专利名称：特别用于发动机气缸盖的铸造方法
技术领域：
本发明通常涉及生产铸件的技术。特别是，本发明涉及铸造中的重力冷铸(gravity chills)和低压工艺，这些工艺使用型芯来获得铸件中的内部空腔。这种铸造工艺的典型例子是用来获得发动机气缸盖，其中需要内部型芯来获得用于发动机冷却水的水套、进气管道、排气管道以及任何其它附属空腔。
现有技术对大中批量生产，通常使用一固定外模即冷铸模来实现发动机气缸盖的铸造，但是在内部，甚至有时候在外部需要型芯，这些型芯插入(组装)到冷铸模内以形成用于铸造的单一体。
在使用型砂和聚合树脂型芯的冷铸模进行铸造的过程中，主要的困难在于要铸造的零件的内部，亦即型芯，与外部，亦即冷铸模的精确对准，以便获得所需的精确尺寸。型芯是在相应的铸模，即所谓的型芯盒中得到的，然后通常被预安装在冷铸模的附近。
通过自动装置(夹钳和夹具)把预安装好的型芯组集中起来并将其放置(组装)到冷铸模内。此时，可以铸造充满砂芯和冷铸模之间所包含的容积的熔融金属。
在型芯上形成型砂突出物，称作芯头，以保持在所需位置上组装好的型芯组。这种芯头被放置在冷铸模内，并且不构成由铸造产生的物体的一部分。在用于发动机气缸盖进气管道和排气管道的型芯的特殊情况中，型芯表面形成铸件的最终形状，这些型芯被插入到水套型芯内，并且在将型芯组移到冷铸模的过程中，如果安装是手动完成的，那么由于将被金属厚度占据的缝隙的影响，这些型芯将处于自由状态。然后依靠重力将其放置到水套型芯内设置的相应通道的较低区域内。当管道型芯与冷铸模的下模型(底部)接触时，型芯到达最终位置。
当使用自动系统完成型芯的组合时，管道型芯将由一专门的自动装置保持在相对于水套的适当位置处，但是通常只由与进气歧管和排气歧管相连的凸缘侧保持。全部操作需要谨慎操作的方法。
由于传统技术提供水套型芯与其它型芯可分开地模制成形，对于其它型芯，水套型芯盒内部必须设置所有由铸件内部零件(管道等)的外部厚度产生的其它零件，在随后的型芯组装过程中，这些其它零件用来容纳其它型芯。然而，由于管道外部零件通常位于水套高度的一半处因而不承受拉拔力(drafting)，目前使用由齿轮、凸轮轴或者在最好的情况下由总是在倾斜轴线上移动的气压缸控制的移动零件。
在制造发动机气缸盖的情况中，为了使这些活动部件的取出更容易，需要给予更大的倾角(拔模斜度)并使管道的外部厚度变形，提供多余材料以获得铸造操作所需的最小厚度。这就意味着水套型芯的减小，从而导致水套型芯的较高脆性和冷却回路的较低效率。
在其它情况下，通过把水套型芯水平地分成两部分，然后在插入管道后通过粘接剂将这两部分彼此连接起来，来解决使管道型芯通过水套型芯上的开口这一问题。
但是，这就意味着较高的生产成本和较低的成品质量，首先是由于产生进入水循环室中的铸件溢料，以及由于熔融金属与半型芯的固定粘结剂的接触而可以产生的铸件气孔。
另一种铸造工艺称作消失模铸造(Lost Foam)，在于使用特定模具实现多个聚苯乙烯区段。一旦这些区段相互相连起来，其与准备铸造的零件相配。由此获得的聚苯乙烯模型被涂层，然后放入容器内，该容器然后通过振动装满普通型砂或类似材料。利用由聚苯乙烯制成的特制浇道，将熔融金属注入容器内。聚苯乙烯燃烧后被金属替代，从而形成所需要的铸件。
这种工艺允许省去聚合树脂砂芯的实现和放置。但是，另一方面，除了各种技术问题之外，还存在以下缺点-在制造发动机气缸盖铸件的情况中-即使管道被涂层管道形状也不是最优的，这是因为其表面是模制而成的，因此也是由聚苯乙烯表面直接形成的。管道形状甚至可以出现由聚苯乙烯区段连接产生的接合处。此外，由于必须使用胶合剂，这是产生气孔的主要原因。实际上，该工艺极少使用。
发明目的和优点本发明的目的是通过提出一种新的铸造方法来避免上面提到的现有技术的缺陷，并进一步介绍一种新的设计前景，该新的铸造方法允许获得更高质量的铸件，因而减少了由于尺寸缺陷导致的铸造残渣的数量。
