专利名称：一种自调温模具及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种自调温模具装置，尤其涉及一种自调温模具及其使用方法。
背景技术：
模具是液态模锻、压铸和金属型铸造中必不可少的工装，模具的温度对成形质量和模具寿命产生重要影响。成形技术的熔点越高，对模具的热冲击和热损伤也越严重。特别是钢铁一类的高熔点合金压铸、挤压铸造和液态模锻时，因模具温度过高导致模具寿命一般只有数千模，经济效果不理想，至今工业化应用也还较少。如何控制模具温度，使其稳定在一定的温度范围内是材料有模成形中一个普遍关心的问题。现有技术中，为了控制和调节模具温度，使用了温模机和模具控温机。它们的工作原理是通过控制模具内的载热介质的流量和温度，使其将自身的物理热传给模具达到提温的目的或者将模具的热带走达到冷却模具的目的。所用的载热介质主要是导热油或水。 导热油是常用的一种载热介质，其最高温度320°C，导热系数较小，一般0. lKcal/m-hr · V 左右；比热在0. 5-0. 6Kcal/kg · ！之间，密度与水相当，沸点较高，约390_400°C，允许使用温度一般在-30 350°C之间。但是，对于高熔点合金成形模具来说，模具工作温度高达 400°C以上，这时，导热油就难以适用；水也是一种常用的模具调温介质。水的汽化热相当于等量的水从0-100°C需要的热的5倍，但是水作为载热介质时一般不允许其汽化，主要利用其对流换热来对模具进行冷却。所以，其只有冷却功能，没有加热功能，对模具的温度调节是单向调节，应用受到限制。金属一般都具有一个特性凝固时放热，而熔化时吸热。对于纯金属而言，其凝固和熔化发生在一个基本恒定的温度上。如果将金属灌入模具本体内，利用这种固液转变的热效应(凝固放热和熔化吸热)和相变温度基本恒定的特性，就可以实现对模具温度的自动调控当模具温度高于凝固温度时，金属开始熔化吸热，模具温度停止升高而降温；当模具温度降低至凝固温度时，金属开始凝固放热，阻止模具继续降温。如此这般，可以将模具温度保持在一个恒定的范围内。但是，实际上，很难找到一种纯金属的凝固温度能与模具期望的温度恰好一致。当两种金属形成共晶合金时，其凝固温度也是一个固定值，但其数值低于两个组元的熔点，这种共晶合金的共晶温度与模具工作温度接近时，也可以用来进行模具温度的调节。不妨将这种适于用来调节模具温度的金属称为调温金属。这种利用调温金属进行模具温度调节的方法称为自适应调温，利用自适应调温方法进行模具温度控制的模具称为自调温模具。根据这一思想，提出了本发明。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、使用方便的自调温模具及其使用方法；根据金属在凝固温度熔化时温度虽然不变但可以吸收大量的热，而在凝固时放出大量的热而温度不变的这一特性，将凝固温度与模具工作温度相近的金属(称为调温金属)植入模具体内，当模具温度升高，超过调温金属的熔化温度时，调温金属开始熔化吸热，抑制了模具温度的持续升高；相反，当模具温度低于调温金属的熔化温度时，合金就开始凝固放热，将热量传给模具，抑制了模具的降温。如此反复，就可以使模具温度在一个较小的范围内波动。本发明的自调温模具，包括模具本体和模具外套，所述模具本体的内部开有形成工件的模具腔，模具本体的外表面上设置导热涂料层，模具本体的外侧设有模具外套，模具外套的内壁上设有若干支撑柱，支撑柱的端部均抵靠在模具本体的外壁上，模具外套的内壁上以及支撑柱的外壁上均设置隔热涂料层，模具外套和模具本体之间形成的调温腔内填充调温金属，调温腔顶部的模具外套上设有封闭塞。本发明的自调温模具及其使用方法，所述模具本体采用铜合金或热作模具钢制成，模具本体的壁厚为20-50mm。本发明的自调温模具及其使用方法，所述隔热涂料层的厚度为0. 1 0. 3mm。本发明的自调温模具及其使用方法，所述调温金属为凝固温度100 280°C，熔化热40 150J/kg的金属或合金，合金采用锡、锂、锡铋合金或锡锌合金。