CN112756586B - 一种浇铸带空腔的铸铁镶环的模具和工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浇铸空腔的铸铁镶环的模具和工艺方法，该模具包括砂型本体、定位支架以及与砂型本体配合的盖板，砂型本体内设有柱形腔体以及连通于柱形腔体的底部的浇道，定位支架包括环形底板以及垂直设于环形底板的筒体，筒体的上下端均为敞口，柱形腔体的底部设有用于放置环形底板的环形台阶面，环形台阶面与环形底板等高，砂型本体的底部设有贯通于环形台阶面的第一冷却通道，盖板上设有正对第一冷却通道的第二冷却通道。在保证铸铁镶环金相组织为高温奥氏体的前提下，钢管环和铸铁镶环通过镶嵌铸造的方式实现两者之间的冶金结合，不需要每个铸铁镶环和钢管环整周焊接，可显著提高制造的便捷性，且制造工艺方法成本低廉，良品率高。

Description

一种浇铸带空腔的铸铁镶环的模具和工艺方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，更具体地说，涉及一种浇铸带空腔的铸铁镶环的模具。此外，本发明还涉及一种浇铸带空腔的铸铁镶环的工艺方法。

背景技术

随着发动机活塞使用温度的逐步提升，活塞内冷油腔的位置不断上移，与活塞顶面和燃烧室的距离越来越近，导致活塞内冷油腔的铸造难度越来越大。

为此，大量活塞制造厂家开始使用一种带空腔的铸铁镶环，该工艺方法较好地解决了重力铸造铝活塞内冷油腔成型的质量问题。但它同时带来另一个困难，该种带空腔的铸铁镶环制造难度大、成本高昂，较大地阻碍了它的生产与应用。

当前，带空腔的铸铁镶环主要有两种结构。一种结构是铸铁镶环的背面与半闭式的环形钢片一起构成环形的空腔，通过焊接的方式将两者连接在一起，另一种结构是铸铁镶环与封闭环形的钢管直接通过三个或三个以上的焊点将两者连接在一起。

以上两种带空腔结构的铸铁镶环均采用焊接的方式生产制造，特别是第一种结构中，需要将半闭式钢片整周焊接在铸铁镶环的背面，其制造成本可想而知，非常费时费力。

同时，该铸铁镶环的金相技术要求必须为奥氏体组织，其线膨胀系数和铝活塞基体材料的线膨胀系数相近，以避免活塞在使用过程中铸铁镶环与铝基体因膨胀系数不一样导致结合面撕裂。

因此，在保证铸铁镶环金相为高温奥氏体组织的前提下，如何解决带空腔的铸铁镶环制造成本高且制造难度大的问题，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，铸铁镶环和耐热不锈钢管通过铸造的方式实现冶金结合，更易于制造且成本低廉。

本发明的另一目的是在保证铸铁镶环金相组织为高温奥氏体的前提下提供一种浇铸带空腔的铸铁镶环的工艺方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，包括砂型本体、定位支架以及与所述砂型本体配合的盖板，所述砂型本体内设有柱形腔体以及连通于所述柱形腔体的底部的浇道，所述定位支架包括环形底板以及垂直设于所述环形底板的筒体，所述筒体的上下端均为敞口，所述柱形腔体的底部设有用于放置所述环形底板的环形台阶面，所述环形台阶面与所述环形底板等高，所述砂型本体的底部设有贯通于所述环形台阶面的第一冷却通道，所述盖板上设有正对所述第一冷却通道的第二冷却通道。

优选的，所述盖板在所述第二冷却通道的两侧设有分别设有用于形成冒口的开孔。

优选的，所述第二冷却通道为圆柱形冷却通道，所述环形台阶面的直径大于所述第二冷却通道的直径，且所述第一冷却通道与所述第二冷却通道的直径相同。

优选的，所述柱形腔体与所述环形台阶面的轴心共线，所述环形底板与所述筒体的轴心共线。

优选的，还包用于套在所述筒体上以将钢管环隔开的环形垫片，所述环形垫片的外径小于所述钢管环的外径。

优选的，所述环形垫片为石棉垫片。

一种浇铸带空腔的铸铁镶环的工艺方法，应用于如权利要求1至6任一项所述的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，包括：

