CN110449552A - 一种用于半永久性模具铸造工艺的方法 - Google Patents

Abstract

一种使用连接到进料部分的半永久性模具铸造金属的方法包括：在进料部分的浇口中形成冷却剂夹套。冷却剂源连接到冷却剂夹套。将熔融状态的金属注入进料部分，以便重力诱导流入半永久性模具中。浇口的壁厚是预先确定的，其使来自浇口的热传递最小化，从而迫使熔融状态的金属在浇口中比在模具中更慢地冷却。金属在模具中冷却到固态预定时间之后，冷却剂开始从冷却剂源流入冷却剂夹套中，以在打开模具之前冷却浇口中的金属。

Description

一种用于半永久性模具铸造工艺的方法

引言

本公开涉及包括汽车车辆发动机部件的金属铸造部件的模制。

通常使用半永久性模具铸造部件，诸如用于汽车车辆发动机的气缸盖，该半永久性模具填充有诸如铝的熔融金属并且重力进给到模具中。

半永久性模具(SPM)涉及铸造工艺，其可以由可重复使用的金属模具和砂芯生产铝合金铸件，以在所得铸件内形成内部通道。SPM气缸盖模具由多个水平侧滑动模具部件(3或4)组成，其位于基础模具部件上方。SPM通常布置成两个半部，在将两个半模放在一起之前将砂芯放置到位。

在熔融金属注入之后，材料在模具内冷却和收缩，常见收缩高达约7％。为了应对收缩，增加了熔融金属的溢出体积，允许一部分溢出体积从模具中推出，从而生成冒口。

在材料冷却最短时间以固化并允许模具打开(通常约240秒)之后，必须通过随后的机加工操作移除冒口的溢出材料并重新熔化以再次使用。由于收缩和冷却所有材料所需的时间，填充模具所需的平均时间约为20至25秒。由于更冷的冒口布置，气缸盖铸件的典型金属成品率约为50％。这样的低成品率限制了铸造线周期时间。与已知的半永久性模具操作相关联的模制成本也受到需要熔化的附加材料的量、在能够打开模具之前允许包括冒口在内的所有材料冷却所需的时间，以及机加工时间和移除冒口材料的成本的影响。

因此，虽然目前的半永久性模具工艺实现了它们的预期目的，但是仍需要一种使用半永久性模具模制金属部件的新的改进系统和方法。

发明内容

根据若干方面，一种使用连接到浇注部分和进料部分的半永久性模具铸造金属的方法包括：连接浇筑部分与半永久性模具，实现流体连通；将强制冷却的浇口结合到进料部分中；将熔融状态的金属注入进料部分，以便重力诱导流入浇筑部分和半永久性模具中的每一个中；以及金属在模具中冷却到固态预定时间期间，冷却剂开始流入浇口中，以在打开模具之前冷却浇口中的金属。

在本公开的另一个方面中，方法包括：在注入步骤之前，将半永久性模具控制在约300摄氏度或更高温度；以及使冷却剂继续流动或继续使用加热器直到形成浇口的模具约为300摄氏度。

在本公开的另一个方面中，方法包括：在浇口中设置阻塞点，以预先确定模具的填充时间约为11秒。

在本公开的另一个方面中，方法包括：在打开模具之前，使冷却剂继续流动约20秒，以及冷却浇口，因此其在240秒模具打开时间时为固态。

在本公开的另一个方面中，方法包括：在冷却剂夹套和浇口的通道之间的壳体中设置浇口中的预定壁厚，通道提供熔融状态的金属的通流，预定壁厚的范围在最小壁厚和最大壁厚之间。

