CN100515601C - 铸造模具的制造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够以稳定的质量制造复杂形状模具的模具制造装置和制造方法。该制造装置包括：内部具有型腔的模具；蒸汽供应单元；连接到型腔的蒸汽抽吸通道；多个蒸汽排出通道；设置在蒸汽排出通道上、并调节从型腔排出的蒸汽流的流量调节装置；以及控制流量调节装置的控制装置。加热的模具型腔填充树脂覆膜砂，并随后供应过热蒸汽，其中，树脂覆膜砂通过在耐火集料上涂覆粘结剂树脂而制备。控制装置对流量调节装置进行控制，以使得过热蒸汽均匀地填充型腔。

Description

铸造模具的制造装置及制造方法

技术领域

本发明涉及一种铸造用铸造模具的制造装置及制造方法。

背景技术

过去，铸造模具的制造方法是公知的，其包括如下步骤：在被加热的金属模具的型腔内填充树脂覆膜砂——其中，树脂覆膜砂通过在耐火集料(refractory aggregate)上涂覆诸如热固树脂的粘结材料来制备；然后使粘结材料热固化。根据此方法，铸造模具可以以高产率和稳定的质量制造。然而，由于需要在高温下加热金属模具，因此会产生这样的问题，即：在诸如酚醛树脂的粘结材料被固化时伴随产生的快速反应会产生诸如氨气和甲醛的有毒物质，进而会导致工作条件变差。

为了改善这些问题，例如日本专利早期公开No.2000-107835揭示了—种方法，其能够在缩短的时间内稳定地制造铸造模具，同时还能防止工作条件变差。此方法的特征在于：在金属模具中填充树脂覆膜砂，然后向金属模具内供应过热蒸汽，以瞬间固化粘结材料。由于过热蒸汽的热量能立即传递到树脂覆膜砂内，并且热量不与金属模具接触，因此即使金属模具在低于以前的温度下加热，也可以在短时间内制造铸造模具。此外，还具有能够显著地降低各种有毒气体的产生的优点。

然而，在制造具有复杂形状的铸造模具时，由于难以将过热蒸汽均匀地供应到填充于金属模具型腔内的所有树脂覆膜砂上，因此可能会因为不充分固化而导致铸造模具的质量发生变化。此外，与较高空隙率的情况相比，当填充到金属模具内的树脂覆膜砂的空隙率低时，很难使过热蒸汽穿过树脂覆膜砂。这样，存在的另一问题是，不能均匀地将热量供应到填充的树脂覆膜砂内。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的主要目的是提供一种铸造模具的制造装置，其能够以稳定的质量制造具有复杂形状的铸造模具，同时保持高生产效率和安全的工作条件。

也就是说，本发明的制造装置包括：模具，其内具有型腔；蒸汽供应单元，其构造成将过热蒸汽供应到所述型腔内；多个蒸汽排出通道，其构造成将过热蒸汽从所述型腔中排出；流量调节器，其设置在至少一个所述蒸汽排出通道中，以调节从所述型腔排出的蒸汽的量；以及控制单元，其构造成控制所述流量调节器，以使得过热蒸汽均匀地填充所述型腔。

在本发明的装置中，优选地，在各蒸汽排出通道的入口附近设置温度传感器，并且控制单元控制流量调节器，以使得温度传感器检测的温度位于预定的温度范围内。

同样优选地，流量调节器包括电磁阀，并且控制单元控制该电磁阀的开启量。进一步优选地，本发明的装置包括与至少一个蒸汽排出通道相连接的抽吸泵，并且控制单元控制抽吸泵的排出量。

作为本发明特别优选的实施例，该流量调节器包括电磁阀。在所述蒸汽排出通道的端部的汇合部分形成有排出口，且所述排出口连接抽吸泵。控制单元控制所述电磁阀的开启量和所述抽吸泵的排出量。这样，可以更有效地达到本发明的目的，如后文所述。