本发明的另一目的是提供一种铸造方法，该铸造方法允许每个型芯之间形成完美的相对定位，并且使型芯容易插入模具或者另一个型芯中，无论其形状如何。
本发明的另一目的是提供一种铸造方法，该铸造方法允许大幅简化型芯盒，亦即，使型芯盒不具任何复杂的形状、切除部分以及连接的活动部件，因此这种型芯盒非常便宜，更加可靠且更易于维护。
本发明的另一个目的是提供一种用于发动机气缸盖的冷铸工艺，该工艺允许获得用于进气管道和排气管道的型芯，而不会造成外部厚度的任何变形，并且具有多种各式各样和复杂的形状，这可以实现更好的发动机性能，在排放废气方面实现生态学上更先进的发动机，如同新的铸造技术所允许的那样。
本发明的另一个目的是提供一种用于制造发动机气缸盖的铸造方法，该方法允许将用于管道的插入物嵌入铸件中，该插入物由能够承受由熔融金属产生的热的材料制成，以便获得完美的光滑管道，这种管道将有助于提高发动机的效率。
通过按照权利要求所述的铸造方法可以实现本发明的上述和其它目的。
附图的简要说明参照所附陈述性而非限制性的附图，本发明的更多特征将变得更加清晰，在这些附图中
图1示出了用于实现发动机气缸盖的进气管道和排气管道的型砂和聚合树脂型芯；
图2示出了用于模制图1所示型芯的型芯盒的一个剖面图，差别在于插入物围绕在进气管道和排气管道周围；图3示出了由图2所示型芯盒获得的带有插入物的管道型芯；图4示出了管道型芯的截面图，该管道型芯插入模具内以便涂上泡沫材料；图5示出了涂有泡沫材料的阀座和管道型芯的组；图6示出了空着的水套型芯盒；图7示出了其中插有图5所示管道型芯组的型芯盒(图6)；图8示出了通过在上述附图所示的型芯盒中模制水套型芯而形成的型芯、阀座和泡沫涂层的组，其中阀门导管插入涂层中；图9示出了上述附图中型芯组的完整冷铸型芯组合方案；图9a和9b为型芯组件方案的两个放大的详细图，其中黑色部分表示由所讨论的铸造过程获得的水套尺寸在形状和体积方面与现有技术的区别；图10示出了型芯组件方案，其差别在于带有插入物。
发明的详细描述如上所述，本发明涉及一种用于获得带有内腔的铸件的铸造过程。众所周知，这些内腔可通过在容纳熔融金属的模具例如冷铸模中放置由型砂和聚合树脂或其它材料制成的一个或多个型芯来获得。而这些型芯则预先在特制模具，即所谓的型芯盒中获得。在多个型芯的情况下，这些型芯分别在相应的型芯盒中形成，然后在把这些型芯放置(组装)到模具或冷铸模内之前，将它们彼此装配起来。为了实现这个目的，这些型芯通常设置互补的突出部分和空腔，即所谓的阳模和阴模，以便彼此互相支撑，型芯上还设置其它用来放置在冷铸模内适当位置上的型砂突出物，这些型砂突出物不会形成铸件的部件。
根据本发明的过程，对由型砂或其它材料制成的一个或多个型芯涂一层泡沫材料，例如聚苯乙烯，只在成形区域使用特制模具进行涂层，然后将它们放置到冷铸模内。
型芯涂层材料与铸件金属接触时会溶解，所以铸件金属取代了型芯涂层材料，从而确定了所需要的铸件厚度，这样最终的铸件表面将取决于型芯表面的质量。
特别地，所述方法已经过考虑，并且在需要实现一个主型芯和一个或多个附属型芯的铸造方法中特别有利。根据研究发现，在以通常的方式在各自的型芯盒中被实现后，这些附属型芯被放入一模具内，并且只在成形区域内对其涂覆泡沫材料，其厚度是铸件所需的，然后将这些型芯放入(预组装)还未模制，亦即空着的主型芯盒内。
为了实现已经涂覆有泡沫材料的附属型芯，由于形状和厚度被型芯和涂层取代，主型芯盒中所述附属型芯的形状实现处是空的。因此，由于主型芯盒允许去掉任何内部切除部分和实现第二型芯容积的任何活动部件，所以主型芯盒可以更加容易而便宜地实现。此外，主型芯盒只具有附属型芯的外部芯头，该外部芯头将被预组装在主型芯盒内。在用型砂和聚合树脂模制成的型芯盒之后，形成了一个单独的整体，该整体已经经过组装，并且具有相当高的几何精度，它由主型芯和附属型芯组成，其中这些附属型芯通过可形成铸件厚度的涂层与主型芯成为一体。然后这种单独整体能够容易地搬运并放置到模具或冷铸模中。
