CN1631577A - 含内通道模具的制造方法及其在定向凝固中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含内通道模具的制造方法及其应用，包括如下步骤和工艺条件：首先将管件成形为所需的形状和尺寸，然后将多条管件布置在模具需要通道的相应位置，在成型模具的过程中，将管件固定在模具中，形成含内通道的模具。在此过程中管件不会熔化。布置在模具中的管件数量至少多于一件，各管件有独立的出入口。可以在模具上布置温度传感器，采集模具上的温度信息，控制系统根据采集的相关信息控制流体的流通和加热元件的电流的通断，从而适时控制模具上的温度分布，使模腔中的流体材料的定向凝固。本发明操作简单，控制方便，可制造大型尺寸、复杂形状的铸件，产品组织性能优良，适于大批量生产应用。
Description
技术领域
本发明属于铸造技术领域，特别涉及一种可以应用于定向凝固的含内通道模具的制造方法及其应用。
背景技术
采用砂型模铸造时，为了获得较高质量的铸件，使液体金属定向凝固，通常在砂型内设置冷铁(《铸造工程的模拟仿真与质量控制》，柳百成，荆涛等编著，机械工业出版社，2002年1月，P22，P70～71)。然而，冷铁的吸热量是一定的，一旦设置在砂型中不能再进行调节，而且对于复杂形状、大型的铸件，则很难通过在砂型内设置冷铁的方法控制液体金属凝固顺序来保证铸件的质量。对于金属模具，通常采用块体金属坯料，经车、铣、磨、刨、钻等切削机械加工方法，去除多余的金属之后将块体金属坯料制造成各种形状的模具。当模具中需要有内通道时，如申请号为02263967.5的中国实用新型专利公开了一种压铸模具的冷却系统，则通过从不同方向钻孔的方法形成通孔，在出入口安装上水嘴，并将工艺孔堵住，从而形成金属模具中的冷却回路通道。然而钻的方法只能加工出直孔，布孔的位置也受钻削加工方法的限制；当需要环形通道、不规则形状通道时，则无法通过钻孔的方法实现。申请号为02152824.1中国发明专利公开了一种定向凝固铸造方法及设备，一次可定向凝固多个铸件，但设备及操作过程仍然复杂，也无法成形复杂形状、大型的铸件。申请号为03146852.7的中国发明专利描述了一种定向凝固的铸造方法及其装置，然而并没有公开其模具装置的制造方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种操作简单，控制容易、可靠，可满足大型尺寸及不规则、复杂形状的可以应用于定向凝固的含内通道模具制造的方法，并适于批量生产。
本发明的目的通过下述技术方案实现：本含内通道模具的制造方法包括如下步骤和工艺条件：首先将管件成形为所需的形状和尺寸，然后将至少二条管件布置在模具所需要通道的相应位置；在成型模具的过程中，将管件固定在模具中，由管件构成模具中的内通道，形成含内通道的模具；在此过程中所设工艺条件满足管件不熔化；在模具中布置的管件均有独立的出入口。
所述成型模具的过程中，将管件置于造型材料的造型之中，由管件构成造型中的内通道，形成含内通道的模具；所述造型材料可以是铸造用的造型砂，形成含内通道的砂型模。
所述成型模具的过程中，将管件置于陶瓷泥料的造型之中，由管件构成造型中的内通道，烘干烧结之后形成含内通道的陶瓷模具。
所述成型模具的过程中，使管件处于流体之中，当流体凝固之后，就将管件固定在零件之中，由管件构成零件中的内通道，形成含内通道的零件。
所述成型模具的过程中，流体为热的金属流体，使管件处于热的流体金属之中，当流体金属降低温度凝固之后，就将管件固定在金属之中，由管件构成金属中的内通道，形成含内通道的金属零件，所述金属零件即为金属模具，或金属模具毛坯。
所述成型模具的过程中，金属流体是金属液体或具有触变性能的半固态金属，金属流体中可以含有非金属成分或陶瓷粉末。
所述金属模具毛坯，可以对其进行后续机械加工达到精确尺寸和低的表面粗糙度。
为了更好地实现本发明，应用所述的含内通道模具的制造方法制造的模具，对输入模腔中的流体材料进行定向凝固。可以应用所述的含内通道模具，在由管件构成的通道中输入温度低于模具温度的流体对模具进行冷却，控制模具上的温度场，使输入模腔中的流体材料进行定向凝固。可以应用所述的含内通道模具，在由管件构成的通道中输入温度高于模具温度的流体对模具进行加热，控制模具上的温度场，使输入模腔中的流体材料进行定向凝固。可以应用所述的含内通道模具，在管件中布置电加热元件，通电加热模具，控制模具上的温度场，使输入模腔中的流体材料进行定向凝固。可以在模具上布置温度传感器，采集模具上的温度信息，控制系统根据采集的相关信息控制流体的流通和加热元件的电流的通断，从而适时控制模具上的温度分布，使模腔中的流体材料的定向凝固。
