CN103502651B - 模具泵组件 - Google Patents

Abstract

用例如铝的熔融金属填充复杂模具的熔融金属泵组件（10）和方法。该泵组件包括细长轴（16），其将电机（14）与叶轮（22）连接。将叶轮容纳在底座件的腔室（18）内，使得，叶轮的旋转将熔融金属在入口（48）处吸入腔室，并迫使熔融铝通过出口（50）。第一轴承（36）适于在第一径向边缘（32）处支持叶轮的旋转，第二轴承（38）适于在第二径向边缘处支持叶轮的旋转。一旁通间隙（60）介于第二轴承和第二径向边缘之间。熔融金属以预定速度通过旁通间隙泄漏，以操控熔融金属的流速和排出压力，实现对流速的精确控制。

Description

模具泵组件

背景技术

本典型实施例涉及一种用于抽吸熔融金属的泵组件。特别地，其可与用于可变压力泵的轴和叶轮组件一起应用，以用熔融金属填充模具，并且，将特别参考其进行描述。然而，应理解，本典型实施例也可用于其他类似的应用。

有时需要移动液态或熔融形式的金属时。利用熔融金属泵在管道系统中或在储存容器内转移或循环熔融金属。这些泵通常包括由底座件支撑的电机，底座件具有贯穿熔融金属的本体以使叶轮旋转的可旋转的细长轴。底座件浸没在熔融金属中，并且底座件包括壳体或泵室，叶轮定位于所述壳体或泵室中。电机由刚性地附接至多个结构柱的平台或由附接至底座件的中心支撑管支撑。该多个结构柱和可旋转的细长轴从电机延伸，并延伸进入浸没在熔融金属中的泵室，叶轮在泵室内旋转。叶轮在其中的旋转导致熔融金属的定向流动。

叶轮被安装在底座件中的泵室内，并由轴承环支撑，以用作耐磨表面，并允许在其中平稳地旋转。另外，可在细长轴或叶轮上设置径向轴承表面，以防止泵组件的过度振动，该过度振动会导致泵部件的低效或甚至故障。传统地，这些泵叫做离心泵。

虽然离心泵可令人满意地用来抽吸熔融金属，但是，其永远不会作为填充熔融金属模具的装置。相反，此任务已经留给电磁泵、高压炉和标签机。已知的离心泵通常通过调节叶轮的转速来控制熔融金属的流速和压力。然而，当尝试将熔融金属转移至模具（例如，形状模具）中时，此控制机构会经历熔融金属的流速和压力的不稳定控制。当尝试填充用于复杂或杂乱形成的工具或零件的形状模具时，无法稳定地控制熔融金属流入形状模具是特别普遍的。

发明内容

在一个实施例中，本公开涉及一种用熔融金属填充模具的熔融金属泵组件。泵组件包括将电机与叶轮连接的细长轴。叶轮被容纳在底座件的泵室内，使得，叶轮的旋转将熔融金属在入口处吸入泵室，并迫使熔融金属通过泵室的出口。叶轮包括第一径向边缘，其与第二径向边缘隔开，使得，第一径向边缘靠近细长轴。轴承组件在泵室内包围叶轮，轴承组件包括第一轴承和第二轴承，第一轴承适于在第一径向边缘处支持叶轮的旋转，第二轴承适于在第二径向边缘处支持叶轮的旋转。在第一和第二轴承中之一与相关的第一和第二径向边缘之间插入有至少一个旁通间隙。该旁通间隙用来操纵熔融金属的流速和排出压力。当使叶轮旋转时，熔融金属以预定速度从泵室中通过旁通间隙泄漏，以使得实现流速的精确控制。

在本公开的另一实施例中，提供了一种用熔融金属填充模具的方法。该方法包括，使叶轮在泵室内旋转。将熔融金属通过叶轮转移至泵室中。熔融金属的预定部分通过至少一个旁通间隙从泵室泄漏至底座外部。泄漏速度允许相对于叶轮的转速精确地调节排出压力。用熔融金属填充相关的模具，并由可编程控制曲线进行控制。

根据本公开的又一实施例，提供了一种用熔融金属填充模具的熔融金属泵组件。泵组件包括将电机与叶轮连接的细长轴。将叶轮容纳在底座件的泵室内，使得，叶轮的旋转将熔融金属在入口处吸入泵室，并迫使熔融金属通过泵室的出口。叶轮包括靠近第一外圆周的第一径向边缘，该第一径向边缘与靠近第二外圆周的第二径向边缘隔开，使得，将细长轴刚性地附接至第一外圆周。

