压铸模具的冷却

我们在考虑压铸模具的设计和使用时，往往较多的是考虑如何生产出几何形状符合要求的铸件。如果我们换一个观测点，从传热学的观点来看压铸机，把它看作是一个热量交换器，一方面我们把熔融的金属注入模具型腔内，在极短的时间内释放出大量的热量，促使模具的温度提高；另一方面，模具通过传导，辐射以及对流的方法其中包括我们对模具的喷及水冷吸收部分热量，使模具温度下降，经过一段时间，在二者的作用下在一温度达到一个平衡点，这时模具的温度就不上也不下降，这一个平衡点的温度对稳定生产是很重要。铸造质量和生产率在很大程度上取决于模具热控制能力，这已经被越来越多的压铸工作者所认识。

我们假设每一次压射合金液带给模具的热量为Q0，在顶出铸件时由铸件带走的热量为Q1，积蓄到模具上的热量为Q2，冷却水带走的热量为Q3，通过喷凃，对流和传导给压铸机的热量为Q4，那么我们可以得出：Q0=Q1+Q2+Q3+Q4

或者 Q0-Q1=Q2+Q3+Q4

在进入热量平衡状态后，模具就应是停留在一个固定的温度，即Q2=0，因此上式也可以写成：

Q0-Q1=Q3+Q4=常数

在考虑对模具进行热平衡时，先要确定这个平衡点的温度是多少才是合理，由于模具各个部位存在温度梯度，而且在一个循环周期内温度也是变化的，为了现场测量的方便，可以把取出铸件时型腔附近的模具表面温度来作为平衡点的温度（以几个测量点的平均温度），考虑到铸件壁厚的差别，这个平衡点应该控制在合金浇注温度的40%—50%的范围内。以使用ZL102合金生产铸件为例，设定其浇注温度为6500C，那么模具的温度根据铸件的壁厚应控制在2600C到3250C内，如是薄壁零件应控制在上限，厚壁零件控制在下限，模温低于2600C时，易产生夹渣，冷隔，缩裂等铸造缺陷，模温超过3250C，合金的冷凝速度将变慢，铸件容易产生缩孔，气孔和粘模的现象。这里有个矛盾，因薄壁铸件需要模具温度较高些，而铸件由于薄壁金属液具有的热量很少，难以保持较高的模温，相反厚壁铸件希望模温低，由于铸件壁厚热量大而难以保持较低的模温，这就需要在设计冷却系统时根据铸件的形状，各部位的要求和生产周期来综合考虑。如对薄壁铸件在考虑冷却前，先通过增加远端的集渣包来提高模温，然后再用冷却水来保持模温。在实际的生产中往往出现由于模具的冷却能力不足，操作者采用延长喷浍时间来降低模温。使生产过程的控制增加了不稳定因素，这样就增加了操作的周期，又不必要的浪费了涂料，还由于在一个生产循环周期内模具温度变化过大而加大模具热疲劳产生的应力，提前出现开裂从而降低模具寿命。

为了能自动控制平衡点的温度，对要求比较高的模具型腔内应设置利用热电偶来控制制冷却水管电磁阀开关的温度自动控制装置。

在设置模具冷却系统时，首先要考虑模具总体的热平衡，如何确定模具总体的热平衡，我们可以用传热学的公式进行计算：

Q0=mC（T1-T2）

其中m—为单位时间内注入模具的合金总质量（含浇排系统的质量）

C—为合金的热容量

T1，T2—为合金浇入时和开模时的温度

由于热量通过辐射和对流的方法带走的相对较少，约占Q0的5%，而模具通过传导传给压铸机的热量约占Q0的35%，在确定冷却系统设计的时候可以作为不变的因素来考虑，把剩余的热量都由用水做介质的冷却管来带走，则单位时间需要的冷却水量为：

Ｍ=BQ0×0.6/ C2(T3-T4)

其中C2—为水的热容量

T3—出水温度

T4—进水温度

B—常取0.95

由此可求出需要的水道的总传热面积:

A=BQ0×0.6/KAΔtT

其中K—为水对管壁的镜膜传热系数

Δt—为冷却水的温差，一般计算取200C

T—冷却时间

由此我们可以根据需要的水道的总面积求出保持热平衡时冷却水管的数量，长度和直径。但是这种计算是很繁琐的，在当前使用的各种CAE软件中，都已经能很好的对模具的热平衡模拟和计算，能够帮助设计者准确的确定冷却水管的位置和数量，这已经成为今后模具设计的发展方向。但要想使用计算机进行模拟，则必需先对铸件和模具建立数学模型才能进行。这对国内一般的模具生产工厂来说由于模具的结构设计尽管已经使用了CAD，但还是停留在二维设计阶段，加之模具生产周期紧，人员素质等原因，目前还很难做到使用计算机进行冷系统设计模拟。同时由于压铸生产中的很多不确定因素，如冷却水温，水压的变动，喷涂时间的随意性，冷却水管的设计依据经验的份量还很重要。

根据粗略的计算和经验对冷却水管的设置也能满足一般模具的要求，可按下面的方法进行：对于一次浇注合金总量（含浇排系统，下同）在150克以下时，可只对浇口和分流锥进行冷却；一次绕注合金总量在150克—250克时，除了浇口套和分流锥进行冷却外应在动定模的浇口附近各设置一个1/4”的冷却道或2个点冷却；一次浇注合金总量在250克—500克时，应在动定模产品靠近内浇口附近再增加一个1/4”的冷却道或2—3个点冷却；大于500克时，再相应增加冷却水道或改变冷却水道的形状，把直道变成“L”形或“U”形，把管径改为3/8“从而增加冷却面积。对于模具上较大的滑块和大于25mm受热较大的型芯也应设置直道冷却或点冷却。冷却管离型腔或浇道的距离一般在20-32mm，在分流锥和内浇口处热量集中处可近一点，但最小也要大于冷却管的直径。

点冷却在和直道冷却相比时，在相同冷却面积时冷却效率能大一倍，故更多的用于浇道，内浇口，铸件厚大及突出部位的冷却。点冷却由于数量较多，为了拆装模具方便应设置集水管以方便操作，排水用的集水管位置应高于模具，使模具内的冷却水管经常注满，最好把浇口套，分流锥和浇口部分的点冷却水路设计成独立而越来越受到重视。在有些不便使用水冷却的型芯上，可以考虑设置热管，因热管的传热效果是模具钢的十多倍，但由于采购上的困难还是很少采用。

一个好的设计方案还需要正确的使用方法才能有效果，推荐的冷却水的使用方法顺序开启，逐步到位，具体操作如下；冷模具在最初生产的几模仅给冲头通水，几模以后应给浇口套和分流锥通少量的水，十模以后给内浇口附近的水管或点冷却通水并加大浇口套和分流锥的水量，之后逐步打开铸件的远端冷却水管，并根据出水口的水温上逐步加大冷却水量，使之达到平衡温度点。要注意动定模出水口的水不温，尽量使三者温差要小，要均匀。生产时水路不要中断，停机时要关掉水管。要避免冬季在模温很高时突然通入温度很低的水，这时往往是模具提前开裂的原因之一。冷却水应使用软水，硬水会发生水垢，降低冷却效率，严重的会堵塞冷却孔使至完全失效。