CN110355343A - 一种半固态金属型腔内成型模具及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半固态金属型腔内成型模具及工艺，涉及半固态金属成型技术领域，解决了半固态金属熔体成型技术投入成本大的技术问题。其技术要点包括模具，模具包括公模和母模，模具内设置有由公模和母模组成形成的型腔、与型腔连通的浇道以及与浇道连通的浇口，浇道的内壁上设置有若干道设置于浇道的内壁上且呈螺旋轨迹排布的导流凸起，各导流凸起与浇道内壁组成形成用于供熔融金属熔体流动的异形管路，模具内还设置有环浇道设置的冷却机构；本发明具有降低半固态金属熔体成型技术投入成本的优点。

Description

一种半固态金属型腔内成型模具及工艺

技术领域

本发明涉及半固态金属成型技术领域，更具体地说，它涉及一种半固态金属型腔内成型模具及其使用方法。

背景技术

为解决浇注，压铸过程中所产生的紊流现象給铸件带来的气孔，缩孔，夹渣等不良，20世纪70年代，美国麻省理工学院的M.C.Flemings教授等人发现并开发出金属半固态成形技术，经过40多年来各国的科研单位及专家的研究和发展形成了如下几种制备方法：

1．CRP（Continuous Rheo-Conversion Process）.（美国WPI公司）；

2．NRP（New Rheocating Processing）.（日本宇部株式会社）；

3．双剪流变.（英国Brunel大学）；

4．机械搅拌.（意德拉SSRTM）；

5．电磁搅拌.（美国ALumax公司）；

6．SEED.（加拿大）；

具体的，如授权公告号为CN104338932B的中国专利所公开的轻金属半固态注射成型机，包括送料装置、熔化装置、搅拌装置、输送装置和注射装置，送料装置前侧与熔化装置的后端相连接，熔化装置的前端与搅拌装置相连，注射装置位于熔化装置的下方，输送装置的上端与熔化装置相连，所述输送装置下端与注射装置相连接。

又如授权公告号为CN103817309B的中国专利所公开的半固态金属铸造设备及其工艺流程。其工艺流程如下：1)把金属放入熔解炉中加热熔化成液态金属。2)把熔解炉中熔化的液态金属逐步流入保温炉中。3)调节电动浇铸阀门控制从保温炉流入搅拌冷却槽内液态金属的流量。4)通过红外线温度传感器测量各段搅拌冷却槽内液态金属的温度。5)给搅拌机和往复运动机构通电，齿轮减速电机的输出齿轮通过从动齿轮带动空心转轴转动，从而带动金属套筒和外面的带楞的耐高温陶瓷护套在流动的液态金属里转动。往复运动机构带动小车在轨道上做往复运动，从而带动陶瓷护套在搅拌冷却槽内的液态金属里边转动边在搅拌冷却槽的横向运动。用振动盘粘度计测量液态金属固化度。6)用活塞泵或者螺旋挤压泵把半固态金属压入模具本体中。

又如授权公告号为CN100531964C的中国专利所公开的金属半固态浆体制备及成型的装置与方法，在该项技术中，金属熔体（包括某些适宜成分的铝合金、镁合金等）在输送泵的驱动下进入该装置的制浆器中，且制浆器的外围设有加热器和冷却器；金属熔体经过制浆器的制浆室时，受到强烈搅拌剪切作用，形成半固态浆体；在制浆室的末端，浆体经过出料口注入压铸机的压室，浆体体积达到设定量时再由冲头将浆体压射到模具本体中并凝固成型，实现金属半固态流变成型。

现有技术中类似于上述的各项技术所述，上述几种方法均需要专门的搅拌结构以使合金熔体内部产生摩擦剪切力，利用合金熔体剪切力促使枝晶臂的断裂，减小晶粒尺寸，并使晶粒球化，最终形成半固态金属熔体，但也因此，现有半固态金属制浆设备均存在制浆设备投资大、与金属溶液接触的部件易损而导致维护费用高，从而导致该技术推广应用仍存在较大的阻碍。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种半固态金属型腔内成型模具，其具有降低半固态金属熔体成型技术投入成本的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种半固态金属型腔内成型模具，包括模具本体，所述模具本体包括公模和母模，所述模具本体内设置有由公模和母模组成形成的型腔、与型腔连通的浇道以及与浇道连通的浇口，所述浇道的内壁上设置有若干道设置于浇道的内壁上且呈螺旋轨迹排布的导流凸起，各所述导流凸起与浇道内壁组成形成用于供熔融金属熔体流动的异形管路，所述模具本体内还设置有环浇道设置的冷却机构。

