组合型芯的制作方法

本发明涉及金属型铸造领域，具体涉及一种可强制冷却的组合型芯。

背景技术：

在铸造领域中，在铸件熔液凝固阶段中，由于铸造型芯散热慢，经常导致型芯温度过高，不利于铸件的散热凝固，因此在型芯上方的铸件部位，容易形成缩孔和疏松等缺陷。

传统的解决上述问题的方法为在型芯中高压通水，快速带走型芯周围的热量，由此强化型芯的散热能力。

但通水冷却型芯也存在一定的风险和不足，对于增加冷却系统的冷却性型芯，内部冷却通道在使用过程中，冷却通道内部通常产生很大的蒸汽膜压力，必须采用较大的供给水压才能保证畅通，由于高温和高压的作用，容易在型芯冷却道的内壁上形成锈斑和腐蚀点，进而导致在锈斑和腐蚀点处形成应力集中，容易造成型芯开裂，发生漏水、产品报废等事故。

此外，在现有技术中，冷却通道与型芯外表面之间的厚度至少为20mm，以在型芯的冷却效率和强度之间取得平衡，因此，对于直径在25mm以内的型芯，基本无法设置冷却通道。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种带强制冷却功能的组合型芯，可以解决上述现有技术中的问题。

本发明提供一种组合型芯，包括：型芯内芯和套接在所述型芯内芯外部的型芯外壳，所述型芯外壳设有所述型芯内芯的轴向装配孔，所述装配孔贯通所述型芯外壳的顶端和底端并确定所述型芯外壳的内表面，所述型芯内芯能够在所述装配孔中相对于所述型芯外壳滑动；

所述型芯外壳还包括至少一个输送冷却气体的冷却通道，所述冷却通道的进气口设置在所述型芯外壳的底端，所述冷却通道的出气口设置在所述型芯外壳的内表面上，使得所述冷却气体的吹出方向朝向所述型芯外壳的顶端。

进一步地，所述出气口的开口位置与所述型芯外壳的顶端相距预定长度，所述出气口在所述冷却气体的吹出方向上的轴线与所述装配孔的轴线在朝向所述型芯外壳的顶端的方向上成预定角度，使得所述冷却气体能够径直吹出所述型芯外壳的顶端。

进一步地，所述冷却气体在所述型芯外壳的顶端形成紊流。

进一步地，所述进气口在所述底端的开口位置为所述型芯外壳的内表面和外表面之间径向的中间位置。

进一步地，所述组合型芯的直径不小于20mm。

进一步地，所述型芯内芯的直径至多为所述组合型芯的直径的1/3。

进一步地，所述冷却通道的直径至多为所述组合型芯的直径的1/3。

进一步地，所述型芯内芯与所述装配孔在所述型芯外壳的顶端密封配合。

进一步地，所述组合型芯由金属材料或陶瓷材料构成。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

本发明采用带有强制冷却功能的组合型芯能够快速消除型芯上方铸件处的热节，解决铸件缩孔、疏松问题。

本发明的组合型芯进一步地解决了现有型芯容易在型芯冷却通道的内壁上因应力集中而形成型芯开裂的问题，延长了型芯寿命。

本发明的组合型芯还能进一步地缩小型芯体积，扩大了冷却型芯的应用范围。

附图说明

图1a-1b示出了根据本发明实施例的铸造模具及组合型芯的平面示意图。

图2a-2c示出了根据本发明实施的实例性的组合型芯的型芯外壳结构示意图。

图3a-3b示出了根据本发明实施的实例性的型芯内芯的结构图。

图4示出了根据本发明实施的实例性的组合型芯的型芯外壳的平面示意图。

图5a-5b示出了根据本发明另一实施例冷却操作的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

为方便表述，本发明中的“气体”应该理解成冷却气体，即可以用来对金属器件进行冷却的气体物质。

以下具体实施方式中，所记载的“上”、“下”、“左”、“右”等方位指示词应该理解为对附图的方位指示。

首先参考图1，其示出了具有根据本发明实施例的组合型芯1的铸造系统或装置的一部分，用于模制铸件5。如图1a所示，铸造模具包括组合型芯1、左半模2、右半模5和型芯底板4，其中型芯底板4可以包括公知的气体冷却系统配合组合型芯1实施冷却，在此对公知内容不作具体描述。

