Daniele Grassivaro, Process Engineer at Form S.r.l.

模具壽命指在保證制件質(zhì)量的前提下，所能成形出的制件數(shù)。它包括反復(fù)刃磨和更換易損件，直至模具的主要部分更換所成形的合格制件總數(shù)。一般來說，壓鑄模具的失效，不外乎下列四種

• 疲勞磨損

• 氣蝕磨損與沖蝕磨損

• 斷裂失效

• 塑性變形失效

本文將以兩套造型幾乎相同，但是加熱配置設(shè)計不同的模具為例，從模具的破壞處反推可能的模具損害原因，再以鑄造模擬制程軟件 FLOW-3D 加以驗(yàn)證問題點(diǎn)。

問題描述

圖一為兩套造型類似的模具，在四萬模次后發(fā)生了模具磨損的問題。圖中A、B兩處分別為模具上的兩個滑塊入子位置。圖二為磨損狀況放大圖。

由于右側(cè)模具（代號 Tool Nr.2）的磨損較左側(cè)模具（代號 Tool Nr.1）相對嚴(yán)重許多，因此工程人員希望找出兩者之間的差異原因，以作為日后模具設(shè)計修改的依據(jù)。

這兩套模具材料均采用ADC-3，拉伸強(qiáng)度（Yield Strength）為1250 N/mm2，破壞強(qiáng)度為 1600 N/mm2。模具在 5000次成形時開始發(fā)生裂痕，疲勞破壞強(qiáng)度約為 850 N/mm2。

除了冷卻設(shè)計之外，這兩套模具的配置幾乎完全相同。

在模具的操作側(cè)及反操作側(cè)各有一組滑塊外，在地側(cè)也有一組滑塊（共三組滑塊）。

冷卻系統(tǒng)配置差異

Tool Nr1 與 Tool Nr2 雖然模具配置類似，但是冷卻管路的配置是不同的。相較于 Tool Nr1，Tool Nr2 因?yàn)樵煨投嗔藘蓚€凸塊，因此在可動側(cè)增額外增加了三只水路做局部冷卻。

Tool Nr2額外增加的三個冷卻管路與成品面距離為 20mm，比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 (15mm)多了 5mm。

數(shù)值模擬與結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場人員經(jīng)驗(yàn)判斷，發(fā)生裂痕的位置應(yīng)該是模具材料承受過高的熱應(yīng)力。為了確認(rèn)兩組設(shè)計之熱應(yīng)力差異，本研究采用 FLOW-3D 進(jìn)行模具熱循環(huán)計算。希望知道在二十次循環(huán)后，兩組模具的熱應(yīng)力分布差異。

圖7為FLOW-3D 之模具熱循環(huán) (Thermal Die Cycling)設(shè)定。相關(guān)參數(shù)由機(jī)臺端取得。

整組設(shè)定網(wǎng)格采用 1.5mm大小的網(wǎng)格進(jìn)行切割，網(wǎng)格總數(shù)量約為六百萬。

分析結(jié)果判讀中，最重要的就是模具溫度與模具承受熱應(yīng)力之分布。

分析結(jié)果可單獨(dú)輸出指定成形次數(shù)后之模具溫度分布與模具所承受之熱應(yīng)力分布。

根據(jù)模具熱循環(huán)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)兩套模具在特定區(qū)域的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，而這也正是滑塊與鑄件接觸位置。

而這兩套模具中，Tool Nr2 在模具熱應(yīng)力集中位置之?dāng)?shù)值又比 Tool Nr1來得大，表示該位置熱應(yīng)力集中現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

本研究確認(rèn)以FLOW-3D可追蹤熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，在適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密以及數(shù)值模擬下，可猜測模具發(fā)生破壞的原因并且預(yù)測破壞位置。至于破壞數(shù)值的大小，則需要取得更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)協(xié)助判定。

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