用于模压铸造的热直浇口系统 技术领域
本发明涉及高压金属模铸造的方法和设备，更具体的说它涉及用于热室高压金属模铸造工艺中的直浇口系统。
背景技术
目前，在铸造生产中已安装了大量的热室、高压、金属模铸造机，用于生产由锌、铅、锡、镁、铝及其合金材料制成的小型模压铸件。图1表示了一个典型的这种机床10。一池被熔化了地金属12盛在被加热的坩锅14中。浸没在金属熔液中的缸筒18内有一个柱塞16，它通过一个鹅颈管20以及一个被外部火焰加热的连接喷嘴22将金属熔液压射到形成在一个固定模块26和一个移动模块28之间的型腔24中。固定模块26安装在一块固定型板30上，移动模块28安装在一块可移动的型板32上。可移动型板32被一个液压或气动压力机上的活塞34推向固定型板并用拉杆36的夹紧力将它们夹紧。当模块26和28合上后，柱塞16就被气动压力机40的活塞38向下推动进入到缸筒18，从而将金属熔液压射到型腔24中，并一直保持压力直到凝固定型。此后，柱塞16上升，将残余的液态金属经过喷嘴22和鹅颈管20抽回到金属熔液池12中。在压射终了时，为了帮助金属熔液回流，喷嘴22向着固定模块26通常是向上倾斜的。实际上，为了相同的目的，铸造机的整个加压铸造部分(包括模具和型板)可以做成向喷嘴22的方向稍微向下倾斜。
在压射开始时，金属熔液从已从加热的喷嘴22经过安装在固定模块26背面的直浇口衬套42以及形成在固定模块26中的直浇口通道44被送到模具26和28的分型面46处，然后通过一条或几条横浇口通道48以及出口49最后进入到型腔24中。由于这种压铸机的喷射压力一般在10mPa到30mPa之间，因此喷嘴22必须用力压紧直浇口衬套42和鹅颈管20，以免泄漏。直浇口衬套42有助于在喷嘴22的模具端形成一道密封，它还有一个优点是，在压射结束后，如果形成了凝固塞堵，更换它也很容易。
直浇口通道44有很大的锥度，它在金属熔液的流动方向上从直浇口衬套42向模具分型面46逐渐加宽。它的容积应能使得金属熔液的凝固点正好发生在直浇口通道44内部或者在压射终止时发生在衬套42的下游。另一方面，横浇口通道在金属熔液的流动的方向(即朝向出口49的方向)上通常是比较狭窄的，因此熔液被加速后能以很高的速度进入型腔。对直浇口通道和横浇口通道的这种安排能使得直浇口和横浇口的铸体在模具被打开时能够很容易地与产品铸件形成一体的铸体一起从模具中取出。通常，每一条横浇口通道48都是通过狭窄的缝隙式出口49分别与型腔24相连，因此在产品铸件与相关的横浇口和直浇口的铸体之间形成的连接将是很细的、易断裂的。
从以上的说明可以看出，在这种配置中，直浇口通道和横浇口通道在模具内形成了一条将金属熔液引向型腔出口的路径。直浇口通道从固定模块的外部(通常是背面)将金属熔液引到固定模块的前面(或分型面)，与此同时，各条横浇口通道则沿着固定和移动模块之间的分型面将金属熔液从直浇口通道分别引向型腔出口。直浇口通道和横浇口通道的铸体均由铸造金属材料构成，在每次压射结束后，它们分别凝固在直浇口通道和横浇口通道中。
虽然热室模压铸造的使用已非常普遍，相对来说故障少，能够以很高的生产率制造出高质量的铸件产品。但是这项技术的主要缺点是与产品铸件的金属占用量相比较，直浇口和横浇口铸体的金属占用量比例太高。直浇口和横浇口铸体在与产品铸件分离后通常是被重新熔化并再次使用，但这将导致高的能源损失并容易使金属熔液受到污染。传统热室模压铸造的另一个主要缺点是，在宽的和被加宽的直浇口通道之间以及在窄的和更窄的横浇口通道之间，金属熔液流通路径在断面和方向上会出现突然的不连续，这种不连续性将形成紊流从而会降低金属熔液的流动效率。
