合金熔体对金属模具的热—力作用行为研究

论文摘要

模具寿命是非固态近净成形技术推广应用的限制环节。合金熔体对模具的热-力作用是造成模具失效的根本原因。本文针对非固态合金熔体对金属模具的热冲击行为、热穿透行为以及模具的热-力耦合行为和失效行为进行了理论和模拟研究,并依据这些研究成果对非固态近净成形工艺和模具关键参数的设计准则进行了改进和完善。合金熔体的热冲击是造成模具塑性变形和早期开裂的主要原因,通过对热冲击现象的理论分析,提出了非固态近净成形过程中合金熔体对模具热冲击损伤的两个无量纲表征参量—热冲击塑变指数和热冲击致裂指数。它们定量描述了热冲击行为对模具发生塑性变形和开裂行为的影响程度。热冲击塑变指数代表了热冲击应力与材料屈服强度的接近程度,热冲击塑变指数值越大,致使模具发生塑变变形的趋势越大;当热冲击塑变指数达到1时,热冲击应力将达到材料的屈服强度,模具将发生塑性变形。热冲击致裂指数定量反映了热冲击应力与材料抗拉强度的接近程度,当热冲击致裂指数达到1时,热冲击应力将达到材料的抗拉强度,致使模具出现开裂。通过传热理论分析和模拟计算,建立了热冲击塑变指数和热冲击致裂指数的计算模型,发现:热冲击塑变指数和热冲击致裂指数随着界面热阻的增大、浇注温度的升高、热冲击前模具温度的升高而增大,与界面热阻、浇注温度和热冲击前模具温度分别可以拟合成指数曲线、直线和三次曲线关系,为有效控制合金熔体对模具的热冲击损伤指明了方向。合金熔体对模具的另一个热作用是热穿透。每一模次的成形结束时制件凝固放出的热量向模具或型芯内部传递的距离定义为合金熔体对模具或型芯的单次热穿透深度。通过对非固态近净成形模具温度场的近似积分解和合金熔体凝固过程的分析,建立了模具和型芯单次热穿透深度的理论估算模型。研究结果表明,模具的单次热穿透深度随界面热阻的增大呈指数规律增大、随浇注温度和热作用前模具平均温度的升高呈三次方规律增大;在模具/制件界面热阻、浇注温度和热作用前模具温度相同的情况下,模具热穿透深度随热作用时间的增大呈指数曲线规律增大。通过对连续使用的、无冷却系统模具热穿透深度冷面温度的分析,得知无冷却系统模具热穿透深度冷面温度随成形周期的增加会逐渐升高,即模具平均使用温度会逐渐升高。当模具平均使用温度高到一定值时,模具将失去整体刚性,这时模具将达到其最大使用次数。据此,提出了模具冷却系统位置和冷却介质参数设计的原则:模具冷却系统应设置在热穿透深度以内;冷却系统带走的热量等于该过程合金熔体放出的热量;冷却系统的冷却能力要大于冷却系统位置原模具的导热能力。建立了考虑模具和制件之间热-力作用的非固态近净成形脱模力和抽芯力的计算公式,并提出了型芯失效的判据为:抽芯过程中的摩擦应力小于型芯的流变抗力,型芯不发生流变失效;反之,型芯就出现流变失效。实验和生产实际证明了这些计算公式和失效判据的有效性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 非固态近净成形技术及其在载运工具中的应用
• 1.2 非固态近净成形用模具的失效
• 1.2.1 非固态近净成形模具服役特点和模具材料
• 1.2.2 非固态近净成形模具的失效形式
• 1.3 合金熔体与模具之间的热-力作用行为
• 1.3.1 合金熔体对模具的热冲击行为
• 1.3.2 合金熔体对模具的热穿透深度行为
• 1.3.3 模具的热-力耦合行为
• 1.4 本研究的目标、意义和内容
• 1.4.1 本研究的目标、意义
• 1.4.2 本论文的主要研究内容
• 2 合金熔体对模具的热-力作用实验研究
• 2.1 实验设计
• 2.1.1 成形方案设计
• 2.1.2 实验方案设计
• 2.1.3 实验过程
• 2.2 实验结果与分析讨论
• 2.2.1 热冲击现象
• 2.2.2 热穿透现象
• 2.2.3 模具失效形式
• 2.3 本章小结
• 3 合金熔体对模具的热冲击行为研究
• 3.1 金属熔体对模具热冲击损伤的表征
• 3.2 热冲击损伤因子的计算模型
• 3.2.1 浇注成形过程模具热冲击损伤因子的计算模型
• 3.2.2 喷涂涂料过程模具热冲击损伤因子的计算模型
• 3.3 热冲击损伤的数值模拟研究
• 3.3.1 热冲击行为的数值模拟模型
• 3.3.2 计算结果与分析讨论
• 3.4 涂料喷涂过程中模具的热冲击
• 3.5 实验验证
• 3.6 本章小结
• 4 合金熔体对模具的热穿透行为研究
• 4.1 热穿透现象与热穿透深度的估算
• 4.2 合金熔体对模具的热穿透损伤
• 4.2.1 界面热阻对模具热穿透行为的影响
• 4.2.2 合金浇注温度对模具热穿透行为的影响
• 4.2.3 热作用前模具平均温度对模具热穿透行为的影响
• 4.2.4 热作用时间对模具热穿透行为的影响
• 4.3 型芯的热穿透行为
• 4.3.1 型芯热穿透行为的理论分析
• 4.3.2 型芯热穿透行为的数值研究
• 4.4 无冷却系统模具热穿透行为和冷却系统设计原则
• 4.5 模具与制件之间的热-力耦合行为研究
• 4.5.1 模具与制件之间的热-力耦合作用
• 4.5.2 型芯与制件的热-力耦合作用
• 4.5.3 型芯的塑性流变失效判据和塑性流变层
• 4.6 实验验证
• 4.6.1 冷却系统的应用和讨论
• 4.6.2 脱模力的应用和讨论
• 4.6.3 抽芯力的应用和讨论
• 4.6.4 型芯塑性流变失效的应用和讨论
• 4.7 本章小结
• 5 结论
• 6 参考文献
• 学位论文创造性成果简介
• 在校期间发表的与学位论文相关的学术论文、论著及获奖情况
• 学位论文数据集