[发明专利]“随形加散热片”的金属型设计

说明书

一、所属技术领域

本发明涉及一项机械产品的设计方法，具体是“随形加散热片”的金属型设计。

二、背景技术

在批量铸件的生产中，金属型被广泛采用。通常，金属型的外形都采用简单的几何体。这种简单几何体金属型的壁厚不均匀，导致铸件的硬度不均。对于工作中需要滚动的铸件，如球磨机用的铸造磨球，会因为硬度不均破坏圆整度，降低效率，增加消耗。

传统铸件生产中，铸件表面的硬度永远是最高的，这对于表面需要精加工的铸件，如发动机的球铁曲轴、碴浆泵和阀门的过流件、密封件，这样的金属型就显得不经济了，因为铸件表面的机械性能最好的“等轴细晶粒组织”要被无奈地切除，而使用性能较差的部分，使寿命降低，造成浪费；增加工时，加大成本。

还有的铸件，例如，球磨机的衬板，在工作中是磨损消耗的，由于铸件内部的硬度低，使用寿命缩短。

这些都造成了浪费。

和砂型铸件一样，金属型铸件也普遍存在内部结晶粗大，疏松的问题，影响铸件的质量。

所以金属型需要解决的有两个问题，一个是硬度不均匀的问题，另一个是提高内部硬度的问题。

二、发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种新的金属型设计方法：“随形加散热片”的金属型设计。

本发明采用两种手段解决上述问题：“随形”用于使铸件尽量散热均匀，从而使硬度也尽量均匀；“散热片”用于提高铸件内部的冷却强度，使铸件内部也能形成“等轴细晶粒组织”，从而提高铸件的强度。

所谓“随形”，是指铸型的外形，尽量随铸件的外形变化而变化，不再是简单的几何体。

采用“随形”的设计，能尽可能地让金属型的外形与铸件的外形一致，使金属液的散热比较均匀，硬度就能比较均匀。但铸造总有浇口、浇道，因此局部硬度不均是不可避免的。

金属液在金属型中的冷却、凝固，是金属型吸热和通过金属型表面散热(辐射)的结果。通常，为了获得足够的冷却强度，金属型的重量要达到全部金属液重量的5倍以上。

但金属型和砂型有着本质的区别：金属型是比较好的热传导体，而砂型是不良的热传导体。这就是说，对于金属型，我们也可以利用其良好的导热性，用增加散热面积的办法来获得铸件需要的冷却强度，而不需要强调金属型的热容量。

吸热和散热一样，都是当温差越大时，热交换越激烈。当金属液进入金属型时，温差超过1000℃，热交换急剧进行；而此时铸型表面与空气的温差最多只有300℃左右，且空气的导热系数大大低于金属型，散热较缓慢。所以在初始阶段，吸热总是大于散热；铸件表面很快结晶、凝固，形成等轴细晶粒组织。一般情况下，由于散热面积小，在一段时间内，散热梯度总是小于吸热梯度；而吸热是有限的，所以铸件内部没有足够的冷却强度，结果使结晶粗大，甚至疏松、缩孔。

但由于金属型是较好的热传导体，金属液进入金属型后，金属型的吸热梯度很快就会减小，而散热梯度将逐渐提高。如果金属型的表面积足够大，大大提高了铸型表面的热辐射，散热梯度就能很快提高，以至于在铸件内部的某个深度开始，吸热梯度小于散热梯度，从而得到足够的冷却强度，使铸件内部也能形成较较理想的结晶组织，提高铸件的品质。

由于金属型在浇铸开始时能获得大的冷却强度，所以铸件总是由外向里冷却、凝固，使表面的硬度高。要想使铸件表面的硬度低于内部的硬度，可以适当减少金属型的重量。

2005年，本发明人采用此种方法在山西设计了一副生产Φ110mm铸造磨球的金属型。其外形不再是圆柱体，而是随其分布的4个球型改为4个半球形，并设有加强筋(散热片)，使散热表面积为现行金属型表面积的5.3倍，表面积提高了4倍多。用它们生产的磨球进行对比试验，获得了满意的结果，证实了这种设计方法是完全正确的。

附图1为现行的传统金属模结构图。附图2、3为新设计的金属模结构图。

对比试验采取同一炉铁水用现行金属型和新设计的金属型同时浇铸，所得磨球热处理后采样进行性能检测，检测结果如下(以下简称“新”、“旧”磨球)。

1、硬度对比如下：(硬度单位全部采用RHC)

说明：①、磨球硬度检测的方法是通过球心将磨球剖开，分别在剖面的圆周、3/4R形成的圆周、1/2R形成的圆周、1/4R形成的圆周和球心各取4个点检测硬度，取平均值代表该半径构成球面(实际上是是圆周)的硬度。

②、△H₁为同一球的相邻(由球面至球心)圆周的平均硬度差。