利用壳芯一体铸模制造铸件的方法

专利名称：利用壳芯一体铸模制造铸件的方法
专利说明利用壳芯一体铸模制造铸件的方法 本发明涉及到一种利用壳芯一体铸模制造铸件的方法，该方法采用集型芯和壳模及其浇注系统于一体的铸模制造铸件，尤其是制造具有复杂型芯结构的液压铸件。本发明属于冶金铸造技术领域。
同时，本发明还涉及一种利用溃散剂清理铸件型腔芯砂的方法。
另外，本发明还涉及到一种利用清理脱落出的回收芯砂处理铸件毛坯表面和型腔的方法。在传统铸件生产行业中，通常是分别制取砂芯和铸型，再将砂芯和铸型定位，合箱后浇注铸件。该工艺中，合箱时普遍存在有砂芯和铸型精确定位困难问题，尤其是型芯结构比较复杂的铸件，合箱时几乎不可能将砂芯和铸型精确定位。另外，利用砂芯和铸型组合模具铸造工艺，需要采用制模、混砂、造型、砂箱干燥、浇铸、清砂等工序，生产工艺相当复杂；生产的铸件表面光洁度和整体尺寸精度也较差，且难以控制。而且传统铸造工艺容易使铸件产生气孔、夹砂、缩孔等缺陷，造成浇注后大量的废煤粉、铸造型砂固体混合物的排放，严重影响了大自然的生态平衡，给自然环境造成无法弥补的损失。同时，传统铸造行业需要造型机、混砂机等铸造设备，设备投资大，工作环境差，劳动强度高。
还有，传统铸件生产所需厂房和场地面积大，投资多，浇注时铸件时型芯容易变位，尤其是结构复杂的型腔更易变形，导致铸件尺寸偏差大，废品率高。
再者，现有铸造工艺为了降低铸件废品率，一般是采用增大铸件加工余留量的方法，来弥补尺寸精度低的弱点，换取铸件成品率的提高。但增大铸件加工余留量，必然会使铸件的机加工余费用加大。这样做不仅降低了金属利用率，而且导致生产成本升高、生产效率下降。
为了上述现有状况，提高铸件表面光洁度和整体尺寸精度，简化生产工艺和降低生产成本，公开号为CN1300651A介绍了一种“壳芯离心铸造工艺”，该工艺采用壳芯铸造与离心铸造相结合工艺，将壳芯放入离心铸造机的模套内，固定壳芯通过浇注口浇注铸件。还有，授权公告号为CN11175948C报道的“复合制型、芯工艺和装置”，采用向制型、芯盒内腔射入细颗粒的面层混合料和比面层混合料粒度粗的背层混合料，使面层混合料和背层混合料一起硬化成完整的型芯。再如，授权公告号为CN1083795C公开的“预成型品的注射成型方法和设备”，在注射成型台上夹持颈部型腔模具、注射型芯模具和注射型腔模具并注射预成型品。上述现有技术所采用的型芯或壳摸，尽管可以采用射芯机或手工制成，对提高铸件表面光洁度和整体尺寸精度，简化生产工艺和降低生产成本有一定作用。但是，上述现有技术与传统铸造工艺一样，其铸造所用的型芯和壳模均为分体组合式结构，更无法制成集成型壳芯和系统于一体的铸模。因此，现有铸模结构不够严紧，依然存在型芯和壳模定位不够准确，有披逢，铸件尺寸不够精确，表面质量不够光滑，生产效率低，成本高等问题。同时，上述现有技术依然没有摆脱传统铸造工艺的束缚和限制，污染问题、能源浪费问题仍然存在。
尤其值得一提的是，在传统铸件生产行业中，需要对铸件毛坯表面和芯腔内的铸造用砂进行清理，普遍存在铸件清砂困难问题。现有技术中，常用的铸件毛坯表面和芯腔内的铸造用砂的清理方法包括“水爆”、“喷丸”和高压射流等技术工艺。例如审定号为CN1015780发明专利申请审定说明书公开的“高压水激振射流铸件清砂机”；专利申请号为87100205A发明专利申请公开说明书报道的“一种新颖的电液压清砂装置”。上述现有技术，可以用于清理铸件表面和铸件型芯内腔中的铸造用砂，但对于采用水射流清砂或水爆清砂而言，其清砂过程普遍存在着能耗大，用水量大，清砂效率低，水、砂分离设备占地面积大，污水处理困难，容易对环境产生二次污染问题。