可以看出，热室压模铸造与塑料模注塑成型的工艺过程很相似。两者都是用泵将液体材料通过直浇口通道和横浇口通道压射到型腔中，在注塑成型工艺中与直浇口和横浇口的铸体有关损失是很小的。在注塑工艺中，一般采用电加热直浇口通道(在注塑工艺中通常称做“喷嘴”)或电加热直浇口通道内的芯子(或称做“热喷头”(hot-tips))的方法来避免直浇口塑料实体的产生。事实上，如果使用这种设备将熔化了的塑料直接注入到型腔中，直浇口和横浇口两者都可以取消。甚至有可能在直浇口喷嘴中或热喷头中使用一种机械式阀门去关闭型腔入口处的通道，使熔化塑料的供料管路在两次压射之间能够保持受压状态，从而达到很高生产效率。
经常有人建议(例如Crandell的美国专利4,304,544和4,795,126)，可以将注塑工艺中的加热喷嘴和热喷头结构用于直接喷射式模压铸造，但这已被证明是不切实际的。由于金属比塑料有高得多的熔化点、导热性和导电性，而这些因素会给直接喷射式模压铸造带来许多问题。
在热室模压铸造工艺中直接喷射式的最值得注意的试验是由专利申请人“国际铅锌研究机构”(ILZRO)的Battelle Columbus试验室在八十年代的大部分时间内进行的。ILZRO的Battelle试验室发表了大量关于这项工作取得进展的报告和出版物。最早发表的一篇报告(No.G-T83-066)题为：“加热支管锌模压铸造的直接喷射系统”是由在ILZRO的Battelle和Herrschaft试验室工作的Groeneveld和Kaise两人于1983年10月31日至11月3日在Minneapolis召开的“国际模压铸造技术研讨及展览会”上发表的。另一份进一步的报告题为“加热支管锌模压铸造直接喷射系统的商业应用”是由Battelle试验室的Groeneveld于1985年6月3日至5日在威斯康星州milwaukee举办的展览会上发表的。另一份关于ILZRO直接喷射项目进一步的报告(No.30)于1988年3月由Groeneveld提出，其题目为：“数百万铸件已经用直接喷射式的方法制造出来”。报告提到，采用这种方法的生产率和产品质量至少与传统的采用横浇口和直浇口的方法相当。
尽管直接喷射式模压铸造有许多明显的优点，但上述出版物所公布的技术(特别是Battelle试验室的工作)并没有在模压铸造行业中得到广泛的应用。出现这种现象的主要原因是关于直接喷射系统的模具和“喷嘴”的设计方法和设备的可靠性还没有发展到与传统热室模压铸造中的模具、横浇口和直浇口等设施具有相同的技术水平。
因此，对于任何一种产品、型腔、模具、铸机和“喷嘴”的组合在能够满意地投入生产以前必须经过大量的、高度专业性的和需要高资金投入的试验。此外，在使用多型腔模具的直接喷射式系统中，还需要在金属熔液的流动和控制方面对现有模压铸机作较大的变动，从而使得对机床的设置和对工具的改造要有一个冗长的时间过程。总之，目前要实现直接喷射式模压铸造似乎超过了当前的技术能力和大多数热室模压铸造商的财务能力。
发明内容
本发明是基于这样的事实，即直接喷射式模压铸造所表现出的大部分优点都可以采用对当前模具结构作很小改动的办法来实现，无需改变热室压铸机的总体布置，而只要采用被加热的直浇口通道它带有大体上是传统形式的横浇口通道，以及采用有一定弯曲形状的能将直浇口通道连接到横浇口通道的过渡通道就可以实现这一目标。可以控制直浇口通道的温度，以保证金属熔液在每次压射后能从直浇口通道回流；同时应对过渡通道的温度做出适当安排，使得金属熔液的凝固过程正好在其中发生。如果模具的分型面将过渡通道包括在内，由此形成的铸件(与横浇口铸体为一体)就可以用通常的方式与横浇口铸体一起取出。采用可分开的装配式模具镶块来确定过渡通道，可以使得对该通道的温度控制不受直浇口镶块和模具温度的影响。一种较好的模具镶块方案是在固定模块中的直浇口体部镶块，而另一模具镶块则优选为在移动模块中的与其相对置的、配合在一起的需要冷却的直浇口头部镶块。
