金属铸件中补缩的方法和设备 本发明涉及一种如权利要求1前序部分所描述的方法。
众所周知，液态和固态金属冷却时都会有体积的缩小，即所谓的热收缩。在铸模中在浇铸后型腔中的热量分配不均匀，因此，并不是所有的铸件部分同时凝固，这使得铸件保持液态时间最长的区域将给出一部分金属液用于补偿铸件的已凝固区域的收缩，这样就在铸件中产生通常叫做″缩孔″的缺陷，这种缺陷或者是铸件表面中的凹陷或者是铸件中的空穴(孔穴或微缩)。为了避免这些缺陷，本领域的技术人员可采取一系列步骤，其中最普通的是使用补缩槽，即铸模中的空穴，在浇铸过程中其中充满金属，这种空穴的尺寸使得其中的金属保持液态的时间比铸件的最后凝固区域都长，这种空穴通过横截面相对较大地导管连接到这些区域，从而在这些区域的凝固过程中对其进行液体金属的补充。
已知的这种补缩槽主要有两种类型，即作为冒口(基本上为圆柱形空穴，从将其连接到铸件的导管延伸到铸模的上表面)和作为铸模中的内部的或封闭的空穴的所谓的″吸块(suction buds)″，紧靠铸件需要补缩的地方设置。相对于后者，前者具有在补缩位置较高的静压力，即该位置之上的金属柱压力的优点，从而通过将补缩金属通过连接导管压入铸件而以较高的程度支持补缩。而在后一形式中，压力在补缩过程中减小。另一方面，后者的优点是铸造过程中具有较高的金属出品率，即只需从铸件上分离较少量的用于重新熔化(回收)的金属，这也减小了用于熔化的能量消耗。
与具有水平分型面的铸模相比，具有垂直分型面的铸模的顶表面具有相对较小的表面区域，因此，后一种铸模只允许较低程度的对于用于补缩的冒口的利用，因而，为此目的通常需要使用上述″吸块″，这种吸块的缺点如上所述是用于通过导管将补缩金属压入铸件的静压力较小。这种缺陷在补缩轻金属铸件(即铝和其合金或镁和其合金铸件)时尤为明显，这是因为这些金属比重较低。
用具有垂直分型面的铸模铸造轻金属铸件特别在两种情况下具有商业价值，即在永久模中铸造(例如压铸)，和在串模造型装置(例如本申请人制造和销售的″Disamatic″造型装置)的铸模中的铸造，因此，特别是鉴于这两种情况，本发明的目的提供一种权利要求1的前序部分所述的方法，它能避免上述缺点，同时能够增加金属出品率，即减少用于浇铸各铸模的金属量。
根据本发明，通过权利要求1的特征部分所述的方式实现上述目的。
通过保持在型腔中的金属凝固过程中补缩槽中一定的压力，该压力大致等于刚浇铸之后补缩槽中的金属静压力，可产生一用于将补缩金属通过连接补缩槽和型腔的导管压入的压力，该压力相应于使用在冒口中的金属柱所获得的压力。因此，浇铸铸模时，相应于该金属柱的液体金属的量就省下了。
不需说所施加的压力必须不超过该压力施加处的平均金属静压力，直到与补缩槽相连的内浇道中的金属凝固或该内浇道以其它的方式被阻塞，例如，如国际申请WO 93/11892中所述，显然，如果不是这样的话，施加更高的压力会迫使金属通过入口流回而不会以任何方式贡献于铸件的补缩。当内浇道中的金属凝固或内浇道阻塞，有时需要增加施加的压力，从而确保有效的补缩。
从权利要求1可知，在一个铸模中对于一个型腔可设置多于一个的补缩槽，而多个型腔也可设置一个补缩槽，或者一个型腔与一个补缩槽相关，同样不需要对一个铸模中的所有补缩槽中的金属施加压力。
最好，使用权利要求3所述的方法可使液体金属保持尽可能热，因此也尽可能地适于补缩。这样，也可进一步降低回收金属的量。
特别是在永久铸模中，补缩槽中的金属上的压力可以纯机械的方式或以气动机械或液力机械方式施加，根据本发明的一个最佳实施例在权利要求4中提出。
权利要求5-9指出各种用于施加气体压力的方式，特别是权利要求7提出一种当施加气体压力时用于在铸模中的金属表面施加低于金属静压力的气体压力的方法，而权利要求8提出用于确定内浇道中的金属是否凝固的方法。
显然施加的气体压力的实际值的大小取决于每次产生的铸件和铸模的形状，但通常最好保持气体压力在大约0.05-0.5巴之间(见权利要求10)。
