CN101234409A - 石墨冷铁铸模的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石墨冷铁铸模的制造方法，该方法包括以下步骤：将外铝圈加热到高于工作温度后与石墨冷铁呈无间隙配合关系装配到一起，然后，将内铝圈在常温下与石墨冷铁呈间隙配合关系装配在一起；通过压板固定内铝圈和外铝圈；将硬模与内铝圈连为一体形成砂衬结合面；射制砂衬，并以此装配成上、下型铸模；将上型铸模和下型铸模扣合于一体，并以此形成具有铸件腔的石墨冷铁铸模。该方法巧妙的把石墨冷铁及其组装件装配在一起，并由石墨冷铁和砂衬组合成铸件腔，达到了使车轮的轮辋、轮缘和踏面局部先凝固，车轮的辐板和轮毂表面后凝固的铸造效果，使产品质量得以大副提升，生产效率提高，生产成本降低。

Description

石墨冷铁铸模的制造方法

技术领域

本发明涉及一种铸模的制造方法，具体的说，涉及了一种石墨冷铁铸模的制造方法。

背景技术

对火车车轮制造来说，由于车轮的工况条件十分恶劣，对他的内部外部质量要求均十分苛刻，火车车轮铸造的核心问题是如何保证铸件内部无缩孔，也就是实现真正的顺序凝固。

现有技术一种工艺设备是通过外浇口的砂型铸造，该外浇口后来成为轮毂上的冒口；专门的浇口型心装置使金属能从它进入轮毂，在浇铸和定型时，车轮的滚动表面与铸铁铸模壁面结触。实际生产发现，当轮缘重量大时，由于铸铁铸模会过热和来不及将大热量导出，使铸件常有多种缺陷，轮的废品增多，另外，铸铁铸模寿命也降低了。

在多年研究基础上，现有技术提出了一种改进性工艺，该工艺主要特点是用石墨作为制造铸模的基本材料，石墨的高导热性及低热胀因子解决了铸模的寿命问题，有可能将滚动表面与轮缘二端部一起冷却。为了使轮盘在轮缘之后成型，其表面与石墨上的面砂结触，面砂用钠硅粘结剂粘在石墨铸模上；该工艺的优点是，可在同一个石墨铸模内浇铸有不同厚度轮缘的轮子，方法是在轮缘与轮盘间的过渡段上用不同厚度的面砂。

但实际生产上，用于铸造车轮的石墨冷铁价格很贵，也很娇贵，不仅需要配合套箱方可使用，而且极易损坏，当石墨冷铁损耗到一定程度后，就报废了，使用寿命短，同时石墨冷铁生产厂家很少，采购困难。

另外，制作硬模上的面砂层的工艺方法各种各样，现在常见的大多是使用射砂机射制以水玻璃或者以树脂作粘结剂的石英砂，由于面砂层(我们又称之为砂衬)的形状特点，导致远端很容易出现紧实率偏低现象。

为了解决以上问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨冷铁铸模的制造方法，该方法巧妙的把石墨冷铁及其组装件装配在一起，并由石墨冷铁和砂衬组合成铸件腔，达到了使车轮的轮辋、轮缘和踏面局部先凝固，车轮的辐板和轮毂表面后凝固的铸造效果，使产品质量得以大副提升，生产效率提高，生产成本降低。

为了实现上述目的，本发明提供了一种石墨冷铁铸模的制造方法，包括以下步骤：

步骤1、将上型外铝圈加热到高于工作温度后与上石墨冷铁呈无间隙配合关系装配到一起，然后，将上型内铝圈在常温下与所述上石墨冷铁呈间隙配合关系装配在一起；

步骤2、上型压板通过螺栓连接所述上型内铝圈和所述上型外铝圈，并使所述上型内铝圈和所述上型外铝圈夹持住所述上石墨冷铁；

步骤3、将上型硬模与所述上型内铝圈通过螺钉连接为一体，并使所述上型硬模和所述上石墨冷铁的局部共同形成上砂衬结合面；

步骤4、将射砂机射砂头与所述上型硬模上表面配合，在所述上砂衬结合面射砂以制作上砂衬，并以此装配成上型铸模；

步骤5、依次重复步骤1、步骤2、步骤3和步骤4的装配工艺，将下型外铝圈、下石墨冷铁、下型内铝圈、下型压板和下型硬模装配在一起，并在形成的下砂衬结合面射砂制作下砂衬，并以此装配成下型铸模；

