一种大型铝合金挤压铸造模具的局部加载强制补缩和抽芯装置

本发明涉及一种铝合金挤压铸造模具的补缩和抽芯装置。

背景技术：

承力构件内部质量对构件性能至关重要，然而壁厚不均类构件容易出现热节，产生缩孔缩松等铸造缺陷，影响使用性能，对缩孔缩松类缺陷的控制、局部性能的提升一直是材料加工领域研究内容。

成形构件毛坯多采用铸造、锻造的方式，工艺种类多样。铸造可成形复杂零件，但传统铸造方式存在良品率低、性能较差等问题；通过锻造改性，零件的组织性能明显提升，质量优良，成形复杂零件困难。挤压铸造是在压力作用下完成充型、凝固结晶和补缩过程，可细化晶粒尺寸、改善组织形貌、调控铸造缺陷，其结合了铸造液态充型和锻造塑性变形的特点，应用也愈加广泛。挤压铸造易于实现自动化，生产效率高，产品质量好。就复杂形状产品而言，传统铸造需要使用砂芯，挤压铸造使用金属型芯，相较于砂芯的制备、放置和剥落，金属型芯移动可以通过抽芯机构实现自动化，且成形件表面质量好。热节处凝固时间较长，周围无液相补缩，易出现铸造缺陷，传统补缩方式是通过冒口静压力补缩，挤压铸造通过保压时高压补缩，大型、复杂且壁厚不均构件压力梯度的存在致使某些区域压力效应不明显或不具备压力效应，补缩效果有待提高。通过在局部补压，引入附加应力场强制补缩，进而调控缺陷，可提升产品性能。

技术实现要素：

本发明是要解决现有的挤压铸造补缩时大型、壁厚不均构件压力梯度的存在致使某些区域压力效应不明显或不具备压力效应，补缩效果不佳的技术问题，而提供一种大型铝合金挤压铸造模具的局部加载强制补缩和抽芯装置。

本发明的大型铝合金挤压铸造模具的局部加载强制补缩和抽芯装置

是由一级补缩机构19和二级补缩机构18组成；

所述的一级补缩机构19是由一级补压模具油缸1、抽芯模具油缸2、固定垫板3、固定垫块4、连接垫块5、滑块6、补压杆7、滑动垫板8、滑动压板9、联轴器10、导向杆11、法兰12和工字扣13组成；

一级补压模具油缸的缸体1-2和两个抽芯模具油缸的缸体2-2各通过一个法兰12固定在固定垫板3的一侧表面，两个抽芯模具油缸2分别设置在固定垫板3的两侧，一级补压模具油缸1设置在固定垫板3的中心处；一级补压模具油缸杆1-1穿过固定垫板3的预留孔且与固定垫板3为滑动连接关系，抽芯模具油缸杆2-1穿过固定垫板3的预留孔且与固定垫板3为滑动连接关系；抽芯模具油缸杆2-1的头部为工字形结构且工字形结构通过一个联轴器10与工字扣13的一端刚性连接在一起，工字扣13另一端配合安装在固定垫块4的凹槽内；两个固定垫块4与法兰12位于固定垫板3的两侧且对称布置，固定垫块4与固定垫板3之间留有产生相对移动的距离；一级补压模具油缸杆1-1的头部为工字形结构且工字形结构通过一个联轴器10与工字扣13的一端刚性连接在一起，工字扣13另一端配合安装在滑动压板9的凹槽9-1内；两个连接垫块5的一端固定在固定垫板3的表面，两个连接垫块5对称布置，连接垫块5与固定垫块4位于固定垫板3的同侧，两个连接垫块5的另一端与滑块6的一侧表面固定；两个固定垫块4分别设置在两个连接垫块5的外侧；4个导向杆11均匀固定在滑块6和固定垫板3之间的4个角落，两个连接垫块5均位于4个导向杆11的外侧；滑动垫板8和滑动压板9紧密贴合固定在一起且互相平行，滑动垫板8位于滑动压板9靠近滑块6的一侧，滑动垫板8和滑动压板9均套在四个导向杆11上且与四个导向杆11为滑动配合关系，滑动压板9和固定垫板3互相平行；6个补压杆7通过滑动垫板8和滑动压板9贴合固定，其位于滑动垫板8靠近滑块6的一侧，6个补压杆7均与滑动垫板8垂直，6个补压杆7穿过滑块6且与滑块6为滑动配合关系；