通过采用上述技术方案，利用现有的压射设备将熔融状态的金属熔体压射进模具本体内，在此过程中，熔融金属熔体首先通过浇口流入浇道内，最后通过浇道进入型腔内即可；其中，浇道因为呈异形管结构设置，因此，当熔融金属熔体在浇道内流动时，因为熔融金属熔体被压射装置推进浇道内，在浇道内流动的熔融金属熔体由于受到导流凸起的阻碍而导致流动方向发生变化，且因为压射装置推力和浇道内壁摩擦的双重作用，这将会导致熔融金属熔体在浇道的各个弯曲部位的流速不一样，让其产生层流、过度流、湍流等各种流态以使得合金熔体内部产生摩擦剪切力，摩擦剪切力促使枝晶臂的断裂，减小晶粒尺寸，并使晶粒球化，同时在冷却机构的温控下从而产生半固态金属熔体，在浇道内产生的半固态金属熔体会在后续金属熔体推力作用下进入模具本体内的型腔，最终完成铸件成型；采用上述方案，无需事先形成半固态金属熔体，即在半固态金属熔体的形成阶段中无需搅拌机构，且熔融金属熔体生产后可直接用于压铸机上，减少中间的转运过程，能够减少中间的转运装置，且在转移过程中能够尽可能的减少氧化问题等不良因素的产生，并且能够缩短铸造流程，减少制浆和成型时间，有效提高生产效率，且能够大幅度降低半固态金属熔体的成型成本，因此对半固态金属成型技术具有较大的推广作用。

本发明进一步设置为：所述浇道设置有若干道，各所述浇道的两端均分别与浇口和型腔连通。

通过采用上述技术方案，在基于同单位熔融金属熔体流量的前提下，设置成多道的浇道相对于单道设置的浇道横截面面积减少，但内壁表面积增加，因此能够大幅度增加熔融金属熔体与浇道的接触面积，有效提高熔融金属熔体在浇道内流动时的剪切摩擦力，最终达到增加半固态金属熔体的成型效果。

本发明进一步设置为：所述模具本体内设置有与型腔连通的汇流腔，各所述浇道的两端均分别与浇口和汇流腔连通。

通过采用上述技术方案，通过汇流腔能够使各道浇道内成型的半固态金属熔体重新汇流，使得同一模具本体内存在多道型腔时，汇流腔能够重新分配半固态金属熔体以确保各道型腔内均能够填满半固态金属熔体。

本发明进一步设置为：各所述浇道并排设置，所述浇道的设置数量不少于两道。

通过采用上述技术方案，使得各道浇道可以对半分开且能够分别位于公模和母模上，从而便于公模和母模合并时能够简单组成形成各道浇道。

本发明进一步设置为：各所述浇道环同一直线周向等距排布设置，所述浇道的设置数量不少于三道。

通过采用上述技术方案，能够避免呈螺旋状设置的多道浇道过于分散，便于冷却机构对各道呈螺旋状设置的各道浇道进行集中降温。

本发明进一步设置为：所述冷却机构设置为环各道浇道设置的螺旋通道，冷却机构的两端与外界冷却水循环输送装置连通。

通过采用上述技术方案，通过外界冷却水循环输送装置向螺旋通道内高压注入冷却水，利用冷却水与浇道内的熔融金属熔体进行换热，从而达到对熔融金属熔体进行降温、促进半固态金属熔体成型的效果。

本发明进一步设置为：各所述浇道的内壁上均设置有若干条线条纹路，各所述线条纹路环浇道的内壁周向排布设置或环浇道的内壁呈螺纹线状设置。

通过采用上述技术方案，熔融金属熔体在浇道内流动时会与线条纹路发生接触，并产生剪切摩擦力，使得熔融金属熔体在浇道内流动时会产生向心旋切搅拌的现象，使得晶粒球半固态化。