步骤6、将所述上型铸模和所述下型铸模通过子母扣结构装配于一体，并以此形成具有由上、下石墨冷铁和上、下砂衬构成铸件腔的石墨冷铁铸模。

通过数控加工设备对所述铸件腔进行精加工。

依次在所述上型铸模的上部安装保温冒口，在所述保温冒口与所述上型内铝圈之间设置填充料，在所述填充料上部安装封盖。

所述保温冒口下端靠近射砂机射砂头最佳射砂点。

在步骤4中，制作上砂衬前，先通过支撑柱将雨淋浇口精确定位，然后射砂，使所述雨淋浇口精确固定在所述上砂衬上。

在步骤5中，制作下砂衬前，先通过定位结构将中芯精确固定，然后射砂。

在步骤4中，所述上型硬模与所述上型内铝圈呈间隙配合关系装配在一起，所述上型硬模与所述上石墨冷铁呈间隙配合关系装配在一起。

在步骤5中，所述下型硬模与所述下型内铝圈呈间隙配合关系装配在一起，所述下型硬模与所述下石墨冷铁呈间隙配合关系装配在一起。

所述上石墨冷铁下端具有车轮上型轮辋以及轮缘和踏面外侧面的形状，所述上砂衬下端具有车轮上型辐板和上型轮毂外表面的形状。

所述下石墨冷铁上端具有车轮下型轮辋外侧面的形状，所述下砂衬上端具有车轮下型辐板和下型轮毂外表面的形状。

本发明提出了一种石墨冷铁铸模的制造方法，该方法结合实际生产需要，不断创新，使具有复合结构的石墨冷铁铸模各工件得以科学装配，并通过在车轮的轮辋、轮缘和踏面的热节部位表面使用石墨冷铁直接形成型腔，使该局部先凝固，并在车轮的辐板和轮毂表面以砂型形成零件表面，使该部位的凝固时间落后于上述热节部位，产生了良好的铸造效果，大大提高了产品的质量，同时减少了石墨冷铁的体积，使成本降低，更利于保护石墨型，利于搬运，利于提高生产效率。

设置上型硬模、下型硬模的目的是为了提供一种可以使射砂头深入到铸型内部的方法，其中，硬模的外表面是造型用射砂机射砂头的配合面，与以往的技术相比，采用本方法，射砂头是可以深入到型内的，射砂距离有大幅度的减小，更有利于避免砂衬远端疏松的疑难问题，从而实现使砂衬的紧实率更高一些的目的。

上型冒口由砂衬和保温冒口形成，保温冒口的轴向长度应该尽量长，而冒口砂衬部分高度应该尽量低，以使保温冒口下端靠近射砂机射砂头最佳射砂点；这样设计有两个好处：一是将冒口改用保温冒口，钢水冷却慢，可以节约钢水；二是射砂头可以更向下一些，砂衬更容易充满，其紧实率更高，更有利于避免砂衬远端疏松的疑难问题；传统工艺是冒口整体由砂衬一次射砂形成。

针对所述下型铸模和所述上型铸模而言，设置上、下型外铝圈和上、下型内铝圈的优点是：

a)可以用小尺寸的石墨生产大尺寸的车轮，节省石墨用量，降低成本；

b)铝的导热性高于石墨，可以使铸型周转率提高，从而减少铸型数量；

c)石墨易损伤，增加外铝圈有利于石墨型的搬运，利于保护石墨型，提高石墨型的使用寿命；

d)增加外铝圈可以省掉套箱，利于使用机械手，简化生产工序，提高自动化程度；

e)针对所述上型铸模而言，增加内铝圈可以方便上、下型硬模的安装固定。

本发明设置上、下型压板的优点是：

a)方便将内铝圈、外铝圈、石墨冷铁组装到一体；

b)利于保护上、下石墨冷铁，以免磕碰损伤；

c)设置上型压板可以保护上石墨冷铁上的排气道，以免浇注钢水时进入杂物堵塞排气道；

d)上、下型压板上可设置排气槽，以利于石墨冷铁上的排气道和外部大气连通。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明铸造火车车轮的铸模的结构示意图。

