一种金属型模具

技术领域

本发明涉及模具成型技术领域，尤其涉及一种金属型模具。

背景技术

随着中国制造业水平的迅速发展，铸造铝合金现已广泛运用在航空航天、轨道交通、汽车等方面，模具是铝合金铸造的保证，对于铝合金铸造有重大意义。

然而传统模具在铸造过程中，存在着以下几大问题：(1)模具温度难以精准控制，容易受到操作人员、环境温度、空气湿度等诸多不确定因素的影响，导致浇铸的样品质量不稳定；(2)模具冷却速度无法调控，不能适应于不同铸造方法对冷却速率的要求，应用范围较窄；(3)模具没有温度测量系统，无法检测冷却速率曲线，无法实现智能化数据采集和数据分析。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种具有多种功能且铸造工件晶粒更细小，成分、组织更均匀的金属型模具。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种金属型模具，包括可开合的左模和右模、设于所述左模和/或所述右模内的测温装置、设于所述左模和/或右模外的加热模块和冷却模块、以及与所述测温装置、所述加热模块和所述冷却模块连接用于显示三者的数据并控制三者动作的可视化控制器，所述左模和所述右模内形成模腔，所述测温装置用于测量所述模腔内的温度，所述冷却模块和加热模块铺设于所述左模和/或右模外表用于根据所述测温装置的测量数据给所述左模和所述右模降温与预热。

优选的，所述冷却模块包括散热板、布设于所述散热板内的冷却管、固定于所述散热板外的膨胀定位柱、以及设于所述膨胀定位柱内的热收缩弹珠，所述散热板的侧面固定连接有与所述冷却管相连通的出入流管，所述散热板通过所述膨胀定位柱固定于所述左模和/或所述右模外部，所述热收缩弹珠受热使所述膨胀定位柱胀大。

优选的，所述冷却管呈蜂窝状、三角形或者四边形式中的一种。

优选的，所述加热模块包括加热板、布设于加热板内的微波发生器、超导热层和导热片、将所述微波发生器、所述超导热层和所述导热片包围的金属防护网和外壳。

优选的，所述加热模块还包括紧固装置，所述紧固装置包括锥形杆、放置锥形杆中的弹簧、与所述锥形杆末端连接的膨胀头、与所述锥形杆另一末端连接的按压帽、设于所述锥形杆上的棘轮机构，所述棘轮机构将的锥形杆推入模具外孔中实现自锁，使膨胀头深入并膨胀在模具外孔中，将所述加热板通过所述紧固装置固定于所述左模和/或所述右模外部。

优选的，所述超导热层采用石墨烯材料制成。

优选的，所述冷却模块和加热模块分别为两个，两个所述冷却装置分别对称设置于所述左模和所述右模外。

优选的，所述测温装置包括温度传感器和弹簧，所述弹簧的一端固定在所述左模或右模上，所述弹簧的另一端外伸于所述左模或所述右模，所述左模或所述右模上与所述弹簧相对应的位置开设有盲孔，所述左模和所述右模合拢时，所述弹簧插设于所述盲孔内。

优选的，还包括滑移驱动装置，所述滑移驱动装置包括驱动器、丝杆、螺母以及压力检测元件，所述压力检测元件设置于所述左模和/或所述右模，所述螺母固定于所述左模或者所述右模上，所述丝杆穿过所述左模或者所述右模并套接于所述螺母内，所述驱动器带动所述丝杆旋转以使所述左模或者所述右模移动，所述压力检测元件和所述驱动器均与所述可视化控制器相连接，所述压力检测元件将数据传递给所述可视化控制器，所述可视化控制器根据所述压力检测元件所反馈的数据控制所述驱动器动作。

优选的，所述驱动器为步进电机；所述压力检测元件为多个，多个所述压力检测元件分布于所述左模或所述右模的四个边角处且远离所述模腔设置。

优选的，所述热收缩弹珠采用锌合金或者锡合金制成；所述膨胀定位柱采用铝合金制成。

优选的，所述滑移驱动装置为两个，分别对称设置于所述左模和所述右模上。

本发明实施例提供的金属型模具的有益效果在于：

(1)通过测温装置测量所述模腔内的温度以实时检测模具内的温度，并将数据传递给所述可视化控制器，可清晰地知道模具内部温度数值，不仅能帮助工作人员了解模具内部温度数值的变化，而且铺设于所述左模和/右模外表的所述冷却模块可根据所述测温装置的检测数据，实现对整个模具的快速均匀降温，减少铸件缩孔、疏松等缺陷，与传统模具相比，所得到的铸件的晶粒更细小，成分、组织更均匀，避免了传统技术中模具冷却过程中模具冷却温度不均匀，可能导致裂纹、偏析等铸造缺陷；

