连成整体热交换管的浇铸金属方法

本发明涉及利用型砂造型工艺的金属浇铸方法，尤其是涉及一种型砂造型工艺，它包括金属在铸造前，在砂型内提供预定形状的热交换管的方法。本发明特别指出了一种随着金属流入砂型中进行铸造时可预计地和成功地适应热交换管的热膨胀的方法。

通过使用型砂造型技术将金属浇铸成预定形状的现有技术是众所周知的。现有技术的型砂造型工艺利用形成砂型的模型，然后砂型用于形成铸造金属的形状，所用的模型可以是一次性也可以是永久性的模型，至于使用哪一种模型，视铸造工艺所遵循的步骤而定。

当使用一次性模型时，所遵循的典型步骤是：按技术要求制造一次性模型，模型一般由聚苯乙烯类材料制成，最好是铸造级聚苯乙烯;模型涂上耐火涂料且放在型板上，将称作“下箱”的箱体放在型板上;型砂倒入下箱，在此同时沿模型的外缘捣实型砂且一般捣实在下箱内。在填满下箱以前，在靠近一次性模型处放置一适当形状的聚苯乙烯材料以提供“浇口”，然后填满下箱且整平型砂;接着将底板放在砂箱的顶上，然后翻转下箱以使其放置在底板上，移去型板且将“上箱”放在下箱上;为了提供熔融铸造金属进入模型的通道，在上箱内邻近浇口处插入适当形状的聚苯乙烯材料以提供“直浇口”;然后，在上箱中靠近一次性模型处放置适当形状的聚苯乙烯材料以提供“冒口”，目的是适应熔融铸造金属的收缩;然后将型砂倒入上箱且如上所述进行捣实。至此，铸型已齐备，将熔融铸造金属注入直浇口，即可将金属浇铸成模型的形状。

当使用永久模型时，所遵循的典型步骤是：按技术要求制造永久 模型，模型一般用木材制成，但也可以用其他耐用材料如金属、塑料、石膏或粘土制成;将模型放在型板上，然后将下箱放在型板上;将分型剂撒在模型上后，接着将型砂倒入下箱内，沿模型边缘捣实，并且一般捣实在下箱内;将型砂整平后将底板放在下箱上;然后翻转下箱使其放在底板上，移去型板将上箱放在下箱上;在上箱内靠近模型处设置冒口模棒和直浇口模棒，将型砂倒入上箱且如上述进行捣实;从铸模的上型（砂）箱部分移去模棒，然后移去上型（砂）箱且小心地放在别处;从铸模的下型（砂）箱部分轻轻地起出模型，用耐火涂料涂在由此形成的型腔上;在铸模的下型（砂）箱部分中形成浇口，以便与铸模的下型（砂）箱部分的直浇口相连;接着将上型（砂）箱重新放在下型（砂）箱上。至此，铸模已准备就绪，通过将熔融铸造金属注入直浇口，就可以将金属浇铸成永久模型的形状。

虽然这些工艺对于金属的铸造是非常成功的，但在金属铸件中没有提供热交换通道，然而，金属铸件往往需要有贴近金属铸件表面延伸的热交换通道。例如当金属铸件是用作塑料注射成型的模子时，模子就需要有热交换通道。现有技术通常在砂型中浇铸成铸件之后通过钻削或铣削金属铸件来形成这些通道，这种技术的例子如萨默的美国专利第3572420号、奥曼等的美国专利第3763920号和阿尔贝尼的美国专利第4009749号所示。或者，将热交换套管包覆在金属铸件外面，这后一种技术的例子如沃特利的美国专利第3530926号、阿达梅茨等的美国专利第3592259号和塞瓦塔基斯的美国专利4493361号中所示。在这两种情况下，这些为金属铸件提供热交换通道的方法都是非常昂贵的且劳动强度很高，因此需要一种在浇铸金属铸件的同时设置热交换通道的方法。

本发明人在铸造行业已工作了许多年，长期从事研究可靠的、可预计的和成功的具有连成一体的热交换管的浇铸金属的方法，发表在 《塑料机械和设备》杂志第14卷第11期第42和43页（1985年11月）、题目为“浇铸技术降低模铸费用”一文中，揭示了由本发明人提出的早期、实验性方法，在该方法中使用泡沫模型。该方法如下所述：

