一种采用金属型铸造高硅碳比铸铁件的装置及方法与流程

本发明属于铸造，具体涉及一种采用金属型铸造高硅碳比铸铁件的装置及方法。

背景技术：

1、在铸造行业中，灰铸铁因其优良的铸造性能、良好的减震性及低成本，被广泛应用于机床床身、发动机缸体、车床卡盘等各类机械零部件的制造。其中，ht300作为一种典型的珠光体基体灰铸铁，具有较高的强度要求，其传统的生产方式多采用湿型砂铸造或树脂砂铸造等砂型铸造工艺。

2、随着制造业对铸件品质要求的不断提高，传统的砂型铸造逐渐暴露出一些局限性：

3、铸件精度与表面质量受限，普通砂型铸造受型砂紧实度、水分含量及环境湿度影响较大，铸件表面粗糙度较高，尺寸精度难以控制，且易产生夹砂、气孔等缺陷。

4、内部致密度不足，砂型刚度相对较低，在铁水凝固过程中易发生型壁迁移（胀砂），导致铸件产生缩孔、缩松等内部缺陷，影响铸件的力学性能和使用寿命。

5、生产效率与环保问题，传统砂型铸造工序繁杂，造型、落砂等环节劳动强度大，且产生的粉尘和废砂对环境造成较大压力。

6、而铁型覆砂铸造是一种复合型铸造工艺，其原理是在金属型（铁型）内腔覆上一层薄砂，形成高强度型腔后进行浇注成型。该工艺通常采用热固化的成品覆膜砂，铸型初期需电加热至200-250℃，后续生产则主要利用浇注后铁型的余热维持温度，铁型覆砂铸造集合了金属型铸造和壳型铸造的优点，能够显著提高铸件的表面质量及内在质量，同时简化生产工序、节约生产成本。

7、中国专利cn112427618b公开了一种具有加热机构的压铸模具，包括底端支架、固定模具和蒸汽发生器，所述底端支架远离固定模具的一端活动设置有活动模具，所述活动模具内部设置有加热机构，所述加热机构包括侧边换热管和涡旋换热盘，通过设置侧边换热管和涡旋换热盘，在多次压铸操作的前几次压铸过程中，对活动模具进行快速加热，进而使得在压铸模具生产铸件的前期，通过加热回流将活动模具进行加热，有效抑制生产前期由于模具较冷使得金属熔融液快速凝固，堵塞铸件通路，防止因通路阻塞造成的铸件不符合要求；但是该压铸模具的加热机构缺乏针对浇道区域的局部强化加热手段，导致厚大部位与浇道区域温度场分布不均，极易引起铸件缩松或浇道过早堵塞，难以满足ht300级铸件的高致密度要求，导致铸件内部缩松倾向难以有效消除。

8、同时，中国专利cn120115645a公开了一种具有加热机构的压铸模具，包括底座，所述底座的上端设置有机架，且机架的一侧安装有合模组件，所述机架的顶端设置有横板，且横板的一侧设置有对接组件，所述合模组件的一侧安装有模具组件，且模具组件的内部安装有辅助紧固组件。该一种铁型覆砂铸造用的模具组件通过合模组件和对接组件，控制第一模具和第二模具相互靠近的同时，精准把握时机启动辅助紧固组件，显著提高了装置的自动化程度，通过辅助紧固组件，实现第一模具与第二模具稳定地贴合在一起，提高结构的稳定性，增强模具在铸造过程中的稳定性，防止模具在高压铸造过程中出现缝隙或位移，提高铸件的精度和质量；但是该压铸模具合模组件采用刚性水平开合模方式，上模座始终保持水平姿态，在覆砂造型工序中，覆膜砂的清理残留与射砂吹入操作均需人工介入或外接复杂工装，覆砂层残余清理不彻底易导致覆砂厚度不均，且水平姿态下覆膜砂的流动性受限，射砂死角难以避免，覆砂效率低下；同时，合模过程中缺乏对覆砂层的减震保护，刚性冲击易损伤已覆砂层的完整性，影响铸件成型质量。

