铸造薄壁零件的模具和方法与流程

本公开涉及模具铸造领域，具体地，涉及一种铸造薄壁零件的模具和方法。

背景技术

现有技术对于模具的热膨胀均采用回避或补偿的思路，即模具受热膨胀，会导致模具型腔变大，使得零件尺寸偏大，因此在模具设计时适当缩小模具型腔，对零件的尺寸给予补偿设计。

但是随着汽车轻量化要求的逐年提升，汽车铸造件的壁厚要来越薄，在进行补偿设计时会难以控制；同时，模具受热膨胀是一个渐变的过程，当初始模具型腔较小且未发生膨胀时，灌注的汤料将很难顺利充满模具型腔，影响铸造效果，铸件质量低、精度差，报废率高。

技术实现要素：

本公开的第一个目的是提供一种铸造薄壁零件的模具，该模具能够铸造薄壁零件，并且提高铸造薄壁零件的精度和质量，降低报废率。

本公开的第二个目的是提供一种铸造薄壁零件的铸造方法，该方法能够铸造高精度、高质量的薄壁零件。

为了实现上述目的，本公开提供一种铸造薄壁零件的模具，其特征在于，所述模具包括第一模具、第二模具、凸模、凹模、热膨胀层，所述凸模设置在所述第一模具上，所述凹模设置在第二模具上，所述凸模与所述凹模配合以形成模具型腔，所述热膨胀层设置在所述凸模与所述第一模具之间，并且在受热膨胀时能够朝着所述凹模的方向推动所述凸模，以减小所述凸模和所述凹模之间的间隙。

可选地，所述第一模具为下模具，所述第二模具为上模具，所述第一模具的上表面形成有槽体，所述热膨胀层设置在所述槽体内，所述凸模放置在所述热膨胀层的上表面上。

可选地，所述模具还包括环形密封件，所述环形密封件固定于第一模具，且所述环形密封件的外圈与所述槽体四周内壁贴合，所述凸模的四周与所述环形密封件的内圈贴合，所述热膨胀层的四周与所述环形密封件的内圈贴合。

可选地，所述模具还包括渣道，所述渣道设置在所述第一模具上，用于将多余金属液排出。

可选地，所述凹模与所述第二模具形成为一体。

可选地，所述热膨胀层的材料为低硫膨胀石墨、聚对苯二甲酸乙二酯或橡胶。

可选地，所述第一模具、第二模具、凸模、凹模为砂芯模或溶模，所述第一模具内设置有用于加热所述热膨胀层的加热装置。

可选地，所述第一模具为动模具，所述第二模具为静模具。

根据本公开的第二个方面，还提供一种铸造薄壁零件的方法，所述方法包括：

闭合所述模具，使此时所述凹模与所述凸模之间的间隙大于所述薄壁零件所需的厚度；

将金属液由所述凹模注入所述模具型腔，使所述热膨胀层受热膨胀以将所述凸模顶出，使所述凸模与所述凹模之间的间隙缩小至所述薄壁零件所需的厚度；

所述金属液在所述模具型腔内冷却成型后，打开所述模具，取出制得的铸件。

可选地，铸造的持压时间为1-10min，开模时间为5-30min。

本公开的有益效果：

模具型腔的厚度大于薄壁零件的厚度，从而有利于汤料的填充。热膨胀层在受热膨胀时，能够朝着凹模的方向推动凸模，以减小凸模和凹模之间的间隙，并且能够缩小至薄壁零件所需要的厚度，提高铸造薄壁零件的质量，降低报废率。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开的一种实施方式的铸造薄壁零件的模具的结构示意图；

图2是图1中所示的模具的装配爆炸示意图；

图3是图1中所示的模具中的第二模具和凹模的剖面示意图；

图4是图1中所示的模具中的第一模具、热膨胀层、环形密封件和凸模的剖面示意图。

附图标记说明

1第一模具2第二模具

3热膨胀层4环形密封件

5渣道11凸模

12槽体21凹模

6薄壁零件

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

如图1至图4所示，本公开提供一种铸造薄壁零件的模具，模具包括第一模具1、第二模具2、凸模11、凹模21、热膨胀层3，凸模11设置在第一模具1上，凹模21设置在第二模具2上，凸模11与凹模21配合以形成模具型腔，热膨胀层3设置在凸模11与第一模具1之间，并且在受热膨胀时能够朝着凹模21的方向推动凸模11，以减小凸模11和凹模21之间的间隙。