(2)通过加热模块根据所述测温装置所检测的温度给所述左模和所述右模加热以实现预热，使模具在浇铸前达到预设的温度，减少铸件由于冷却不均匀造成的缩孔疏松等影响；

(3)可视化控制器根据所述测温装置、所述加热模块和所述冷却装置所显示的数据来实时控制并了解产品成型过程的参数，做更进一步的分析。

附图说明

图1为本发明提供的金属型模具的结构示意图；

图2为图1所示的左模或者右模的结构示意图；

图3为图1所示的散热板的结构示意图；

图4为加热模块的结构示意图；

图5为加热模块的内部结构示意图；

图6为现有模具所铸造成型的工件图；

图7为利用本发明提供的金属型模具所铸造成型的工件；

图8为现有模具所铸造成型的工件在显微镜下的放大图；

图9为利用本发明提供的金属型模具所铸造成型的工件在显微镜下的放大图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出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。

请参阅图1-图9。该金属型模具用于铸造成型铝合金等金属工件，所述金属型模具包括可开合的左模6和右模5、设于所述左模6和/或所述右模5内的测温装置、设于所述左模6和/或右模5外的加热模块和冷却模块7、以及与所述测温装置、所述加热模块和所述冷却模块9连接用于显示所述测温装置、所述加热模块和所述冷却模块9的数据并控制所述测温装置、所述加热模块和所述冷却模块9动作的可视化控制器9。所述可视化控制器9根据所述测温装置、所述加热模块和所述冷却装置7所显示的数据来实时控制并了解产品成型过程的参数，并可根据参数做更进一步的分析。添加了各类智能化功能，操作过程简便易行、自动化程度高、数据可视化程度高，获得的铸件缺陷明显减少。

所述左模6和所述右模5内形成模腔14，铝合金溶液从浇注口8注入所述模腔14内，成型后为加工工件。所述左模6和所述右模5为两个可分离和合拢的模具。

所述测温装置用于测量所述模腔14内的温度，优选的，所述测温装置设于所述左模6或者所述右模5上。具体的，所述测温装置包括与所述可视化控制器9连接的温度传感器13、以及固定在两模具相对的一侧的弹簧12。所述弹簧12的一端固定在所述左模6或所述右模5上，所述弹簧12的另一端外伸于所述左模6或所述右模5，所述左模6或所述右模5上与所述弹簧12相对应的位置开设有盲孔，所述左模6和所述右模5合拢时，所述弹簧12插设于所述盲孔内。

具体的，在本实施例中，所述测温装置设置有四个，所述温度传感器13分别缠绕在所述左模6的所述弹簧12上，分别对称地分布于浇铸流速最大处旁和浇铸流动末端处旁。合模时，所述温度传感器13会接触所述右模12的所述盲孔，由所述温度传感器13接触感受所述模腔12内的温度，实时监测模具的温度并将温度显示在可视化控制器9上。在浇铸时，四个温度传感器13的温度值相差小于或等于3℃，确保浇铸过程模具温度的一致性。进一步地，所述温度传感器13为热电偶、热敏电阻或者热电阻中的一种。所述温度传感器13的材料主要包括绝缘材料、保护管和接线盒、热电极和氧化铜等，要求温度传感器13的测温范围为0-1100℃，测温误差小于0.1℃，直径在0.5mm～8.0mm。

所述加热模块用于给所述左模6和所述右模5加热以给其预热。所述加热模块包括加热板21、布设于加热板21内的微波发生器29、超导热层30和导热片31、将微波发生器29、超导热层30和导热片31所包围的金属防护网28和外壳27、以及固定于所述加热板21上的紧固装置。具体的，所述超导热层30采用石墨烯制成，所述导热片为铜片。所述加热板21通过石墨烯吸收微波发生器所产生的微波，将石墨烯整体作为一温度均匀的热源，将热以铜片为介质传输至模具，所述加热板21通过所述紧固装置固定于所述左模和/或所述右模外部。所述微波发生器29与所述可视化控制器连接，所述可视化控制器9控制所述加热模块的启停。