本发明进一步设置为：所述模具本体内可拆卸安装有浇道组件，各所述浇道均设置于浇道组件内。

通过采用上述技术方案，当铸件冷却成型后，工作人员可以将铸件连通浇道组件一同从模具本体内取出，从而便于工作人员将铸件和处于浇道内的废料切除分离，浇道内的废料也可以采用拆卸浇道组件或直接加热熔融等方式取出。

一种利用上述的模具本体的半固态腔内成型工艺，包括以下步骤：

步骤一、根据不同的材料成份以及铸件的大小及结构形态设定浇注温度，浇注温度控制在合金材料的液体温度上加20℃-40℃之间。

步骤二、熔融金属溶液通过压射装置用低速推进至接近模具本体浇口的位置处，然后观察铸件表面及成型情况并逐渐提高速度，直至达到最佳状态，然后转为高速注入，最后待型腔内部注满半固态熔液后增压注入；

步骤三、通过采用高压可调流速送水方式的外界冷凝水循环输送装置向螺旋通道内注入冷却水对浇道进行快速降温，直至浇道降至理想温度以确保每一模次的液固相比值在50：50即可；

通过采用上述技术方案，利用步骤一能够得到呈熔融状态的熔融金属熔体，且该熔融金属熔体虽然保持熔融状态，但受冷后较容易半固态化；利用步骤二能够将模具本体内和压射装置内的空气排出，避免熔融金属熔体在压射进模具本体内后夹杂较大空气，能够进一步减少工件的吸氢产生气孔和夹渣现象；利用步骤三能够确保熔融金属熔体充足降温，以使得熔融金属熔体发生半固化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

无需制造昂贵的专用制浆设备，减少设备维护成本，使得半固态金属成型技术所需要的投入成本大大降低，能够促进半固态金属成型技术的发展；

生产过程中，熔融金属熔体不需要较多的转运工序，有效提高生产效率，从而达到提高产品竞争力的效果；

生产过程中能够避免熔融金属熔体与外界空气接触过多，使得铸件吸氢产生气孔、夹渣现象大幅度降低，有效提高产品质量。

附图说明

图1为本实施例一的使用状态示意图；

图2为图1的A局部放大示意图；

图3为本实施例一各部位废料的形状示意图；

图4为本实施例二各部位废料的形状示意图；

图5为本实施例一改进后浇道组件的安装位置示意图；

图6为本实施例二改进后浇道组件的组装位置示意图；

图7为本实施例三各部位废料的形状示意图；

图8为本实施例四各部位废料的形状示意图；

图9为本实施例五各部位废料的形状示意图。

附图标记：1、模具；11、母模；12、公模；13、浇口；14、型腔；2、浇道；21、导流凸起；22、线条纹路；3、汇流腔；4、冷却机构；5、铸件；51、汇流腔废料；52、浇道废料；521、废料线条；53、浇口废料；6、浇道组件；61、公芯；62、母芯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例一：一种半固态金属型腔内成型模具，结合图1和图2所示，包括模具本体1，在模具本体1内设置有用于供铸件5成型的型腔14、与外界压射装置的出料口连通以用于接收熔融金属熔体的浇口13、若干道并排设置于模具本体1内且两端分别与浇口13和型腔14成型以用于成型半固态金属熔体的浇道2以及设置于模具本体1内且环各道浇道2设置的冷却机构4；其中，模具本体1分为公模12和母模11，母模11固定安装于压铸机上，公模12活动连接于压铸机上。

其中，结合图2和图3所示，各道浇道2并排设置，且各道浇道的数量不少于两道（本说明书附图中具体公开了浇道设置数量为三道时的布置示意图），且在各道浇道2的内壁上均设置有若干道设置于浇道2的内壁上的导流凸起21。

具体的，结合图2和图3所示，设置于同一道浇道2内的各道导流凸起21布置于浇道2任意设置的两对称面上，此时，各道导流凸起21沿浇道的长度方向相互交错隔开设置，在此条件下，由浇道2内壁和各道导流凸起21会组成形成呈波浪状设置的异形管路（波浪线轨迹的波峰和波谷与螺纹线轨迹相接），且异形管路的横截面可以呈矩形状或呈圆形状设置，本实施例中具体公开了横截面呈圆形状设置时的结构示意图。

