CN115740360A

CN115740360A - 冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法与装置

Info

Publication number: CN115740360A
Application number: CN202211519914.XA
Authority: CN
Inventors: 单忠德; 杨浩秦; 施建培; 张学良
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2042-11-30
Also published as: CN115740360B

Abstract

本发明公开了一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法与装置，包括混砂装置，真空上砂装置，低温制冷装置，柔性挤压装置和真空负压装置。低温制冷装置由液氮喷洒装置和回旋式冷凝管路构成，低温液氮通过布置在喷洒装置上的圆孔进入挤压装置内部，实现冷冻砂型的快速制冷和低温冻结。高柔性挤压装置由阵列式触头和顶升液压缸组成，阵列式触头结构为紧密排布设计，触头可自由升降充当不同尺寸大小砂箱。该种柔性模具快速制冷方法可制造出近成形冷冻砂型（芯），降低型砂材料去除率，且冷冻砂型表面覆膜可以阻止高温金属液与冷冻砂型直接接触，保持砂型强度的同时，防止在浇注过程中产生大量的水蒸气，实现复杂铸件精确凝固成形。

Description

冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法与装置

技术领域

本发明涉及冷冻砂型绿色铸造技术领域，尤其是涉及一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷装置及方法。

背景技术

铸造是制造业的基础，也是国民经济的基础产业。传统铸造行业的能源和资源消耗非常大，木模/金属模翻模制备铸型制造周期长，存在生产工序多、劳动强度大、开发成品昂贵和工作环境恶劣等问题。传统铸造行业急需工艺绿色化突破与变革，促进制造业节能减排和绿色可持续发展。

数字化冷冻砂型绿色铸造成形技术以水为粘结剂，在低温条件下实现型砂粘结和砂型数字化切削/打印成形，可制造出高质量铸件。其原理是在砂型三维CAD模型驱动下，利用打印喷头/铣刀直接成形冷冻砂型（芯）的增/减材制造，经表面处理及组装后获得待浇注的砂型。在现有设备的条件下，大尺寸冷冻砂坯面临冻结时间长、材料消耗多、脱模难对预成型后的砂型后冷冻的控制精准性很差。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷装置及方法，提高了决大尺寸冷冻砂坯冻结效率、避免浪费型砂材料提高砂型冷冻加工的效率。

一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷装置，包括混砂装置和真空上砂装置，所述混砂装置与所述真空上砂装置通过密封管路相连接，实现湿型砂的自动上料功能；还包括低温制冷装置、柔性挤压装置和真空负压装置；其中低温制冷装置罩设住所述柔性挤压装置；所述柔性挤压装置上连接有真空负压装置，所述柔性挤压装置包括固定仓、阵列式触头和顶升液压缸，固定仓设置有多个真空管路与外部所述真空负压装置连接，用于吸附阵列式触头上的高分子薄膜；每个阵列式触头的底部与所述顶升液压缸连接固定。

本发明进一步改进在于：所述低温制冷装置由所述液氮喷洒装置和所述回旋式冷凝管路组成，所述液氮喷洒装置四周侧壁上设置有多个按规则排列的圆孔结构，低温液氮通过圆孔进入所述低温制冷装置的内部，实现冷冻砂型的快速制冷。

本发明进一步改进在于：所述圆孔结构采用三角晶格排列或正方晶格排列或六方晶格排列。

一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法，所述方法采用上述装置进行制备，具体步骤如下：

S1、根据铸件特点选择合适型砂，量取质量分数3%～8%的水置于混砂机中选取合适搅拌速度，均匀搅拌2～6分钟，制备含水湿型砂；

S2、将高柔性挤压装置内部阵列触头按照砂型形状尺寸特征通过顶升液压缸升降不同的高度形成一定形状的型腔，使得柔性挤压阵列单元的形状最大程度逼近真实铸型的几何形状；

S3、在升降好位置的阵列式触头表面覆上一层高分子薄膜，启动油旋片真空泵，真空吸力使薄膜紧贴在金属阵列触头上；

S4、开启真空上砂装置，湿型砂被定量吸取落入柔性挤压装置内部，经过填砂、刮平挤压成形，最终得到与目标砂型形状接近的砂坯；

S5、开启低温制冷装置，低温气体在回旋式冷凝管回路中循环制冷，冷气与砂型进行对流换热；同时，低温液氮通过液氮喷洒装置通过圆孔结构进入柔性挤压装置内部，与湿型砂接触换热，实现冷冻砂型的快速制冷；