“……将泡沫模型放在化学粘合的砂型中，型砂化学地结合在模型周围，形成泡沫模型的精确尺寸。将施瓦伯（Schwarb）铸造厂的有专利权的金属在炉中加热，然后倒在泡沫铸模上，模型蒸发成气体，金属则充满型腔。……然后金属冷却而形成铸模的型腔或型芯。”

“将加热或冷却用的钢管放置在泡沫模型内，将熔融金属倒在管子上而不熔化它们，当金属冷却时，熔融金属凝固在管子周围，从而在铸模内形成冷却管道。……”

“这种浇铸技术的关键在于两个因素：第一，金属的成分;第二，浇注技术，这两项都是有专利权的。该铸模优于常用铸模之处在于节约了所需加工的金属量。在常用的铸模中，二块P20或类似的钢用于制造型腔和型芯，深冲（压）型腔需要有较大的切削量，而文中所揭示的铸模仅需要加工掉0.375至0.5英寸钢就可以了。……”

然而，虽然在文章中揭示了在浇铸步骤之前在型腔内包含热交换管的概念，但其中没有提出当熔融金属与管子接触时，如何处理管子的不可预计的和不能控制的膨胀运动的方法。在获得本发明所揭示的方法之前，本发明人试验了几种途径来解决这个困难的和薄弱环节的问题。

本发明人使用的一个方法是在浇铸步骤的同时通过将大量空气吹入管子以控制对管子的加热，这证明是可行的，但仍有不可预计管子运动的问题而且空气输送系统的安装和运行费用很高。

因此，需要一种利用砂型技术浇铸金属的方法，该方法在浇铸步骤的同时提供热交换管，而且要以最小的时间和费用在浇铸步骤的同时解决前述管子的热膨胀运动的问题。

本发明是一种连成整体热交换管的浇铸金属的方法，本发明克服了现有技术中不能控制热交换管膨胀运动的问题，这样铸出的金属铸件具有较高和可预计的质量。

根据本发明的方法，既可以用一次性模型也可以用永久模型进行型砂铸造。

本发明的方法在使用一次性模型的情况下，所进行的步骤如下：

按技术要求制造一次性模型，模型最好用铸造级聚苯乙烯制成;热交换管按所选择的模型表面弯曲;一次性模型最好是分块（段）的;段块有选择地取出进行特形铣，以允许管子有选择地插入其中，管子的端部用填料和型砂堵塞，然后用聚苯乙烯块盖住;管子吊钩有选择地连在管子上;将一次性模型涂上耐火涂料，然后置放在型板上，将下箱放在型板上;将型砂倒入下箱，同时沿模型的外缘捣实，且一般捣实在下箱内;在下箱充满砂之前，在靠近一次性模型处放置一聚苯乙烯材料以提供浇口，浇口形状选择得可以保证熔融金属进入一次性模型时不会喷出，即熔融金属在低压力下且以慢速度流动，最好是熔融金属以平行于管子的局部定位方向进入一次性模型;装满下箱，并整平型砂;将底板放在砂箱的顶上，然后将下箱翻转以使其放置在底板之上，移去型板且将锚定杆与前述的每一管子吊钩相连;然后将上箱放在下箱上，锚定杆伸入上箱;为了提供熔融铸造金属进入模型的通道，在上型（砂）箱中靠近浇口处插入聚苯乙烯材料以提供直浇口;然后，在上箱中在靠近一次性模型处放置适当形状的聚苯乙烯材料以提供至少一个冒口，目的是适应铸造金属的收缩;然后将型砂倒入上箱，并如上述捣实;至此铸模准备就绪了，只要将熔融铸造金属进入直浇口，就能铸出具有模型形状的金属铸件。当熔融金属进入模型时，将聚苯乙烯蒸发，管子如预计地膨胀，管子的膨胀是可预计的，这是因为由在管子的每一端的聚苯乙烯块提供的伸缩接头和管子吊钩之间 的共同作用。当金属铸件凝固时，管子呈现预定的结构并与浇铸件连成一体。

