專利名稱：使鑄件材料特性最優化的鑄造方法和模具設計的制作方法
技術領域：
本發明涉及鑄造，更具體地，涉及使鑄件材料特性最優化的鑄造方法和模具設計，其中通過控制鑄件的冷卻速率來達到最優化。
背景技術：
在鑄造過程中，在鑄件中的不同區域會出現材料特性的變化。在各種原因中，當允許鑄件的不同區域以不同的速率冷卻，從而固化時，會出現變化。由于鑄件各區域中的冷卻速度依賴于其幾何形狀，所以具有復雜幾何形狀的鑄件尤其易受這些變化的影響。例如，在局部表面積相對于體積的比值高的區域中，該區域冷卻得比較快。在局部表面積相對于體積的比值低的區域中，該區域冷卻得比較慢。這導致鑄件之中的材料特性從一個區域到另一個區域變化顯著。
鑄件材料特性中的這種變化常常是不合需要的。這種變化會引起可加工性或其它處理方面的問題。還會引起產品性能方面的問題。
需要發展使鑄件材料特性最優化的鑄造方法和模具設計。
發明內容
與本發明協調一致，公開了一種用于使鑄件材料特性最優化的鑄造方法和模具設計。
在一個實施例中，鑄造設備包括第一鑄模模型，用于形成在其中接收熔化材料的第一模腔；以及第二鑄模模型，位于所述第一鑄模模型的至少一部分的附近，所述第二鑄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該部分中的熔化材料的冷卻速率。
在另一個實施例中，用于鑄造的模具包括模具，具有形成在其中并且適于接收熔化材料的第一模腔和第二模腔，所述第二模腔形成為至少與所述第一模腔的一部分相鄰；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與所述第二模腔相鄰的該部分中接收的熔化材料的冷卻速率。
本發明還提供了一種控制鑄造過程中熔化材料冷卻速率的方法，包括下列步驟提供第一鑄模模型，用于形成接收熔化材料的第一模腔；提供第二鑄模模型，用于形成接收熔化材料的第二模腔；將所述第二鑄模模型定成與所述第一鑄模模型的至少一部分相鄰；將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該部分中的熔化材料的冷卻速率。
本發明的設備和方法適用在鑄造過程中。該設備和方法尤其適用于發動機組件的鑄造中，例如發動機體、氣缸蓋和復雜變速器組件。
結合附圖，從下面對優選實施例的詳細描述，本領域的普通技術人員會容易地理解本發明上述以及其它優點，其中圖1為本領域中已知鑄造設備的俯視平面圖；圖2為在沿著使用圖1的現有鑄造設備制造的曲軸的三個點處所取的，溫度相對于時間的數據的曲線圖；圖3為使用圖1的現有鑄造設備制成的曲軸的俯視平面圖，并示出了沿曲軸長度的布氏硬度變化；圖4為根據本發明實施例的鑄造設備的俯視平面圖；圖5為圖4的鑄造設備的透視圖；圖6為在沿著使用圖4的鑄造設備制造的曲軸的三個點處所取的，溫度相對于時間的曲線圖；圖7為使用圖4的鑄造設備制成的曲軸的俯視平面圖，并示出了沿曲軸長度的布氏硬度變化；以及圖8為示出根據本發明一個實施例的方法的方框圖。
具體實施例方式
下面的詳細說明和附圖描述和示出了本發明的各種典型實施例。說明書和附圖用來使本領域的技術人員能夠制作和使用本發明，但不是以任何方式限制本發明的范圍。在所公開的方法方面，所示的步驟實際上是示意性的，因此，這些步驟的順序不是必需的或苛刻的。
圖1示出了根據現有技術的鑄造設備10。鑄造設備10為在已知鑄造方法中用作模具(未示出)的鑄造模型，例如熔模鑄造法、砂型鑄造法、金屬型鑄造法和壓鑄鑄造法。鑄造設備10包括一對鑄模模型(mold pattern)12、澆口14和冒口16。
