CN110947917B - 一种铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造模具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造模具，包括环形的外模和内模，所述外模和内模扣合形成环形腔体，在所述环形腔体内设置有环形的芯模，所述环形的芯模与所述内模和外模共同构成型腔；在所述芯模下部设置有插入到所述外模内的立柱，在所述芯模内设置有与所述立柱一一对应的L形芯骨，所述L形芯骨的水平段插入到所述芯模的中心并沿芯模的走势弯曲，所述L形芯骨的竖直段朝向所述芯骨的立柱端面伸出，在所述L形芯骨上缠绕有硅酸铝纤维绳，所述硅酸铝纤维绳超出所述立柱端面，且在所述外模上设置有与所述硅酸铝纤维绳接触的排气孔；在所述外模外沿设置有与所述型腔相通的浇口。本发明解决了全封闭管腔无法铸造成形的难题。

Description

一种铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造模具和方法

技术领域

本发明属于轻合金铸造技术领域，具体涉及一种铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造模具和方法。

背景技术

铝合金由于具有低密度、高强、耐热、耐蚀等优势，一直以来广泛应用于航空航天、船舶、兵器等领域的关键承力件，实现装备的轻量化。而具备轻量化、强刚度特点的环形全封闭管腔新型结构，成为替代传统结构的必然选择，急需在装备关键件上实现应用。

但这种环形全封闭管腔结构件封闭管腔由于铸型无法清理、砂芯气体无法排出、定位难度大等，成为铸造行业的制造难题，全球仅俄罗斯等少数科研机构具备制造能力。上述问题如果不解决，将极大限制这类铝合金构件轻质、高强度/刚度优势的发挥，影响其应用前景。

现有的环形全封闭管腔结构，多采用焊接或拼接工艺制备，铸造工艺方面一般采用砂型铸造工艺，存在尺寸精度低、温度无梯度、排气不畅等问题，铸件管壁气孔、缩松缺陷多、变形大；而采用金属型铸造则极易出现热裂缺陷，且金属型冷却过快，8mm以下壁厚极易浇不足、冷隔；此外，现有工艺浇注系统复杂、后续清理难度大，工艺出品率低，人力、物力成本高。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种合格率高的铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造模具。

为了实现上述目的，本发明是这样实现的：一种铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造模具，其特征在于：包括环形的外模和内模，所述外模和内模扣合形成环形腔体，在所述环形腔体内设置有环形的芯模，所述环形的芯模与所述内模和外模共同构成型腔；在所述芯模下部设置有插入到所述外模内的立柱，在所述芯模内设置有与所述立柱一一对应的L形芯骨，所述L形芯骨的水平段插入到所述芯模的中心并沿芯模的走势弯曲，所述L形芯骨的竖直段朝向所述芯骨的立柱端面伸出，在所述L形芯骨上缠绕有硅酸铝纤维绳，所述硅酸铝纤维绳超出所述立柱端面，且在所述外模上设置有与所述硅酸铝纤维绳接触的排气孔；在所述外模外沿设置有与所述型腔相通的浇口。

优选的，所述芯模的外径为D，所述立柱的数量为n，所述L形芯骨的水平段长度为b；其中，所述D≤500mm时，所述n=3,b=πD/n+50以上；所述D=（500～1000）mm时，所述n=4～6,b=πD/n+100以上；所述D≥1000mm以上时，所述n≥7,b=πD/n+150以上。

优选的，所述L形芯骨的竖直段端部设置有朝向水平段的反折钩，所述反折钩的端部超出所述立柱的端部。

本发明的第二目的在于提供一种合格率高且出品率高的铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造方法。

一种铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造方法，其特征在于，包含上述铸造模具，按以下步骤进行全封闭管腔的铸造：

第一步：选用灰铸铁或球墨铸铁并通过翻砂铸造方法制备的两半对开的铸铁外模，机加后对外模的型腔面进行40～80目的抛丸处理，并进行型腔面覆砂，铸铁外模分型面一侧设置浇口；且在所述铸铁外模型腔面底部设置n个立柱插孔，在所述立柱插孔底部设置有排气孔；

