专利名称：使铸件材料特性最优化的铸造方法和模具设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及铸造，更具体地，涉及使铸件材料特性最优化的铸造方法和模具设计，其中通过控制铸件的冷却速率来达到最优化。
背景技术：
在铸造过程中，在铸件中的不同区域会出现材料特性的变化。在各种原因中，当允许铸件的不同区域以不同的速率冷却，从而固化时，会出现变化。由于铸件各区域中的冷却速度依赖于其几何形状，所以具有复杂几何形状的铸件尤其易受这些变化的影响。例如，在局部表面积相对于体积的比值高的区域中，该区域冷却得比较快。在局部表面积相对于体积的比值低的区域中，该区域冷却得比较慢。这导致铸件之中的材料特性从一个区域到另一个区域变化显著。
铸件材料特性中的这种变化常常是不合需要的。这种变化会引起可加工性或其它处理方面的问题。还会引起产品性能方面的问题。
需要发展使铸件材料特性最优化的铸造方法和模具设计。
发明内容
与本发明协调一致，公开了一种用于使铸件材料特性最优化的铸造方法和模具设计。
在一个实施例中，铸造设备包括第一铸模模型，用于形成在其中接收熔化材料的第一模腔；以及第二铸模模型，位于所述第一铸模模型的至少一部分的附近，所述第二铸模模型形成用于在其中接收熔化材料的第二模腔，其中在所述第二模腔中的熔化材料控制在所述第一模腔的该部分中的熔化材料的冷却速率。
在另一个实施例中，用于铸造的模具包括模具，具有形成在其中并且适于接收熔化材料的第一模腔和第二模腔，所述第二模腔形成为至少与所述第一模腔的一部分相邻；其中所述第二模腔中接收的熔化材料控制所述第一模腔中与所述第二模腔相邻的该部分中接收的熔化材料的冷却速率。
本发明还提供了一种控制铸造过程中熔化材料冷却速率的方法，包括下列步骤提供第一铸模模型，用于形成接收熔化材料的第一模腔；提供第二铸模模型，用于形成接收熔化材料的第二模腔；将所述第二铸模模型定成与所述第一铸模模型的至少一部分相邻；将熔化材料注入所述第一模腔和所述第二模腔，其中所述第二模腔中的熔化材料控制在所述第一模腔的该部分中的熔化材料的冷却速率。
本发明的设备和方法适用在铸造过程中。该设备和方法尤其适用于发动机组件的铸造中，例如发动机体、气缸盖和复杂变速器组件。
结合附图，从下面对优选实施例的详细描述，本领域的普通技术人员会容易地理解本发明上述以及其它优点，其中图1为本领域中已知铸造设备的俯视平面图；图2为在沿着使用图1的现有铸造设备制造的曲轴的三个点处所取的，温度相对于时间的数据的曲线图；图3为使用图1的现有铸造设备制成的曲轴的俯视平面图，并示出了沿曲轴长度的布氏硬度变化；图4为根据本发明实施例的铸造设备的俯视平面图；图5为图4的铸造设备的透视图；图6为在沿着使用图4的铸造设备制造的曲轴的三个点处所取的，温度相对于时间的曲线图；图7为使用图4的铸造设备制成的曲轴的俯视平面图，并示出了沿曲轴长度的布氏硬度变化；以及图8为示出根据本发明一个实施例的方法的方框图。
具体实施例方式
下面的详细说明和附图描述和示出了本发明的各种典型实施例。说明书和附图用来使本领域的技术人员能够制作和使用本发明，但不是以任何方式限制本发明的范围。在所公开的方法方面，所示的步骤实际上是示意性的，因此，这些步骤的顺序不是必需的或苛刻的。
图1示出了根据现有技术的铸造设备10。铸造设备10为在已知铸造方法中用作模具(未示出)的铸造模型，例如熔模铸造法、砂型铸造法、金属型铸造法和压铸铸造法。铸造设备10包括一对铸模模型(mold pattern)12、浇口14和冒口16。
