專利名稱：制造輕金屬鑄件的方法以及實施該方法的鑄型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造輕金屬鑄件、特別是制造內(nèi)燃機汽缸蓋、汽缸體和/或曲軸箱的方法，該方法使用一個形成鑄件型腔的一次性砂鑄型，該鑄型包括外型、至少一個型芯以及至少一個形成壓鐵(Druckmassel)的冒口。上述鑄型設(shè)有一個金屬液澆口，金屬液在重力作用下澆入型腔。
用一次性的砂型、永久鑄型(金屬型)以及由永久型件(半金屬型)和砂型件組裝而成的鑄型來制造輕金屬鑄件已經(jīng)公知。對于鑄件的批量生產(chǎn)來說，一次性砂型的主要優(yōu)點一方面在于砂型制造的高生產(chǎn)率，另一方面在于澆鑄中澆注周期的高生產(chǎn)率，而在金屬型鑄造中鑄造過程之后還必須使金屬型冷卻直到其能再使用。由于用于制造外型件和型芯的砂子還能夠再利用，重又開始用一次性砂型高效地鑄造輕金屬鑄件，如內(nèi)燃機的汽缸蓋。在砂型中澆注金屬液總是通過重力作用來實現(xiàn)的，大多為底注。為了改善組織，在鑄型上設(shè)置冒口，該冒口在高大鑄件時具有對應(yīng)于鑄件質(zhì)量的冒口體，作為所謂的壓鐵(Druckmassel)。但是和金屬型鑄造相比，砂型鑄造的缺點是具有較粗大的組織，并可能出現(xiàn)顯微疏松。
另一種公知的方法是在金屬型-永久鑄型中低壓鑄造輕金屬融液，它是通過用氣體對金屬型中的金屬液加壓的方法而得到一種細密的組織(DE-A-2133421，DE-A-2818442)。由于金屬型的強度，加壓不存在問題，然而，由于金屬型的冷卻時間非常長，對于高的生產(chǎn)率來說就需要大量的極其昂貴的金屬型。當鑄件頻繁變化時，就需要大量地改變金屬型，或者需要重新制造。
由DE-B-1135619已知一種方案，它使用一種具有固定上箱和固定下箱的普通砂型，為了制造出具有細密組織的金屬鑄件，由上箱和下箱組裝而成的砂型蓋有一個密封罩，或者將上箱和下箱相互密封連接并在砂箱的自由表面上放置同樣密封的罩，然后用金屬液充填型腔。用壓力氣體對上述密封罩的內(nèi)腔加壓，壓力氣體則經(jīng)型砂的孔隙、特別是經(jīng)冒口和出氣孔區(qū) 域的自由金屬液表面壓縮地作用于金屬液。盡管使用砂型，但該方法還是費時，因為或者必須在砂型上設(shè)置一個完整的罩，或者在組裝砂型時必須小心，使下箱和上箱以及其上安置的加壓罩無缺陷地相互密封連接。
由US-A-2 960 736已知一種解決密封問題的方案，它是在冒口開孔上加裝一個加壓罩，加壓罩具有一個密封環(huán)，密封環(huán)插入冒口內(nèi)的金屬液中。這種裝置的缺點是，為了密封冒口的端部，必須形成一個相當大的金屬液表面，而不依賴于所鑄鑄件的尺寸，這樣，在將成品鑄件與冒口分開之后，還必須熔化相當多的回爐料。
本發(fā)明的任務(wù)是，改進在一次性砂型中輕金屬鑄件在重力作用下的鑄造，提高鑄件的質(zhì)量，特別是獲得一種非常細密的組織，防止顯微疏松，此外，減少以壓鐵形式出現(xiàn)的冒口料的體積。本發(fā)明中輕金屬主要包括鋁及鋁合金。
本發(fā)明是通過這種方法完成上述任務(wù)的，即在鑄型上安置一個至少在部分區(qū)域不透氣的蓋芯，該蓋芯至少包括一個冒口，并且，在充型過程結(jié)束之后，立即對充有金屬液的冒口用壓力氣體施加壓力。
用本發(fā)明的方法，即使對一次性的砂型，也能夠通過在壓鐵上施加一種輔助壓力來改善，壓實和細化凝固金屬的組織，因為通過設(shè)置不透氣的蓋芯而能夠直接導入壓力氣體。同時，和使用一次性鑄型的傳統(tǒng)鑄造方法相比，本發(fā)明中壓鐵的體積或質(zhì)量可減少約一半，從而可大大減少回爐料。本發(fā)明中“不透氣的”的概念除了字義上的不透氣外，還包括具有高的氣流阻力的透氣，該氣流阻力在施加氣壓并具有合理的小的漏損時保證在金屬液之上建立起所要求的壓力。