第二步：所述芯模为树脂砂环形的砂芯，按照铸件内腔形状尺寸依据收缩率放大得到，在所述砂芯下部设置有立柱n个，采用铸铝模造型；造型时砂芯内部采用n根L形芯骨进行增强，所述L形芯骨的水平段嵌入所述砂芯内部并沿砂芯走向弯曲，所述L形芯骨的竖直段向所述立柱端面伸出；所述L形芯骨表面用硅酸铝纤维绳进行蛇形缠绕，确保所述硅酸铝纤维绳暴露在立柱端面并与排气孔接触；砂芯造型完毕后，对除立柱端面和与立柱插孔接触的立柱侧壁配合面的外表面涂刷酒精石墨涂料并表干，所述立柱侧壁配合面均匀涂抹水玻璃并与立柱插孔相配合安装在铸铁外模上，确保所述排气孔与所述硅酸铝纤维绳接触；

第三步：采用铸铝模制备树脂砂型内模，型腔面均匀喷涂酒精石墨涂料并表干，在铸铁外模封箱泥槽内均匀挤入封箱泥，并合模；

第四步：在方截面不锈钢浇口盆内壁与熔体接触区域均匀刷涂水玻璃并依次贴上3层0.4mm厚的玻璃纤维布，在200℃±30℃预热10～30min，降温后正对铸铁外模分型面浇口安装固定；

第五步：将合型后的模具安装在水平放置的铸造机底板上，压上压板固定；

第六步：从浇口盆匀速浇入铝熔体，待液面接近盆口时停止浇注，启动铸造机使浇口盆一侧底板缓慢、匀速向上倾斜至倾斜角85-95°停止，直至凝固；

第七步：开模清理铸件并热处理，管腔内树脂在热处理过程中挥发，砂自动流出；

第八步：抽出L形芯骨，在第七步中的流砂的孔壁攻丝，拧上同材质、同状态且装配面已涂抹厌氧胶的铝螺钉，并紧固、铣平，实现中空内腔全封闭。

优选的，第一步中，对外模型腔面覆砂的方法为：在型腔面对应区域均匀刷涂（0.3～0.5）mm厚的桐油，表面吹撒一层280～320目砂，220℃烘烤60min，直至表面呈棕色或浅绿色，出炉后用压缩空气清理表面散沙，并用200目砂纸修整。

优选的，第二步中，所述立柱尺寸为φ（15～35）mm，所述L形芯骨的尺寸为φ（3～5）mm，芯骨表面用φ（3～5）mm、烧失量≤16%的硅酸铝纤维绳进行蛇形缠绕。

优选的，第六步中的浇口盆的倾转速度（5～15）°/s。

有益效果：

1采用带立柱支撑的砂芯，基本实现了管壁的全封闭精确成形，腔内砂热处理后自动流出，无需人工清理；孔数量少，螺钉二次封闭难度低，解决了全封闭管腔无法铸造成形的难题；

2砂芯中部内埋缠绕石棉绳的L形芯骨，起到增强砂芯防止断裂作用，铁丝通过流砂孔可轻易取出；封闭型腔内的树脂砂受热发气可通过石棉绳孔隙及铸铁外模底部排气孔顺畅排出，避免了管壁气孔及凹坑缺陷的产生，提升合格率；

3金属+砂型的复合外模：凝固阶段冷却快，可实现近净成形，尺寸精度及组织性能高，变形小，均优于砂型；避免单一金属型易热裂造成的应用难题；工艺出品率高，节约原材料，降低成本；

4浇注系统简单，通过倾转实现浇口、冒口共用，工艺出品率远远高于常规铸造，清理简单，劳动强度低。

附图说明

图1为本发明中的环形全封闭管腔结构的铸造模具截面图；

图2为缠绕硅酸铝纤维绳的L形芯骨结构图；

图3为环形全封闭管腔结构的铸造模具安装在铸造机上的结构图；

图4为图3的俯视图，显示浇口盆与浇口配合截面；

图5为现有的环形封闭管腔结构件纵剖面图；

图6为实例1中紧固、铣平后的某环形全封闭管腔结构件外壁图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

实施例：如图1-6所示，本实施例提供一种铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造模具，包括环形的外模1和内模2，所述外模和内模扣合形成环形腔体，在所述环形腔体内设置有环形的芯模3，所述环形的芯模与所述内模和外模共同构成型腔4。其中，所述外模和内模均为环形，所述外模包括底壁和环形外壁，所述内模包括顶壁和环形内壁。