将所述加热板21通过所述紧固装置固定于所述左模和/或所述右模外部，实现对模具快速准确预热，使模具在浇铸前达到预设的温度，从而使模具内的温度提高以接近溶液的温度，这样可以减少铸件缩孔、疏松等缺陷。进一步，为保证加工模具的快速准确预热，选择以超导热石墨烯材料吸收微波发生器散发的微波，将热以热导系数大的铜片为介质传输至模具。

所述紧固装置包括锥形杆22、放置于所述锥形杆22中的弹簧25、与所述锥形杆末端连接的膨胀头23、与所述锥形杆22另一末端连接的按压帽26、以及设于所述锥形杆22上的棘轮机构24，当所述膨胀头23深入至所述左模和/或所述右模外孔中时，按压所述锥形杆22末端的按压帽26，推动帽棘轮机构24旋转并使推入的锥形杆22实现自锁，从而锥形杆22的锥形部位向前推进将膨胀头23胀大，将所述加热板21固定于所述左模和/或所述右模外部。再次按压锥形杆22末端的按压帽后，在弹簧25的作用下，棘轮机构24与锥形杆22复原，所述左模和/或所述右模外部的加热板21掉落，装拆方便。

需要提出的是，所述加热模块中的超导热层30不限于石墨烯材料，可为任意能吸收微波且导热率良好的材料。所述导热片不限于铜片，可为任意能反射微波且导热率良好的材料。

所述冷却模块9铺设于所述左模6和/或右模5外表用于给所述模具所述左模6和所述右模5降温。

所述冷却装置9包括散热板19、布设于所述散热板19内的冷却管20、固定于所述散热板外的膨胀定位柱19以及设于所述膨胀定位柱19内的热收缩弹珠18，所述散热板21的侧面固定连接有与所述冷却管18相连通的出入流管17，所述散热板19通过所述膨胀定位柱17固定于所述左模6和/或所述右模5外部，所述热收缩弹珠16受热使所述膨胀定位柱17胀大。散热板19的固定由散热板19上的膨胀定位柱17压入模具中，使散热板19完全贴合于整个模具外壁表面，实现对整个模具的快速均匀降温，减少铸件由于冷却不均匀造成的缩孔疏松等影响。当模具温度提高时，膨胀定位柱17内部的热收缩弹珠18受热增大，使膨胀定位柱17膨胀贴紧模具开孔内壁，起到对散热板19的固定。当散热板完成对所述左模和/或所述右模的冷却工作后，热收缩弹珠16复原，可将散热板轻松取下。热收缩弹珠16的材料可选用锌合金、锡合金等热膨胀系数大的合金金属，膨胀定位柱17的材料可选用铝合金等弹性模量较大的合金金属。

具体的，在本实施例中，所述冷却管18呈蜂窝状、三角形或者四边形式中的一种。

所述出入流管15包括冷却介质的进管和出管，进管和出管分别设于所述散热板19的相对两侧。进管和出管上安装有用于控制所述进管和所述出管通断的控制阀。

所述冷却装置7为两个，两个所述冷却装置7分别对称设置于所述左模6和所述右模5外。冷却管18为圆管或方管，具体尺寸可根据模具不同而选择。排布方式采用交叉密排，管道与管道留有间隙，冷却管18的布设形状呈蜂窝式、三角形式、四边形式等多边形，更利于散热。冷却管18的材质由铜片等高导热材料制成，在其中通以冷却介质，在冷却管18的上方紧贴有高导热散热板，将模具浇筑过程产生的热量通过此散热板传输至冷却介质，通过对流换热的方式由冷却介质将热量带走。其中冷却介质可通过冷却速率的不同来选择，由冷却介质入口排入，由冷却介质出口排出。具体的，在本实施例中，冷却介质为水。

另一实施例中，所述金属型模具还包括滑移驱动装置，所述滑移驱动装置包括驱动器1、丝杆4、螺母3以及压力检测元件，所述压力检测元件设置于所述左模6和/或所述右模5，所述螺母3固定于所述左模6或者所述右模5上，所述丝杆4穿过所述左模6或者所述右模5上所开设的安装孔10并套接于所述螺母3内，所述驱动器1带动所述丝杆4旋转以使所述左模6或者所述右模5移动，所述压力检测元件和所述驱动器1均与所述可视化控制器9相连接，所述压力检测元件将数据传递给所述可视化控制器9，所述可视化控制器11根据所述压力检测元件所反馈的数据控制所述驱动器1动作。所述滑移驱动装置通过控制丝杆4的转动来控制左模6和右模5的开合，模具的开合稳定、简便易行，显著降低了研究人员的劳动强度和后续的加工成本，提高了生产效率和成材率，避免了传统技术中以气缸为动力源，配合楔形机构对模具进行夹紧的缺陷。传统技术中的楔形块是利用摩擦力来实现自锁，夹紧力不大，效率低，零件表面要求质量较高，使得装置的使用范围有限，且当气缸在推动活塞运动时，平稳性较差，工作速度受外负载变化影响大，难以控制，在操作场地也会产生较大的噪音，不利于操作人员工作。