除了型砂或其它材料的型芯外，所讨论的铸造过程也可以应用在薄壁中空插入物上，该插入物由耐热材料例如金属或复合材料制成，并且被嵌入铸件中，用于制成模腔极其光滑的内表面。从空间的观点来看，主型芯盒能够容纳砂芯或涂覆有泡沫材料的插入物。
如果将金属或其它材料制成的插入物嵌入到铸件中，并且这些插入物具有内部空隙，其中这些空隙是与型芯设计相对应的，那么所述插入物必须被放置在一特定的只考虑插入物厚度的型芯盒内，然后对其进行模制。如此制成的型芯仅仅在其成形区域内具有芯头和嵌入在其中的插入物，并且除了用于支撑插入物外，型芯还可以防止熔融金属穿透到嵌入的插入物的空隙部分中。
允许把已经涂覆过的型芯预组装在还没有被模制(空着的)的型芯盒内的性能允许附属型芯与任何几何形状一致，这是任何别的方式无法实现的。因此铸件中甚至可能获得几条通道、曲径以及之前不能形成的其它形状，这是因为在模制了所有的型芯之后不再需要进行连续的组装。
由于主型芯盒的内部形状需要用于拉拔的活动部件的拉伸才能成形，其只能通过特殊的变形而实现，因此所述方法使得所有附属型芯的外部厚度不会产生变形，并且具有如附图所示的完美形状，这是按照传统技术无法实现的。
总之，铸件设计者提供一种新的技术，该技术允许实现能够嵌入其它相邻部件的铸件，而目前这些相邻部件由于受现有传统铸造技术的限制是分别制造的。
这种新技术也可用来通过在易碎的型芯上预涂覆泡沫材料来获得刚性，以方便操作，或者用于在预组装到模具中之后极大地防止破损、或者是用于限制金属静压力的影响。
上述技术可通过直接在模具中预组装来实现，在这种情况下，涂层厚度可以等于或小于铸件厚度，或者上述技术也可通过将预涂层的型芯放置到另一个还未模制的型芯盒内，在这种情况下，涂层厚度必须等于铸件厚度。
由于阳模由将要涂覆的型芯或插入物组成，所以为了在型芯和插入物上涂覆聚苯乙烯或类似材料，需要设置一由一个单独下部阴模和另一个上部阴模组成的特定模具。
考虑到特定的公差和热膨胀，该模具被构造成等同于型芯盒、模具或冷铸模的所有型芯座。
发明实施例的详细说明所述铸造方法特别适用于发动机气缸盖的冷铸模铸造工艺，但并非仅仅适用于此。在此情况下，结合附图，主型芯11是用于实现冷却剂循环通道的水套型芯，而附属型芯则主要是与进气管道12和排气管道13相关的型芯。
所述与进气管道12和排气管道13相关的附属型芯、加上诸如用于制造废气循环室的其它附属型芯、以及有时候还包括水套型芯，在传统方法中都是在各自的型芯盒内模制而成。一旦模制完成，这些型芯就被放置到单独的模具19中(图4)以涂覆上泡沫材料18，如聚苯乙烯。进气和排气阀的阀座14、15可预先放置到模具内特定的基准上。此外，所述模具还可具有用于实现阀门导管16”、17”的座16’、17’(图5)的圆柱形活动销16、17。
以所需铸件厚度注入模具内的聚苯乙烯18或类似材料仅仅覆盖了插入在模具内的型芯的成形区域，从而排除了型芯头12’、13’。此外，阀座嵌入外径上，而在内侧它们与管道型芯的锥形边缘对准。对于这一特定的应用，阀座14、15必须在内径上具有适当的加工余量。阀座外径具有与内径相同的锥度，对于涂覆材料需要这种锥度以便在进一步处理过程中将阀座支撑并保持在位置上，直到将组件组装到冷铸模或模具中。然后金属将最终阻挡铸件上的阀座。
由管道12、13和阀座14、15组成的组都被涂覆了泡沫材料18，由此形成的单一体(图5)被放置(预组装)在水套型芯盒20中(图6、7)。如上所述，由于水套型芯盒20不必制造成与预组装的附属型芯外部厚度相对应的形状，所以它的结构非常简单。
事实上，代替上述形状的是用来容纳相关的涂覆有泡沫材料的芯头和阀座的附属型芯的基准座20’和阴模芯头20”(图6)。因此型芯盒中不需要放置任何切除部分和活动部件。
