用于通过铸造或注射成型工艺制造单件式空心体的方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201080061261.4 | 申请日 | 2010-11-16 | 公开(公告)号 | CN102725083B | 公开(公告)日 | 2015-05-13 |
| 申请人 | 布雷博刹车股份有限公司; | 发明人 | 伦佐·莫斯基尼; 安娜·莉萨·卡尔佐拉罗; | ||||
| 摘要 | 一种用于通过 铸造 或注射成型工艺制造单件式空心体（1）的方法，该制造方法设想以下步骤：制造用于复制空心体（1）的至少一个内腔（3）的形状的至少一个丢弃式陶瓷芯（2），将陶瓷芯（2）引入以阴模形式复制空心体（1）的外形的第一模具（4）内，通过铸造或注射成型工艺将熔融材料供给到第一模具（4）内，使第一模具（4）内的材料 固化 ，从第一模具（4）中 抽取 空心体（1），以及破坏和移除位于空心体（1）内的陶瓷芯（2）。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于通过铸造或注射成型工艺制造单件式空心体(1)的方法，所述制造方法包括如下步骤： |
||||||
| 说明书全文 | 用于通过铸造或注射成型工艺制造单件式空心体的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种用于通过铸造或注射成型工艺制造单件式空心体（monolithic hollow body）的方法。术语“铸造”旨在表示高压铸造工艺（“压铸”）、低压铸造工艺（约1-2巴）和重力铸造工艺（包括利用砂模的铸造工艺和利用金属模或“壳”模的铸造工艺）。 [0002] 本发明在汽车业所使用的制品的制造中得到了有利的应用，后续的处理将明显地、但不失一般性地涉及本发明。 背景技术[0004] 由于在压力下注射到金属模具内的作用，上述工艺得以由非常低的成型循环次数实现高工业产率、薄生成厚度（2-3mm）、并实现完成的形状（“精确成形（net-shape）”或“近精确成形（near-net-shape）”）；基本上，这些方法实现了低成本制品和汽车业普遍使用类型的制品的大量生产制造。 [0005] 然而，与需要空心和复杂几何形状的制品有关的制造工艺存在显著的局限性；这类局限性表现在必须仅仅使用金属芯，而因为金属芯必须被约束在模具中，所以在排出零件之前需要通过撤回步骤从制造的制品中抽取金属芯。因此，由于可抽取的要求，这些芯不允许产生底切（undercut），因此最终，就所要制造的零件的内部几何构造而言，对设计灵活性显著不利。压铸工艺中必需使用金属芯，这是因为在填充模具的步骤期间，需要高机械强度来支撑液体金属或技术聚合物（technopolymer）所施加的强大应力，以及零件固化期间的相当大的压缩压力（500-1500巴）。 [0006] 尽管如此，以例如像重力铸造之类的不需要高成型压力的铸造技术来获得金属材料的空心单体（hollow monolithic body）是可行的，并且假定在铸造步骤中缺少特别应力的情况下，这样做允许使用砂芯；而砂芯在借助公知的传统的热、机械和/或化学移除方法从模具排出零件的步骤之后，能够从铸件中被移除。显然，在以上这些铸造技术的情况下，所生产的部件仍然失去了之前描述的通过高成型压力的使用而取得的优点，尤其是在重量（最小壁厚5mm）和成本（因生产时间极大延长）方面。 [0007] 在聚合材料的情况下，存在公知的例如允许通过使用易熔金属芯来生产空心单体（甚至有高成型压力）的技术；然而，在此情况下，技术上的过高工业成本已经有效地阻止了大规模的工业开发。 [0008] 近年来，汽车业已经克服了一些上述局限性；实际上，基于以底切为特征的铸件的生产，已经开发了压铸铝的方案，其中，底切是借助具有充足的机械强度的耐热材料的芯（该芯例如以壳模技术生产）来制成的，该耐热材料能够适当地克服铸件的成型工艺期间由熔融金属所施加的应力。另一方面，通过多种能够以低速注射熔融金属的特殊的半固体铸造工艺（被称为“流变铸造”）的复杂使用，由此显著降低起作用的张紧应力，也能够克服一些上述局限性。 [0009] 尽管相对于某些特殊应用这已经足够了，但是，所使用的芯的机械强度值通常在任何情况下都是有限的（最多10-15MPa），因此为了不损害芯自身的结构稳定性，模具的填充条件仍然有限制性（就浇口的定位和注射参数而言）。 [0010] 这些芯的固结方法基于有机或无机粘合剂的利用，该有机或无机粘合剂能够在温度的作用下使混合的耐热材料粉末内聚。根据所使用的各种技术，这些粘合剂可被单独添加到耐火材料中，或者可构成主要部分（预涂覆粉末）。在任何情况下，粘合相对较弱，因此，芯的机械特性不能提供特别好的性能，因此并不适合所有应用。 [0011] 另外，有机粘合剂在铸造期间产生气体，这些气体必须被充分地排空以防止其仍残留于模具内并引起金属中形成不期望的孔隙。此外，有机粘合剂对环境有显著影响，而另一方面它们又不溶于水（与无机粘合剂不同），移除相应的芯需要在铸件上进行热处理，或者通过在实际铸件上进行锤击的强力机械作用。与使用有机粘合剂的芯不同，使用无机粘合剂的芯具有在铸造步骤中不产生气体残留的优点；然而，借助不允许获得壳芯的工艺（例如所谓的“热箱（hot box）”），这类使用无机粘合剂的芯仅被制成固体芯。 [0012] 专利US5387280A1描述了一种丢弃式陶瓷芯的利用，该陶瓷芯用于“熔模铸造法（investment casting）”式的铸造工艺；陶瓷芯包括高百分比（介于重量百分比20%与50%之间）的酸溶硼酸盐粘合剂，因此在形成零件之后使用酸来移除陶瓷芯。然而，使用酸来移除芯对环境影响重大，尤其当生产大量零件时，如在汽车业发生的情况（每年生产多于1百万件零件也不罕见）。 [0014] 专利US3688832A1描述了丢弃式陶瓷芯在铸造工艺中的利用。为了加强并硬化陶瓷芯（以便能够在压铸工艺中使用这些陶瓷芯），并同时能够在铸造工艺后从完成的零件中简单移除陶瓷芯，这些陶瓷芯预先浸渍有至少一种有机复合物的热混合物；该有机复合物具有不低于77℃的熔点，能够熔融到液态，然后接着冷却而被重湿型固化，具有1g/ml的密度，并且当被加热到其熔点之上时挥发（汽化）。在铸造过程中使用陶瓷芯之前，先将陶瓷芯加热以通过陶瓷芯的孔隙使浸渍的有机物挥发。然而，因为这些有机复合物是高度污染性的，所以使用有机复合物预先浸透陶瓷芯显著增大了工艺对环境的影响。另外，陶瓷芯必须在密封环境中被加热以使有机浸渍剂挥发，这种密封环境允许所有的烟雾被回收，此后这些烟雾必须被适当地处理并且不能排放到大气中，这对工艺的总成本有显著影响。有机浸渍剂可能残留在陶瓷芯中，然后在模具内挥发从而产生气体，气体能够导致在金属中形成不期望的孔隙。另外，通过这种方式生产的陶瓷芯具有高表面孔隙度，因此在压力下供给到模具内的熔融金属趋向于很深地渗透到陶瓷芯内（甚至达到1-1.5mm）；这是很大的缺陷，因为这使得从金属零件移除陶瓷芯更为复杂，并使金属零件的与陶瓷芯接触的表面更加的粗糙。 发明内容[0015] 本发明的目的是提供一种通过铸造或注射成型工艺来制造单件式空心体的方法，该方法没有上述缺陷，同时容易生产且成本低。 [0017] 现在参照附图来描述本发明，附图示出了非限制性的实施例，附图中： [0019] 图2是用于制造图1的单件式空心体的陶瓷芯的立体示意图； [0020] 图3是用于制造图1的单件式空心体的第一模具的示意图； [0021] 图4是图2的陶瓷芯的生产工厂的示意图，其中为了清楚而去除了细节；而[0022] 图5是曲线图，其示出图2的陶瓷芯的机械强度随着烧结温度变化而变化的实验数据。 