所述驱动器1为步进电机；所述步进电机通过底座2固定在两模具的外壁上，所述步进电机为两个，步进电机的底座2将步进电机镜像固定在左、右两模具的上下斜对角处，步进电机驱动丝杆4，从而使固定在模具上的螺母3带动两模具往相对或相反方向精准传动，从而实现两个模具的开合。进一步，由丝杆4的自锁原理将此机构实现的预紧力稳定维持，确保浇铸过程的安全性以步进电机为源动力，驱动器驱动丝杆4旋转，使固定在所述左模6和所述右模5上的螺母3带动所述左模6和所述右模5分别往相同或相反方向精准传动，以实现所述左模6和所述右模5的合拢、分离，其中，由丝杆4的自锁原理将预紧力稳定维持，而预紧力的准确数值由所述压力检测元件所测得。所述压力检测元件将测得的数据传输给所述可视化控制器9，所述可视化控制器9根据压力值控制所述驱动器1的启停。

需要提出的是，通过丝杆4的自锁原理将模具实现的预紧力稳定维持，确保浇铸过程的安全性，更加可靠。

需要说明的是，为使预紧力能准确控制，采用的是可控制的步进电机进行带动，步进电机体积小可直接控制，无需其他的感应器，其结构简单、工作可靠、价格低廉、维护方便；传动转矩也比较大，噪声小，在室内使用比较环保。进一步，为满足设计任务中铝合金拉伸试样开模与合模要求，满足电机静转矩K不小于20N·m，丝杆4的扭矩不小于10N·m，丝杆4直径d不小于10mm。由公式T＝K·F·d可得，两模具之间的理论预紧力T不会小于4500N。

具体的，所述压力检测元件为多个。优选的，所述压力检测元件为四个，四个所述压力检测元件分布于所述左模6或所述右模5的四个边角处且远离所述模腔14设置。优选的，在本实施例中，所述压力检测装置放置在铝合金铸造左模6与铝合金铸造右模5的合模处，当合模时，模具内壁压紧压力检测装置，用以评定两模的密封程度；压力检测装置与压力控制电路连接，压力传感器将丝杆4机构所精准控制的预紧力及时反馈传输给控制器9，控制器9将模拟量转换为数字量，当该数字量到达工程师所指定的预紧力后，再将数字量转换为模拟量传输至步进电机，步进电机将停止转动。进一步，工程师可实时观测浇铸过程中模具压力数值的变化，可有效帮助工程师了解产品成型质量，并实现自动化合模过程。

具体的，在本实施例中，所述热收缩弹珠16采用锌合金或者锡合金制成，锌合金或锡合金在受到温度升高的情况下发生膨胀，使整个体积增大，若干所述热收缩弹珠16的体积增大而胀大所述膨胀定位柱16的体积。

具体的，在本实施例中，所述膨胀定位柱17采用铝合金制成。同理，铝合金制成的膨胀定位柱17在受热的情况下可产生膨胀并与所述热收缩弹珠16一并膨胀，从而与所述左模6和所述右模5形成固定。