本發(fā)明方法的其他有利方案在權(quán)利要求2-8中給出。在本發(fā)明方法的一個優(yōu)選實施例中，對冒口中熔融金屬的加壓是在金屬液處于第一臨界凝固區(qū)期間進行的，也就是在金屬液還熱的時候進行，以便能夠由施加的壓力對整個型腔中仍為流態(tài)的金屬液產(chǎn)生相應(yīng)的影響。上述第一臨界凝固區(qū)大約至500℃的輕金屬液冷卻溫度，低于該溫度施加壓力作用有限(權(quán)利要求5、6)。
為了在充型過程結(jié)束、而填充的金屬液還沒有凝固的時候以簡單的方式對胃口中的金屬液加壓，建議，在冒口和含有冒口的蓋芯之上隔出一個空腔，密封該空腔并為其設(shè)置一個施加壓力空氣的接頭(權(quán)利要求7)。在冒口加壓結(jié)束之后，上述隔出的空腔可用于下一個方法步驟，即給冒口之上的空腔接通一個負壓并同時將在高溫鑄造時主要由鑄型逸出的氣體吸走(權(quán)利要求8)。
本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)本發(fā)明方法的(一次性)鑄型，其特點是，該鑄型包括外型、至少一個型芯以及至少一個形成壓鐵的冒口，其中設(shè)置一個至少包含一冒口的蓋芯，在該蓋芯之上可安置一個密封住冒口區(qū)域的加壓罩，并且所述的蓋芯至少在加壓罩的安置區(qū)域是不透氣的。
為了對由砂子制造的蓋芯也能無缺陷地施加壓力，本發(fā)明鑄型的另一種方案是，所述包含冒口、由砂子制成的蓋芯在其表面至少于加壓罩的安置區(qū)域涂覆一種型芯涂料，以使之不透氣。該蓋芯本身也可以是由多個單個型芯組裝而成的一個蓋芯，各單個型芯都是不透氣的，而且這些單個型芯必須至少在冒口區(qū)域相互密封連接。該蓋芯或者這些蓋芯使得能夠在金屬充型之后用壓力氣體對設(shè)于蓋芯中的冒口施加壓力，以便用這種方式在凝固中獲得一種改善的細密的鑄件組織，同時減小冒口的體積，即壓鐵的體積。
本發(fā)明另一個有利的設(shè)計是，通過適當?shù)剡x擇鑄型材料和粘結(jié)劑來構(gòu)造蓋芯，以使蓋芯能夠承受直到1巴的壓力。為獲得所希望的細密組織，實施本發(fā)明的方法僅需要1巴之下的較小的壓力。
設(shè)置于蓋芯之上以產(chǎn)生加壓空腔的加壓罩還可用于本發(fā)明的另一方面，即用于吸出因金屬液的熱作用而產(chǎn)生于型砂和芯砂的煙氣。因此加壓罩應(yīng)這樣構(gòu)成，即，在金屬液凝固及結(jié)束壓鐵加壓之后能夠立即將一個負壓連接到加壓罩所覆蓋的空腔上。為此，給加壓罩設(shè)置另一個接頭，該接頭可連接到一個抽吸裝置上。
密封蓋芯的一種有利方式是利用浸沾或噴涂的方法涂覆一種呈分散體系的型芯涂料。用型芯涂料進行的這種表面處理還提高了蓋芯的強度。型芯涂料用于涂覆制造灰鑄件的砂芯以獲得光滑無氣孔的表面已基本公知。
對于本發(fā)明蓋芯的配置來說，為了使之不透氣，型芯涂料是將耐火填料分散在一種有機溶劑中構(gòu)成的。這種涂料還可以附加地含有石墨。合適的耐火填料有硅酸鹽耐火材料，如硅酸鋯、硅酸鎂和/或硅酸鋁。此外，在型芯涂料中還可以含有作為耐火填料的氧化鐵，以及可以含有不超過1％(重量)的少量合成樹脂。
可行的型芯涂料如前述分散體系，但是也可以使用能使砂芯表面不透氣的其他材料的組合。