本发明方法在使用永久模型的情况下，浇铸时的步骤如下：

按技术要求制造永久模型，模型一般用木材制造，但也可以用金属、塑料、石膏或粘土制成，模型包括设置在热交换管要从型腔伸出的预先选定的位置上的型芯座;将分型剂撒在永久模型上并将永久模型放在型板上，然后将下箱放在型板上;将型砂倒入下箱且沿模型的边缘捣实，并一般地捣实在下箱内;将型砂整平，并将一底板放在下箱上，然后翻转下箱使其放在该底板上;移去型板，并将上箱放在下箱上;在上型（砂）箱中靠近模型处放置冒口模棒和直浇口模棒，另外，在上型（砂）箱内还设置若干个暗钉，以允许锚定杆以后的安装;将型砂倒入上箱且如上述捣实;从铸模的上型（砂）箱部分中移去模棒和暗钉，然后移去上型（砂）箱，将其小心地放在别处;从铸模的下型（砂）箱部分中轻轻地起出模型，并用耐火涂料涂在由永久模型脱出后形成的型腔上;在铸模的下型（砂）箱部分上形成浇口，使其与铸模的上型（砂）箱部分上的直浇口相连;将预弯曲好的热交换管放在铸模的下型（砂）箱部分内的型腔中，每一管子具有连在其上的选择数量的管子吊钩，管子的每一端设置一聚苯乙烯块且放在由型芯座提供的凹槽中;一型芯盒用于制备诸型砂模，该型砂模用于填满在铸模的下型（砂）箱部分内由型芯座产生的凹槽的其余部分;浇口构造得使熔融金属进入型腔，而不会喷出，即在低压下且以慢速度流动，最好熔融金属以平行于管子的局部定位方向进入型腔;接着将上箱放在下箱上，然后将锚定杆插入由暗钉留下的孔内，并使之与各个管子吊钩相连，然后将锚定杆固定到上型（砂）箱上。至此，铸模已准备就绪，通过将熔融铸造金属进入直浇口，即可铸成具有模型形状的金属浇铸件。当熔融金属进入型腔时，管子如所预计地膨胀，管子的膨 胀是可预计的，这是因为由在管子的每一端的聚苯乙烯块提供的伸缩接头和管子吊钩之间的共同作用。当金属铸件凝固时，管子呈现预定的结构并与铸件形成一体。

因此，本发明的目的是提供一种浇铸金属时将热交换管连成一体的浇铸方法。

本发明的另一目的是提供一种用于当上述管子浇铸在金属铸件内时可按预计地控制热交换管的热膨胀所导致的运动的方法。

本发明的这些目的及另外的目的、优点、特点和益处从下面的说明中可以更清楚地看到。

图1是根据本发明的方法具有一次性模型的砂模金属浇铸系统的侧剖面图;

图2是图1中砂模金属浇铸系统的端剖面图;

图3是根据本发明的方法将热交换管插入一次性模型内的方法的部件分解透视图;

图4是根据本发明的方法先塞以填料然后用聚苯乙烯块盖住热交换管一端的部件分解详图;

图5和图6是根据本发明的方法所制造的砂模的下型（砂）箱部分的侧剖面图;

图7是根据本发明的方法制造的、具有一次性模型的砂模的侧剖面图，图中示出了下型（砂）箱和上型（砂）箱部分;

图8和图9示出了根据本发明的方法在浇铸时，热交换管的热致膨胀和收缩运动的极值的部分侧剖面图;

图10是根据本发明的方法具有型芯座的永久模型的透视图;

图11是根据本发明的方法具有永久模型砂模的下型（砂）箱部分的侧剖面图;

图12是图11中移去永久模型后的砂模的下型（砂）箱部分的侧剖 面图;

图13是根据本发明的方法在图12中安装热交换管后的砂模的下型（砂）箱部分的侧剖视图;

图14是根据本发明的方法制造的、具有永久模型的砂模的侧剖面图，图中示出了下型（砂）箱和上型（砂）箱部分;