9、综上，现有技术的铁型覆砂铸造装置在加热控制缺乏对浇道区域的局部强化加热手段，导致厚大部位与浇道区域温度场分布不均，无法为高硅碳比ht300铸铁的石墨化膨胀自补缩提供可靠的温度场环境；在合模机构方面缺乏对覆砂层保护的减震导向设计，且上模座无法切换至竖直纵向状态，导致覆砂清理与吹入操作效率低下、覆砂质量不稳定；同时，现有技术均未涉及浇注系统主动封闭与防回流机制，无法在石墨化膨胀开始前有效切断内浇道，导致自补缩行为难以充分利用，铸件内部致密度不足。因此，我们提出了一种采用金属型铸造高硅碳比铸铁件的装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种采用金属型铸造高硅碳比铸铁件的装置及方法，其能实现铁型覆砂铸造过程中金属型腔与内浇道的均匀预热、浇道区域局部强化加热保温、石墨化膨胀阶段主浇口的精准封闭与防回流，以及上模座从水平向下到竖直纵向姿态的平稳切换与覆砂层保护，最终获得本体内部组织致密无缩松的高性能ht300级灰铸铁件。

2、本发明是这样实现的，一种采用金属型铸造高硅碳比铸铁件的装置，所述采用金属型铸造高硅碳比铸铁件的装置包括：

3、模座支撑组件，所述模座支撑组件包括两组对称设置的模支架；

4、铸造模具组件，安装在所述模支架上，包括上模座、下模座、金属型腔、覆砂层、浇注系统，所述上模座和下模座分别安装在模支架内，且金属型腔开设在上模座和下模座之间，金属型腔内壁表面预附着有覆砂层，浇注系统用于向金属型腔内浇注熔融金属；

5、覆砂加热机构，设置在下模座内，用于辅助覆膜砂铸型，并延长熔融金属补缩时间；

6、其中，所述覆砂加热机构包括独立加热槽、浇道加热槽、可调节加热部、浇道局部强化部、第一气泵和加热联动部，独立加热槽对应于金属型腔设置，浇道加热槽对应于内浇道设置，且独立加热槽与浇道加热槽导通，独立加热槽内设置有可调节加热部，浇道加热槽内设置有浇道局部强化部，加热联动部与可调节加热部连接，并连通有第一气泵。

7、优选地，所述浇注系统包括：

8、内浇道，开设在上模座、下模座中部，且内浇道分别与金属型腔导通；

9、主浇口，开设在上模座内，且主浇口与内浇道导通；

10、浇注冒口，周向开设在所述金属型腔内，且浇注冒口的一端贯穿所述上模座；

11、浇道主动封闭组件，设置在主浇口内，用于封闭所述主浇口，并避免石墨化膨胀阶段熔融金属回流。

12、优选地，所述浇道主动封闭组件包括：

13、第二气泵，固定嵌装在所述上模座内；

14、第一活塞座，固定安装在上模座内，且第一活塞座的一端与第二气泵导通，第一活塞座内滑动安装有第一活塞板，第一活塞板的一侧固定连接有第一复位弹簧；

15、第二活塞座，设置在第一活塞座的一侧，且第二活塞座内滑动安装有第二活塞板，第一活塞座与第二活塞座之间设置有第一推杆，第一推杆的两端分别与第一活塞板和第二活塞板固定连接，第二活塞座远离第一活塞座的一端通过防回流气管与主浇口导通；

16、联动封闭部，与所述第一推杆连接，受所述第一推杆驱动，并主动闭合所述主浇口。

17、优选地，所述联动封闭部包括：

18、封闭联动座，固定套设在所述第一推杆的外壁，封闭联动座内固定安装有联动驱动槽；

19、第一铰接座，设置在封闭联动座的一侧，且第一铰接座的一端与联动驱动槽滑动连接，第一铰接座固定安装在内驱动杆的端部；

20、第二铰接座，设置在封闭联动座的另一侧，且第二铰接座的一端也与联动驱动槽滑动连接，第二铰接座固定套设在外驱动套的端部，所述内驱动杆贯穿所述外驱动套，并与所述外驱动套转动连接；

21、第一封闭板，固定安装在内驱动杆的侧壁；

22、第二封闭板，固定安装在外驱动套的外壁，且第一封闭、第二封闭板用于同步封闭所述主浇口。

23、优选地，所述浇道局部强化部包括：

24、内集热杆，固定嵌装在所述浇道加热槽内；

25、热膨胀螺旋环，固定套设在所述内集热杆的外壁，以及

26、电加热套，均设有三组，分别固定套设在所述内集热杆的外壁；

27、所述可调节加热部包括：

28、第一齿轮，转动安装在独立加热槽的顶部，且第一齿轮的一侧插接于加热环承托架上；

29、加热环承托架，转动安装在所述独立加热槽内；

30、螺旋加热环，可拆卸安装在所述加热环承托架内，且螺旋加热环用于对独立加热槽加热，以及

31、弧形膨胀板，固定安装在所述独立加热槽的侧壁。

32、优选地，所述加热联动部包括：

33、联动齿条，滑动安装在下模座内，且联动齿条与第一齿轮之间啮合传动；

34、齿条驱动架，与联动齿条固定连接，且齿条驱动架与下模座滑动连接，齿条驱动架的一侧固定连接有第二推杆；

35、第三活塞座，固定嵌装在下模座内，且第三活塞座内滑动安装有第三活塞板，第三活塞板的一侧固定连接有第二复位弹簧，第三活塞板的另一侧与第二推杆连接，第三活塞座通过泵入导通管与第一气泵导通；

