专利名称：浇铸金属泡沫的设备及方法
技术领域：
本发明涉及浇铸金属泡沫的设备及方法。
背景技术：
在例如汽车等产品的生产中，越来越需要由高的强度/重量之比值的材料生产的组件。为了满足这个要求，人们着重寻找重量相对较轻、而强度较大的材料来制造这些组件。已经被建议使用的一种材料是泡沫化金属。
金属泡沫一般是通过在熔融的金属池中导入气体以形成熔融的金属泡沫来得到的。然后，提取并冷却泡沫。用金属泡沫来取代标准金属，具有许多优点，例如满足上面提到的高的强度/重量比，高的振动-或冲击吸收品质及吸音品质。现有技术教导了各种方法来生产金属泡沫，例如专利号为5221324和5622542的美国专利中提到的。前面提到的产生气体的方法有以下几种(1)使用一种供气装置，它可以将气体吹入或注入到熔融金属中；(2)使用气体发生剂或起泡剂，当加热时，它们释放出气体；(3)使用叶轮，将所需气体引入熔融金属池中。在现有技术中还已知，可在熔融金属中加入多种助剂来帮助泡沫保持所形成的空穴的完整性。
虽然在现有技术中提供了许多生产可切割成所需尺寸的金属泡沫板的方法，但提供的将泡沫制成具有更复杂的三维几何形状的方法很少。US5865237号美国专利提供了这样一种方法。在这篇文献中提到，将金属粉末和能释放出气体的起泡剂置于加热室内加热来产生金属泡沫。当泡沫生成后，将熔融混合物注入到模具腔中。然后，混合物可以在模具中继续起泡，以保证泡沫能填满整个模具空腔。
现有技术中提到的方法存在许多不足之处。首先，方法必须是间歇式实施的。也就是说，一件组件的生产包括以下步骤将所需的粉末加入到加热室中、熔化粉末、将物料注入模具中，最后，完成发泡过程、冷却模具并取出最终制品。因此，在US 5865237号专利中提到的方法是很耗时的。并且，在将发泡物注入到模具中的过程中需要提供一个力来施加在泡沫空穴上。这个力将不可避免的破坏一些空穴，从而减少了这种泡沫材料的优势。另外，该专利要求使用活塞将发泡材料注入模具中。由于‘237号专利中的活塞是用金属制成的，而它始终处于维持金属处于熔融状态的高温的加热室中，因此活塞易于被高温损伤而被卡住。并且，在该过程中发泡材料的转移必须在特定的时间进行，以确保转移后发泡的发生。最后，’237号专利教导的将发泡材料压入模具中的方法不能精确地定量供给所述材料。因此，最终制品的尺寸及密度是不一致的。
本发明提供了一种金属泡沫浇铸设备及方法，所述设备和方法能够消除现有技术中的至少一些不足之处。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供的用金属泡沫浇铸制品的设备包括一个熔融金属池；一个位于熔融金属池中的金属泡沫发生器；一个通过导管与熔融金属池相连的加热室；一个置于加热室中、用于接收泡沫样品的铸勺；一个用于从加热室中取出铸勺的装置；以及，一个具有与制品形状互补的模腔的模具。
一个用于从加热室中取出铸勺的装置；以及，一个具有与制品形状互补的模腔的模具。
在另一个实施方式中，本发明提供的使用金属泡沫浇铸制品的方法包括-提供熔融状的金属；-使熔融金属产生泡沫；-提取泡沫样品；-转移样品至模具；
-冷却模具；以及-取出成形的制品。
本发明优选实施方式中的上述和其他特征，在下面结合附图的发明详述中得到更明显的体现，其中图1是根据发明的一个实施方式的处于发泡阶段的浇铸设备的剖视图。
图2是取出泡沫样品后，浇铸设备的剖视图。
图3是处于打开状态的模具及泡沫转移容器的剖视图。
图4和5是处于移去容器的两个阶段的模具的剖视图。
图6是处于闭合位置的模具的剖视图。
图7A和7B分别是泡沫制品未修饰前的顶部剖视图及侧面剖视图。
图8是修饰压制机的剖视图。
图9A和9B分别是修饰后的泡沫制品的顶部剖视图及侧面剖视图。
具体实施例方式
图1表示了本发明设备的一个实施方式。该设备包括一个加热室10，它与装有熔融金属14的熔融金属池12相连。使用任何已知的加热设备将熔融金属池12维持在足够的温度来使金属处于熔融状态。气体入口或注射口16设在熔融金属池12的底部，通过它抽入气体13。气体13在熔融金属14中起泡，从而使熔融金属14形成泡沫18。气体入口16包括一个气体能透过的多孔的喷嘴。或者，入口可包括任何能使气体在通过熔融金属时起泡的已知结构。从现有技术可以知道，升起的气体气泡使熔融金属14的上表面形成泡沫18。