其中，第一模具1和第二模具2闭合的时候，第一模具1的上端和第二模具2的下端之间会留存一定的间隙，目的是使当热膨胀层3受热膨胀时，凸模11朝着凹模21方向上的运动成为可能。设置在第一模具1上的凸模11和设置在第二模具2上的凹模21配合之后形成模具型腔，模具型腔的厚度也就是凸模11与凹模21之间的间隙(间隙为6-12mm，不同区域的间隙可以相同，也可以不同)，模具型腔的厚度大于所要铸造的薄壁零件的厚度(上述铸造薄壁零件的厚度为0.5-6mm，优选1-4mm，更优选1.5mm-2.5mm)，这样更便于金属液的灌注。当向模具型腔内灌注金属液的时候(金属液的温度设定比金属熔点高50-400℃，优选为80-300℃)，凸模11会将金属液的热量传递给热膨胀层3，热膨胀层3会受热发生膨胀，从而将凸模11朝着凹模21的方向推动，进而减小凸模11和凹模21之间的间隙，减小后的间隙为0.5-6mm，优选1-4mm，更优选1.5-2.5mm。金属液会受到挤压从而得到厚度满足要求的薄壁零件6，提高铸造薄壁零件6的质量，降低报废率。

在一种可选的实施方式中，如图2、图3和图4所示，第一模具1为下模具，第二模具2为上模具，第一模具1的上表面形成有槽体12，热膨胀层3设置在槽体12内，凸模11放置在热膨胀层3的上表面上。将第一模具1设置为下模具，第二模具2设置为上模具，金属液的灌注从模具型腔的上端流向模具型腔的下端，采用这样的布置方式可以使金属液能在自身重力的作用下往下运动，更加方便金属液的灌注。第一模具1的上表面上形成有槽体12，热膨胀层3设置在槽体12内，在热膨胀层3的上表面上设置有凸模11，从而能使凸模11在热膨胀层3的作用下往凹模21的方向运动。

在本公开中，如图2、图3和图4所示，模具还包括环形密封件4，环形密封件4为固定于第一模具1，且环形密封件4的外圈与槽体12四周内壁贴合，凸模11的四周与环形密封件4的内圈贴合，热膨胀层3的四周与环形密封件4的内圈贴合。具体地，环形密封件4可以为自润滑密封材料，所述自润滑密封材料可以为聚四氟乙烯、聚缩醛、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰胺、聚砜、聚酰亚胺、氯化聚醚、聚苯硫醚和聚对苯二甲酸酯等工程塑料；也可以是这些工程塑料的玻璃纤维、金属纤维、石墨纤维、硼等增强复合材料，也可在上述材料的表面使用石墨、氮化硅等增加润滑效果。环形密封件4固定于第一模具1上，更为具体地，可以为固定设置在槽体12内，环形密封件4的外圈与槽体12的四周内壁贴合。作为一种可选的实施方式，环形密封件4通过外圈固定于槽体12的四周内壁上，达到固定的效果。凸模11的下端四周与环形密封件4的内圈贴合。当热膨胀层3受热膨胀将凸模11往凹模21的方向顶出的时候，热膨胀层3和凸模11在环形密封件4的内圈内朝向凹模21的方向运动，环形密封件4固定不动。此外，在灌注金属液的时候，金属液会顺着槽体12的内壁流向热膨胀层3，从而对热膨胀层3造成损害，设置环形密封件4可以有效的减小金属液对热膨胀层3的损害，提高使用寿命。

其中，如图2所示，模具还包括渣道5，渣道5设置在第一模具1上，用于将多余金属液排出。在一种可选的实施方式中，在第一模具1的上表面设置4条渣道5便于将多余的金属液排出。

在一种可选的实施方式中，凹模21与第二模具2形成为一体，具体地，凹模21形成在第二模具2内，采用这样的设置方式可以有效地减少不必要的零部件，降低成本。

具体地，热膨胀层3的材料为低硫膨胀石墨、聚对苯二甲酸乙二酯或橡胶等此类热敏的耐高温热膨胀材料，常用的是低硫膨胀石墨等，当是低温铸造的时候，也可以采用聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯或橡胶等材料。此外，热膨胀层3的热膨胀系数远远高于模具本身(包括第一模具1、第二模具2、凸模11和凹模21)材料的热膨胀系数，即模具本身的体积变化量要远小于热膨胀层3的体积变化量。

作为一种可选的实施方式，第一模具1、第二模具2、凸模11、凹模21为钢模，因钢模的导热性能强，因此，当模具采用的是钢模时，往模具中注入金属液以后，金属液的热量可以有效的经过钢模将热量传递给热膨胀层3，保证热膨胀层的膨胀速度。