将钢管环与环形垫片套设在所述定位支架的筒体，并通过所述环形垫片将相邻的所述钢管环隔开；

将套设有所述钢管环与所述环形垫片的定位支架放入所述柱形腔体，并使所述环形底板放入所述环形台阶面；

将所述盖板合模于所述砂型本体；

将1400℃-1450℃的铁液连续浇入所述浇道；

对所述钢管环进行冷却；

打开所述砂型本体、取出铸件、退下所述定位支架，进行堆冷；

切除所述铸件的浇口并清洗，得到毛坯；

将所述毛坯安装定位在车床上，将所述毛坯的外圆尺寸车削至所需的定位凸台的外径尺寸，并切除冒口、切平端面；

对粗车外圆后的所述毛坯采用两段定位，车出所述定位凸台；

对车完定位凸台的所述毛坯进行一端装夹定位，并逐一切片，得到带空腔的铸铁镶环。

优选的，所述对所述钢管环进行冷却包括：

从所述第一冷却通道至所述第二冷却通道自下而上的吹风冷却，风速10-15米/秒，所述冒口凝固前5-10停止吹风冷却。

优选的，所述将1400℃-1450℃的铁液连续浇入所述浇道包括：

使用浇包盛装铁液，在所述浇包内加入0.1-0.3kg的除渣剂并捞渣后从浇道开始连续浇注，每包铁液在10-25秒内浇完。

本发明所提供的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，使用时，将耐热不锈钢管环与环形垫片套设在定位支架的筒体上，并通过环形垫片将相邻的钢管环隔开，将定位支架的环形底板放置在砂型本体的环形台阶面，然后通过浇道向柱形腔体内浇铸铁液，冷却后打开砂型本体，取出铸件，退下定位支架得到毛坯件，对毛坯件进行加工并逐一切片后，便可得到带空腔的铸铁镶环。由于整个的环形耐热不锈钢管环和铸铁镶环，通过镶嵌铸造的方式实现两者之间的冶金结合，能够保证铸铁镶环金相组织为高温奥氏体，相较于现有的机械装配和焊接结构，金相组织满足产品要求，不需要每个铸铁镶环和钢管环整周焊接，可显著提高制造的便捷性，且制造工艺方法成本低廉，良品率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为砂型本体与盖板的示意图；

图2为定位支架的示意图；

图3为钢管环和垫片预装在定位支架上的示意图；

图4为将套装有管环和垫片的定位支架装入砂型本体的示意图；

图5为浇铸冷却后得到的铸件的示意图；

图6为退下定位支架和切除冒口后得到的毛坯的示意图；

图7为粗车外圆后得到的毛坯的示意图；

图8为车出定位凸台的半成品的示意图；

图9为对车完定位凸台的毛坯进行切片得到带有空腔的铸铁镶环的示意图；

图10为背景技术中钢管环与铸铁镶环的连接示意图。

其中，1-砂型本体、11-柱形腔体、12-浇道、13-环形台阶面、14-第一冷却通道、2-盖板、21-第二冷却通道、22-开孔、3-定位支架、31-环形底板、32-筒体、4-石棉垫片、5-钢管环、6-冒口、7-定位凸台、8-铸铁镶环、9-焊点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，铸铁镶环和耐热不锈钢管通过铸造的方式实现冶金结合，更易于制造且成本低廉。

本发明的另一核心是在保证铸铁镶环金相组织为高温奥氏体的前提下提供一种浇铸带空腔的铸铁镶环的工艺方法。

请参考图1至图10，图1为砂型本体与盖板的示意图；图2为定位支架的示意图；图3为钢管环和垫片预装在定位支架上的示意图；图4为将套装有管环和垫片的定位支架装入砂型本体的示意图；图5为浇铸冷却后得到的铸件的示意图；图6为退下定位支架和切除冒口后得到的毛坯的示意图；图7为粗车外圆后得到的毛坯的示意图；图8为车出定位凸台的半成品的示意图；图9为对车完定位凸台的毛坯进行切片得到带有空腔的铸铁镶环的示意图；图10为背景技术中钢管环与铸铁镶环的连接示意图。