為了進一步改善在本發(fā)明的砂型中所形成輕金屬鑄件的組織，建議，給砂制的外型設(shè)置可至少局部包圍到鑄型上并能夠移向和離開鑄型的支承殼板，其最好能由一種耐用材料如金屬制成。該支承殼板用于在澆鑄及對鑄型中處于第一臨界凝固區(qū)的金屬液施加壓力期間從外部承壓到鑄型之上。
用本發(fā)明的鑄型可以實現(xiàn)一種重力澆鑄輕金屬鑄件的新的經(jīng)濟的方法，特別是使用砂型(包括外型和型芯)重力澆鑄諸如高質(zhì)量的內(nèi)燃機汽缸蓋和汽缸體之類的復雜部件。在澆注過程結(jié)束之后立即經(jīng)冒口中的金屬液對鑄件施加壓力，可以均勻地在整個鑄件內(nèi)部獲得一種細密組織，這樣，一方面利用了一次性砂型的優(yōu)點，另一方面又達到了只有在金屬型鑄造中才能得到的高質(zhì)量。
下面根據(jù)實施例附圖進一步描述本發(fā)明。


圖1表示一個鑄型；圖2表示圖1的鑄型配有一個加壓罩；圖3是一個曲軸箱鑄型側(cè)視的分解圖；圖4是圖3所示鑄型在裝配狀態(tài)下的示意圖；圖5表示圖1所示的鑄型帶有附加吸罩。
圖1示出了一個鑄型1的橫截面，其具有一個型腔2，用于鑄造簡單的旋轉(zhuǎn)對稱鑄件。鑄型1是一次性的，它由外型3.1，3.2和一個內(nèi)置的型芯4構(gòu)成，并且還設(shè)有一個蓋芯5，蓋芯5具有構(gòu)成壓鐵(Druckmassel)的冒口6。外型3.1，3.2在分型面7配合在一起，并且型芯4可以是由多件組配成的一個芯組。外型和所制型芯7或芯組的數(shù)量及劃分取決于所鑄鑄件的結(jié)構(gòu)。此外，在鑄型1上具有一個金屬液澆口8。所述的蓋芯5也可以由多個芯件組裝而成，并可具有一個或多個冒口6。
在圖2中，鑄型1已經(jīng)澆入了金屬液并且形成鑄件9的型腔已被充滿，其中，蓋芯5的冒口中有壓鐵10。
為了在金屬液填充型腔之后得到一種致密和均勻的組織，并避免產(chǎn)生顯微疏松，經(jīng)冒口6在構(gòu)成壓鐵10的金屬液上施加一個氣壓P，該氣壓P可以到1巴。
為了能夠?qū)⑸鲜鰤毫?jīng)過冒口6施加到型腔中的金屬液上并直到其凝固，在蓋芯5上密封地加上了一個加壓罩11。加壓罩11有一個導入壓力氣體的接頭12。
上述由砂子以公知方式制成的蓋芯5一般是有微孔的，并因此可以透氣。為了能夠經(jīng)冒口6用壓力空氣對仍是液態(tài)的金屬液加壓，蓋芯5的上表面至少在加壓罩11所覆蓋的區(qū)域內(nèi)由一種型芯涂料所涂覆，從而在該涂覆區(qū)域是不透氣的。蓋芯5表面的這種密封例如可以通過將蓋芯5浸入一種型芯涂料中而得以實現(xiàn)。該型芯涂料例如是由耐火填料在一種有機溶劑中所形成的分散體系所構(gòu)成的，如由硅酸鋯、碳、少量合成樹脂及由丙酮改性并含有一些水的丙三醇(Isoropanol)構(gòu)成。型芯涂料要使蓋芯5的表面密實和堅固，以便蓋芯5不透氣，并且能承受經(jīng)加壓罩施加的附加壓力P，如圖2所示。
通常，僅需在蓋芯5的所有與壓力空氣接觸的區(qū)域涂覆涂料并使之不漏氣。但一種經(jīng)濟的方法是將蓋芯整體浸入一種適當?shù)男托就苛现?，該涂料不僅在蓋芯的表面產(chǎn)生相應(yīng)的密封作用，而且還提高蓋芯的強度。
如果蓋芯5是由多個部件組裝而成的，那么各部件在組裝之前要用型芯涂料在外表密封。
涂覆于蓋芯上的型芯涂料必須在蓋芯使用之前干燥和硬化。
用置于鑄型上的加壓罩11對澆注件所施加的壓力P應(yīng)持續(xù)到輕金屬液的凝固過程結(jié)束為止，也就是說直到500℃以下。該時間取決于所生產(chǎn)鑄件的大小，例如，對于鑄件重量約為20～22公斤的內(nèi)燃機氣缸體來說，該時間約為1.5分鐘。
