熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統的製作方法
2023-04-27 03:51:06 1
熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，用於冷卻澆注在模具的型腔內的熔融態物體以及控制模具的溫度場分布，包括設置在模具內的、至少一段冷卻通道組成的冷卻通道模塊，並且所述冷卻通道中至少有一段為多孔金屬冷卻管，用於冷卻熔融態物體的冷卻流質從所述冷卻通道模塊的入口流入模具內，從所述冷卻通道模塊的出口流出模具，並形成流動循環。本發明大幅提升了模具內冷卻通道的換熱性能，極大提高了產品成形效率，降低了單件產品所需鎖模力、設備運轉方面的能耗，並且能實現一條冷卻通道不同位置具有不同的換熱係數，通過不同的多孔金屬插入策略，對模具溫度場的進行準確控制，提升成形零件質量的同時提高模具熱疲勞壽命。
【專利說明】 熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及液態金屬成形及注塑成形【技術領域】，特別是涉及一種熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統。
【背景技術】
[0002]壓力鑄造及注塑等材料成形工藝被廣泛用於汽車、儀表、航空航天以及家用電器等生產行業。這些工藝共同的特徵是將熔融的材料通過設備註入到模具中，並在模腔內逐漸冷卻，最終相變凝固成形。其中，冷卻系統是該類工藝的關鍵技術之一，是將熔體凝固成形過程中釋放的大部分熱量帶走的主要途徑。
[0003]通常採用的冷卻系統是在模具上通過鑽削加工形成冷卻通道，並在外部配置模溫機，以水或者導熱油為循環工質實現控溫。由於在模具中開設的冷卻通道為內壁光滑的通孔，換熱能力極為有限，使得冷卻效率低下。目前還有在模具中插入熱管以提高換熱效率的方式，但熱管只能實現熱量從模具內的某一點轉移到另一點，而不能將這部分熱量從模具中帶走，其冷卻效率甚至低於冷卻通道的強制對流換熱。可見，冷卻通道內的換熱效率是模具溫控的關鍵所在。
[0004]同時，材料在模腔中的凝固及冷卻過程是這類工藝中最為耗時耗能的部分，佔整個成形時間的三分之二，因此提高冷卻系統的換熱效率一方面可縮短成形周期，提高生產效率，另一方面能夠降低設備施加鎖模力及保壓壓力時消耗的能量。此外，對於金屬壓力鑄造而言，較高的冷卻速率能夠獲得微觀組織緻密的金屬鑄件，其力學性能也能夠得到相應的提升，同時可以減少高溫區間有害相的生成。
[0005]此外，對於一些結構複雜，壁厚、模數不均勻的鑄件或注塑件，其不同位置具有不同的凝固時間，容易產生熱變形等問題。對此，需要在模具的對應位置採用不同的冷卻速率，以降低溫度不均勻導致的熱應力。現有技術中通過在模具局部位置增加冷卻通道的數量改變換熱性能，其缺點在於一方面削弱了模具的強度，另一方面還受到模具空間的極大限制。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於克服上述現有技術存在的問題，提出一種可改善模具內部冷卻通道的換熱能力，實現不同成形工藝要求的冷卻及溫度控制的系統。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案如下:
[0008]熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，用於冷卻澆注在模具的型腔內的熔融態物體以及控制模具的溫度場分布，包括設置在模具內的、至少一段冷卻通道組成的冷卻通道模塊，並且所述冷卻通道中至少有一段為多孔金屬冷卻管，用於冷卻熔融態物體的冷卻流質從所述冷卻通道模塊的入口流入模具內，從所述冷卻通道模塊的出口流出模具，並形成流動循環。
