CN104385542A - 熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，用于冷却浇注在模具的型腔内的熔融态物体以及控制模具的温度场分布，包括设置在模具内的、至少一段冷却通道组成的冷却通道模块，并且所述冷却通道中至少有一段为多孔金属冷却管，用于冷却熔融态物体的冷却流质从所述冷却通道模块的入口流入模具内，从所述冷却通道模块的出口流出模具，并形成流动循环。本发明大幅提升了模具内冷却通道的换热性能，极大提高了产品成形效率，降低了单件产品所需锁模力、设备运转方面的能耗，并且能实现一条冷却通道不同位置具有不同的换热系数，通过不同的多孔金属插入策略，对模具温度场的进行准确控制，提升成形零件质量的同时提高模具热疲劳寿命。

Description

熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统

技术领域

本发明涉及液态金属成形及注塑成形技术领域，特别是涉及一种熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统。

背景技术

压力铸造及注塑等材料成形工艺被广泛用于汽车、仪表、航空航天以及家用电器等生产行业。这些工艺共同的特征是将熔融的材料通过设备注入到模具中，并在模腔内逐渐冷却，最终相变凝固成形。其中，冷却系统是该类工艺的关键技术之一，是将熔体凝固成形过程中释放的大部分热量带走的主要途径。

通常采用的冷却系统是在模具上通过钻削加工形成冷却通道，并在外部配置模温机，以水或者导热油为循环工质实现控温。由于在模具中开设的冷却通道为内壁光滑的通孔，换热能力极为有限，使得冷却效率低下。目前还有在模具中插入热管以提高换热效率的方式，但热管只能实现热量从模具内的某一点转移到另一点，而不能将这部分热量从模具中带走，其冷却效率甚至低于冷却通道的强制对流换热。可见，冷却通道内的换热效率是模具温控的关键所在。

同时，材料在模腔中的凝固及冷却过程是这类工艺中最为耗时耗能的部分，占整个成形时间的三分之二，因此提高冷却系统的换热效率一方面可缩短成形周期，提高生产效率，另一方面能够降低设备施加锁模力及保压压力时消耗的能量。此外，对于金属压力铸造而言，较高的冷却速率能够获得微观组织致密的金属铸件，其力学性能也能够得到相应的提升，同时可以减少高温区间有害相的生成。

此外，对于一些结构复杂，壁厚、模数不均匀的铸件或注塑件，其不同位置具有不同的凝固时间，容易产生热变形等问题。对此，需要在模具的对应位置采用不同的冷却速率，以降低温度不均匀导致的热应力。现有技术中通过在模具局部位置增加冷却通道的数量改变换热性能，其缺点在于一方面削弱了模具的强度，另一方面还受到模具空间的极大限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，提出一种可改善模具内部冷却通道的换热能力，实现不同成形工艺要求的冷却及温度控制的系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，用于冷却浇注在模具的型腔内的熔融态物体以及控制模具的温度场分布，包括设置在模具内的、至少一段冷却通道组成的冷却通道模块，并且所述冷却通道中至少有一段为多孔金属冷却管，用于冷却熔融态物体的冷却流质从所述冷却通道模块的入口流入模具内，从所述冷却通道模块的出口流出模具，并形成流动循环。

冷却通道模块中的多孔金属冷却管能够提高换热效率，使模具的热量迅速被循环流动的冷却流质带走，改善了对模具的冷却和温度控制能力。

所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统还包括设置在模具外的温控箱，温控箱出口通过进水管连接至所述冷却通道的入口，所述进水管上设有过滤器，并在所述冷却通道模块的入口处设有增压泵，所述冷却通道模块的出口通过出水管连接回与温控箱的入口。由温控箱驱动冷却流质，自进水管经过滤器及增压泵注入模具内的冷却通道模块，在多孔金属冷却管的扰流及体积换热作用下将热量迅速带走，最后通过出水管回流至温控箱，并循环流动，其中增压泵在补偿流动压力损失的同时，也可控制压力，实现不同冷却通道支路的流量分配。

所述多孔金属冷却管为嵌设多孔金属的管道，所述多孔金属为颗粒烧结结构、泡沫结构或者金属丝片结构，多孔金属的材料为铜、铝、镍的一种或者合金。能利用多孔金属扰流、增大体积换热等优点，提高换热效率。