一种自调温模具的使用方法，包括以下步骤1)选择调温金属根据模具要求的工作温度范围和材质选择调温金属；要求调温金属无毒，不与模具材料发生反应，还要求调温金属的固相线温度Ts >模具最低工作温度 Tl，且其液相线温度TL <模具最高工作温度T2 ；2)组装模具将内层涂有隔热涂料层的模具外套和外层涂有导热涂料层的模具本体组装在一起并固定和密封牢固，形成容积为模腔体积2 8倍的调温腔；3)配制和灌注调温金属；将步骤1)选定的调温金属熔化并过热至TL温度以上 10 100°C后，注满模具外套与模具本体之间的调温腔内，并用封闭塞封闭；4)调整模具温度；灌入模具调温腔的调温金属液受模具的冷却，发生凝固，放出热量，传给模具本体，使模具本体温度升至要求的工作温度Tl，模具开始工作；当模具工作中受热，使模具本体升温时，模具本体将热量传给调温金属，调温金属受热升温达到固相线温度TS时开始熔化，吸收大量的热，抑制了模具本体温度的持续升高；当高温工件离开模具腔后，模具本体的温度开始下降，相应地调温金属温度也下降，当调温金属温度降至其液相线温度TL时，调温金属再次开始凝固放热，使模具温度停止下降；如此反复，在模具整个使用过程中，模具本体的温度稳定在要求的工作温度范围内。在上述一种自调温模具的使用方法中，所述调温金属为凝固温度100 280°C，熔化热40 150J/kg的金属或合金，合金采用锡、锂、锡铋合金或锡锌合金。在上述一种自调温模具的使用方法中，所述隔热涂料层由以下重量份数的原料制成硅藻土 100，水玻璃10，水150-300 ；隔热涂料层的厚度为0. 1 0. 3mm ；隔热涂料层可以显著减小调温金属与模具外套间的热交换，还可以防止调温金属对模具外套的热侵蚀。在上述一种自调温模具的使用方法中，所述导热涂料层由以下重量份数的原料制成石墨粉100，水玻璃20，水300-400 ；导热涂料层既保护了调温金属对模具本体材料的热侵蚀，又不妨碍调温金属与模具本体间的热传递。与现有技术相比本发明的有益效果为(1)自适应调温即省去了控制电路、元件等，根据材料自身的特性进行温度调节，可靠性高，无消耗，节约能源；
(2)安全可靠性高；调温过程不需要仪器，不需要专门的设备，可靠性高。调温金属无毒、无污染、不可燃，使用安全；(4)无限寿命由于调温腔内使用了涂料，调温金属不会与模具发生热侵蚀，每套模具只需一次性地注入调温金属，直至模具损坏不需更换；(5)模具温度范围调节方便改变调温金属的种类就可以获得不同的温度调节范围，来适应不同材质工件的生产需要；(6)使用方便。与使用温模机和冷却水进行模具温度调节相比，省却了复杂的管路和泵阀系统，使模具简洁，安装操作都很方便。
图1是本发明实施例所述的一种自调温模具的结构示意图。图中1、模具本体；2、模具外套；3、工件；4、模具腔；5、导热涂料层；6、支撑柱；7、隔热
涂料层；8、调温腔；9、封闭塞。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1所示，一种自调温模具，包括模具本体1和模具外套2，所述模具本体1的内部开有形成工件3的模具腔4，模具本体1的外表面上设置导热涂料层5，模具本体1的外侧设有模具外套2，模具外套2的内壁上设有若干支撑柱6，支撑柱6的端部均抵靠在模具本体1的外壁上，模具外套2的内壁上以及支撑柱6的外壁上均设置隔热涂料层7，模具外套2和模具本体1之间形成的调温腔8内填充调温金属，调温腔8顶部的模具外套2上设有封闭塞9。本发明的自调温模具及其使用方法，所述模具本体1采用铜合金或热作模具钢制成，模具本体1的壁厚为20-50mm。本发明的自调温模具及其使用方法，所述隔热涂料层7的厚度为0. 1 0. 3mm。本发明的自调温模具及其使用方法，所述调温金属为凝固温度100 280°C，熔化热40 150J/kg的金属或合金，合金采用锡、锂、锡铋合金或锡锌合金。