鑄模模型12包括凸緣18、主體部分12和桿22。鑄模模型12具有基本上類似于所需鑄造目標的形狀。圖1示出了具有基本上類似于圖3中所示曲軸24的形狀的鑄模模型12。應當理解，鑄模模型12可具有任意所需鑄造目標的形狀，例如發動機體、氣缸蓋、復雜變速器組件等等。
澆口14在模具中形成管道(未示出)，該管道包括入口26，以提供與鑄模模型12和冒口16的流體連通。圖1示出了位于鑄造設備10底部附近的澆口14。應當理解，根據需要，澆口14可為任意尺寸或形狀的，并且澆口14可位于鑄造設備10的其它區域內。
冒口16適于形成容器(未示出)，該容器防止由于熔化材料(未示出)在其冷卻期間的收縮而在所需的鑄造目標中形成空腔或氣孔。圖1示出了一對冒口16，其中各冒口16與各鑄模模型12連通。應當理解，只要能在冒口16中提供適量的熔化材料以防止在鑄造目標中形成空腔或氣孔，就可使用任意形狀、尺寸、位置和數量的冒口。還應當理解，熔化材料可根據需要為任意的金屬或非金屬。
在使用中，鑄造設備10通過由澆口14的入口26形成的管道充滿熔化材料，其中鑄造設備10包括由鑄模模型12形成的空腔。例如，在砂型鑄造中，在砂模內形成空腔和管道。熔化材料流過鑄造設備10，充滿鑄模模型12和冒口16。
一旦通過模型12形成的模腔充滿，就允許熔化材料冷卻。因為材料液態時的密度低于固態時的密度，所以當所需的鑄造目標冷卻時，其占據的體積會減小。因此，有可能形成空腔或氣孔，通常在固化的最末點。冒口16通過向鑄模模型12提供額外的熔化材料防止在所需鑄造目標中形成空腔或氣孔。因此，當熔化材料固化和收縮時，所有形成的空腔或氣孔都這樣形成在冒口16中，而不是在所需的鑄造目標中。一旦所需鑄造目標已經固化和充分冷卻，就打開模具或從鑄造目標移除模具。來自由澆口14和冒口16形成的空腔的硬化材料連接到所需鑄造目標。使用本領域已知的方法從所需鑄造目標去除來自澆口14和冒口16的硬化材料，然后將之拋棄或再使用。
圖2示出了對于從圖1的鑄造設備制造的鑄件，溫度相對于時間的曲線27。曲線27包括溫度軸28(Y軸)、時間軸30(X軸)、凸緣線32、主體部分線34、桿線36、落砂(shakeout)線32和共析線40。
凸緣線22、主體部分線34和桿線36分別表示由位于凸緣18、主體部分20和桿22的熱電偶(未示出)測量的溫度相對于時間的曲線。熱電偶在凝固、冷卻和落砂期間測量熔化材料的溫度。
落砂線38用曲線表示了當從模具移走曲軸24時的時間段。所示的落砂線38位于一百(100)分鐘與一百一十(110)分鐘之間的時間處。應當理解，基于所需鑄造目標的尺寸或形狀、用來制造所需鑄造目標的材料的溫度范圍或其它類似的因素，落砂線38可表示任意所需的時間段。
共析線40用曲線表示發生共析轉變的溫度。共析轉變發生在這樣的反應中，其中，在冷卻時，一個固相等溫可逆地轉變成兩個緊密混合在一起的新固相。圖2示出了共析線40處于大致700攝氏度的溫度。應當理解，發生共析轉變的溫度會基于用來鑄造所需鑄造目標的材料特性而變化。因此，共析線40可為其它溫度，這依賴于所使用的材料。應當理解，一些合金不會經歷共析轉變，例如鋁合金；但是可根據需要控制其固化速率或凝固速率，以通過改變結晶粒度、晶枝間距或者合金的其它類似特征來影響合金的強度。