图15是根据本发明的方法在图14中砂模的下型（砂）箱部分中放置热交换管的透视详图。

本发明是一种用于在进行金属浇铸步骤的同时，将热交换管与浇铸金属形成一体的方法。实施本发明的较佳的方法包括两个主要步骤：在管子的端部提供管子膨胀的空间和在管子的两端之间所选择的位置上提供管子的固定（锚定）。本方法最好用于砂模铸造工艺，但并不限于砂模铸造工艺。关于实施本发明的方法的最佳方式，下面将依次描述两种砂模铸造工艺：一种是利用一次性模型的砂模铸造，另一种是利用永久模型的砂模铸造。

现参见图1至图9，下面将描述根据本发明使用一次性模型、同时具有形成整体的加热和冷却管的金属砂模浇铸的方法。

图1示出的是完整的砂模系统10，此系统已经可以注入熔融金属进行浇铸。铸模系统10由两部分组成，即下型（砂）箱12和上型（砂）箱14，下型（砂）箱由下箱16形成，上型（砂）箱由上箱18形成。下箱安放在底板20上，上箱直接安放在下箱上面。一次性模型22位于下型（砂）箱内，四面用型砂24围住，型砂在下型（砂）箱12和上型（砂）箱14内都有，因此形成具有下模部分25a和上模部分25b的铸模25。在一次性模型22中至少有预先弯曲得可以适合一次性模型的所选择的工作表面28的一根热交换管26，该表面对应于需要热交换管的金属铸件的作用表面。在管子26的每一端设置聚苯乙烯管膨胀块30，当熔融金属注入铸模25时，这些块允许管子可以以预计的方式膨胀。 将管子吊钩32接到管子26上，此吊钩通过锚定杆34锚定到铸模的上模部分25b。为了达到这个目的，锚定杆最好有帮助将锚定杆34锚定在铸模的上模部分25b中的横向部分34a，管子吊钩和与其相连的锚定杆控制一次性模型内管子26的热膨胀运动，使管子可预计地保持紧靠工作表面28。在铸模的上模部分25b内设置直浇口36，此直浇口与设置在铸模的下模部分25a中的浇口38相连，直浇口为熔融金属提供入口，浇口构造成允许熔融金属慢速地流入一次性模型22，而不会喷出，熔融金属最好以局部平行于管子26的方向流动。在铸模的上模部分25b中设置若干冒口40，以保证当熔融金属因冷却而产生收缩时，储存的熔融金属可以对收缩进行补偿。

图2是砂模系统10的端视图，图中有7根在一次性模型22中互相平行定位安置的热交换管26。

图3示出了一次性模型22如何略加修改以使其能容纳热交换管26的方法。一次性模型22是根据预定尺寸要求制造的。一次性模型最好由密度为每立方英尺一磅的铸造级聚苯乙烯制成，当然也可以使用其他形式的可挥发性材料，例如普通的泡沫聚苯乙烯，选择一次性模型材料的诸因素包括表面结构、可挥发性、残留物和可塑性。虽然不是必需的，但最好铸造级聚苯乙烯制造成一组由可拆下来的机械紧固件如金属线（图中未画出）紧固在一起的若干段块42。根据金属铸件所需要的热交换量，从一次性模型中移去若干选择的段块42a，这些所选择的段块42a的每一个上部形成一管槽44以容纳热交换管26，管槽最好是铣加工而成。另外，在所选择的段块42a形成锚定槽46，以便以后容纳管子吊钩32及其锚定杆34，将管子26弯曲得适合于各个段块42a上的管槽44，在许多通常情况下，管槽44将适合工作表面28。为了进行这一步骤，最好是为每一管槽准备模板，每个管子根据模板分别弯曲。弯曲以后，管子26应该适合管槽44且其两端48伸出管槽大约 4英寸。所选择的热交换管26在浇铸时应能够提供良好的热传输、易于弯曲和不会因弯曲和在浇铸步骤时与熔融金属接触而损坏，最好是用具有3/8英寸壁厚的1020冷拉无缝钢管，这种管子的一个例子是具有1.25英寸外径和0.5英寸内径、每英尺的重量大约为3.5磅的市售无缝碳钢管。

管子的吊钩32沿管子26以所选择的间距安装。这种管子的吊钩最好是管子可以从其眼孔中穿过的钢制有“眼”螺栓，管子吊钩必须粗得足以在浇铸步骤时经得住与熔融金属接触，并且沿管子最好每18英寸设置一个，在管子吊钩的顶部是以后将允许锚定杆34通过螺纹固定到管子吊钩32上的长螺母32a。