所使用的压缩气体可以是大气，但当铸造镁或其合金时，也可以是不与所铸金属发生化学反应的惰性气体，例如，氮气或CO2。
权利要求13提出根据本发明的方法的一种通常的应用实施例。
权利要求14涉及根据本发明的方法的一个实施例，最好用于串模装置中的铸模。
为了防止供施加到补缩槽的气体压力通过的管或导管被补缩槽中的凝固金属所阻塞，如权利要求15中所指出的，可通过一种不能透过液体金属的材料将补缩槽与压力气体源分隔开。如权利要求16中所指出，这种材料例如构成一层耐热纤维材料，当气体压力施加于其上时可变形，因此，在补缩过程中，它能够适应补缩槽中的金属表面的轮廓。如权利要求1 7中所指出，该材料可透过压缩气体。
在补缩槽中可放置一种能够使气体膨胀到足以建立气体压力的程度的媒剂，这种媒剂可用于放出热量并包含绝热成分，例如权利要求18，19和20中所提出的。
为了用于串模造型装置，本发明还涉及一种用于实施根据本发明的方法的带垂直分型面的铸模。这种铸模为权利要求21的前序部分所提出的那种，并且根据本发明其特征为权利要求21的特征部分中所提出。该铸模也可具有权利要求22，23和24中所提出的特征。
最后，本发明涉及一种如权利要求25的前序部分所述的浇铸和冷却区，根据本发明所述的区具有权利要求25的特征部分所提出的特征。该浇铸和冷却区可具有如权利要求26和27所述的结构。
下面参照附图对本发明进行更加详细的描述，附图中：
图1和2示意地示出根据本发明的方法的第一个实施例，其中压力以机械的方式施加到补缩槽中的金属上；
图3以与图1和2相同的方式示出根据本发明的方法的第二个实施例，其中压力由压缩气体施加到补缩槽中的金属上；
图4为通过具有用于制造铸模的造型机的串模铸造装置的一部分，一列由该造型机制造的铸模和该装置的浇铸和冷却区的一部分的纵截面示意图；
图5为示出对由图4所示的两个铸模构成的铸模进行浇铸的横截面图。
图1为由标号1表示的铸模的横截面图。在该实施例中，铸模可是一由金属制成的永久模并包括一型腔2，型腔通过一具有相对较大液流横截面的短的导管连接到一补缩槽3，而补缩槽连接到一个由浇铸系统4，5，6中的内浇口4，该浇铸系统还包括一直浇口5，它在铸模1的顶部开口成一漏斗形外浇口6。具有柱塞式活塞形式的移动体7以这种方式可移动地放置在铸模1中，以使其可从上面垂直引入补缩槽3中，所述的移动体7通过一穿过铸模1的上部向上延伸的垂直杆8可承受一向下的力(图中示出为一重块)。
当型腔2和补缩槽3中通过浇铸系统4，5，6充入液体金属时，通过杆8给柱塞式活塞7施加一恒定的向下的力，所述力的大小使得通过柱塞式活塞7施加在补缩槽3中的金属上的压力至多等于由直浇口5和外浇口6中的金属柱施加在柱塞式活塞7的下端表面上的金属静压力。
如果杆8上的向下的力太大，则会使柱塞式活塞7向下移动进入补缩槽3中，从而使金属从补缩槽中回移通过浇铸系统4，5，6。
在浇入铸模1中的金属的冷却过程中，内浇口4中的金属首先凝固，然后型腔2中的金属凝固并形成所需的铸件。以这样的方式选择补缩槽3的尺寸，以使得该补缩槽以及将补缩槽连接到型腔2的导管中的金属最后凝固。
这种条件也是基于这种事实，即在浇铸操作过程中所有充入型腔2中的金属均流过铸模1的这些部分，因而已对这些部分的壁进行了加热。
因此，在型腔2中的金属的冷却和凝固整个过程中，补缩槽3中的液体金属用于补充型腔2中金属的热收缩。在该过程中，柱塞式活塞7将一直以与刚刚浇铸铸模1之后相同的压力作用在补缩槽3中的金属上，因而在补缩槽3中保持恒定的压力，因为柱塞式活塞7在槽3中向下运动同时使用于给型腔2中铸件补缩的金属运动。
以这种方式在补缩过程中补缩槽3中保持的压力大致相应于补缩槽3的上壁和铸模的顶部之间的液体金属柱的压力。因而，在本发明中补缩槽3以与从槽的底部延伸到铸模1的顶部的冒口相同的方式作用。为了充填这种冒口，需要大量的金属，这些金属在后续工序中必需从在型腔2中生产的铸件上分离下来以回收利用，这将产生附带的缺点。
因而，通过本发明的方法可较高程度地利用金属，因而节约熔化金属的能量。