这里，将水套型芯盒内充满型砂和聚合树脂，借此形成非常精确的单一体组，其中水套型芯11包围并保持着在成形区域上(图8)由泡沫材料组成的管道型芯的外侧部分。从而也在每个型芯之间形成了完好的相对定位。
当由附属型芯、阀座和泡沫材料组成的整个组被模制成带有水套型芯的单一体时，阀门导管16”、17”能自动地插到在泡沫材料上形成的适当的座16’、17’中。将特定的密封件放置到泡沫材料和水套型芯盒上半部分之间的连接处，以便在模制过程中防止型砂渗透到导向座内。
由于用插入到铸件中的阀门导管来完成插入阀杆的机械加工，所以阀门导管应为实心的(没有中心孔)。在其它方面，还可以防止在管道型芯的阀门导管周围使用传统的加强凸台。
阀门导管在其插入到泡沫材料中的部分上还具有一阴模圆槽，当铸件金属代替泡沫材料时，该圆槽能够将阀门导管保持在铸件金属中。
在阀门导管的上部经常具有另一个可用于油沟的型芯21，如图10所示的情况，或者该型芯也可用于挺杆室，所述型芯可以形成冒口(由冷却导致收缩的过程中铸件金属浇注的地方)。
因此，即使当铸件金属已经溶解或正在溶解阀门导管周围的泡沫材料时，阀门导管的上端总会被引导到由上型芯21或挺杆室型芯形成的座内，从而能够堵住正确的位置而不会导致相同的阀门导管坍塌。在下部，阀门导管被插入并堵在管道型芯上形成的座22(图3)中。
这里，包括水套型芯11、附属型芯、阀座、阀门导管、泡沫材料以及其它型芯如型芯21的整体组可以组装到冷铸模中(图9、10)。在铸造过程中，熔融金属可使泡沫材料溶解并代替它，同时确定所需要的厚度，并插入阀座和阀门导管。
图10示出了与如上所述相同的组件示意图，只是管道型芯由中空的金属插入物23组成(或由另一种能够忍受铸件金属所产生的热量的材料制成)，其中充满了具有支撑功能和用于防止任何熔融金属渗入插入物的型砂和聚合树脂。这些插入物内部具有与砂芯相同的尺寸特征。聚合物砂芯和插入物23可在特定的型芯盒10内模制而成，其中该型芯盒必须考虑所述插入物23的厚度(图2)。
在插入物的一端，其端部靠着阀座，而在其相对的另一端，插入物端部与铸件的原始凸缘齐平。由于在水套型芯盒11中向进气和排气管道型芯12、13以及其它附属型芯涂覆了泡沫材料18后，对它们进行安置(预组装)，所以对管道型芯和其它附属型芯来说并不存在设计限制。例如，进气管可以与一个单独的腔室彼此相连而不会在水平方向与阀座上部隔断。所述腔室甚至可以达到连接凸缘的进气歧管，并形成与相同歧管成为一体的单独腔室，而不会导致与水套装配的任何问题。这一构思也可扩展到由其它材料制成并嵌入铸件中的插入物上。
由于消除了目前设计上的限制，例如消除了穿过水套的管道的强制通道，因此发动机气缸盖的设计者可以有更广阔的设计自由。例如，如图9a和9b所示，水套室可以实现更圆滑的设计(黑色部分)以代替目前的斜面和尖锐边缘，以便进行拉拔。外部管道型芯的厚度也不会产生变形，而是具有由附图和说明书确定的恒定而理想的厚度。
简言之，提出并用于实现发动机气缸盖的冷铸过程具有下述优点-进气和排气管道不存在任何内部设计约束，并且外部厚度不会产生变形，因此具有恒定的铸件厚度；-进气和排气管道由耐热插入物组成，并且在铸造过程中被嵌入；-相对于燃烧室，进气和排气管道以及水套的位置具有更高的几何精确度；-在更关键的区域，水套具有较大的水流通道容积；-在铸造过程中阀座被嵌入；-在铸造过程中阀门导管被嵌入；-能够消除浇注工序中用于支撑水套型芯、由芯头产生的孔，因此省去了堵塞这种孔所需的机械加工。
权利要求
1.一种用于获得具有内部空腔或孔的零件的铸造方法，其中通过把一个或多个由型砂或其它材料制成的型芯放置到用于容纳熔融金属的模具或冷铸模内来获得所述孔和/或空腔，所述每个型芯分别在适当的型芯盒中实现，其特征在于，在放置到模具或冷铸模内之前，提供在至少一个型芯上涂覆一层适于在与铸件金属接触时溶解的材料的步骤。
2.如权利要求1所述的铸造方法，其中所述涂层仅在区域内以铸件形状的厚度来涂覆。
