CN1281361C - 使用三个腔室的立式注射机和相关注射成型的方法 - Google Patents

Abstract

一种立式注射机，它含有：一个用来供应液态金属的第一腔室；一个设置得比该第一腔室低的第二腔室；和一条把该第一腔室和该第二腔室连通起来的第一管道。该第一腔室具有一根设置于其内的闸杆，而且在该闸杆的下部附着有一个阀门头。该阀门头适合于把该第一管道的下部密封起来。一根计量杆设置于该第二腔室内。该立式注射机，它还含有：一个朝着垂直方向的第三腔室，以及一根把该第二腔室和该第三腔室连通起来的第二管道。一根注射杆垂直地设置于该第三腔室内，以及一个设置于该第三腔室上部的注射喷嘴。

Description

使用三个腔室的立式注射机和相关注射成型的方法

技术领域：

本发明涉及一种制造金属零件的方法和设备；更特别地，是涉及一种制造金属零件的方法和设备，它利用把液态金属注射到成型模内的有关工艺过程，而且它所涉及的还包括一些模铸方法在内。

背景技术：

常规的铸造设备分为：热室型和冷室型两类。在冷室型模铸设备中，熔化金属被充注到一个固定在模板上的套管内，而且该套管还与连到铸型腔的进料开口相连。熔化金属利用一个柱塞被注射到铸模内。由于柱塞向前推进驱除空气或气体时的动作缓慢，因此套管内的熔化金属容易被冷却下来，当它在套管底部散开时，就会形成激冷碎屑或一些固态颗粒。该激冷碎屑或这些固态颗粒被注射到铸模内，将使铸件的物理性质恶化。

被冷却的熔化金属会增加熔化金属的粘度，并使得熔化金属难以注满铸型腔。另外，它还会在铸件表面上产生疤痕。特别是对于某些镁合金，因为镁合金中镁的固化潜热小(小于铝、铅和锌的固化潜热)，这是一个需要认真对待的问题。由于小的固化潜热，当镁合金与具有低温材料接触时，合金中的镁就会迅速地固化。

热套管曾被采用过，但加过热的套管的温度不像金属的液相温度那样热，这是由于套管是和一个铸模相连，而且铸模的温度又必须低于金属的固相温度。铸模的温度必须充分地低于被熔化金属的固相温度，以产生足够的固化率。也就是说说，固化率反映出每一操作循环所需的时间。注入套管的熔化金属所具有的温度，远高于金属的固相温度，以便遏制套管中的冷却。这在加热的能量成本方面是一个缺点。

冷室型设备在套管内，位于柱塞头部和铸模进料口之间形成一圈厚的、作为铸件一部分的环形板，它通常被称为板片。当铸模被打开，从铸模中拉出铸件之后，该板片即从铸件上被割除下来作为铸造原料而再循环使用。可是，有时该板片大于产品。这对于金属的使用不利，因为这样使用金属有着巨大的再循环成本。

于热室型设备情况，在熔炉的熔化金属内浸沉有一个注射机构。被注射的熔化金属的温度被保持在其液相温度之上。该注射机构具有一个带柱塞的注射缸，一个鹅颈形腔室和一个位于该腔室末端的喷嘴。熔化金属经过一条鹅颈形通道再通过一个喷嘴被注射到成型腔内，而不需形成环形板。这是热室型模铸设备的优点。

热室型设备超过冷室型设备的另一个优点，是在于每一操作循环所占用的时间。如前所述，在冷室型设备中，铸件是由注射到闭合的铸模之间的铸型腔内的熔化金属所形成，而且一直到该铸件被冷却成为固体。分开铸模，并拉出铸件，然后把润滑喷涂到分开的铸模上再重新闭合铸模。从而铸模准备就绪可以开始下一操作循环。当铸模闭合时，即当铸模准备就绪而可开始下一个操作循环时，熔化金属才被注入注射套管中，因为注射套管直接与铸模连通，从而熔化金属不致从铸模的进料开口处滴漏出来。