[0009]冷卻通道模塊中的多孔金屬冷卻管能夠提高換熱效率，使模具的熱量迅速被循環流動的冷卻流質帶走，改善了對模具的冷卻和溫度控制能力。
[0010]所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統還包括設置在模具外的溫控箱，溫控箱出口通過進水管連接至所述冷卻通道的入口，所述進水管上設有過濾器，並在所述冷卻通道模塊的入口處設有增壓泵，所述冷卻通道模塊的出口通過出水管連接回與溫控箱的入口。由溫控箱驅動冷卻流質，自進水管經過濾器及增壓泵注入模具內的冷卻通道模塊，在多孔金屬冷卻管的擾流及體積換熱作用下將熱量迅速帶走，最後通過出水管回流至溫控箱，並循環流動，其中增壓泵在補償流動壓力損失的同時，也可控制壓力，實現不同冷卻通道支路的流量分配。
[0011]所述多孔金屬冷卻管為嵌設多孔金屬的管道，所述多孔金屬為顆粒燒結結構、泡沫結構或者金屬絲片結構，多孔金屬的材料為銅、鋁、鎳的一種或者合金。能利用多孔金屬擾流、增大體積換熱等優點，提高換熱效率。
[0012]所述多孔金屬的孔隙率範圍為40% -98%，每英寸長度上孔數？?I範圍為5-120。
[0013]所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，在將熔融態物體加工為彎折狀零件時，所述冷卻通道模塊包括沿平行於成形的彎折狀零件的方向布置的多段多孔金屬冷卻管。能使熔融態物體快速冷卻，加工成形為彎折狀零件。
[0014]所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，在對模具的型腔上的特定點進行冷卻時，所述冷卻通道模塊由一對直套管以及設置在直套管的連接部的多孔金屬冷卻管組成，並且多孔金屬冷卻管布置在模具內與所述特定點對應的位置。能對模具進行點冷卻，強化該特定點的冷卻能力。
[0015]所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，在將熔融態物體加工為薄壁零件，所用的模具包括動模板和定模板時，動模板和定模板內各設有一個所述的冷卻通道模塊，並且冷卻通道模塊由一段多孔金屬冷卻管組成。能將熔融態物體快速冷卻並凝固為薄壁零件。
[0016]所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，在將熔融態物體加工為厚度不均勻的多段零件時，所述冷卻通道模塊相應的由孔隙率和每英寸長度上孔數？？1不同的多段多孔金屬冷卻管依次連接而成。由於厚度不均勻的多段零件的局部模數不同，相變凝固並冷卻的過程中釋放的熱量也不同，本發明利用多孔金屬不同孔隙率和具有不同換熱性能的特徵，可實現模具溫度的局部控制，降低該類壁厚有變化的鑄件或注塑件的熱應力。
[0017]本發明與現有技術相比具有以下突出的優點:
[0018](1)本發明通過在模具內設置多孔金屬冷卻管實現強化換熱，極大的提高了產品成形效率，縮短了產品循環生產周期，同時降低了單件產品所需鎖模力、設備運轉方面的能耗；
[0019](2)系統的換熱性能可通過多孔金屬的材料、結構、孔隙率、每英寸長度上孔數？？1等參數特徵直接決定，針對不同模數的產品可選擇不同換熱性能的多孔金屬，簡化了整套系統設置；並且，本發明採用不同換熱性能的多孔金屬冷卻管，能使冷卻通道內的不同位置都具有適應於成形產品的換熱係數，從而降低壁厚有變化的鑄件或注塑件的熱應力；
[0020](3)對於金屬鑄件而言，從液相凝固為固相的過程中，凝固速率較低會產生粗大晶粒，降低鑄件力學性能，此外在從凝固後到開模的冷卻過程中若時間較長會生成影響鑄件力學性能的二次相；本發明通過對模具冷卻系統進行強化換熱，能夠提供較高的冷卻速率、凝固速率，一方面能夠細化晶粒，另一方面也減少了二次相生成，最終使鑄件質量得到較大提升；
