CN115815535A - 一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造造型技术领域，具体为一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法及装置，气冲前将液氮冲入砂型上方，通过小气冲预紧实结合大气冲紧实，充分利用一次气冲与二次气流反弹使液氮均匀渗入砂型，有利于在气冲后得到冷冻密度均匀且冷冻效果极佳的铸型，造型时间短、质量高，造型时间相较于现有技术缩短一倍，能满足大规模大批量生产需要，更有利于提高铸件的质量。

Description

一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法及装置

技术领域

本发明涉及铸造造型技术领域，具体为一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法及装置。

背景技术

近年来随着世界工业化程度的快步发展，对铸造产业的需求越来越大，传统铸造由于采用树脂或膨润土、煤粉等作为型砂粘结剂，工作环境充斥着灰尘、树脂未完全燃烧造成的废气等，更是产生了大量的工业废物，不仅污染环境，损害工人身体健康，其后期回收处理的成本也不容小觑。

传统的冷冻铸造方法采用液氮冷却的方法实现型砂和水混合物的冰冻造型，由冷冻铸造方法得到的铸型，只包括型砂和水两种物质，在浇注后可以实现自动落砂，简化了浇注后的清理过程，工艺简单、绿色环保，且节约成本。虽满足绿色发展的需要，但冷冻速率慢，且砂型紧实度不均匀，影响铸件质量，不适合大规模大批量生产。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法及装置。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法，包括如下步骤：

S1.填砂；

S2.液氮冲入砂箱；

S3.小气冲预紧实；打开小气冲阀，压缩空气贮存腔内的压缩空气进入砂箱，完成小气冲预紧实；

S4.大气冲紧实；关闭小气冲阀后打开大气冲阀，气罐内高压空气进入砂箱，完成大气冲紧实；

S5.取出模样，得到铸型。

作为本发明所述的一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，在模底板上砂箱内安放模型，在砂箱内铺型砂，型砂量取决于模具大小，一般填砂高度最好在20cm以上，简单震实以保证模板与砂箱深凹部位型砂的填充。

作为本发明所述的一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，通过刮板刮去辅助框以上的多余型砂。

作为本发明所述的一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，型砂采用二氧化硅砂，加入粘土增加型砂粘合性，型砂中水分应保持在3-5wt%，粘土含量3-10wt%。

作为本发明所述的一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，打开小气冲阀，通过液氮冲入口向砂箱中冲入液氮，采用保温装置保证冲入液氮温度≤-130℃；关闭小气冲阀，静置2-3min，使液氮充分渗入型砂缝隙中。

作为本发明所述的一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，液氮与型砂的质量比为0.5-1.0，液氮流速控制在20-30mL/s，液氮冲入可能在小气冲阀中有残余，通过小气冲预紧实可以完全排出。

作为本发明所述的一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，在小气冲预紧实之前，将气压为3-15MPa的压缩空气贮存到压缩空气贮存腔内；在小气冲预紧实时，压缩空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为100-180MPa/s，气冲3-5s完成小气冲预紧实。

作为本发明所述的一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法的优选方案，其中：所述步骤S4中，在大气冲紧实之前，将气压为15-30MPa的高压空气贮存到气罐内；在大气冲紧实时，高压空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为150-230MPa/s，气冲5-10s完成大气冲紧实。

为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型装置，包括：

气罐、大气冲阀、小气冲阀、砂箱、压缩空气贮存腔；

所述气罐位于砂箱上部，用于贮存高压气体，通过大气冲阀的开闭实现高压空气进入砂箱完成大气冲紧实；所述压缩空气贮存腔位于砂箱上部且与气罐不连通，用于贮存压缩气体，通过小气冲阀的开闭实现压缩空气进入砂箱完成小气冲预紧实。

作为本发明所述的一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型装置的优选方案，其中：小气冲阀上开设小孔，且小孔面积与小气冲阀面积比为1：20-50。

作为本发明所述的一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型装置的优选方案，其中：小气冲阀与大气冲阀面积比为1：8-20。

作为本发明所述的一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型装置的优选方案，其中：所述装置还包括辅助框、模底板、工作台、液氮冲入口，所述辅助框位于砂箱上部且位于气罐下部，所述模底板位于砂箱下部，所述工作台位于模底板和砂箱下部，所述液氮冲入口与压缩空气贮存腔连通，通过小气冲阀的开闭，实现向砂箱中导入液氮。