凸緣線32、主體部分線34和桿線36同時穿過落砂線38，然后所示的曲軸24的不同部分以不同的速率繼續冷卻。凸緣線32、主體部分線34和桿線36在不同時間穿過共析線40。凸緣線32在一百(100)分鐘與一百一十(110)分鐘之間的時間穿過共析線40，其在落砂時段之后。主體部分線34在六十(60)分鐘與七十(70)分鐘之間的時間穿過共析線40，其在落砂時段之前。桿線36在四十(40)分鐘與五十(50)分鐘之間的時間穿過共析線40，其也在落砂時段之前。應當理解，基于所需鑄造目標的尺寸和形狀、用于制造所需鑄造目標的材料的溫度范圍或特性、所用的鑄造方法或其它類似因素，凸緣線32、主體部分34和桿線36可在任意時間穿過共析線40。因為凸緣線32、主體部分34和桿線36對于曲軸24的不同部分示出了不同的冷卻速率，所以從曲軸24一個部分到另一個部分的材料特性是變化的。
圖3示出了使用本領域中已知的鑄造設備10形成的曲軸24的硬度分布。使用布氏硬度標尺來示出曲軸24的不均勻硬度分布。通過硬度計壓頭的穿透刻度，布氏硬度標尺表征材料的壓痕硬度。典型的測試使用10mm的鋼球作為硬度計壓頭，力的大小為3000kgf(29kN)。對于比較軟的材料，使用比較小的力；對于比較硬的材料，以碳化鎢球替代鋼球。使用下列公式計算硬度布氏硬度值 ，其中P為施加的力，D為硬度計壓頭的直徑，d為壓痕的直徑。應當理解，存在多種其它硬度測試可用來確定所需鑄造目標的硬度分布。
曲軸24包括桿部分42、下主體部分44、上主體部分46和凸緣部分48。桿部分42和下主體部分44的BHN在141.0與220.03之間。上主體部分46與凸緣部分48的BHN在273.0與326.0之間。由BHN表示的硬度差是桿部分42和下主體部分44的冷卻速率與上主體部分46和凸緣部分48的冷卻速率不同的結果。如上所述，所需鑄造目標從一個區域至另一個區域的冷卻速率差導致不同的共析轉變速率。不同的共析轉變速率導致所需鑄造目標從其一個區域到另一個區域具有不同的材料特性。
圖4和圖5示出了根據本發明實施例的鑄造設備。鑄造設備60為用于模具(未示出)的鑄造模型，其可用在任何已知的鑄造方法中，例如熔模鑄造法、砂型鑄造法、金屬型鑄造法和壓鑄鑄造法。鑄造設備60包括一對第一鑄模模型62、第二鑄模模型64、澆口66和冒口68。應當理解，可根據需要使用更多或更少的鑄模模型62、64。
第一鑄模模型62包括凸緣70、主體部分72和桿74。第一鑄模模型62適于在模具中形成模腔(未示出)，其與由澆口66和冒口68形成的模腔(未示出)流體連通。第一鑄模模型62具有基本上類似于所需鑄造目標的形狀。在所示實施例中，第一鑄模模型62具有基本上類似于曲軸76的形狀，如圖7中所示。應當理解，第一鑄模模型62可具有任何所需鑄造目標的形狀，例如發動機體、氣缸蓋、復雜變速器組件等等。
在所示實施例中，第二鑄模模型64包括內壁78和外壁80。第二鑄模模型64適于形成模腔(未示出)，其與作為由澆口66和冒口68形成的模腔一部分的管道(未示出)流體連通。第二鑄模模型64的內壁78和外壁80構造成圍繞第一鑄模模型62的桿74的外形的二維形狀。這里使用的術語“圍繞”意味著第二鑄模模型64的內壁78和外壁80至少部分地環繞并緊靠第一鑄模模型62，但并不實際接觸第一鑄模模型62。應當理解，第二鑄模模型64的內壁78可為任意所需的形狀或結構，例如第一鑄模模型62的特定部分的形狀，或者任意的幾何形狀。還應當理解，內壁可三維地圍繞第一鑄模模型62的特定部分。外壁80可根據需要為任意形狀或結構。第二鑄模模型62還可具有基本上類似于另一個所需鑄造目標的形狀。還應當理解，第二鑄模模型64可根據需要距第一鑄模模型62任意距離。第二鑄模模型64的精確結構和位置依賴于第一鑄模模型62的尺寸、形狀和表面積，以及充滿由第一鑄模模型62形成的模腔的熔化材料的所需冷卻速率等等。如圖所示，第二鑄模模型64位于第一鑄模模型62的桿74的附近。應當理解，第二鑄模模型64可根據需要位于第一鑄模模型62任意部分的附近，例如凸緣70、主體部分72，或者位于第一鑄模模型62各部分的任意組合的附近。