36、驱动滑杆，固定安装在齿条驱动架内，且驱动滑杆的两端贯穿滑杆承托座，滑杆承托座固定安装在下模座内，滑杆承托座内转动安装有加速摆臂，加速摆臂的一端固定连接有加速摆动弹簧，加速摆动弹簧的一端与驱动滑杆固定连接。

37、优选地，所述模座支撑组件还包括：

38、合模驱动部，设置在模支架内，所述合模驱动部包括合模电机、第二齿轮、第三齿轮和合模驱动杆，所述合模驱动杆转动安装在模支架内，第三齿轮固定套设在合模驱动杆的外壁，第二齿轮设置在第三齿轮的一侧，且第二齿轮与第三齿轮啮合传动，第二齿轮的一侧与合模电机固定连接，合模电机固定安装在模支架上；

39、合模联动部，对称设置在模支架内，且合模联动部分别与合模驱动部和上模座连接，合模联动部用于驱动所述上模座与下模座合模，并辅助上模座与下模座开模。

40、优选地，所述合模联动部包括：

41、模支座，固定安装在上模座的两侧，且模支座的侧壁分别固定安装有上铰接轴和下铰接轴；

42、y形导向滑槽，开设在所述模支架内，且上铰接轴和下铰接轴分别滑动嵌装在所述y形导向滑槽内；

43、上铰接杆，一端与合模驱动杆铰接，另一端铰接有下铰接杆，所述下铰接杆远离上铰接杆的一端与下铰接轴转动连接；

44、斜限位滑座，滑动嵌装在所述模支架的内壁，且斜限位滑座的一侧与模支座滑动连接，斜限位滑座的底部固定连接有弹簧伸缩杆，弹簧伸缩杆固定安装在所述模支架的表面。

45、另一方面，本发明还提供了一种采用金属型铸造高硅碳比铸铁件的方法，所述采用金属型铸造高硅碳比铸铁件的方法，包括：

46、s10，开启螺旋加热环，螺旋加热环启动对独立加热槽加热，使得独立加热槽将热量传递至对应的金属型腔内，金属型腔升温至200-250℃后保温，然后采用射芯机将流态覆膜砂吹入金属型腔，流态覆膜砂与金属型腔表面接触后固化1-2min，形成厚度为7-9mm的覆砂层；

47、s20，开启合模电机，合模电机正向转动带动第二齿轮转动，使得第二齿轮带动第三齿轮和合模驱动杆转动，合模驱动杆带动上铰接杆和下铰接杆摆动，从而使得下铰接杆带动下铰接轴在y形导向滑槽，并同步带动上铰接座沿y形导向滑槽滑动，从而使得上铰接轴、下铰接轴带动模支座运动，使得模支座带动上模座从纵向状态转换为水平向下状态，并与下模座合模，同时模支座挤压斜限位滑座，斜限位滑座挤压弹簧伸缩杆，使得弹簧伸缩杆对上模座减震保护；

48、s30，上模座与下模座合模完毕后，将熔融金属注入主浇口内，熔融金属经熔融金属进入内浇道和金属型腔内，同时开启第一气泵、电加热套和螺旋加热环，螺旋加热环启动对独立加热槽加热，使得独立加热槽将热量传递至对应的金属型腔内，同时电加热套对浇道加热槽加热，且热膨胀螺旋环和弧形膨胀板受热膨胀，使得独立加热槽和浇道加热槽压力增加，实现对金属型腔和内浇道的快速导热；

49、s40，第一气泵启动将气体泵入第三活塞座内，从而推动第三活塞板、第二推杆水平滑动，使得第二推杆带动齿条驱动架、联动齿条水平往复运动，联动齿条带动第一齿轮转动，使得第一齿轮带动螺旋加热环转动，从而加速独立加热槽与浇道加热槽热气流动，同时齿条驱动架移动能够带动驱动滑杆运动，使得加速摆臂在加速摆动弹簧作用下对驱动滑杆水平往复运动进行加速，进而加速独立加热槽与浇道加热槽热气流动；