由于采用水玻璃作粘结剂制成水玻璃砂，具有成本低廉、无毒无臭、配置型砂工艺简单等优点，但是，采用水玻璃砂制成的铸造型(芯)砂在铸件浇注后残留强度过高，致使铸件清砂十分困难，清砂效率低。为了提高铸件清砂效率，现有技术中已趋向采用树脂砂来生产。但是树脂粘结剂价格高，浇注后容易产生大量有毒有机物气体，对操作人员和大气污染严重，需要配备庞大的空气净化设备，设备投资费用极其昂贵。为了解决这一矛盾，人们开始研究各类有机、无机高效能溃散剂，以增加水玻璃砂的溃散性，降低铸造型(芯)砂在铸件浇注后的残留强度，进而提高铸件的清砂效率。例如授权公告号为CN1037753C专利文献报道的“木质素溃散剂及其应用”，便是其中一例。利用木质素作为溃散剂，尽管对于降低铸造型(芯)砂在铸件浇注后的残留强度有一定效果，但是由于木质素干粉是由纸浆液中分离出的副产品，在制取木质素溃散剂过程中，需要与氢氧化钠水溶液和水玻璃混合配制，因此，木质素溃散剂的制取过程复杂，容易造成污染。
另外，现有铸件毛坯清理还有德国的电化清理，采用酸、碱、盐作原料，经过水爆清砂。该处理方法不仅成本高，而且产生大量的有毒气体，严重影响人体健康，处理后的废水排入地下，严重污染环境。再者，该处理方法容易造成铸件产生金属裂纹，影响铸件质量。同时，清砂处理过程残留在铸件型芯内腔中的酸、碱、盐，容易在铸件的使用过程中与其他物质结合，产生有害物质，影响铸件的使用寿命，使铸件报废。本发明的目的之一在于提供一种利用壳芯一体铸模制造铸件的方法，该方法采用集型芯和壳模及其浇注系统于一体的铸模制造铸件，尤其是制造复杂型芯结构的液压铸件，具有表面质量光滑，生产效率高，成本低，无污染等优点。
同时，本发明的目的之二在于提供一种利用溃散剂加工清理铸件型腔芯砂的方法。
另外，本发明还涉及到一种利用清理脱落出的回收芯砂，加工处理铸件毛坯表面和型腔的方法。
再有，本发明的目的之四在于提供一种利用壳芯一体铸模固定装置制造铸件的方法，固定装置带有冷却系统，可以在浇注金属冷却过程中控制铸件金相组织的生成。
本发明以上目的是通过以下技术方案得以实现的。
一种利用壳芯一体铸模制造铸件的方法，包括向由型芯和壳模组成的铸模型腔内浇注金属，其特征在于所说的方法是a、采用由两部分或两部分以上的壳芯一体的分体铸模组成整体铸模，其中所说的分体铸模的型芯与该型芯的合围侧壁形成的壳模相连接；b、将上述分体铸模放置在固定装置中整体固定，形成铸模型腔浇注系统；c、再向铸模型腔浇注系统的铸模型腔中浇注高温金属液体，冷却制成铸件。
通常情况下，上述分体铸模一般采用覆膜砂、镁砂、硅砂等原料与胶结剂混合物，注射到壳芯一体铸模成型模具中，使得一次成型制成的型芯与该型芯的合围侧壁形成的壳模相连接。本发明可以根据制造铸件的工艺具体要求，将上述铸模制成两部分分体铸模，或两部分以上分体铸模，合围侧壁形成的整体壳模铸模型腔的形状、构造及大小，与铸件外表面的形状、构造及大小相同，铸模的壁厚一般为3～20毫米；相邻分体铸模对接连接处最好设有启口，该启口可以采用阶梯形、凹槽形等。上述分体铸模根据铸造浇注工艺要求，设置有浇注系统。浇注铸件时，只需将上述分体铸模组装成一体，便可以得到集铸造所用型芯和壳模成型一体化的铸模。