澆口66形成管道，該管道包括入口82，以提供與第一鑄模模型62、第二鑄模模型64和冒口68的流體連通。在所示實施例中，澆口66位于鑄造設備60底部的附近。應當理解，澆口66可為本領域所知的任何澆口。根據需要澆口66可為任意尺寸或形狀，并且澆口66可位于鑄造設備上的任意位置。
冒口68適于形成容器(未示出)，該容器防止由于熔化材料(未示出)在其冷卻期間的收縮而在所需的鑄造目標中形成空腔或氣孔。圖4和圖5示出了一對冒口68，其中各冒口68與各第一鑄模模型62連通。應當理解，只要能在冒口68中提供適量的熔化材料以防止在鑄造目標中形成空腔或氣孔，就可使用任意形狀、尺寸、位置和數量的冒口68。還應當理解，熔化材料可根據需要為任意的金屬或非金屬。
在使用中，鑄造設備60通過由澆口66的入口82形成的管道充滿熔化材料，其中鑄造設備66包括由第一鑄模模型62和第二鑄模模型64形成的模腔。熔化材料流過鑄造設備60，充滿由第一鑄模模型62、第二鑄模模型64和冒口68形成的模腔。
一旦充滿模腔，就允許鑄造設備60和所需的鑄造目標冷卻。因為材料液態時的密度低于固態時的密度，所以當所需的鑄造目標冷卻時，其占據的體積會減小。因此，有可能形成空腔或氣孔，通常在固化的最末點。冒口68通過向由第一鑄模模型62形成的模腔提供額外的熔化材料防止在所需鑄造目標中形成空腔或氣孔。因此，當熔化材料固化和收縮時，形成的所有空腔或氣孔都形成在冒口68中，而不是在所需的鑄造目標中。通過從由第二鑄模模型64形成的模腔中熔化材料輻射的熱量，來控制在由第二鑄模模型64形成的模腔附近的鑄造目標的部分的冷卻速率。如果在與第二鑄模模型64形成的模腔相鄰的第一鑄模模型62形成的模腔中形成的鑄造目標部分正常地冷卻比鑄目標的其它部分快，那么通過輻射熱量降低了第一鑄模模型62形成的空腔中形成的鑄造目標的冷卻速率。應當理解，可使用多個鑄模模型來控制第一鑄模模型62的冷卻速率，而不脫離本發明范圍。
一旦所需鑄造目標已經固化和充分冷卻，就打開模具并取出所需鑄造目標。來自由澆口66、冒口68和第二鑄模模型64形成的模腔或管道的硬化材料被連接到所需鑄造目標。使用本領域已知的方法從所需鑄造目標去除硬化材料，然后將之拋棄或再使用。
圖6示出了對于鑄造設備60制造的鑄件，溫度相對于時間的曲線83。曲線83包括溫度軸84(y軸)、時間軸86(x軸)、凸緣線88、主體部分線90、桿線92、落砂線94和共析線96。
凸緣線88、主體部分線90和桿線92分別表示由位于凸緣70、主體部分72和桿74處的熱電偶(未示出)測量的溫度相對于時間的測量值曲線。熱電偶在凝固、冷卻和落砂期間測量熔化材料的溫度。
落砂線94用曲線表示了當從模具移走曲軸76時的時間段。為舉例說明，所示的落砂線94位于一百(100)分鐘與一百一十(110)分鐘之間的時間處。應當理解，基于所需鑄造目標的尺寸或形狀、用來制造所需鑄造目標的材料的溫度范圍或其它類似的因素，落砂線94可表示任意所需的時間段。
共析線96用曲線表示發生共析轉變的溫度。共析轉變發生在這樣的反應中，其中，在冷卻時，一個固相等溫可逆地轉變成兩個緊密混合在一起的新固相。圖6示出了共析線96處于大致700攝氏度的溫度。應當理解，發生共析轉變的溫度會基于用來鑄造所需鑄造目標的材料特性而變化。因此，共析線96可為其它溫度，這依賴于所使用的材料。應當理解，一些合金不會經歷共析轉變，例如鋁合金；但是可根據需要控制其固化速率或凝固速率，以通過改變結晶粒度、晶枝間距或者合金的其它類似特征來影響合金的強度。