每根管子26安放在各自的开槽的段块42a的槽44内，必须小必确保管子表面上没有油或生锈，所有的段块42被重新安装在模板50上，然后连接在一起，形成热交换管与之形成一体的一次性模型22。

如图4所示，管子26两端用填料52塞入，每一端塞进几英寸长，填料最好用矿棉制成，然后用砂54，最好是耐火砂填满管子端部的剩余空隙部分，填料和型砂两者结合起来阻止浇铸步骤时熔融铸造金属进入管子26的端部。然后聚苯乙烯膨胀块30放在管子26的每一端，为了达到这个目的，在膨胀块上可以形成一凹槽56，使膨胀块可以通过摩擦配合套在管子端部上。

图5至图7示出了如何根据本发明的方法准备砂模系统10的方法。先用耐火涂料涂在一次性模型22上，下型箱16安放在型板50上，型砂24倒入下箱内，同时沿一次性模型22的外缘将砂捣实，并且一般地捣实在下箱内。在下箱16填满砂之前，由靠近一次性模型22的具有浇口形状的聚苯乙烯材料38a提供浇口38，浇口模型38构造保证熔融金属进入一次性模型22时不会喷出，即在低压下和以慢速流动，这可以通过提供足够大和足够数量的浇口来实现，最好熔融金属以平行于 管子26的局部定位方法进入一次性模型。填满下箱且整平型砂24，至此就完成了铸模的下模部分25a。现将底板20放在下箱的顶部，如图5所示。然后翻转下箱使其置于底板20上，如图6所示。移去型板50，每根锚定杆34通过与管子吊钩相连的长螺母32a的螺纹的啮合而拧在各自的管子吊钩32上。然后将上箱18放在下箱上，锚定杆伸入上箱之中。为了提供熔融铸造金属进入具有浇口形状的聚苯乙烯材料38a和一次性模型22的通道，在上型（砂）箱中通过在靠近浇口模型38a处提供一具有直浇口形状的聚苯乙烯材料36a而形成直浇口。接着，在上型（砂）箱中靠近一次性模型22处放置一合适形状的聚苯乙烯材料40a以形成至少一个冒口，以便适应熔融铸造金属的收缩，冒口的数量由浇铸步骤时一次性模型中熔融铸造金属预期冷却后的收缩量所决定，附图表示具有两个冒口的例子。然后将型砂24倒入上箱18且和上述一样捣实，从而形成铸模的上模部分25b。至此砂模系统10已准备就绪，可以通过将熔融铸造金属注入直浇口，形成具有一次性模型形状的金属铸件。

当熔融铸造金属进入铸模25时，由在浇铸步骤时一次性模型22的挥发所形成的型腔26被充满，蒸发了聚苯乙烯部件36a、38a和40a，管子26可预计地膨胀。如图8所示，管子的膨胀是可预计的，这是因为在管子的第一端的聚苯乙烯膨胀块30的挥发所产生的膨胀腔61和由管子吊钩32及其锚定杆34所提供的管子锚定之间的共同作用的缘故。当熔融铸造金属58凝固时，管子26呈现如图9所示的预定结构并与铸件形成整体。

现在请参见图10至图15。下面将描述根据本发明使用永久模型、铸出加热和冷却管与之形成一体的金属砂模铸件的方法。为了具有连续性和简单起见，凡是与上面描述一次性模型的方法中所使用的相同的部件都采用同样的部件编号。

