鋁合金壓鑄生產工藝實現了複雜結構一次成型生產，其特點是強度高、結構複雜和減輕重量。這也說明了為什麼鋁合金壓鑄的車身結構件屬於高階產品。圖1顯示的是最新的5代奧迪A8（引數|圖片）車身結構。
從圖中可以瞭解，現代的車身設計融合了不同的材料，其中壓鑄件起著連線節點的作用。這種複合結構最大程度滿足和平衡了各種功能的上需求，即低重量和高燃燒效率，最佳的駕乘效果和舒適度以及碰撞安全性的高強度。
此類壓鑄結構件除了擁有多個優點，在中低價位的車輛中使用還受到經濟性的影響。壓鑄的主要成本包括壓鑄迴圈週期（較大鑄件需要1-2分鐘）和壓鑄模具的使用壽命。從模具使用壽命原因分析，溫度是壓鑄工藝中最重要的影響因素。本研究專案的重點，即壓鑄模具的熱平衡，主要受到模具內冷卻和脫模劑噴射過程的影響。
背景
在常規的模具設計和工藝中，每個壓鑄週期都要向模具噴射大量的水-脫模劑混合液。較大的水量用於模具表面降溫，但也會產生熱衝擊和應力，這也是產生影響使用壽命的熱裂和應力裂紋的原因之一。除了損壞模具，水的使用、重新準備大量的噴劑、噴射過程所需的時間，在經濟和生態上都不符合可持續生產的理念。
下面將介紹一種新模具設計的發展和驗證方法。目的是透過高效的模內冷卻迴圈實現對模具無損的散熱過程，以代替用噴射過程實現外部冷卻。創新的冷卻系統的設計將成為微噴的基礎，也就是說，使用更少量的脫模劑濃縮液，而不對模具表面產生冷卻作用。
隨時間變化的壓鑄模具內的溫度是實現穩定的壓鑄工藝的決定性因素。高效的熱管理，即透過高效冷卻系統有目的地對模具進行溫度調控，是快速散熱和縮短迴圈週期的基礎。目前仍缺少新的與冷卻理念設計和尺寸有關的具體設計標準和經驗知識。另外放棄外部冷卻將是一個極大的挑戰：透過區域性調整噴射量或者噴嘴設定，根據需求控制自由度和冷卻效果，使用微噴技術無法實現。由此產生的結論是，在模具的設計階段就必須完成精確的熱平衡初步設計，以便在後續的壓鑄過程中保證最佳的溫度分佈。
這裡所做工作的目的是開發一種設計方法，透過壓鑄模具中的隨形冷卻系統實現對最佳化的熱平衡的有效使用。數字模擬顯示出原理，必要的工藝知識可以產生何種效果，並且可以為模具設計者模擬整個力學、熱學和熱力學關係和過程。
概述:
在常規的壓鑄工藝中，每個壓鑄週期都要向模表面噴射大量的水-脫模劑混合液。較大的水量用於模具表面降溫，但也會對模鋼產生熱衝擊和應力，這也是造成影響使用壽命的熱裂和應力裂紋的原因之一。
透過一種新的模具設計，藉助高效的模內冷卻迴圈實現對模具無損的散熱過程，以代替用噴射過程實現外部冷卻。創新的冷卻系統的設計要成為微噴的基礎，即使用更少量的脫模劑濃縮液，且不對模具表面產生冷卻作用。
首先介紹模具冷卻的基礎，然後是關於設計方法的概述。最後應用此方法模擬實際生產的車身結構件模具-減震塔。
模具熱平衡基礎理論
冷卻系統提升效率的方法需要透過一個簡化的、理想的案例得出，如圖2所示。評估冷卻效率的決定性物理值是熱量Q，表示單位時間傳導的熱量值。
為了透過冷卻系統獲得熔融過程給模具帶來的熱量，後面的3個熱傳導是關鍵。首先，必須讓合金鑄件的熱量傳導到模具上。因為此過程獨立於冷卻設計，在工作框架內不做另外考慮。最重要的是壓鑄模具內的熱傳導
Q
模具
和冷卻通道的熱傳導
Q
通道
。
模具內的熱傳導：
A
熱傳導面積
λ
模具
導熱能力
x
模具表面和冷卻通道間的距離
冷卻通道的熱傳導：
A
冷卻通道面積
α
通道
傳熱係數
透過這些方程式可以最終得到影響熱傳導的因素大小，可以用於冷卻效果最佳化方法中。具體涉及到模具表面和冷卻通道之間縮小的距離x、使用一種具有儘可能高的傳熱能力的型鋼λ模具、冷卻通道表面增加的
A
通道