此外，所述控制单元优选根据填充在所述型腔内的树脂覆膜砂的空隙率来控制所述流量调节器。树脂覆膜砂的空隙率对填充在型腔内的树脂覆膜砂的蒸汽穿透性能影响很大。因此，根据此参数的控制有效地提高了型腔内温度分布的均匀性。

本发明的另一目的是提供一种达到上述目的的制造方法。使用上述装置的本发明的制造方法包括如下步骤：

向在增加的温度下加热的所述模具的所述型腔内填充树脂覆膜砂，该树脂覆膜砂通过在耐火集料上涂覆粘结剂树脂来制备；以及

通过在所述树脂覆膜砂的固化温度或更高温度、1.5～10kgf/cm²的蒸汽压力下将过热蒸汽供应到所述型腔内，来固化所述树脂覆膜砂；

其中，在所述固化步骤内，所述控制单元控制所述流量调节器，以使得过热蒸汽均匀地填充所述型腔。

在该制造方法中，控制单元优选根据控制参数控制流量调节器，该控制参数包括蒸汽排出通道内的温度、填充在型腔内的树脂覆膜砂的空隙率的至少其中之一。通过控制这些参数，可以可靠地在模具的型腔内提供均匀的温度分布。

从下述实施本发明的优选方式中，本发明的其它目的和效果将更容易理解。

附图说明

图1是根据本发明优选实施例的、铸造模具的制造装置的示意图；

图2A是示出树脂覆膜砂的粒度分布较窄时的曲线图；

图2B是示出粒度分布较窄的树脂覆膜砂的填充状态的示意图；

图3A是示出树脂覆膜砂的粒度分布较宽时的曲线图；以及

图3B是示出粒度分布较宽的树脂覆膜砂的填充状态的示意图。

具体实施方式

下面参考附图并基于优选的实施例详细说明本发明的铸造模具的制造装置和制造方法。

如图1所示，根据该实施例的铸造模具的制造装置主要包括：模具1，其内具有所需形状的型腔40；砂供应单元3，其用于将树脂覆膜砂供应到型腔40中；蒸汽供应单元7，其用于将过热的蒸汽供应到型腔40中；蒸汽供应通道10，其用于将过热蒸汽从蒸汽供应单元7供应到型腔40中；多个蒸汽排出通道20、21、22，其用于将过热蒸汽从型腔内排出；电磁阀30、31、32，其设置在各蒸汽排出通道处；抽吸泵5，其与形成在各蒸汽排出通道的端部汇合部的排出口相连接；以及控制单元4，其用于控制抽吸泵和电磁阀，使得型腔内均匀地填充过热蒸汽。在附图中，附图标记2表示待填充到型腔内的树脂覆膜砂，其通过在耐火集料上涂覆诸如热固树脂的粘结剂树脂来制备。附图标记60表示用于加热模具的加热器。必要时，可在抽吸泵的上游侧设置缓冲罐(surge tank)。

至于模具1的材料，可采用金属材料或耐热树脂材料。模具的结构和形状并没有特别限制。例如，模具可以形成有多个分段图案，这些分段图案能够彼此结合以获得模具内所需形状的型腔。图1所示的模具1可以分为上部图案和下部图案，并且通过将上部图案和下部图案彼此结合来形成型腔40。

砂供应单元3可在轨道80上滑动，并且可以连接到蒸汽供应通道10。当蒸汽供应通道10连接到砂供应单元3时，其用作将树脂覆膜砂2喷射到型腔40内的砂供应通道。

蒸汽供应单元7包括：蒸汽发生器70，其用于产生例如温度为110℃至180℃的蒸汽；以及加热装置72，其通过在不显著增加蒸汽发生器70所供应蒸汽的压力的情况下提高蒸汽温度，从而产生过热蒸汽。为了使蒸汽过热，优选使用微波。过热蒸汽被定义为是一种通过在蒸汽的饱和温度或更高温度下进一步加热该饱和蒸汽而获得的蒸汽。在本发明中，供应到型腔的过热蒸汽优选具有1.5～10kgf/cm²的蒸汽压力，以及150℃至700℃且更优选为200℃至600℃的温度。