其中，如图2所示，在模具本体1内还设置有与各道浇道2远离浇口13的一端连通的汇流腔3，且汇流腔3远离浇道2的一端缩口设置；进一步的，模具本体1内的型腔14可设置有若干道，各道型腔14均与汇流腔3连通设置。结合图3所示，当半固态金属熔体完全冷却成型后，模具本体1内会形成分别填充于型腔14、汇流腔3、浇道2和浇口13内的铸件5、汇流腔废料51、浇道废料52和浇口废料53，且铸件5、汇流腔废料51、浇道废料52和浇口废料53的形状大小会分别与型腔14、汇流腔3、浇道2和浇口13的形状大小相同设置。

结合图1和图2所示，冷却机构4设置为两端分别与设置于模具本体1外的外界冷凝水循环输送装置进水端和出水端连通的螺旋通道，螺旋通道环各道浇道2设置，螺旋通道的进水端靠近浇口13设置，螺旋通道的出水端靠近汇流腔3设置；其中，螺旋通道分为多截并且相互间隔的设置于公模12和母模11上，当公模12和母模11合并时，各截螺旋通道连通。

实施例二：与实施例一的区别在于，各道浇道2环同一中心线周向等距排布设置，且各道浇道2的设置数量不少于三道，其中，设置于同一浇道2内的各道导流凸起21沿浇道的内壁呈螺旋轨迹状排布，且一圈螺旋轨迹内分布有至少三道导流凸起21，在此条件下，各道由浇道2和导流凸起21组成形成的螺旋状设置的异形管路，进一步的，各道浇道2还可以环同一中心线螺旋设置（图4中具体公开了浇道呈螺旋异形管道状设置且各道浇道呈环同一中心线螺旋设置时成型出的废料），如图4所示，在采用上述方案后，当半固态金属熔体完全冷却成型后，模具本体1内会形成分别与型腔14、汇流腔3、浇道2（呈螺旋状设置）和浇口13形状大小相同设置的铸件5、汇流腔废料51、浇道废料52和浇口废料53，与实施例一相比，螺旋状设置的浇道2相对于波浪状设置的浇道2的内壁表面积更大，熔融金属熔体半固态效果更佳，但是，成型后的废料也较为难以取出。

进一步的，在各道浇道2的内壁上均设置有线条纹路22，线条纹路22沿浇道2的长度方向设置且环浇道2的内壁周向等距排布设置，如图3所示，在采用该改进方案后，在浇道废料52上会形成环浇道废料52的长度方向螺旋设置的废料线条521；其中，各道线条纹路22还可以沿浇道2的长度方向呈螺旋状设置，如图4所示，在采用该改进方案后，在浇道废料52上会形成环浇道废料52的长度方向螺旋设置的废料线条521。当熔融金属熔体在浇道2内流动时，熔融金属熔体会因为线条纹路22而达到增加熔融金属熔体与浇道2内壁接触面积的效果，从而使得熔融金属熔体更容易发生剪切摩擦力以形成半固态金属熔体，当半固态金属熔体凝固后，处于浇道2内的半固态金属熔体会填充与线条纹路22内以形成废料线条521，且废料线条521的形状会与设置于浇道2内壁上的线条纹路22相同设置。

进一步的，如图5和图6所示，在模具本体1内设置有浇道组件6，各道浇道2均设置于浇道组件6内，浇道组件6利用磁吸固定、或螺栓锁付、或卡接固定等方式可拆卸的安装于模具本体1内；具体的，浇道组件6包括公芯61和母芯62，在公芯61和母芯62相互配合的一面上均设置有若干道互相配合以形成浇道2的曲形槽，且公芯61的数量可以根据浇道2的曲线轨迹设置。

其中，冷却机构4的部分可设置于浇道组件6内，在此条件下，冷却机构4的两端部分均位于模具本体1内，当浇道组件6安装于模具本体1内时，冷却机构4位于浇道组件6内的部分于位于模具本体1内的部分连通以组合形成完整的冷却机构4。