凸緣線88、主體部分線90和桿線92具有基本上相似的冷卻速度，并且基本同時穿過落砂線94。因為凸緣線88、主體部分線90和桿線92具有基本上相似的冷卻速率，所以凸緣線88、主體部分線90和桿線92以基本上相同的速率和時間穿過共析線96。在所示實施例中，凸緣線88、主體部分線90和桿線92都以相同的速率，在一百零五(105)分鐘與一百一十(110)分鐘之間的時間穿過共析線96，這在落砂時段之后。由于基本上相似的冷卻速率和基本上相似的共析轉變速率，所以鑄件之中從一個部分到另一個部分的材料特性基本上相同。應當理解，基于所需鑄造目標的尺寸和形狀、用于制造所需鑄造目標的材料的溫度或特性、所用的鑄造方法或其它類似因素，凸緣線88、主體部分線90和桿線92可在其它時間穿過共析線96。
圖7示出了使用鑄造設備60形成的曲軸76的硬度分布。使用布氏硬度標尺來示出曲軸76的不均勻硬度分布。應當理解，還可使用許多其它硬度測試來確定所需鑄造目標的硬度分布。
所示曲軸76包括桿部分98、下主體部分100、上主體部分102和凸緣部分104。在所示實施例中，桿部分98、下主體部分100、上主體部分102和凸緣部分102都具有在273.0與326.0之間的BHN。該數據僅是用于示出一致的材料特性的舉例說明目的，而不是限制本發明的范圍。由于桿部分98、下主體部分100、上主體部分102和凸緣部分102以基本上相同的速率冷卻，所以硬度基本上一致。如上所述，所需鑄造目標從一個區域到另一個區域的冷卻速率的基本相似導致共析轉變的相似時間。共析轉變的相似速率使所需鑄造目標具有從所需鑄目標的一個區域到另一個區域的基本上相似的材料特性。
圖8用曲線示出了根據本發明實施例控制第一模腔中熔化材料冷卻速率的方法110。任何已知的鑄造方法都可使用方法110，例如熔模鑄造法、砂型鑄造法、金屬型鑄造法和壓鑄鑄造法。
在第一步驟112中，形成適于接收熔化材料的第一模腔。根據將制造的所需鑄造目標所需，第一模腔可為任意的尺寸或形狀。第一模腔可為曲軸、發動機體、氣缸蓋、復雜變速器組件等的尺寸或形狀。
在第二步驟114中，形成適于接收熔化材料的第二模腔。第二模腔可構造成圍繞第一模腔一部分的二維外形。應當理解，第二模腔可為所需的任意的形狀或結構，例如第一模腔的特定部分的形狀，或者任意的幾何形狀。還應當理解，第二模腔可三維地圍繞第一膜腔的特定部分。第二模腔可根據需要為任意的形狀或結構。第二模腔還可具有基本上類似于另一個所需鑄造目標的形狀。還應當理解，第二模腔可根據需要距第一模腔任意距離。第二模腔的精確結構和位置依賴于第一模腔的尺寸、形狀和表面積，以及第一模腔中熔化材料所需的冷卻速率。
在第三步驟116中，將第二模腔定位在第一模腔一部分的附近。應當理解，第二模腔可位于第一模腔一側、兩側的附近，或者完全環繞第一模腔的該部分。
在第四步驟118中，將熔化材料注入第一模腔和第二模腔，其中從第二模腔輻射的熱量控制第一模腔該部分內熔化材料的冷卻速率。可控制第一模腔內熔化材料中與第二模腔相鄰的部分的冷卻速率，使得與第二模腔相鄰的該部分以與第一模腔中熔化材料的其余部分基本上相似的速率冷卻。可選擇地，可控制第一模腔內熔化材料中與第二模腔相鄰的該部分的冷卻速率，使得與第二模腔相鄰的該部分以比第一模腔中熔化材料的其余部分慢的速率冷卻。
從前面的描述，本領域的技術人員可容易地確定本發明的實質特征，并且在不脫離本發明的實質和范圍的情況下，本領域的技術人員可對本發明作出各種變化和修改，以適于各種應用和情形。
權利要求