在本公开的另一个方面中，方法包括：选择最小壁厚为3mm以防止凝固发生过慢，定义金属在模具中冷却至固态的预定时间为超过240秒。

在本公开的另一个方面中，方法包括：选择最大壁厚为6mm以防止凝固发生过快，定义为模具中的金属的凝固发生在进料部分中的金属的凝固之前。

在本公开的另一个方面中，方法包括：围绕壳体在浇口中预制冷却剂夹套；以及将冷却剂源连接到冷却剂夹套。

在本公开的另一个方面中，方法包括：使冷却剂夹套在浇口和浇注的实长上延伸。

在本公开的另一个方面中，方法包括：将冷却剂源连接到冷却剂夹套的输入接头；以及将冷却剂夹套的输出接头固定到冷却剂回流管路以将冷却剂返回到冷却剂源。

根据若干方面，一种使用连接到进料部分的半永久性模具铸造金属的方法包括：在进料部分的浇口中形成冷却剂夹套；将冷却剂源连接到冷却剂夹套；将熔融状态的金属注入到进料部分中以流入半永久性模具；预先确定浇口的壁厚以使热传递最小化，从而迫使熔融状态的金属在浇口中比在模具中更慢地冷却；以及金属在模具中冷却到固态预定时间期间，冷却剂开始从冷却剂源流入冷却剂夹套中，以在打开模具之前冷却浇口中的金属。

在本公开的另一个方面中，方法包括：结合浇注部分与半永久性模具，实现流体连通，其中浇注部分位于浇口和模具之间。

在本公开的另一个方面中，方法包括：选择约240秒作为金属在模具中冷却至固态的预定时间；以及使冷却剂继续流动直到浇口中的金属冷却至约450摄氏度。

在本公开的另一个方面中，方法包括：将连续步骤限制在约20秒的时间段内。

在本公开的另一个方面中，方法包括：定向进料部分以实现重力诱导流动通过进料部分。

在本公开的另一个方面中，方法包括：将浇口设置为可释放地连接到第二半部的第一半部，当彼此连接时，第一半部和第二半部限定用于熔融状态的金属流动的通道。

在本公开的另一个方面中，方法包括：在通道中设置阻塞点以控制熔融状态的金属的质量流率并设置约11秒的模具填充时间。

根据若干方面，一种使用半永久性模具铸造金属的系统包括接收熔融状态的金属的半永久性模具。浇注部分与模具连通。进料部分与浇注部分连通，进料部分包括浇口。冷却剂夹套结合到浇口中。冷却剂夹套与冷却剂源连通，以在金属在模具中冷却至固态预定时间之后主动冷却浇口中的金属。

在本公开的另一个方面中，浇口包括阻塞点，阻塞点的尺寸设定成限制熔融状态的金属的流动，以确保浇口限定金属冷却至固态的最终位置。

在本公开的另一个方面中，进料部分还包括：注入槽，其接收预定体积的熔融状态的金属；以及水平定向的流道，其与浇口和浇注部分连通，流道从浇口接收熔融金属，以便转移到浇注部分，金属从浇注部分流入模具。

根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体实施例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是用于铸造铝制气缸盖的已知半永久性模具系统的左前透视图；

图2是根据一个示例性实施例的半永久性模具系统的右前透视图；

图3是沿图2的截面3截取的横截面正视图；

图4是沿图3的截面4截取的横截面侧视图；并且

图5是沿图3的截面4截取的横截面侧视图；并且

图6是本公开的浇口的局部横截面透视图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。

参见图1，示出了已知系统10，其使用半永久性模具12，示出半永久性模具12的端部，以生产铸件14，例如用于汽车车辆内燃机(未示出)的铝制汽缸盖。

熔融铝材料经由进料部分16重力进给到半永久性模具12。进料部分16限定浇注系统，浇注系统包括作用类似于漏斗的注入槽18，将熔融金属注入注入槽18。材料通过浇口20沿向下方向22向下流出注入槽18，并过渡到大致水平定向的流道24中。材料从流道24流经多个浇注口26进入模具12。