所述的二级补缩机构18和一级补缩机构19的区别在于多了一个二级补缩模具油缸14和一个滑动连接板15；在二级补缩机构18中：一级补压模具油缸杆1-1通过联轴器10与工字扣13固定在滑动连接板15的凹槽内，滑动连接板15位于联轴器10和滑动压板9之间，滑动连接板15套在四个导向杆11上且与四个导向杆11为滑动配合关系，二级补缩模具油缸14的缸体通过法兰固定在滑动连接板15的表面，二级补缩模具油缸14的杆通过头部工字形结构固定在滑动压板9的凹槽内；其他结构与一级补缩机构19完全相同；

抽芯行程小于固定垫块4的长度；补压行程小于导向杆11的长度；

固定垫块4的头部4-1为工字形结构，一级补缩机构19的固定垫块4的头部4-1和二级补缩机构18的固定垫块4的头部4-1均通过螺栓固定在模壁17的凹槽内；在滑块6的两侧设置导板16，导板16和模壁17螺栓固定，滑块6的末端和模具型芯连接。

本发明的大型铝合金挤压铸造模具的局部加载强制补缩和抽芯装置的使用方法为：

步骤一：大型挤压铸造模具合模；

步骤二：在640℃～690℃温度范围将铝合金熔体浇注到料筒；

步骤三：下顶缸将料筒内熔体压射到模具型腔，并开始保压10s～17s使合金熔体在压力下结晶；

步骤四：(局部进入半固态温度区间)开始补缩，补缩模具油缸正向进程，推动滑动压板9和滑动垫板8沿导向杆11向滑块6的方向前行，固定在滑动垫板8上的补压杆7相对模具型芯向前运动，在外加应力场的作用下强迫补缩流在枝晶通道流动并发生少量塑性变形，保压7s～10s，完成补缩；

步骤五：下顶缸泄压回程；

步骤六：抽芯模具油缸正向进程，缸体2-2向后运动带动固定垫板3向后运动，由于连接垫块5将固定垫板3和滑块6连接在一起，进而滑块6和模具型芯向后运动，完成抽芯动作；

步骤七：补缩模具油缸回程；

步骤八：开模，上顶出缸将产品坯料顶出。

在二级补缩机构18中：一级补缩模具油缸1和二级补缩模具油缸14可以是差速和差压的；在补缩过程可以有俩种补缩选择，当双缸(一级补缩模具油缸1和二级补缩模具油缸14)同时进油，补压杆速度是两个油缸进程速度的叠加，补压压力是双缸压力之和，该方法补缩速度快、压力大；当双缸进油存在时间差时，在未完全凝固时，二级补缩模具油缸14先进油，快速、较低压力进程，随着凝固的发生进入补缩第二阶段，一级补缩模具油缸1进程，完成补缩，补缩行程一定，对补缩时间具有调节能力。

连接垫板5的长度决定补缩行程；固定垫块4的长度决定模具抽芯行程的长度。

为满足补缩过程变压力、变速度和可变补缩行程的工艺需求，提高补缩效果，本发明提出二级补缩机构18，即增加一个独立的补缩模具油缸14和原有补缩模具油缸1协同工作，实现双缸串联补缩；该机构为一级补缩机构19的延伸，，双缸可以同时进程也可存在时间差分别进程，工艺适用性宽泛。

本发明将模具补缩功能和抽芯功能复合，滑块6连接模具型芯，抽芯模具油缸2驱动滑块6完成抽芯动作，便于成形件脱模；合金熔体在快速合模压射后，待产品热节处于半固态温度区间，补缩模具油缸进程补缩全部行程，可根据实际补缩需求选择压凹、压平或者压凸其中某种方式，通过压射完成后延迟时间来判断产品是否处于半固态区间，达到半固态温度区间所需时间可通过实验或者模流分析获得；保压凝固过后，抽芯模具油缸2动作反向作用带动装置整体以及型芯完成抽芯动作，补缩模具油缸回程，补压杆退回直至同型芯的相对位置与原来一致，开模、顶出产品坯料。

本发明所具备的优势：

(1)本发明结构设计合理，结构简单，仅有动力元件、执行元件、导向元件和固定与连接元件四类功能元件，整体形状规整且各零部件多为板、块类结构，加工制造成本相对较低；模具油缸为系列化标准件，可供选型；关键传力部件间采用联轴器10连接而并非是刚性直接连接，被连接件在本体凹槽内安装有工字扣13，便于联轴器10的连接，该种连接方式连接可靠，方便更换模具时拆装；