50、s50，熔融金属充满金属型腔后，开启第二气泵，第二气泵带动第一活塞板、第二活塞板和第一推杆滑动，使得第二活塞板将第二活塞座内的气体泵入防回流气管中，然后从防回流气管进入主浇口，避免主浇口内熔融金属回流，同时第一推杆带动封闭联动座移动，使得封闭联动座同步带动第一铰接座、第二铰接座转动，第一铰接座带动内驱动杆和第一封闭板转动，第二铰接座带动外驱动套和第二封闭板转动，从而使得第一封闭板和第二封闭板封闭所述主浇口；

51、s60，主浇口封闭后通过浇注冒口进行液体补缩，熔融金属冷却凝固后，开启合模电机反向转动，合模电机带动第二齿轮转动，使得第二齿轮带动第三齿轮和合模驱动杆转动，合模驱动杆带动上铰接杆和下铰接杆摆动，从而使得下铰接杆带动下铰接轴在y形导向滑槽，并同步带动上铰接座沿y形导向滑槽滑动，从而使得上铰接轴、下铰接轴带动模支座运动，使得模支座带动上模座从水平向下状态转换为纵向状态，完成上模座和下模座的脱模。

52、优选地，所述熔融金属包括以下重量百分比的原料：c 3.0-3.1％，si 2.30-2.40％，mn 0.9-1.0％，s 0.06％-0.08％，p 0.08％，余量为fe。

53、本技术实施例主要有以下有益效果：

54、本发明实施例中，通过覆砂加热机构中独立加热槽与浇道加热槽的导通设计，配合可调节加热部与浇道局部强化部的协同工作，实现了金属型腔预热与内浇道局部强化加热保温的有机统一，有效延长了熔融金属在厚大部位与浇道区域的液态补缩时间，为高硅碳比ht300铸铁的石墨化膨胀自补缩提供了稳定可靠的温度场环境；同时，浇道主动封闭组件在第二气泵驱动下，通过第一活塞座、第二活塞座与联动封闭部的联动，在石墨化膨胀开始前精准封闭主浇口，并借助防回流气管形成气压屏障防止熔融金属回流，确保了自补缩行为的充分利用与铸件内部组织的致密性；此外，合模联动部通过y形导向滑槽、铰接杆机构与弹簧伸缩杆的配合，实现了上模座从水平向下状态到竖直纵向状态的平稳切换，既便于覆砂清理时残余覆膜砂在重力作用下彻底脱落，又利于射砂吹入时覆膜砂自上而下均匀流动无死角，还通过斜限位滑座与弹簧伸缩杆的减震保护有效避免了合模冲击对覆砂层完整性的损伤；覆砂加热机构、浇道主动封闭组件与合模联动部三者并非孤立运作，而是相互协同、相互支撑，通过覆砂加热机构、浇道主动封闭组件与合模联动部协同配合，覆砂加热机构为浇道主动封闭组件提供了充足的液态补缩时间窗口，浇道主动封闭组件为合模联动部切换姿态后的稳定成型创造了条件，合模联动部则通过提高覆砂效率与质量为加热机构的温度场均匀性奠定了基础，三者共同作用，最终获得本体内部组织致密无缩松的高性能铸件。

55、本发明实施例中，覆砂加热机构与浇道主动封闭组件均采用气动驱动，不仅简化了设备结构、提升了高温环境下的运行可靠性，且第一气泵输出的气压一方面通过泵入导通管进入第三活塞座，推动第三活塞板压缩第二复位弹簧并带动第二推杆水平滑动，进而驱动齿条驱动架、联动齿条往复运动，联动齿条带动第一齿轮转动使螺旋加热环旋转，加速独立加热槽与浇道加热槽之间的热气流动，同时齿条驱动架带动驱动滑杆在加速摆臂与加速摆动弹簧的协同作用下进一步加速往复运动，从而强化热气循环效率，实现金属型腔与内浇道区域的快速均匀预热；另一方面，该气动动力与浇道主动封闭组件的第二气泵形成同源协同机制，两者通过气压信号的同步控制，可在熔融金属充满金属型腔后由第二气泵立即启动主浇口封闭动作，而第一气泵则在预热阶段及浇注初期持续维持加热循环，两气泵的动作时序通过控制系统精确耦合，确保覆砂加热机构在补缩阶段持续提供热量、浇道主动封闭组件在石墨化膨胀开始前精准切断通道，气动动力的响应快速性与压力可控性使得温度场维持与浇注封闭两个关键动作无缝衔接，避免了因动力切换延迟导致的补缩时间不足或封闭时机滞后；此外，气动系统的工作介质为压缩空气，清洁环保且易于获取，与铁型覆砂铸造的高温环境相容性好，不会因液压油泄漏污染覆膜砂或铸件表面，同时气压驱动在断电情况下可通过蓄能器维持短暂保压，为紧急状态下的浇道封闭提供安全冗余，从而整体提升了装置的运行可靠性、维护便捷性与工艺稳定性。

