【技術電子報】模具噴塗冷卻

前言

為了預測模具熱循環過程中的較佳的模具溫度，所以需要建置噴塗冷卻的模型，來了解噴嘴與模具間的影響性，這樣的模型已經被加入在FLOW-3D Cast。這個模型可以計算每個噴嘴的噴塗冷卻行為，而不是假設整個模腔都是恆定的熱傳係數。由於噴嘴的移動會造成模具表面的噴塗區域不斷的更新，且需考慮到噴嘴形狀、角度來計算流體噴塗的冷卻效益，可幫助使用者優化模具冷卻過程，消除模具的熱點。

噴塗面積計算

模具表面的形狀和冷卻噴嘴的位置會影響到模具的溫度，FLOW-3D Cast將考慮這樣的影響性，如圖1所示，在模具的表面上的噴塗將會被模具的形狀所阻擋造成死角區域，而有些區域會受到兩個或兩個以上的噴嘴影響，這些區域可利用FlowSight來追蹤不同噴嘴的噴塗冷卻效果。

傳熱係數

噴塗冷卻的熱傳係數是較為複雜的，有相當多的變數，例如噴塗形狀、冷卻劑的流速、噴射的壓力…等，為了簡化噴塗冷卻的計算，使用以下的公式來進行計算，如圖2所示

其中

n HTC0是噴嘴從指定距離噴射到模具表面上時的基本噴塗熱傳遞係數。基礎傳熱係數取決於噴塗特性，噴塗介質和噴塗壓力等，並且是模具表面溫度的函數。
n fd是距離
n fb是噴塗角
n fe是噴射角

基本傳熱係數和相關函數可以從實驗測量，從理論或從經驗得出的曲線擬合。如果噴塗的形狀不是圓錐形，依賴因子也可能不同。

噴塗噴嘴

不同的噴嘴可被整合，同一組的噴嘴具有相同的特性，例如噴塗錐角。它們也具有相同的噴塗介質溫度，噴塗到同一組模具部件，有相同的狀態控制表，並具有相同的傳熱係數函數。所有的噴嘴組別會安裝在同一個機器人臂上。機器人手臂的平移和旋轉運動可以在FLOW-3D Cast中指定。如果運動數據是儲存在外部文件中，則可以從外部文件導入。

噴嘴屬性可以直接從噴嘴資料庫載入，傳熱係數函數取決於噴塗的特性，包括噴塗錐角，它們都是包括在噴嘴資料庫中的噴嘴屬性的一部分。如果在資料庫中未定義噴嘴，則其屬性可以直接輸入。熱傳係數函數可以是常數或可以被定義為函數，函數的數據可以從外部文件導入。如果經常使用的噴嘴，屬性可以加到噴嘴資料庫，類似於在材料資料庫中添加新材料。針對每個噴嘴需要定義原點和終點坐標及噴塗方向，如果噴嘴位置是預先設計並且有資料可用、或者噴嘴的數量相對較大不好一一輸入，就可以從外部文件進行導入。反之噴嘴的數量較少，則可以利用表格形式輸入位置。

案例結果

利用FLOW-3D Cast來模擬一個案例研究，以新模型的功能來表達模擬模具噴塗過程的重要性。利用一個生產大尺寸和薄壁的車體結構組件，含有三個熱電偶在模具表面內來量測溫具溫度，定位如下圖3所示。第一個放置在鑄件的模具表面。第二個在模腔外。因此，不會與熔湯接觸，但在噴塗過程中仍然會有冷卻。第三個位於湯餅，是模具最大的熱點。

本次模擬有5個循環，每個循環有四個階段; 固化，頂出，噴塗冷卻和合模。在舊版模具熱循環模擬中得噴塗階段，是假定整個模腔上具有恆定的傳熱係數，因此難以估計噴射的平均時間。在FLOW-3D Cast中對於新的噴塗冷卻模型，明確地模擬了來自每個噴塗噴嘴的冷卻，與現實噴塗過程相同包括所有時間值、角度...等，可以直接轉移到模擬中。這是新的模具噴塗冷卻模型的優點之一。

動畫1 顯示了在噴塗冷卻期間模具表面上的噴射區域

動畫2 顯示了在第五個循環的噴塗冷卻期間的模具表面溫度

可以清楚地看到新版本的噴塗冷卻效果

在第五個循環期間三個熱電偶的溫度繪製如圖4。實線表示來自舊版模型的結果，虛線表示來自新的模具噴塗冷卻模型。可看出在循環結束時三個熱電偶的溫度差異，由結果來看熱電偶1處的溫度大致相同，但在舊版模型中，湯餅區域過早冷卻，導致熱電偶3的模具溫度的差異多達90℃。對於壓鑄機來說湯餅中的溫度在壓鑄過程中是非常重要的溫度之一。在循環結束時模腔外部(熱電偶2)的溫差為20℃。

結論

新的模具噴塗冷卻模型使FLOW-3D Cast用戶能夠對模具溫度來進行製程的設計，同時考慮到模具表面的形狀、噴嘴的位置和運動的影響，就可以準確地預測模具表面上的溫度分佈，這有助於金屬鑄造工程師有更好的設計來評估模具的內部冷卻機制，以及噴塗冷卻參數。

參考文獻

Müller, et al., A die spray cooling model for thermal die cycling simulations, Transactions of NADCA 2015 Die Casting Congress & Exposition, Indianapolis, T15-101, 2015