本实施例中，所述外模由两半对开的铸铁外模拼合构成，在所述铸铁外模分型面一侧设置有浇口11。

在所述芯模3下部设置有插入到所述外模内的立柱5，在所述芯模内设置有与所述立柱一一对应的L形芯骨6，所述L形芯骨的水平段61插入到所述芯模的中心并沿芯模的走势弯曲，所述L形芯骨的竖直段62朝向所述芯骨的立柱端面伸出，在所述L形芯骨上缠绕有硅酸铝纤维绳7，所述硅酸铝纤维绳暴露在所述立柱端面，且在所述外模的底壁上设置由用于安装所述立柱的立柱插孔8，在所述立柱插孔的底面设置有排气孔9，所述排气孔9为通孔。当将所述芯模安装在所述外模上时，使得所述芯模的立柱位于所述立柱插孔内，所述L形芯骨上缠绕的硅酸铝纤维绳与排气孔的口接触，具体见图1。

其中，所述立柱3沿所述芯模下部均匀设置，所述芯模的外径为D，所述立柱的数量/L形芯骨的数量为n，所述L形芯骨的水平段长度为b；其中，所述D≤500mm时，所述n=3,b=πD/n+50以上；所述D=（500～1000）mm时，所述n=4～6,b=πD/n+100以上；所述D≥1000mm以上时，所述n≥7,b=πD/n+150以上，具体见下表：

环形砂芯立柱及芯骨参数的选择准则

砂芯直径	500mm以下	500～1000mm	1000mm以上
				立柱/芯骨数量n	3	4～6	7以上
芯骨水平段长度b	πD/n+50以上	πD/n+100以上	πD/n+150以上

另外，作为本实施例的另一实施方式，所述L形芯骨6的竖直段端部设置有朝向水平段的反折钩63，所述反折钩的端部超出所述立柱的端部。如此一来，将所述硅酸铝纤维绳蛇形缠绕在L形芯骨上时，所述硅酸铝纤维绳将同时缠绕在所述反折钩上，而所述反折钩的弯曲端部直接暴露在所述立柱端面，导致所述硅酸铝纤维绳也暴露在所述立柱端面。这样一来，所述硅酸铝纤维绳暴露在立柱端面且与排气口接触相通，能保证在整个铸造过程中纤维绳都与排气孔相通，方便顺畅排气，见图2

另外，所述立柱尺寸为φ（15～35）mm，所述L形芯骨的尺寸为φ（3～5）mm，芯骨表面用φ（3～5）mm、烧失量≤16%的硅酸铝纤维绳进行蛇形缠绕。

当铸造时，将上述模具置于铸造机上，所述外模底壁置于所述铸造机底板12上的外模垫板14上，在所述内模顶壁上安装上压板13。所述外模的合模面上设置封箱泥槽15，内模和外模合模时在所述蜂箱泥槽内均匀挤入封箱泥并合模。并且将浇口盆的出口对准所述外模上的浇口11，见图3和图4。

以下，给出两个依照本实施例中的模具铸造铝合金环形管腔铸件的实例。

实例1：需要制造ZL205A铝合金环形管腔铸件，外径Φ850mm，内径Φ620mm，高180mm，管腔截面结构为体型。按照以下步骤进行：

第一步：通过翻砂铸造方法制备两半对开的灰铁250外模，机加后对型腔面进行40～80目抛丸处理，并用进行型腔面覆砂，形成外模覆砂层16。铸铁外模分型面一侧设置有浇口。具体覆砂方法为：在型腔面对应区域均匀刷涂（0.3～0.5）mm厚的桐油，表面吹撒一层280～320目砂，220℃烘烤60min，直至表面呈棕色或浅绿色，出炉后用压缩空气清理表面散沙，并用200目砂纸修整；

第二步：封闭管中空内腔通过树脂砂环形砂芯形成，截面按照内腔形状尺寸依据收缩率放大得到，下部设置Φ15的立柱6个，采用ZL104模具造型；造型时砂芯内部采用6根Φ4mm的L形芯骨进行增强，防止开裂；芯骨表面用Φ3mm、烧失量≤16%的硅酸铝纤维绳进行蛇形缠绕，确保硅酸铝纤维绳暴露在立柱端面，方便顺畅排气。砂芯造型完毕后，对除立柱端面和侧壁配合面的外表面刷涂酒精石墨涂料并表干；立柱侧壁配合面均匀涂抹水玻璃并与定位孔对正安装在铸铁外模上；芯骨水平段长度取600mm。

