受控压力铸造 |
|||||||
| 申请号 | CN201210014778.9 | 申请日 | 2006-05-19 | 公开(公告)号 | CN102527997A | 公开(公告)日 | 2012-07-04 |
| 申请人 | 麦格纳国际公司; | 发明人 | 西塔拉玛·S·科塔吉里; 蒂莫西·W·斯克赛克; 弗兰克·A·霍顿; 格里戈里·P·基塞利斯; | ||||
| 摘要 | 一种形成金属铸件的方法，包括：将结构构件的第一端 定位 在第一模腔中以及将所述结构构件的第二端定位在第二模腔中。所述第一和第二模腔与熔融金属贮槽 流体 耦联。主压 力 施加至所述贮槽中的熔融金属以将所述熔融金属迫入所述第一模腔和所述第二模腔内。然后，第一辅助压力施加至所述第一模腔以及第二辅助压力施加至所述第二模腔，以增加形成于所述第一模腔和第二模腔中的铸件的 密度 。此外还涉及一种用于 铸造 的方法，包括在第一和第二模腔已被填充后将主压力维持为等于或低于初始充型压力。另外还涉及一种通过监测可运动元件来检测第一模腔是否充分填充有熔融金属的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种复合铸件，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 受控压力铸造[0001] 本申请是申请日为2006年5月19日、申请号为200680016780.2、发明名称为“受控压力铸造”的分案申请，其对应的PCT申请是2006年5月19日提交的PCT/CA2006/000820。 技术领域[0002] 本发明涉及铸造金属结构。更特别地，本申请说明了本发明的实施方式，包括涉及使用受控的辅助压力来改进铸造金属结构以及在填充铸造模具方面的改进。 背景技术[0003] 常规的铝高压模铸利用液压缸来推进压射端，将熔融的铝从压射缸注入模腔，克服阻力而流经受限的浇口区。当模腔被填充有熔融的铝时，施加至液压压射缸的压力根据压射缸和压射端横截面面积的比率传递至熔融的铝。如果容置有浸入构件一端的模腔在容置有浸入构件另一端的模腔或模具区域之前注满并被加压，则合力施加在浸入构件的所述一端上。为了防止浸入构件运动，必须采用诸如夹具或摩擦或形状匹配模具的机构来抵抗所述力。随着所述构件横截面面积的增加，所述力变得非常大并难以由所述机构处理。在填充模腔之后，施加至液压缸来推进压射端的压力通常增大(即增强)，例如增强两倍以减小残存空气的体积以及增加热传递的速率。此外，一旦内浇口通过固化而冻结——其通常发生在整个模腔固化之前，即使增大的压力也不能到达腔中被模制的材料。 发明内容[0005] 本发明的一个方面涉及一种形成复合金属铸件的方法。结构构件的第一端定位在第一模腔中，且所述结构构件的第二端定位在第二模腔中。所述第一和第二模腔与熔融金属贮槽流体耦联。主压力施加至所述贮槽中的熔融金属以将所述熔融金属迫入所述第一模腔和所述第二模腔内。第一辅助压力施加至所述第一模腔中的所述熔融金属，且第二辅助压力施加至所述第二模腔中的所述熔融金属，以增加形成于所述第一模腔和第二模腔中的铸件的密度。 [0006] 本发明的另一方面涉及一种形成金属铸件的方法，包括：将结构构件的第一端定位在第一模腔中，所述第一模腔与熔融金属贮槽流体耦联；以初始充型压力将主压力施加至所述贮槽中的熔融金属以迫使所述熔融金属进入所述第一模腔内；将第一辅助压力施加至第一模腔中的熔融金属；以及在所述第一模腔已经被填充后将所述主压力维持为等于或低于所述初始充型压力。 [0007] 本发明的再一方面是一种形成金属铸件的方法，包括：将结构构件的第一端定位在第一模腔中，所述第一模腔与熔融金属贮槽流体耦联；将主压力施加至所述贮槽中的熔融金属以迫使所述熔融金属进入所述第一模腔；通过监测可运动元件来检测所述第一模腔是否充分地填充有熔融金属；以及在检测到所述第一模腔被充分填充后，将第一辅助压力施加至所述第一模腔。 