轴承组件在泵室内包围叶轮，并且轴承组件包括第一轴承和第二轴承，第一轴承适于在第一径向边缘处支持叶轮的旋转，第二轴承适于在第二径向边缘处支持叶轮的旋转。在第二外圆周处设置至少一个旁通间隙，以在泵室和周围环境之间提供流体连通。该旁通间隙用来允许预定量的熔融金属从泵室泄漏，使得，在出口处提供对熔融金属的流速和排出压力的精确控制。

本公开的一个方面是一种用于熔融金属泵的组件和使用方法，以填充复杂模具，使得旁通间隙允许更精确的流速控制。

附图说明

图1是现有技术的熔融金属泵组件的前视图；

图2是熔融金属泵组件的一部分的横截面图，该部分包括附接至底座件的腔室内的叶轮的细长轴；

图3是细长轴和叶轮的立体图；

图4是叶轮的端视图；

图5是细长轴的前视图；

图6是底座件的横截面图；

图7是图2所示的附接至底座件的泵室内的叶轮的细长轴的分解横截面图；

图8是示出了相对于泵组件的叶轮的每分钟转数（RPM），出口处的熔融金属压力和熔融金属流速之间的关系的图表；

图9是示出了相对于可编程模具填充曲线，RPM和时间之间的示例性关系的图表；

图10是与复杂模具相关的示例性可编程模具填充曲线的图表。

具体实施方式

应理解，详细附图仅是为了示出代表性实施例的目的，而并非旨在是限制性的。另外，将理解，附图并不是成比例的，并且，为了清楚和易于解释的目的，可能放大某些元件的部分。

参考图1，显示了浸没在熔融金属12的浴槽中的熔融金属泵组件10的一个实例。熔融金属12（例如铝）可位于熔炉或槽（未示出）内。熔融金属泵组件10包括电机14，其经由耦接件17与细长轴16连接。通过可编程控制器19（例如，计算机或其他处理器）适于使该电机以可变速度运行。将细长轴16与位于底座件20的腔室18中的叶轮22连接。用多个附接至电机支座26的耐火柱24悬吊底座件20。还可使用一种替代形式的柱，其中，由耐火护套包围的钢条在电机支座与底座件20之间延伸。

通过电机14使细长轴16旋转，并且细长轴从电机14延伸并延伸到浸没在熔融金属12中的泵室18内，叶轮22在泵室18内旋转。在这里，叶轮22的旋转导致熔融金属12定向地流过相关的金属传送管道（未示出），例如，适于液体金属流动的提升管（riser，立管）。将用于金属传送管道系统的提升管与泵室18的出口连接，所述出口通常位于底座件的侧壁或顶壁附近。这些类型的泵通常叫做传送泵。在美国专利5,947,705中示出了一种适当的传送泵的一个实例，其公开内容结合于此以供参考。

参考图2至图6，示出了本公开的熔融金属泵组件10的元件。更特别地，细长轴16具有圆柱形形状，其具有通常垂直于底座件20的旋转轴线。细长轴具有近端28和远端30，近端28适于通过耦接件17附接至电机14，远端30与叶轮22连接。将叶轮22旋转地定位在泵室18内，使得电机14的操作使细长轴16旋转，这使叶轮22在泵室18内旋转。

底座件20限定容纳叶轮22的泵室18。底座件20被构造为，在结构上，将耐火柱24（可选地，由保护性耐火护套内的细长金属棒组成）容纳在通道31内。每个通道31适于容纳耐火柱24的金属棒部件，以刚性地附接至电机支座26。电机支座26将电机14支撑在熔融金属12的上方。

在一个实施例中，叶轮22被构造为具有第一径向边缘32，其与第二径向边缘34轴向地隔开。第一和第二径向边缘32，34位于叶轮22的周边的外围。泵室18包括轴承组件35，其具有与第二轴承环38轴向隔开的第一轴承环36。第一径向边缘32正面地（facially）与第一轴承环36对准，并且第二径向边缘34正面地与第二轴承环38对准。轴承环由例如碳化硅等材料制成，其具有高温下摩擦支承性质，以防止由于高摩擦力而导致周期性故障。该轴承适于支撑叶轮22在底座件内的旋转，使得，至少基本上防止泵组件10振动。类似地，叶轮的径向边缘可由例如碳化硅等材料制成。例如，叶轮22的径向边缘可由碳化硅轴承环制成。