本发明所提供的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，包括砂型本体1、定位支架3以及与砂型本体1配合的盖板2，砂型本体1内设有柱形腔体11以及连通于柱形腔体11的底部的浇道12，定位支架3包括环形底板31以及垂直设于环形底板31的筒体32，筒体32的上下端均为敞口，柱形腔体11的底部设有用于放置环形底板31的环形台阶面13，环形台阶面13与环形底板31等高，砂型本体1的底部设有贯通于环形台阶面13的第一冷却通道14，盖板2上设有正对第一冷却通道14的第二冷却通道21。

其中，砂型本体1为浇铸铸铁镶环8的模具，砂型本体1内设有柱形腔体11，即砂型本体1内设有圆柱形的腔体，浇道12与圆柱形腔体11的底部连通，具体的，浇道12的入口设置在砂型本体1的上端面，以便于铁液从浇道12浇入柱形腔体11内，浇道12的出口与柱形腔体11的底部连通，从而保证柱形腔体11内形成的铸件的侧壁的平整性，保证铸铁镶环8的结构强度。盖板2上应当设有与浇道12的入口连通的通孔，以保证正常的浇铸。

定位支架3包括环形底板31与筒体32，筒体32的上下端均为敞口，且筒体32垂直设于环形底板31上，即定位支架3整体呈T型结构。使用时，将钢管环5与环形垫片套设在定位支架3的筒体32上，并通过环形垫片将相邻的钢管环5隔开，环形底板31起到支撑的作用，筒体32起到定位的作用。

砂型本体1在柱形腔体11的底部还设有环形台阶面13，环形台阶面13与定位支架3的环形底板31等高，从而将定位支架3的环形底板31放置在环形台阶面13时，定位顶板隐藏在环形台阶面13内，不占用柱形腔体11的空间。同时，砂型本体1的底部设有第一冷却通道14，第一冷却通道14贯通于环形台阶面13，且盖板2上设有与第一冷却通道14正对的第二冷却通道21。

如此，当套装有钢管环5与环形垫片的定位支架3放入柱形腔体11内时，定位支架3的环形底板31位于环形台阶面13，钢管环5紧贴于柱形腔体11的底部，当铁液浇入柱形腔体11内后，铁液便可在钢管环5与环形垫片的外侧形成铸铁镶环8。同时，环形底板31、筒体32与第一冷却通道14、第二冷却通道21贯通，便于对钢管环5进行冷却，冷却风速10-15米/秒，根据钢管环的受热变形大小进行适当微调；冒口凝固前5-10秒关闭冷却风，可有效确保铸铁镶环金相获得高温奥氏体组织。

本发明所提供的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，使用时，将耐热不锈钢管环与环形垫片套设在定位支架3的筒体32上，并通过环形垫片将相邻的钢管环5隔开，将定位支架3的环形底板31放置在砂型本体1的环形台阶面13，然后通过浇道12向柱形腔体11内浇铸铁液，冷却后打开砂型本体1，取出铸件，退下定位支架3得到毛坯件，对毛坯件进行加工并逐一切片后，便可得到带空腔的铸铁镶环8。由于整个的环形耐热不锈钢管和铸铁镶环8，通过镶嵌铸造的方式实现两者之间的冶金结合，能够保证铸铁镶环金相组织为高温奥氏体，相较于现有的机械装配和焊接结构，不需要每个铸铁镶环8和钢管环5整周焊接，可显著提高制造的便捷性，且制造工艺方法成本低廉，良品率高。

在上述实施例的基础之上，作为一种优选，盖板2在第二冷却通道21的两侧设有分别设有用于形成冒口6的开孔22。开孔22可为倒锥形，以利用冒口6进行补缩，另外，冒口6还可以起到排气和集渣的作用。