当熔融金属填充模具12时，为了迫使一定体积的铸造金属(其可能含有孔隙率)远离成品铸件，熔融金属的溢出产生通常位于模具12上方的冒口28，此处冷却速度最慢，并且因此最有可能出现孔隙率。由于在冷却期间预期的熔融金属收缩，冒口28的尺寸和体积是预定的，以计算待添加到注入槽18和/或浇口的熔融金属的总体积。为了确保重力流动，必须预先确定注入槽18的高度，以将注入槽18定位在冒口28的最大预期高度处或其上方。浇口20和流道24的尺寸设置成允许仅依赖于重力的流动、约20至22秒的模具填充时间，以及约240秒的冷却/铸件移除时间。

通过模具12冲洗以产生铸件14和冒口28的金属的体积产生用于凝固的不良温度梯度以及不良金属产量。此外，在模具12和冒口28中的材料充分冷却以允许打开模具12以及移除铸件14之后，必须随后移除冒口28(例如通过机加工操作)。机加工操作移除冒口28，从而留下铸件14的机加工上表面30。

参见图2并再次参见图1，根据本公开的模制系统34使用半永久性模具36，示出半永久性模具36的端部，以生产铸件38，例如用于汽车车辆内燃机(未示出)的铝制汽缸盖。熔融状态金属，例如熔融铝合金，经由进料部分40重力进给到半永久性模具36，进料部分40由参考图1讨论的进料部分16修改而成。进料部分40包括注入槽42，其功能类似于注入槽18，将熔融金属注入注入槽42，然而注入槽42的尺寸可以设定为用于比注入槽18更小的熔融金属体积，因为在模制系统34的过程中不生产冒口，因此不需要添加用于生产冒口的溢出体积。

进料部分40还包括强制冷却浇口44。熔融金属在重力辅助下沿向下方向46通过浇口44向下流出注入槽42，并过渡到大致水平定向的流道48中，流道48与熔融金属连通并将熔融金属引导到浇注部分50中，熔融金属从浇注部分50向上流入模具36。因为模制系统34的铸造过程不生产需要大量填充和冷却时间的冒口，模具填充期间改进的热管理允许熔融金属从熔融状态到固态返回到浇注部分50、流道48和浇口44的定向凝固。进料部分40中还设有流动阻塞点52，流动阻塞点52预先确定熔融金属进入模具36的进给速率。通过阻塞点52在浇口44和流道48中保持熔融金属头压力。为浇口44和浇注部分50选择的材料厚度控制热传递，使得浇口44和浇注部分50在模具填充期间快速升温。这将浇注部分50和浇口44的凝固时间延长为超过铸件38的凝固时间。因此浇口44和浇注部分50将作为模制系统34中将金属通过冷却从熔融状态转化为固态的最终位置。

在模具填充和铸造凝固期间，滞留空气使流道48和浇口44的区域中的薄壁模具绝缘。由于滞留空气以及形成浇注部分50、流道48和浇口44的模具的减小的体积和壁厚，在浇注部分50、流道48和浇口44中提供了较慢的冷却时间。因此，进料部分40中的材料将是最后完全固化和冷却的材料。为了加速浇注部分50、流道48和浇口44中的熔融金属的凝固，以及从而允许更早的铸造喷射，在经过允许浇注部分50中的铸造凝固预定时间段之后，进行浇口44的冷却剂冲洗。为了实现冷却剂冲洗，经由冷却剂供应管路56和冷却剂回流管路58将浇口44连接到冷却剂源54。向浇口44提供冷却剂流允许铸造材料朝向浇注部分50定向凝固。