作为另一种可选的实施方式，第一模具1、第二模具2、凸模11、凹模21为砂芯模或溶模，第一模具1内设置有用于加热热膨胀层3的加热装置，因砂芯模、溶模的成本较钢模具的成本要低，所以在实际生产中较多采用砂芯模或溶模，但是它们的导热性能差，因此，当模具采用的是砂芯模或溶模时，会在第一模具1内设置加热装置，以提高热膨胀层3的膨胀速度，保证热膨胀层3膨胀量的准确程度。

在本公开中，第一模具1为动模具，第二模具2为静模具。在尚未闭合第一模具1和第二模具2之前，第二模具2为固定不动的静模具，第一模具1为动模具，第一模具1运动至第二模具2的位置，实现闭合的效果。作为另外一种可选的实施方式，第一模具1可以为静模具，相对的，第二模具2可以为静模具，同样可以达到闭合的效果。

根据本公开的第二个方面，本公开还提供一种铸造薄壁零件的方法，方法包括：

闭合模具，使此时凹模21与凸模11之间的间隙大于薄壁零件所需的厚度；

将金属液由凹模21注入模具型腔，使热膨胀层3受热膨胀以将凸模11顶出，使凸模11与凹模21之间的间隙缩小至薄壁零件所需的厚度；

金属液在模具型腔内冷却成型后，打开所述模具，取出制得的铸件。

具体地，当第一模具1内设置有加热装置时，可以通过控制加热装置来控制模具的温度，从而控制凸模11和凹模21之间间隙的变化量，进而能够铸造不同厚度的薄壁零件。具体的原理如下：获取热膨胀层3的初始填充厚度l0，定义模具型腔的初始厚度为l1，定义模具型腔的最终厚度为l2，t定义为铸造时模具的保温温度，t0定义为热膨胀层3的初始温度，α定义为热膨胀层3的热膨胀系数，可以获取公式t＝t0+(l1-l2)/α*l0，在上述的公式中，l2的厚度即为所需铸造薄壁零件的厚度，则当需要铸造不同厚度的薄壁零件的时候，可以通过控制加热装置来控制模具的保温温度t，达到铸造不同厚度的薄壁零件的目的。

在本公开中，铸造的持压时间为1-10min，开模时间为5-30min。具体的，持压时间指的是往模具中持续压射金属液的时间，开模时间指的是金属液压射终了至打开模具的时间，打开模具后，取出制得的铸件，铸件的孔隙率＜5％。随后可对取出的铸件进行切削、打磨、涂层等后处理，进而得到满足要求的薄壁零件。

薄壁零件可以是车身薄壁零件，用于汽车结构件、覆盖件等部位，所述的车身薄壁零件的用材包括但不限于铝合金、镁合金、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、铸钢、黄铜、锡青铜、无锡青铜、铅等，所述铸造工艺包括但不限于重力铸造、低压铸造、高压铸造、离心铸造、差压铸造等，所述铸造模具包括但不限于钢模、砂模、蜡模、陶瓷模、树脂模。

为了满足轻量化的目标，现有的汽车铸造件多选用铝合金、镁合金等轻量化材料。据统计，2-4mm的壁厚已经可以满足大部分汽车零部件的性能需求，但使用传统的铸造工艺，金属液在2-4mm的孔隙间流动时阻力大，充型困难，且容易夹杂气泡；而铸件中的气泡在受热时会膨胀，使零部件出现破坏。在整车装配过程中，常涉及焊接、铆接等连接方式，焊接的温度需超过金属熔点(铝合金、镁合金熔点约500-700℃，钢的熔点为1500℃)；而铆接虽然工艺温度不高，但对材料的延伸率有特殊要求(＞12％)，铝合金、镁合金等材料必须经过高温热处理才能达到，因此含有气泡的零部件是无法满足整车装配工艺需求的。

传统的铸造工艺中，要么增加零部件厚度(如砂模铸造会将零部件增厚至6-8mm)，牺牲轻量化效果；要么采用高真空压铸工艺，通过抽真空的方式提升冲模效率，减少气体夹杂，但需要专用的抽真空设备，且只能使用钢制模具，成本高，开发周期长，无法满足现代车型的换代节奏需求。

而本公开的铸造方法可以采用普通铸造工艺，因此可以使用砂芯模、溶模等简易模具，开发周期短，成本低，可有效提升薄壁化铸造零部件在汽车行业的应用。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。