在一个实施例中，叶轮22包括第一外圆周42，其与第二外圆周44轴向地隔开。细长轴16在第一外圆周42处附接至叶轮22。第二外圆周44与第一外圆周42相对地隔开，并与底座件20的底部46对齐。第一径向边缘32靠近第一外圆周42，并且第二径向边缘34靠近第二外圆周44。

在一个实施例中，在第二外圆周44中设置有底部入口48。更特别地，该入口包括叶轮22的鸟笼型的环面。当然，该入口可由叶片、孔、环面（“鸟笼”）或本领域已知的其他组件形成。应注意，也可使用顶部进料泵组件或顶部进料泵组件和底部进料泵组件的组合。

如从以下讨论中将显而易见的，带孔的或鸟笼型叶轮可能是有利的，因为其包括限定的径向边缘，其允许对于泵室18产生计划的公差（或旁通间隙）。美国专利6,464,458提供了带孔叶轮的一个实例，其公开内容结合于此以供参考。

叶轮22的旋转将熔融金属12吸入入口48并吸入泵室18中，因而，叶轮22的连续旋转导致熔融金属12被迫使离开泵室18，到达底座件20的出口50。

参考图6，轴承组件35包括底座圈轴承适配器52，所述底座圈轴承适配器构造为，将第二轴承环38与底座件20的底部46连接。底座圈轴承适配器52包括径向凸缘部分54，所述径向凸缘部分刚性地附接至盘形本体56，并用来沿着底座件20的底部46支撑各种尺寸的轴承环。径向凸缘部分54靠近泵室18，并通常垂直于盘形本体56。

图7示出了位于底座件20内的叶轮22。在叶轮22的径向边缘32与第一轴承环36之间保持紧公差（close tolerance，精密公差），以对泵室18内的叶轮22提供旋转和结构支撑。底座圈轴承适配器52通常是圆形的，并且构造为用于容纳第二轴承环38。可在底座件处设置不同尺寸的底座圈轴承适配器52和轴承环，以与叶轮22相互作用，使得，在轴承环38与叶轮22的径向边缘34之间提供所需尺寸的旁通间隙60。可选地，考虑可在第一径向边缘32与第一轴承环36之间提供旁通间隙60。

在一个实施例中，旁通间隙60介于第二轴承环38的一部分与第二径向边缘34之间。例如，旁通间隙60是介于第二轴承38的至少一部分与叶轮22的第二径向边缘34之间的径向空间。该径向空间具有设计公差，可改变该设计公差以允许熔融金属12具有预定泄漏速度。

在这点上，应注意，在叶轮22的径向边缘32与设置于底座20内的轴承环36之间存在润滑间隙62。该润滑间隙是所提供的这样的空间，将熔融金属保持在该空间内，以提供低摩擦边界。可基于相关合金的成分改变润滑间隙。考虑到，旁通间隙将具有至少大约是润滑间隙的1.25倍的宽度（即，叶轮与底座之间的距离），或大约是润滑间隙的1.5倍与6倍之间的宽度，或大约是润滑间隙的2倍与4倍之间的宽度，或所述范围的任何组合。

还应注意，可使用不连续的间隙宽度，其中，使相对紧公差的区域与相对大旁通间隙宽度的区域相间。

例如，旁通间隙60可为多个可移除的分段齿或柱，其径向地定位在叶轮22的周边周围，使得，在叶轮22的旋转过程中，多个齿与轴承环38保持接触，同时，介于齿之间的径向空间被构造为，允许熔融金属12以预定速度泄漏。在另一实施例中，可用定位成穿通叶轮22的第一外圆周42中的多个孔提供旁通间隙60，以允许与泵室18以及与底座件外部的环境流体连通。此外，还考虑，可在出口50附近中泵室18内的叶轮22的下游提供至少一个旁通间隙，或甚至可位于提升管内。此类型的旁通间隙可由在泵组件中钻出的孔组成。简而言之，通过在泵组件中的任何点提供设计的泄漏路径而提供一种用于填充复杂模具的熔融金属泵是可行的。

旁通间隙60用来操纵熔融金属12的流速和排出压力。旁通间隙60允许熔融金属以预定速度从泵室18泄漏至底座件20外部的环境。在泵组件10的操作过程中，熔融金属12从泵室18泄漏允许相关用户细微地调节提供至相关模具的熔融金属12的流速或体积量。熔融金属12通过旁通间隙60的泄漏速度能改进熔融金属12的传送的可控性，并且，至少部分地归因于熔融金属12的粘度系数。即，在一个实施例中，当熔融金属12的粘度减小时，也将减小旁通间隙60的尺寸，以得到熔融金属12的最佳泄漏速度。