本发明的有益效果如下：

本发明提出一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法及装置，气冲前将液氮冲入砂型上方，通过小气冲预紧实结合大气冲紧实，充分利用一次气冲与二次气流反弹使液氮均匀渗入砂型，有利于在气冲后得到冷冻密度均匀且冷冻效果极佳的铸型，造型时间相较于现有技术缩短一倍，砂型的性能例如抗拉强度、抗压强度、透气性等相较于现有技术提高30%以上，能满足大规模大批量生产需要，更有利于提高铸件的质量。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明冷冻铸造用液氮渗流气冲造型装置示意图。

附图标号说明：

1-气罐、2-液氮冲入口、3-大气冲阀、4-辅助框、5-砂箱、6-工作台、7-压缩空气贮存腔、8-小气冲阀、9-模底板。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合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的一部分实施例，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作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。

本发明提供一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法及装置，造型时间短、质量高，能满足大规模大批量生产需要，更有利于提高铸件的质量，气冲前将液氮冲入砂型上方，通过小气冲预紧实结合大气冲紧实，充分利用一次气冲与二次气流反弹使液氮均匀渗入砂型，有利于在气冲后得到冷冻密度均匀且冷冻效果极佳的铸型。

根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法，包括如下步骤：

S1.填砂；

S2.液氮冲入砂箱5；

S3.小气冲预紧实；打开小气冲阀8，压缩空气贮存腔7内的压缩空气进入砂箱5，完成小气冲预紧实；

S4.大气冲紧实；关闭小气冲阀8后打开大气冲阀3，气罐1内高压空气进入砂箱5，完成大气冲紧实；

S5.取出模样，得到铸型。

所述步骤S1中，在模底板9上砂箱5内安放模型，在砂箱5内铺型砂，型砂量取决于模具大小，一般填砂高度最好在20cm以上，简单震实以保证模板与砂箱深凹部位型砂的填充。通过刮板刮去辅助框4以上的多余型砂。型砂采用二氧化硅砂，加入粘土增加粘合性，型砂中水分应保持在3-5wt%，粘土含量为3-10wt%。具体的，所述型砂中水分应保持在例如但不限于3wt%、3.5wt%、4wt%、4.5wt%、5wt%中的任意一者或任意两者之间的范围；粘土含量为例如但不限于3wt%、4wt%、5wt%、6wt%、7wt%、8wt%、9wt%、10wt%中的任意一者或任意两者之间的范围。由于型砂不采用树脂或膨润土、煤粉等作为型砂粘结剂，浇注后不会产生废气，废砂量也得到很大程度的减少，绿色环保。

所述步骤S2中，打开小气冲阀8，通过液氮冲入口2向砂箱中冲入液氮，采用保温装置保证冲入液氮温度≤-130℃；关闭小气冲阀8，静置2-3min，使液氮充分渗入型砂缝隙中。液氮与型砂的质量比为0.5-1.0，液氮流速控制在20-30mL/s，液氮冲入可能在小气冲阀8中有残余，通过小气冲预紧实可以尽可能多的排出小气冲阀8残余的液氮。具体的，静置时间为例如但不限于2min、2min10s、2min20s、2min30s、2min40s、2min50s、3min中的任意一者或任意两者之间的范围；液氮与型砂的质量比为例如但不限于0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.0中的任意一者或任意两者之间的范围；液氮流速控制在例如但不限于20mL/s、22mL/s、24mL/s、26mL/s、28mL/s、30mL/s中的任意一者或任意两者之间的范围。

所述步骤S3中，在小气冲预紧实之前，将气压为3-15MPa的压缩空气贮存到压缩空气贮存腔内；在小气冲预紧实时，压缩空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为100-180MPa/s，气冲3-5s完成小气冲预紧实。具体的，压缩空气的气压为例如但不限于3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa、12MPa、13MPa、14MPa、15MPa中的任意一者或任意两者之间的范围；所述升压速率为例如但不限于100MPa/s、110MPa/s、120MPa/s、130MPa/s、140MPa/s、150MPa/s、160MPa/s、170MPa/s、180MPa/s中的任意一者或任意两者之间的范围；气冲时间为例如但不限于3s、3.5s、4s、4.5s、5s中的任意一者或任意两者之间的范围。