在上述实施例的基础之上，作为一种优选，第二冷却通道21为圆柱形冷却通道，环形台阶面13的直径大于第二冷却通道21的直径，且第一冷却通道14与第二冷却通道21的直径相同。具体的，定位支架3的筒体32的外径应该大于第二冷却通道21的内径，且筒体32的高度等于柱形腔体11的高度，以保证定位支架3、柱形腔体11之间相对第二冷却通道21密闭的环形铸造腔体。

在上述实施例的基础之上，作为一种优选，柱形腔体11与环形台阶面13的轴心共线，环形底板31与筒体32的轴心共线。以保证钢管环5外侧形成的铸铁镶环8的厚度的均匀性，便于车削加工。

在上述实施例的基础之上，作为一种优选，还包用于套在筒体32上以将钢管环5隔开的环形垫片，环形垫片的外径小于钢管环5的外径。具体的，环形垫片为石棉垫片4。

此外，本发明还提供了一种浇铸带空腔的铸铁镶环的工艺方法，应用于上述任一项的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，包括：

将钢管环5与环形垫片套设在定位支架3的筒体32，并通过环形垫片将相邻的钢管环5隔开；

将套设有钢管环5与环形垫片的定位支架3放入柱形腔体11，并使环形底板31放入环形台阶面13；

将盖板2合模于砂型本体1；

将1400℃-1450℃的铁液连续浇入浇道12；

对钢管环5进行冷却。

打开砂型本体1、取出铸件、退下定位支架3，进行堆冷；

切除铸件的浇口并清洗，得到毛坯；

将毛坯安装定位在车床上，将毛坯的外圆尺寸车削至所需的定位凸台7的外径尺寸，并切除冒口6、切平端面；

对粗车外圆后的毛坯采用两段定位，车出定位凸台7；

对车完定位凸台7的毛坯进行一端装夹定位，并逐一切片，得到带空腔的铸铁镶环8。

其中，钢管环5应当为耐热不锈钢管环，具体的，钢管环5的材质可为Cr25Ni20等。

在上述实施例的基础之上，作为一种优选，对钢管环5进行冷却包括：

从第一冷却通道14至第二冷却通道21自下而上的吹风冷却，冷却风速10-15米/秒，根据钢管环的受热变形大小进行适当微调；冒口6凝固前5-10秒关闭冷却风，可有效确保铸铁镶环金相获得高温奥氏体组织。

在上述实施例的基础之上，作为一种优选，将1400℃-1450℃的铁液连续浇入浇道12包括：

使用浇包盛装铁液，在浇包内加入0.1-0.3kg的除渣剂并捞渣后从浇道12开始连续浇注，每包铁液在10-25秒内浇完。

具体的制造工艺方法流程如下：

第一，将树脂砂造型、压实，获得砂型本体1。

第二、将耐热不锈钢管环和石棉垫片4逐层预装到定位支架3上。

第三、将预装好的耐热不锈钢管环和石棉垫片4的定位支架3放到砂型本体1的柱形腔体11内，并使环形底板31放入环形台阶面13，定位好，盖上盖板2压实、锁紧。

第四、使用浇包盛装铁液，在浇包内加入0.1-0.3kg除渣剂并捞渣后从浇道12开始平稳浇注，浇注过程要连续顺畅，不得断流，保证每包铁水在10-25秒内浇完，浇铸温度1400℃-1450℃。

第五，浇注完毕后，立即从砂型本体1的冷却通道，自下而上开启吹风冷却；冷却风速10-15米/秒，根据钢管环的受热变形大小进行适当微调；冒口凝固前5-10秒关闭冷却风，可有效确保铸铁镶环金相获得高温奥氏体组织；如环境温度高于30摄氏度，可适当采用水冷，水冷采用喷淋冷却，冷却时间小于风冷时间的1/5，视冒口6的凝固状况做微调。