本发明中，还涉及到一种壳芯一体铸模固定装置，利用该固定装置可以将上述铸模固定，并形成铸件浇注系统。该固定装置可以根据铸模及铸件的铸造需求，因地制宜采用不同的技术手段加以解决。通常情况下，上述固定装置可以选用不同材料制成内腔形状、构造及大小，与所用铸模形状、构造及大小相同的固定型箱。通常上述固定型箱可以采用耐火材料、铸铁、金属板加工，分别制成内腔与所用铸模形状、结构及其大小一致的上型箱和下型箱两部分。浇注前，将所用铸模装配在由上型箱和下型箱合成一体组成的固定型箱型腔内。上述固定装置可加工有用于自然通风或供冷却介质流动所需的通孔、通槽或空隙夹层。上述固定装置中的通孔、通槽或空隙夹层中的流动空气或冷却介质，与外部控制装置形成冷却系统，用来冷却铸模中的液体金属。例如，当采用金属板作为固定装置壳体时，可采用中间留有空隙夹层的双层金属板制作固定装置，双层金属板之间空隙可以流动冷却介质，如冷却空气、冷却水、液态氮等冷却介质。这样，便可以根据铸件金属冷凝曲线，通过控制冷却介质来调整浇注金属的冷却速度，以得到符合金相组织要求的铸件。
当需要清理铸件型腔芯砂时，可以利用烷类、烃类或脂类有机物的一种或一种以上，按任意重量配比混合配制成溃散剂，清理铸件型腔内铸造用砂前，将上述溃散剂注入铸件毛坯型腔内，待溃散剂浸入铸造用砂后，将铸件毛坯放入回火窑内升温，温度范围可控制在200℃～900℃之间，具体可以根据铸件不同材质确定。铸件毛坯温度达到一定温度并恒温时，铸件毛坯内腔中的铸造用砂在溃散剂作用下，快速膨胀脱落，使铸件毛坯型腔内达到清洁光滑，表面整洁。通常情况下，上述溃散剂一般采用重油、沥青、机油、柴油、油漆中的其中一种或一种以上，并按任意重量配比混合配制而成。显然，为了降低铸件的清砂成本，并减少废机油、废柴油和废油漆给环境造成的污染，最好选用回收的废机油、废柴油和废油漆中的其中一种或一种以上，并按任意重量配比混合，配制成溃散剂。上述溃散剂可以选用有机溶剂如香蕉水作为溶剂或采用水作为分散剂，对溃散剂进行乳化处理，制成溃散剂混合液。上述溃散剂可以在铸件回火处理过程中，使得铸件型腔内的铸造用砂疏松、膨胀，并由铸件型腔内自动排出，达到快速清砂目的。
另外，本发明还可以利用清理脱落出的回收芯砂，对铸件毛坯表面和型腔进行处理，其处理方法是利用清理脱落出的回收得到的芯砂装入风砂罐中，通过风力将脱落回收的芯砂喷入放置在喷砂室内的铸件毛坯表面和型腔内，进步提高了铸件毛坯表面的光洁度，增强了铸件毛坯表面的抗腐蚀性能。
本发明采用覆膜砂、镁砂、硅砂做铸模原料，制成铸造所用型芯和壳模一体化分体铸模，使得壳芯一体铸模具有结构严紧，定位准确、重量轻等特点。采用本发明采用壳芯一体铸模尺寸精确度更高，最大尺寸公差不超过0.1毫米(通常为0.2～0.3毫米)；无披逢；铸件毛坯的表面光洁度可以达到4～5级；减少了铸件毛坯的加工余量小，降低了生产成本，提高了生产效率。