附图标记说明：

1-下型内铝圈；         2-下型压板；          3-下型石墨冷铁；

4-下型外铝圈；         5-上型外铝圈；        6-上型石墨冷铁；

7-上型压板；           8-上型内铝圈；        9-上型硬模；

10-填充料；            11-保温冒口；         12-封盖；

13-上砂衬；            14-石墨、砂衬结合面； 15-上石墨冷铁铸面；

16-上砂衬铸件表面；    17-上硬模、砂衬结合面 18-中芯侧面；

19-石墨、砂衬结合面；  20-下砂衬铸件表面；   21-下硬模、砂衬结合面；

22-定位结构；          23-下砂衬；           24-中芯；

25-浮芯；              26-雨淋浇口；         27-雨淋浇口配合面；

28-雨淋孔；            29-支撑柱；           30-下型硬模；

31-补缩通道；          32-下石墨冷铁铸面；   33-子母扣结构；

34-下排气通道；        35-上排气通道。

具体实施方式

图1为本发明铸造火车车轮的铸模的结构示意图。

铸造火车车轮的铸模包括扣合的上型铸模和下型铸模，上型铸模和下型铸模均是由铝圈、石墨冷铁和硬模构成的复合材料镶嵌结构，其中石墨冷铁具有火车车轮轮辋、轮缘和踏面的热节部位表面形状，并与砂衬形成铸件腔，以使该局部先凝固；

在车轮的辐板和轮毂表面以砂型形成零件表面，以使该部位的凝固时间落后于上述热节部位。

具体地，本发明下型铸模包括下石墨冷铁3，下石墨冷铁3的上端设置成具有车轮下型轮辋内侧面形状，形成下石墨冷铁铸面32，下型内铝圈1和下型外铝圈4通过下型压板2与下石墨冷铁3配合，下型硬模30与下型内铝圈1连接，并与下石墨冷铁3紧密配合共同形成石墨、砂衬结合面19和下硬模、砂衬结合面21，下砂衬23设置在上述结合面上。

上型铸模包括上石墨冷铁6，上石墨冷铁6的下端设置成具有车轮上型轮辋内侧面以及轮缘和踏面形状，形成上石墨冷铁铸面15，上型内铝圈8和上型外铝圈5通过上型压板7与上石墨冷铁6配合；上型硬模9与上型内铝圈8连接，并与上石墨冷铁6紧密配合共同形成石墨、砂衬结合面14和上硬模、砂衬结合面17，上砂衬13设置在上述结合面上。

由于石墨冷铁和铝两种材质的线膨胀系数相差很大，同时铸模的最高工作温度通常在200℃～300℃的高温，如果在室温时铝圈和石墨冷铁之间的配合间隙为零，随着温度的上升，二者之间发生的膨胀量差距很大，外铝圈的膨胀量远大于石墨冷铁的膨胀量，这样两者之间会出现间隙，导致二者之间的导热变得很差，也导致上型铸模和下型铸模之间定位精度变的很差，甚至会使二者之间错位、脱落。

为此，本发明提出了如下解决方案：

假设外铝圈在最高工作温度能够与石墨保持间隙为零，计算自由状态下外铝圈在常温下的尺寸，并以此尺寸在常温下加工外铝圈。

装配时，将外铝圈加热到高于工作温度，这时外铝圈受热膨胀，将外铝圈和石墨冷铁装配到一起。在工作温度范围内，外铝圈和石墨冷铁之间始终保持过盈配合，外铝圈保持在材料弹性区。