、
、最佳化的儘可能高的傳熱係數
α
通道
、以及降低溫度的冷卻介質
T
流體
。最終的大小不能隨意變化，因為模具溫度決定了壓鑄過程。另外作為材料屬性的傳熱能力只受到適用的熱工具鋼的影響。此項工作的重點在於研究幾何形狀影響因素的大小，即隨形的、大表面的流動通道。然而，這也意味著在壓鑄過程中，相比常規的簡單鑽孔的冷卻通道，會產生較高的力學和熱力學負載。只有擁有全面的理論評估才能保證在模具設計中實現隨形冷卻設計的全部功能，並可以支援後面的設計方法。
模具熱平衡輔助設計方法
目前壓鑄模具中的隨形冷卻系統缺少設計時可參考的經驗知識。因此在所述工作框架內將開發一種設計方法，可以輔助模具設計者，使其能夠全面考慮與新的冷卻理念有關的重要設計因素大小。藉助數字模擬模型使壓鑄工藝中的熱學、力學和熱力學負載量化。如要實際應用該方法論還需滿足一系列的要求，以有效支援模具設計過程。例如構造模擬模型相對低的費用，以及可靠的計算結果。
在不穩定的溫度範圍進行模擬需要大量的壓鑄週期，因為影響因素產生的力的負載和撓度，以及熱力學效果分析意味著較高的計算花費。基於完整性要求，設計方法的開發要擁有積木的特性。也就是說，以模組化方式進行，把全部問題分佈到單一工作或者模擬模組上，使每個模組的資訊更加詳實。圖3給出單一計算模組的概覽。
模組0：鑄件幾何分析是冷卻理念的基礎。對壁厚分佈的檢查有助於明確鑄件的材料堆積，並且能夠儘早確定冷卻系統的特殊區域。
模組1：透過週期性熱過程模擬可以計算壓鑄模具內與時間有關的溫度分佈。連續的壓鑄週期計算可以評估持續執行發熱的模具狀況。目的是以相同的模具和鑄件溫度為基礎對冷卻設計進行評估和最佳化。
模組2：藉助力學設計模組，壓鑄模具在壓鑄過程中受到應力影響時，可以對其設計進行分析。輸入資料包括填充時的模具內壓力和壓鑄裝置的壓射力。
模組3：熱力學模擬模組可以對由溫度變化和溫度梯度產生的熱膨脹效果進行分析。輸入資料是週期熱過程模擬中與時間有關的溫度場。
模組4：從這一模組開始，從對整體模具的觀察轉移到對區域性（部分）區域更詳細的觀察（例如有關的計算晶格因素大小、連線元件和幾何細節的模擬）。透過力學結構模擬，由產生的力學負載可以對高度負荷的部件區域和元件進行分析。
模組5：補充第4個計算模組的熱力學應力模組，主要是壓鑄模具中的元件在溫度梯度和溫度變化中引起的應力。
如設計模組概述中所表達的，熱學和力學要分開計算。熱力學模組的輸入資料是與時間有關的溫度場（週期熱模擬的結果）。此操作符合一個連續-關聯模擬的要求，可以明顯降低計算費用。前提條件是，模具內的傳熱過程不受力學效果的影響，在目前的應用案例中可以實現。在此開發專案框架內使用Simulia/Dassault Systemes的FEM-Software Abaqus，它擁有極高的功能性，能出色完成對複雜物理問題中必需的撓度、以及在多用處理器和儲存支援中對較大、較複雜情況的計算。
為了在模具生產工藝中成功應用此設計方法，需要驗證輸入引數和邊界條件，例如每個單獨的模擬模組都必需的傳熱係數。為了得到一組有效的引數組，已經在專案框架內進行了大量的實驗和驗證。最終藉助此方法設計出一款實驗模具，後面將進行介紹。
模具熱平衡設計應用
除了設計隨形冷卻系統的理論基礎，研究專案的另一項任務是，建造一款擁有最佳化熱管理功能的壓鑄模具，並在實際工藝中透過微噴技術進行實驗。這裡特意進行了實際車身結構件的生產，而不是生產一個理想的實驗體。
1、常規模具
作為開發此項創新實驗模具的參考，使用了一款常規的減震塔壓鑄模具。圖4顯示出該鑄件和使用常規冷卻系統的剖面圖作為參考。
2、實驗模具