[0021](4)從模具角度而言，本發明可結合成形過程模具溫度場分布，對模具過熱區域進行強化換熱，減少模具熱不平衡造成的應力，從而提高模具熱疲勞壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的結構示意圖；
[0023]圖2為實施例1中加工成形彎折狀零件的結構示意圖；
[0024]圖3為實施例2中針對模具特定點冷卻的結構示意圖；
[0025]圖4為實施例3中加工成形薄壁零件的結構示意圖；
[0026]圖5為實施例4中加工成形厚度不均勻的多段零件的結構示意圖；
[0027]圖6為典型的泡沫金屬及顆粒燒結金屬的結構示意圖；
[0028]圖7為不同？？1與換熱性能的對比關係圖；
[0029]附圖標記說明:1、溫控箱；2、進水管；3、過濾器；4、增壓泵；5、模具；6、多孔金屬冷卻管；7、成形零件；8、出水管；9、冷卻通道模塊；10、堵頭；11、模具5鑲塊；12、水管接頭；13、支撐塊；14、套管；15、密封塊。
【具體實施方式】
[0030]為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0031]實施例1
[0032]如圖1所示，熔融態物體成形模具5的冷卻及溫度控制系統，用於冷卻澆注在模具5的型腔內的熔融態物體以及控制模具5的溫度場分布，包括設置在模具5內的、至少一段冷卻通道組成的冷卻通道模塊9，並且所述冷卻通道中至少有一段為多孔金屬冷卻管6，用於冷卻熔融態物體的冷卻流質從所述冷卻通道模塊9的入口流入模具5內，從所述冷卻通道模塊9的出口流出模具5，並形成流動循環。
[0033]本發明的基本工作過程和原理為:向模具5內通入循環流動的冷卻流質，並通過設置在冷卻通道模塊9中的多孔金屬冷卻管6提高換熱效率，使模具5的熱量迅速被循環流動的冷卻流質帶走，從而改善對模具5的冷卻和溫度控制能力。
[0034]進一步地，所述的熔融態物體成形模具5的冷卻及溫度控制系統還包括設置在模具5外的溫控箱1，溫控箱1出口通過進水管2連接至所述冷卻通道的入口，所述進水管2上設有過濾器3，並在所述冷卻通道模塊9的入口處設有增壓泵4，所述冷卻通道模塊9的出口通過出水管8連接回與溫控箱1的入口。
[0035]本實施例以壓鑄模具5冷卻系統為說明對象，冷卻系統主要包括:溫控箱1，進水管2，過濾器3，增壓泵4，模具5，多孔金屬冷卻管6，出水管8，冷卻通道模塊9。圖1給出了冷卻系統整體的連接方式，為了實現模具5的強化換熱，在冷卻通道內插入了多孔金屬冷卻管6，由於插入過多的多孔金屬會使冷卻通道的流阻增大，因此在對應的循環通路中加入了增壓泵4。實際工作時，當熔融態物體(液相狀態的成形零件)注入模具5的型腔後，冷卻流質在溫控箱1的驅動下，自進水管2經由過濾器3及增壓泵4注入模具5冷卻通道，在多孔金屬冷卻管6內的多孔金屬的擾流及體積換熱作用下將熱量迅速帶走，最後通過出水管8回流至溫控箱1。其中，增壓泵4在補償壓力損失的同時，也可通過控制壓力實現不同冷卻通道支路的流量分配。
[0036]所述多孔金屬冷卻管6為嵌設多孔金屬的管道，所述多孔金屬為顆粒燒結結構、泡沫結構或者金屬絲片結構，多孔金屬的材料為銅、鋁、鎳的一種或者合金。能利用多孔金屬比重小、熱量吸收性好、比表面積大等優點，提高換熱效率；多孔金屬的孔隙率範圍為40% -98%，每英寸長度上孔數？？1範圍為5-120。
[0037]如圖6(4、(幻所示，分別為典型的泡沫金屬結構和顆粒燒結金屬結構的多孔金屬示意圖。
[0038]多孔金屬冷卻管6的換熱性能由多孔金屬的材料、結構、孔隙率、？？1等參數直接確定，採用不同換熱性能的多孔金屬冷卻管6，能組合形成適應於成形產品冷卻需求的冷卻通道，該冷卻通道在不同位置具有強弱不同的換熱性能，由此可以實現模具5溫度場的控制。
[0039]本實施例的熔融態物體成形模具5的冷卻及溫度控制系統可應用於壓力鑄造、注塑成形等需要實現液相材料在模具5中相變成形的工藝過程。
[0040]實施例2