通过单独的模具冷却和加热系统(未示出)将模具36控制在约300摄氏度或更高的温度。如果存在循环中断，则模具将冷却至低于最低300摄氏度的要求，因此在这些条件下，加热系统为浇口44提供额外的热量以达到其最小凝固时间。对于示例性铝合金材料，将熔融注入材料预热至约720摄氏度，因此在注入期间立即开始熔融金属冷却。重力填充模具36需要约10到11秒的时间。在模具填充之后，熔融金属冷却到约600摄氏度的典型凝固阶段温度并且允许熔融金属冷却约240秒的时间段。因为模制系统34设计成具有浇注部分50的材料，所以流道48和浇口44最后冷却到固体阶段，以确保浇注部分50、流道48和浇口44的材料已充分冷却以允许打开模具36，在240秒冷却期结束时或接近结束时进行浇口44的冷却剂冲洗。由冷却剂源54提供的冷却剂优选地是空气，但也可以是水，其将包括浇口44的进料部分40中的金属从约600摄氏度的典型凝固阶段温度冷却至约450摄氏度。450摄氏度的浇口金属温度足以使模具打开并且使浇口44保持在适当位置以便取出。因此，当金属达到450摄氏度时，关闭浇口模具冷却剂。

约50磅的典型熔融金属注入重量将生产重约25磅的铝制气缸盖。因此，在移除铸件38之后，附加材料保留在模制系统34中。在冷却之后，保留在模具36中的材料、在铸件38上闪蒸的材料，以及进料部分40中的所有材料被移除并重新使用。

参见图3并再次参见图2，浇口44包括第一半部60和第二半部62。流动通道第一部分64穿过第一半部60设置，当两个半部结合时，流动通道第一部分64与在第二半部62中产生的流动通道第二部分66连通。在第二半部62中产生限定空腔的冷却剂夹套68，其在第二半部62的实长上延伸。冷却剂夹套68在相对的两端连接到用于冷却剂源54的冷却剂供应管路56和冷却剂回流管路58。入口冷却剂连接头70将冷却剂夹套68连接到冷却剂供应管路56并且从而连接到冷却剂源54。参考图6示出和描述的类似出口冷却剂连接头将冷却剂夹套68连接到冷却剂回流管路58以将冷却剂流返回到冷却剂源54。

限定第二半部62的壳体72的热传递壁将流动通道第二部分66与冷却剂夹套68分离。流动通道第二部分66中的可用于冷却金属的热传递量由壳体72的壁厚74控制。根据若干方面，壁厚74的范围在约3mm至约5mm之间，最大值约为6mm。选择壁厚74以优化浇注凝固。最小值为3mm的壁厚74防止凝固发生过慢，定义为超过允许凝固的240秒总时间段，并且还使冷却剂夹套68处的浇口44的热变形最小化。最大值为6mm的壁厚74防止凝固发生过快，定义为模具中的金属的凝固发生在浇注部分50或进料部分40中的凝固之前。在熔融金属注入完成之后开始使冷却剂流到冷却剂夹套68并持续约20秒以完全固化浇口44中的材料。进料部分40中的材料是模制系统34中最后固化的材料，因此提供到浇口44的冷却剂流确保材料凝固并冷却到约300摄氏度，以允许打开模具并移除铸件。

参见图4并再次参见图2至图3，浇口44的第一半部60包括主体76，主体76具有穿过其形成的流动通道第一部分64。流动通道第一部分64的宽口入口78过渡到中心通道88中，中心通道88具有比入口78更小的横截面。弯曲部82将流动方向从中心通道80改变约90度并限定流动通道第一部分64的出口。阻塞点52，与第二半部62的相应通道尺寸相结合，限定了中心通道80的最小通道尺寸，并且位于弯曲部82的上游。阻塞点52的尺寸设定成限制熔融金属的质量流率，以提供约10至11秒的模具填充时间。阻塞点52快速升温并有助于控制浇注和浇口凝固时间，从而允许进入浇口44的定向凝固。

参见图5并再次参见图2至图4，浇口44的第二半部62包括主体84，主体84具有穿过其形成的流动通道第二部分66。流动通道第二部分66的宽口入口86过渡到中心通道88中，中心通道88具有比入口86更小的横截面。弯曲部90将流动方向从中心通道88改变约90度并限定流动通道第二部分66的出口。冷却剂夹套68基本上在流动通道第二部分66的整个长度上延伸，并且包括贯穿的凸起管部分92，凸起管部分92在冷却剂入口接头94和冷却剂排放接头96之间输送冷却剂流。冷却剂排放接头96优选地设置在浇口44的下部位置或底部，并且如果冷却剂是水，则因此实现冷却剂从浇口44排出。