上述壳芯一体的分体铸模组装制成整体铸模，并用固定装置将整体铸模固定；再由铸模浇注系统向铸模型腔内浇注高温金属液体，冷却制成铸件。上述铸模固定装置，特别是采用带有通孔、通槽或空隙夹层的铸模固定装置，可以在浇注、冷凝过程中控制铸件金相组织的形成，以得到符合金相组织要求的铸件。因此，本发明可以在铸件冷凝过程中，人为地通过控制冷却介质流量来调整金属铸件的冷却速度，进而控制和调整铸件金相组织的形成，避免铸件冷却速度过慢形成的金相组织晶粒大，影响铸件的物理机械性能，并导致铸件在后续热处理过程中浪费能源，或因热处理不当造成的铸件质量不合格甚至报废。
本发明所提供的溃散剂能够在铸件回火处理过程中自燃，并产生膨胀力使铸件型腔内的铸造用砂疏松后自动排出。当选用回收的废机油、废柴油和废油漆时，不仅不会影响铸件的清砂效果，而且有利于降低铸件的清砂成本，减少了废机油、废柴油和废油漆对环境的污染，清砂操作工艺十分简单，处理后的铸件型腔内不会存留任何溃散剂，保证了铸件后期使用质量。本发明所提供的溃散剂尤其适合对铸件复杂型腔内部等清砂处理。
本发明所提供的利用壳芯一体铸模制造液压铸件的方法，不但能够铸出各种内腔结构复杂、物理性能、布氏硬度、力学性能、金相组织符合要求的铸件，而且可以达到无粉尘生产，使得铸件达到精密铸造的效果。该方法还可生产大型、小型及型芯复杂的铸模，具有生产周期短，效益高，无污染，排污量小，环保等优点，大大降低了劳动强度和劳动力生产成本，节省了能源消耗。同时，本发明可以利用固定装置的冷却系统，在浇注过程中控制铸件金相组织的形成。
除具有上述优点外，本发明解决了铸造行业老大难问题，克服了型芯和壳模分体制造所带来了的制造工艺复杂、组装铸模困难；铸件尺寸偏差大，废品率高，加工余留量大，金属利用率低等问题，不仅提高了生产效率，降低了生产成本，而且彻底解决了生产环境污染和残渣排放问题，提高了铸件表面光洁度和整体尺寸精度。由于本发明用砂量很少，而且铸造生产后期产生的杂质能够再生利用，大大降低了排渣费用，并且解决了排渣而引起的环境污染问题。另外，本发明彻底解决了采用水射流清砂或水爆清砂所普遍存在着能耗大，用水量大，清砂效率低，水、砂分离设备占地面积大，污水处理困难，容易对环境产生二次污染问题。提高了铸件表面光洁度，清砂操作工艺十分简单。更重要的是，本发明能够使废机油、废柴油和废油漆再生利用，大大降低了清砂费用，并且解决了排放废机油、废柴油和废油漆而引起的环境污染问题。还有，本发明利用清理脱落出的回收芯砂，对铸件毛坯表面进行处理。该处理工艺不仅有利于提高了铸件毛坯表面和型腔内的光洁度，而且增强了铸件毛坯表面的抗腐蚀性能。
另外，本发明的主要优点还有其一，使生产成本大大减少，铸模模具可以一次制作多次使用，投资少，见效快。在生产过程中，生产场地只有壳芯一体的铸造固定型箱，生产场地面积可减少50％以上，取消了传统工艺中使用的造型机、造型线、混砂机等铸造有关设备。同时减少了60％劳动力。其二，本发明取代了煤粉、硼润土、粘土和大粒海(河)砂的混合物，节省了相当模重量100％的面砂，取消了传统铸造工艺中的型砂，使铸造行业达到无粉尘、无烟、无二氧化硫、一氧化碳、硫化氢等有害气体产生，解决了传统铸造行业对环境严重污染的难题。

图1为本发明耐火制品铸造固定型箱结构示意图。
图2为本发明铸造固定型箱结构示意图。
图3为本发明风冷固定型箱结构示意图。
图4本发明水冷固定型箱结构示意图。
图5为a、b为本发明铸模型腔浇注系统结构正视图、俯视图。