[0041]圖2為一個冷卻循環通路及在模具5內部冷卻成形零件7的示意圖，與實施例1的區別在於，所述冷卻通道模塊9包括沿平行於成形的彎折狀零件的方向布置的多段多孔金屬冷卻管6。
[0042]其製造的步驟如下:(1)根據成形彎折狀零件的形狀、模數、熱節部位等確定循環路徑，並判斷所需強化換熱部位；⑵在模具5鑲塊11中通過鑽削獲取一系列的直孔冷卻通道，孔直徑在5皿-30皿範圍內；(3)通過切削加工或線切割等方式製備內插多孔金屬，其直徑不大於步驟(2)孔直徑，其結構可以是顆粒燒結結構、泡沫結構、金屬絲片結構等的任一種，材料可選擇銅、鋁或鎳的一種或合金；(4)在需要強化換熱的直孔冷卻通道內插入多孔金屬，形成多孔金屬冷卻管6:(5)利用堵頭10將冷卻通路中多餘的開孔封閉，並壓緊多孔金屬，形成一個冷卻通道模塊9。
[0043]其它技術特徵與實施例1相同，在此不再贅述。
[0044]在本實施例中，將冷卻流質從所述冷卻通道模塊9的入口流入模具5內，從所述冷卻通道模塊9的出口流出模具5，形成流動循環，即可冷卻成形彎折狀零件。
[0045]實施例3
[0046]圖3為另一冷卻循環通路及在模具5內部冷卻成形零件7的示意圖，與實施例2的區別在於，該冷卻方式是對模具5的型腔上的特定點進行冷卻，所述冷卻通道模塊9由一對直套管14以及設置在直套管14的連接部的多孔金屬冷卻管6組成，並且多孔金屬冷卻管6布置在模具5內與所述特定點對應的位置。
[0047]所述特定點是指，在冷卻澆注在模具5的型腔內的熔融態物體時，需要強化冷卻效率的點，如模具5型腔上的拐點及其它死角等。
[0048]本實施例能對模具5進行點冷卻，強化該特定點的冷卻能力。
[0049]製作時，先確定模具5中需要強化冷卻的特定點，在模具5鑲塊11的對應位置鑽削一個盲孔，在該盲孔中插入內嵌多孔金屬的多孔金屬冷卻管6，用長短不同的一對套管14分別連接多孔金屬冷卻管6的兩端，使這對套管14和多孔金屬冷卻管6形成供冷卻流質流動的迴路，同時利用密封塊15和支撐塊13對該迴路進行密封和固定，並通過水管接頭12使這對套管14的埠分別與進水管2和出水管8連接。
[0050]其它技術特徵與實施例1或2相同，在此不再贅述。
[0051]本實施例能對模具5進行點冷卻，強化該特定點的冷卻能力。
[0052]實施例4
[0053]本實施例與實施例1、2、3的不同之處在於，在將熔融態物體加工為薄壁零件，所用的模具5包括動模板和定模板時，動模板和定模板內各設有一個所述的冷卻通道模塊9，並且冷卻通道模塊9由一段多孔金屬冷卻管6組成。
[0054]如圖4所示的一薄壁零件的快速冷凝策略:在模具5鑲塊11的動、定模板中分別設置一個冷卻通道，並在冷卻通道中插入相同孔密度的多孔金屬，從而形成由多孔金屬冷卻管6組成的冷卻通道模塊9，熔融態物體在較強的換熱條件下快速凝固並冷卻，形成薄壁零件。
[0055]本實施例能將熔融態物體快速冷卻並凝固為薄壁零件。
[0056]實施例5
[0057]本實施例與實施例1、2、3、4的不同之處在於，在將熔融態物體加工為厚度不均勻的多段零件時，所述冷卻通道模塊9相應的由孔隙率和每英寸長度上孔數？？1不同的多段多孔金屬冷卻管6依次連接而成。
[0058]如圖5所示的一厚度不均分布零件的冷凝策略:由於零件的局部模數不同，相變凝固並冷卻的過程中釋放的熱量也不同，同時在同一冷卻通道內各位置的冷卻流質的流量是相同的，因此直接決定換熱性能的是多孔金屬的孔隙率及？？1 ；根據多孔金屬不同孔隙率和具有不同換熱性能的特徵，在冷卻通道裡依次插入適應於成形零件7的不同換熱性能的多孔金屬，且每段多孔金屬的長度與零件結構對應。