进一步的，各导流凸起21还可以呈双螺旋轨迹状排布，具体的，利用各道导流凸起21之间位置和形状之间的配合，浇道2内壁和各道导流凸起21之间还可以组成形成其它能够使熔融金属熔体产生层流、过度流、湍流等现象的异型管结构，其主要特征是在浇道2的内壁上设置有若干道用于与熔融金属溶液接触时改变熔融金属溶液各个部位流动方向和流速的导流凸起21，从而使得熔融金属溶液内部产生剪切摩擦力，并配合冷却机构4即可使熔融金属溶液半固态化，具体的，异形管路可以呈多段X交叉连接设置或呈左右交叉螺旋状设置；在该方案中，半固态金属熔体冷却成型后的铸件5、汇流腔废料51、浇道废料52和浇口废料53应当是能够从模具本体1内取出的；其中，如图7、图8和图9所示的为采用不同形状异型管结构成型后的废料形状，废料的形状大小与浇道2的数量、形状相同设置。

一种利用上述模具本体的半固态金属成型工艺，包括以下步骤：

步骤一、根据不同的材料成份以及铸件5的大小及结构形态设定浇注温度，浇注温度控制在合金材料的液体温度上加20℃-40℃之间，如A356铝合金液态温度为615℃，则浇注温度为635℃-655℃；

步骤二、熔融金属溶液通过压射装置用低速（即压射装置的最低推进速度，一般为2 M/SEC）推进至接近模具本体1的浇口13的位置处，然后观察铸件5表面及成型情况并逐渐提高速度，然后转为高速注入（即压射装置的最高推进速度，一般为10 M/SEC），最后待型腔14内部注满半固态熔液后增压（最大压力为140kgf）注入；

步骤三、通过采用高压可调流速送水方式的外界冷凝水循环输送装置向螺旋通道注入冷却水对浇道2进行快速降温，直至浇道2降至理想温度（金属熔体的温度为液态温度与固态温度之和的中间值）以确保每一模次的液固相比值在50：50。

其中，应注意是，在压铸过程中，压射装置的压铸料筒应采用保温料筒以减少热量的损失；且在压铸过程中，模具本体1温度应保持在200-250度，以免产生流纹，夹层等缺陷。

本发明的工作原理如下：

当熔融金属熔体在浇道2内流动时，因为熔融金属熔体被压射装置推进浇道2内，在浇道2内流动的熔融金属熔体由于受到浇道2内壁螺旋向心摩擦力的作用，且因为压射装置推力和浇道2内壁摩擦的双重作用，这将会导致熔融金属熔体在浇道2的各个弯曲部位的流速不一样，让其产生层流，过度流，湍流等各种流态从而使合金熔体内部产生摩擦剪切力，摩擦剪切力促使枝晶臂的断裂，减小晶粒尺寸，并使晶粒球化，同时在冷却机构4的温控下从而产生半固态金属熔体，在浇道2内产生的半固态金属熔体会在后续金属熔体推力作用下进入模具本体1内的型腔14，最终完成铸件5成型。

采用上述技术无需制造昂贵的制浆设备，从而使得半固态金属成型技术的投入成本能够降低至原有技术的万分之一，且在生产过程中没有氧化层的影响因素，不会因为盲目降低成本而导致铸件5的品质降低，反而使得铸件5的品质能够得到进一步的提高；并且，在压射过程中，原料仍处于熔融金属熔体，浆料的重量可控，使得浇道2内残留的废料的量属于可调控范围；同时还能够缩短铸造流程，减少制浆及成型时间，有效提高生产效率，并且能够进一步节省成本。

以实施例一所提供的异型管浇道模具本体和现有的直浇道模具本体进行试流动性实验模模拟，其中，直浇道与型腔连通的一端的长宽比为1：1.2n-1.5n， n为上述异型管浇道试流动性实验模模拟实验中的异型管浇道数量，直浇道与型腔连通的一端的宽度与上述异型管浇道试流动性实验模模拟实验中异型管浇道内径相同设置。