第三步：采用铸铝模树脂砂造型砂型内模，型腔面喷涂酒精石墨涂料并表干，在铸铁外模封箱泥槽内均匀挤入封箱泥，并合模；

第四步：将方截面的不锈钢浇口盆17内壁与熔体接触区域刷涂水玻璃并贴上玻璃纤维布18，在200℃±30℃预热20min，降温后正对铸铁外模分型面浇口安装固定。

第五步：将合型后的模具安装在水平放置的铸造机底板上，压上压板13固定。

第六步：从浇口盆匀速浇入铝熔体，待液面接近盆口时停止浇注，启动铸造机使浇口盆一侧底板缓慢、匀速向上倾转至倾斜角85°～95°停止，直至凝固；倾转速度9°/s；

第七步：开模清理铸件并热处理，管腔内树脂在热处理过程中挥发，砂自动流出；

第八步：抽出芯骨，在第七步中的流砂的孔壁攻丝，拧上同材质、同状态且装配面已涂抹厌氧胶的铝螺钉，并紧固、铣平（如图6），实现中空内腔全封闭。

实例2：需要制造ZL101铝合金圆截面管腔铸件，外径Φ420mm，截面外径Φ80mm，管壁厚12mm。按照以下步骤进行：

第一步：通过翻砂铸造方法制备两半对开的灰铁250外模，机加后对型腔面进行40～80目抛丸处理，并用进行型腔面覆砂。铸铁外模分型面一侧设置有浇口。具体覆砂方法为：在型腔面对应区域均匀刷涂（0.3～0.5）mm厚的桐油，表面吹撒一层280～320目砂，220℃烘烤30min，直至表面呈棕色或浅绿色，出炉后用压缩空气清理表面散沙，并用200目砂纸修整；

第二步：封闭管中空内腔通过树脂砂环形砂芯形成，截面按照内腔形状尺寸依据收缩率放大得到，下部设置Φ10的立柱3个，采用ZL104模具造型；造型时砂芯内部采用3根Φ3mm的L形芯骨进行增强，防止开裂；芯骨表面用Φ3mm、烧失量≤16%的硅酸铝纤维绳进行蛇形缠绕，确保硅酸铝纤维绳暴露在立柱端面，方便顺畅排气。砂芯造型完毕后，对除立柱端面和侧壁配合面的外表面刷涂酒精石墨涂料并表干；立柱侧壁配合面均匀涂抹水玻璃并与定位孔对正安装在铸铁外模上；芯骨水平段长度取500mm。

第三步：采用铸铝模树脂砂造型砂型内模，型腔面喷涂酒精石墨涂料并表干，在铸铁外模封箱泥槽内均匀挤入封箱泥，并合模；

第四步：将方截面的不锈钢浇口盆内壁与熔体接触区域刷涂水玻璃并贴上玻璃纤维布，在200℃±30℃预热20min，降温后正对铸铁外模分型面浇口安装固定。

第五步：将合型后的模具安装在水平放置的铸造机底板上，压上压板固定。

第六步：从浇口盆匀速浇入铝熔体，待液面接近盆口时停止浇注，启动铸造机使浇口盆一侧底板缓慢、匀速向上倾转至倾斜角85°～95°停止，直至凝固；倾转速度15°/s；

第七步：开模清理铸件并热处理，管腔内树脂在热处理过程中挥发，砂自动流出；

第八步：抽出芯骨，在第七步中的流砂的孔壁攻丝，拧上同材质、同状态且装配面已涂抹厌氧胶的铝螺钉，并紧固、铣平，实现中空内腔全封闭。

Claims (7)