具体实施方式[0024] 空心体1的制造工艺设想：制造至少一个丢弃式陶瓷芯2（示于图2），陶瓷芯2复制单件式空心体1的至少一个内腔3的形状；将陶瓷芯2引入第一模具4（示于图3）内，第一模具4以阴模形式复制空心体1的外形；通过压铸工艺将铝合金供给（铸造）到模具4内；使模具4内的铝合金固化；通过打开模具4而从模具4中抽取空心体1；以及最后，破坏并移除位于空心体1内的陶瓷芯2。 [0025] 当使用金属材料制造空心体1时，设想利用铸造工艺（例如可以是重力壳铸造或压铸）将熔融的金属材料供给至模具4内。然而，在使用聚合塑料材料（典型地技术聚合物）制造空心体1时，设想利用注射成型工艺将熔融的聚合塑料材料供给至模具4内。 [0026] 优选地，设想利用机械方法（典型地通过高压喷水）来破坏且随后从空心体1内移除陶瓷芯2，这可应用在空心体1的最终清洗的最后，上述机械方法可与公知的化学方法（化学浸滤（chemical leaching））组合。 [0027] 图4示意性地示出用于陶瓷芯2的生产设施5。首先，使用公知的用于成型陶瓷制品的生产方法之一来形成“湿型（green）”陶瓷芯2，最合适的生产方法的选择取决于所要形成的陶瓷芯2的几何尺寸和机械特性。关于在汽车业中的应用，已经观察到该生产方法的最大优点就是“粉浆浇铸（slip-casting）”工艺，其中，粉浆（slip）在压力下被供给到以阴模形式复制陶瓷芯2的外形的多孔模具6内。 [0028] 多孔模具6由多个部分（例如，图4中示出三个）的组合构成，这些部分分别由压床的各工作台承载，压床的任务是关闭和打开多孔模具6。粉浆由水溶液中的陶瓷材料悬浮物组成，在10-20巴压力下被浇铸到关闭的多孔模具6内，使得粉浆的液相部分通过多孔模具6的孔隙被排出，同时固（陶瓷）相部分则保持贴靠多孔模具6的内壁，由此形成（识别）所要制造的陶瓷芯2的形状。 [0029] 在 专 利 申 请 EP0089317A1、EP0256571A1、EP0557995A1、EP0689912A1 和EP13993041A1中提供了“粉浆浇铸”工艺的示例。 [0030] 可选地，可利用其他公知的成型工艺来代替使用“粉浆浇铸”工艺，以形成“湿型”芯2；上述其他公知的成型工艺例如为CIM（陶瓷注射成型）之类工艺，或简单的轴向挤压（在容积高或非常高的情况下具有迅速和特别廉价的优点，但是另一方面仅允许制造简单形式的固体工件）。 [0031] 一旦在多孔模具6中形成“湿型”陶瓷芯2，就打开多孔模具6，“湿型”陶瓷芯2被转移到炉7进行热处理。重要的是，注意当从多孔模具6中抽取出“湿型”陶瓷芯2时，陶瓷芯2是潮湿的，因此具有最小的机械特性，仅足以支撑（陶瓷芯2）被供给到炉7的处理操作。在炉7中进行的热处理（即加热）给陶瓷芯2提供其在模具4内使用的最终机械特性。 [0032] 在炉7的加热工艺之后，可用耐火石膏（refractory plaster，通常可在市面买到）来浸渍陶瓷芯2（即使极少这样做），耐火石膏能够充满陶瓷芯2的剩余孔隙，以便在模具4被充满之后，在空心体1的压制步骤期间，防止液态的金属熔融材料渗透到陶瓷芯2的表面内（即使限于小于1mm的深度）。这样有利于随后的落砂（shakeout）工序（即从空心件1内移除陶瓷芯2的工序），并改进金属界面在从陶瓷芯2移除之后的表面特性。 [0033] 根据本发明，预先估算当芯2被处理时（即当芯2从炉7被转移到模具4内部时）以及当熔融金属（即熔融的铝合金）被供给到模具4内时，陶瓷芯2上的机械应力。显然，在重力壳铸造的情况下，当熔融材料供给到模具4内时，陶瓷芯2上的机械应力有限，因此潜在地小于当芯2被处理时的陶瓷芯2上的机械应力。重要的是记住，陶瓷芯2非常耐压但也非常的“脆”，即其如果受压不太可能破裂，但却能够甚至在轻微的冲击之后容易地破碎（尤其是当陶瓷芯2具有复杂形状、带有小尺寸的突出附件时）。