CN112170817B - 一种铸造模具冷却装置及冷却方法 - Google Patents

一种铸造模具冷却装置及冷却方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铸造模具冷却装置，包括温度监测装置、分析模块、射流控制装置、射流发生装置；分析模块分别与温度监测装置和射流控制装置相连接，射流控制装置与射流发生装置的射流发生子单元连接，铸造模具上设有射流导流孔，射流发生子单元与射流导流孔连通；温度监测装置用于对铸造模具的温度进行实时监测采样，温度监测数据由温度监测装置传输至分析模块；所述分析模块对温度监测数据进行计算，并将计算结果传输至所述射流控制装置；所述射流控制装置依据分析模块的计算结果向射流发生装置的射流发生子单元发出射流控制指令；射流发生子单元接收指令后向射流导流孔底部喷出冷却射流。本发明同时公开了一种铸造模具冷却装置的冷却方法。

Description

一种铸造模具冷却装置及冷却方法
技术领域
本发明涉及铸造用设备技术领域，具体涉及了一种铸造模具的快速可控冷却装置及方法。
背景技术
在铸造成型加工领域，模具冷却系统有着不可替代的作用。该系统可提供合理的模具温度场，为金属溶液的合理冷却凝固提供必要的温度边界条件，进而保证产品生产质量，节约生产成本。
目前，比较普遍的冷却方法是采用模具外部直接吹气方式、水冷方式及对模具外部局部位置预热、设置保温层等方案。但模具外部吹气只能有限的改变远离型腔内壁位置的温度场，且由于热量传导的滞后性，难以对局部过热熔液实现快速冷却。
水冷方式则面临着进水、回水流道的布置问题，排布稀疏冷却效果不好，过密的排布则会影响模具自身的强度、刚度，进而影响使用寿命。同时保温措施只能提供某种固定的温度控制方案，无法实现灵活应对。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中所存在的问题，提供了一种铸造模具冷却装置及冷却方法，具备冷却效果好、冷却及时、对模具寿命影响小的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
作为本发明的一方面，提供一种铸造模具冷却装置，包括温度监测装置、分析模块、射流控制装置、射流发生装置；分析模块分别与温度监测装置和射流控制装置相连接，射流控制装置与射流发生装置的射流发生子单元连接，铸造模具上设有射流导流孔，射流发生子单元与射流导流孔连通；
所述温度监测装置用于对铸造模具的温度进行实时监测采样，温度监测数据由温度监测装置传输至分析模块；所述分析模块对温度监测数据进行分析计算，根据铸造模具型腔内部熔液的温度场及目标温度场，获得熔液的温差场，并将计算结果传输至所述射流控制装置；所述射流控制装置依据分析模块的计算结果向射流发生装置的射流发生子单元发出射流控制指令；相应的射流发生子单元接收指令后，将气、液两相合并，并直接将气液混合射流喷射于射流导流孔底部进行模具冷却。为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述温度监测装置包含一组或多组温度传感器；所述铸造模具型腔中设置有与温度传感器组数相同的传感器孔，温度传感器放置于铸造模具型腔中的传感器孔内，且温度传感器与传感器孔一一对应。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述传感器孔均布设置在铸造模具上，且传感器孔的孔径选择满足放置温度传感器条件的最小值。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述温度检测装置的传感器孔打孔深度在保证模具自身强度、刚度的同时尽量靠近型腔内壁。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述传感器孔与所述射流导流孔交错排布。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述射流控制装置包括射流控制单元、射流控制电机及驱动单元；射流控制装置根据分析模块分析计算出的结果，分别计算射流发生装置中不同射流发生子单元工作时射流的流量、流速及气液比；所述射流控制装置具有一组或多组射流控制电机及驱动单元，分别与所述射流发生装置中对应的射流发生子单元连接。