附图说明[0009] 附图利于理解本发明的各种实施方式。在所述附图中： [0010] 图1示出本发明一个示例实施方式的示意图； [0011] 图2示出图1的实施方式，其中熔融金属部分地填充模具； [0012] 图3示出图1的实施方式，其中熔融金属完全地填充模具； [0013] 图4示出图1的实施方式，其中辅助压力施加至模具中的熔融金属； [0014] 图5示出图1的实施方式，其中熔融金属在贮槽中部分地固化； [0015] 图6示出可以由本发明的示例实施方式生产的车辆支架的示例的立体图； [0016] 图7示出根据本发明的一个方面的方法； [0017] 图8示出根据本发明的另一方面的方法； [0018] 图9示出根据本发明的再一方面的方法； [0019] 图10示出本发明另一实施方式的示意图，其中四个模具同时工作而形成两个车辆支架；以及 [0020] 图11-17示出用于本发明的管端封闭构造和机械互锁构造的各种例子。 具体实施方式[0021] 图1-5示出本发明的一种实施方式。图1示意性地示出用于铸造诸如图6所示车辆支架50的金属部件的组件10。组件10包括形式为压射端14和液压缸16的主压力源或压射端压力源12。压射端14流体耦联至贮槽或坯料18，并且与贮槽18一起包含一定量的熔融金属20。贮槽18形成流体连通至两个模组件22和24的压射缸。模组件22由至少两个模元件26和28构成，所述至少两个模元件26和28形成第一模腔或铸造区30。模组件22具有流体耦联至压射缸18的受限的内浇口区32，从而使得熔融金属20可受迫通过内浇口32并进入腔30。类似地，模组件24由至少两个模元件34和36构成，所述至少两个模元件34和36形成第二模腔或铸造区38。模组件24具有流体连通至压射缸18的受限的内浇口区40，从而使得熔融金属20可受迫通过内浇口40并进入腔38。 [0022] 在图中，模组件22和24示出为分离的组件。对于本领域的普通技术人员来说显然的是，模组件22和24能够组合成单个模组件。如下所述，两个模组件之间的中间部分能够用于对支撑构件52提供支撑。 [0023] 每个模组件22和24分别具有至少一个辅助压力源42和44，所述辅助压力源附接至相应腔30、38中的远离内浇口32、40的位置、或位于内浇口32、40远侧。优选地，辅助压力源42和44距离内浇口32、40尽可能地远，并且最优选地位于腔30、38的相对端处。辅助压力源42和44执行两个功能。第一，每个辅助压力源42、44提供指示：其相应的腔30、38被充分填充有熔融金属20；以及第二，如下所述地对各相应腔30、38施加辅助压力。辅助压力源42在图中示出为具有活塞45的辅助液压缸，活塞45直接连接至模腔30。活塞 45操作上与腔30连通，并且以往复方式运动，以限定扩张容积和期望容积。 [0024] 活塞45的运动——包括由熔融金属20填充腔30所导致的运动——能够通过各种方式监测。图1示出限位开关46邻近活塞45，以跟踪其进出模腔30的运动。辅助压力源44在图中也示出为具有活塞47的辅助液压缸，活塞47操作上直接连接至模腔38。活塞47的运动——包括由熔融金属20填充腔38导致的运动——能够以各种方式监测，但是示出为通过邻近活塞47的限位开关或活塞传感器48来跟踪其进出模腔38的运动。 [0025] 在图1的示例实施方式中，复合或混合的铸造组件正在铸造车辆支架50的端部，所述车辆支架50具有多个在多个铸件80、82之间延伸的支撑构件52、84，如图6所示。在图1中，仅仅示出一个支撑构件52，但是可以理解其它支撑构件能够以实质上相同的方式制造，或根据需要如图6中所示以不同的构造制造。支撑构件52能够采用各种构造，但是通常为管状构件——例如高强度钢制的中空管。诸如管52之类的管能够通过诸如液压成形的操作制造，优选地根据诸如美国专利No.5,979,201、6,014,879、6,065,502、6,4747,534、6,609,301以及6,662,611中所述的已知方法制造。 [0026] 为了形成支架50，管52将在管52的两端54和56上具有铸件。模组件22构造为向端部54提供铸件，而模组件24构造为向端部56提供铸件。尽管图1仅仅示出只是管52伸入腔30、38中，但是，如图6所示，多个诸如管52之类的管可以伸入各腔30和38中并且与由模组件22和24制造的模件集成一个整体。 [0027] 管52的端部54和56分别伸入各腔30和38，并且各端部54、56封闭，从而熔融金属不会进入中空管52。图11至17示出带有封闭端部的中空管的各种示例。所述各种示例提供两种功能：封闭中空管的端部以及在待形成的铸件和中空管的外表面之间提供机械互锁。所述机械互锁防止中空管和所述铸件之间的扭转及轴向的相对运功。所述机械互锁通过设置互锁表面而增强。 [0028] 在图11中，管端在两个模具之间受挤压以提供一个比管宽的平坦端部。设置有穿过所述平坦端部的孔以提供互锁表面。 [0030] 在图13中，独立的压盖设置在管的外侧，封闭住端部。所述盖点焊或压接至所述管上。所述盖可以具有非圆形构造的凸缘以提供机械互锁表面。 [0031] 在图14中，独立的压盖设置在管的端部上，封闭住端部。所述盖焊接至所述管上。所述盖可以具有非圆形构造的凸缘或突起部以提供机械互锁表面。 [0032] 在图15中，管端受到旋转锻造以将端部形成为卡口形状。 [0033] 在图16中，材料绕管端离心铸造，使得凹部设置于管上。 [0034] 在图17中，端盖焊接至管端，并且在管的外侧表面压花以提供机械互锁表面。 [0035] 各个模组件22和24都具有管容纳口55和57以及分别位于模元件26、28和34、36之间的裂缝或分隔线。管容纳开口55和57构造成分别以摩擦或干涉配合的方式互补地容纳管端54、56。当模元件26、28和34、36分别地闭合之后，管容纳开口55和57将管夹持并保持在位。尽管管52被示出为是直的与对称的，但是液压成形使得可以在本发明中采用复杂几何形状的管。为了提高夹持能力，可以在模组件22、24之间设置中间模具以容纳管 52并对之提供支撑，在铸造过程中将管52保持在位。 [0036] 优选地，组件10如图1所示由控制器60控制，控制器60可以采用基于计算机的控制器组件或其他自动或人工监测的控制组件的形式。控制器60能够监测并控制主压力12、辅助压力42和44、以及腔30和39的填充。在示出的实施方式中，能够通过监控传感器或限位开关46及48的控制器60来监测所述腔的填充。 [0037] 图1所示实施方式的操作通过结合图1和图2-5而最佳地示出。管52位于铸造组件10中，从而管52的第一端54位于第一模具22中，管52的第二端56位于第二模具24中。 [0038] 第一和第二模具22和24流体耦联至熔融金属20的贮槽18。主压力由液压缸16施加，并且贮槽18中熔融金属20被迫通过内浇口32进入第一模腔30，同时通过内浇口40进入第二模腔38。所需的来自缸16以填充腔30和38的压力的大小优选地仅仅是用于克服熔融金属通过受限内浇口32和40的阻力的压力。这样，主压力以初始的充型压力由缸16施加至贮槽18中的熔融金属20，从而迫使或将熔融金属20注射至模腔30和38中。如图2中所示，随着熔融金属20开始填充腔30和38，熔融金属20包封住管52的端部54和 56。 [0039] 熔融金属20优选地是铝。在注射时，熔融金属20优选地在低于600℃——更优选地在583-595℃——的温度下含有40-50％的固体。 [0040] 如图3中所示，缸16连续地施加所述初始填充压力并且熔融金属20完全地填充各个模腔30和38。用于辅助缸42、44的活塞45、47可以与熔融金属20一起自由运动。熔融金属20接触活塞45、47并且向外推压活塞45、47，增加腔30、38的容积，从而各腔的容积增大至扩张容积。活塞45、47由熔融金属20推动并移位。 [0041] 活塞45和47的移位可以现有技术中已知的各种方式测量或观察，例如分别通过位置传感器或限制传感器46、48测量或观察。一旦活塞45、47已行进了预定的行程，则限位开关46和48各自产生相应的填充信号。填充信号被传送至控制器60，控制器60响应地启动辅助动力源42和44。 [0042] 可以使用其它设备或机构来确定腔30和38何时被填充。这些设备可以与辅助压力源42和44集成整体或与之分离，或者如图所示交互地连接。例如，在测试所述工序以确定需要多长时间填充各腔30和38之后，可以建立一个定时程序，其中基于预定的时间顺序接通或切断主缸16和辅助缸42与44的压力。此外，使用控制器60的计算机控制系统可以用来自动地监测位置传感器或限位开关46、48或其它监测设备或方法，以确定腔30和38何时被填充以及何时启动辅助缸42和44及控制主缸16。辅助缸42和44仅仅提供一种用于确定腔30和38的填充的机构，且可使用作为辅助压力设备的一部分或与之独立的其它机构。 [0043] 如图4中所示，在主缸16仍施加初始填充压力时、或在主缸16关闭或释放时，辅助缸42和44分别将辅助压力施加至模腔30和38中的熔融金属20。由缸42和44施加的辅助压力将活塞45、47从扩展容积位置移动至期望容积位置，由此将少量的熔融金属20压射回模腔30和38以对在冷却时收缩的正在固化的金属提供补偿或使之密度提高。缸42和44为各模腔30和38中的熔融金属20保持预定的压力，而不是仅仅依靠主缸16来保持预定的压力。如果不使用辅助缸42和44，一旦腔30和38被填充熔融金属20，则主缸16必须工作以提供相对高的压力，从而为贮槽18中的熔融金属20提供足够的压力以在固化阶段连续地将熔融金属20注射至腔30和38中，以确保固化的金属件的形状与模腔一致。然而，辅助缸42和44的使用使得主缸16可以施加与前述铸造系统相比相对较低的压力，结果使得该铸造组件10的主缸16可以比不带有辅助压力供应装置42、44的系统中所使用的主缸要小。 [0044] 取决于采用的铸造工艺，在固化期间，主缸16可以持续地对熔融金属20提供一个低压，同时作用在熔融金属20上用于在腔30和38中固化的所需压力由辅助缸42和44施加。备选地，一旦辅助缸42和44开始施加压力或在此一定时间后，主缸16可以关闭或释放。 [0045] 最后，如图5中所示，熔融金属20开始固化。熔融金属20可以首先开始在诸如内浇口32和40处以及在压射缸18中的位置处固化。一旦内浇口32和40固化，则由主缸16施加的任何压力将不能再对腔30和38中的半熔融金属施加适当的压力。图5示出辅助缸42和44的优点：其中每个缸分别持续地对腔30和38中的熔融金属施加压力，即使在内浇口32和40由固化金属70堵塞后也是如此。 [0046] 一旦熔融金属20被完全并充分地固化，辅助缸42和44关闭，且模元件26和28以及模元件34和36分别开启，以露出分别由模腔30和38中的被固化的熔融金属形成的铸件80和82。如图6所示，铸件80和82刚性地连接至管构件52和84以形成例如车辆支架50，诸如如图所示的用于汽车的前发动机架或后架。 [0047] 如图7中所示，在形成金属铸件方法中示出了形成金属铸件的一个方面，包括：将结构构件52的第一端54定位在第一模腔30中的定位步骤88；将结构构件52的第二端56定位在第二模腔38中的定位步骤89，第一和第二模腔30和38流体耦联至熔融金属20的贮槽18；将主压力施加至贮槽18中的熔融金属20以迫使熔融金属20进入第一模腔30和第二模腔38的施加步骤90；以及将第一辅助压力施加至第一模腔30内的熔融金属和将第二辅助压力施加至第二模腔38内的熔融金属而使得第一模腔30中的金属压力基本上等于第二模腔38的金属压力的施加步骤91。 [0048] 如图8中所示，在形成金属铸件的方法中示出了形成复合金属铸件的另一方面，包括：将结构构件52的第一端54定位在第一模腔30中的定位步骤88，第一模腔30流体耦联至熔融金属20的贮槽18；以初始充型压力将主压力施加至贮槽18中的熔融金属20以迫使熔融金属20进入第一模腔30的施加步骤92；将第一辅助压力施加至第一模腔30中的熔融金属的另一施加步骤93；以及在第一模腔30已经填充后维持主压力而使之等于或低于初始充型压力的维持步骤94。 [0049] 如图9所示，在形成复合金属铸件的方法中示出了形成金属铸件的另一方面，包括：将结构构件52的第一端55定位在第一模腔30中的定位步骤88，第一模腔30流体耦联至熔融金属20的贮槽18；将主压力施加至贮槽18中的熔融金属20以迫使熔融金属20进入第一模腔30的施加步骤95；通过监测可运动元件45来检测第一模腔30是否被熔融金属20充分填充的检测步骤96；以及在检测到第一模腔30被充分填充之后将第一辅助压力施加至第一模腔中的熔融金属的施加步骤97。 [0050] 半固态近液相铸造(semi-solid sub-liquidus casting，SLC)机器的大小由定模板尺寸和夹紧吨位限定。定模板尺寸确定能够实际装配在压力机夹具下方的最大模具尺寸。夹紧吨位由“投影面积”乘以金属压力来限定。在每平方英寸4吨之前，金属压力对于铸造缺陷的尺寸及相关的材料性能而言是重要的。根据报告，超过每平方英寸4吨时，金属压力的进一步增加提供很少的额外优点。 [0051] 在图1-5的系统的一种实施方式中，近液相铸造(SLC)工艺半固态铸造工艺包括坯料或熔融金属贮槽18(通常直径为20英寸)，熔融金属20通过液压缸16和压射端组件14从熔融金属贮槽18传送至模腔30和38。所需的机械吨位由金属压力(即大约每平方英寸4吨)乘以压射端(坯料)组件14和18的投影面积以及铸件在压射端坯料组件14、 18的周界之外的投影面积之和来确定。 [0052] SLC工艺通常假设：铸件投影面积的主要部分位于压射端/坯料区域的正上方。因此，定模板尺寸设计为容纳相对大的模具，将限定机械吨位需要的金属压力和铸件投影面积(压射端加铸造面积)作为限制特征。 [0053] 本申请的“受控压力”方法特别地用于制造“混合材料”的铸造汽车构件——诸如通常由高强度钢管隔开的支架。铸件的隔开导致相当大的铸造面积超出坯料18的投影面积，从而例如增加主缸18的机械尺寸吨位要求。受控压力方法利用压射端组件14、18来将金属注射至模具30和38，并且辅助缸42和44在模腔30和38填满之后提供压力。该技术导致在充型和初始固化阶段将金属压力限制为机械夹紧吨位除以与坯料14、18和铸造区域30、38相关的总投影面积。一旦腔30、38填满，压射端压力减小，且与模腔30和38集成整体的辅助缸42和44分别致动而仅向铸件投影区域提供压力。 [0054] 特别地，这可以在以特定的后架为例子时看出： [0055] 传统SLC铸造方法 [0056] 压射端/坯料直径：.........................................20英寸[0057] 压射端/坯料投影面积：.................................314英寸2[0058] 铸件投影面积(位于压射端周界之外)：............192英寸2 [0059] 总投影面积(铸件和压射端)：........506英寸2(192+314) [0060] 8,000psi(4吨/英寸2)金属压力下所需的机械吨位..2,000吨 [0061] 根据本申请的实施方式的受控压力SLC铸造方法 [0062] 压射端/坯料直径：..........................................20英寸[0063] 压射端/坯料投影面积：.................................314英寸2[0064] 铸件投影面积(位于压射端周界之外)：............192英寸2 [0065] 充型终止时允许的金属压力：......................2吨/英寸2[0066] 8,000psi(4吨/英寸2)金属压力下所需的机械吨位....768吨 [0067] 这样，当使用根据本申请实施方式的方法时，所需的机械吨位小于使用传统方法和设备所需的机械吨位。