(2)功能复合：复杂型面深腔和凸起结构会造成脱模困难，而复杂型面深腔和凸起引起的大壁厚差会产生缩孔缩松类铸造缺陷，抽芯和补缩功能复合可有效控制复杂形状件的铸造缺陷，提升产品质量；

(3)灵活可调：可根据产品结构特点，在模具不同位置布置该补缩、抽芯装置，需注意避免和液压机立柱干涉；产品不同结构特点必定会产生不同的补缩需求，产品若多处位置热节，可多补压销同时补缩，在满足产品结构要求前提下，可调整补压销的尺寸和形状来增加补缩流强度以提升补缩效果；

(4)宽适用性：二级补缩机构18通过串联模具油缸进程的不同组合方式，补缩过程中压力、补压速度以及补压行程可以调节，能够满足不同工艺需求，提升补缩效果。

附图说明

图1为具体实施方式一的大型铝合金挤压铸造模具的局部加载强制补缩和抽芯装置的整体示意图；

图2为图1的仰视图；

图3为具体实施方式一的一级补缩机构19的正面立体示意图；

图4为具体实施方式一的一级补缩机构19的背面立体示意图；

图5为图3的第一局部放大示意图(固定垫板3未画出)；

图6为具体实施方式一的二级补缩机构18的正面立体示意图；

图7为具体实施方式一的二级补缩机构18的背面示意图；

图8为图3的第二局部放大示意图(固定垫板3未画出)。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种大型铝合金挤压铸造模具的局部加载强制补缩和抽芯装置，如图1-图8所示，具体

是由一级补缩机构19和二级补缩机构18组成；

所述的一级补缩机构19是由一级补压模具油缸1、抽芯模具油缸2、固定垫板3、固定垫块4、连接垫块5、滑块6、补压杆7、滑动垫板8、滑动压板9、联轴器10、导向杆11、法兰12和工字扣13组成；

一级补压模具油缸的缸体1-2和两个抽芯模具油缸的缸体2-2各通过一个法兰12固定在固定垫板3的一侧表面，两个抽芯模具油缸2分别设置在固定垫板3的两侧，一级补压模具油缸1设置在固定垫板3的中心处；一级补压模具油缸杆1-1穿过固定垫板3的预留孔且与固定垫板3为滑动连接关系，抽芯模具油缸杆2-1穿过固定垫板3的预留孔且与固定垫板3为滑动连接关系；抽芯模具油缸杆2-1的头部为工字形结构且工字形结构通过一个联轴器10与工字扣13的一端刚性连接在一起，工字扣13另一端配合安装在固定垫块4的凹槽内；两个固定垫块4与法兰12位于固定垫板3的两侧且对称布置，固定垫块4与固定垫板3之间留有产生相对移动的距离；一级补压模具油缸杆1-1的头部为工字形结构且工字形结构通过一个联轴器10与工字扣13的一端刚性连接在一起，工字扣13另一端配合安装在滑动压板9的凹槽9-1内；两个连接垫块5的一端固定在固定垫板3的表面，两个连接垫块5对称布置，连接垫块5与固定垫块4位于固定垫板3的同侧，两个连接垫块5的另一端与滑块6的一侧表面固定；两个固定垫块4分别设置在两个连接垫块5的外侧；4个导向杆11均匀固定在滑块6和固定垫板3之间的4个角落，两个连接垫块5均位于4个导向杆11的外侧；滑动垫板8和滑动压板9紧密贴合固定在一起且互相平行，滑动垫板8位于滑动压板9靠近滑块6的一侧，滑动垫板8和滑动压板9均套在四个导向杆11上且与四个导向杆11为滑动配合关系，滑动压板9和固定垫板3互相平行；6个补压杆7通过滑动垫板8和滑动压板9贴合固定，其位于滑动垫板8靠近滑块6的一侧，6个补压杆7均与滑动垫板8垂直，6个补压杆7穿过滑块6且与滑块6为滑动配合关系；

所述的二级补缩机构18和一级补缩机构19的区别在于多了一个二级补缩模具油缸14和一个滑动连接板15；在二级补缩机构18中：一级补压模具油缸杆1-1通过联轴器10与工字扣13固定在滑动连接板15的凹槽内，滑动连接板15位于联轴器10和滑动压板9之间，滑动连接板15套在四个导向杆11上且与四个导向杆11为滑动配合关系，二级补缩模具油缸14的缸体通过法兰固定在滑动连接板15的表面，二级补缩模具油缸14的杆通过头部工字形结构固定在滑动压板9的凹槽内；其他结构与一级补缩机构19完全相同；