所述模具中各由管件构成的空心冷却通道可以单独设置；这样可单独控制每根空心冷却通道中冷却液的流量及流速，从而可控制模具局部区域的降温幅度大小。
所述模具中各加热元件分别与不同的控制开关连接，这样可单独控制每个加热元件的加热状态，从而可控制模具局部区域的升温幅度大小。
所述由管件构成的空心冷却通道与加热元件相间排列设置，亦可根据需要排列成其他结构形式；空心冷却通道与加热元件的排列分布要保证模腔内任意区域的温度可有效地控制。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明提供了一种含内通道模具的制造方法，可方便地在模具内形成由管件构成的内通道，并且内通道的形状和在模具中所处的位置可以灵活设计，解决了大型和含不规则、复杂形状内通道模具的制造难题。
(2)本发明所述方法制造的含内通道模具可方便地控制模具上的温度场，可以对模腔中流体材料进行定向凝固，从而可以保证铸件的质量，并且可以制造出高质量的大型铸件。
(3)利用本发明所述方法制造的含内通道模具可实现无余量或少余量精密铸造。
(4)本发明操作简单，控制容易、可靠，适于大批量生产使用，应用范围较广，市场前景较好。
附图说明
图1是本发明实施例1所述含内通道砂型模结构示意图。
图2是本发明实施例1～5所述一种含内通道模具所用管件结构及管件布置的示意图，
图3是形成图1、图4～6中管件剖切截面示意图。
图4是本发明实施例2所述砂型模铸造含内通道金属模具结构示意图。
图5是本发明实施例3、4所述砂型模铸造含内通道金属模具结构示意图。
图6是本发明实施例5应用含内通道金属模具进行定向凝固铸造的工装结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例所要制备的是含内通道的砂型模及应用含内通道砂型模进行定向凝固。
结构如图1所示，在图1中，1是箱体，2是箱盖，3是造型砂，4是加热元件，5是管件，6是温度传感器，7是型腔，8是浇道，9是加热保温元件，10是冒口。作空心冷却通道用的管件5通过控制阀与冷却液供应构件相连接，其结构形式如图2所示，图2是管件结构及管件布置的示意图(图中并没有画出所有管件)，图3是形成图1中管件剖切截面的剖切位置示意图；管件由冷却水输入口11、出水口12、过渡部分13和环形部分14构成，其中过渡部分13的长度和形状根据安装时的具体结构确定。既可根据被成型零件的形状和所处模具中的位置确定管件5的形状和尺寸，当所成型的零件不同时，管件可以弯曲成不同的形状及布置在不同的位置。加热元件4通过开关与电源相连接，控制阀及开关与控制件相连接，温度传感器6紧贴在靠近型腔模壁的位置，将采集的温度信息传送到控制系统。
本含内通道砂型模的制备过程具体如下：首先将钢管弯曲成如图2所示的结构形式，并与图1所示中管件5分布对应位置的尺寸一致，在采用型砂在箱体1中造型时，将管件5、加热元件4及温度传感器6预埋在相应的位置固定，使管件的冷却水输入口11、出水口12处于箱体1之外，以便连接水管；将导线与加热元件4及温度传感器6相连，并接到控制系统。控制系统包括加热元件控制部分、冷却通道控制部分、热电偶温度采集部分，与PLCI/O模块相连，经由界面操作，通过控制软件控制。采用泡沫材料造型为型腔7的形状，并与包有加热保温元件9的浇道8连通。合上箱盖之后则获得了管件形成的含内通道的砂型模，可以应用于定向凝固。
本应用含内通道砂型模进行定向凝固的过程具体如下：首先给分布在砂型3中和冒口10及浇道8上的加热元件4和9通电，预热砂型3及浇道8，然后将过热的金属液体浇到冒口10中，金属液体经浇道8进入型腔7，使型腔7中的泡沫材料气化，并排出型腔内的气体，直至型腔内充满金属液体，并且冒口10中保留有足够补缩所需要的金属液；温度传感器6能够测出各个部位的温度；加热元件4和由管件构成的空心冷却通道5通过获得的温度信息对铸型及铸型内的金属液体进行保温或冷却；既可单独控制每根空心冷却通道中冷却液的通断及供水量的大小，也可以单独控制每个加热元件的通断及功率的大小。