参见图6并再次参见图2至图5，冷却剂夹套68基本上在浇口44的整个长度98上延伸，因此基本上整个浇口44由冷却剂流冷却。冷却剂(空气或水)经由冷却剂供应管路56进入入口冷却剂接头70，横穿冷却剂夹套68，包括穿过凸起管部分92，并且在出口冷却剂接头100处离开进入冷却剂回流管路58用于返回到冷却剂源54。

本公开的一种使用连接到浇注部分和进料部分的半永久性模具铸造金属的系统和方法提供了若干优点。这些优点包括消除了在普通半永久模制操作中生产的冒口，从而使凝固收缩孔隙率最小化，在模具系统的进料部分设置流动阻塞点以控制熔融金属流速，预先确定浇口和浇注段壁厚以实现凝固冷却速率和时间，将模制系统的浇口段的设计热管理为最后冷却至凝固状态的部分，从而允许进入浇口的定向凝固，并且设置冷却剂夹套和流入浇口的冷却剂夹套的冷却剂，以在打开模具之前的模具冷却时间段结束时强制冷却浇口。

虽然本文提供了示例性铝合金材料和材料熔融温度作为示例，但是本公开和模制系统34不限于这些材料或温度，并且模制系统34可以用于其他金属和金属形成温度。本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在落入本公开的范围内。不应将这些变型视为脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种使用连接到浇筑部分和进料部分的半永久性模具铸造金属的方法，所述方法包括：

连接所述浇筑部分与所述半永久性模具，实现流体连通；

将强制冷却的浇口结合到所述进料部分中；

将熔融状态的金属注入所述进料部分，以便重力诱导流入所述浇筑部分和所述半永久性模具中的每一个中；以及

所述金属在所述模具中冷却到固态预定时间之后，冷却剂开始流入所述浇口中，以在打开所述模具之前冷却所述浇口中的所述金属。

2.如权利要求1所述的铸造金属的方法，还包括：

在注入步骤之前，将所述半永久性模具控制在约300摄氏度；以及

使所述冷却剂继续流动直到所述浇口中的所述金属冷却至约450摄氏度。

3.如权利要求1所述的铸造金属的方法，还包括：在所述浇口中设置阻塞点，以预先确定所述模具的填充时间约为11秒。

4.如权利要求1所述的铸造金属的方法，还包括：在打开所述模具之前，使所述冷却剂继续流动约20秒。

5.如权利要求1所述的铸造金属的方法，还包括：在冷却剂夹套和所述浇口的通道之间的壳体中设置所述浇口中的预定壁厚，所述通道提供所述熔融状态的金属的通流，所述预定壁厚的范围在最小壁厚和最大壁厚之间。

6.如权利要求5所述的铸造金属的方法，还包括：选择所述最小壁厚为3mm以防止凝固发生过慢，定义所述金属在所述模具中冷却至固态的预定时间为超过240秒。

7.如权利要求5所述的铸造金属的方法，还包括：选择所述最大壁厚为6mm以防止凝固发生过快，定义为所述模具中的金属的凝固发生在进料部分中的所述金属的凝固之前。

8.如权利要求1所述的铸造金属的方法，还包括：

围绕壳体在所述浇口中预制冷却剂夹套；以及

将冷却剂源连接到所述冷却剂夹套。

9.如权利要求8所述的铸造金属的方法，还包括：使所述冷却剂夹套在所述浇口的实长上延伸。

10.如权利要求8所述的铸造金属的方法，还包括：

将所述冷却剂源连接到所述冷却剂夹套的输入接头；以及

将所述冷却剂夹套的输出接头固定到冷却剂回流管路以将所述冷却剂返回到所述冷却剂源。