如图1所示，当通过将分段图案结合形成型腔40时，优选在分段图案之间的结合部设置密封材料，以防止过热蒸汽的泄漏。特别地，优选在模具的结合部形成凹部，以在其内放置作为密封材料的可膨胀橡胶；并且形成空气供应通道，以将空气供应到密封材料。在这种情况下，由于密封材料通过由空气供应通道供应的空气而膨胀，并且膨胀后的密封材料压靠分段图案的结合表面，因此可以有效地防止过热蒸汽的泄漏。此外，存在如下优点：可以在不引起工作条件变差的情况下安全地制造该铸造模具。

控制单元4根据设置在相应的蒸汽排出通道的入口附近的温度传感器50、51、52的输出，来控制用作流量调节器的各电磁阀31、32、33的开启量。也就是说，被吸入相应蒸汽排出通道的蒸汽量随着相应电磁阀的开启量而变化。因此，当蒸汽排出通道形成于复杂形状型腔的、蒸汽难以到达的区域，并且电磁阀的开启量被控制成使得蒸汽排出通道中的温度传感器检测的温度位于所需的温度范围内时，蒸汽可以均匀地供应到整个型腔。

从将蒸汽均匀地供应到型腔的角度来看，同样优选地，电磁阀的控制参数包括填充在型腔内的树脂覆膜砂2的空隙率。也就是说，如图2A和图2B所示，当树脂覆膜砂2的粒度分布较窄时，在填充到型腔中的树脂覆膜砂的颗粒之间出现相对较大的空隙，使得空隙率变得相对较大。在这种情况下，供应到型腔内的过热蒸汽可以容易地经由这些空隙穿过树脂覆膜砂，从而增大通过蒸汽排出通道20排出的蒸汽量。这样，通过蒸汽排出通道21、22排出的蒸汽量可能会降低。在这种情况下，根据本发明，通过控制单元4控制电磁阀的操作，以便减小位于蒸汽排出通道20中的电磁阀的开启量，同时增加位于蒸汽排出通道21、22中的电磁阀的开启量。

另一方面，如图3A和图3B所示，当树脂覆膜砂2的粒度分布较宽时，在填充到型腔内的树脂覆膜砂的相对较大尺寸颗粒之间形成的空隙中存在小尺寸颗粒，从而使得空隙率变得相对较小。在这种情况下，供应到型腔内的过热蒸汽难以穿入树脂覆膜砂。因此，与采用粒度分布较窄的树脂覆膜砂的情况相比，需要增加位于蒸汽排出通道20中的电磁阀的开启量。这样，由于通过蒸汽排出通道21、22排出的蒸汽量可能减少，所以控制抽吸泵来增加蒸汽排出量。简言之，控制单元4要控制电磁阀和抽吸泵的操作，使得位于蒸汽排出通道20中的电磁阀的开启量少量增加，以确保蒸汽到达蒸汽排出通道20的入口；而另一方面，位于蒸汽排出通道21、22中的电磁阀的开启量要增加得足够大，以确保蒸汽到达蒸汽排出通道21、22的入口，并且还要增加抽吸泵的排出量。

此外，当制造厚壁铸造模具时，热量可能不足以供应到填充在型腔内的树脂覆膜砂的芯部，从而使得仅有与被加热模具的内表面相接触的这部分树脂覆膜砂被固化。在过去是通过在高温下加热金属模具来解决此问题。然而，由于在高温下使粘结材料固化时会产生有毒气体，所以不可避免地会使工作条件变差。根据本发明，由于蒸汽是被强制吸入到蒸汽排出通道，因此能够可靠地将热均匀地供应到填充在型腔内的树脂覆膜砂的芯部。因此，可以在改善的安全工作条件下制造铸造模具。此外，与过去相比，不需要在高温下加热模具。而且，本发明还具有如下优点：可以使用金属材料之外的耐热树脂材料作为模具材料。这样能够增加设计模具的自由度，并且降低制造成本。