1.一種鑄造設備(60)，包括第一鑄模模型(62)，用于形成在其中接收熔化材料的第一模腔；以及第二鑄模模型(64)，位于所述第一鑄模模型(62)的至少一部分的附近，所述第二鑄模模型(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該部分中的熔化材料的冷卻速率。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述第一鑄模模型(62)和所述第二鑄模模型(64)為用于砂型鑄造法的模型。
3.如權利要求1所述的設備(60)，其中所述第一鑄模模型(62)和所述第二鑄模模型(64)為用于壓鑄鑄造法的模型。
4.如權利要求1所述的設備(60)，其中所述第一鑄模模型(62)和所述第二鑄模模型(64)為用于熔模鑄造法的模型。
5.如權利要求1所述的設備(60)，其中所述第一鑄模模型(62)和所述第二鑄模模型(64)為用于金屬型鑄造法的模型。
6.如權利要求1所述的設備(60)，其中所述第二鑄模模型(64)至少與所述第一鑄模模型(62)的一側相鄰。
7.如權利要求1所述的設備(60)，其中所述第二鑄模模型(64)與所述第一鑄模模型(62)的兩側相鄰。
8.如權利要求1所述的設備(60)，其中所述第二鑄模模型(64)與所述第一鑄模模型(62)的三側相鄰。
9.如權利要求1所述的設備(60)，其中所述第二鑄模模型(64)至少環繞所述第一鑄模模型(62)的一部分。
10.一種用于鑄造的模具(60)，包括模具(62，64)，具有形成在其中并且適于接收熔化材料的第一模腔和第二模腔，所述第二模腔形成為至少與所述第一模腔的一部分相鄰；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與所述第二模腔相鄰的該部分中接收的熔化材料的冷卻速率。
11.如權利要求10所述的模具(60)，其中所述模具(62，64)為砂型鑄造模具。
12.如權利要求10所述的模具(60)，其中所述模具(62，64)為壓鑄鑄造模具。
13.如權利要求10所述的模具(60)，其中所述模具(62，64)為熔模鑄造模具。
14.如權利要求10所述的模具(60)，其中所述模具(62，64)為金屬型鑄造模具。
15.如權利要求10所述的模具(60)，其中所述第二模腔與所述第一模腔的一側相鄰。
16.如權利要求10所述的模具(60)，其中所述第二模腔與所述第一模腔的兩側相鄰。
17.如權利要求10所述的模具(60)，其中所述第二模腔與所述第一模腔的三側相鄰。
18.如權利要求10所述的模具(60)，其中所述第二模腔至少環繞所述第一模腔的一部分。
19.一種控制鑄造過程中熔化材料冷卻速率的方法(110)，包括下列步驟提供第一鑄模模型(62)，用于形成接收熔化材料的第一模腔(112)；提供第二鑄模模型(64)，用于形成接收熔化材料的第二模腔(114)；將所述第二鑄模模型(64)定位成與所述第一鑄模模型(62)的至少一部分相鄰(116)；和將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該部分中的熔化材料的冷卻速率(118)。
20.如權利要求19所述的方法(110)，其中所述第二鑄模模型(64)定位為與所述第一鑄模模型(62)的至少一側相鄰。
全文摘要
本發明公開了一種用于使鑄件材料特性最優化的鑄造方法和模具設計，其中通過控制鑄件的冷卻速率以提供整個鑄件的所需材料特性，從而達到最優化。
文檔編號B22C9/04GK101066553SQ20071010237
公開日2007年11月7日 申請日期2007年4月30日 優先權日2006年5月1日
發明者I·M·漢納, B·J·麥克洛里 申請人:通用汽車環球科技運作公司