当内浇口4中的金属凝固时，可在本发明的范围内通过杆8和柱塞式活塞7给补缩槽3中的金属施加比上述更高的压力，从而获得更加确定和有效的补缩，因为较高的压力将更容易将金属从补缩槽3通过导管压入型腔2，其流量横截面可由于凝固在其壁上的金属而被约束。此外，较高的压力将增加克服部分凝固金属中的补缩阻力的趋势。
在如图2中所示的铸模1中，标号2-8基本上与图1中所示的铸模中的标号相似。然而，在图2中，柱塞式活塞7在杆8的直接向内朝向铸模1的力的作用下水平移入补缩槽3，所述力在图中所示为一通过一可枢轴转动地固定到板10上的直角杠杆9作用在杆8上的重块。
在这种结构中，型腔2增加了另一个型腔2′，后者通过一较宽的喉管连接到一第二补缩槽11，以对浇入型腔2′中的金属进行补缩。一柱塞式活塞12可水平移入补缩槽11并由图中所示的的重块通过一水平杆13和与板10枢轴相连的直角杠杆14以向内朝向铸模1的力对其作用。
在铸模1的浇铸过程中，型腔2′和补缩槽11也通过连接型腔2和2′的喉管浇铸入金属，标号3-8的作用与图1中所示的一样。
当铸模1中被浇入金属时，柱塞式活塞12通过杆13和直角杠杆14作用一向内的力，从而给补缩槽11中的金属施加一压力，该压力等于在铸模浇铸后的金属静压力，补缩槽11中的金属以该压力作用在柱塞式活塞12的端表面上。
由于槽11与槽3不同，在浇铸过程中没有液体金属流过，因此其壁没有被加热，另外，由于其中浇有已被通过铸模中其它型腔和导管而冷却，为了能对第二型腔2′中的金属进行补缩，槽11必需具有较大的尺寸。
在浇入第二型腔2′中的金属的冷却和凝固过程中，柱塞式活塞12在其它方面与图1中所示的铸模1中的柱塞式活塞3的作用相同。
这意味着补缩槽11将弥补从槽11的上壁延伸到铸模1的顶部的冒口的作用。
尽管上面的讨论基于假定铸模1为永久金属模，并且柱塞式活塞7和12也由金属制成，但铸模1原则上说可以是砂模，而柱塞式活塞7和12例如可为圆柱形芯砂件，尽管必需承认这样实现起来比较困难。
另一方面，通过杆8和13作用的力除了如图所示的纯机械方法外，可由气动或液压活塞缸单元提供。
图3中所示的本发明的方法的实施例既可用于永久金属铸模也可用于砂模，其细节与图1和2所示的相同或相应，标号与该两图中的相同。
因而，在铸模1中有一型腔2，通过第一补缩槽3与一浇铸系统4，5，6相连，还有另一个型腔2′，与型腔2相连并具有一第二补缩槽11。从槽3的底部一导管15导向铸模1的外侧，在槽3和导管15的过渡处包括一不能透过金属但能透过气体的分隔器16。在铸模1的外侧，导管15开口进入与铸模的外侧表面液密连接的压力腔17，所述压力腔17连接到减压阀18的导管，而减压阀又连接到一压力气体源(图中未示出)。
与上述方式相似，补缩槽11中的上壁通过一导管19在铸模的一侧表面连接到其外侧，从槽11到导管19的过渡处包括一与分隔器16相同的分隔器20。在铸模1的外侧，导管19开口进入与铸模的外侧表面液密连接的压力腔21，所述压力腔21通过一导管连接到减压阀22，而减压阀又连接到一压力气体源(图中未示出)。
在如图3所示的铸模1的浇铸过程中，腔3，2，2′和11中以与参照图2所述的相同的方式通过浇铸系统4，5，6充入金属液。在该过程中，分隔器16和20防止金属进入并阻塞导管15和19。
此后，气体压力通过导管15，压力腔17和减压阀18并通过分隔器16施加到补缩槽中的金属的最下部表面，所述气体压力不超过在此位置铸模中的金属静压力。在该过程中，必需注意不要以这种方式施加气体压力以在分隔器16之上出现气泡，这种气泡将上升入型腔2中并在其中膨胀，从而产生废品铸件。
气体压力以同样的方式通过导管19，压力腔21和减压阀22并通过分隔器20施加到补缩槽11中的金属的最上部表面，所述气体压力不能超过在此表面的金属静压力。
作用在补缩槽3中金属的下表面和补缩槽11中金属的上表面的气体压力与图2中所示的铸模1中的柱塞式活塞7和12以相同的方式作用，以在型腔2和2′中的金属的冷却和凝固过程中保持在这些补缩槽3和11中的金属压力为一恒定值，从而槽3和11中的金属将能够补入这些型腔以补偿型腔中金属的热收缩。