冷却过程开始时，首先给铸型最上部的由管件构成的空心冷却通道5通冷却水，使金属液体从最上部开始结晶，结晶面不断由上向下移动，通过获得的各部位的温度信息判断结晶面所处的位置，依次使分布在已结晶材料相接触的砂型模区域的加热元件停止加热，使分布在与已结晶材料固相相接触的砂型模区域的空心冷却通道通冷却水，随着结晶面不断由上向下移动，对加热元件4的加热和由管件构成的空心冷却通道5的冷却实行动态的控制；当结晶面达到浇道8与型腔7的过渡位置后，铸型内的铸件已完全形成，使所有的加热元件断电，给所有的空心冷却通道通冷却水，冒口10中的金属液体最后凝固。铸型冷却之后，打开模具，取出铸件。在液态材料凝固过程中，能够始终保证结晶面与液态材料输入口或冒口之间通过液体材料相连通，液体材料能够连续不断地向结晶面补充由于液体材料凝固和温度降低造成的凝固收缩、液态收缩、固态收缩所需的材料，不会出现结晶面和液态材料输入口或冒口之间被凝固了的材料隔断的情况。根据此方法可以成型大尺寸的铸件，并保证铸件的质量。
实施例2
本实施例所要制备的是含内通道的金属模具，也可以直接成型为金属零件。本实施例除下述过程外与实施例1相同：钢管件5如图4布置在型腔7中(通过固定管件5的过渡部分13使管件5的环形部分14处于型腔7之中)，用蜡型填充在型腔7中，失蜡之后浇入的金属液体为铜合金液，铜合金液体凝固之后，就将钢管件5固定在铜合金零件之中，形成如图6所示形状和尺寸与型腔7一致的含内通道的铜合金模具零件模块15。
实施例3
本实施例所要制备的是含内通道的金属模具零件。本实施例除下述过程外与实施例1相同：钢管件5如图5布置在型腔7中(通过固定管件5的过渡部分13使管件5的环形部分14处于型腔7之中)，用蜡型填充在型腔7中，失蜡之后浇入的金属液体为铜合金液，铜合金液体凝固之后，就将件5管固定在铜合金零件之中，形成如图6所示形状和尺寸与型腔7一致的含内通道的铜合金模具零件模块16。
实施例4
本实施例所要制备的是含内通道的金属模具零件。本实施例除下述过程外与实施例3相同：铜合金液中混有碳化硅陶瓷粉末。
实施例5
本实施例所要制备的是含内通道的金属模具及其在定向凝固中的应用。
本含内通道金属模具的制备过程具体如下：将实施例2和实施例3中制造的含内通道的铜合金零件模块15和模块16，经后续机械加工达到精确尺寸和低的表面粗糙度，从模具型腔面的背面钻出小孔，将温度传感器6设置在小孔中，所述温度传感器6紧贴在靠近型腔模壁的位置，组装成图6所示结构的金属铸型。在图6中，模块16和模块15由螺钉锁紧，组合成铸型，冒口10插入铸型一端内，冒口10内设置有浇道8，由管件构成的空心冷却通道5通过控制阀与冷却液供应构件相连接，加热元件4通过开关与电源相连接，控制阀及开关与控制件相连接。将导线与加热元件4及温度传感器6相连，并接到控制系统。控制系统包括加热元件控制部分、冷却通道控制部分、热电偶温度采集部分，与PLC I/O模块相连，经由界面操作，通过控制软件控制。本含内通道的金属模具可以应用于定向凝固。
本实施例应用含内通道的金属模具所要制备的是定向凝固薄壳形铸件。所使用的模具如图6所示，本定向凝固薄壳形铸件的制备过程具体如下：首先在模腔表面涂上脱模剂，给分布在模块16、模块15、冒口10、及浇道8上的加热元件4通电，将模块16、模块15、冒口10、及浇道8预热到520℃，然后将过热到720℃的铝镁合金液浇到冒口10中，铝镁合金液经浇道8进入型腔，并排出型腔内的气体，直至型腔内充满铝镁合金液，并且冒口10中保留有足够补缩所需要的金属液。分布在模块16、模块15、冒口10、及浇道8上的温度传感器6测出各个部位的温度，加热元件4和由管件构成的空心冷却通道5通过获得的温度信息对铸型及铸型内的铝合金液进行保温或冷却。既可单独控制每根由管件构成的空心冷却通道5中冷却液的通断及供液量的大小，也可以单独控制每个加热元件4的通断及功率的大小。冷却过程开始时，首先给铸型最底下的空心冷却通道5通冷却水，使铝镁合金液从最底下开始结晶，结晶面不断由下向上移动，通过获得的各部位的温度信息判断结晶面所处的位置，依次使分布在已结晶材料相接触的模具区域的加热元件4停止加热，使分布在与已结晶材料固相相接触的模具区域的空心冷却通道5通冷却水，随着结晶面不断由下向上移动，对加热元件4的加热和由管件构成的空心冷却通道5的冷却实行动态的控制；当结晶面达到浇道8与型腔7的过渡位置后，铸型内的铸件已完全形成，使所有的加热元件断电，给所有的空心冷却通道通冷却水，冒口10中的金属液体最后凝固。铸型冷却之后，从铸型上卸下冒口10，打开模具，取出薄壳形铸件。在液态材料凝固过程中，能够始终保证结晶面与液态材料输入口或冒口之间通过液体材料相连通，液体材料能够连续不断地向结晶面补充由于液体材料凝固和温度降低造成的凝固收缩、液态收缩、固态收缩所需的材料，不会出现结晶面和液态材料输入口或冒口之间被凝固了的材料隔断的情况。在快速冷却过程中，模块中可以只分布序，按一定的程序冷却就可以了，无需再根据采集的温度信息进行控制。冷却通道。当冷却凝固过程程序确定之后，只要控制冷却通道通冷却水的顺