在一个优选的实施方式中，熔融金属池12被一个隔离墙20分为两个部分，从而在该池中形成一个泡沫生成部分22。如图所示，气体入口16优选位于泡沫形成部分22的下方，从而在泡沫形成部分22中泡沫形成泡沫18。可以理解，由于气泡13的垂直上升，泡沫将优先在泡沫形成部分22中形成。为了确保这一点，将隔离墙20部分地浸没于熔融金属14中。
隔离墙20包括一个弯曲的转向器24，它是用于将升起的泡沫18导入加热室10中的装置的一个实例。在加热室10中设有一个泡沫转移容器或铸勺26。铸勺26与往复运动的杆28相连，它使铸勺可以在加热室10中横向移动。其它任何可移动铸勺26的装置都可被采用。如图1所示，铸勺26首先被置于接近熔融金属池12的侧壁的位置。而且，铸勺26处于置于加热室10内，使铸勺26的开口30与熔融金属池12的侧壁处于同一水平面上。采用垂直定位的目的是使泡沫转向器24引导的泡沫18进入并填满铸勺26。只要能使泡沫18充满铸勺26，铸勺26采取其它任何取向都是可以的。例如，在另一个实施例中，铸勺可被置于熔融金属池12的稍上方。或者，可以使用另外的转向装置来使泡沫填满铸勺26。在另一个实施例中，泡沫18可被舀入或用别的方式置于铸勺。转向器24可采用任何形状或方向，只要能达到前述目的。
一旦铸勺26填满了泡沫样品27，杆28就被收回，从而使铸勺从加热室10中退出。图2表示本发明的带有被收回的铸勺26的设备。如图所示，与熔融金属池12相对的、加热室10的侧壁32上设有一个可关闭的开口34，铸勺26可以从其中通过。如图1所示，开口34优选处于关闭状态，直到铸勺26要通过时(如图2所示)。这样可以减少加热室的热量损失。但是，开口34也可处于开启状态并采用其它方式维持加热室10内的温度。而且，如图2所示，确定开口34的尺寸来减小铸勺26的间隙。这样，当收回铸勺26时，开口的上端31可刮掉超出铸勺的开口30高度的泡沫。这样，通过铸勺26收回的泡沫样品27的体积可始终保持一致。而且，通过采用刮除步骤而不是将泡沫压入铸勺中，可以保持形成泡沫的空穴的完整性。
维持加热室10处于加热状态是为了确保泡沫18不会冷却和凝固直到成形阶段完成(下面将进一步叙述)。在一个优选实施方式中，加热室10维持在大约500-700℃。
图2也表示了装有从熔融金属池12中溢出的熔融金属及泡沫的池子36，它在加热室10的底部收集熔融金属和泡沫。这些溢出物将再循环至熔融金属池12中。
图3表示了从加热室10中被完全收回，并置于分为两半的模具39中间的铸勺。模具39包括第一半38和第二半40。模具的每一半分别设有空腔42和44，两者结合所形成的空腔符合形成的制品的外部形状。空腔42和44均设有一个部分的缺口45。当两部分模具结合，两个缺口45结合形成一个环绕制品的溢出空间。这将在下面进一步描述。
如图3所示，一旦铸勺处于模具的两部分之间，铸勺的内容物必须被倒入模具的一个空腔中。模具的两部分优选处于铸勺的上方和下方，这样只需将铸勺的内容物倒入处于下方的模具空腔中。
图3至图5表示铸勺26的一个优选实施方式，铸勺26被设计成便于将泡沫样品27倒入模腔中。在这个实施方式中，铸勺有四个部分，块46和48形成了底，块50和52形成了侧面。如图3所示，当块46、48、50和52连接起来就形成了完整的铸勺。当要将泡沫样品27倒入模具腔中时，铸勺26被拆开成不同的部分。在一个实施方式中，如图4和图5所示，拆分过程首先是通过拉开块46和48而拆开底部两块，随后用相似的方法分开侧面两块50和52。首先移去底部两块是为了确保泡沫样品27以预期的尺寸注入模具腔中。
图6表示了处于闭合状态的模具39，其模腔中装有泡沫样品27。如图，当模具39处于闭合状态，前面描述过的缺口45就结合起来形成了一个溢出空间54，超出模具腔容积的多余泡沫流入此处。模具冷却后，取出成形的金属泡沫制品。
在优选的实施方式中，如现有技术中公知的，模具39由沙子制成。用沙子制作模具有很多优点，包括原料成本和模具的制作成本低并且传热很少。关于后一点，作为不良导热体，沙子能使模具中的泡沫保持接近熔化状态的温度。不过，钢制模具可以取代沙制模具。由现有技术可知，为了防止泡沫过早冷却、变硬，要对钢制模具进行加热。例如，在US5865237号美国专利中讲述了使用钢制模具的方法。