所述步骤S4中，在大气冲紧实之前，将气压为15-30MPa的高压空气贮存到气罐内；在大气冲紧实时，高压空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为150-230MPa/s，气冲5-10s完成大气冲紧实。具体的，高压空气的气压为例如但不限于15MPa、16MPa、17MPa、18MPa、19MPa、20MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa、30MPa中的任意一者或任意两者之间的范围；所述升压速率为例如但不限于150MPa/s、160MPa/s、170MPa/s、180MPa/s、190MPa/s、200MPa/s、210MPa/s、220MPa/s、230MPa/s中的任意一者或任意两者之间的范围；气冲时间为例如但不限于5s、5.5s、6s、6.5s、7s、7.5s、8s、8.5s、9s、9.5s、10s中的任意一者或任意两者之间的范围。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型装置，如图1所示，包括：

气罐1、大气冲阀3、小气冲阀8、砂箱5、压缩空气贮存腔7；

所述气罐1位于砂箱5上部，用于贮存高压气体，通过大气冲阀3的开闭实现高压空气进入砂箱5完成大气冲紧实；所述压缩空气贮存腔7位于气罐1内且与气罐1不连通，用于贮存压缩气体，通过小气冲阀8的开闭实现压缩空气进入砂箱5完成小气冲预紧实；小气冲阀8上开设小孔，且小孔面积与小气冲阀8面积比为1：20-50。小气冲阀8与大气冲阀3面积比为1：8-20。具体的，小孔面积与小气冲阀8面积比为例如但不限于1:20、1:22、1:24、1:26、1:28、1:30、1:32、1:34、1:36、1:38、1:40、1:42、1:44、1:46、1:48、1:50中的任意一者或任意两者之间的范围；小气冲阀8与大气冲阀3面积比为1:8、1:9、1:10、1:11、1:12、1:13、1:14、1:15、1:16、1:17、1:18、1:19、1:20中的任意一者或任意两者之间的范围。

所述装置还包括辅助框4、模底板9、工作台6、液氮冲入口2，所述辅助框4位于砂箱5上部且位于气罐1下部，所述模底板9位于砂箱5下部，所述工作台6位于模底板9和砂箱5下部，所述液氮冲入口2与压缩空气贮存腔7连通，通过小气冲阀8的开闭，实现向砂箱中导入液氮。

以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。

实施例1

一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法，包括如下步骤：

S1.填砂；在模底板9上砂箱5内安放模型，在砂箱5内铺型砂，型砂量取决于模具大小，填砂高度在50cm，简单震实以保证模板与砂箱深凹部位型砂的填充，震实时间约为20s，震实频率60Hz。通过刮板刮去辅助框4以上的多余型砂，保证每箱造型填入型砂的量偏差≤砂箱总填砂体积的3-5％。型砂采用二氧化硅砂，加入粘土增加粘合性，型砂中水分应保持在3wt%，粘土含量为5wt%。

S2.液氮冲入砂箱5；打开小气冲阀8，通过液氮冲入口2向砂箱中冲入液氮，采用保温装置保证冲入液氮温度≤-130℃；关闭小气冲阀8，静置2min，使液氮充分渗入型砂缝隙中。液氮与型砂的质量比为0.75，液氮流速控制在20mL/s。

S3.小气冲预紧实；在小气冲预紧实之前，将气压为10MPa的压缩空气贮存到压缩空气贮存腔7内；打开小气冲阀8，压缩空气贮存腔7内的压缩空气进入砂箱5，完成小气冲预紧实；压缩空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为150MPa/s，气冲3s完成小气冲预紧实。

S4.大气冲紧实；在大气冲紧实之前，将气压为30MPa的高压空气贮存到气罐1内；在大气冲紧实时，关闭小气冲阀8后打开大气冲阀3，气罐1内高压空气进入砂箱5，完成大气冲紧实；高压空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为200MPa/s，气冲5s完成大气冲紧实。

S5.取出模样，得到铸型。

采用实施例1所述铸型实现变壁厚的铝合金铸件的浇铸，在铸型型腔内采用喷涂方法，均匀喷涂绝热涂料，将熔融金属液倒入铸型，熔融金属在铸型中凝固成壳，待外面成壳以后，迅速在冷冻铸型壁厚部位喷射冷却剂，以溶解的方式使冷冻铸型壁厚部位快速溶解溃散落砂。