一种自调温模具的使用方法，包括以下步骤1)选择调温金属根据模具要求的工作温度范围和材质选择调温金属；要求调温金属无毒，不与模具材料发生反应，还要求调温金属的固相线温度Ts >模具最低工作温度 Tl，且其液相线温度TL <模具最高工作温度T2 ；2)组装模具将内层涂有隔热涂料层7的模具外套2和外层涂有导热涂料层5的模具本体1组装在一起并固定和密封牢固，形成容积为模腔体积2 8倍的调温腔8 ；3)配制和灌注调温金属；将步骤1)选定的调温金属熔化并过热至TL温度以上 10 100°C后，注满模具外套2与模具本体1之间的调温腔8内，并用封闭塞9封闭；4)调整模具温度；灌入模具调温腔8的调温金属液受模具的冷却，发生凝固，放出热量，传给模具本体1，使模具本体1温度升至要求的工作温度Tl，模具开始工作；当模具工作中受热，使模具本体1升温时，模具本体1将热量传给调温金属，调温金属受热升温达到固相线温度Ts时开始熔化，吸收大量的热，抑制了模具本体1温度的持续升高；当高温工件离开模具腔后，模具本体1的温度开始下降，相应地调温金属温度也下降，当调温金属温度降至其液相线温度TL时，调温金属再次开始凝固放热，使模具温度停止下降；如此反复，在模具整个使用过程中，模具本体的温度稳定在要求的工作温度范围内。在上述一种自调温模具的使用方法中，所述调温金属为凝固温度100 280°C，熔化热40 150J/kg的金属或合金，合金采用锡、锂、锡铋合金或锡锌合金。在上述一种自调温模具的使用方法中，所述隔热涂料层7由以下重量份数的原料制成硅藻土 100，水玻璃10，水150-300 ；隔热涂料层7的厚度为0. 1 0. 3mm ；隔热涂料层7可以显著减小调温金属与模具外套间的热交换，还可以防止调温金属对模具外套的热侵蚀。在上述一种自调温模具的使用方法中，所述导热涂料层5由以下重量份数的原料制成石墨粉100，水玻璃20，水300-400 ；导热涂料层5既保护了调温金属对模具本体材料的热侵蚀，又不妨碍调温金属与模具本体间的热传递。实施例1在本实施例中调温金属采用锡铋合金，进行压铸A356铝合金，压铸A356铝合金件要求模具本体1材料为H13钢，要求的最低工作温度Tl = 130°C，最高工作温度T2 = 225°C。本发明据此选择凝固温度范围是Ts = 139°C，TL= 170°C的锡铋合金为调温金属。 使用方法是将涂有隔热涂料0. Imm厚的模具外套2和涂有导热涂料0. Imm厚的模具本体 1组装在一起并固定和密封牢固，形成容积为工件体积8倍的调温腔8。将选定的调温金属熔化并过热至熔化温度以上10°c (即180°C )后，注满模具外套2与模具本体1之间的调温腔8内，并用封闭塞9封闭。灌入模具调温腔8的调温金属液降温凝固，将冷却和凝固放出的热传给模具本体1，使模具本体1温度升至130-140°C时；向模具腔4内浇注液态合金进行压铸，液态金属冷却、降温、凝固过程放出的热首先传给模具本体1，模具本体1将热量传给调温金属，调温金属受热升温达到熔化温度139°C时开始熔化，吸收大量的热量，抑制了模具本体1温度的持续升高，稳定在200-225°C范围内。当取出工件后，模具本体1的温度从220°C开始下降，相应地调温金属温度也下降，当调温金属温度降至凝固点170°C温度时，调温金属再次开始凝固放热，使模具温度停止下降或重新升温。如此反复，在模具整个使用过程中，模具本体1的温度稳定在190-225°C的范围内，成形的工件3质量稳定。实施例2在本实施例中调温金属采用铋金属，进行挤压铸造45钢件，挤压铸造45钢件要求模具本体1材料为3Cr2W8V钢，最低工作温度Tl = 20(TC，最高工作温度T2 = 3200C0 本发明据此选择凝固温度是271°C的铋为调温金属使用方法是将涂有隔热涂料0. Imm厚的模具外套2和涂有导热涂料0. Imm厚的模具本体1组装在一起并固定和密封牢固，形成能容纳工件质量4倍的容积的调温腔8。