铸模模型12包括凸缘18、主体部分12和杆22。铸模模型12具有基本上类似于所需铸造目标的形状。图1示出了具有基本上类似于图3中所示曲轴24的形状的铸模模型12。应当理解，铸模模型12可具有任意所需铸造目标的形状，例如发动机体、气缸盖、复杂变速器组件等等。
浇口14在模具中形成管道(未示出)，该管道包括入口26，以提供与铸模模型12和冒口16的流体连通。图1示出了位于铸造设备10底部附近的浇口14。应当理解，根据需要，浇口14可为任意尺寸或形状的，并且浇口14可位于铸造设备10的其它区域内。
冒口16适于形成容器(未示出)，该容器防止由于熔化材料(未示出)在其冷却期间的收缩而在所需的铸造目标中形成空腔或气孔。图1示出了一对冒口16，其中各冒口16与各铸模模型12连通。应当理解，只要能在冒口16中提供适量的熔化材料以防止在铸造目标中形成空腔或气孔，就可使用任意形状、尺寸、位置和数量的冒口。还应当理解，熔化材料可根据需要为任意的金属或非金属。
在使用中，铸造设备10通过由浇口14的入口26形成的管道充满熔化材料，其中铸造设备10包括由铸模模型12形成的空腔。例如，在砂型铸造中，在砂模内形成空腔和管道。熔化材料流过铸造设备10，充满铸模模型12和冒口16。
一旦通过模型12形成的模腔充满，就允许熔化材料冷却。因为材料液态时的密度低于固态时的密度，所以当所需的铸造目标冷却时，其占据的体积会减小。因此，有可能形成空腔或气孔，通常在固化的最末点。冒口16通过向铸模模型12提供额外的熔化材料防止在所需铸造目标中形成空腔或气孔。因此，当熔化材料固化和收缩时，所有形成的空腔或气孔都这样形成在冒口16中，而不是在所需的铸造目标中。一旦所需铸造目标已经固化和充分冷却，就打开模具或从铸造目标移除模具。来自由浇口14和冒口16形成的空腔的硬化材料连接到所需铸造目标。使用本领域已知的方法从所需铸造目标去除来自浇口14和冒口16的硬化材料，然后将之抛弃或再使用。
图2示出了对于从图1的铸造设备制造的铸件，温度相对于时间的曲线27。曲线27包括温度轴28(Y轴)、时间轴30(X轴)、凸缘线32、主体部分线34、杆线36、落砂(shakeout)线32和共析线40。
凸缘线22、主体部分线34和杆线36分别表示由位于凸缘18、主体部分20和杆22的热电偶(未示出)测量的温度相对于时间的曲线。热电偶在凝固、冷却和落砂期间测量熔化材料的温度。
落砂线38用曲线表示了当从模具移走曲轴24时的时间段。所示的落砂线38位于一百(100)分钟与一百一十(110)分钟之间的时间处。应当理解，基于所需铸造目标的尺寸或形状、用来制造所需铸造目标的材料的温度范围或其它类似的因素，落砂线38可表示任意所需的时间段。
共析线40用曲线表示发生共析转变的温度。共析转变发生在这样的反应中，其中，在冷却时，一个固相等温可逆地转变成两个紧密混合在一起的新固相。图2示出了共析线40处于大致700摄氏度的温度。应当理解，发生共析转变的温度会基于用来铸造所需铸造目标的材料特性而变化。因此，共析线40可为其它温度，这依赖于所使用的材料。应当理解，一些合金不会经历共析转变，例如铝合金；但是可根据需要控制其固化速率或凝固速率，以通过改变结晶粒度、晶枝间距或者合金的其它类似特征来影响合金的强度。