在一个实施例中，旁通间隙60由第二轴承环38提供，使得，第二轴承环38包括比轴承组件35中的第一轴承环36大的内径。在这点上，在所述径向边缘34与第二轴承环38之间具有更大的空间。在另一实施例中，旁通间隙60由叶轮22提供，使得，叶轮22的第二径向边缘34具有比第一径向边缘32小的直径。这里，将第一径向边缘32邻接地定位并旋转地支撑在泵室18内的第一轴承环36处，以形成相对更窄的润滑间隙，同时，在第二轴承环38与第二径向边缘34之间存在旁通间隙。当然，可通过颠倒以上公开的尺寸，来形成顶侧间隙。

在一个实施例中，泵组件包括如下能力，即，静态地将通过出口50抽出并泵入提升管中的熔融金属12定位在熔融金属12的本体上方的大约1.5英尺的排出压力处。在一个实施例中，叶轮以大约850-1000每分钟转数的速度旋转，使得，将熔融金属静态地保持在熔融金属12的本体上方的大约1.5英尺处。旁通间隙60操纵泵10的体积流速和排出压力的关系，使得，当使熔融金属12的流速增加时，叶轮22的每分钟转数的增加量将允许减小排出压力。在图8中用图表示意性地示出了此关系。

通过将旁通间隙60定位在轴承组件35与叶轮22之间，可实现对提供给相关模具的熔融金属12的量的精确控制。更特别地，在一个实施例中，通过如图9所示的可编程命令rpm曲线，来操作电机14。将命令RPM曲线编程在控制器中，以与电机电连通，从而，使叶轮旋转，并迫使熔融金属通过出口50并进入金属传送管道，使得，金属传送管道的出口适合于相关的模具。可编程命令RPM曲线相对于相关模具的体积流速和几何形状，改变对电机的信号。

参考图10，在一个实施例中，相关模具（未示出）包括待填充熔融金属12（例如铝）的通常复杂的几何形状区域或提升管。金属传送管道或提升管（未示出）适合于用来自泵组件10的铝填充相关模具。用如图10所示的命令RPM曲线对泵组件10编程，所述曲线与相关模具的内部几何形状体积相关。此曲线控制电机14处的命令电压，以使叶轮12以预定转速旋转，从而，根据形状模具界限1-5以预定次数填充相关模具。更特别地，旁通间隙60允许增加对相关模具提供必要的熔融金属12的排出压力所需的命令RPM的大小。当填充相关模具以在具有复杂几何布置的模具内形成复杂零件时，此组件和方法是有利的，因为实现了泵组件10所提供的熔融金属12的量的更精细控制。适合于用这里公开的泵组件铸造的模制零件的实例包括，但不限于，发动机组，车轮和汽缸盖。

已经参考优选实施例描述了典型的实施例。明显地，在阅读并理解上述详细描述的基础上，将进行改进和改变。目的是，将该典型的实施例解释为，包括所有这种改进和改变，其在所附权利要求或其等价物的范围内。

Claims (21)

1.一种用熔融金属填充模具的熔融金属泵组件，所述泵组件包括：

细长轴，将电机与叶轮连接，所述叶轮被容纳在底座件的腔室内，使得所述叶轮的旋转将熔融金属在入口处吸入所述腔室中并迫使熔融金属通过所述腔室的出口，所述叶轮包括第一径向边缘，所述第一径向边缘与第二径向边缘隔开，以使得所述第一径向边缘靠近所述细长轴；以及

轴承组件，在所述腔室内包围所述叶轮，所述轴承组件包括：

第一轴承，适于在所述第一径向边缘处支持所述叶轮的旋转；

第二轴承，适于在所述第二径向边缘处支持所述叶轮的旋转；和

至少一个旁通间隙，介于所述第一轴承和所述第二轴承的其中之一的一部分与相关的所述第一径向边缘和所述第二径向边缘之间，所述旁通间隙在所述腔室与外部环境之间连通，用来操控所述熔融金属的流速和排出压力。