為了能夠在模具內部的冷卻系統完成整體的溫度控制，以此代替常規的外部冷卻方法，必須有一個全新的、隨形的實驗模具。因此實驗模具在大範圍使用了“分塊式單體結構”設計，圖5顯示的是部分配件的示例。透過“殼-芯-原則”可以實現一種特別的隨形和大面積的冷卻通道。在輪廓背面有一個銑槽，因此腔室內只能允許一個相對薄的殼。在槽中嵌入一個合適幾何形狀的芯，透過底板固定並與輪廓密封接合。在芯和嵌入物之間還有冷卻介質的流動空間。這種設計的潛力可透過圖5右上的展示瞭解，顯示了冷卻介質（藍色）和鑄件（紅色）的位置。巧妙的結構設計以及入口和迴流口保證了冷卻介質的均勻流動，這一案例中基於較好的傳熱屬性使
用了水作為介質。
對於冷卻要求較高的澆鑄區域使用了一個澆鑄分流錐，可使用鐳射熔融的增材生產工藝進行製造，以實現最佳的散熱效果。
這一設計已經發布在鑄造雜誌中。
為了保證所需的散熱效果和平均的溫度分佈，總共在模具中融合了20個獨立的迴圈。圖6顯示定模（B）和動模（A）的冷卻系統。相比常規的鑽孔式冷卻通道矩陣，單體結構的巨大優勢一目瞭然，也顯示出模具腔室和冷卻系統間的距離分析結果。在給出的與冷卻通道的距離內，相關鑄件標記為綠色。在實驗模具裡，根據新開發的冷卻設計，在更大的範圍內與鑄件的距離僅為20mm，這也最終滿足了在較短的週期內完成微噴過程所需的必要基礎條件。
3、實驗模具壓鑄生產
具有最佳化的冷卻系統的實驗模具，之前根據結構和模擬設計，參照系列壓鑄模具進行製造，並按照系列條件對壓鑄過程進行了測試。成功完成了超過1500件減震塔的生產，而壓鑄過程中僅使用了微噴技術。數字模擬顯示出在與參考模具的對比下，熱平衡明顯得到改善，同時節約了20%的迴圈週期時間，也透過實際過程得到證實。
模具冷卻時間因為高效的冷卻效果明顯縮短，另外相比常規的噴射過程，脫模濃縮液產生作用的時間明顯縮短。圖7顯示出隨形實驗模具和常規參考模具在執行中的溫度對比。
在沒有額外的外部冷卻系統，只使用模具內部的冷卻系統時，熔融熱量的降溫效果如何，在圖8中的動模熱成像圖片中一目瞭然。
之前已經提到過，常規的以水為基礎的脫模劑會使模具表面產生裂紋，並且會損壞壓鑄模具。這一理論也透過熱力學結構模擬結果得到證實，如設計方法的第5模組所示。圖9顯示在一個壓鑄週期裡，模具腔室內對比點位的表面溫度和熱應力變化曲線。兩邊的溫度變化明顯不同。常規模組中有一處溫度下降明顯，表示噴射過程。也可視為熱衝擊，在圖9的右側圖表中也可見。結構應力突然從壓力區域（負值）轉向拉力區域（正值），表示型鋼冷卻的表面區域將要緊縮，但因其下方發熱的部分被抑制。隨形冷卻的壓力趨勢相對平穩，整個週期都保持在壓力區域。從量上看，隨形的實驗模具顯示出更高的壓力水平。因模具內較高的溫度梯度造成，熱的模具表面和冷卻介質之間的溫度差相對較小。參考模具的型鋼經歷一個拉力-壓力-變換過程，而實驗模具單純受到壓力影響。
總結
對於壓鑄模具中隨形冷卻系統專案的發展，可總結如下：
首先可以確定，這一開發的實驗模具的冷卻系統實際能夠在持續的壓鑄工作中保持熱平衡，即使沒有噴射冷卻過程。另外相比常規的參考模具，其週期時間顯著縮短。
實驗模具有一點讓人印象深刻，即大範圍的模擬設計實驗費用是值得的。無論是開發新的模具或冷卻設計，開始的目的就是開發功能全面的模具。因為忽略了與微噴有關的自由度，即透過調整噴射量控制模具冷卻，所以必須對模具冷卻系統進行預設。已開發的設計方法能夠支援需求導向的冷卻系統和滿足負載的模具結構。
簡化的外部模具冷卻降低了對模鋼的熱應力和衝擊，這一點從熱力學計算結果中可見。因為此實驗模具只生產了小批次的鑄件，還不能確定這種新型冷卻設計在實際生產中的使用潛力。
本文作者:SVEN JANSEN