凸缘线32、主体部分线34和杆线36同时穿过落砂线38，然后所示的曲轴24的不同部分以不同的速率继续冷却。凸缘线32、主体部分线34和杆线36在不同时间穿过共析线40。凸缘线32在一百(100)分钟与一百一十(110)分钟之间的时间穿过共析线40，其在落砂时段之后。主体部分线34在六十(60)分钟与七十(70)分钟之间的时间穿过共析线40，其在落砂时段之前。杆线36在四十(40)分钟与五十(50)分钟之间的时间穿过共析线40，其也在落砂时段之前。应当理解，基于所需铸造目标的尺寸和形状、用于制造所需铸造目标的材料的温度范围或特性、所用的铸造方法或其它类似因素，凸缘线32、主体部分34和杆线36可在任意时间穿过共析线40。因为凸缘线32、主体部分34和杆线36对于曲轴24的不同部分示出了不同的冷却速率，所以从曲轴24一个部分到另一个部分的材料特性是变化的。
图3示出了使用本领域中已知的铸造设备10形成的曲轴24的硬度分布。使用布氏硬度标尺来示出曲轴24的不均匀硬度分布。通过硬度计压头的穿透刻度，布氏硬度标尺表征材料的压痕硬度。典型的测试使用10mm的钢球作为硬度计压头，力的大小为3000kgf(29kN)。对于比较软的材料，使用比较小的力；对于比较硬的材料，以碳化钨球替代钢球。使用下列公式计算硬度布氏硬度值 ，其中P为施加的力，D为硬度计压头的直径，d为压痕的直径。应当理解，存在多种其它硬度测试可用来确定所需铸造目标的硬度分布。
曲轴24包括杆部分42、下主体部分44、上主体部分46和凸缘部分48。杆部分42和下主体部分44的BHN在141.0与220.03之间。上主体部分46与凸缘部分48的BHN在273.0与326.0之间。由BHN表示的硬度差是杆部分42和下主体部分44的冷却速率与上主体部分46和凸缘部分48的冷却速率不同的结果。如上所述，所需铸造目标从一个区域至另一个区域的冷却速率差导致不同的共析转变速率。不同的共析转变速率导致所需铸造目标从其一个区域到另一个区域具有不同的材料特性。
图4和图5示出了根据本发明实施例的铸造设备。铸造设备60为用于模具(未示出)的铸造模型，其可用在任何已知的铸造方法中，例如熔模铸造法、砂型铸造法、金属型铸造法和压铸铸造法。铸造设备60包括一对第一铸模模型62、第二铸模模型64、浇口66和冒口68。应当理解，可根据需要使用更多或更少的铸模模型62、64。
第一铸模模型62包括凸缘70、主体部分72和杆74。第一铸模模型62适于在模具中形成模腔(未示出)，其与由浇口66和冒口68形成的模腔(未示出)流体连通。第一铸模模型62具有基本上类似于所需铸造目标的形状。在所示实施例中，第一铸模模型62具有基本上类似于曲轴76的形状，如图7中所示。应当理解，第一铸模模型62可具有任何所需铸造目标的形状，例如发动机体、气缸盖、复杂变速器组件等等。
在所示实施例中，第二铸模模型64包括内壁78和外壁80。第二铸模模型64适于形成模腔(未示出)，其与作为由浇口66和冒口68形成的模腔一部分的管道(未示出)流体连通。第二铸模模型64的内壁78和外壁80构造成围绕第一铸模模型62的杆74的外形的二维形状。这里使用的术语“围绕”意味着第二铸模模型64的内壁78和外壁80至少部分地环绕并紧靠第一铸模模型62，但并不实际接触第一铸模模型62。应当理解，第二铸模模型64的内壁78可为任意所需的形状或结构，例如第一铸模模型62的特定部分的形状，或者任意的几何形状。还应当理解，内壁可三维地围绕第一铸模模型62的特定部分。外壁80可根据需要为任意形状或结构。第二铸模模型62还可具有基本上类似于另一个所需铸造目标的形状。还应当理解，第二铸模模型64可根据需要距第一铸模模型62任意距离。第二铸模模型64的精确结构和位置依赖于第一铸模模型62的尺寸、形状和表面积，以及充满由第一铸模模型62形成的模腔的熔化材料的所需冷却速率等等。如图所示，第二铸模模型64位于第一铸模模型62的杆74的附近。应当理解，第二铸模模型64可根据需要位于第一铸模模型62任意部分的附近，例如凸缘70、主体部分72，或者位于第一铸模模型62各部分的任意组合的附近。