而且用该实施例的方法可在内浇口4中的金属凝固后增加槽3和11中金属表面上的气体压力，然而这不会通过分隔器将气泡引入型腔2中。
分隔器16和20可由任何具有适当的耐热性，不能透过金属但可透过气体的材料制成。因而，它们可由多孔陶瓷板或带有机或无机粘合剂的砂芯或其它矿物纤维板或垫构成。
除了通过导管15和19，压力腔17和21以及分隔器16和20，两个补缩槽3和11中的气体压力也可通过延伸穿过铸模特别是湿砂铸模并开口入补缩槽中的金属管施加，金属管的内端具有这样的结构以使其可透过气体但不可透过液体金属，例如其内端可由具有这些特性的塞子封闭，各管的外端分别连接到减压阀18或21。
图4为通过根据本发明的带铸造和冷却区的串模铸造机的示意纵截面图。该装置包括一用标号25表示的造型机，它与申请人制造和销售的″Disamatic″造型机为同一种类。这种在市场上出现数十年并发现广泛用于全世界的铸造厂的造型机的原理和结构对于本领域的技术人员应是众所周知的，对这种造型机的描述见美国专利No.3,008,199，因此在此只作简要描述。
带适于模铸的水分的松散粘土型砂从一供应槽26供入一形成在支承着母模29并固定到液压活塞27的挤压板28和可向上枢轴转动并固定着一母模31(图中所示为一平板)的相对压力板30(在图4中处于向上转动的位置)之间的造型腔中。当挤压板28在活塞27的作用下朝向造型腔移动时，在挤压板28和向下转动的相对的压力板30之间或者说由它们支承的母模29，31之间的型砂将被压实，从而形成由湿砂构成的铸型。然后，相对压力板30向图4中的右方移动，这样型板31从铸型上松开并向上转动到图4中所示的位置。此后，由活塞27将铸模32推向图4中的右侧，从而紧靠先前生产的铸型32，然后活塞27撤回，使母模29与铸型32脱开。因而，一列或一串铸型32在一适当的支承件33上沿箭头A的方向朝向图4中的右方步进式移动，铸型32的朝向下游的成形表面与前面一个铸型32的朝向上游的成形表面相配合形成一铸腔及相关的槽，下面还要说明。
这些铸型步进地前进通过一浇铸站B，在此处通过一适当的浇铸装置34将金属浇入型腔，如图5中示意横截面图所示，此后，它们进而步进地通过一冷却区C而到达一落砂栅(图中未示出)。
以这种方式形成的各湿砂铸模包括一型腔35，其底部通过一短的和宽的导管连接到一补缩槽36，而补缩槽又连接到由内浇口37和直浇口38构成的浇铸系统，直浇口在铸型的顶部开口入一浇口杯39。在图中所示的铸型的实施例中，铸型还包括一连接型腔35上部和铸模顶部的中心冒口40。
根据本发明，一导管41连通铸型中的补缩槽36和铸型的下侧，各铸型中的导管41由一图3中所示实施例中所描述的那种分隔器42阻塞。
根据本发明，一导管43从一紧位于浇铸站B下游的位置沿着冷却区C的至少一部分在支承件33中于一列铸型32之下延伸，所述导管43位于铸型32中的导管41之下的支承件33中。导管43供应压力不超过在完全浇满的铸型中的分隔器42上的金属静压力的压缩空气，所述压力以与图3中所示补缩槽3相同的方式从补缩槽36对型腔35进行补缩。
由于在图中所示的铸型中冒口40用于对型腔35的上部区域进行补缩，该冒口40可在自动铸造装置35中用于附加的目的，因为冒口40中的金属液面可指示铸型的完全充满，该液面被适当的光学或热传感器记录以产生一用于停止浇铸的信号。
在上述说明书中，对本发明的几个实施例进行了描述，但应理解在下面的权利要求的范围内可以各种方式对本发明进行修改。因而，可以理解本发明的方法可用于具有水平分型面的铸型。除了从外源供应压力气体，也可通过在补缩槽中放置能够释放或产生气体的试剂或一套通过相互的化学反应产生气体的试剂而在补缩槽中产生气体。同样，除了所示的重力浇铸也可通过例如将金属从下面泵入铸型并堵塞浇铸系统而对铸型进行浇铸，如国际专利申请WO 93/11892中所述。
此外，上述试剂可包括部分地通过放热反应产生热量，部分地具有适当的绝热性的添加剂。