具体的，所述滑移驱动装置为两个，分别对称设置于所述左模6和所述右模5的两个对角出。

金属型模具的使用方法为：①准备、②设定参数、③浇铸、④完成。提前制备好所需模具浇铸的铝合金金属熔融液，将所述左模6和所述右模5内壁刷好涂料，让所述丝杆4稍微旋入至所述螺母3内，将所述冷却管内提前通满冷却介质，并启动加热模块对所述左模6和所述右模5加热，放置在水平平面上静置一段时间等待涂料的干燥；干燥完成后，将所述加热板对准所述左模和/或所述右模上外孔，按压所述锥形杆末端的按压帽，实现对所述加热板的固定；之后所述可视化控制器9上设定预紧力(0-500N)、模具预热温度(0-200℃)、模具开模温度(10℃-60℃)等金属型模具的相关参数，将设置后的模具相关参数输入程序后，按动可视化控制器9，步进电机启动，步进电机带动丝杆4旋转，固定在所述左模6和所述右模5上的所述螺母3随模具一起相对精密运动，使所述左模6和所述右模5结合到达由所述压力检测装置所指定的预紧力后，丝杆4的自锁现象保持该预紧力。之后由加热模块加热、测温装置检测温度，两者共同作用实现对模具的快速准确预热。预热完成后，与所述可视化控制器9连接电脑将会提示可进行模具浇铸，再次按压所述锥形杆末端的按压帽，对所述加热板解除，换至所述冷却板，操作方式如上。操作人员将提前准备好的铝合金熔融液浇铸从浇注口8倒至所述模腔14内，通常铝合金的浇铸温度范围为690℃-800℃，测温装置检测到模具温度的快速升高，冷却管道18的控制阀打开，实现对模具的精准降温。当模具冷却到模具开模温度时，可视化控制器9根据测温装置所反馈的数据控制步进电机再次运作，所述左模6和所述右模5开始往彼此相远离的方向运动，实现自动化开模，取出浇铸件，完成模具浇铸过程。

本发明制造了一个铝合金铸造材料为A1-0.2Fe+0.2Ce的铝合金拉伸试样模具为具体实施例。模具外壁形状为300mm*100mm*260mm的长方体，模具内腔所浇铸的铝合金拉伸试样总长为172mm，夹紧端长度为38mm、直径为φ20mm，拉升区间长度为96mm、直径为13mm，一次能铸造两个铝合金拉伸试样。在模具中，设置测温传感器为K型热电偶测温线，型号为2*1.5，材料为铁氟龙，测量温度范围为0-1100℃，正极为镍硅，负极为镍铬。冷却介质为水，冷却管道20为方形铜管，管道宽为6mm，高为25mm，间隔15mm，最小紊流速度为0.963m/s，冷却速率不小于为300℃/s。首先在计算机上设置指定预紧力500N、模具预热温度200℃、模具开模温度50℃，之后完全由程序自主运行：由可视化控制器9启动步进电机，步进电机带动丝杆4旋转，固定在模具上的螺母3随模具一起相对精密运动，使两模结合到达由压力检测装置所指定的预紧力500N，丝杆4的自锁现象保持该预紧力；将制备的A1-0.2Fe+0.2Ce合金金属熔融液倒入模具，温度传感器13检测到模具温度的快速升高，冷却介质控制阀打开，实现对模具的精准降温。当冷却到达模具开模温度50℃，步进电机再次运作，两模具开始往相反方向运动，实现自动化开模。此过程便为铝合金金属型智能模具的使用方法，完成了对模具温度和冷却速度的精准控制，完全省去了人工开合模和取样过程。

将本发明所制得的铝合金拉伸试样，在同等铸造条件下，与传统模具所制得的铝合金拉伸试样相相比较。外观如所述图6、图7，本发明所制得的拉伸试样外表更光滑洁净，无夹杂、气孔、裂纹等铸造缺陷产生；进一步，对所述两种拉伸试样制得金相照片，如所述图8、图9，本发明所得到的铸件的晶粒更细小，成分、组织更均匀，无偏析、孔洞等铸造缺陷产生。

本发明实施例提供的金属型模具的有益效果在于：

(1)通过测温装置测量所述模腔内的温度以实时检测模具内的温度，并将数据传递给所述可视化控制器，可清晰地知道模具内部温度数值，不仅能帮助工作人员了解模具内部温度数值的变化，而且铺设于所述左模和/右模外表的所述冷却模块和加热模块可根据所述测温装置的检测数据，实现对整个工件成型后模具的快速均匀降温与预热，减少铸件缩孔、疏松等缺陷，与传统模具相比，所得到的铸件的晶粒更细小，成分、组织更均匀，避免了传统技术中模具冷却过程中，模具冷却温度不均匀，可能导致裂纹、偏析等铸造缺陷；

(2)通过加热模块根据所述测温装置所检测的温度给所述左模和所述右模加热以实现预热，使模具在浇铸前达到预设的温度，减少铸件由于冷却不均匀造成的缩孔疏松等影响；

(3)可视化控制器根据所述测温装置、所述加热模块和所述冷却模块所显示的数据来实时控制并了解产品成型过程的参数，做更进一步的分析。

(4)本发明提出了两种新型的加热模块与冷却模块，加热与冷却时快速均匀，可固定于其他模具上与各类场合中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。