圖3以所需鑄型件分解圖的形式表示了本發(fā)明用于制造內(nèi)燃機的曲軸箱。鑄型的外形依輪廓由上型3.4、側(cè)型3.5以及下型3.6構(gòu)成，而下型3.6則可以由各芯件組裝而成。芯塊4.1(也稱為曲軸箱芯塊)也由各芯件組裝而成。蓋芯5構(gòu)成鑄型的上端部。所有的鑄型件以及芯塊4.1、蓋芯5均由砂子制成一次性的鑄型。但蓋芯5可以包括一個附加件13即一個汽缸襯筒，該部分以后留在澆注的鑄件中。
蓋芯5包括至少一個用于壓鐵(Druckmassel)的冒口6，以外可由加壓罩11從上側(cè)蓋住。加壓罩11密封地設(shè)置在蓋芯5上，由此在蓋芯5上形成的封閉空腔14可以由接頭12引入的壓力空氣加壓，以便能夠通過冒口區(qū)域的金屬液對鑄型中的金屬液附加施加，直至其凝固。
蓋芯5也可位于曲軸箱的兩側(cè)，這樣，鑄型就轉(zhuǎn)動了180°。
為了在鑄造期間穩(wěn)固鑄型以提高成型精度以及從外部對鑄型施加壓力，可以設(shè)置作用于外型3.4、3.5、3.6上的支承殼板16，這些殼板16在金屬凝固之后、澆注的鑄型例如從澆注臺取出之前可以去掉。
圖4表示了如圖3所示由于曲軸箱的、呈組裝態(tài)的一次性砂型的橫截面。箭頭17表示支承殼板16的側(cè)向移走后鑄件頂出機的工作方向。在此，蓋芯5的表面也涂覆了一種型芯涂料，并且處理得使之氣密，并因此能夠借助加壓罩11施加直到1巴的壓力。
蓋芯5加壓之后，也就是加壓結(jié)束后，可以經(jīng)過一個第二接頭18抽出在蓋芯5上的加壓罩11構(gòu)成的空腔14內(nèi)匯集的煙氣，該煙氣主要是由于高溫金屬液的作用而從鑄型和型芯中逸出并匯集的。
圖5表示了本發(fā)明的另一種構(gòu)成，其中，在加壓罩11上相隔地設(shè)有另一個吸罩19，這樣，該第二吸罩在上部還覆蓋了外型區(qū)域，從而所有因澆鑄熱量而產(chǎn)生的由鑄型向上逸出的煙氣在吸罩19之下均可通過連接支管20吸出。加壓罩11和吸罩19可經(jīng)過支柱21而相互連在一起。加壓罩11、吸罩19密封地設(shè)置在蓋芯5或外型上。接頭12和20連接在相應(yīng)的壓力氣體導入和排出裝置上。
權(quán)利要求
1.制造輕金屬鑄件，特別是制造內(nèi)燃機汽缸蓋、汽缸體和/或曲軸箱的方法，其使用一個構(gòu)成鑄件型腔(2)的一次性砂鑄型，該鑄型具有外型(3)、至少一個型芯(7)以及至少一個構(gòu)成壓鐵的冒口(6)，上述鑄型設(shè)有一個金屬液澆口(8)，金屬液在重力作用下充填入型腔(2)，其特征在于，在鑄型上安放有一個至少在部分區(qū)域內(nèi)不透氣的蓋芯(5)，該蓋芯至少具有一個冒口(6)，并且在充型過程結(jié)束后立即對充有金屬液的冒口(6)用壓力氣體施加壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在充型過程結(jié)束之后，為了對充有金屬液的冒口(6)施壓，將一個壓力氣體導入裝置密封地安裝到上述不透氣的部分區(qū)域上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述由金屬液充填的冒口(6)用直到約1巴的壓力氣體加壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，蓋芯(5)的氣密性由至少在蓋芯(5)的部分區(qū)域上涂覆型芯涂料來實現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，對冒口(6)中金屬液的加壓是在金屬液處于第一臨界凝固區(qū)期間進行的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