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述射流发生装置包含一组或多组射流发生子单元，射流发生子单元的数量与射流控制电机及驱动单元数量相同；射流发生子单元包含气流量调节阀、液流量调节阀、刚性长导管及喷口，气、液两相分别流经气流量调节阀、液流量调节阀，并经由刚性长导管到达雾化喷口，雾化喷口负责将气、液混合并直接喷射于射流导流孔底部。气、液两相分别流经调节阀，经由刚性长导管到达喷口，喷口负责将气、液混合并直接喷射于射流导流孔底部，气、液混合射流在射流导流孔底部气化，以相变传热的方式实现对射流导流孔位置的降温。相变传热是各种导热手段中效率较高的，因此能够实现对铸造模具温度的高效控制。
所述射流控制单元负责计算射流发生装置中不同射流发生子单元工作时射流的流量、流速及气、液比。射流控制电机及驱动单元负责控制、驱动射流发生子单元中的气流量调节阀、液流量调节阀以及雾化喷口。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述射流导流孔以单孔的形式深入模具，所述射流发生装置喷出的气、液混合射流在射流导流孔底部气化后直接经由流道口喷出。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述射流导流孔位于模具之中，射流导流孔与射流发生装置的射流发生子单元一一对应，所述射流导流孔用于气、液混合射流的定点气化，并负责将已经气化的，完成冷却任务后的气、液混合射流导出。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述射流导流孔优先布置于模具内需要优先冷却的位置。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述射流导流孔以单孔的形式深入模具，所述射流发生装置喷出的气、液混合射流在射流导流孔底部气化后直接经由流道口喷出。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，为了使完成冷却任务的射流蒸汽尽快排出，所述射流导流孔以最短的长度穿过模具抵达预冷却位置。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述的气、液混合射流中的气相可以为空气、氮气等。液相可以为去离子水、酒精等。
作为本发明的另一方面，提供一种铸造模具冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：
步骤一、所述温度监测装置对铸造模具内多点温度进行实时监测及采样，并将监测采样数据传递至分析模块；
步骤二、所述分析模块接收来自温度监测装置的实时温度监测数据t1、t2、…tn，并依据温度监测数据、铸造过程数学模型及边界条件，逆向还原出此时模具型腔内部熔液的温度场Tmτ，并将此时温度场与该时刻的目标温度场Toτ进行比对，对比后得到该瞬时的温差场ΔTτ，温差场ΔTτ作为分析计算结果输出至射流控制装置中的射流控制单元；
步骤三、射流控制单元计算射流发生装置中不同射流发生子单元工作时射流的流量、流速及气液比，并向射流控制电机及驱动单元发出指令；
步骤四、射流控制电机及驱动单元带动所述射流发生装置中的射流发生子单元喷出冷却的气、液混合射流；气、液混合射流在射流导流孔底部气化，以相变传热的方式实现对射流导流孔位置的降温，气化后的气、液混合射流经射流导流孔排出；
步骤五、重复上述步骤一至步骤四，实现对铸造模具温度的闭环的反馈控制。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，将所述步骤二替换为：分析模块接收来自温度监测装置的实时温度监测数据t1、t2、…tn，逆向还原出此时模具型腔内部熔液的温度场Tmτ，并将此时温度场与该时刻的目标温度场Toτ进行比对，得到该瞬时的温差场ΔTτ，然后将当前温度场作为边界条件，在冷却装置工作状态不变的情况下预测出下一时刻的熔液温度场Tmτ+1，将下一时刻的熔液温度场Tmτ+1与下一时刻的目标温度场Toτ+1进行比对，计算得出下一时刻的温差场ΔTτ+1；分析模块将对比结果ΔTτ和ΔTτ+1传递至射流控制装置。
附图说明
附图1为本发明的实施例中铸造冷却装置的结构示意图；