此外，优选地，通过进行初步实验预先确定填充在模具内的树脂覆膜砂的空隙率并且通过形成在控制单元4中的输入部(未示出)输入此空隙率来结合考虑该空隙率，以对电磁阀的开启量进行控制。例如，空隙率定义为通过如下方法测量的数值。

首先，将水和甲醇的重量比为7∶3的混合溶液100ml放入容积为200ml的量筒。然后，将使用另一量筒测量的100ml树脂覆膜砂逐渐加入到该混合溶液，并随后密封量筒。在确定停止出现气泡之后，读出量筒内的液位。空隙率通过液位(M ml)和200ml刻度之间的差而获得。因此，空隙率(％)定位为200-M。也可以采用包括界面活性剂的水或其它液体作为替代水和甲醇的混合物。

下面详细描述利用上述装置制造铸造模具的方法。首先，通过砂供应单元3将树脂覆膜砂2注入到被加热的模具1内。树脂覆膜砂可以通过在耐火集料上涂覆诸如热固树脂的粘结材料(粘结剂树脂)来制备。例如，可以采用酚醛树脂、呋喃树脂、异氰酸酯树脂、氨基多醇树脂(amine polyol resin)或聚醚多醇树脂作为热固树脂。模具优选在树脂覆膜砂的固化温度或更高温度(例如在130℃至200℃)加热。

接下来，通过蒸汽供应单元7将过热蒸汽供应到模具1的型腔40内，以固化树脂覆膜砂。过热蒸汽优选的温度为树脂覆膜砂的固化温度或更高，例如200℃至600℃，并且优选具有1.5～10kgf/cm²的蒸汽压力。在供应到型腔内的过热蒸汽以固化所需的温度加热树脂覆膜砂之后，其通过蒸汽排出通道20、21、22排出型腔。此时，通过控制单元4控制电磁阀30、31、32和抽吸泵5，以使型腔均匀地填充过热蒸汽。

根据本发明，由于蒸汽排出通道形成在不同位置，以将过热蒸汽从型腔内强制排出，因此过热蒸汽可以均匀地供应到整个型腔。因此，即使在制造复杂形状的铸造模具时，也可以显著地降低固化铸造模具所需的处理时间，并且可以防止质量变化，以稳定地提供质量统一的铸造模具。此外，当由热固树脂构成的粘结材料利用过热蒸汽进行固化时，可以显著地降低诸如氨、甲醛和苯酚的有毒气体的出现。此外，即使产生少量的有毒气体，其也被蒸汽吸收，并且随后被排出，从而防止了由于有毒气体的出现而使得工作条件变差。因此，可以提高铸造模具的产率和生产效率，同时防止工作条件变差。

在持续供应过热蒸汽直至完成树脂覆膜砂固化之后，将由已固化的树脂覆膜砂形成的铸造模具从型腔中取出。为了防止在所制造的铸造模具中残留湿气，可由干燥装置干燥铸造模具。这样，根据本发明，由于均匀地供应到整个复杂形状型腔的蒸汽通过蒸汽排出通道被强制去除，因此在铸造模具内部极少出现凝结水(dew condensation)。因此，可以省略上述干燥过程。

在上述说明中，采用单个供应通道将树脂覆膜砂和过热蒸汽供应到型腔。然而，根据型腔的形状和尺寸，也可以形成多个供应通道。此外，上述装置具有三个蒸汽排出通道。根据型腔的形状，也可以在合适位置形成两个或四个或更多的蒸汽排出通道。此外，在本发明中，各蒸汽排出通道中并非必须要有电磁阀。此外，抽吸泵可以仅连接到预定的一个或多个蒸汽排出通道。

实例

(实例1～3和对比实例1～3)