当铸模暂时停止使用时，为了防止铸模温度降至常温导致石墨冷铁和外铝圈之间应力过大造成材料损坏，可以对铸模型进行保温，使之温度始终保持在安全区内。

同时，将石墨冷铁和外铝圈之间的配合面设置成锥形面，只能向一头脱落，即使工作温度高于设计温度，两者之间出现缝隙，也能保证两者之间始终是一体。

进一步地，将内铝圈和石墨冷铁之间的配合采取常温下的间隙配合，在工作时，由于温度升高，内铝圈膨胀量大于石墨冷铁，二者之间变成了过盈配合，间隙为零，但要保证过盈量在材料的安全区内。

内铝圈和石墨冷铁之间的配合面也是锥形面，只能向一头脱落，即使温度低于设计温度，两者之间出现缝隙，也能保证两者之间始终是一体。

在上述设计思想下，本发明下型外铝圈4与下石墨冷铁3之间的配合为下型外铝圈4被加热到高于工作温度时与下石墨冷铁3无间隙配合，上型外铝圈5与上石墨冷铁6之间的配合为上型外铝圈5被加热到高于工作温度时与上石墨冷铁6无间隙配合。

下型外铝圈4与下石墨冷铁3的配合面为锥形面，上型外铝圈5与上石墨冷铁6的配合面为锥形面。

进一步地，下型内铝圈1与下石墨冷铁3之间的配合为常温下的间隙配合，上型内铝圈8与上石墨冷铁6之间的配合为常温下的间隙配合。下型内铝圈1与下石墨冷铁3的配合面为锥形面，上型内铝圈8与上石墨冷铁6的配合面为锥形面。

下型压板2通过螺栓连接下型内铝圈1和下型外铝圈4，并使下型内铝圈1和下型外铝圈4压住下石墨冷铁3，组成下型铸模整体，下型压板2的上表面设置有下排气通道34。

上型压板7通过螺栓连接上型内铝圈8和上型外铝圈5，并使上型内铝圈8和上型外铝圈5压住上石墨冷铁6，组成上型铸模整体，上型压板7的下表面设置有上排气通道35。

下型压板2和上型压板7可以选用铸铁，但并不排除其他合适的材质。

下型硬模30用于和下石墨冷铁3的局部共同形成砂衬结合面，造型时，下砂衬23在其上挂砂。

下型硬模30和下型内铝圈1之间采用螺栓(或螺钉)连接结构，使之成为一整体，下型硬模30和下型内铝圈1之间也要保证在工作温度时不得有间隙，否则影响传热。

下型硬模30和下石墨冷铁3之间也需要紧密配合。

上型硬模9用于和上石墨冷铁6的局部共同形成砂衬结合面，造型时，上砂衬13在其上挂砂。

上型硬模9和上型内铝圈8之间采用螺栓(或螺钉)连接结构，使之成为一整体，上型硬模9和上型内铝圈8之间也要保证在工作温度时不得有间隙，否则影响传热。上型硬模9和上型石墨冷铁6之间也需要紧密配合。

下型硬模30和上型硬模9的材质可以使用灰铸铁，但不排除其他合适的材料。

在下砂衬23上，设有用于给中芯24定位的定位结构22，中芯24通过定位结构22设置在下砂衬23上，中芯侧面18形成轮毂孔，中芯24上设有三个支撑柱29，支撑柱29的上顶面与雨淋浇口26下底面在雨淋浇口配合面27处配合，雨淋浇口26上设有数个雨淋孔28，雨淋孔28是浇注通道，雨淋浇口26中部开设中心孔作为补缩通道31，浇注时由浮芯25盖住，浇注完成后浮芯25上浮，打开补缩通道31。

铸模型腔由上石墨冷铁铸面15、下石墨冷铁铸面32、上砂衬铸件表面16、下砂衬铸件表面20、中芯侧面18、雨淋浇口配合面27组成，雨淋浇口26以上是冒口。

冒口上部是保温冒口11，保温冒口11与上型内铝圈8之间填充有填充料10，填充料10上部设置封盖12，填充料10可以是干砂，以提高保温效果，封盖12的材料一般用已硬化的水玻璃砂制成；