在将泡沫样品27从加热室转移至闭合的模具内的过程中，应将泡沫保持在熔融温度下，从而使泡沫处于易成形的熔融状态。在一个优选的实施方式中，通过快速转移泡沫样品至模具并完成浇铸过程来防止熔融泡沫冷却。这样的快速转移避免了进行外部加热的需要。而且，因为模具优选是由靠水结合在一起的沙子制成，所以外部加热导致水分蒸发而且模具瓦解。在另一个实施方式中，铸勺移动的区域采用与加热室10相似的方式来加热以防止泡沫样品冷却。在这种情况下，如果使用沙制模具，由于上述原因不对模具本身进行加热。另外，如果使用金属模具，能够将铸勺经过的整个区域和模具本身加热至所需温度。在此情况下，模具闭合后冷却，使浇铸泡沫固化。
图7A和B分别表示从图6所示的模具中取出的泡沫制品58的俯视图和侧视图。如图所示，制品58包括了环状物60，该环状物由溢出空间54中的剩余泡沫形成。
图8表示修饰或夹紧压力机62，用于除去成形制品上的环状物60。压力机62包括一个托住制品58的底座64，它带有第一刀片66。制品置于底座64上，使环状物60靠在第一刀片66上。压力机还包括一个挤压部分68，它带有第二刀片70，第二刀片70与第一刀片66一起形成一个钳子。底座64和挤压部分68在它们的刀片之间都设有一个用来容纳制品58的空腔。在操作时，如前面所说明的，制品58置于底座64上。然后，挤压部分68移向底座64，使两个刀片接触。这样，在刀片66和70的共同剪切作用下，制品58上的环状物60被夹掉或修饰掉。
图9A和B表示修饰后的制品。
在以上的描述中，发泡方法是使用一个处于熔融金属池中的气体供给口。但是，也可以采用其它任何发泡方法。例如，如US 5865237号美国专利和其它参考资料所教导的，在熔融金属中使用发泡剂取代气体供给装置来产生金属泡沫。此外，熔融金属可加入各种已知能够稳定熔融金属所形成的泡沫的助剂。在另一个实施方式中，在熔融金属池12中装有叶轮，它将空气引入熔融金属中。在另一些实施方式中，本发明的气体入口16包括一个旋转叶轮或一个振动喷嘴。
本领域的技术人员可以理解，借助本发明，可用各种密度的金属泡沫制造制品。泡沫的密度(它是形成泡沫的空穴的大小和壁厚的函数)取决于各种因素，例如气体的引入速度，加入到熔融金属中的发泡沫助剂的数量和种类。
本发明模具的另一个实施方式如图10和11所示，其中与前面的图中相同的元件使用相同的附图标记表示。在这个实施方式中，模具一般用74表示。模具74包括一个与最终制品形状一致的凹模区域76和一个漏斗形区域或冒口80。漏斗形区域80引导泡沫27离开铸勺26。如上面所述，铸勺26优选由四部分组成，即侧壁50和52以及形成底部的块46和48。在图10中，底部的块46和48处于分离状态，使泡沫27可落入模具中。在此过程中，模具74的漏斗形区域80的内壁82将泡沫导入凹模区域76。模具74可由钢、陶瓷、石墨、沙子或其它材料制成。
在一个实施方式中，可使用活塞(未标出)将泡沫27压入凹模区域76。该活塞符合漏斗形区域80的尺寸。活塞可由难熔的材料制成。或者，通过振动模具74将泡沫27推入凹模区域76。在另一个实施方式中，通过施加气压或旋转模具产生真空，将泡沫压入凹模区域。对本领域的技术人员来说，其它各种方式是显而易见的。
图11表示泡沫转移到凹模区域76以后的模具74。在图中未显示铸勺。
能够理解，不需要闭合该实施方式中的模具来形成最终制品。但是，模具是可分离的，从而能取出成型的制品。应当能够理解，为了描述模具的特征，漏斗形区域的比例被放大，实际比例和尺寸取决于所形成的最终制品，且容易由本领域的熟练技术人员确定。
图12表示在图10和11的模具中形成的制品84。如图所示，成形制品84的部分86与模具74的漏斗形区域80的下部匹配。如上所述，制品的所述部分86易于通过切割或其它方法修饰掉，从而得到期望的最终制品87，它的外部形状与凹模区域或空腔76的形状一致。同样地，为了阐明这个实施方式，修饰部分86的比例被放大。