第六、冷却时间达到后，打开砂型，取出铸件，退下定位支架3，进行堆冷。需要指出的是，毛坯温度降至100℃以下时，才能切除浇口和清洗。

第七、将切除浇口并清洗的毛坯安装定位在车床上，将毛坯的外圆尺寸车削至所需的定位凸台7的外径尺寸，并切除冒口6，切平端面。

第八、对粗车外圆后的毛坯采用两段定位，车出铸铁镶环8的定位凸台7。

第九、车完定位凸台7的半成品一端装夹定位，开始逐一切片，最终获得带空腔的铸铁镶环8，装箱备用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具和工艺方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的工艺方法及其核心思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，其特征在于，包括砂型本体（1）、定位支架（3）以及与所述砂型本体（1）配合的盖板（2），所述砂型本体（1）内设有柱形腔体（11）以及连通于所述柱形腔体（11）的底部的浇道（12），所述定位支架（3）包括环形底板（31）以及垂直设于所述环形底板（31）的筒体（32），所述筒体（32）的上下端均为敞口，还包括用于套在所述筒体（32）上以将钢管环（5）隔开的环形垫片，所述环形垫片的外径小于所述钢管环（5）的外径；所述柱形腔体（11）的底部设有用于放置所述环形底板（31）的环形台阶面（13），所述环形台阶面（13）与所述环形底板（31）等高，所述砂型本体（1）的底部设有贯通于所述环形台阶面（13）的第一冷却通道（14），所述盖板（2）上设有正对所述第一冷却通道（14）的第二冷却通道（21）。

2.根据权利要求1所述的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，其特征在于，所述盖板（2）在所述第二冷却通道（21）的两侧分别设有用于形成冒口（6）的开孔（22）。

3.根据权利要求2所述的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，其特征在于，所述第二冷却通道（21）为圆柱形冷却通道，所述环形台阶面（13）的直径大于所述第二冷却通道（21）的直径，且所述第一冷却通道（14）与所述第二冷却通道（21）的直径相同。

4.根据权利要求1至3任一项所述的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，其特征在于，所述柱形腔体（11）与所述环形台阶面（13）的轴心共线，所述环形底板（31）与所述筒体（32）的轴心共线。

5.根据权利要求4所述的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，其特征在于，所述环形垫片为石棉垫片（4）。

6.一种浇铸带空腔的铸铁镶环的工艺方法，应用于如权利要求1至5任一项所述的浇铸带空腔的铸铁镶环的模具，其特征在于，包括：

将钢管环（5）与环形垫片套设在所述定位支架（3）的筒体（32），并通过所述环形垫片将相邻的所述钢管环（5）隔开；

将套设有所述钢管环（5）与所述环形垫片的定位支架（3）放入所述柱形腔体（11），并使所述环形底板（31）放入所述环形台阶面（13）；

将所述盖板（2）合模于所述砂型本体（1）；

将1400℃-1450℃的铁液连续浇入所述浇道（12）；

对所述钢管环（5）进行冷却；

打开所述砂型本体（1）、取出铸件、退下所述定位支架（3），进行堆冷；

切除所述铸件的浇口并清洗，得到毛坯；

将所述毛坯安装定位在车床上，将所述毛坯的外圆尺寸车削至所需的定位凸台（7）的外径尺寸，并切除冒口（6）、切平端面；

对粗车外圆后的所述毛坯采用两段定位，车出所述定位凸台（7）；

对车完所述定位凸台（7）的所述毛坯进行一端装夹定位，并逐一切片，得到带空腔的铸铁镶环（8）；

所述对所述钢管环（5）进行冷却包括：

从所述第一冷却通道（14）至所述第二冷却通道（21）自下而上的吹风冷却，风速为10-15米/秒，所述冒口（6）凝固前5-10秒停止吹风冷却。

7.根据权利要求6所述的浇铸带空腔的铸铁镶环的工艺方法，其特征在于，所述将1400℃-1450℃的铁液连续浇入所述浇道（12）包括：

使用浇包盛装铁液，在所述浇包内加入0.1-0.3kg的除渣剂并捞渣后从浇道（12）开始连续浇注，每包铁液在10-25秒内浇完。

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