然而，在压力铸造（即压铸）的情况下，当熔融材料被供给到模具4内时，陶瓷芯2上的机械应力总是大于当芯2被处理时陶瓷芯2上的机械应力。 [0034] 优选通过实验估算当芯2被处理时，陶瓷芯2上的机械应力；当芯2被处理时，陶瓷芯2上的机械应力恒定且可重复（处理过程是标准的），因此能够通过实验测试来容易且迅速地进行估算。 [0035] 优选通过提供有限元分析的数值计算方法来估算当熔融材料供给到模具4内时，陶瓷芯2上的机械应力，这允许模拟所要获得的铸造（成型）工艺；可例如利用商用软件来执行数值计算方法，商用软件例如为ESI集团（ESIGroup）在网站http://www.esi-group.TMcom/products/casting/procast上所发布的“PROCAST ”（来自ESI集团）。重要的是要注意，由数值计算方法提供的在熔融材料供给到模具4时陶瓷芯2上的机械应力的估算也可通过实验测试来确认和改进。 [0036] 一旦已经估算出芯2被处理时和熔融材料（即熔融铝合金）被供给到模具4内时陶瓷芯2上的机械应力，用于“湿型”陶瓷芯2的燃烧温度（点火温度，firing temperature）即被确立，燃烧温度将使陶瓷芯2的机械强度稍高于芯2被处理时和熔融材料被供给到模具4内时陶瓷芯2上的最大机械应力。最后，“湿型”陶瓷芯2在炉7中被加热到一定温度，该温度等于之前确立的燃烧温度。 [0037] 燃烧温度可低于烧结阈值，因此炉7中的燃烧仅造成“湿型”陶瓷芯2的烘干（即作为陶瓷芯2的制造过程的一个结果，陶瓷芯2失去其内部存在的液体）。可选地，燃烧温度也可高于烧结阈值，因此炉7中的燃烧还造成“湿型”陶瓷芯2的烧结（典型地部分烧结）；炉7中进行的烧结机制引起构成陶瓷芯2的陶瓷材料的单个颗粒的扩散焊接，并赋予陶瓷材料高机械强度。重要的是要强调，“湿型”陶瓷芯2的烧结通常是“部分的”，即并不影响所有的陶瓷材料，而仅仅影响陶瓷材料的一部分（燃烧温度越高，陶瓷材料的烧结部分就将越大）。 [0038] 在分析的初步阶段，需要确定陶瓷芯2的机械强度（具体地是以MPa计量的抗弯强度）如何随燃烧温度的变化而改变。操作上，通过初始限定陶瓷混合物的化学成分，然后制造用于执行化学测试的测试件来进行实验；然后，各种测试件经受到不同的燃烧温度，以识别与机械弯曲特性的相关性。 [0039] 图5以示例方式示出一曲线图，该曲线图表明当燃烧温度高于烧结阈值时，作为燃烧温度的函数的硅基陶瓷芯2的机械强度（以MPa表示）的变化；应注意到，借助燃烧温度的微小变化可以获得机械强度的大幅变化。然而，当燃烧温度小于烧结阈值时，甚至燃烧温度的大幅变化也仅造成机械强度的微小改变。 [0040] 实验测试已经表明，当使用添加了粘土（添加粘土允许改善流变（rheological）属性）的硅基陶瓷材料（例如石英）时，获得制造陶瓷芯2的最佳结果；尤其是，硅基陶瓷材料受到氢氧化物（例如氢氧化钾）的化学侵蚀，并因此还使其有助于化学浸滤。根据优选实施例，用于制造陶瓷芯2的最佳陶瓷材料由混合物组成，该混合物由45%到55%的石英（即硅，或者SiO2）、20%到25%的粘土（即硅、氧化铝和其他物质）以及25%到30%的高岭土（即硅、氧化铝和水）构成。当经历部分烧结时，这种混合物具有有限的孔隙，这样就防止了在压力下供给的熔融金属显著地渗透到陶瓷芯2内（熔融金属的渗透深度小于0.1-0.2mm）；通过这种方式，从空心体1内移除陶瓷芯2更加简单，并且空心体1的与陶瓷芯2接触的那些表面非常光滑（而且通过使用上述材料，通常就不必要以耐火石膏进行浸渍了）。此外，当在移除（例如借助于加压喷水）期间受到机械应力时，与趋向于形成相对较大尺寸裂片的其他陶瓷材料不同，上述混合物趋向于粉碎（即其形成非常小的碎片）；通过这种方式，从空心体1内移除陶瓷芯2更加简单。 [0041] 重要的是要强调，为了形成“湿型”陶瓷芯2，既不使用有机或无机类型的粘合剂，也不使用任何类型的有机或无机浸渍剂（在极少情况下，仅在燃烧之后并因此陶瓷芯2不再是“湿型”时，才以耐火石膏和无机浸渍剂来执行浸渍）；通过这种方式，整个铸造工艺具有非常微弱的环境影响，铸造工艺唯一的废弃物由陶瓷芯2的机械破坏所产生的陶瓷粉末（陶瓷粉末是完全惰性的）构成。 [0042] 如上述制造的陶瓷芯2能够实现为空心体1的成型工艺（兼顾了陶瓷芯2的处理和熔融材料供给到模具4内）所需的机械特性，具有预定的并在任何情况下可设定的最小安全裕度。通过这种方式，陶瓷芯2在铸造或注射成型工艺中具有适当的承受力，同时对随后的破坏和从空心体1移除具有最小的可能阻力。此外，如上述制造的陶瓷芯2能够实现为空心体1的成型工艺所需的机械特性（特别是就抗弯和抗压强度而言），而不需要使用复杂的铸造支撑技术，通过以低速填充模具4的方法，将陶瓷芯2上的机械应力保持在低水平。 [0043] 总之，根据本发明，利用陶瓷材料来制造陶瓷芯2，对于陶瓷材料而言，硬化机制且因此还有结构阻力主要基于燃烧过程；通过这种方式，基于燃烧温度，可以获得非常大范围的机械特性，而没有因存在有机或无机粘合剂导致的特性限制。 [0044] 此外，根据本发明，陶瓷芯2具有可能的最小机械强度（即其机械强度稍高于当陶瓷芯2被处理时和熔融材料被供给到模具4内时陶瓷芯2上的最大机械应力）；通过这种方式，陶瓷芯2随后的破坏和从完成的空心体1中的移除相对地简单，并且能够既迅速又没有损坏空心体1的风险地被执行。换言之，使用相对于有效要求而言过分坚固的陶瓷芯是不适宜的，或者说是有害的。实际上，在空心体1的成型工艺之后，仍需要移除（“落砂”）陶瓷芯2，因此，适当的是设定一个燃烧温度，该燃烧温度能够针对每个特定应用产生仅恰好足够的机械特性。 [0045] 重要的是要注意，当使用金属材料制造空心体1时，熔融金属在模具4内的供给设想使用压铸工艺，这样由于熔融金属材料的高入口速度（约30-60m/s）而造成陶瓷芯2上的高机械应力。然而，当使用聚合塑料材料（典型地技术聚合物）制造空心体1时，熔融的聚合塑料材料在模具4内的供给设想使用注射成型工艺，这样由于熔融的聚合塑料材料的高粘性（比熔融的金属材料的粘性高得多），甚至在熔融的聚合塑料材料的低入口速度（约每秒若干米）的情况下，也会造成陶瓷芯2上的高机械应力。 [0046] 重要的是要强调，陶瓷芯2具有适当的弹性模量，因为陶瓷材料趋向于破碎而不是变形；此特性是非常积极的，因为其确保陶瓷芯2在铸造期间不会经历变形，而变形将会以不期望的方式改变单件式空心体1的内腔3的形状。换言之，陶瓷芯2在铸造期间可由于机械应力而破碎（在此情况下，单件式空心体1必须报废；而且这种缺陷绝对明显，甚至借助简单的目测也是引人注意的，因此无法不被发现），但是陶瓷芯2在铸造期间不会变形（在稍微变形的情况下，虽然单件式空心体1必须报废，但是缺陷难以检测，所以需要执行非常准确和复杂的测量）。 [0047] 最后，重要的是要注意，陶瓷芯2可以是实心的或内部中空的。实心陶瓷芯2具有较大的机械强度（但另一方面其制造也耗用较大量的陶瓷），并且在进入模具4内的熔融材料的供给（铸造）压力相对较高时使用；而空心陶瓷芯2具有较小的机械强度（并且具有使用较少量陶瓷材料制造的优点），并且在进入到模具4内的熔融材料的供给（铸造）压力较低时使用。 [0048] 上述制造方法具有许多优点，因为其是简单、廉价的实施例，总之，允许通过高压工艺（即压铸或注射成型），以金属或聚合材料来制成单件式空心体，而不对内部几何尺寸设定约束条件，或者说不限制空心体的设计。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