将选定的调温金属熔化并过热至熔化温度以上 500C (即320°C )后，注满模具外套2与模具本体1之间的调温腔内，并用封闭塞9封闭。灌入模具调温腔8的调温金属液降温凝固，将冷却和凝固放出的热传给模具本体1，使模具本体1温度升至180°C时，向模具腔4内浇注液态45钢进行挤压铸造，液态金属冷却、降温、凝固过程放出的热首先传给模具本体1，模具本体1将热量传给调温金属，调温金属受热升温达到熔化温度271°C时开始熔化，吸收大量的热量，抑制了模具本体1温度的持续升高。当取出工件后，模具本体1的温度又开始下降，相应地调温金属温度也下降，当调温金属温度降至凝固点271°C温度时，调温金属再次开始凝固放热，使模具温度停止下降或重新升温。 如此反复，在模具整个使用过程中，模具本体1的温度稳定在220-300°C的范围内，成形的工件质量稳定。实施例3在本实施例中调温金属采用共晶锡铋合金，压铸ZAMAK3锌合金件，模具本体1材料为3Cr5MoSiV热作模具钢，要求最低工作温度Tl = 120°C，最高工作温度T2 = 2000C0 本发明据此选择凝固温度是139°C的共晶锡铋合金为调温金属。使用方法是将涂有隔热涂料0. Imm厚的模具外套和涂有导热涂料0. Imm厚的模具本体组装在一起并固定和密封牢固，形成能容纳工件质量2倍的容积的调温腔。将选定的调温金属熔化并过热至熔化温度以上100°C (即239°C )后，注满模具外套2与模具本体1之间的调温腔内，并用封闭塞9 封闭。灌入模具调温腔的调温金属液降温凝固，将冷却和凝固放出的热传给模具本体1，使模具本体1温度升至140-150°C时，向模具腔4内浇注液态45钢进行挤压铸造，液态金属冷却、降温、凝固过程放出的热首先传给模具本体1，模具本体1将热量传给调温金属，调温金属受热升温达到熔化温度232°C时开始熔化，吸收大量的热量，抑制了模具本体1温度的持续升高，稳定在170-180°C范围内。当取出工件后，模具本体1的温度从170-180°C开始下降，相应地调温金属温度也下降，当调温金属温度降至凝固点139°C温度时，调温金属再次开始凝固放热，使模具温度停止下降或重新升温。如此反复，在模具整个使用过程中，模具本体1的温度稳定在150-180°C的范围内，成形的工件质量稳定。实施例4在本实施例中调温金属采用锡金属，进行压铸Cu&i36铜锌合金件，模具本体1材料为3Cr5MoSiV热作模具钢，要求最低工作温度Tl = 180°C，最高工作温度T2 = 320°C。本发明据此选择凝固温度TS = TL = 232°C的纯锡为调温金属。使用方法是将涂有隔热涂料 0. Imm厚的模具外套2和涂有导热涂料0. Imm厚的模具本体1组装在一起并固定和密封牢固，形成能容纳工件3质量2倍的容积的调温腔。将选定的调温金属熔化并过热至熔化温度以上30°C (即262°C )后，注满模具外套2与模具本体1之间的调温腔8内，并用封闭塞9 封闭。灌入模具调温腔8的调温金属液降温凝固，将冷却和凝固放出的热传给模具本体1， 使模具本体1温度升至180°C时，向模具腔4内浇注液态铜锌合金进行金属型铸造，液态金属冷却、降温、凝固过程放出的热首先传给模具本体1，模具本体1将热量传给调温金属，调温金属受热升温达到熔化温度232°C时开始熔化，吸收大量的热量，抑制了模具本体1温度的持续升高，稳定在310-320°C范围内。当取出工件3后，模具本体1的温度从310-320°C开始下降，相应地调温金属温度也下降，当调温金属温度降至凝固点232°C温度时，调温金属再次开始凝固放热，使模具温度停止下降或重新升温。如此反复，在模具整个使用过程中， 模具本体的温度稳定在280-320°C的范围内，成形的工件质量稳定。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种自调温模具，包括模具本体(1)和模具外套O)，其特征在于所述模具本体 (1)的内部开有形成工件C3)的模具腔0)，模具本体(1)的外表面上设置导热涂料层(5)， 模具本体⑴的外侧设有模具外套O)，模具外套⑵的内壁上设有若干支撑柱(6)，支撑柱(6)的端部均抵靠在模具本体⑴的外壁上，模具外套(2)的内壁上以及支撑柱(6)的外壁上均设置隔热涂料层(7)，模具外套( 和模具本体(1)之间形成的调温腔(8)内填充调温金属，调温腔(8)顶部的模具外套( 上设有封闭塞(9)。