另一方面，热室型模铸设备利用注射柱塞返回到其充满位置，而把熔化金属注入鹅颈和注射缸***内。熔化金属的供应是通过注射缸上的一个开口或充注口。在冷却注射在铸模内的熔化金属的同时，通过倾斜鹅颈形腔室来进行喷嘴的定位。喷嘴的鹅颈形***中的熔化金属，当铸模打开时，有流回到熔化炉的倾向，以达到液体静压液位。在把熔化金属注入鹅颈和注射缸***内时，由于被注射到闭合的铸模内的金属同时也在冷却，因此热室型设备一个操作循环所用的时间，与冷室型模铸设备相比而可以缩短。

但熔化金属在鹅颈的喷嘴段处的固化，以及在从喷嘴和铸浇口处的滴漏，对于热室型模铸设备仍然是有一些问题。众所周知，当柱塞缩回时将在注射机构中建立起真空。可是，一旦缩回的塞缩经过位于注射缸上、从熔化炉供应熔化金属的开口或充注口，由于熔化炉处于大气压力下，真空立即被破坏。因此，熔化金属被吸回注射缸内，而且当铸件固化和铸模分开时，鹅颈和喷嘴也均完全被充满熔化金属。

当铸件冷却时，极大多数情况下在喷嘴内都会存在有熔化金属。当对喷嘴末梢处的冷却加以适当的控制，如在模铸工业中所理解者，喷嘴末梢处的金属就会形成半固态。该所形成的半固态金属会像堵塞物那样起作用，当铸模被分开时可防止熔化金属从喷嘴处滴漏出来。如果冷却不充分，当铸模分开时在喷嘴末梢处以及在铸浇口处的金属仍旧是液态，从而会发生滴漏。另一方面，如果过分冷却，在喷嘴末梢内的金属固化并与铸浇口冻结在一起，当铸模分开后，铸件将会被卡在固定模内。

美国第3,123,875、3,172,174、3,270,378、3,474,875和3,491,827号专利提议利用柱塞的返回冲程或逆冲程在鹅颈中建立起真空，从喷嘴和铸浇口最末梢处把熔化金属抽吸回来。这些专利揭示了一些附着在注射缸上的机构以及一种柱塞***，以便用来始终保持所建立的真空可以完整无损，一直到铸模被分开并将固化的铸件从固定模的铸浇口撤出之后。

热室型模铸设备中的一些问题，是由浸沉在熔化炉熔化金属中的一种沉重的注射机构所引起。带有一个鹅颈形腔室和一个注射缸***的注射机构难以清洁干净。而且一些被磨损的柱塞环和套管也难以更换。一个磨损的柱塞环和套管由于泄漏也会使的注射压力降低，从而导致所注射入熔化金属体积与铸型腔不协调。该不协调注射体积也就会产生质量不稳定的铸件。

根据注射***的布置情况，模铸设备还可以分为：水平的(通常称卧式的)和垂直的(通常称立式的)。在卧式模铸设备中，为了沿水平方向把熔化金属注射到铸模内，而把注射***作水平布置。在立式模铸设备中，为了沿垂直方向把熔化金属注射到铸模内，而把注射***是作垂直布置。

常规的立式模铸设备通常是垂直布置的冷室型设备，它具有和上述冷室型设备相同的优缺点。可是，立式模铸设备的一个特点是熔化金属的进料口可以位于垂直的注射室的顶部。但这样的布置对于卧式的设备就不能应用。在美国第4,088,178和4,278,935中，揭示了一些铸造机械，这些机械中有一根竖立的浇铸套管可旋转地被安装在一块基板上，并与垂直位置略有偏斜，以便接受熔化金属。为了替代把熔化金属供应到浇铸套管，日产汽车公司(Nissan Motors，亦称尼桑汽车公司)在美国第4,347,889号专利中揭示了一种垂直模铸机械，其中有一根向下移动的垂直浇铸套管并在该套管内嵌有一个固态的金属块。该嵌入的金属块则利用高频感应线圈来使之熔化。这些设备所带来的问题，是在于它们的结构复杂性。