3.如权利要求2所述的铸造方法，其中通过在被涂覆的型芯上注塑成形来完成涂覆。
4.如权利要求2或3所述的铸造方法，其中在一特定型芯盒内实现的主型芯与一个或多个附属型芯一起使用，所述附属型芯用于与主型芯相连，其特征在于，其包括下列步骤只在区域内以成形厚度在至少一个附属型芯上涂覆一层与熔融金属接触时溶解的材料；将经过预涂覆的附属型芯插入到要被模制的主型芯盒内；对主型芯盒进行模制；以及将在前面步骤中形成的整体组插入到用来容纳熔融金属的模具或冷铸模内，该整体组由主型芯、附属型芯和使型芯之间保持牢固连接的涂覆材料组成。
5.如权利要求4所述的发动机气缸盖的冷铸方法，其中主型芯用来实现用于发动机冷却剂循环的水套(11)，附属型芯至少包括进气管道和排气管道(12、13)的型芯，其特征在于，所述管道型芯被放置在一个单独的模具(19)内以涂覆涂层材料层(18)，以便形成被放置到特定的水套型芯盒内的单一体。
6.如权利要求5所述的铸造方法，其中首先将用于进气管道和排气管道的阀座(14、15)放置到模具内，并且被注入的材料包围在阀座的外径上。
7.如权利要求5或6所述的铸造方法，其中在将整体组装配到模具或冷铸模内之前，把用于进气和排气阀的阀门导管(16”、17”)插入包括主型芯和被涂覆的附属型芯的整体组内。
8.如前述权利要求的任一项所述的铸造方法，其中要被涂覆的型芯由中空插入物(23)组成，所述中空插入物(23)由耐热材料制成，其中空腔具有如附图所示的形状。
9.如前述权利要求的任一项所述的铸造方法，其中要被涂覆的型芯由只用于成形区域的中空插入物组成，所述中空插入物由充满型砂和聚合树脂以获得芯头并防止金属渗透的耐热材料制成。
10.如前述权利要求的任一项所述的铸造方法，其中型砂和聚合树脂型芯或者插入物所用的涂覆材料为泡沫材料，如聚苯乙烯。
11.一种用于按照权利要求4至10中任一项所述的铸造方法的主型芯盒，其特征在于，该主型芯盒仅由可彼此闭合的两部分组成，因此其不具有切除部分和用于进行拉拔的活动部件，并且其具有用于容纳预涂覆有涂层材料的附属型芯并将该附属型芯阻挡在恰当位置上的阀座和阴模芯头(20’、20”)。
12.一种用于在按照权利要求5-10中任一项所述的发动机气缸盖的铸造方法中涂覆进气和排气管道型芯的模具，其特征在于，该模具设有圆柱形活动销(16、17)，所述活动销(16、17)用于在涂层材料中实现用于进气和排气阀的阀门导管(16”、17”)的座(16’、17’)。
13.一种用于在按照权利要求5-10中任一项所述的发动机气缸盖的铸造方法中涂覆进气和排气管道型芯(12、13)的模具，其特征在于，该模具被构造成容纳进气和排气阀的阀座(14、15)。
14.一种发动机气缸盖，其特征在于，其嵌入至少一个由金属或其它耐热材料制成的中空插入物(23)，其内部形成相应的进气管道和排气管道的设计。
全文摘要
本发明涉及一种能够制造具有内部空腔或孔的零件的铸造方法，其中通过把一个或多个由型砂或其它材料制成的型芯放置到用于容纳熔融金属的模具或冷铸模内来形成所述孔和/或空腔，并且在一特定型芯盒内使用主型芯，与用于与所述主型芯相连的一个或多个附属型芯一起，其包括下列步骤只在区域内以成形厚度在至少一个附属型芯上涂覆一层与熔融金属接触时溶解的材料；将预涂覆的附属型芯插入要被模制的主型芯盒内；对主型芯盒进行模制；将在前面步骤中形成的整体组插入到用来容纳熔融金属的模具或冷铸模内，该整体组由主型芯、附属型芯和使型芯之间保持牢固连接的涂覆材料组成。要被涂覆的型芯由中空插入物(23)组成，所述中空插入物(23)由耐热材料制成，其中充满了型砂和聚合树脂，其中空腔表示型芯的样式。
文档编号B22C9/04GK1671493SQ02829700
公开日2005年9月21日 申请日期2002年12月9日 优先权日2002年10月4日
发明者布鲁诺·巴锡 申请人:梅卡尼卡·巴锡股份公司