2.根据权利要求1所述的熔融金属泵组件，其中，当使所述叶轮旋转时，熔融金属以预定速度从所述腔室通过所述旁通间隙泄漏。

3.根据权利要求1所述的熔融金属泵组件，其中，所述底座件包括第一侧和相对的第二侧，以使得所述旁通间隙位于所述第二轴承与所述第二径向边缘之间。

4.根据权利要求1所述的熔融金属泵组件，其中，所述底座件适于支撑所述叶轮、所述细长轴和所述电机，以使得所述叶轮的第二外圆周靠近所述第二径向边缘，并与所述底座件的底部对齐。

5.根据权利要求1所述的熔融金属泵组件，其中，所述叶轮包括第一外圆周和第二外圆周，以使得所述细长轴垂直于所述叶轮的第一外圆周。

6.根据权利要求5所述的熔融金属泵组件，其中，所述入口位于所述第一外圆周处，所述入口包括适于将熔融金属传递至所述腔室的多个孔。

7.根据权利要求6所述的熔融金属泵组件，其中，所述叶轮包括从所述多个孔延伸至所述叶轮的侧壁的多个钻孔。

8.根据权利要求1所述的熔融金属泵组件，其中，当所述叶轮的转速增加时，所述旁通间隙适于减小所述出口处的相关熔融金属的排出压力。

9.一种用熔融金属填充模具的熔融金属泵组件，所述泵组件包括：

细长轴，将电机与叶轮连接，所述叶轮被容纳在底座件的腔室内，使得所述叶轮的旋转将熔融金属在入口处吸入所述腔室并迫使熔融金属通过所述腔室的出口，所述叶轮包括靠近第一外圆周的第一径向边缘和靠近第二外圆周的第二径向边缘，所述第一径向边缘与所述第二径向边缘隔开，以使得所述细长轴刚性地附接至所述第一外圆周；以及

轴承组件，在所述腔室内包围所述叶轮，所述轴承组件包括：

第一轴承，适于在所述第一径向边缘处支持所述叶轮的旋转；

第二轴承，适于在所述第二径向边缘处支持所述叶轮的旋转；以及

至少一个旁通间隙，设置在所述第二外圆周处，以在所述腔室与外部环境之间连通，所述旁通间隙用来控制所述熔融金属的流速和排出压力。

10.根据权利要求9所述的熔融金属泵组件，其中，所述旁通间隙在所述第二外圆周的一部分周围延伸。

11.根据权利要求9所述的熔融金属泵组件，其中，所述旁通间隙在所述叶轮的整个外围周围延伸。

12.根据权利要求9所述的熔融金属泵组件，其中，所述旁通间隙包括贯穿所述第二外圆周的多个孔口，以在所述腔室与所述底座件的外部环境之间连通。

13.根据权利要求9所述的熔融金属泵组件，其中，当所述叶轮旋转时，熔融金属以预定速度从所述腔室通过所述旁通间隙泄漏。

14.根据权利要求9所述的熔融金属泵组件，其中，当通过所述出口的熔融金属的流速增加时，所述旁通间隙适于减小相关熔融金属的排出压力。

15.根据权利要求9所述的熔融金属泵组件，其中，当所述叶轮的转速增加时，所述旁通间隙适于减小所述出口处的相关熔融金属的排出压力。

16.根据权利要求9所述的熔融金属泵组件，其中，所述旁通间隙用来调整所述泵组件，使得，将熔融金属静态地保持在金属线上方的大约1.5英尺的排出压力处，或保持在所述叶轮的850至1000每分钟转数之间。

17.一种用熔融金属填充模具的方法，所述方法包括：

使腔室内的叶轮旋转；

将熔融金属通过所述叶轮转移至所述腔室中；

熔融金属的预定部分通过至少一个旁通间隙从所述腔室泄漏至外部环境，以相对于所述叶轮的转速调节排出压力；以及

用所述熔融金属填充相关模具。

18.根据权利要求17所述的用熔融金属填充模具的方法，进一步包括，在用熔融金属填充所述相关模具的同时，调节所述叶轮的转速。

19.根据权利要求17所述的用熔融金属填充模具的方法，进一步包括，在用所述熔融金属填充所述相关模具的同时，根据可编程模具填充曲线控制熔融金属的排出压力和流速。

20.根据权利要求17所述的用熔融金属填充模具的方法，其中，所述旁通间隙位于所述腔室与所述叶轮之间。

21.一种用熔融金属填充模具的方法，所述方法包括：

使腔室内的叶轮旋转；

通过所述叶轮将熔融金属转移至所述腔室中；

熔融金属的一部分通过所述腔室内或所述腔室下游的至少一个旁通间隙泄漏至外部环境；以及

用所述熔融金属填充相关模具。