发明内容：

本发明的一个实施例所包括的立式注射机，其组成部分有：一个供应液态金属的第一腔室；一个设置得低于该第一腔室的第二腔室；一条把该第一腔室和该第二腔室连通起来的第一管道，其内设置有一根闸杆；一个附着在该闸杆下部的阀门头，该阀门头适合于将该第一管道下部密封起来；一根计量杆设置在该第二腔室内；一个朝着垂直方向的第三腔室；一条把该第二腔室和该第三腔室连通起来的第二管道；一根垂直地设置于该第三腔室内的注射杆；以及一个位于该第三腔室上部的注射喷嘴。

本发明另一个实施例所包括的注射成型方法，它含有：在第一腔室内把金属熔化成液态；把一部分液态金属传送到一条第一管道；打开设置于该第一腔室内的闸门(闸杆和阀门头构造只是闸门各种构造形式中的一种)，使该部分已熔化的金属能够从该第一管道流入位于该第一腔室下面的第二腔室；退回一根位于该第二腔室内的计量杆；以及关闭位于该第一管道，停止从该第一管道至该第二腔室的金属流动。该方法还含有：推进该计量杆迫使该部分金属经过第一开口从该第二腔室进入第三腔室；推进注射杆来关闭该第一开口并排出该第三腔室内的空气；以及朝向一个固定成型模升高该第三腔室，并推进该注射杆把该部分液态金属经过一个喷嘴注射入该成型模。

本发明的另一个实施例所包括的立式注射机，其组成部分有：一个第一腔室，其内含有一个用来把金属熔化成为液态的加热设施；一个传送设施，用来把一部分液态金属传从该第一腔室送到第二腔室；一个密封设施，用来密封该传送设施。该机还含有：一个朝着垂直方向的第三腔室；一个计量设施，用来把液态金属从该第一腔室抽吸到该第二腔室内，并迫使该部分金属从该第二腔室进入第三腔室；一个注射设施，用来密封介于该第三腔室和该第二腔室之间的一个开口，并用来把液态金属从该第三腔室注射到一个成型模内；以及一个升降设施，用来在液态金属被注射入该成型模之前，把立式注射机提升至该成型模，并于液态金属被注射入该成型模之后，下降立式注射机使之离开该成型模。

附图说明：

通过下列的叙述，以及所附的一些权利要求和附图中的一些示范性实施例(它们以后将简要地加以描述)，可以清楚地看到本发明上述的和其它的一些特点、情况和优点。应当指出：除非另有专门申述者外，凡是相同的元件皆具有相同的参考号码。

图1为按照本发明的一个实施例的一种多室型立式注射机的概略侧示图。

图2为按照本发明的一个实施例的一种多室型立式注射机的概略侧示图。

图3为按照本发明的一个实施例的一种多室型立式注射机的概略侧示图。

图4为图1中所描述的实施例的详细示图，还用来描述优先采用的浇铸道的布置。

具体实施方式：

本发明的一些发明人发现了一种改进型、用来制造金属铸件的机器，它具有精确地计量金属和减少或消除液态金属泄漏的能力。该机器包含一条介于一个熔化金属供料器与一个计量室之间的管道，并具有一个位于该管道内的闸杆。该闸杆具有一个附着在其下部的阀门头，并适合于将该第一管道下部密封起来。这些发明人发现，这样的布置具有非常好的密封性，远优于在传统的那些多室注射机所能见到的密封性。如下面所将详细讨论的，这对于计量又能够提供更大的控制。

图1-4对按照本发明一个实施例的一种金属模铸机进行了解说。这个实施例的注射机200含有一个固态金属于其中被熔化成液态的熔化炉210。固态金属可以是锭状料、颗粒状料、粉状料或任何其它的合适金属源。该熔化炉具有一个能提供充分热量来使金属液化的加热源205。熔化炉210最好含有一块带有一个孔口的板206，使得液态金属能通过该孔口，同时使得固态金属仍旧沉在熔化炉210的底部。一个计量室220位于熔化炉210之下。熔化炉210和计量室220由一条第一管道215来连通。

