；冷卻水流量小，壓鑄模工作溫度高。

因此，在壓鑄模設計中要合理地計算，確定冷卻裝置的參數，選擇冷卻水流道的布置形式，使壓鑄模的熱平衡達到理想狀態，從而提高壓鑄件的成品率，延長壓鑄模的壽命。實際生產中，壓鑄模的加熱冷卻裝置合理化設計應引起壓鑄模設計人員的重視。