这种“无直浇口”模压铸造技术可以在模具设计改动量最小的情况下省略掉直浇口铸体的产生、回收和重新熔化等过程(也能够达到直接喷射系统节约的最高水平)，而且无需改变机床的布置，也不需要使用容易发生故障的带有阀门的喷嘴。此外，采用热直浇口镶块可以使模具中的金属熔液流动路径成为最佳的液流通道，而无需对截面作任何突然的改变。事实上，锥度平缓且均匀的通道在直浇口通道的进出口之间已经形成，这就使得熔液能够被不断地和平稳地加速。显然，这样一来，使直浇口通道呈倒锥形以便于抽出直浇口铸体的需求已不存在，因而可以取消。
通常，直浇口通道大体上是按水平方向在固定模块中延伸，因此它与模具的分型面及固定模块的背面(按传统的模式)相垂直，而过渡通道将以弯曲大约90°的平滑曲线形式从直浇口通道延伸到横浇口通道。但是，直浇口和/或模具分型面可以有不同的取向，因此过渡通道曲线的延伸方向可能不是弯曲90°，虽然这种情况是比较少见的。正如已经指出的，过渡通道的横断面按锥面形式平滑和均匀地减小，因此，当金属熔液沿着这条弯曲的过渡通道流入横浇口通道期间将被加速。
确定部分过渡通道的移动模块中的镶块优选具有自身的冷却方法(例如供应循环冷却液)，因此它的温度可以独立于移动模块的其他部分单独进行调节，以确保熔液在过渡通道中不会凝固。为此目的，希望在镶块包括温度传感器装置，可以利用它实现自动调节。类似地，希望在固定模块中的直浇口镶块包括温度传感器装置以使其保持足够高的温度，以确保在每次压射后熔液能够回流。
很明显，确定过渡通道所需的配合安装模具镶块对于一般模压铸造工装制造者来说都是很熟悉的。将直浇口通道和过渡通道的温度设定到合适的数值，以便分别保证压射后熔液能够回流和不凝固的操作步骤也是一般机床操作者能够胜任的。除了需要安装模具镶块以外，本发明采用的方法将不会对正常的工装设计和铸机操作产生影响。通常使用的型腔镶块和取出机构仍可以使用。例如，在一套模具组合中有多于一个型腔的情况下，分支的或辐射的过渡通道可以在模具镶块中形成，以便使直浇口通道与各横浇口通道相连接。
下面你将看到本发明所涉及到的模块铸造工艺中的模压铸造方法、模压铸造设备和模具镶块的一些实例。
附图说明
为了阐明本发明的特征，下面将参照附图对两个实例加以说明。然而，对于熟悉本专业的人士来说，他们应能理解的是，在不偏离由 所规定的本发明的范围和基本精神的前提下，对所选取的实例作若干变动和改进是允许的。
图l是一个典型的现有技术热室模压铸造机的局部剖视图。
图2是一个说明工作原理的剖视图，它展示了一个按照本发明第一实例制造的带有直浇口镶块的典型模压铸机的模具组合。
图3是图2的局部放大视图。
图4是图2中按III-III线剖开的模具组合的局部放大视图。
图5是图2和图4所示直浇口体部镶嵌块的透视图。
图6是图2，3和4所示的直浇口头部镶块的透视图。
图7是一个模具组合的剖示图，它有一个直浇口和一个直浇口头部镶块，并形成两条反向的横浇口进料通道。
具体实施方式
图2-4是传统模压铸造机100的局部剖视图。图中模具组合102是闭合的，它安装在固定型板104和移动型板106之间。模具组合102包括一块紧固在固定型板104上的固定背板108(它们之间还放置了隔热板109)和一块紧固在移动型板106上的移动背板110。固定模块112紧固在固定背板108上，移动模块114紧固在移动背板110上。面115是模块112和114之间的分型面。模板框116被紧固在移动背板110的各侧，从而可将移动型板106的力通过顶杆框组件(ejector assembly)118传递到移动模块114上。顶杆框组件118包括一对顶杆支承板120a和120b，其上固定着一套4根顶杆122和1根横浇口顶杆124的头部。