1.一种铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造模具，其特征在于：包括环形的外模和内模，所述外模和内模扣合形成环形腔体，在所述环形腔体内设置有环形的芯模，所述环形的芯模与所述内模和外模共同构成型腔；在所述芯模下部设置有插入到所述外模内的立柱，在所述芯模内设置有与所述立柱一一对应的L形芯骨，所述L形芯骨的水平段插入到所述芯模的中心并沿芯模的走势弯曲，所述L形芯骨的竖直段朝向所述芯骨的立柱端面伸出，在所述L形芯骨上缠绕有硅酸铝纤维绳，所述硅酸铝纤维绳超出所述立柱端面，且在所述外模上设置有与所述硅酸铝纤维绳接触的排气孔；在所述外模外沿设置有与所述型腔相通的浇口；所述芯模的外径为D，所述立柱的数量为n，所述L形芯骨的水平段长度为b；其中，所述D≤500mm时，所述n=3,b=πD/n+50以上；所述D=（500～1000）mm时，所述n=4～6,b=πD/n+100以上；所述D≥1000mm以上时，所述n≥7,b=πD/n+150以上。

2.如权利要求1所述的铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造模具，其特征在于：所述L形芯骨的竖直段端部设置有朝向水平段的反折钩，所述反折钩的端部超出所述立柱的端部。

3.一种铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造方法，其特征在于，包含上述权利要求1或2中的铸造模具，按以下步骤进行全封闭管腔的铸造：

第一步：选用灰铸铁或球墨铸铁并通过翻砂铸造方法制备两半对开的铸铁外模，机加后对外模的型腔面进行40～80目的抛丸处理，并进行型腔面覆砂，铸铁外模分型面一侧设置浇口；且在所述铸铁外模型腔面底部设置n个立柱插孔，在所述立柱插孔底部设置有排气孔；

第二步：所述芯模为环形的树脂砂砂芯，按照铸件内腔形状尺寸依据收缩率放大得到，在所述砂芯下部设置有立柱n个，采用铸铝模造型；造型时砂芯内部采用n根L形芯骨进行增强，所述L形芯骨的水平段嵌入所述砂芯内部并沿砂芯走向弯曲，所述L形芯骨的竖直段向所述立柱端面伸出；所述L形芯骨表面用硅酸铝纤维绳进行蛇形缠绕，确保所述硅酸铝纤维绳暴露在立柱端面并与排气孔接触；砂芯造型完毕后，对除立柱端面和与立柱插孔接触的立柱侧壁配合面的外表面涂刷酒精石墨涂料并表干，所述立柱侧壁配合面均匀涂抹水玻璃并与立柱插孔相配合安装在铸铁外模上，确保所述排气孔与所述硅酸铝纤维绳接触；

第三步：采用铸铝模制备树脂砂型内模，型腔面均匀喷涂酒精石墨涂料并表干，在铸铁外模封箱泥槽内均匀挤入封箱泥，并合模；

第四步：在方截面不锈钢浇口盆内壁与熔体接触区域均匀刷涂水玻璃并依次贴上3层0.4mm厚的玻璃纤维布，在200℃±30℃预热10～30min，降温后正对铸铁外模分型面浇口安装固定；

第五步：将合型后的模具安装在水平放置的铸造机底板上，压上压板固定；

第六步：从浇口盆匀速浇入铝熔体，待液面接近盆口时停止浇注，启动铸造机使浇口盆一侧底板缓慢、匀速向上倾斜至倾斜角85-95°停止，直至凝固；

第七步：开模清理铸件并热处理，管腔内树脂在热处理过程中挥发，砂自动流出；

第八步：抽出L形芯骨，在第七步中的流砂的孔壁攻丝，拧上同材质、同状态且装配面已涂抹厌氧胶的铝螺钉，并紧固、铣平，实现中空内腔全封闭。

4.如权利要求3所述的铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造方法，其特征在于：第一步中，对外模型腔面覆砂的方法为：在型腔面对应区域均匀刷涂（0.3～0.5）mm厚的桐油，表面吹撒一层280～320目砂，220℃烘烤60min，直至表面呈棕色或浅绿色，出炉后用压缩空气清理表面散沙，并用200目砂纸修整。

5.如权利要求3或4所述的铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造方法，其特征在于：第二步中，所述立柱尺寸为φ（15～35）mm，所述L形芯骨的尺寸为φ（3～5）mm，芯骨表面用φ（3～5）mm、烧失量≤16%的硅酸铝纤维绳进行蛇形缠绕。

6.如权利要求3或4所述的铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造方法，其特征在于：第六步中的浇口盆的倾转速度（5～15）°/s。

7.如权利要求5所述的铝合金环形全封闭管腔结构的净成形铸造方法，其特征在于：第六步中的浇口盆的倾转速度（5～15）°/s。

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