抽芯行程小于固定垫块4的长度；补压行程小于导向杆11的长度；

固定垫块4的头部4-1为工字形结构，一级补缩机构19的固定垫块4的头部4-1和二级补缩机构18的固定垫块4的头部4-1均通过螺栓固定在模壁17的凹槽内；在滑块6的两侧设置导板16，导板16和模壁17螺栓固定，滑块6的末端和模具型芯连接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的补压杆7为长方体结构。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的补压杆7为圆柱体结构。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：抽芯行程比固定垫块4短10mm～15mm。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的固定垫板3为实心结构。其他与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的固定垫块4为实心结构。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的连接垫块5为实心结构。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的二级补压模具油缸14的缸径为200mm。他与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的一级补压模具油缸1的缸径为200mm。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的补压杆7和模具型芯的单边间隙为0.05mm～0.1mm。其他与具体实施方式一相同。

用以下试验对本发明进行验证：

试验一：本试验为一种大型铝合金挤压铸造模具的局部加载强制补缩和抽芯装置，如图1-图8所示，具体

是由一级补缩机构19和二级补缩机构18组成；

所述的一级补缩机构19是由一级补压模具油缸1、抽芯模具油缸2、固定垫板3、固定垫块4、连接垫块5、滑块6、补压杆7、滑动垫板8、滑动压板9、联轴器10、导向杆11、法兰12和工字扣13组成；

一级补压模具油缸的缸体1-2和两个抽芯模具油缸的缸体2-2各通过一个法兰12固定在固定垫板3的一侧表面，两个抽芯模具油缸2分别设置在固定垫板3的两侧，一级补压模具油缸1设置在固定垫板3的中心处；一级补压模具油缸杆1-1穿过固定垫板3的预留孔且与固定垫板3为滑动连接关系，抽芯模具油缸杆2-1穿过固定垫板3的预留孔且与固定垫板3为滑动连接关系；抽芯模具油缸杆2-1的头部为工字形结构且工字形结构通过一个联轴器10与工字扣13的一端刚性连接在一起，工字扣13另一端配合安装在固定垫块4的凹槽内；两个固定垫块4与法兰12位于固定垫板3的两侧且对称布置，固定垫块4与固定垫板3之间留有产生相对移动的距离；一级补压模具油缸杆1-1的头部为工字形结构且工字形结构通过一个联轴器10与工字扣13的一端刚性连接在一起，工字扣13另一端配合安装在滑动压板9的凹槽9-1内；两个连接垫块5的一端固定在固定垫板3的表面，两个连接垫块5对称布置，连接垫块5与固定垫块4位于固定垫板3的同侧，两个连接垫块5的另一端与滑块6的一侧表面固定；两个固定垫块4分别设置在两个连接垫块5的外侧；4个导向杆11均匀固定在滑块6和固定垫板3之间的4个角落，两个连接垫块5均位于4个导向杆11的外侧；滑动垫板8和滑动压板9紧密贴合固定在一起且互相平行，滑动垫板8位于滑动压板9靠近滑块6的一侧，滑动垫板8和滑动压板9均套在四个导向杆11上且与四个导向杆11为滑动配合关系，滑动压板9和固定垫板3互相平行；6个补压杆7通过滑动垫板8和滑动压板9贴合固定，其位于滑动垫板8靠近滑块6的一侧，6个补压杆7均与滑动垫板8垂直，6个补压杆7穿过滑块6且与滑块6为滑动配合关系；

所述的二级补缩机构18和一级补缩机构19的区别在于多了一个二级补缩模具油缸14和一个滑动连接板15；在二级补缩机构18中：一级补压模具油缸杆1-1通过联轴器10与工字扣13固定在滑动连接板15的凹槽内，滑动连接板15位于联轴器10和滑动压板9之间，滑动连接板15套在四个导向杆11上且与四个导向杆11为滑动配合关系，二级补缩模具油缸14的缸体通过法兰固定在滑动连接板15的表面，二级补缩模具油缸14的杆通过头部工字形结构固定在滑动压板9的凹槽内；其他结构与一级补缩机构19完全相同；

抽芯行程小于固定垫块4的长度；补压行程小于导向杆11的长度；

固定垫块4的头部4-1为工字形结构，一级补缩机构19的固定垫块4的头部4-1和二级补缩机构18的固定垫块4的头部4-1均通过螺栓固定在模壁17的凹槽内；在滑块6的两侧设置导板16，导板16和模壁17螺栓固定，滑块6的末端和模具型芯连接。

