一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置

摘要

本发明提供了一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置，属于熔模铸造教学实验仪器设备技术领域。其技术方案为：一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置，包括基础平台，实验装置还包括模具系统和加热保温模块。本发明的有益效果为：本发明实验装置集约空间和可移动；本套设备模块尺寸较小，基础平台设计有可以移动的脚轮，占用空间少，便于搬运，同时集成化程度较高，便于按需成组选用、安装与调试；基于该装置开展实验的重复精度和可比性好。

说明书

技术领域

本发明涉及熔模铸造教学实验仪器设备技术领域，尤其涉及一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置。

背景技术

铸造是现代基础机械制造工业的基础工艺之一。铸造工艺涉及的流动性实验是普通高等院校机械工程类专业的基础实验课程。流动性是合金的铸造性能之一，直接影响液态合金的充型能力。流动性越好的合金，充型能力越强，越能浇出轮廓清晰、薄壁而复杂的铸件，同时也有利于夹杂物和气体的上浮与排出和凝固过程的缩补；而流动性差的合金难以充满型腔，充型能力差，易产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣等缺陷。通过流动性实验教学使学生了解材料流动性的概念、测试方法及影响因素，同时对工程材料及材料成形的基本知识有较全面的认识。

随着技术的发展，熔模铸造逐渐发展壮大。熔模铸造又称精密铸造或失蜡铸造，它是用易熔材料(蜡料等)制成精确的可熔性模型，在模型上涂以若干层耐火涂料，经过干燥、硬化成整体型壳，然后加热型壳熔失蜡料，再经高温焙烧而成为耐火型壳，将液体金属浇入型壳中，待冷却后即成铸件。与其它铸造方法相比，熔模铸造的主要优点如下：铸件尺寸精度较高和表面粗糙度较低，可以浇注形状复杂的铸件，一般精度可达5-7级，粗糙度达两Ra25-6.3μm；可以铸造薄壁铸件以及重量很小的铸件，熔模铸件的最小壁厚可达0.5mm，重量可以小到几克；可以铸造花纹精细的图案、文字、带有细槽和弯曲细孔的铸件；熔模铸件的外形和内腔形状几乎不受限制，可以制造出用砂型铸造、锻压、切削加工等方法难以制造的形状复杂的零件，而且可以使有些组合件、焊接件在进行结构改进后直接铸造成整体零件，从而减轻零件重量、降低生产成本；铸造合金的类型几乎没有限制，常用来铸造合金钢件、碳钢件和耐热合金铸件；生产批量没有限制，可以从单件到成批大量生产。随着熔模铸造工艺的发展，模料的种类日益繁多，组成各不相同。通常按模料熔点的高低将其分为高温、中温和低温模料。低温模料的熔点约60℃，我国目前广泛应用的石蜡—硬脂酸混合料作为低温模料使用。高温模料的熔点高于120℃，组成为松香50％、地蜡20％、聚苯乙烯30％的模料即为较典型的高温模料。中温模料的熔点介于上述两类模料之间，现用的中温模料基本上可分为松香基和蜡基模料两种。

随着铸造工业技术的发展，对高等学校实验实践教学提出了新的要求，需要面向熔模铸造开展低熔点材料的流动性测量教学实验。ZL2020211803071(CN 212112981 U)专利引入了新型加热技术和装置，解决了明火电炉存在的火灾隐患，ZL2020211815083(CN212161048 U)专利设计了由两个浇口杯板拼接的浇口杯，解决了传统实验装置浇口杯不易清理问题，ZL2020211806652(CN 212254969 U)专利设计了较长的蛇形流道，解决了原来较短的直线型流道实验现象不明显的问题。通过调研和使用实验室现有新型流动性实验设备的基础上，发现实验室现有新型材料流动性实验设备仍存在一定的缺陷，无法进一步满足或达到实验的高标准要求。通过调研和多次使用后发现：实验室现有新型材料流动性实验设备的蛇形流道弯道处蜡料流动速度不均，导致实验过程数据可比性下降；同时实验过程中无法对模具本体进行长时间的保温，导致冬夏时节外部环境温度变化，设备的重复实验现象降低；此外，现有实验设备存在浇口杯较小问题，在浇注过程中易出现断流和闪流等问题。

