CN201253672Y - 一种熔模铸造模壳制作系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型披露了一种制作模壳新系统，特别是针对熔模铸造。该系统10由一个沾浆装置14，一个撒砂装置12及一个干燥装置16组成。干燥装置16有用于干燥母模20的干燥室30。在干燥室30中配置有红外线光源34。干燥室的温度可借助红外线光源34或其他加热手段保持在20℃以上。

Description

一种熔模铸造模壳制作系统

技术领域

该实用新型涉及铸造模具生产领域。该实用新型特别适用于将单层或多层材料涂覆到预制母模外部的熔模铸造模壳的制作。

背景技术

熔模铸造常采用陶瓷模壳，其方法是在母模外部涂覆单层或多层材料来制作模壳。涂覆在母模外部的材料通常是浆料和砂料的混合物，砂料是颗粒状的物质，如矿物砂，将它撒在浆料上。在第一层涂覆在母模上时，也可能不撒砂料。每完成一层后，必须等它干燥后才能涂覆后续的一层，直到最后一层完全干燥，一个包着母模的模壳才制作完成。

接下来的过程就是将母模从模壳中去除，然后模壳进行烧结。去除母模的方法各有不同。例如，对蜡制母模，可以借助加热将其溶化排出，对于热塑性材料制作的母模，可以借助加热将塑料烧毁排出。

模壳制作的传统干燥过程是在室温下悬挂自然晾干。干燥过程中，新涂覆的每一层中的水份是逐渐，而不是瞬间消失的。通常干燥过程在室温约21~23℃，相对湿度40％以上的环境中进行。为了缩短干燥过程，推荐将每一层暴露在气流中干燥。气流加快了蒸发，有助于去除水分。

传统干燥方法的一个缺点是相对较长的干燥时间，每层干燥通常需要3小时，甚至10小时以上。这是因为低扩散梯度的原因。即使显著延长干燥时间，涂覆层的残留水分指标也难以达到要求。尤其是位于模壳下部的涂覆层，残余水分往往更倾向于扩散到已大致晾干的涂覆层，而不是蒸发掉。

由于上述原因，即使完成了最后的干燥过程，在模壳中仍然往往有一定的残留水分。这些残留水分阻碍和制约着浆料中胶体不可逆键的形成。此外，如果可逆胶体键和残余水气在干燥末期发生反应，由于可逆键分开，还将削弱模壳的组合结构。

如果没有足够的不可逆胶体键，就存在模壳开裂的风险。当溶化蜡制母模或烧毁热塑性材料母模时，由于母模材料受热膨胀，就可能导致模壳破裂。不可逆胶体键结合程度越差，这种风险就越大。虽然采用外部热冲击，例如放在高压釜内，可以降低这种风险。但由于水蒸气使得模壳侵入湿气，相应的将带来模壳强度降低的负面作用。

为了改进模壳的干燥过程，GB 2 350 810 A专利建议在浆料中掺入非水溶性有机纤维。掺入有机纤维对干燥过程由正面作用，而且可以降低残留水分。这是因为有机纤维的毛细管作用有助于水分的排出和蒸发。此外，纤维复合结构也有助于提高涂覆层结构的一致性，使层的厚度可以增加。

尽管掺入有机纤维可以带来许多好处，但每一层的干燥时间仍然过长。多层模壳几乎不可能在一天之内制作完毕。导致其制作周期非常长。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种可以更为快速地生产模壳的系统。

这项实用新型提供一种模壳制作(特别是熔模铸造的模壳制作)的新方法，包括以下步骤：提供母模；在母模外形成模壳，至少涂覆一层水基浆层，然后再一层层完成模壳涂覆；至少一次干燥过程；再将母模从模壳中移除。其干燥过程在温度20℃以上进行，并借助可控红外线辐射。

涂覆在母模外的壳层可能是某种不可燃的浆料，壳层中也可含有颗粒材料。然而，根据本实用新型的最佳方案，至少直接涂覆在母模表面的第一层不应含有任何颗粒材料。这一层应该是不可燃的液态粘结剂，例如水基硅溶胶，但可含有不可燃粉末。

本实用新型的第一方案，即多层模壳结构的情况，每一层都按照本实用新型的干燥过程进行完全干燥。本实用新型的第二方案，每一层都没有晾干(或没完全干燥)，或在温度20℃或20℃以下晾干，或/并在无红外线辐射情况下进行不完全干燥。