型腔126形成在定位于固定模块112上的固定型腔镶块128的表面与定位于移动模块114上的移动型腔镶块130的表面之间。固定型腔镶块128上有一条冷却通道132(图中用虚线表示)与模块112上的流体接头134相连接；移动型腔镶块130上也有一条冷却通道136(图中用虚线表示)与模块114上的流体接头138相连接。横浇口通道140a形成在模具镶块128和130之间并与形成在模块112和114之间的横浇口通道140b相连接。横浇口通道140a通过一个或多个出口142与型腔126相连。在模具组合闭合时(如图2和4所示)，一次压射使金属熔液沿着横浇口通道140进入到型腔126中并形成产品铸件和横浇口铸件。此后，移动型板106、背板110、模板框116、模块114和模具镶块130从模具组合的固定部分抽回，而顶杆框组件118则保持静止。模块114沿顶杆122和124滑动并将形成在型腔126和横浇口通道140中的产品铸件和横浇口铸件一起抽出。
从以上说明可以看出，这里的模具组合102完全是传统型式的，它与已经广泛应用在热室模压铸造工业中的典型的模具型式没有什么差别。
现参照局部放大剖视图3和放大了的平面图4对第一实例的热直浇口系统作进一步说明。该系统包含一个安装在固定背板108和固定模块112上的圆筒形直浇口体部镶块150和一个与其对置配合的、固定在移动模块114上的圆柱形直浇口头部镶块152。镶块150和152是同轴的，它们的共同轴线154与分型面115相垂直。直浇口体部镶块150的中心有一个带锥度的直浇口通道156，它的横断面从外端156a到内端156b逐渐变窄。镶块150和152的内端在分型面115处相配合并确定了呈90°弯曲的过渡通道158，它将直浇口通道156和横浇口通道140连接起来。过渡通道158的分型线用160表示。过渡通道158和横浇口通道140两者的横断面向着出口142方向最好是逐渐变窄。
直浇口体部镶块150的外部呈圆柱形，电加热元件环绕在其外围，它通过导线164获得电能。镶块150有一个磨菇状的头部164并带有外凹穴166，该凹穴166成为模压铸机100的加热喷嘴168(见图2)的插座；镶块150通过其内裙部170在固定模块112上定位。销钉171从裙部170径向延伸，并定位在固定模块112的槽172中，环形垫片173将镶块与模块112分隔开，从而保证直浇口体部镶块150的内端与头部镶块152的内端沿着分型线很好地配合。一个热电偶温度传感器174被埋入体部镶块150中，通过导线176与合适的温度测量仪和控制设备(图中未表示出)相连接。加热元件的导线164和传感器的导线176穿过裙部170上的槽178向外引出(也可参见图5)。体部镶块150用环形压板180定位，压板用螺栓182固定在背板108上。镶块150的内端184紧贴在模块112上，因此金属熔液不会从过渡通道158泄漏到模块112的容纳直浇口镶块150的空间186中。
通过特别关注图5可以看出(图中未表示出电加热元件162以及导线164和176)，体部镶块150的内端184有一个部分锥形座190，它的一侧形成了弯曲过渡通道158的一半(见图5中158a所指部位，并参见图4)。一个凸形弯曲凸肩192形成在半通道158a与座184的内壁之间的半通道158a的每一侧。