下面结合附图介绍本发明具体实施例。实施例一本实施例中采用覆膜砂、镁砂、硅砂等原料与胶结剂形成混合物，注射到壳芯一体铸模成型模具中，得到一次成型制成的型芯与该型芯的合围侧壁形成的壳模相连接的上、下两部分分体铸模4，铸模2由分体铸模组装而成。浇注系统1可以单独制作或与上分体铸模制成一体。上述铸模放置在内型腔形状、构造及大小与所用铸模形状、构造及大小相同的固定型箱5内。该固定型箱5由耐火材料制成上型箱和下型箱，两者合成一体组成固定型箱5。通过浇注系统1将液态金属浇注在铸模内腔中，冷却得到铸件3。
清理铸件型腔内铸造用砂前，可以利用烷类、烃类或脂类有机物的一种或一种以上，按任意重量配比混合配制成溃散剂，将上述溃散剂注入铸件毛坯型腔内，待溃散剂浸入铸造用砂后，将铸件毛坯放入回火窑内升温，温度范围可控制在200℃～900℃之间；最好控制在400℃～600℃之间。回火温度具体可以根据铸件不同材质确定。铸件毛坯温度达到一定温度并恒温时，铸件毛坯内腔中的铸造用砂在溃散剂作用下，快速膨胀脱落，使铸件毛坯型腔内达到清洁光滑，表面整洁。通常情况下，当溃散剂采用重油、沥青、机油、柴油、油漆中的其中一种；或者采用其中两种或两种以上，并按任意重量配比混合配制而成。例如按等重量或不等重量配比混合配制。
为了降低铸件的清砂成本，并减少废机油、废柴油和废油漆给环境造成的污染，最好选用回收的废机油、废柴油和废油漆中的其中一种；或者采用其中两种或三种，并按任意重量配比混合配制而成。例如采用废机油、废柴油和废油漆，将其中的两种或三种等重量配比混合配制成溃散剂；或者采用废机油、废柴油和废油漆，将其中的两种按不等重量配比如2∶1；或3∶1等比例混合配制成溃散剂；或者将废机油、废柴油和废油漆按不等重量配比如2∶1∶1；或者3∶1∶1等比例混合配制成溃散剂上述溃散剂可以选用有机溶剂如香蕉水、酒精作为溶剂或采用水作为分散剂，对溃散剂进行乳化处理，制成溃散剂混合液。上述溃散剂可以在铸件回火处理过程中自燃，使得铸件型腔内的铸造用砂疏松、膨胀，并由铸件型腔内自动排出，达到快速清砂目的。
本发明可以利用清理脱落出的回收芯砂，对铸件毛坯表面和型腔进行加工，其方法是利用清理脱落出的回收得到的芯砂装入风砂罐中，通过风力将脱落回收的芯砂喷入放置在喷砂室内的铸件毛坯表面和型腔内，进步提高了铸件毛坯表面的光洁度，增强了铸件毛坯表面的抗腐蚀性能。
实施例二与实施例一相同，只是固定型箱5的制作材料采用铸铁材料。
实施例三本实施例中仍然可以采用覆膜砂、镁砂、硅砂等原料与胶结剂形成混合物，注射到壳芯一体铸模成型模具中，得到一次成型制成的型芯与该型芯的合围侧壁形成的壳模相连接的上、下两部分分体铸模4，铸模2由分体铸模组装而成。浇注系统1可以单独制作或与上分体铸模制成一体。上述铸模放置在内型腔形状、构造及大小与所用铸模形状、构造及大小相同的固定型箱5内。该固定型箱5采用金属板作为固定装置壳体，制成中间留有通孔、通槽或空隙夹层的固定装置。该通孔、通槽或空隙夹层可以流动冷却水、液态氮等冷却介质，通过控制冷却介质调冷却速度，便可以得到符合金相组织要求的铸件。未涉及部分与实施例一相同。
实施例四与上述实施例三相同，所不同的只是固定型箱5的通孔、通槽或空隙夹层中流动的是空气。
权利要求