涂覆层的干燥可在恒温或不恒温的条件下进行。干燥温度可以在20℃以上或30℃以上，个别情况甚至可以高达约45℃。但22℃到28℃左右的温度范围最为适当。

如果模壳采用多层结构，每一层的干燥温度可以各不相同，最高温度可随着涂覆层数的增加而提高。由于干燥过程水分蒸发会带来冷却，最高干燥温度(干燥室室温)可以选用高于母模可能丧失尺寸稳定性的温度。在这种情况下，最大干燥温度至少可以高于母模尺寸稳定性开始降低的温度约5℃(首选的干燥室温度是高出约8℃或10℃)。

在干燥过程中，已涂覆的母模应在至少一个红外光源前相对旋转。这种相对旋转速度可在约0.5rpm和约8rpm之间，但转速在约1.5rpm和约4rpm之间更为适当。

借助流动的气体介质，如空气，可以改善干燥过程。气体介质的流动速度应为约0.5m/s至约8m/s，但气流速度在约1m/s到约5m/s之间更为适当。干燥室相对湿度控制在35％以下或30％以下，也有助改善干燥过程。根据这项实用新型的首选方案，干燥室的湿度最好控制在约20％以下或约10％以下。

本实用新型的方法可缩短模壳的干燥过程。每一层的干燥时间小于1小时，但干燥时间在约25min到45min之间更为适当。当母模有3层或3层以上的涂覆层时，至少有若干层的干燥时间与第一层不同。第二层和/或第三层和/或第四层的干燥时间因此可选取比其它层长一点，特别是比随后涂覆的一层要长一点。

干燥时间也可以作为所期望的模壳干燥度的函数来加以调节。按照前述第一方案，模壳具有多个涂覆层，且在一层完全干燥后再涂覆下一层。假如涂覆层残留水分低于约60％即可认为完全干燥，残留水分低于约55％到40％之间更为适宜。按照前述第二方案，某些涂覆层、若干涂覆层或所有涂覆层只能够部分达到干燥。

生产模壳的母模材料可以多种多样(例如，蜡或诸如ABS一类的热塑性材料)。在采用蜡母模的情况下，将其从干燥模壳中融化出来的温度可取约140℃，但取约150℃更为适当。

本实用新型的方法可适用于许多不同的应用领域。由于干燥时间缩短，特别适合于熔模铸造工艺制作原型(例如，生产一件或几件铸件)的情况。此外，该方法也适合于工业化大批量生产过程(例如，配置成具有链式输送机的流水线干燥装置)。

除了上面提到的干燥方法，本实用新型还包括一套模壳制作系统。这个系统包括将浆层涂覆到母模表面的沾浆装置和浆层干燥装置。干燥装置由干燥室和至少一个安装在干燥室内的红外光源组成。干燥室的温度应该在20℃以上，优选25℃以上，而且可以调节。采用适当的调节或控制手段(例如，可编程控制)确保期望的干燥温度或期望的干燥温度特性以及调节干燥温度时的温度的变化顺序。

达到干燥温度所需的热能可由红外光源提供。在这种情况下，红外光源必须平衡和抵消掉风所带来的冷却和散热效应的影响。为了调节和控制干燥温度，红外光源的电耗必须由适当方式加以监控，使其亮度能够调节，确保模壳表面温度为常数。

此外或作为选择，还可以采用单独的冷却方法，例如，在干燥室配置冷却气源。也可以采用除红外光源以外的加热方法。

该系统可包括一个旋转装置，使带涂覆层的母模旋转，面对至少一个红外光源。带涂覆层的母模与红外光源的这种相对旋转确保表面更均匀地加热，因此提高了涂覆层的质量。该系统也可提供对母模外部浆层进行撒砂的淋砂装置。配置该喷砂装置可将颗粒状材料(不一定是砂)粘结在浆层上。

为了实现模壳制作自动化，可以提供一个将母模模壳在干燥装置和沾浆装置之间来回(在多层的情况)搬运装置。这个搬运装置同时也可以将母模模壳在淋砂装置和沾浆装置之间搬运。为了方便搬运的路线的选择，沾浆装置在淋砂装置之前，干燥装置在淋砂装置之后。