称为“受控压力”铸造的本申请实施方式以仅与“可售”铸件投影面积(铸件80、82自身)有关而与坯料18以及铸件80和82的投影面积的总和无关的降低的机械吨位提供了在一个铸造机械循环中铸造诸如后架或前发动机架的构件的能力。 [0068] 图10示出根据本发明另一实施方式的铸造组件110，其中一个压射端压力组件112将熔融金属供应至四个铸模组件114、116、118、120，从而可以同时铸造两个车辆支架 122和124。各车辆支架122和124示出为分别带有两个结构构件123和125，并且各发动机架122和124可与图6中的支架50类似。结构构件123和125在组成和构成上可与管 52基本上相同。当然，任何结构构件123和125的特定形状将根据所形成的特定车辆支架而变化。如上所述，因为在本申请实施方式中公开的铸造组件的效率，在图10中示出的这种结构是可行的。 [0069] 在图10中，主压力组件112分别通过压射缸126、128、130和132而流体耦联至各模组件114、116、118、120的模腔。各模组件114、116、118、120容纳两个结构构件123、125的端部，从而在各个模组件114、11、118、1220中形成的铸件将包封结构构件123和123的两端。各模组件114、116、118、120还具有与上述辅助压力源42和44类似的辅助压力源140、142、144和146。此外，铸造组件110能够由控制器60以上面结合控制器60描述的方式控制。除了将熔融金属供应至四个模组件114、116的主压力112之外，铸造组件110的构造与上述的铸造组件10基本相同。 [0070] 图10的实施方式示出本申请所示实施方式的一种功效。也就是说，因为在固化期间辅助压力施加至各模具114、116、118、120，由主缸116供应至各模具114、116、118和20的主压力小于现有技术铸造装置中由主缸通常施加的压力。这样，由于在本申请实施方式中的主压力较低，从而对于压力系统的尺寸要求和对于主液压缸的尺寸要求较少。这允许本申请的实施方式采用较小的主液压缸以及较低的压力要求。备选地，对于与现有技术中相同的尺寸和压力限制，本申请的实施方式能够用于为更多数量的模腔填充熔融金属20。例如，其中现有技术构造仅仅可以用于铸造一个车辆支架构件，而本申请的实施方式可以用于制造更多铸件——例如各需要两个铸件的两个支架组件。这样，尽管现有技术可以例如每个循环制造两个铸件，但是通过相同压力和尺寸的机械，图10的实施方式可以例如每个循环制造四个铸件。 [0071] 从而，本申请的实施方式采用最低的必需液压将熔融金属20从压射缸18通过内浇口32和40传送至模腔30和38。所需的用于填充腔30和38的来自主压力缸16的液压远小于来自例如现有技术设备的主压力缸的液压，所述现有技术设备仅仅依赖于一个压力源——主压力源——来在固化期间提供压力以减少残存空气的体积及增加固化期间的热传导速率。本申请的实施方式还结合有可运动的型芯(压实活塞)，可运动型芯的形式分别为各模腔30和38中的辅助液压缸42和44。在增加腔30和38中的金属压力之前，辅助缸42和44能够检测它们相应的模腔30和38是否充满。 [0072] 本申请的实施方式还同时致动用作可运动型芯的辅助液压缸42和44，以分别地增加各模腔30和38中的金属压力，模腔30、38共用一个浸入构件52。从而，本申请的实施方式示出了一种增加多腔模30、38中金属密度以使主压力最小的方法。 [0073] 此外，本申请的实施方式还提供了一种通过使用诸如辅助液压缸42和44形式的可运动型芯来检测诸如腔30和38的模腔是否填充有熔融金属20的方法。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