下面根据实例具体描述本发明。

如下所述制备用于本实例的树脂覆膜砂。首先，将680重量份的苯酚、680重量份的37％甲醛溶液和101重量份的六亚甲基四胺(hexamethyltetramine)放入反应容器内。用大约60分钟的时间将如上得到的混合物加热到70℃，然后保持5小时进行反应。如此获得的反应产物在100Torr的换算压力下，在90℃下进行脱水，然后冷却，以获得具有80℃软化温度的可溶性酚醛树脂(resol-type phenol resin)。

接下来，将30kg、在145℃下加热的压平沙(Flattery sand)以及450g的可溶性酚醛树脂放入Wahl搅拌器，并且搅拌(knead)30秒。接下来，在搅拌器中加入450g水，并且对混合物进一步搅拌直至砂粒溃散(disrupted)。然后再将30g的硬脂酸钙加入到搅拌器，并搅拌混合物30秒，然后进行通风，以获得树脂量为1.5％(重量百分比)的树脂覆膜砂。树脂覆膜砂的空隙率是42％。

然后使用如图1的装置制造铸造模具。在2.5MPa的压力下，将上述树脂覆膜砂2从与蒸汽供应通道10连接的砂供应单元3注入到在160℃下加热的金属模具1的型腔40内。接下来，将砂供应单元3与蒸汽供应通道10断开，并且将蒸汽供应单元7连接到蒸汽供应通道10。由蒸汽发生器70在7kgf/cm²的压力下产生165℃的饱和蒸汽，然后通过加热装置72使饱和蒸汽达到过热，以获得400℃的过热蒸汽。向具有树脂覆膜砂2的型腔40内供应10秒、20秒或30秒的过热蒸汽，以制造铸造模具。对比实例1至3的铸造模具则由如下装置来制成，该装置具有与本发明装置相同的型腔形状，但不具有作为流量调节器的电磁阀、抽吸泵和控制单元。

表1

表1中示出了在各蒸汽排出通道21、22、23入口附近测量的温度以及从金属模具中取出的各铸造模具的评估结果。至于评估标准，“○”表示铸造模具具有良好的质量；“△”表示铸造模具局部具有未固化部分；“×”表示铸造模具不可用。

在实例1至3中，蒸汽排出通道的温度相对均匀。此外，即使蒸汽的供应时间较短，型腔内部也能被均匀加热。这样，获得了质量稳定的铸造模具。另一方面，在对比实例1至3中，由于没有控制蒸汽向蒸汽排出通道内的吸入，因此在蒸汽排出通道21、22的入口附近测量的温度相对较低。此外，随着蒸汽供应时间变长，铸造模具的质量可略有提高。然而，当蒸汽供应时间短时，由于型腔内的不均匀温度分布，会造成有缺陷的铸造模具。

因此，本实例的结果表明：通过供应短时间的蒸汽可以稳定地制造出具有复杂形状的铸造模具。

(实例4～6和对比实例4～6)

本实例中使用的树脂覆膜砂采用与实例1至3基本相同的方法制备，区别在于用尤尼明90(Unimin 90)砂替代压平沙。该树脂覆膜砂的空隙率是37％。通过采用该树脂覆膜砂，并在类似于实例1至3和对比实例1至3的情况下制造铸造模具。结果示于表2中。

表2

根据本发明，由于相对均匀地控制蒸汽排出通道的温度使得型腔内部被均匀加热，因此不管是否使用具有低空隙率的树脂覆膜砂，均能制造质量稳定的铸造模具。另一方面，在对比实例4至6中，由于树脂覆膜砂的空隙率降低，型腔内的温度分布变得不均匀。此外，即使将蒸汽供应时间延长到最长，在蒸汽供应通道21、22处也不能获得足够高的温度。因此，采用对比实例中采用的蒸汽供应时间就不能获得可用的铸造模具。