目前存在以下几个问题：

1、现有实验设备存在着无法对流动性模具本体进行加热和保温，实验过程容易受季节变化带来的室温变化影响，进而导致实验数据在不同室温下重复性下降，且需要更多的时间对蜡料进行冷却以达到实验要求。

2、该实验设备进行流动性实验时是将蜡料分别加热到65℃与75℃，比较两者在平板模中的形成的固态蜡料截面质量与流动长度来分析材料的流动性，但是在实际实验中，蛇形流道的设计弯道处足导致65℃与75℃的蜡料流速不均匀，导致变量增加，增加了实验的不确定性。

3、实验过程中，由于现有浇口杯较小，缓存蜡料有限，因操作不当，容易出现闪流和断流等不利实验因素，且需要螺栓锁紧，拆装便利性有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置，进一步提升新型的材料流动性实验教学设备品质和推广应用价值。

本发明的思想是：通过加热舱体设定不同的温度，对蜡料进行熔化，每一个加热舱体内加热不同配方的蜡料，同时实现不同温度、不同组分的蜡料流动性实验对比，根据实验需求的不同，设置模具，可一次完成不同温度、不同材料之间蜡料的对比。

为了更好地实现本发明目的，本发明还提供了一种基于本螺旋流道的材料流动性实验装置的实验操作流程：蜡料放置在浇口杯内，在加热舱体内熔化，熔化后的液态蜡料经模具系统内的浇注口浇注至模具流道内，液态蜡料在模具内流动充型和凝固后，通过模具内蜡料流动的长度反映不同实验条件对材料流动性能的影响，蜡料在模具内流动的越长，其流动性能越好；同时结合可视化的透明PC板，可以直观观察不同浇注条件下获得试样的表面形貌和质量。

本发明是通过如下措施实现的：一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置，包括基础平台，其中，所述实验装置还包括模具系统和加热保温模块。

所述基础平台包括由操作台面和机架构成的操作台、设置在其一侧的储物舱，底部四角设置有水平调节支撑型脚轮，其另一侧下方设有滑动架，所述储物舱用于收纳实验蜡料和实验工器。

所述水平调节支撑型脚轮对操作台的机架进行移动和调平，确保操作台面保持水平。

所述滑动架前后左右移动，以适应多种尺寸的加热保温模块。

所述模具系统包括锥形浇口杯、锥形浇口杯套、六角螺母、透明可视化PC材质的上模板、定位销、带有螺旋流道的下模板、加热保温垫、隔热保温层、保护底壳、紧固螺钉和带螺柱的调平底座。

所述加热保温模块包括金属烧杯、隔网和加热舱体，所述加热舱体设定温度范围为40-300℃，用于温度恒定控制，通过隔网的隔断一次可容纳4个金属烧杯。

作为本发明提供的一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置进一步优化方案，所述基础平台的机架左侧安装加热保温模块；操作台面上方布置两组模具系统；模具系统自带的引出电缆线通过操作台面中间孔位穿线至下方，与加热保温模块电缆合并一组开关或插排后引出至外部供电设施。

机架可以由铝型材构建，也可以由型钢等构建，图示例为基于铝型材构建。放置螺旋流动模具以及相关实验器材，机架右侧留有柜子以便于各类实验物品的收纳。

作为本发明提供的一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置进一步优化方案，在所述模具系统中，所述加热保温垫、隔热保温层和保护底壳依次扣在下模板底面上，采用紧固螺钉锁紧。

模具底座安装在带螺柱的调平底座上，定位销将下模板与上模板定位，采用六角螺母将所述透明可视化PC材质的上模板与下模板和上模板锁紧固定，所述带螺柱的调平底座用于调平下模板与上模板；

所述锥形浇口杯套嵌入上模板配套的锥形孔中，锥形浇口杯嵌入锥形浇口杯套内。

所述流道采用螺旋流道，流道长度为2000～3500mm，流道长度采用50mm刻度，便于实验数据的测量和读取。

作为本发明提供的一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置进一步优化方案，所述加热保温模块由加热器件和温度控制单元构成的加热舱体、内置在所述加热舱体内的隔网和设置在所述加热舱体内的隔网上若干个融化蜡料的金属烧杯组成。

该金属烧杯具有长倾倒嘴，加热舱体由不锈钢材料制成，加热器件为电阻丝制作，温度控制单元用于温度设定和加热温度实时检测，达到目标加热温度，具备自动保温功能，一个加热保温模块内可设置两种不同的液体蜡料，加热保温模块可恒温加热或调节加热温度。