S6、待冷冻砂型内部温度达到预设温度时，再次启动真空泵倒吹冷气，使得原本贴敷在金属阵列触头上的薄膜紧密贴合在冷冻砂型表面。

本发明进一步改进在于：所述混砂装置称取一定比例的型砂和纯水，均匀搅拌制备湿型砂；所述型砂包括硅砂、锆英砂、铬铁矿砂、宝珠砂中的一种或多种。

本发明进一步改进在于：所述型砂与纯水质量配比范围为3%～8%，根据型砂质量，所述混砂装置搅拌速度80r/min～150 r/min，搅拌时间2～6分钟。

本发明进一步改进在于：所述液氮喷洒装置和回旋式冷凝管路冷源是低温冷风、低温CO2气体和干冰微颗粒中的一种。

本发明进一步改进在于：所述薄膜为EVA塑料薄膜、聚乙烯薄膜以及聚酯胺纤维中的一种，防止部分砂粒掉落至触头间隙中。

本发明进一步改进在于：阵列式触头结构为紧密排布设计，触头根据铸型结构及尺寸自由升降，并且部分触头可完全升起，起到砂箱作用，挤压成形冻结后自由降落，易于取出冷冻砂型。

本发明进一步改进在于：所述真空负压装置在覆膜和保压过程中真空度控制在0.03～0.04MPa。

本发明的有益效果：

（1）本方案通过在冷冻砂型挤压成形室内部设置金属阵列触头，制造出近成形砂型（芯），节约型砂材料，提高经济效益。

（2）本方案的液氮喷洒装置和回旋式冷凝管路以对流和导热两种方式，使得冷冻砂型与冷源充分接触，实现冷冻砂型的高效快速制冷。

（3）冷冻砂型表面高分子薄膜可以有效阻隔高温金属液与冷冻砂型中的冰晶直接接触，保护砂型的强度，防止在浇注过程中产生大量的水蒸气。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图中，1-混砂装置，2-真空上砂装置，3-低温制冷装置，4-柔性挤压装置，4-1-固定仓，5-真空负压装置。

图2、图2为本发明制冷装置结构示意图；

图中，6-液氮喷洒装置，7-回旋式冷凝管路；

图3为本发明柔性挤压装置的结构示意图，图中，8-阵列式触头，9-顶升液压缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-3所示，本发明实施例提供一种技术方案：一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷装置，包括混砂装置1，真空上砂装置2，低温制冷装置3，柔性挤压装置4和真空负压装置5。所述混砂装置1与所述真空上砂装置2通过密封管路相连接，实现湿型砂的自动上料功能。

所述低温制冷装置3由所述液氮喷洒装置6和所述回旋式冷凝管路7组成，所述液氮喷洒装置6四周侧壁上设置有多个按规则排列的圆孔结构，低温液氮通过圆孔进入所述低温制冷装置3内部，实现冷冻砂型的快速制冷。

所述真空上砂装置2与所述制冷装置3、柔性挤压装置4相连，所述真空上砂装置2将湿型砂吸取落入所述柔性挤压装置4内部，且所述低温制冷装置3位于所述柔性挤压装置4外部，用于湿型砂的快速降温。固定仓4-1设置有多个真空管路与外部所述真空负压装置5连接，用于吸附阵列式触头8上的高分子薄膜；所述柔性挤压装置4设置有多个真空管路与外部所述真空负压装置5连接，用于吸附阵列触头上的高分子薄膜。所述纯水质量占型砂质量分数的4%，根据型砂质量，所述混砂装置1搅拌速度120 r/min，搅拌时间5分钟。所述低温制冷装置4由所述液氮喷洒装置6和所述回旋式冷凝管路7组成，所述液氮喷洒装置6四周侧壁上设置有多个按规则排列的圆孔结构，低温液氮通过圆孔进入所述低温制冷装置3内部，实现冷冻砂型的快速制冷。

一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法，该方法适用于各种材质（石英砂、锆英砂和铬铁矿砂等）冷冻砂型快速冻结及辅助切削过程，具体实施步骤为：