需要特别说明的是：在其它实施例，所述保温冒口外侧面是锥形，其直径自上而下逐渐变大，在所述保温冒口外侧面套设压铁。

上型铸模和下型铸模之间采用子母扣结构33配合。

正是基于上述复杂的铸模结构，为了达到该铸模的特有的铸造效果，本发明特提供一种石墨冷铁铸模的制造方法，包括以下步骤：

步骤1、将上型外铝圈加热到高于工作温度后与上石墨冷铁呈无间隙配合关系装配到一起，然后，将上型内铝圈在常温下与所述上石墨冷铁呈间隙配合关系装配在一起；

步骤2、上型压板通过螺栓连接所述上型内铝圈和所述上型外铝圈，并使所述上型内铝圈和所述上型外铝圈夹持住所述上石墨冷铁；

步骤3、将上型硬模与所述上型内铝圈通过螺钉连接为一体，并使所述上型硬模和所述上石墨冷铁的局部共同形成上砂衬结合面；

步骤4、将射砂机射砂头与所述上型硬模上表面配合，在所述上砂衬结合面射砂以制作上砂衬；制作上砂衬前，先通过支撑柱将雨淋浇口精确定位，然后射砂，使所述雨淋浇口精确固定在所述上砂衬上；

并以此装配成上型铸模；

步骤5、依次重复步骤1、步骤2、步骤3和步骤4的装配工艺，将下型外铝圈、下石墨冷铁、下型内铝圈、下型压板和下型硬模装配在一起，并在形成的下砂衬结合面射砂制作下砂衬，制作下砂衬前，先通过定位结构将中芯精确固定，然后射砂；

并以此装配成下型铸模；

步骤6、将所述上型铸模和所述下型铸模通过子母扣结构装配于一体，并以此形成具有由上、下石墨冷铁和上、下砂衬构成铸件腔的石墨冷铁铸模。

步骤7、通过数控加工设备对所述铸件腔进行精加工。

步骤8、依次在所述上型铸模的上部安装保温冒口，在所述保温冒口与所述上型内铝圈之间设置填充料，在所述填充料上部安装封盖；所述保温冒口下端靠近射砂机射砂头最佳射砂点。

装配时，还特别需要注意：上、下型硬模与内铝圈的装配限位面装配时应控制其装配高度，与石墨冷铁接触的圆周面与石墨冷铁间隙配合，间隙量通过计算硬模与石墨冷铁不同的膨胀量，实现在工作温度200℃时配合间隙成为过渡配合；与内铝圈接触的圆周面与内铝圈配合，常温下与工作温度200℃均为间隙配合；

基于上述设计思想，在步骤4中，所述上型硬模与所述上型内铝圈呈间隙配合关系装配在一起，所述上型硬模与所述上石墨冷铁呈间隙配合关系装配在一起；

在步骤5中，所述下型硬模与所述下型内铝圈呈间隙配合关系装配在一起，所述下型硬模与所述下石墨冷铁呈间隙配合关系装配在一起。

铸型腔形状、尺寸的加工和修复：

1、铸型腔形状、尺寸的精加工，是在装配成一体后进行，加工设备采用数控车床；

2、当工作一段时间后，石墨冷铁可能会有损伤，需要修复时也是一体加工的；

3、当工作一段时间后，如果外铝圈和石墨冷铁之间在工作温度产生间隙，就需要将压盖拆卸下来，并从外铝圈的压盖装配端加工，由于外铝圈和石墨芯的结合面是锥面，这样就使得石墨和外铝圈又变成紧密配合了；并将加工好的外铝圈按本方法装配到一体后，反过来再一体加工石墨冷铁、内铝圈、外铝圈。

整体铸型的保养：

由于工作温度200℃时，要求外铝圈和石墨型之间是紧密配合的，这样才能保证传热的良好，上下型合型定位的精确，又由于铝的热膨胀系数很大，而石墨的热膨胀系数很小，在连续生产时由于铸型的温差不大，应该不成问题；但是，在非连续生产时，如果铸型长时间不用，可能导致铸型温度下降到常温，此时由于二者热膨胀系数的差异，产生过大的内应力，导致铸型受损。解决的方法是，将不用的铸型放入保温炉中保温，温度控制在工作温度或略低于工作温度。以避免产生过大的应力。