在本发明的一个优先实施例中，第一管道215具有两个部分。第一部分是一个与熔化炉210连通的水平部分214，第二部分是一个与计量室220连通的垂直部分212。一根适合于作轴向移动的闸杆217设置在该第二部分212内。一个阀门头218附着在闸杆217的下部。阀门头218适合于和位于第一管道215垂直部分212内的开口219相匹配(参见图2)。阀门头218的形状正好与第一管道216垂直部分212内开口219的形状相颠倒(亦即一阳一阴，能互相紧密地配合在一起)。在本发明的一个实施例中，阀门头218较宽的部分位于较窄部分之下(即上窄下宽)的锥形。便但阀门头218也可以是能适合于将第一管道215下部密封起来的球形或半球形。

开口219为进入计量室220上部提供了进口。计量室220最好朝着水平方向。一条第二管道225设置在计量室的一端。第二管道225把计量室220与注射室230连通起来。一根计量杆222被设置在计量室220的另一端。围绕着计量杆222的头部至少有一道密封环，以减少或最好能消除液态金属经过计量杆222头部的泄漏。作为选择，也可采用多道密封环。

第二管道225与注射室230侧壁内的一个开口239连通(图1)。开口239最好设置得高于计量室230上壁，以避免由于重力而有从计量室220到注射室230的金属流动。因此，管道225最好由计量室向注射室朝上倾斜。注射室230最好朝着垂直方向。一个注射喷嘴240是在注射室230的上端。一根注射杆237是在注射室230的下端。注射杆237的前表面231最好大致是平的。但注射杆237的前表面231可具有带倒角的棱边。

在本发明的一个优先实施例中，注射机200是安装在可升降的基座260上。基座260含有一些能够把整个注射机200朝着具有铸型腔255的固定成型模250(通常由铸模组成)上升的部件。这些上升部件可以是电气的、机械的、液压的、或它们的任何组合。在本发明的另一个替代实施例中，注射机200保持固定，而成型模构造得可相对于注射机200作移动。

当注射机200按照本发明一个第一优先方法操作时，固态金属是被加入熔化炉210中。固态金属最好加到熔化炉的右侧。于固态金属被液化后，液态金属即穿过板206上的孔口流入熔化炉的左侧。当有充分数额的金属在熔化炉中被液化时，液态金属就流入管道215。该液态金属经过水平部分214流动，然后充注到垂直部分212。

一开初，闸杆217是处于退缩位置，使得阀门头218可把通向计量室220内的开口219密封住。于此位置，液态金属不会从管道215流入计量室220(图1)。此时，在本发明的一个优先实施例中，注射杆237位于注射室230内，致使注射杆237把介于管道225和注射室之间的开口密封住，防止金属从计量室220到注射室230的流动。另外，计量杆222被置于某一前进位置，而且计量杆222的前表面被设置得稍微处于计量室220的开口219之后。

为了充注计量室220，下降闸杆217打破阀门头218和开口219之间的密封(图2)。与此同时，退缩计量杆222，建立起协助把液态金属从熔化炉210经过管道215抽吸到计量室220的抽吸负压。计量杆222被退缩的距离，有赖于所需充注的液态金属体积的尺度。计量杆222有可能要被充分地退缩。因此，液态金属流入计量室220是由于重力的作用以及由于因退缩计量杆222所建立的抽吸负压。在这中方式中，计量室220内的液态金属的体积可被精确地控制。

当计量室220内的金属体积足够供注射应用时，向上退缩闸杆217，用阀门头218把开口219密封起来(图3)。在关下阀门头之后的首次运行中，要使得把第二管道225充分注足还额外多余的金属能够流回到计量室220。任何可能被封闭在第二管道225内的空气皆被推出到注射室230，并于首次运行中排放掉。此外，在那些后继的运行中只需计量出液态金属的正确数额来充注成型模250。