因此，这些实例的结果表明：即使采用具有低空隙率的树脂覆膜砂，通过短时间地供应蒸汽，也可有效地制造具有复杂形状的铸造模具。

工业实用性

如上所述，在制造具有复杂形状的铸造模具时，本发明可以获得显著的效果，即：通过增加供应到复杂部分的过热蒸汽的量，树脂覆膜砂可以均匀地在模具中固化。此外，可以有效地制造质量稳定的铸造模具，并且可以灵活地制造各种形状的铸造模具，同时并不削弱使用过热蒸汽制造铸造模具的传统方法(如日本专利早期公开No.2000-107835中所揭示的)所具有的优点。因此，根据本发明，可以预见，通过使用过热蒸汽制造铸造模具的方法将会得到更广泛的应用。

Claims (10)

1.一种铸造模具的制造装置，包括：

模具，其内具有型腔；

蒸汽供应单元，其构造成将过热蒸汽供应到所述型腔内；

多个蒸汽排出通道，其构造成将过热蒸汽从所述型腔中排出；

流量调节器，其设置在至少一个所述蒸汽排出通道处，以调节从所述型腔排出的蒸汽的量；以及

控制单元，其构造成控制所述流量调节器，以使得过热蒸汽均匀地填充所述型腔。

2.如权利要求1所述的制造装置，其中，所述制造装置还包括设置在各所述蒸汽排出通道的入口附近的温度传感器，并且所述控制单元控制所述流量调节器，以使得所述温度传感器检测的温度处于预定的温度范围内。

3.如权利要求1所述的制造装置，其中，所述流量调节器包括电磁阀，并且所述控制单元控制所述电磁阀的开启量。

4.如权利要求1所述的制造装置，其中，所述制造装置还包括与至少一个所述蒸汽排出通道相连接的抽吸泵，并且所述控制单元控制所述抽吸泵的排出量。

5.如权利要求1所述的制造装置，其中，所述流量调节器包括电磁阀，并且在所述多个蒸汽排出通道的端部的汇合部形成有排出口，且所述排出口连接一抽吸泵，

其中，所述控制单元控制所述电磁阀的开启量和所述抽吸泵的排出量。

6.如权利要求1所述的制造装置，其中，所述控制单元根据填充在所述型腔内的树脂覆膜砂的空隙率来控制所述流量调节器。

7.一种铸造模具的制造方法，该制造方法使用如下装置，该装置包括：模具，其内具有型腔；蒸汽供应单元，其构造成将过热蒸汽供应到所述型腔内；多个蒸汽排出通道，其构造成将过热蒸汽从所述型腔中排出；流量调节器，其设置在至少一个所述蒸汽排出通道中，以调节从所述型腔排出的蒸汽的量；以及控制单元，其构造成控制所述流量调节器，以使得过热蒸汽均匀地填充所述型腔；

其中，该方法包括如下步骤：

向在增加的温度下加热的所述模具的所述型腔内填充树脂覆膜砂，该树脂覆膜砂通过在耐火集料上涂覆粘结剂树脂来制备；以及

通过在所述树脂覆膜砂的固化温度或更高温度、1.5～10kgf/cm²的蒸汽压力下将过热蒸汽供应到所述型腔内，来固化所述树脂覆膜砂；

其中，在固化所述树脂覆膜砂的步骤中，所述控制单元控制所述流量调节器，以使得过热蒸汽均匀地填充所述型腔。

8.如权利要求7所述的制造方法，其中，该装置包括设置在各所述蒸汽排出通道的入口附近的温度传感器，并且所述控制单元控制所述流量调节器，使得所述温度传感器检测的温度处于预定的温度范围内。

9.如权利要求7所述的制造方法，其中，该装置包括与至少一个所述蒸汽排出通道相连接的抽吸泵，并且所述控制单元控制所述抽吸泵的排出量。

10.如权利要求7所述的制造方法，其中，所述控制单元根据控制参数控制所述流量调节器，该控制参数包括所述蒸汽排出通道内的温度和填充在所述型腔内的所述树脂覆膜砂的空隙率的至少其中之一。

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