参考图1b和图2a-2c，组合型芯1包括型芯内芯20和套接在型芯内芯20外部的型芯外壳10，型芯外壳10设有型芯内芯20的轴向装配孔11，装配孔11贯通型芯外壳10的顶端和底端并确定型芯外壳10的内表面，型芯内芯20能够在装配孔11中相对于型芯外壳10滑动，型芯外壳10的内表面和外表面之间还包括至少一个输送冷却气体的冷却通道12，冷却通道12的进气口设置在型芯外壳10的底端，冷却通道12的出气口设置在型芯外壳10的内表面上，冷却通道12在型芯外壳10内轴向延伸。

冷却气体通过进气口输入冷却通道12中，后经由出气口吹出，冷却气体的吹出方向朝向型芯外壳10的顶端。可以理解，本发明这里所描述的型芯外壳10的顶端指的是型芯外壳10沿插入铸件熔液方向的端部，型芯外壳10的底端指的是型芯外壳10沿插入铸件熔液相反方向远离铸件熔液的另一端部。

如图2所示，在本发明的实施例中，为了便于组合型芯1的抽取，型芯外壳10的顶端略微收敛，使得组合型芯1大致成子弹型。可以理解，型芯外壳10的外形结构可以根据铸件需要进行选择，例如，圆柱体、多边形柱体等规则结构，也可以是不影响组合型芯抽取的异型结构，本发明在此不作限制。

型芯内芯20的外形结构可以是例如，圆柱体、多边形柱体等规则结构，也可以是其他异型结构，只要型芯内芯20的外形结构利于从型芯外壳10的装配孔11中快速抽出即可。为了减少应力集中和方便型芯内芯20抽出，在本发明的实施例中，型芯内芯20优选如图3所示的圆柱形。此外，型芯内芯20的径向横截面直径不大于组合型芯1的径向横截面直径的1/3，优选为组合型芯1的径向横截面直径的1/3，这样可以保证组合型芯1的整体强度和型芯外壳10强制冷却的实施。可以理解，型芯内芯20与装配孔11在型芯外壳10的顶端密封配合，使得铸件熔液不会进入组合型芯1的内部。接下来参考图2对冷却通道12详细描述。

如图2所示，冷却通道12的径向横截面的形状可以是例如圆形，方形等规则结构，也可以是其它异型结构，为减小应力集中，优选为圆形结构。冷却通道12的直径优选为组合型芯1的直径的1/3，这样可以在不影响组合型芯的整体强度的情况下进行充分冷却。但是冷却通道的尺寸可以根据铸造要求进行设置，以下将具体描述。

冷却通道12的进气口的位置可以配合型芯底板4和相应的冷却系统设置在型芯外壳10底端的任意位置，优选设计在型芯外壳10的内表面和外表面之间径向的中间位置，这样可以在不影响组合型芯的整体强度的情况下进行充分冷却。

对于冷却通道12的出气口，如图2所示，为了使冷却气体的吹出方向朝向型芯外壳10的顶端，出气口设置在型芯外壳10的内表面并靠近型芯外壳10的顶端的位置。进一步地，如图4所示，冷却气体的吹出方向由出气口与型芯外壳10的顶端相距的长度l和出气口在冷却气体的吹出方向上的轴线与装配孔11的轴线在朝向型芯外壳10的顶端的方向上的角度α决定，通过调节l和α可以控制气流吹出的方向，在本发明中，l和α同时决定了出气口开口处的深度和角度。

作为一个示例，冷却通道12在型芯外壳10内沿轴向延伸，冷却通道12延伸方式可以有多种，例如本发明附图中所示出的，冷却通道大体平行于装配孔11的轴线，并在靠近型芯外壳10的顶端时向型芯外壳10的内表面平滑弯曲。在优选的示例中，在使用组合型芯进行冷却的阶段，为了提高冷却效率，以及使冷却气体在型芯外壳10的顶端形成紊流以强化冷却效果，可以将l和α设置为相应的预定值，使得冷却通道12中冷却气体从出气口中吹出时不会冲撞到出气口对面的内表面和/或受到内表面的阻碍，使得冷却气体能够径直吹出型芯外壳10的顶端。考虑到型芯外壳10的强度，l可选的设置为大于冷却通道12的直径的一倍以上。

在本发明的实施例中，型芯外壳10中设置有三个冷却通道，以保证对铸件5的冷却是非常均匀和快速的。作为另一示例，冷却通道的尺寸和数量可以根据对铸件的冷却强度进行调整。具体地，根据传热速度公式：

在通入冷却气体的总量足够的前提下，铸件与冷却介质的温差，即(tcast-tcoldmedia)是一定的，对于给定铸造模型，其传热距离l0是确定的，因此冷却介质和铸件间的热阻r，是决定传热速度的最为关键的影响因素。而r决定于冷却气体进气口的压力和冷却气体成分，在进气口的压力一定时，冷却通道的尺寸和数量决定了吹入气体的量。因此在实际生产中，可以根据需要的冷却强度调节冷却通道的尺寸和数量、进气口的压力和冷却气体成分。