附图说明

图1为本实用新型的模壳制作系统的侧视图；

图2为图1所示的模壳制作系统的俯视图；

图3为图1和2所示系统中的干燥装置的侧视图；

图4为图3所示干燥装置的前视图；

图5为图3所示干燥装置的俯视图；

图6为按照本实用新型进行干燥的陶瓷板弯曲试验结果；

图7为按照传统方法进行干燥的陶瓷板弯曲试验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

图1至图5为下面要加以描述的本实用新型的模壳制作系统10。通过不同的案例以及相互的对比，对本实用新型的方法进行进一步说明。

图1和图2所示为本实用新型的模壳自动制作系统10的总体配置。系统10应能完成模壳的沾浆、撒砂和干燥3个模壳制作关键步骤。为此相应地配置有撒砂装置12、沾浆装置14和干燥装置16。系统10还包括一个搬运母模的机械手装置18。

在系统10运行时，母模外表面可能尚未涂覆任何材料，或者已经涂覆一层或几层。图1所示的母模20可能有4种不同的位置状态：在撒砂装置内、在沾浆装置内、在干燥装置内或正在搬运过程中。当系统10作为快速原型制作设备而不是批量模壳制作设备时，图1所示的母模20只可能处于上述4种状态之一。但是，如果将装置12、14和16作为单独装置，并且重新配置搬运装置18(例如，改为链式传送带)，系统10也可用于模壳的批量生产。

在图1所示的情况下，撒砂装置12配置成为撒砂鼓，将砂或其他颗粒材料撒向挂有一层浆料的旋转母模20。同时，沾浆装置配置成为浆桶14，借助搬运机械手18，将母模20浸入浆桶14中，并且旋转。

装上母模20的搬运机械手装置18将母模浸入浆桶14、送入撒砂鼓12或干燥装置16。搬运机械手装置18备有可以沿X轴和Y轴移动的、装有母模20的夹头22。夹头22还可绕两个相互垂直的轴线旋转，如图1中的箭头24和26所示。

在使用系统10时，通常首先将母模20浸入浆桶14(特别是涂覆第一层时)，然后立即送入干燥装置16进行干燥或先送入撒砂鼓12进行撒砂再送入干燥装置16进行干燥。

图3至图5是干燥装置16的不同视图。从图中可见，干燥装置包括干燥室30，里面安装有许多风扇32和红外线光源34。若干风扇安装成一排，与另外一排面对面。风扇32使空气循环，并形成空气流，加速干燥过程。在图4还可以清楚地看到，风扇加速沿圆柱36切线方向的气流，由红外线光源34产生的热能在干燥室中就得以循环流动起来。因此，红外线光源就成为加热手段。为使母模20的涂覆层表面加热均匀，可以调节红外线光源的照度，同时使母模20在干燥室30中连续旋转。

干燥装置还包括一个提供冷却空气的空调装置38。空气调节装置38排出过热的空气，向空气干燥器40提供冷空气，在图3中以两个箭头表示。空气干燥器40采用吸收干燥原理，将干燥空气送入干燥室30，而将潮湿空气中排放到环境中。这个循环过程也以两个箭头表示。从图5可见，由风扇32在干燥室30中形成空气流动主循环46，同时也在空气干燥器40管道中形成次循环48。主循环46和次循环48的空气在空气混合室50内进行混合。这个混合过程可使主循环46的空气湿度降低，因为主循环46的潮湿空气进入次循环48，并从这里进入空气干燥器40。这个混合过程也使主循环46的空气冷却，因为从空气干燥器40进入次循环48的空气是由空调器38持续提供的，即经过冷却的空气。

当干燥室30的温度达到预先设定的干燥温度后，空调装置38就启动，以抵消来自红外线光源34的对干燥空气的加热。如果需要，也可提供能够加强红外线光源的其他加热方法(例如，空调装置38也可配置成向空气干燥器40提供暖风)。与图3至图5有所不同，空调装置38可与空气混合室50之间通讯(附加或单独地)。空调装置38(以及一定程度上空气干燥器40)因此可对预期干燥温度进行设定。为了实现这一点，空调装置38以及空气干燥器40需要借助适当的控制和调节装置(图中未显示)加以耦合，并通过可编程控制器影响干燥室30的干燥过程参数。

应该指出，图3至图5中的风扇32和可控红外线光源34的安排方式仅仅是一个例子。可以想象，特别是红外线光源34。它可布置成不仅为母模20的表面加热，还可加热空气，以作用在母模20的其他表面上。例如，红外线光源34也可以布置成两排或两排以上。一排对着一排地面向母模20，使发出的红外辐射一直垂直于母模20表面。