再次参见图10，模具74的凹模区域76设有一个收集未起泡的液态金属的出口或孔88。图11表示收集液态的未起泡金属的孔88。图12表示一个固体金属块90，它对应于收集在孔88中的熔融金属。可以理解，这个额外部分90易于从期望的最终制品上切除。
图13表示形成期望制品后，处于打开状态的模具92。该模具包括金属铸件94，在它内部填充了沙子96。模具内部有一个由沙子形成的阴模98。模具的上端设有一个前面所描述的漏斗形区域或导槽，但在图13中未示出。模具的下端有一个前面所描述的孔100。如图所示，孔的形状是鸽尾形的。
图14表示在修饰前形成于图3的模具中的制品102。如图所示，制品102包括第一末端104，它对应于漏斗(前面提及的)部分的形状。第二末端106对应于进入孔100的液态金属。
图15表示修饰去第一末端和第二末端后的图14所示的制品102。
本发明提供了一种浇铸方法，它不象现有技术那样要求中断泡沫产生步骤。这样，本发明考虑一个连续的产生泡沫方法，部分泡沫可被取出并浇铸在模具内。在另一个实施方式中，该设备可设有多个铸勺，每个铸勺在连续的时间里从同一个加热室中取出样品。然后这些铸勺将各自的样品放在不同的模具里。这样，发明提供了一种浇铸金属泡沫制品的连续方法。
在优选的实施方式中，金属是铝。但是，在本发明中也可使用其它任何金属。
尽管借助于特定的实施方式对本发明进行了描述，但对于本领域的熟练技术人员来说，不背离后附的权利要求书所述的本发明的构思和范围的各种改变都是显而易见的。尽管借助于特定的实施方式对本发明进行了描述，但对于本领域的熟练技术人员来说，不背离后附的权利要求书所述的本发明的构思和范围的各种改变都是显而易见的。
权利要求
1.一种用金属泡沫浇铸制品的设备，其包括一个熔融金属池；一个在熔融金属池中的金属泡沫发生器；一个通过导管与熔融金属池相连的加热室；一个在加热室中用于接收泡沫样品的铸勺；一个从加热室中收回铸勺的装置；一个具有与制品形状互补的模腔的模具。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述加热室被加热，使泡沫维持熔融状态。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述金属是铝，并且加热室维持在大约500-700℃。
4.如权利要求1所述的设备，其中加热室包括一个允许铸勺进出加热室时通过的开口。
5.如权利要求1所述的设备，其还包括获得预定体积的泡沫样品的计量装置。
6.如权利要求1所述的设备，其中泡沫发生器包括一个气体入口。
7.如权利要求6所述的设备，其中泡沫发生器包括一个与气源相连的、气体可穿过的喷嘴。
8.如权利要求6所述的设备，其中泡沫发生器包括一个旋转叶轮，该叶轮具有用于从气源向熔融金属中释放气体、使熔融金属起泡的出口。
9.如权利要求1所述的设备，其中泡沫发生器包括溶解在熔融金属中的热激活的化学发泡剂。
10.如权利要求1所述的设备，其中泡沫发生器包括将空气引入熔融金属中的旋转叶轮。
11.如权利要求1所述的设备，其还包括除去制品上的多余泡沫的修饰器。
12.如权利要求1所述的设备，其还包括将泡沫转移到铸勺中的转移装置。
13.一种用金属泡沫浇铸制品的方法，其包括-提供熔融金属；-使熔融金属产生泡沫；-取出泡沫样品；-将样品转移至模具；-冷却模具；以及，-取出成形的制品。
14.如权利要求13所述的方法，其中用铸勺取出泡沫样品。
15.如权利要求13所述的方法，其中样品具有预定的体积。
16.如权利要求15所述的方法，其中通过测量转移倒模具中的泡沫的量来获得预定体积的样品泡沫。
17.如权利要求13所述的方法，其还包括修饰成形的制品以除去多余的材料。
全文摘要
用金属泡沫浇铸制品的方法包括一个熔融金属池和一个发泡装置。将泡沫置于加热室中的铸勺内，该铸勺将泡沫样品转移到模具中。铸勺将泡沫样品放置到模具内，并闭合模具。冷却和固化后，取出成型的制品。本发明设备包括一个熔融金属池、一个加热的泡沫收集室，以及一个用于取出泡沫样品并将其转移到模具中的铸勺。本发明提供了一种实施上述方法的装置。
文档编号C22C1/08GK1639364SQ03804979
公开日2005年7月13日 申请日期2003年1月31日 优先权日2002年2月1日
发明者斯科特·尼科尔 申请人:赛麦特公司