2.根据权利要求1所述的自调温模具及其使用方法，其特征在于所述模具本体(1) 采用铜合金或热作模具钢制成，模具本体(1)的壁厚为20-50mm。
3.根据权利要求1或2所述的自调温模具及其使用方法，其特征在于所述隔热涂料层⑵的厚度为0. 1 0. 3mm。
4.根据权利要求3所述的自调温模具及其使用方法，其特征在于所述调温金属为凝固温度100 280°C，熔化热40 150J/kg的金属或合金，合金采用锡、锂、锡铋合金或锡锌α全口巫ο
5.一种自调温模具的使用方法，其特征在于，包括以下步骤1)选择调温金属根据模具要求的工作温度范围和材质选择调温金属；要求调温金属无毒，不与模具材料发生反应，还要求调温金属的固相线温度Ts >模具最低工作温度Tl， 且其液相线温度TL <模具最高工作温度T2 ；2)组装模具将内层涂有隔热涂料层的模具外套和外层涂有导热涂料层的模具本体组装在一起并固定和密封牢固，形成容积为模腔体积2 8倍的调温腔；3)配制和灌注调温金属；将步骤1)选定的调温金属熔化并过热至TL温度以上10 100°C后，注满模具外套与模具本体之间的调温腔内，并用封闭塞封闭；4)调整模具温度；灌入模具调温腔的调温金属液受模具的冷却，发生凝固，放出热量， 传给模具本体，使模具本体温度升至要求的工作温度Tl，模具开始工作；当模具工作中受热，使模具本体升温时，模具本体将热量传给调温金属，调温金属受热升温达到固相线温度 Ts时开始熔化，吸收大量的热，抑制了模具本体温度的持续升高；当高温工件离开模具腔后，模具本体的温度开始下降，相应地调温金属温度也下降，当调温金属温度降至其液相线温度TL时，调温金属再次开始凝固放热，使模具温度停止下降；如此反复，在模具整个使用过程中，模具本体的温度稳定在要求的工作温度范围内。
6.根据权利要求5所述的自调温模具的使用方法中，其特征在于所述调温金属为凝固温度100 280°C，熔化热40 150J/kg的金属或合金，合金采用锡、锂、锡铋合金或锡锌α全口巫ο
7.根据权利要求5所述的自调温模具的使用方法中，其特征在于所述隔热涂料层由以下重量份数的原料制成硅藻土 100，水玻璃10，水150-300 ；隔热涂料层的厚度为0. 1 0. 3mm ；隔热涂料层可以显著减小调温金属与模具外套间的热交换，还可以防止调温金属对模具外套的热侵蚀。
8.根据权利要求5所述的自调温模具的使用方法中，其特征在于所述导热涂料层由以下重量份数的原料制成石墨粉100，水玻璃20，水300-400 ；导热涂料层既保护了调温金属对模具本体材料的热侵蚀，又不妨碍调温金属与模具本体间的热传递。
全文摘要
本发明涉及一种自调温模具及其使用方法，所述自调温模具包括模具本体和模具外套，所述模具本体的内部开有形成工件的模具腔，模具本体的外表面上设置导热涂料层，模具本体的外侧设有模具外套，模具外套的内壁上设有若干支撑柱，支撑柱的端部均抵靠在模具本体的外壁上，模具外套的内壁上以及支撑柱的外壁上均设置隔热涂料层，模具外套和模具本体之间形成的调温腔内填充调温金属，调温腔顶部的模具外套上设有封闭塞。本发明的自调温模具具有自适应调温，安全可靠性高；调温过程不需要仪器，可靠性高。调温金属无毒、无污染、不可燃，使用安全；无限寿命；模具温度范围调节方便。
文档编号B22D18/02GK102397987SQ20111037539
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者王占涛, 王新春, 肖江, 赵宁, 邢书明, 鲍培伟 申请人:北京交通大学