本发明所述方法结合实际生产需要，不断创新，使具有复合结构的石墨冷铁铸模各工件得以科学装配，并通过在车轮的轮辋、轮缘和踏面的热节部位表面使用石墨冷铁直接形成型腔，使该局部先凝固，并在车轮的辐板和轮毂表面以砂型形成零件表面，使该部位的凝固时间落后于上述热节部位，产生了良好的铸造效果，大大提高了产品的质量，同时减少了石墨冷铁的体积，使成本降低，更利于保护石墨型，利于搬运，利于提高生产效率。

需要特别说明的是：本发明的技术不仅仅应用于火车车轮铸模的制造，更可广泛应用于其它需石墨冷铁铸模的制造。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1、一种石墨冷铁铸模的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将上型外铝圈加热到高于工作温度后与上石墨冷铁呈无间隙配合关系装配到一起，然后，将上型内铝圈在常温下与所述上石墨冷铁呈间隙配合关系装配在一起；

步骤2、上型压板通过螺栓连接所述上型内铝圈和所述上型外铝圈，并使所述上型内铝圈和所述上型外铝圈夹持住所述上石墨冷铁；

步骤3、将上型硬模与所述上型内铝圈通过螺钉连接为一体，并使所述上型硬模和所述上石墨冷铁的局部共同形成上砂衬结合面；

步骤4、将射砂机射砂头与所述上型硬模上表面配合，在所述上砂衬结合面射砂以制作上砂衬，并以此装配成上型铸模；

步骤5、依次重复步骤1、步骤2、步骤3和步骤4的装配工艺，将下型外铝圈、下石墨冷铁、下型内铝圈、下型压板和下型硬模装配在一起，并在形成的下砂衬结合面射砂制作下砂衬，并以此装配成下型铸模；

步骤6、将所述上型铸模和所述下型铸模通过子母扣结构装配于一体，并以此形成具有由上、下石墨冷铁和上、下砂衬构成铸件腔的石墨冷铁铸模。

2、根据权利要求1所述的石墨冷铁铸模的制造方法，其特征在于：通过数控加工设备对所述铸件腔进行精加工。

3、根据权利要求1所述的石墨冷铁铸模的制造方法，其特征在于：依次在所述上型铸模的上部安装保温冒口，在所述保温冒口与所述上型内铝圈之间设置填充料，在所述填充料上部安装封盖。

4、根据权利要求3所述的石墨冷铁铸模的制造方法，其特征在于：所述保温冒口下端靠近射砂机射砂头最佳射砂点。

5、根据权利要求1所述的石墨冷铁铸模的制造方法，其特征在于：在步骤4中，制作上砂衬前，先通过支撑柱将雨淋浇口精确定位，然后射砂，使所述雨淋浇口精确固定在所述上砂衬上。

6、根据权利要求1所述的石墨冷铁铸模的制造方法，其特征在于：在步骤5中，制作下砂衬前，先通过定位结构将中芯精确固定，然后射砂。

7、根据权利要求1所述的石墨冷铁铸模的制造方法，其特征在于：在步骤4中，所述上型硬模与所述上型内铝圈呈间隙配合关系装配在一起，所述上型硬模与所述上石墨冷铁呈间隙配合关系装配在一起。

8、根据权利要求1所述的石墨冷铁铸模的制造方法，其特征在于：在步骤5中，所述下型硬模与所述下型内铝圈呈间隙配合关系装配在一起，所述下型硬模与所述下石墨冷铁呈间隙配合关系装配在一起。

9、根据权利要求1所述的石墨冷铁铸模的制造方法，其特征在于：所述上石墨冷铁下端具有车轮上型轮辋以及轮缘和踏面外侧面的形状，所述上砂衬下端具有车轮上型辐板和上型轮毂外表面的形状。

10、根据权利要求1所述的石墨冷铁铸模的制造方法，其特征在于：所述下石墨冷铁上端具有车轮下型轮辋外侧面的形状，所述下砂衬上端具有车轮下型辐板和下型轮毂外表面的形状。

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