56、本发明实施例中，浇道主动封闭组件采用气动驱动形式，通过第二气泵输出的压缩气体推动第一活塞板压缩第一复位弹簧并带动第一推杆水平滑动，第一推杆同步驱动第二活塞板压缩第二活塞座内的气体，该气体经防回流气管定向鼓入主浇口内，在联动封闭部尚未完全闭合主浇口之前形成正向气压屏障，该气压屏障对主浇口内的熔融金属施加向下的推力，确保熔融金属在封闭动作执行期间持续向金属型腔内注入，避免因封闭板转动过程中的瞬时扰动导致熔融金属回流或充型中断；同时，第一封闭板与第二封闭板完全拼合切断主浇口通道，此时气压屏障自动转化为密封保压状态，防止石墨化膨胀阶段型腔内高压金属液反向冲破封闭面；此外，该气动驱动与覆砂加热机构的第一气泵形成同源协同机制，两者通过统一的气压控制系统实现时序联动，覆砂加热机构在浇注阶段维持金属型腔与内浇道的高温环境以延缓凝固，浇道主动封闭组件则在熔融金属充满型腔后立即启动，气动响应的快速性确保了封闭时机与石墨化膨胀起始点的精确匹配，从而在保证熔融金属充分注入的前提下，实现了内浇道的可靠封闭与自补缩行为的充分利用。

57、本发明通过覆砂加热机构、浇道主动封闭组件与合模联动部的深度耦合，在极端工况下展现出单一机构无法企及的协同增益，在连续化生产线上，合模联动部利用y形导向滑槽将上模座翻转为竖直纵向，不仅利用重力实现了在线不停机的覆砂残渣自清理，更在超狭窄空间内完成了传统设备需庞大开合行程才能实现的维护作业；与此同时，覆砂加热机构借助气动脉动打破热场边界层，确保狭窄空间内的温度均匀性，而浇道主动封闭组件则在毫秒级时间窗内完成气驱切断与防回流，三者通过气路联动实现了清理-加热-封闭的无缝衔接；这种协同机制使得设备突破了传统铸造装备对作业空间与停机维护的依赖，成功适配了精密机床在线换模、狭小机加工车间旁线铸造等极限场景，在确保高硅碳比ht300铸件致密度达标的同时，将非生产时间压缩至趋近于零，实现了极端工况下的高品质连续铸造。

58、本发明实施例中，加热联动部在预热阶段及浇注初期持续运转以维持金属型腔与内浇道的高温环境，为熔融金属提供充分的液态补缩时间窗口，而浇道主动封闭组件则在熔融金属充满型腔后立即启动，气动响应的快速性确保了温度场维持与浇注封闭两个关键动作无缝衔接；同时，加热联动部的往复运动特性与合模联动部的周期性开合模动作相匹配，当上模座切换至竖直纵向状态进行覆砂清理与射砂吹入时，加热联动部可同步切换至低速保温模式以减少能耗，当上模座切换至水平向下状态准备合模浇注时，加热联动部自动切换至高速循环模式以快速提升型腔温度，三者协同配合，最终实现了覆砂效率、温度场均匀性与浇注封闭精度的整体优化。

59、本发明实施例中，合模联动部通过曲柄滑块式的双连杆机构与y形导向滑槽的精密配合，实现了上模座姿态转换、覆砂操作效率提升与合模冲击防护的有机统一，并与覆砂加热机构、浇道主动封闭组件形成全工艺周期的协同运作；并使上铰接轴、下铰接轴带动模支座及上模座完成从竖直纵向状态到水平向下状态的平稳转换，当模支座挤压斜限位滑座时，弹簧伸缩杆受压收缩提供弹性缓冲，有效吸收合模瞬间的冲击能量，保护金属型腔内壁的覆砂层完整性；该姿态转换功能与覆砂加热机构协同配合，当上模座处于竖直纵向状态时，覆膜砂的清理残留可在重力作用下自然脱落，射砂吹入时覆膜砂自上而下均匀流动无水平死角，显著提高了覆砂效率与覆砂层厚度均匀性，为后续加热联动部的温度场均匀控制奠定了良好基础；同时，斜限位滑座与弹簧伸缩杆的减震保护作用，确保了合模后覆砂层与金属型腔的紧密贴合，避免因覆砂层破损导致的局部温度散失，从而保证了浇道局部强化部与可调节加热部协同构建的温度场稳定性。