所述多孔金属的孔隙率范围为40％-98％，每英寸长度上孔数PPI范围为5-120。

所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，在将熔融态物体加工为弯折状零件时，所述冷却通道模块包括沿平行于成形的弯折状零件的方向布置的多段多孔金属冷却管。能使熔融态物体快速冷却，加工成形为弯折状零件。

所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，在对模具的型腔上的特定点进行冷却时，所述冷却通道模块由一对直套管以及设置在直套管的连接部的多孔金属冷却管组成，并且多孔金属冷却管布置在模具内与所述特定点对应的位置。能对模具进行点冷却，强化该特定点的冷却能力。

所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，在将熔融态物体加工为薄壁零件，所用的模具包括动模板和定模板时，动模板和定模板内各设有一个所述的冷却通道模块，并且冷却通道模块由一段多孔金属冷却管组成。能将熔融态物体快速冷却并凝固为薄壁零件。

所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，在将熔融态物体加工为厚度不均匀的多段零件时，所述冷却通道模块相应的由孔隙率和每英寸长度上孔数PPI不同的多段多孔金属冷却管依次连接而成。由于厚度不均匀的多段零件的局部模数不同，相变凝固并冷却的过程中释放的热量也不同，本发明利用多孔金属不同孔隙率和PPI具有不同换热性能的特征，可实现模具温度的局部控制，降低该类壁厚有变化的铸件或注塑件的热应力。

本发明与现有技术相比具有以下突出的优点：

(1)本发明通过在模具内设置多孔金属冷却管实现强化换热，极大的提高了产品成形效率，缩短了产品循环生产周期，同时降低了单件产品所需锁模力、设备运转方面的能耗；

(2)系统的换热性能可通过多孔金属的材料、结构、孔隙率、每英寸长度上孔数PPI等参数特征直接决定，针对不同模数的产品可选择不同换热性能的多孔金属，简化了整套系统设置；并且，本发明采用不同换热性能的多孔金属冷却管，能使冷却通道内的不同位置都具有适应于成形产品的换热系数，从而降低壁厚有变化的铸件或注塑件的热应力；

(3)对于金属铸件而言，从液相凝固为固相的过程中，凝固速率较低会产生粗大晶粒，降低铸件力学性能，此外在从凝固后到开模的冷却过程中若时间较长会生成影响铸件力学性能的二次相；本发明通过对模具冷却系统进行强化换热，能够提供较高的冷却速率、凝固速率，一方面能够细化晶粒，另一方面也减少了二次相生成，最终使铸件质量得到较大提升；

(4)从模具角度而言，本发明可结合成形过程模具温度场分布，对模具过热区域进行强化换热，减少模具热不平衡造成的应力，从而提高模具热疲劳寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例1中加工成形弯折状零件的结构示意图；

图3为实施例2中针对模具特定点冷却的结构示意图；

图4为实施例3中加工成形薄壁零件的结构示意图；

图5为实施例4中加工成形厚度不均匀的多段零件的结构示意图；

图6为典型的泡沫金属及颗粒烧结金属的结构示意图；

图7为不同PPI与换热性能的对比关系图；

附图标记说明：1、温控箱；2、进水管；3、过滤器；4、增压泵；5、模具；6、多孔金属冷却管；7、成形零件；8、出水管；9、冷却通道模块；10、堵头；11、模具5镶块；12、水管接头；13、支撑块；14、套管；15、密封块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，熔融态物体成形模具5的冷却及温度控制系统，用于冷却浇注在模具5的型腔内的熔融态物体以及控制模具5的温度场分布，包括设置在模具5内的、至少一段冷却通道组成的冷却通道模块9，并且所述冷却通道中至少有一段为多孔金属冷却管6，用于冷却熔融态物体的冷却流质从所述冷却通道模块9的入口流入模具5内，从所述冷却通道模块9的出口流出模具5，并形成流动循环。

本发明的基本工作过程和原理为：向模具5内通入循环流动的冷却流质，并通过设置在冷却通道模块9中的多孔金属冷却管6提高换热效率，使模具5的热量迅速被循环流动的冷却流质带走，从而改善对模具5的冷却和温度控制能力。

进一步地，所述的熔融态物体成形模具5的冷却及温度控制系统还包括设置在模具5外的温控箱1，温控箱1出口通过进水管2连接至所述冷却通道的入口，所述进水管2上设有过滤器3，并在所述冷却通道模块9的入口处设有增压泵4，所述冷却通道模块9的出口通过出水管8连接回与温控箱1的入口。