为了更好地实现本发明目的，本发明还提供了一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置的模具系统的安装方法：包括以下步骤：

步骤一，完成模具底座部分组装，依次将加热保温垫，隔热保温层，保护底壳扣在下模板底面上，再采用紧固螺钉锁紧；

步骤二，将模具底座一起安装到带螺柱的调平底座上，再安装将透明可视化PC材质的上模板，同时采用定位销进行下模板与上模板的定位，采用六角螺母将上述部分锁紧，利用带螺柱的调平底座调平下模板与上模板；

步骤三，将锥形浇口杯套嵌入上模板配套的锥形孔中，再将锥形浇口杯嵌入锥形浇口杯套内。

流道采用螺旋流道，流道长度一般选用整数，流道长度一般为2000-3500mm，且标记的刻度线环绕布置在螺旋流道外侧，不破坏流道截面完整性，流道长度采用50mm刻度，便于实验数据的测量和读取，同时为保证实验数据的重复再现性提供基础。

为了更好地实现本发明目的，本发明又提供了一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置的实验方法：包括以下步骤：

第一步，实验准备：检查实验设备，清理实验装置及流道等表面浮尘及杂物，接通实验设备电源，打开加热保温装置开关，设置目标加热保温温度；

第二步，模具预热，确认接通实验设备电源，进而打开模具系统加热保温垫加热开关，设定目标加热和保温温度，使模具系统预热到设定温度；

第三步，配置蜡料：根据需求配方配置蜡料，并装入金属烧杯；

第四步，熔化蜡料：将装有蜡料的金属烧杯放置于加热保温装置内，根据实验温度条件加热和熔化蜡料；

第五步，浇注试样：将熔化好的两种温度条件和两种配方的四组蜡料浇注到相应模具系统；

第六步，切断电源：完成浇注实验过程后，及时切断加热保温垫的电源，以便螺旋流道内蜡料尽快散热凝固，同时切断加热保温装置电源；

第七步，观察实验现象及记录结果：观察不同浇注条件下获得试样的表面质量，记录不同浇注条件下获得的浇注试样的充型长度；

第八步，清理蜡料：待模具系统冷却至室温，清理模具系统及基础平台上蜡料，为下一次实验做好准备；

第九步，结束实验：恢复实验设备及工器具摆放，结束实验。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)流动性模具系统的加热和恒温控制模块，现已存在的试验台和流动性模具不具有加热和保温的功能，本发明的模具系统具有自加热和恒温控制模块，在模具下模板底面布置一层电加热保温垫，电加热保温垫下方再依次布置保温层和保护壳体，同时从电加热保温垫引出电缆至其温度控制模块，温度控制模块具备设定目标加热温度和实时检测功能，确保加热温度在目标温度下进行保温，从而实现模具系统自身的温度精确控制，解决实验设备处于不同地域不同季节的环境温度影响，提高实验的重复精度和可比性；该电加热保温垫同时具备模拟工业实际生产模具的加热保温功能，通过自加热和恒温控制模块操作进而增强实验过程中实验的可靠性以及实验结束后实验结果的准确性。

(2)基于阿基米德螺旋线的螺旋流道设计，在现已有的流动性实验设备中采用的流道为蛇形流道，将导致在实验过程中蛇形流道的设计弯道处导致65℃与75℃的蜡料流速不均匀，导致变量增加，增加了实验的不确定性，使材料流动长度结果的可比性下降。因此将蛇形流道更替成螺旋流道成功规避因设计弯道处不足导致流速不均的问题，实现实验的准确性。螺旋流道自中心起点开始依次向外左右定长标记刻度，该示例定长刻度为50mm，包括但不限于该刻度长度标记方法，也可以采用金属打标方法，在每个刻度线位置标记具体长度数值。同时该标记不会破坏流道的完整性，进一步保证实验结果，材料流动长度的精准性。