具体的，以异型管浇道做试流动性实验模模拟，压射装置推力为13.2MPA，铸件厚度为2 mm，实际重量为52.4g为例，采用波浪管形状设置的异型管浇道的横截面积为82.93,异型管浇道设置为三排，且异型管浇道两端之间的直线距离为常160mm，异型管浇道任意相邻设置的两波峰之间间距为32mm，异型管相邻设置的波峰和波谷之间间距为9mm，利用FLOW-3D模拟可得，其实际压铸完成时间为0.26548s，铸件5及浇道内回炉料的总重量为460g。

采用直浇道做流动性试验模模拟，压射装置推力为13.2MPA，铸件厚度为2 mm，实际重量为52.4g为例，直浇道与型腔连通的一端的横截面积为333.36 mm²，与浇口连通的一端的横截面积为541.84，直浇道的横截面积为437.6mm²，直浇道长度为160mm，利用FLOW-3D模拟可得，其实际压铸完成时间为0.27515，铸件5及直浇道内废料的总重量为503g。

从上述两种模拟对比结构可知，经半固态成型工艺在压铸时所用材料实际减少43g（流道回炉料），且压铸时间有所缩短，且根据模拟图像可以看出金属流动性更好，夹渣，夹气更少。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种半固态金属型腔内成型模具，包括模具（1），所述模具（1）包括公模（12）和母模（11），所述模具（1）内设置有由公模（12）和母模（11）组成形成的型腔（14）、与型腔（14）连通的浇道（2）以及与浇道（2）连通的浇口（13），其特征在于：所述浇道（2）的内壁上设置有若干道设置于浇道（2）的内壁上且呈螺旋轨迹排布的导流凸起（21），各所述导流凸起（21）与浇道（2）内壁组成形成用于供熔融金属熔体流动的异形管路，所述模具（1）内还设置有环浇道（2）设置的冷却机构（4）。

2.根据权利要求1所述的一种半固态金属型腔内成型模具，其特征在于：所述浇道（2）设置有若干道，各所述浇道（2）的两端均分别与浇口（13）和型腔（14）连通。

3.根据权利要求2所述的一种半固态金属型腔内成型模具，其特征在于：所述模具（1）内设置有与型腔（14）连通的汇流腔（3），各所述浇道（2）的两端均分别与浇口（13）和汇流腔（3）连通。

4.根据权利要求2所述的一种半固态金属型腔内成型模具，其特征在于：各所述浇道（2）并排设置，所述浇道（2）的设置数量不少于两道。

5.根据权利要求2所述的一种半固态金属型腔内成型模具，其特征在于：各所述浇道（2）环同一直线周向等距排布设置，所述浇道（2）的设置数量不少于三道。

6.根据权利要求2所述的一种半固态金属型腔内成型模具，其特征在于：所述冷却机构（4）设置为环各道浇道（2）设置的螺旋通道，冷却机构（4）的两端与外界冷却水循环输送装置连通。

7.根据权利要求2所述的一种半固态金属型腔内成型模具，其特征在于：各所述浇道（2）的内壁上均设置有若干条线条纹路（22），各所述线条纹路（22）环浇道（2）的内壁周向排布设置或环浇道（2）的内壁呈螺纹线状设置。

8.根据权利要求2所述的一种半固态金属型腔内成型模具，其特征在于：所述模具（1）内可拆卸安装有浇道组件（6），各所述浇道（2）均设置于浇道组件（6）内。

9.一种利用权利要求1-8所述的模具的半固态腔内成型工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据不同的材料成份以及铸件（5）的大小及结构形态设定浇注温度，浇注温度控制在合金材料的液体温度上加20℃-40℃之间；

步骤二、熔融金属溶液通过压射装置用低速推进至接近模具1浇口（13）的位置处，然后观察铸件（5）表面及成型情况并逐渐提高速度，直至达到最佳状态，然后转为高速注入，最后待型腔（14）内部注满半固态熔液后增压注入；

步骤三、通过采用高压可调流速送水方式的外界冷凝水循环输送装置向冷却机构（4）注入冷却水对浇道（2）进行快速降温，直至浇道（2）降至理想温度以确保每一模次的液固相比值在50：50即可。