浇口66形成管道，该管道包括入口82，以提供与第一铸模模型62、第二铸模模型64和冒口68的流体连通。在所示实施例中，浇口66位于铸造设备60底部的附近。应当理解，浇口66可为本领域所知的任何浇口。根据需要浇口66可为任意尺寸或形状，并且浇口66可位于铸造设备上的任意位置。
冒口68适于形成容器(未示出)，该容器防止由于熔化材料(未示出)在其冷却期间的收缩而在所需的铸造目标中形成空腔或气孔。图4和图5示出了一对冒口68，其中各冒口68与各第一铸模模型62连通。应当理解，只要能在冒口68中提供适量的熔化材料以防止在铸造目标中形成空腔或气孔，就可使用任意形状、尺寸、位置和数量的冒口68。还应当理解，熔化材料可根据需要为任意的金属或非金属。
在使用中，铸造设备60通过由浇口66的入口82形成的管道充满熔化材料，其中铸造设备66包括由第一铸模模型62和第二铸模模型64形成的模腔。熔化材料流过铸造设备60，充满由第一铸模模型62、第二铸模模型64和冒口68形成的模腔。
一旦充满模腔，就允许铸造设备60和所需的铸造目标冷却。因为材料液态时的密度低于固态时的密度，所以当所需的铸造目标冷却时，其占据的体积会减小。因此，有可能形成空腔或气孔，通常在固化的最末点。冒口68通过向由第一铸模模型62形成的模腔提供额外的熔化材料防止在所需铸造目标中形成空腔或气孔。因此，当熔化材料固化和收缩时，形成的所有空腔或气孔都形成在冒口68中，而不是在所需的铸造目标中。通过从由第二铸模模型64形成的模腔中熔化材料辐射的热量，来控制在由第二铸模模型64形成的模腔附近的铸造目标的部分的冷却速率。如果在与第二铸模模型64形成的模腔相邻的第一铸模模型62形成的模腔中形成的铸造目标部分正常地冷却比铸目标的其它部分快，那么通过辐射热量降低了第一铸模模型62形成的空腔中形成的铸造目标的冷却速率。应当理解，可使用多个铸模模型来控制第一铸模模型62的冷却速率，而不脱离本发明范围。
一旦所需铸造目标已经固化和充分冷却，就打开模具并取出所需铸造目标。来自由浇口66、冒口68和第二铸模模型64形成的模腔或管道的硬化材料被连接到所需铸造目标。使用本领域已知的方法从所需铸造目标去除硬化材料，然后将之抛弃或再使用。
图6示出了对于铸造设备60制造的铸件，温度相对于时间的曲线83。曲线83包括温度轴84(y轴)、时间轴86(x轴)、凸缘线88、主体部分线90、杆线92、落砂线94和共析线96。
凸缘线88、主体部分线90和杆线92分别表示由位于凸缘70、主体部分72和杆74处的热电偶(未示出)测量的温度相对于时间的测量值曲线。热电偶在凝固、冷却和落砂期间测量熔化材料的温度。
落砂线94用曲线表示了当从模具移走曲轴76时的时间段。为举例说明，所示的落砂线94位于一百(100)分钟与一百一十(110)分钟之间的时间处。应当理解，基于所需铸造目标的尺寸或形状、用来制造所需铸造目标的材料的温度范围或其它类似的因素，落砂线94可表示任意所需的时间段。
共析线96用曲线表示发生共析转变的温度。共析转变发生在这样的反应中，其中，在冷却时，一个固相等温可逆地转变成两个紧密混合在一起的新固相。图6示出了共析线96处于大致700摄氏度的温度。应当理解，发生共析转变的温度会基于用来铸造所需铸造目标的材料特性而变化。因此，共析线96可为其它温度，这依赖于所使用的材料。应当理解，一些合金不会经历共析转变，例如铝合金；但是可根据需要控制其固化速率或凝固速率，以通过改变结晶粒度、晶枝间距或者合金的其它类似特征来影响合金的强度。