用蜡模在图1至图5的模壳制作系统上生产了的陶瓷模壳试验件，并进行了性能测试。所有试验件都采用同一种浆料。它含有WEXCOAT悬浮粘结剂(二氧化硅含量为24％)，英国伦敦Greenford，WEX化学公司生产、1-5％的长度为1mm的有机纤维以及molochite粉末(-200目)。浆料的初始粘度为41秒(用WEX杯法测量)。母模浸入浆桶14约10秒后，除第一层之外，在撒砂鼓14中喷上molochite颗粒砂(直径0.3~0.5mm)，涂覆后的母模送入有红外线辐射的干燥装置16中逐层进行干燥。

蜡模是立方型的，中间有一个直径20mm和深度20mm的盲孔。在干燥过程中对盲孔内的表面温度和含水量进行了测量，数据见下表。

第一个母模树进行了6层(次)涂覆，第一层没有撒砂。每一层都分别经过完全干燥。每次干燥过程都是在气流1.5m/s和恒定的红外线辐射下进行的，最大干燥温度逐层增加。当表面残余含水量小于约55％时，认为干燥过程完成。在干燥过程中，试验件相对红外线光源的旋转速度为2.5rpm。干燥室内空气湿度逐步降低。整个过程始终小心地将空气湿度控制在约20％以下，温度始终保持在22℃以上。

整个干燥过程的时间、干燥参数和表面状况，每一层都进行了测试(干燥室内的湿度相对高一点)，列于下表。每一干燥过程的每一参数和表面状况都测量2到5次。

陶瓷模I

表1

从表1可以看出，6层总的处理时间是3小时35分。干燥花费的时间仅约3小时15分。第一层(无砂)干燥10分钟。第二层干燥时间约20分钟，表面残余含水量约不到55％，第三层的干燥时间约30分钟，第四层约58分钟，第五层约45分钟，第6层约30分钟。

第一个陶瓷模壳试验件的结构厚度可以从下表推断：

表2

 

状态	尺寸	厚度增量
			蜡母模	35.0mm	0mm
无砂涂覆	35.5mm	0.25mm
			第二次涂覆	37.0mm	0.75mm
第三次涂覆	39.0m	1.0mm
			第四次涂覆	40.5mm	0.75mm
第五次涂覆	42.0mm	0.75mm
			第六次涂覆	44.0mm	1.0m

根据此表数据，每次沾浆/撒砂后，涂覆层结构的平均厚度为0.8mm。

下表所列是另一个具有7层涂覆层的陶瓷模壳试验件的干燥参数。干燥室内的气流速度约为1.5至2.0m/s。

陶瓷模II

表3

以下两个表列出两个相同的、有8层涂覆层的陶瓷模壳试验件，但干燥时的气流速度分别为2和4m/s，用于试验件沾浆的材料粘度约38秒。

陶瓷模III/1

表4

陶瓷模III/2

表5

在上述陶瓷模壳试验件的案例中，最后一层涂覆层干燥后，蜡模立即进行融化。蜡模融化在预热到150℃的加热炉中进行。蜡在15至20分钟后完全融出。对在干燥室中制作的模壳试验件进行目视检查，蜡模融化后没有模壳没有任何损坏或裂缝。

与此同时，另外一个采用传统干燥条件(见下表)制作的陶瓷模壳试验件，在同样蜡模融化条件下，就出现裂缝而导致完全破坏。这个用于比较的陶瓷模壳试验件采用和上一个陶瓷模壳类似的方法制作，重复多次沾浆、撒砂和干燥。区别仅仅在于干燥是在传统的条件下进行(没有采用干燥室)，没有红外线辐射，但有风扇，风速1.5m/s。

对比试验件

表6

从上述表中可以看出，比较试验件的干燥时间比按照本实用新型提出的方法制作的试验件要长得多。

同时，按照本实用新型提出的方法制作的试验件的强度比传统方法制作的试验件要高得多。测试陶瓷结合强度的试条尺寸为50mm×20mm×5mm。一个类似碗状的矽胶模用于制作试条。重复对这个矽胶模进行沾浆、撒砂和干燥处理，通常经过6到8次涂覆，试条的厚度可达到约5mm。

按照本实用新型制作的试条(在某些情况下和母模树同时制作)在温度约25℃、空气湿度5至10％的干燥室中进行干燥30分钟。在干燥过程中，试条受到红外线的辐射。此外，与其进行比较的试条在室温下进行干燥，空气湿度约50％。每一层晾干到表面含水量低于60％(这通常需要几小时到一天)。然后对这两种试条进行弯曲试验。试验在Feinmechanik Ralf Koegel公司的7/18强度试验机上进行。