(3)实验组织方面，本实验装置采用螺旋流道模具系统和基础平台组合方式，可根据不同情景下实验要求进行实验模块组合。一套实验装置包括：一个基础平台配置两套模具系统、一个加热舱以及必要工具如温度计。一套实验装置可完成两种蜡料在同一温度条件下的对比实验；借助温度计也可以实现同种材料在不同温度下的浇注实验对比。两套实验装置组合可以开展不同材料和不同温度的两水平两因素全交实验研究。三套实验装置组合实现可以开展两种不同材料在三种不同温度条件下的对比实验；也可以开展三种材料在两种不同温度条件下的对比实验。因此可满足不同实验条件和实验蜡料组合的流动性对比实验，实现多台同时操纵。根据本实验装置自身的可移动和装配性，可由不同实验人员根据实验要求自行配置，实现实验设备的简捷方便。

(4)锥形浇口杯套及其紧固装置。紧固装置设计由圆锥型浇口杯和圆锥套筒组成，圆锥型浇口杯和圆锥套筒嵌入相连(可拆卸)，再通过圆锥套筒连接螺旋流道模具底座；通过此种设计，模具与圆锥型浇口杯相连不需要螺母螺栓紧固，具有良好的自锁性、操作方便、结构简单和拆卸方便。模具本身的紧固，不会对模具摆放位置造成影响，不会产生实际实验时的干涉问题，无需另外制造或选购紧固装置，降低成本。借助此设计进一步改进装置清理蜡料困难的问题，清理更加方便。

(5)实验蜡料清理方面。流动性模具浇口杯采用锥形浇口杯结构设计，便于实验后清理蜡料，使实验清理工作变得简单便捷，实验装置材料选用耐锈蚀材料(不锈钢、铝合金、PC板)，有效地提升了设备的使用寿命。同时，浇口杯采用不锈钢材料制造，使实验装置亦可以配置多个浇口杯，使用后，方便投入“加热仓”重熔浇道中蜡料，重复利用材料和浇口杯。

(6)集约空间和可移动；本套设备模块尺寸较小，基础平台设计有可以移动的脚轮，占用空间少，便于搬运，同时集成化程度较高，便于按需成组选用、安装与调试。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明一套螺旋流道的材料流动性实验装置的整体结构示意图。

图2为本发明两套实验装置组合排布结构示意图。

图3为本发明三套实验装置组合排布图。

图4为本发明中模具系统爆炸示意图。

图5为本发明中螺旋流道底板结构示意图。

图6为本发明中螺旋流道底板局部放大示意图。

图7为本发明中模具系统整体装配图。

图8为本发明中模具系统沿中心垂直方向剖面示意图。

图9为本发明中加热保温模块结构示意图。

图10为本发明中基础平台结构示意图。

图11为本发明基于螺旋流道的材料流动性实验装置的实验流程图。

其附图标记为：1、基础平台；2、模具系统；201、锥形浇口杯；202、锥形浇口杯套；203、六角螺母；204、透明可视化PC材质的上模板；205、定位销；206、带有螺旋流道的下模板；207、加热保温垫；208、隔热保温层；209、保护底壳；210、紧固螺钉；211、带螺柱的调平底座；212、流道；3、加热保温模块；401、金属烧杯；402、隔网；403、加热舱体；501、操作台；502、储物舱；503、水平调节支撑型脚轮；504、滑动架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1至图11，本发明提供其技术方案为，一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置，包括基础平台1，其中，实验装置还包括模具系统2和加热保温模块3；

基础平台1包括由操作台面和机架构成的操作台501、设置在其一侧的储物舱502，底部四角设置有水平调节支撑型脚轮503，其另一侧下方设有滑动架504，储物舱502用于收纳实验蜡料和实验工器具。

水平调节支撑型脚轮503对操作台501的机架进行移动和调平，确保操作台面保持水平；

滑动架504前后左右移动，以适应多种尺寸的加热保温模块3；

模具系统2包括锥形浇口杯201、锥形浇口杯套202、六角螺母203、透明可视化PC材质的上模板204、定位销205、带有螺旋流道的下模板206、加热保温垫207、隔热保温层208、保护底壳209、紧固螺钉210和带螺柱的调平底座211；

加热保温模块3包括金属烧杯401、隔网402和加热舱体403，加热舱体403设定温度范围为40-300℃，用于温度恒定控制，通过隔网402的隔断一次可容纳4个金属烧杯。

作为本发明提供的一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置进一步优化方案，基础平台1的机架左侧安装加热保温模块3；操作台面上方布置两组模具系统2；模具系统2自带的引出电缆线通过操作台面中间孔位穿线至下方，与加热保温模块3电缆合并一组开关或插排后引出至外部供电设施。