本实施例以压铸模具5冷却系统为说明对象，冷却系统主要包括：温控箱1，进水管2，过滤器3，增压泵4，模具5，多孔金属冷却管6，出水管8，冷却通道模块9。图1给出了冷却系统整体的连接方式，为了实现模具5的强化换热，在冷却通道内插入了多孔金属冷却管6，由于插入过多的多孔金属会使冷却通道的流阻增大，因此在对应的循环通路中加入了增压泵4。实际工作时，当熔融态物体(液相状态的成形零件)注入模具5的型腔后，冷却流质在温控箱1的驱动下，自进水管2经由过滤器3及增压泵4注入模具5冷却通道，在多孔金属冷却管6内的多孔金属的扰流及体积换热作用下将热量迅速带走，最后通过出水管8回流至温控箱1。其中，增压泵4在补偿压力损失的同时，也可通过控制压力实现不同冷却通道支路的流量分配。

所述多孔金属冷却管6为嵌设多孔金属的管道，所述多孔金属为颗粒烧结结构、泡沫结构或者金属丝片结构，多孔金属的材料为铜、铝、镍的一种或者合金。能利用多孔金属比重小、热量吸收性好、比表面积大等优点，提高换热效率；多孔金属的孔隙率范围为40％-98％，每英寸长度上孔数PPI范围为5-120。

如图6(a)、(b)所示，分别为典型的泡沫金属结构和颗粒烧结金属结构的多孔金属示意图。

多孔金属冷却管6的换热性能由多孔金属的材料、结构、孔隙率、PPI等参数直接确定，采用不同换热性能的多孔金属冷却管6，能组合形成适应于成形产品冷却需求的冷却通道，该冷却通道在不同位置具有强弱不同的换热性能，由此可以实现模具5温度场的控制。

本实施例的熔融态物体成形模具5的冷却及温度控制系统可应用于压力铸造、注塑成形等需要实现液相材料在模具5中相变成形的工艺过程。

实施例2

图2为一个冷却循环通路及在模具5内部冷却成形零件7的示意图，与实施例1的区别在于，所述冷却通道模块9包括沿平行于成形的弯折状零件的方向布置的多段多孔金属冷却管6。

其制造的步骤如下：(1)根据成形弯折状零件的形状、模数、热节部位等确定循环路径，并判断所需强化换热部位；(2)在模具5镶块11中通过钻削获取一系列的直孔冷却通道，孔直径在5mm-30mm范围内；(3)通过切削加工或线切割等方式制备内插多孔金属，其直径不大于步骤(2)孔直径，其结构可以是颗粒烧结结构、泡沫结构、金属丝片结构等的任一种，材料可选择铜、铝或镍的一种或合金；(4)在需要强化换热的直孔冷却通道内插入多孔金属，形成多孔金属冷却管6；(5)利用堵头10将冷却通路中多余的开孔封闭，并压紧多孔金属，形成一个冷却通道模块9。

其它技术特征与实施例1相同，在此不再赘述。

在本实施例中，将冷却流质从所述冷却通道模块9的入口流入模具5内，从所述冷却通道模块9的出口流出模具5，形成流动循环，即可冷却成形弯折状零件。

实施例3

图3为另一冷却循环通路及在模具5内部冷却成形零件7的示意图，与实施例2的区别在于，该冷却方式是对模具5的型腔上的特定点进行冷却，所述冷却通道模块9由一对直套管14以及设置在直套管14的连接部的多孔金属冷却管6组成，并且多孔金属冷却管6布置在模具5内与所述特定点对应的位置。

所述特定点是指，在冷却浇注在模具5的型腔内的熔融态物体时，需要强化冷却效率的点，如模具5型腔上的拐点及其它死角等。

本实施例能对模具5进行点冷却，强化该特定点的冷却能力。

制作时，先确定模具5中需要强化冷却的特定点，在模具5镶块11的对应位置钻削一个盲孔，在该盲孔中插入内嵌多孔金属的多孔金属冷却管6，用长短不同的一对套管14分别连接多孔金属冷却管6的两端，使这对套管14和多孔金属冷却管6形成供冷却流质流动的回路，同时利用密封块15和支撑块13对该回路进行密封和固定，并通过水管接头12使这对套管14的端口分别与进水管2和出水管8连接。