[0059]圖7為多孔金屬選用泡沫銅，在給定模具5熱源和冷卻流質流量下，不同？？1泡沫銅的換熱性能對比實驗數據，其縱軸為如886「數(努塞爾數)，是表示對流換熱強烈程度的一個準數，又表示流體層流底層的導熱阻力與對流傳熱阻力的比，橫軸為孔密度，用？?I的大小來表示。假設圖5中鑄件厚度不同的三個部分凝固冷卻所釋放的熱量之比(可通過模數進行計算)^4:3:1(由厚至薄)，則可在冷卻通道裡依次插入不同換熱性能的多孔金屬，每段多孔金屬的長度與零件結構對應，這裡可選取圖7中？？1依次為90、60及30的泡沫銅。；在冷卻循環過程中，冷卻通道內與厚壁位置對應的部分具有更高的換熱性能，熱量更快被帶走，從而使模具5溫度場分布更平衡。同理，採用分段插入不同換熱性能多孔金屬還可實現零件的順序凝固。
[0060]上列詳細說明是針對本發明可行實施例的具體說明，該實施例並非用以限制本發明的專利範圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更或組合，均應包含於本案的專利範圍中。
【權利要求】
1.熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，用於冷卻澆注在模具的型腔內的熔融態物體以及控制模具的溫度場分布，其特徵在於，包括設置在模具內的、至少一段冷卻通道組成的冷卻通道模塊，並且所述冷卻通道中至少有一段為多孔金屬冷卻管，用於冷卻熔融態物體的冷卻流質從所述冷卻通道模塊的入口流入模具內，從所述冷卻通道模塊的出口流出模具，並形成流動循環。
2.根據權利要求1所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，其特徵在於，還包括設置在模具外的溫控箱，溫控箱出口通過進水管連接至所述冷卻通道的入口，所述進水管上設有過濾器，並在所述冷卻通道模塊的入口處設有增壓泵，所述冷卻通道模塊的出口通過出水管連接回與溫控箱的入口。
3.根據權利要求1所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，其特徵在於，所述多孔金屬冷卻管為嵌設多孔金屬的管道，所述多孔金屬為顆粒燒結結構、泡沫結構或者金屬絲片結構，多孔金屬的材料為銅、鋁、鎳的一種或者合金。
4.根據權利要求3所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，其特徵在於，所述多孔金屬的孔隙率範圍為40% -98%，每英寸長度上孔數PPI範圍為5-120。
5.根據權利要求1-4任意一項所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，其特徵在於，在將熔融態物體加工為彎折狀零件時，所述冷卻通道模塊包括沿平行於成形的彎折狀零件的方向布置的多段多孔金屬冷卻管。
6.根據權利要求1-4任意一項所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，其特徵在於，在對模具的型腔上的特定點進行冷卻時，所述冷卻通道模塊由一對直套管以及設置在直套管的連接部的多孔金屬冷卻管組成，並且多孔金屬冷卻管布置在模具內與所述特定點對應的位置。
7.根據權利要求1-4任意一項所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，其特徵在於，在將熔融態物體加工為薄壁零件，所用的模具包括動模板和定模板時，動模板和定模板內各設有一個所述的冷卻通道模塊，並且冷卻通道模塊由一段多孔金屬冷卻管組成。
8.根據權利要求1-4任意一項所述的熔融態物體成形模具的冷卻及溫度控制系統，其特徵在於，在將熔融態物體加工為厚度不均勻的多段零件時，所述冷卻通道模塊相應的由孔隙率和每英寸長度上孔數PPI不同的多段多孔金屬冷卻管依次連接而成。
【文檔編號】B22D27/04GK104385542SQ201410612123
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】曹文炅, 蔣方明 申請人:中國科學院廣州能源研究所