实验数据详见下列两表。

表7

测试速率Test Rate：1mm/min

表8

测试速率Test Rate：1mm/min

图6所示是按照本实用新型的方法进行干燥的试条测试结果，图7是按照传统方法进行干燥的试条测试结果(两个毛坯件和两个烧结件，烧结件的试条在950℃下烧结1小时)。比较数据清楚地表明，在烧结状态下，按照本实用新型的方法进行干燥的试条的承载能力超过按照传统方法进行干燥的试条至少50％以上。按照本实用新型的方法进行干燥的“毛坯试条的承载能力也明显高于按照传统方法进行干燥的毛坯试条。

本实用新型优点的基础是：由于在相对较高的温度下进行干燥，加强了粘结剂胶体表面的离子交换过程，使得胶体之间的不可逆粘结非常可靠。借助红外线辐射进行表面干燥，使沾浆层的热扩散梯度较高，加速干燥过程。这种潜热效应使干燥温度可增加到母模失去稳定的温度以上，也加速干燥过程。

由于不可逆胶体粘结，每一层涂覆层都达到完全干燥。模壳在最后一层干燥结束时就立即达到期望的强度。换句话说，陶瓷模壳最后一层干燥完毕后就无需继续等待，立即可以进行熔模熔化或燃烧。然而，这种做法并不排除在个别情况下需要加长干燥过程。

在需要进一步缩短干燥时间的情况下，可以降低干燥室湿度。一系列的试验表明，干燥室的空气湿度可以降低到10％以下，经常达到2~8％。

试验表明，第一层撒砂层(通常是母模的第二层涂覆层)的干燥相对较快(约20分钟)。随后的一层或第二层撒砂层，为了保证干燥完全起见，干燥时间需要超过平均时间(可长达60分钟)。以后几层的典型干燥时间为30~35分钟。在干燥过程开始时，涂覆层的残余水分经常高于80％，然后在相当长时间保持在65~70％左右，再经过2~10分钟(通常为5分钟)后，很快降低到50％以下。

当采用本实用新型的方法制作原型时，对于所有涂覆层建议采用同一粘度的均匀浆料和同一粒度的颗粒材料。均匀的浆料料可改善润湿度，将倒出时间降低到38秒(使用WEX杯测量)。在模壳制作开始时，加一层不撒砂的、干燥时间较短的(通常小于15min)浸润层，可以提高铸件的表面质量，使其更加令人满意。

通过若干案例和比较对本实用新型进行了描述。但是对有实际经验的人，可以根据自己的专门知识在此基础上加以改进。系统的配置方案和布局，特别是红外线光源和风扇的数目可以按照实际需要确定。

Claims (9)

1.模壳制作系统(10)，特别是针对熔模铸造模壳的制作系统，其特征是，包括以下部分：

-沾浆装置(14)，用于把浆料涂覆到母模(20)上面；

-干燥设备(16)，用于干燥涂覆到母模(20)上的浆料；该设备带一干燥室(30)，在干燥室(30)中至少有一个红外线光源(34)，干燥室温度在20℃以上，并可以调节。

2.根据权利要求1所述的模壳制作系统(10)，其特征是，所述干燥室温度在25℃以上。

3.根据权利要求1所述的模壳制作系统(10)，其特征是，有一个冷却装置(38和40)，向干燥室提供冷却干燥气体。

4.根据权利要求1所述的模壳制作系统(10)，其特征是，除了红外线光源(34)之外，还有提供了加热干燥室(30)辅助方法。

5.根据权利要求1所述的模壳制作系统(10)，其特征是，提供了一种将带涂覆层的母模(20)相对可控红外线光源(34)进行旋转的装置(22)。

6.根据权利要求5所述的模壳制作系统(10)，其特征是，所述旋转装置的相对旋转速度在0.5rpm到8rpm之间

7.根据权利要求6所述的模壳制作系统(10)，其特征是，所述旋转装置的相对旋转速度在1.5rpm到4rpm之间。

8.根据权利要求1所述的模壳制作系统(10)，其特征是，提供对沾浆后的母模(20)进行撒砂的装置(12)。

9.根据权利要求1所述的模壳制作系统(10)，其特征是，提供了一种至少在沾浆装置(14)和干燥装置(16)之间搬运母模的搬运装置(18)。

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