1.一种利用壳芯一体铸模制造铸件的方法，包括向由型芯和壳模组成的铸模型腔内浇注金属，其特征在于所说的方法是a、采用由两部分或两部分以上的壳芯一体的分体铸模[4]组成整体铸模[2]，其中所说的分体铸模[4]的型芯与该型芯的合围侧壁形成的壳模相连接；b、将上述分体铸模[4]放置在固定装置中整体固定，形成铸模型腔浇注系统；c、再向铸模型腔浇注系统[1]的铸模型腔中浇注高温金属液体，冷却制成铸件[3]。
2.根据权利要求1所述的制造铸件的方法，其特征在于该方法将上述用铸模装配在由上箱体和下箱体组成合箱形成的固定型箱[5]型腔内，浇注金属液体冷却至开模温度得到铸件[3]。
3.根据权利要求2所述的制造铸件的方法，其特征在于该方法采用的固定装置选用不同材料制成内腔形状、构造及大小，与所用铸模形状、构造及大小相同的固定型箱[5]。
4.根据权利要求2或3所述的制造铸件的方法，其特征在于该方法采用的固定装置内加工有用于空气自然流动或供冷却介质流动所需的通孔、通槽或空隙夹层，通过控制通孔、通槽或空隙夹层的空气或冷却介质流量调整金属铸件的冷却速度。
5.根据权利要求1、或2所述的制造铸件的方法，其特征在于该方法利用烷类、烃类或脂类有机物的一种或一种以上，按任意重量配比混合配制成溃散剂，将溃散剂注入铸件毛坯型腔内，待溃散剂浸入铸造用砂后，将铸件毛坯放入回火窑内升温，温度控制在200℃～900℃之间，使铸件毛坯内腔中的铸造用砂快速脱落。
6.根据权利要求5所述的制造铸件的方法，其特征在于所说的溃散剂采用重油、沥青、机油、柴油、油漆中的其中一种或一种以上，并按任意重量配比混合配制而成；或者选用回收的废机油、废柴油和废油漆中的其中一种或一种以上，并按任意重量配比混合配制成溃散剂。
7.根据权利要求6所述的制造铸件的方法，其特征在于所说的铸件毛坯放入回火温度控制在400℃～600℃范围之内。
8.根据权利要求5所述的制造铸件的方法，其特征在于该方法是利用清理脱落出的回收得到的芯砂装入风砂罐中，通过风力将脱落回收的芯砂喷入放置在喷砂室内的铸件毛坯表面和型腔内。
9.根据权利要求1、2或3所述的制造铸件的方法，其特征在于所说的分体铸模材料采用覆膜砂、镁砂、硅砂等原料与胶结剂混合物，注射到壳芯一体铸模成型模具中一次成型制成。
10.根据权利要求4所述的制造铸件的方法，其特征在于所说的固定装置可采用耐火材料、铸铁、金属板加工制成。
全文摘要
一种利用壳芯一体铸模制造铸件的方法，该方法是采用由两部分或两部分以上的壳芯一体的分体铸模组成整体铸模，其中分体铸模的型芯与该型芯的合围侧壁形成的壳模相连接；将上述分体铸模放置在固定装置中整体固定；再向铸模浇注系统的铸模型腔中浇注高温金属液体，冷却制成铸件。该方法将溃散剂注入铸件型腔内，放入温度范围在200℃～900℃之间的回火窑内回火，使铸件内腔中的铸造用砂快速脱落。本方法生产出的铸件尺寸精确度高；无披逢；铸件毛坯的表面光洁度可达到4～5级；减少了铸件毛坯的加工余量小，降低了生产成本，提高了生产效率，且生产操作工艺十分简单。本发明用废机油、废柴油和废油漆制成溃散剂，解决了铸件生产污染环境问题。
文档编号B22D29/00GK1876270SQ20051004662
公开日2006年12月13日 申请日期2005年6月7日 优先权日2005年6月7日
发明者徐浩生 申请人:徐浩生