附图2为本发明的实施例中铸造冷却装置的温度控制方法流程图；
附图3为本发明的另一种实施例中铸造冷却装置的温度控制方法流程图；
图中：
10-温度监测装置；20-分析模块；30-射流控制装置；40-射流发生装置；50-铸造模具；11温度传感器；31-射流控制单元；32-射流控制电机及驱动单元；41-刚性长导管；42-雾化喷口；43-射流发生子单元；51射流导流孔；52-模具型腔；53-传感器孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。需要理解，此处所描述的具体实施例是对本发明的解释，而不构成对本发明的限制。
如图1至图3所示，一种铸造模具冷却装置，包括温度监测装置10、分析模块20、射流控制装置30、射流发生装置40及射流导流孔51。所述分析模块20分别与温度监测装置10和射流控制装置30相连接，所述射流控制装置30与射流发生装置40相连接，铸造模具50上设有射流导流孔51，所述射流发生装置40与射流导流孔51连通。
所述温度监测装置10的作用是对铸造模具50的温度进行实时监测采样，温度监测数据由温度监测装置10传输至分析模块20；所述分析模块20对温度监测数据进行计算，并将计算结果传输至所述射流控制装置30；所述射流控制装置30依据分析模块20的计算结果向射流发生装置40发出射流控制指令；相应的射流发生装置40接收指令后喷出冷却射流。
本发明所述温度监测装置10可包含一组或多组(n组，n≥1)温度传感器11；铸造模具50型腔中设置有与温度传感器11组数相同的传感器孔53，温度传感器11放置于铸造模具50型腔中的传感器孔53内，且温度传感器11与传感器孔53一一对应。铸造过程进行时，n组不同的温度传感器实时监测铸造模具50中各采样点的温度t1、t2、…tn。
具体地，铸造模具50型腔中传感器孔53的开设位置根据温度监测点布置，为了实现模具型腔52附近温度的实时有效的监测，温度传感器11应在尽量靠近铸造模具型腔52的位置进行温度数据采集，并且多组温度传感器11应实现对铸造模具50内部的有效覆盖，即温度传感器11应均匀的分布于铸造模具50上，因此应均匀地在铸造模具50上开传感器孔53。同时，为了尽量保证铸造模具的强度及刚度，传感器孔53的孔径不宜过大，应当选择满足放置温度传感器条件的最小值，且打孔深度在保证模具自身强度、刚度的同时尽量靠近型腔内壁。
所述射流控制装置30包括射流控制单元、射流控制电机及驱动单元。所述射流控制装置30的射流控制单元与分析模块20的输出端连接，所述射流控制装置30与所述射流发生装置40中的射流发生子单元43相连接。所述的射流控制装置30的功能是根据分析模块20分析计算出的结果，分别计算射流发生装置40中不同射流发生子单元43工作时射流的流量、流速及气液比。所述射流控制装置30具有一组或多组射流控制电机及驱动单元，分别与所述射流发生装置40中对应的气流量调节阀、液流量调节阀以及雾化喷口42相连接，负责控制射流发生子单元43中的气流量调节阀、液流量调节阀以及雾化喷口42。
所述射流发生装置40的作用是发射用于散热的气、液混合射流，且气、液混合射流的气相由外部储气装置供给，液相由外部储液装置供给。所述射流发生装置40包含一组或多组射流发生子单元43，射流发生子单元的数量与射流控制电机及驱动单元32数量相同。射流发生子单元43中包含气流量调节阀、液流量调节阀、刚性长导管41及喷口42。气、液两相分别流经调节阀，经由刚性长导管41到达雾化喷口42，雾化喷口42负责将气、液混合并直接喷射于射流导流孔51底部，气、液混合射流在射流导流孔51底部气化，以相变传热的方式实现对射流导流孔51位置的降温。相变传热是各种导热手段中效率较高的，因此能够实现对铸造模具50温度的高效控制。
所述的气、液混合射流中的气相可以为空气、氮气等。液相可以为去离子水、酒精等。
所述射流导流孔51设置在铸造模具50中需要冷却的位置，射流导流孔与射流发生装置的射流发生子单元一一对应，金属熔液在模具型腔52内的凝固需要满足一定顺序才能减少铸造缺陷的发生，具体实施方法是在放置射流导流孔51工作之前，可以通过计算得出一套防止铸造缺陷生成的优化凝固顺序，基于计算结果，射流导流孔51可优先布置于铸造模具50需要优先冷却的位置。射流导流孔51以单孔的形式深入模具50，所述射流发生装置40喷出的冷却质在射流导流孔51底部受热气化后直接经由流道口喷出铸造模具50。同时。为了使完成冷却任务的射流蒸汽尽快排出，所述射流导流孔51以最短的长度穿过模具抵达冷却位置。