据此，注射室230内的注射杆237应从某一上部位置退缩到某一下部位置，暴露出注射室230内的开口239。然后计量杆被推进到如图1所示的位置，迫使液态金属以某一精确计量过的数额从计量室220流入注射室230内。计量杆222推进的距离与所需注射的金属体积相对应。由于计量室的上壁被设置在开口239之下，而且管道225是倾斜的，为此金属不会因重力的作用而从计量室220流入注射室230内，这样使得液态金属由于计量杆222的向前移动，而能以某一精确计量过的数额从计量室220流入注射室230内。当注射室230被充注满时，也就是说，在注射室230内具有供注射应用所需数额的液态金属时，缓慢推进注射杆237，关闭注射室230内的开口239，并把任何遗留在注射室230内的空气驱除掉。

然后，在本发明的一个优先实施例中，整个注射机200被朝着成型模250提升。

如图1所示，注射杆237向上推进，使液态金属经过喷嘴240注射到成型模250内。注射杆237在注射步骤时的推进速率，至少比在关闭开口239步骤时的推进速率快15倍，最好为50倍。在本发明的一个优先实施例中，成型模250具有一个倒置的、大致为烟囱形的浇铸道254，该浇铸道面向注射喷嘴具有较宽的开口252，而与浇铸门258连通的则为较窄的开口256。注射机200保持位于其上部位置，一直到铸件造金属和浇铸门258固化。然后下降注射杆237。任何残留在浇铸道254和喷嘴240内的熔化金属皆落回到注射室230中。在这中操作形式中，在喷嘴240中不会形成任何固态堵塞物。

在本发明的另一个实施例中，注射杆被缓慢下降，并使喷嘴240在浇铸门258被固化后立即离开成型模250，从而可避免铸模发生过热，以及避免喷嘴240和注射室230发生过分冷却。在本发明的另一个实施例中，在浇铸道254和喷嘴240内的熔化金属内的溶化或半固态金属，通过在喷嘴240离开之前退缩注射杆被吸回注射室230内，以防止形成固态堵塞物。该半固态金属然后被再熔化，可用于下一次液态金属的充注。

最后，下降注射机200。而且在计量室220被充注和精确计量某一被迫从计量室220进入注射室230准备下一次铸造的同时，打开成型模并卸走铸件。另外，对组成为成型模的铸模进行润滑处理，供下一次铸造应用。

前面关于本发明的叙述的提出，仅是为了解说和描述的目的。并不企图以此形式来毫无遗漏地揭示本发明的一切内容，或者把本发明仅局限于形式之内，而且按照本发明的学说，或通过对本发明的实践所获得的知识，本发明还可能有若干种修改型和变种。一些附图和描述也只是选来解释本发明的一些原理。这意味着本发明所涉及的范围是由本申请书所附的那些权利要求，或某些相当的文件来确定。

Claims (23)