作为一个示例，冷却通道的直径至多为组合型芯的直径的1/3，这样可以保证冷却气体在出气口具有足够的吹出压力，达到对铸件快速冷却的目的。

作为另一示例，出气口的直径与冷却通道的直径相同，这样可以获得最佳的冷却效率。相反，出气口的直径大于冷却通道的直径会损失冷却气体在出气口的吹出压力；出气口的直径小于冷却通道的直径会减少单位时间的出气量并且容易在冷却通道靠近出气口区域形成应力集中。

作为上述实施例的一个变型示例，冷却通道12在型芯外壳10内沿轴向延伸，冷却通道12延伸方式是笔直的，为了使冷却气体的吹出方向朝向型芯外壳10的顶端，冷却通道12的延长线与装配孔11的轴线呈角度α，并使冷却通道12在相距型芯外壳10的顶端的距离为l的内表面处贯通。冷却通道12的径向横截面的形状可以是例如圆形，方形等规则结构，也可以是其它异型结构，为减小应力集中，优选为圆形结构。冷却通道12的直径优选为组合型芯1的直径的1/3，这样可以在不影响组合型芯的整体强度的情况下进行充分冷却。冷却通道的尺寸根据上述描述的要求进行设置，此处不再赘述。通过以上设计，能够降低冷却通道内应力集中发生的概率，提高了组合型腔的使用寿命。此外，笔直的冷却通道更有利于冷却气体的流动，使得冷却气体在出气口具有较好的吹出压力和出气量。

作为上述实施例的另一个变型示例，冷却通道12在型芯外壳10内沿轴向延伸，冷却通道12延伸方式是以装配孔11为轴将其部分环绕的螺旋形，即，冷却通道12是以螺旋通孔的形式设置在型芯外壳10内。与上述实施例相同，冷却通道12的径向横截面优选为圆形结构。冷却通道12的直径优选为组合型芯1的直径的1/3。螺旋方向可以是左旋或右旋，本发明对此不作限定。可以理解，为了使冷却气体的吹出方向朝向型芯外壳10的顶端，冷却通道12是以型芯外壳10的底端为底面的圆锥螺旋线，该圆锥螺旋线的锥度和行程由上述实施例中的l和α，以及型芯外壳10的尺寸共同确定。通过以上设计，能够使冷却气体在型芯外壳10的顶端形成更强的紊流以强化冷却效果。

在使用中，如图5a所示，在铸件浇注过程中，型芯外壳10和型芯内芯20配合形成完整的组合型芯1。在浇注完成后，当铸件与组合型芯相接触的表面结壳凝固后，将组合型芯1和型芯内芯20同时相对于铸件迅速抽出一定的距离，如图5b所示，型芯内芯20要抽至冷却通道出气口露出，同时将冷却气体从冷却通道的出气口吹出，冷却气体从型芯外壳顶端吹出，对铸件进行冷却，同时继续快速抽出型芯内芯，使内芯和型芯外壳脱离。当冷却气体持续的吹入一定时间后，完全抽出型芯外壳，冷却结束。在实际生产中，相对于将型芯全部抽出后进行气体冷却，这种操作可以及时让冷却气体与铸件接触，避免延误冷却时机。因此，本发明的组合型芯的操作更加灵活，可操作性更强。

根据本发明的实施例的描述，本发明的组合型芯与现有水冷型型芯的结构完全不同，因此，作为一个示例，组合型芯的直径可以实现最细为20mm，相比于现有的冷却型芯，本发明的组合型芯应用范围更广。此外，组合型芯可以根据铸件材质由各类金属材料或陶瓷材料制成。

综上，根据本发明的组合型芯，能够快速消除型芯上方铸件处的热节，解决铸件缩孔、疏松问题；解决了现有型芯容易在型芯冷却道的内壁上因应力集中而形成型芯开裂的问题，延长了型芯寿命；还能进一步地缩小型芯体积，扩大了冷却型芯的应用范围。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的第一终端设备来实现。在列举了若干终端设备的单元权利要求中，这些终端设备中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

尽管本文已公开了各种方面和实施例，但其它方面和实施例对于本领域技术人员而言将是明显的。本文公开的各种方面和实施例是为了说明的目的，而不意在进行限制，真实的范围应当由所附权利要求以及这样的权利要求所被授权的等效物的全部范围指示。还要理解，本文中使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不意在进行限制。