凸缘线88、主体部分线90和杆线92具有基本上相似的冷却速度，并且基本同时穿过落砂线94。因为凸缘线88、主体部分线90和杆线92具有基本上相似的冷却速率，所以凸缘线88、主体部分线90和杆线92以基本上相同的速率和时间穿过共析线96。在所示实施例中，凸缘线88、主体部分线90和杆线92都以相同的速率，在一百零五(105)分钟与一百一十(110)分钟之间的时间穿过共析线96，这在落砂时段之后。由于基本上相似的冷却速率和基本上相似的共析转变速率，所以铸件之中从一个部分到另一个部分的材料特性基本上相同。应当理解，基于所需铸造目标的尺寸和形状、用于制造所需铸造目标的材料的温度或特性、所用的铸造方法或其它类似因素，凸缘线88、主体部分线90和杆线92可在其它时间穿过共析线96。
图7示出了使用铸造设备60形成的曲轴76的硬度分布。使用布氏硬度标尺来示出曲轴76的不均匀硬度分布。应当理解，还可使用许多其它硬度测试来确定所需铸造目标的硬度分布。
所示曲轴76包括杆部分98、下主体部分100、上主体部分102和凸缘部分104。在所示实施例中，杆部分98、下主体部分100、上主体部分102和凸缘部分102都具有在273.0与326.0之间的BHN。该数据仅是用于示出一致的材料特性的举例说明目的，而不是限制本发明的范围。由于杆部分98、下主体部分100、上主体部分102和凸缘部分102以基本上相同的速率冷却，所以硬度基本上一致。如上所述，所需铸造目标从一个区域到另一个区域的冷却速率的基本相似导致共析转变的相似时间。共析转变的相似速率使所需铸造目标具有从所需铸目标的一个区域到另一个区域的基本上相似的材料特性。
图8用曲线示出了根据本发明实施例控制第一模腔中熔化材料冷却速率的方法110。任何已知的铸造方法都可使用方法110，例如熔模铸造法、砂型铸造法、金属型铸造法和压铸铸造法。
在第一步骤112中，形成适于接收熔化材料的第一模腔。根据将制造的所需铸造目标所需，第一模腔可为任意的尺寸或形状。第一模腔可为曲轴、发动机体、气缸盖、复杂变速器组件等的尺寸或形状。
在第二步骤114中，形成适于接收熔化材料的第二模腔。第二模腔可构造成围绕第一模腔一部分的二维外形。应当理解，第二模腔可为所需的任意的形状或结构，例如第一模腔的特定部分的形状，或者任意的几何形状。还应当理解，第二模腔可三维地围绕第一膜腔的特定部分。第二模腔可根据需要为任意的形状或结构。第二模腔还可具有基本上类似于另一个所需铸造目标的形状。还应当理解，第二模腔可根据需要距第一模腔任意距离。第二模腔的精确结构和位置依赖于第一模腔的尺寸、形状和表面积，以及第一模腔中熔化材料所需的冷却速率。
在第三步骤116中，将第二模腔定位在第一模腔一部分的附近。应当理解，第二模腔可位于第一模腔一侧、两侧的附近，或者完全环绕第一模腔的该部分。
在第四步骤118中，将熔化材料注入第一模腔和第二模腔，其中从第二模腔辐射的热量控制第一模腔该部分内熔化材料的冷却速率。可控制第一模腔内熔化材料中与第二模腔相邻的部分的冷却速率，使得与第二模腔相邻的该部分以与第一模腔中熔化材料的其余部分基本上相似的速率冷却。可选择地，可控制第一模腔内熔化材料中与第二模腔相邻的该部分的冷却速率，使得与第二模腔相邻的该部分以比第一模腔中熔化材料的其余部分慢的速率冷却。
从前面的描述，本领域的技术人员可容易地确定本发明的实质特征，并且在不脱离本发明的实质和范围的情况下，本领域的技术人员可对本发明作出各种变化和修改，以适于各种应用和情形。
权利要求