所述的补压杆7为圆柱体结构；抽芯行程比固定垫块4短10mm～15mm；所述的二级补压模具油缸14的缸径为200mm；所述的一级补压模具油缸1的缸径为200mm；所述的补压杆7和模具型芯的单边间隙为0.05mm～0.1mm。

本试验的大型铝合金挤压铸造模具的局部加载强制补缩和抽芯装置的使用方法为：

步骤一：大型挤压铸造模具合模；

步骤二：在640℃～690℃温度范围将铝合金熔体浇注到料筒；

步骤三：下顶缸将料筒内熔体压射到模具型腔，并开始保压10s～17s使合金熔体在压力下结晶；

步骤四：(局部进入半固态温度区间)开始补缩，补缩模具油缸正向进程，推动滑动压板9和滑动垫板8沿导向杆11向滑块6的方向前行，固定在滑动垫板8上的补压杆7相对模具型芯向前运动，在外加应力场的作用下强迫补缩流在枝晶通道流动并发生少量塑性变形，保压7s～10s，完成补缩；

步骤五：下顶缸泄压回程；

步骤六：抽芯模具油缸正向进程，缸体2-2向后运动带动固定垫板3向后运动，由于连接垫块5将固定垫板3和滑块6连接在一起，进而滑块6和模具型芯向后运动，完成抽芯动作；

步骤七：补缩模具油缸回程；

步骤八：开模，上顶出缸将产品坯料顶出。

在二级补缩机构18中：一级补缩模具油缸1和二级补缩模具油缸14可以是差速和差压的；在补缩过程可以有俩种补缩选择，当双缸(一级补缩模具油缸1和二级补缩模具油缸14)同时进油，补压杆速度是两个油缸进程速度的叠加，补压压力是双缸压力之和，该方法补缩速度快、压力大；当双缸进油存在时间差时，在未完全凝固时，二级补缩模具油缸14先进油，快速、较低压力进程，随着凝固的发生进入补缩第二阶段，一级补缩模具油缸1进程，完成补缩，补缩行程一定，对补缩时间具有调节能力。

连接垫板5的长度决定补缩行程；固定垫块4的长度决定模具抽芯行程的长度。

为满足补缩过程变压力、变速度和可变补缩行程的工艺需求，提高补缩效果，本发明提出二级补缩机构18，即增加一个独立的补缩模具油缸14和原有补缩模具油缸1协同工作，实现串联双缸补缩；该机构为一级补缩机构19的延伸，可以调配液压缸的安装空间，双缸可以同时进程也可存在时间差分别进程，工艺适用性宽泛。

本试验将模具补缩功能和抽芯功能复合，滑块6连接模具型芯，抽芯模具油缸2驱动滑块6完成抽芯动作，便于成形件脱模；合金熔体在快速合模压射后，待产品热节处于半固态温度区间，补缩模具油缸进程补缩全部行程，可根据实际补缩需求选择压凹、压平或者压凸其中某种方式，通过压射完成后延迟时间来判断产品是否处于半固态区间，达到半固态温度区间所需时间可通过实验或者模流分析获得；保压凝固过后，抽芯模具油缸2动作反向作用带动装置整体以及型芯完成抽芯动作，补缩模具油缸回程，补压销退回直至同型芯的相对位置与原来一致，开模、顶出产品坯料。

本试验所具备的优势：

(1)本试验结构设计合理，结构简单，仅有动力元件、执行元件、导向元件和固定与连接元件四类功能元件，整体形状规整且各零部件多为板、块类结构，加工制造成本相对较低；模具油缸为系列化标准件，可供选型；关键传力部件间采用联轴器10连接而并非是刚性直接连接，被连接件在本体凹槽内安装有工字扣13，便于联轴器10的连接，该种连接方式连接可靠，方便更换模具时拆装；

(2)功能复合：复杂型面深腔和凸起结构会造成脱模困难，而复杂型面深腔和凸起引起的大壁厚差会产生缩孔缩松类铸造缺陷，抽芯和补缩功能复合可有效控制复杂形状件的铸造缺陷，提升产品质量；

(3)灵活可调：可根据产品结构特点，在模具不同位置布置该补缩、抽芯装置，需注意避免和液压机立柱干涉；产品不同结构特点必定会产生不同的补缩需求，产品若多处位置热节，可多补压销同时补缩，在满足产品结构要求前提下，可调整补压销的尺寸和形状来增加补缩流强度以提升补缩效果；

(4)宽适用性：二级补缩机构18通过串联模具油缸进程的不同组合方式，补缩过程中压力、补压速度以及补压行程可以调节，能够满足不同工艺需求，提升补缩效果。