具体地，为了保证温度监测数据的有效性，射流导流孔51需要与传感器孔53保持一定距离，即如附图1所示交错排布，以减少射流发生装置40工作时局部温度变化时对温度监测装置10的影响。
一种铸造模具冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：
步骤一、所述温度监测装置10对铸造模具内多点温度进行实时监测及采样，并将监测采样数据传递至分析模块；
步骤二、所述分析模块20接收来自温度监测装置的温度实时监测采样数据，对温度监测数据进行分析计算，并将分析计算结果传输至射流控制装置；
步骤三、所述射流控制装置30根据分析模块的分析计算结果生成对射流发生装置的控制指令，并传递给射流发生装置；
步骤四、所述射流发生装置40接收控制指令，并将气、液混合射流喷出；气、液混合射流在射流导流孔底部气化，以相变传热的方式实现对射流导流孔位置的降温。
步骤五、重复上述步骤一至步骤四，实现对铸造模具温度的闭环的反馈控制。
所述分析模块对温度监测数据进行分析计算包含两种具体实现形式，一种是通过计算当前的熔液温度场来进行“闭环的反馈控制”；另一种是通过预测下一时刻熔液温度场来进行“闭环的复合控制”。现通过实施例具体描述如下：
实施例1
如图2所示，一种铸造模具冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：
步骤一、所述温度监测装置10对铸造模具内多点温度进行实时监测及采样，并将监测采样数据传递至分析模块；
步骤二、所述分析模块20接收来自温度监测装置10的实时温度监测数据t1、t2、…tn，并依据温度监测数据、铸造过程数学模型及边界条件，逆向还原出此时模具型腔52内部熔液的温度场Tmτ，并将此时温度场与该时刻的目标温度场Toτ进行比对，对比后得到该瞬时的温差场ΔTτ，温差场ΔTτ作为分析计算结果输出至射流控制装置30中的射流控制单元31；
步骤三、射流控制单元31计算射流发生装置40中不同射流发生子单元43工作时射流的流量、流速及气液比，并向射流控制电机及驱动单元32发出指令；
步骤四、射流控制电机及驱动单元32带动所述射流发生装置40中的射流发生子单元43喷出冷却射流；
步骤五、重复上述步骤一至步骤四，实现对铸造模具温度的闭环的反馈控制。
当所述分析模块将ΔTτ传输至射流控制装置时，射流控制系统可灵活地控制熔液温度场Tmτ向目标温度场Toτ的不断趋近，构成了对模具温度场的一种闭环的反馈控制。
该方法可灵活地控制熔液温度场Tmτ向目标温度场Toτ的趋近，构成了对模具温度场的一种闭环的反馈控制。
实施例2
如图3所示，一种铸造模具冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：
步骤一、所述温度监测装置10对铸造模具内多点温度进行实时监测及采样，并将监测采样数据传递至分析模块；
步骤二、所述分析模块20同样接收来自温度监测装置10的实时温度数据t1、t2、…tn，并逆向还原出此时模具型腔52内部熔液的温度场Tmτ，与第一实施例不同的是，分析模块20此实施例中在计算得出该时刻温差场ΔTτ后还要将当前温度场作为边界条件，在冷却装置工作状态不变的情况下预测出下一时刻的熔液温度场Tmτ+1，下一时刻的熔液温度场Tmτ+1与下一时刻的目标温度场Toτ+1进行比对，计算得出下一时刻的温差场ΔTτ+1，并将对比结果ΔTτ和ΔTτ+1传递至射流控制装置；
步骤三、射流控制装置根据分析模块的分析计算结果生成对不同射流发生装置子模块的一组或多组控制指令，并传递给射流发生装置；
步骤四、射流发生装置接收控制指令，并将气、液混合射流喷出；气、液混合射流在射流导流孔底部气化，以相变传热的方式实现对射流导流孔位置的降温；
步骤五、重复上述步骤一至步骤四，实现对铸造模具温度的闭环的反馈控制。铸造模具降温后，多点温度监测数据再次经由温度监测装置反馈，由此通过气、液混合射流的控制实现对铸造模具温度的闭环控制。
当所述分析模块20将ΔTτ和ΔTτ+1一同传输至射流控制装置30时，射流控制单元31可通过算法判断是否控制射流发生装置40提前介入，以降低ΔTτ+1可能带来的影响。