1.一种铸造设备(60)，包括第一铸模模型(62)，用于形成在其中接收熔化材料的第一模腔；以及第二铸模模型(64)，位于所述第一铸模模型(62)的至少一部分的附近，所述第二铸模模型(64)形成用于在其中接收熔化材料的第二模腔，其中在所述第二模腔中的熔化材料控制在所述第一模腔的该部分中的熔化材料的冷却速率。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述第一铸模模型(62)和所述第二铸模模型(64)为用于砂型铸造法的模型。
3.如权利要求1所述的设备(60)，其中所述第一铸模模型(62)和所述第二铸模模型(64)为用于压铸铸造法的模型。
4.如权利要求1所述的设备(60)，其中所述第一铸模模型(62)和所述第二铸模模型(64)为用于熔模铸造法的模型。
5.如权利要求1所述的设备(60)，其中所述第一铸模模型(62)和所述第二铸模模型(64)为用于金属型铸造法的模型。
6.如权利要求1所述的设备(60)，其中所述第二铸模模型(64)至少与所述第一铸模模型(62)的一侧相邻。
7.如权利要求1所述的设备(60)，其中所述第二铸模模型(64)与所述第一铸模模型(62)的两侧相邻。
8.如权利要求1所述的设备(60)，其中所述第二铸模模型(64)与所述第一铸模模型(62)的三侧相邻。
9.如权利要求1所述的设备(60)，其中所述第二铸模模型(64)至少环绕所述第一铸模模型(62)的一部分。
10.一种用于铸造的模具(60)，包括模具(62，64)，具有形成在其中并且适于接收熔化材料的第一模腔和第二模腔，所述第二模腔形成为至少与所述第一模腔的一部分相邻；其中所述第二模腔中接收的熔化材料控制所述第一模腔中与所述第二模腔相邻的该部分中接收的熔化材料的冷却速率。
11.如权利要求10所述的模具(60)，其中所述模具(62，64)为砂型铸造模具。
12.如权利要求10所述的模具(60)，其中所述模具(62，64)为压铸铸造模具。
13.如权利要求10所述的模具(60)，其中所述模具(62，64)为熔模铸造模具。
14.如权利要求10所述的模具(60)，其中所述模具(62，64)为金属型铸造模具。
15.如权利要求10所述的模具(60)，其中所述第二模腔与所述第一模腔的一侧相邻。
16.如权利要求10所述的模具(60)，其中所述第二模腔与所述第一模腔的两侧相邻。
17.如权利要求10所述的模具(60)，其中所述第二模腔与所述第一模腔的三侧相邻。
18.如权利要求10所述的模具(60)，其中所述第二模腔至少环绕所述第一模腔的一部分。
19.一种控制铸造过程中熔化材料冷却速率的方法(110)，包括下列步骤提供第一铸模模型(62)，用于形成接收熔化材料的第一模腔(112)；提供第二铸模模型(64)，用于形成接收熔化材料的第二模腔(114)；将所述第二铸模模型(64)定位成与所述第一铸模模型(62)的至少一部分相邻(116)；和将熔化材料注入所述第一模腔和所述第二模腔，其中所述第二模腔中的熔化材料控制在所述第一模腔的该部分中的熔化材料的冷却速率(118)。
20.如权利要求19所述的方法(110)，其中所述第二铸模模型(64)定位为与所述第一铸模模型(62)的至少一侧相邻。
全文摘要
本发明公开了一种用于使铸件材料特性最优化的铸造方法和模具设计，其中通过控制铸件的冷却速率以提供整个铸件的所需材料特性，从而达到最优化。
文档编号B22C9/04GK101066553SQ20071010237
公开日2007年11月7日 申请日期2007年4月30日 优先权日2006年5月1日
发明者I·M·汉纳, B·J·麦克洛里 申请人:通用汽车环球科技运作公司