机架可以由铝型材构建，也可以由型钢等构建，图示例为基于铝型材构建。放置螺旋流动模具以及相关实验器材，机架右侧留有柜子以便于各类实验物品的收纳。

作为本发明提供的一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置进一步优化方案，在模具系统2中，加热保温垫207、隔热保温层208和保护底壳209依次扣在下模板206底面上，采用紧固螺钉210锁紧；

模具底座安装在带螺柱的调平底座211上，定位销205将下模板206与上模板204定位，采用六角螺母203将透明可视化PC材质的上模板204与下模板206和上模板204锁紧固定，带螺柱的调平底座211用于调平下模板206与上模板204；

锥形浇口杯套202嵌入上模板204配套的锥形孔中，锥形浇口杯201嵌入锥形浇口杯套202内；

流道212采用螺旋流道，流道长度为2000～3500mm，流道长度采用50mm刻度，便于实验数据的测量和读取。

作为本发明提供的一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置进一步优化方案，加热保温模块3由加热器件和温度控制单元构成的加热舱体403、内置在加热舱体403内的隔网402和设置在加热舱体403内的隔网402上若干个融化蜡料的金属烧杯401组成；

该金属烧杯401具有长倾倒嘴，加热舱体403由不锈钢材料制成，加热器件为电阻丝制作，温度控制单元用于温度设定和加热温度实时检测，达到目标加热温度，具备自动保温功能，一个加热保温模块内可设置两种不同的液体蜡料，加热保温模块可恒温加热或调节加热温度。

为了更好地实现本发明目的，本发明还提供了一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置的模具系统的安装方法：包括以下步骤：

步骤一，完成模具底座部分组装，依次将加热保温垫207，隔热保温层208，保护底壳209扣在下模板206底面上，再采用紧固螺钉210锁紧；

步骤二，将模具底座一起安装到带螺柱的调平底座211上，再安装将透明可视化PC材质的上模板204，同时采用定位销205进行下模板206与上模板204的定位，采用六角螺母203将上述部分锁紧，利用带螺柱的调平底座211调平下模板206与上模板204；

步骤三，将锥形浇口杯套202嵌入上模板204配套的锥形孔中，再将锥形浇口杯201嵌入锥形浇口杯套202内。

流道212采用螺旋流道，流道212长度一般选用整数，流道212长度一般为2000～3500mm，流道长度采用50mm刻度，便于实验数据的测量和读取。

采用本套实验装置进行了蜡料流动性测量实验，实验流程如图6所示，实验现象明显，实验蜡料流动和充型结果如表1所示。

实验步骤如下举例集成两套实验装置模块化单元的流动性实验设备实验步骤：

为了更好地实现本发明目的，本发明又提供了一种基于螺旋流道的材料流动性实验装置的实验方法：包括以下步骤：

第一步，实验准备：检查实验设备，清理实验装置及流道等表面浮尘及杂物，接通实验设备电源，打开加热保温装置开关，设置目标加热保温温度；

第二步，模具预热，确认接通实验设备电源，进而打开模具系统2加热保温垫207加热开关，设定目标加热和保温温度，使模具系统2预热到设定温度；

第三步，配置蜡料：根据需求配方配置蜡料，并装入金属烧杯；

第四步，熔化蜡料：将装有蜡料的金属烧杯放置于加热保温装置内，根据实验温度条件加热和熔化蜡料；

第五步，浇注试样：将熔化好的两种温度条件和两种配方的四组蜡料浇注到相应模具系统2；

第六步，切断电源：完成浇注实验过程后，及时切断加热保温垫207的电源，以便螺旋流道内蜡料尽快散热凝固，同时切断加热保温装置电源；

第七步，观察实验现象及记录结果：观察不同浇注条件下获得试样的表面质量，记录不同浇注条件下获得的浇注试样的充型长度；

第八步，清理蜡料：待模具系统2冷却至室温，清理模具系统2及基础平台1上蜡料，为下一次实验做好准备；

第九步，结束实验：恢复实验设备及工器具摆放，结束实验。

实验效果及结果：

采用本套设备进行了流动性实验，其中一组实验结果如下。

表1不同配方条件下浇注实验充型长度结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。