该方法构成了对模具温度场50的一种闭环的复合控制。由于气、液混合射流气化散热的方式非常高效，本方法在保证熔液温度场Tmτ向目标温度场Toτ不断接近的同时，通过预测防止冷却装置对铸造模具50温度场的超调，构成了对模具温度场的一种闭环的复合控制。
对上述所公开的实施例的说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。不能因此判断为对本发明，即一种铸造快速可控冷却装置及方法的限制。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铸造模具冷却装置，其特征在于，包括温度监测装置、分析模块、射流控制装置、射流发生装置；分析模块分别与温度监测装置和射流控制装置相连接，射流控制装置与射流发生装置的射流发生子单元连接，铸造模具上设有射流导流孔，射流发生子单元与射流导流孔连通；
所述温度监测装置用于对铸造模具的温度进行实时监测采样，温度监测数据由温度监测装置传输至分析模块；所述温度监测装置包含多组温度传感器；
所述分析模块对温度监测数据进行分析计算，根据铸造模具型腔内部熔液的温度场及目标温度场，获得熔液的温差场，并将计算结果传输至所述射流控制装置；
所述射流控制装置包括射流控制单元、射流控制电机及驱动单元；射流控制单元根据分析模块分析计算出的结果，分别计算射流发生装置中不同射流发生子单元工作时射流的流量、流速及气液比；所述射流控制装置具有多组射流控制电机及驱动单元，分别与所述射流发生装置中对应的射流发生子单元连接；
所述射流发生装置包含多组射流发生子单元，射流发生子单元的数量与射流控制电机及驱动单元数量相同；射流发生子单元包含气流量调节阀、液流量调节阀、刚性长导管及喷口，气、液两相分别流经气流量调节阀、液流量调节阀，并经由刚性长导管到达雾化喷口，雾化喷口负责将气、液混合并直接喷射于射流导流孔底部；所述射流导流孔以单孔的形式深入模具，所述射流发生装置喷出的气、液混合射流在射流导流孔底部气化后直接经由流道口喷出。
2.如权利要求1所述的一种铸造模具冷却装置，其特征在于，所述铸造模具型腔中设置有与温度传感器组数相同的传感器孔，温度传感器放置于铸造模具型腔中的传感器孔内，且温度传感器与传感器孔一一对应。
3.如权利要求2所述的一种铸造模具冷却装置，其特征在于，所述传感器孔均布设置在铸造模具上，且传感器孔的孔径选择满足放置温度传感器条件的最小值。
4.如权利要求2所述的一种铸造模具冷却装置，其特征在于，所述传感器孔与所述射流导流孔交错排布。
5.如权利要求1所述的一种铸造模具冷却装置的冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、所述温度监测装置对铸造模具内多点温度进行实时监测及采样，并将监测采样数据传递至分析模块；
步骤二、所述分析模块接收来自温度监测装置的实时温度监测数据t1、t2、…tn，并依据温度监测数据、铸造过程数学模型及边界条件，逆向还原出此时模具型腔内部熔液的温度场Tmτ，并将此时温度场与此时的目标温度场Toτ进行比对，对比后得到此时的温差场ΔTτ，温差场ΔTτ作为分析计算结果输出至射流控制装置中的射流控制单元；
步骤三、射流控制单元计算射流发生装置中不同射流发生子单元工作时射流的流量、流速及气液比，并向射流控制电机及驱动单元发出指令；
步骤四、射流控制电机及驱动单元带动所述射流发生装置中的射流发生子单元喷出冷却的气、液混合射流；气、液混合射流在射流导流孔底部气化，以相变传热的方式实现对射流导流孔位置的降温，气化后的气、液混合射流经射流导流孔排出；
步骤五、重复上述步骤一至步骤四，实现对铸造模具温度的闭环的反馈控制。
6.如权利要求5所述的一种铸造模具冷却装置的冷却方法，其特征在于，所述步骤二替换为：分析模块接收来自温度监测装置的实时温度监测数据t1、t2、…tn，逆向还原出此时模具型腔内部熔液的温度场Tmτ，并将此时温度场与此时的目标温度场Toτ进行比对，得到此时的温差场ΔTτ，然后将当前温度场作为边界条件，在冷却装置工作状态不变的情况下预测出下一时刻的熔液温度场Tmτ+1，将下一时刻的熔液温度场Tmτ+1与下一时刻的目标温度场Toτ+1进行比对，计算得出下一时刻的温差场ΔTτ+1；分析模块将对比结果ΔTτ和ΔTτ+1传递至射流控制装置。
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