实施例6
将陶瓷管置于陶瓷泥料的造型之中，烘干、烧结之后形成含内通道的陶瓷模具。
Claims (10)
1、一种含内通道模具的制造方法，其特征在于包括如下步骤及其工艺条件：首先将管件成形为所需的形状和尺寸，然后将至少二条管件布置在模具所需要通道的相应位置；在成型模具的过程中，将管件固定在模具中，由管件构成模具中的内通道，形成含内通道的模具；在此过程中所设工艺条件满足管件不熔化；在模具中布置的管件均有独立的出入口。
2、根据权利要求1所述的含内通道模具的制造方法，其特征在于：所述成型模具的过程中，将管件置于造型材料的造型之中，由管件构成造型中的内通道，形成含内通道的模具；所述造型材料可以是铸造用的造型砂，形成含内通道的砂型模。
3、根据权利要求1所述的含内通道模具的制造方法，其特征在于：所述成型模具的过程中，将管件置于陶瓷泥料的造型之中，由管件构成造型中的内通道，烘干烧结之后形成含内通道的陶瓷模具。
4、根据权利要求1所述的含内通道模具的制造方法，其特征在于：所述成型模具的过程中，使管件处于流体之中，当流体凝固之后，就将管件固定在零件之中，由管件构成零件中的内通道，形成含内通道的零件。
5、根据权利要求4所述的含内通道模具的制造方法，其特征在于：所述成型模具的过程中，流体为热的金属流体，使管件处于热的流体金属之中，当流体金属降低温度凝固之后，就将管件固定在金属之中，由管件构成金属中的内通道，形成含内通道的金属零件，所述金属零件即为金属模具，或金属模具毛坯；金属流体是金属液体或具有触变性能的半固态金属，金属流体中可以含有非金属成分或陶瓷粉末。
6、一种权利要求1～5所述的含内通道模具的制造方法制造的模具的应用，其特征在于：对输入模腔中的流体材料进行定向凝固。
7、根据权利要求6所述的含内通道模具的应用，其特征在于：在由管件构成的通道中输入温度低于模具温度的流体对模具进行冷却，控制模具上的温度场，使输入模腔中的流体材料进行定向凝固。
8、根据权利要求6所述的含内通道模具的应用，其特征在于：在由管件构成的通道中输入温度高于模具温度的流体对模具进行加热，控制模具上的温度场，使输入模腔中的流体材料进行定向凝固。
9、根据权利要求6所述的含内通道模具的应用，其特征在于：在管件中布置电加热元件，通电加热模具，控制模具上的温度场，使输入模腔中的流体材料进行定向凝固。
10、根据权利要求6所述的含内通道模具的应用，其特征在于：在模具上布置温度传感器，采集模具上的温度信息，控制系统根据采集的相关信息控制流体的流通和加热元件的电流的通断，从而适时控制模具上的温度分布，使模腔中的流体材料的定向凝固。
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Assignee: Zhaoqing Hongteo Die Casting Co., Ltd. Assignor: South China University of Technology Contract fulfillment period: 2007.11.15 to 2013.11.15 contract change Contract record no.: 2010440000094 Denomination of invention: Method for manufacturing die containing interior passageway and its application in directional solidification Granted publication date: 20070530 License type: Exclusive license Record date: 2010.1.11 |
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