1.一种立式注射机，它含有：

一个供应液态金属的第一腔室；

一个位置设置得低于该第一腔室的第二腔室；

一条把该第一腔室和该第二腔室连通起来的第一管道，该第一管道其内设置有一根闸杆；

一个附着于该闸杆下部的阀门头，该阀门头适合于把该第一管道的下部密封起来；

一根设置于该第二腔室内的计量杆；

一个朝着垂直方向的第三腔室；

一根把该第二腔室和该第三腔室连通起来的第二管道；

一个垂直地设置于该第三腔室内的注射杆；以及

一个设置于该第三腔室下部的注射喷嘴。

2.权利要求1的立式注射机，其中：

该第一管道含有一个与该第一腔室连通的水平部分，和一个与该第二腔室连通的垂直部分，该闸杆即设置在该垂直部分内。

3.权利要求1的立式注射机，其中：

该阀门头是锥型的。

4.权利要求1的立式注射机，还含有：

一些紧贴地设置于该第一腔室上的加热器。

5.权利要求1的立式注射机，其中：

该闸杆当它低于某一打开位置时，适合于使得液态金属能够从该第一腔室流到该第二腔室内。

6.权利要求1的立式注射机，其中：

该阀门头当该闸杆被升高到某一关闭位置时，可把该第一管道密封起来。

7.权利要求1的立式注射机，还含有：

一个升降机构，此处该升降机构适合于把该立式注射机向着一个固定成型模提升。

8.权利要求1的立式注射机，其中：

该注射杆当它升高可把该第二管道密封起来，而且该计量杆当它退回时可建立起抽吸负压。

9.一种注射成型的方法，它包括：

(A)在一个第一腔室内把金属熔化成液态；

(B)把一部分液态金属传送到一条第一管道内；

(C)通过打开设置于该第一管道内的闸门，使得熔化金属能够从该第一管道流入一个设置于该第一腔室下方的第二腔室；

(D)缩回于该第二腔室内的一根计量杆；

(E)通过关闭设置于该第一管道内的闸门，停止从该第一管道进入该第二腔室内的金属流动；

(F)退缩在一个第三腔室内的一根注射杆，把从该第二腔室通至该第三腔室的一个第一开口露出；

(G)推进该计量杆，迫使该部分金属从该第二腔室经过该第一开口进入该第三腔室内；

(H)推进该注射杆，关闭该第一开口；

(I)把该第三腔是朝着一个固定成型模升高；

(J)推进该注射杆，把该部分液态金属从该第三腔室经过一个喷嘴注射到该成型模内。

10.权利要求9的方法，其所述步骤(J)还包括：

通过推进该注射杆把该第三腔室内的空气排放出去。

11.权利要求9的方法，其所述步骤(I)还包括：

升高该第一腔室以及升高与该第三腔室在一起的该第二腔室。

12.权利要求9的方法，其中：

该注射杆在步骤(J)中的推进速率至少比该注射杆在步骤(H)中的推进速率快15倍。

13.权利要求9的方法，其中：

步骤(D)中该计量杆缩回时，利用抽吸负压把该部分金属拉到该第二腔室内。

14.权利要求9的方法，其中：

根据该计量杆在步骤(G)中所推进的距离，可确定出被迫进入该第三腔室的金属体积。

15.权利要求9的方法，其中：

把该第三腔室保持在升高的位置，一直到该成型模内的金属固化。

16.权利要求15的方法，它还包括：

于金属固化之后，退缩该注射杆，并下降该第三腔室使之离开该成型模。

17.权利要求16的方法，其中：

该成型模中过量的金属，当该注射杆退缩时可落回到该第三腔室。

18.权利要求17的方法，其中：

该成型模中过量的金属，利用该注射杆退缩所建立的抽吸负压而被吸回到该第三腔室内。

19.权利要求18的方法，它还包括：

分离开铸模，卸走已固化的金属铸件，以及对该成型模进行润滑处理。

20.权利要求9的方法，其中：

在进行分离开铸模、卸走已固化的金属铸件、以及对该成型模进行润滑处理这些步骤的同时，执行完毕步骤(A)到(E)。

21.权利要求9的方法，其中：

在该第一开口被该注射杆关闭的同时，执行完毕步骤(A)到(E)。

22.权利要求9的方法，其中：

打开该第一管道内的闸门，包括下降位于该第一管道内的一根闸杆，打开该闸杆的阀门头与该第一管道之间的密封；

关闭于该第一管道内的闸门，包括升高位于该第一管道内的一根闸杆，形成该闸杆的阀门头与该第一管道之间的密封。

23.一种立式注射机，它包含：

一个第一腔室，它含有一个在该第一腔室内把金属熔化成液态的加热设施；

一个第二腔室；

一个传输管道，用来把一部分液态金属从该第一腔室传送到该第二腔室内；

一个密封设施，用来密封该传输管道；

一个朝着垂直方向的第三腔室；

一个计量设施，用来把液态金属从该第一腔室抽到该第二腔室，并用迫使该部分金属从该第二腔室进入该第三腔室；

一个注射设施，用来密封该第二腔室与该第三腔室之间的一个开口，并用来把液态金属从该第三腔室注射入一个成型模内；以及

一个升降设施，于液态金属被动注射入该成型模之前，用来把该立式注射机朝向该成型模提升，并于液态金属被动注射入该成型模之后，用来把该立式注射机下降使之离开该成型模。

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