其它技术特征与实施例1或2相同，在此不再赘述。

本实施例能对模具5进行点冷却，强化该特定点的冷却能力。

实施例4

本实施例与实施例1、2、3的不同之处在于，在将熔融态物体加工为薄壁零件，所用的模具5包括动模板和定模板时，动模板和定模板内各设有一个所述的冷却通道模块9，并且冷却通道模块9由一段多孔金属冷却管6组成。

如图4所示的一薄壁零件的快速冷凝策略：在模具5镶块11的动、定模板中分别设置一个冷却通道，并在冷却通道中插入相同孔密度的多孔金属，从而形成由多孔金属冷却管6组成的冷却通道模块9，熔融态物体在较强的换热条件下快速凝固并冷却，形成薄壁零件。

本实施例能将熔融态物体快速冷却并凝固为薄壁零件。

实施例5

本实施例与实施例1、2、3、4的不同之处在于，在将熔融态物体加工为厚度不均匀的多段零件时，所述冷却通道模块9相应的由孔隙率和每英寸长度上孔数PPI不同的多段多孔金属冷却管6依次连接而成。

如图5所示的一厚度不均分布零件的冷凝策略：由于零件的局部模数不同，相变凝固并冷却的过程中释放的热量也不同，同时在同一冷却通道内各位置的冷却流质的流量是相同的，因此直接决定换热性能的是多孔金属的孔隙率及PPI；根据多孔金属不同孔隙率和PPI具有不同换热性能的特征，在冷却通道里依次插入适应于成形零件7的不同换热性能的多孔金属，且每段多孔金属的长度与零件结构对应。

图7为多孔金属选用泡沫铜，在给定模具5热源和冷却流质流量下，不同PPI泡沫铜的换热性能对比实验数据，其纵轴为Nusselt数(努塞尔数)，是表示对流换热强烈程度的一个准数，又表示流体层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比，横轴为孔密度，用PPI的大小来表示。假设图5中铸件厚度不同的三个部分凝固冷却所释放的热量之比(可通过模数进行计算)为4:3:1(由厚至薄)，则可在冷却通道里依次插入不同换热性能的多孔金属，每段多孔金属的长度与零件结构对应，这里可选取图7中PPI依次为90、60及30的泡沫铜。；在冷却循环过程中，冷却通道内与厚壁位置对应的部分具有更高的换热性能，热量更快被带走，从而使模具5温度场分布更平衡。同理，采用分段插入不同换热性能多孔金属还可实现零件的顺序凝固。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更或组合，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，用于冷却浇注在模具的型腔内的熔融态物体以及控制模具的温度场分布，其特征在于，包括设置在模具内的、至少一段冷却通道组成的冷却通道模块，并且所述冷却通道中至少有一段为多孔金属冷却管，用于冷却熔融态物体的冷却流质从所述冷却通道模块的入口流入模具内，从所述冷却通道模块的出口流出模具，并形成流动循环。

2.根据权利要求1所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，其特征在于，还包括设置在模具外的温控箱，温控箱出口通过进水管连接至所述冷却通道的入口，所述进水管上设有过滤器，并在所述冷却通道模块的入口处设有增压泵，所述冷却通道模块的出口通过出水管连接回与温控箱的入口。

3.根据权利要求1所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，其特征在于，所述多孔金属冷却管为嵌设多孔金属的管道，所述多孔金属为颗粒烧结结构、泡沫结构或者金属丝片结构，多孔金属的材料为铜、铝、镍的一种或者合金。

4.根据权利要求3所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，其特征在于，所述多孔金属的孔隙率范围为40％-98％，每英寸长度上孔数PPI范围为5-120。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，其特征在于，在将熔融态物体加工为弯折状零件时，所述冷却通道模块包括沿平行于成形的弯折状零件的方向布置的多段多孔金属冷却管。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，其特征在于，在对模具的型腔上的特定点进行冷却时，所述冷却通道模块由一对直套管以及设置在直套管的连接部的多孔金属冷却管组成，并且多孔金属冷却管布置在模具内与所述特定点对应的位置。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，其特征在于，在将熔融态物体加工为薄壁零件，所用的模具包括动模板和定模板时，动模板和定模板内各设有一个所述的冷却通道模块，并且冷却通道模块由一段多孔金属冷却管组成。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的熔融态物体成形模具的冷却及温度控制系统，其特征在于，在将熔融态物体加工为厚度不均匀的多段零件时，所述冷却通道模块相应的由孔隙率和每英寸长度上孔数PPI不同的多段多孔金属冷却管依次连接而成。