参见图3，4和6，可以看出，在直浇口头部镶块152的内端有一个部分锥形衬套194，它的形状应能插入到体部镶块150的座192中。衬套194的一侧被切去，从而在弯曲槽158b的任一侧上形成一对凸形弯曲的凸肩196，弯曲槽158b形成了过渡通道158的一半。凸肩196与直浇口体部镶块150上的互补凸肩192紧靠在一起。一个有中央导流板的冷却通道198形成在镶块152中，该通道与形成在移动模块114中的冷却液通道200相连接。温度传感器202埋设在镶块152中，它的导线204穿过模块114连接到一个温度控制器(图中未表示)，该控制器可以调节流过通道198和202的冷却液流量。最后，直浇口头部镶块152在模块114中的座内的转角定位是由键206(见图3)来实现的。(温度传感器导线和冷却通道在图6中未表示出来)。
一旦直浇口镶块150和152被安装到它们各自的模块中后，模压铸机100就可以用如前所述的传统方式运行，只是直浇口镶块被调节到保证每次压射结束后：(1)使残留在直浇口通道156中的金属熔液有充分的流动性，能迅速返回到喷嘴168中；(2)使横浇口的凝固点发生在过渡通道158中。在每次压射结束后，模块组合102中的运动零件将从与固定零件相接合的位置上被抽回，于是产品铸件被顶杆122从型腔126中抽出，而横浇口通道和过渡通道的铸体则借助顶杆124的力量从各自的通道140和158中被抽出。
图7表示了按照本发明制成的热直浇口系统的第二实例。与第一实例相似，模具组合包括一块固定背板108、隔热板109、固定模块112和移动模块114。然而，在本实例中，采用了两对模具镶块250和252，分别由横浇口通道254和256进给。在该实施例中，直浇口体部镶块258有一个锥形的中心直浇口通道260，它的形成、定位和夹紧与前述第一实例相同，其不同之处在于，它的内端被分成了两部分，形成了一对互相对置的、弯曲的半过渡通道262和264，它们与各自的横浇口通道254和256相连接。类似地，直浇口头部镶块266也被分成了两部分，形成两个互相对置的、弯曲的半过渡通道268和270，它们分别与横浇口通道254和256相连接，并分别与直浇口体部镶块258中的半过渡通道262和264配合。与前例相同，体部镶块258具有一个加热元件272，头部镶块266有一条冷却通道274。在本例中，两根顶杆销276和278可用来在每次压射结束后、模具分开时确保将形成在每个过渡通道中的铸体有力地推出。
通过以上的说明可以很明显地看出，这种“无直浇口”的模压铸造方法可以很容易地被引入到标准热室模压铸机的运行中，对于工装制造者、铸机的调整设置者和操作者也只需要普通的技能要求。调整工只需要完成非常简单的调整和设置程序。但是，这种“无直浇口”模压铸造的经济利益却是十分明显的。
正如前面已经指出的，在不偏离本发明范围的前提下，作多种改变和改进都是允许的。例如，只要有利，就没有必要一定将直浇口通道和过渡通道像所述实例中那样做成锥形，非锥形的通道也能获得满意的效果。另外，也可以采用本行业中许多其他惯用的办法将直浇口镶块正确地安装和定位到它们各自的模块中。实例中揭示的一些方法可能并不适合所有的模具组合和工装制造工艺技术，但可以很容易地加以改变。例如，为了进行调节，调整垫片可以用在直浇口头部镶块上而不是(或者不仅仅是)用在体部镶块上。或者，一开始就给出了恰到好处的加工位置，因而无需使用垫片进行调整。类似地，对于直浇口体部的安装、定位和夹紧也可以根据具体情况选用最方便易行的方法。可以设想，在直浇口体部加热元件的外围再包上一层隔热材料，就能使散失到固定模块上的热量减至最小。事实上，对直浇口头部镶块也可以采用隔热措施，使其从移动模块得到的热量降至最低。另外，直浇口头部镶块可能并不需要隔热或者进行温度控制，因为移动模块的温度可以使头部镶块保持在一定的温度下，以保证在过渡通道中金属熔液不会凝固。