，在鑄型中澆注的金屬溫度達到500℃以下時，結(jié)束對冒口(6)中金屬液的加壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，對位于蓋芯(5)之上并相對蓋芯(5)密封的一個空腔(14)施加壓力氣體，從而實現(xiàn)對冒口區(qū)域的加壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，在結(jié)束加壓之后，將一個負壓連接到可加壓的空腔(14)上。
9.用于實施權(quán)利要求1-8之一所述的方法、制造輕金屬鑄件、特別是制造內(nèi)燃機的汽缸蓋、汽缸體和/或曲軸箱的鑄型，該鑄型具有外型(3)、至少一個型芯(4)以及至少一個構(gòu)成壓鐵的冒口(6)，其特征在于，設(shè)有一個至少包括一冒口(6)的蓋芯(5)，在該蓋芯(5)上可安置一個密封冒口區(qū)域的加壓罩(11)，并且蓋芯(5)至少在加壓罩(11)的安裝區(qū)域內(nèi)是不透氣的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鑄型，其特征在于，所述含有冒口(6)并由砂子制成的蓋芯(5)是通過在其表面上至少于加壓罩(11)的安裝區(qū)域內(nèi)涂覆一種型芯涂料來實現(xiàn)不透氣的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的鑄型，其特征在于，由砂子制成的蓋芯(5)在冒口區(qū)域加壓時承受直到1巴的壓力。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11之一所述的鑄型，其特征在于，呈分散系的型芯涂料是通過浸沾或噴涂而涂覆到蓋芯(5)上的。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12之一所述的鑄型，其特征在于，給外型(3)設(shè)有支承殼板(16)，該支承殼板(16)可至少部分地包到外型(3)上，并可移向及移離鑄型。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13之一所述的鑄型，其特征在于，加壓罩(11)具有一個吸氣接頭(18)。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-14之一所述的鑄型，其特征在于，在加壓罩(11)之上設(shè)有一個可密封安置在鑄型上的罩(19)，該罩(19)至少蓋過蓋芯(5)，并且其上具有一個用于施加負壓的接頭(20)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造輕金屬鑄件、特別是制造內(nèi)燃機汽缸蓋、汽缸體和/或曲軸箱的方法，該方法使用一個構(gòu)成鑄件型腔(2)的一個性砂鑄型，該鑄型包括外型(3)、至少一個型芯(7)以及至少一個形成壓鐵的冒口(6)。所述鑄型具有一個金屬液澆口，金屬液在重力作用下充入型腔(2)。在鑄型上放有一個至少在部分區(qū)域不透氣的蓋芯(5)，蓋芯(5)至少包括一個冒口(6)。在充型過程結(jié)束之后，立即用壓力氣體對金屬液填充的冒口(6)加壓。
文檔編號B22D27/09GK1164837SQ96190969
公開日1997年11月12日 申請日期1996年8月22日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月28日
發(fā)明者M·布克博恩 申請人:埃森沃克布魯赫股份有限公司