先按预定尺寸要求制造永久模型62，永久模型最好用木材制成，但也可以使用金属、塑料、石膏、粘土或其他合适的而用材料。永久模型62包括分别位于其两端的型芯座64a和64b，型芯座具有在铸模的下模部分25a′中提供柱形凹槽的凸台66，以便以后可以安装热交换管26。在永久模型62上撒上分型剂后，将它放在型板50上，然后将下箱16放在该型板上。将型砂24倒入下箱，捣模型四周的砂，一般地在下箱内捣实，整平型砂，将底板20放在下箱上。然后翻转下箱使其置于底板之上，移去型板，并将上箱18放在下箱上。在上型（砂）箱中靠近永久模型62处设置冒口模棒和直浇口模棒（图中未画出），另外，在上型（砂）箱中设置若干锚定杆暗钉（图中未画出），以允许以后安装锚定杆34′。将型砂倒入上箱，并和上述一样捣实。从铸模的上模部分25b′移去模棒和暗钉，然后移去上型（砂）箱14′并小心地放在别处。从铸模的下模部分25a′轻轻起出永久模模型62，并用耐火涂料涂抹留下的型腔68。在铸模的下模部分提供浇口38′，以使与铸模的上模部分的直浇口36相连，预弯曲得与工作表面28形状相一致的预弯曲热交换管26置于铸模的下模部分的型腔68中，热交换管26最好是具有如上所述的3/8英寸壁厚的无缝碳钢管，每根管子26具有与其连接的选择数量的管子吊钩32，最好管子吊钩的间距为18英寸，每个管子吊钩上具有与其相连的长螺母32a。管子26的每一端48放置聚苯乙烯膨胀块30，管子分别放在型腔68中，以使每一端48放置在通过移去型芯座64a或64b而在型砂中形成的柱形凹槽70内。用型芯箱（图中未画出）制备铸造砂模72和74，用以填满没有被管子26或与其相连的聚苯乙烯膨胀块30占用的、由型芯座所产生的凹槽的剩余部分，如图13至图15所示。浇口38构造得使熔融金属进入型腔68而不会喷出，亦即在低压下和以慢速度流动，这可以通过设置足够尺寸和数量的浇口孔而实现，最好是如上所述的熔融金属以平行于管子26的局部定位方向进 入型腔68。现将上型（砂）箱14′重新放在下型（砂）箱12′上，如图14所示。将锚定杆34′插入锚定杆暗钉留下的孔76中且通过螺纹拧在各个长螺母32a上，然后可用任何常用的方法，例如在其上焊一块板或通过螺纹把一垫圈固定在其上。而将锚定杆34a固定到铸模的上模部分25b′上。现在砂模系统78已准备就绪，可以通过将熔融铸造金属注入直浇口36而铸出具有永久模型62的形状的金属铸件。当熔融金属进入型腔68时，管子26按可以预计的方式膨胀，管子的膨胀是可预计的，这是因为在管子的每一端的聚苯乙烯膨胀块30挥发后所形成的膨胀型腔80与各个管子吊钩及其锚定杆34a之间以上述的方式共同作用的缘故。当金属铸件凝固时，管子26以上述方式呈现出预定的结构且与金属铸件连成一体。

当按照本发明书实施本发明时，应该考虑到几个条件。首先，热交换管应该有足够的壁强度，以经受得起弯曲和可以暴露在熔融铸造金属中而不会破裂。第二，管子吊钩、长螺母和锚定杆必须足够的粗，以经受得起暴露在熔融铸造金属中;管子吊钩应该沿管子大约每隔18英寸有规则地间隔设置。第三，浇口应该构造得使熔融铸造金属以慢速度和低压流入型腔内，而不会发生有可能损坏管子的喷射;最好是熔融金属以局部平行于管子的方向进入型腔。第四，必须提供余地使管子能在其两端膨胀，这可以在型砂中简单地提供一空腔，或在型砂中放置如聚苯乙烯的可挥发材料。第五，铸造金属可以包括任何有色和经过选择的黑色金属。当浇铸黑色金属时，重要的是控制熔融铸造金属的温度和流型，以便管子不会破裂。在这方面，铸铁、合金铸铁和球墨铸铁可以安全地与上述碳钢无缝管一起使用。用于浇铸的球墨铸铁最好包括下列成分：碳：3.00至3.50%，硅：2.20至2.60%，锰：0.60至1.00%，镍：1.80至2.20%，铜：0.90至1.20%，钼：0.50至0.75%，铬：最多0.10%，磷：最多0.08%，硫：最多0.01%，其余部分是铁。

熟悉本发明所属技术领域的技术人员，对上述最佳实施例可以作出种种改变或变化，但这些改变或变化仍落在本发明的精神实质的范围以内。本发明的保护范围由权项所阐述的范围为准。