S1、根据铸件特点选择合适型砂，量取一定比例（质量分数3%～8%）的水置于混砂机中选取合适搅拌速度，均匀搅拌2～6分钟，制备含水湿型砂。

S2、将柔性挤压装置内部阵列触头按照砂型形状尺寸特征通过顶升液压缸升降不同的高度形成一定形状的型腔，使得柔性挤压阵列单元的形状最大程度逼近真实铸型的几何形状。

S3、在升降好位置的阵列式触头表面覆上一层高分子薄膜，启动油旋片真空泵，真空吸力使薄膜紧贴在金属阵列触头上。

S4、开启真空上砂装置，湿型砂被定量吸取落入柔性挤压装置内部，经过填砂、刮平挤压成形，最终得到与目标砂型形状接近的砂坯。

S5、开启低温制冷装置，低温气体在回旋式冷凝管回路中循环制冷，冷气与砂型进行对流换热。同时，低温液氮通过液氮喷洒装置圆孔结构进行柔性挤压装置内部，与湿型砂接触换热，实现冷冻砂型的快速制冷。

S6、待冷冻砂型内部温度达到预设温度时，再次启动真空泵倒吹冷气，使得原本贴敷在金属阵列触头上的薄膜紧密贴合在冷冻砂型表面，能有效解决高温金属在冷冻砂型内部冲型过程中强度难以保持的问题。

所述薄膜为EVA塑料薄膜、聚乙烯薄膜以及聚酯胺纤维中的一种，防止部分砂粒掉落至触头间隙中。所述真空负压装置在覆膜和保压过程中真空度可控制在0.03~0.04MPa。本实施例通过柔性挤压装置内部阵列式触头结构和外部液氮喷洒装置和回旋式冷凝管路的设计，实现冷冻砂型的快速高效制冷和易于取出脱模，制造出近成形砂型（芯），降低材料去除率，提高经济效益。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷装置，包括混砂装置（1）和真空上砂装置（2），所述混砂装置（1）与所述真空上砂装置（2）通过密封管路相连接，实现湿型砂的自动上料功能；其特征在于；还包括低温制冷装置（3）、柔性挤压装置（4）和真空负压装置（5）；其中低温制冷装置（3）罩设住所述柔性挤压装置（4）；所述柔性挤压装置（4）上连接有真空负压装置（5），所述柔性挤压装置（4）包括固定仓（4-1）、阵列式触头（8）和顶升液压缸（9），固定仓（4-1）设置有多个真空管路与外部所述真空负压装置（5）连接，用于吸附阵列式触头（8）上的高分子薄膜；每个阵列式触头（8）的底部与所述顶升液压缸（9）连接固定。

2.根据权利要求1所述的一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷装置，其特征在于：所述低温制冷装置（3）由所述液氮喷洒装置（6）和所述回旋式冷凝管路（7）组成，所述液氮喷洒装置（6）四周侧壁上设置有多个按规则排列的圆孔结构，低温液氮通过圆孔进入所述低温制冷装置（3）内部，实现冷冻砂型的快速制冷。

3.根据权利要求2所述的一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷装置，其特征在于：所述圆孔结构采用三角晶格排列或正方晶格排列或六方晶格排列。

4.一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法，其特征在于：所述方法采用权利要求1的装置进行制备，具体步骤如下：

5.根据权利要求4所述的一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法，其特征在于：所述混砂装置（1）称取一定比例的型砂和纯水，均匀搅拌制备湿型砂；所述型砂包括硅砂、锆英砂、铬铁矿砂、宝珠砂中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法，其特征在于：所述型砂与纯水质量配比范围为3%～8%，根据型砂质量，所述混砂装置（1）搅拌速度80r/min～150 r/min，搅拌时间2～6分钟。

7.根据权利要求4所述的一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法，其特征在于：所述液氮喷洒装置（6）和回旋式冷凝管路（7）冷源是低温冷风、低温CO₂气体和干冰微颗粒中的一种。

8.根据权利要求4所述的一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法，其特征在于：所述薄膜为EVA塑料薄膜、聚乙烯薄膜以及聚酯胺纤维中的一种，防止部分砂粒掉落至触头间隙中。

9.根据权利要求4所述的一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法，其特征在于：阵列式触头（8）结构为紧密排布设计，触头根据铸型结构及尺寸自由升降，并且部分触头可完全升起，起到砂箱作用，挤压成形冻结后自由降落，易于取出冷冻砂型。

10.根据权利要求4所述的一种冷冻砂型绿色铸造工业级高柔性模具快速制冷方法，其特征在于，所述真空负压装置（5）在覆膜和保压过程中真空度控制在0.03～0.04MPa。