实施例2

一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法，包括如下步骤：

S1.填砂；在模底板9上砂箱5内安放模型，在砂箱5内铺型砂，型砂量取决于模具大小，填砂高度在40cm，简单震实以保证模板与砂箱深凹部位型砂的填充，震实时间约为30s，震实频率100Hz。通过刮板刮去辅助框4以上的多余型砂，保证每箱造型填入型砂的量偏差≤砂箱总填砂体积的3-5％。型砂采用二氧化硅砂，加入粘土增加粘合性，型砂中水分应保持在5wt%，粘土含量为6wt%。

S2.液氮冲入砂箱5；打开小气冲阀8，通过液氮冲入口2向砂箱中冲入液氮，采用保温装置保证冲入液氮温度≤-130℃；关闭小气冲阀8，静置2min，使液氮充分渗入型砂缝隙中。液氮与型砂的质量比为0.7，液氮流速控制在25mL/s。

S3.小气冲预紧实；在小气冲预紧实之前，将气压为15MPa的压缩空气贮存到压缩空气贮存腔7内；打开小气冲阀8，压缩空气贮存腔7内的压缩空气进入砂箱5，完成小气冲预紧实；压缩空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为160MPa/s，气冲5s完成小气冲预紧实。

S4.大气冲紧实；在大气冲紧实之前，将气压为30MPa的高压空气贮存到气罐1内；在大气冲紧实时，关闭小气冲阀8后打开大气冲阀3，气罐1内高压空气进入砂箱5，完成大气冲紧实；高压空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为200MPa/s，气冲8s完成大气冲紧实。

S5.取出模样，得到铸型。

采用实施例2所述铸型实现球墨铸铁的浇铸，将铁水采用离心浇铸方式倒入铸型，球墨铸铁在铸型中凝固成壳。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.填砂；

S2.液氮冲入砂箱；

S3.小气冲预紧实；打开小气冲阀，压缩空气贮存腔内的压缩空气进入砂箱，完成小气冲预紧实；

S4.大气冲紧实；关闭小气冲阀后打开大气冲阀，气罐内高压空气进入砂箱，完成大气冲紧实；

S5.取出模样，得到铸型。

2.根据权利要求1所述的造型方法，其特征在于，所述步骤S1中，型砂采用二氧化硅砂，加入粘土增加型砂粘合性，型砂中水分保持在3-5wt%，粘土含量为3-10wt%。

3.根据权利要求1所述的造型方法，其特征在于，所述步骤S2中，打开小气冲阀，通过液氮冲入口向砂箱中冲入液氮后关闭小气冲阀，静置2-3min。

4.根据权利要求1所述的造型方法，其特征在于，所述步骤S2中，液氮与型砂的质量比为0.5-1.0，液氮流速控制在20-30mL/s。

5.根据权利要求1所述的造型方法，其特征在于，所述步骤S3中，在小气冲预紧实之前，将气压为3-15MPa的压缩空气贮存到压缩空气贮存腔内；在小气冲预紧实时，压缩空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为100-180MPa/s，气冲3-5s完成小气冲预紧实。

6.根据权利要求1所述的造型方法，其特征在于，所述步骤S4中，在大气冲紧实之前，将气压为15-30MPa的高压空气贮存到气罐内；在大气冲紧实时，高压空气进入砂箱顶部与型砂接触的升压速率为150-230MPa/s，气冲5-10s完成大气冲紧实。

7.一种冷冻铸造用液氮渗流气冲造型装置，用于实现权利要求1所述造型方法，其特征在于，包括：

气罐、大气冲阀、小气冲阀、砂箱、压缩空气贮存腔；

气罐位于砂箱上部，用于贮存高压气体，通过大气冲阀的开闭实现高压空气进入砂箱完成大气冲紧实；压缩空气贮存腔位于砂箱上部且与气罐不连通，用于贮存压缩气体，通过小气冲阀的开闭实现压缩空气进入砂箱完成小气冲预紧实。

8.根据权利要求7所述的造型装置，其特征在于，小气冲阀上开设小孔，且小孔面积与小气冲阀面积比为1：20-50。

9.根据权利要求7所述的造型装置，其特征在于，小气冲阀与大气冲阀面积比为1：8-20。

10.根据权利要求7所述的造型装置，其特征在于，所述装置还包括辅助框、模底板、工作台、液氮冲入口；辅助框位于砂箱上部且位于气罐下部，模底板位于砂箱下部，工作台位于模底板和砂箱下部，液氮冲入口与压缩空气贮存腔连通，通过小气冲阀的开闭，实现向砂箱中导入液氮。

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