CN101646513A - 薄壁空心铸件用型芯以及通过使用该型芯的制造方法制造的薄壁空心铸件 - Google Patents

薄壁空心铸件用型芯以及通过使用该型芯的制造方法制造的薄壁空心铸件 Download PDF

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Abstract

虽然在空心铸件铸造中使用的型芯撑与熔融金属熔融结合而成为铸件的一部分为常识，但型芯撑和铸件本体之间的结合不一定很充分，从而招致薄壁空心铸件的强度下降。本发明的型芯安装有具备具有切口部(5)的圆弧部(2)和在圆弧部的外周上与铸型(7)内壁接触的多个突起部(4)的型芯撑，在型芯本体的外径部上形成能够收纳型芯撑的整个圆弧部的槽部(6)，在将型芯撑(1)安装于槽部(6)时从型芯本体仅突出型芯撑突起部(4)。

Description

薄壁空心铸件用型芯以及通过使用该型芯的制造方法制造的薄壁空心铸件
技术领域
本发明涉及在安装了型芯撑(型芯撑或者芯撑、chaplet)的空心铸件的制造中使用的薄壁空心铸件用型芯以及通过使用该型芯的制造方法制造的薄壁空心铸件。
背景技术
在铸件的制造中，一般使用型芯在铸件内部形成空心部分而谋求铸件自身的轻量化。例如，构成汽车发动机的凸轮轴和曲轴等虽然以往为实心构造，但近年来成为使用型芯在内部形成空心部的空心构造，从而谋求大幅度的轻量化。在全长如同这样的凸轮轴和曲轴一样的长铸件的铸造中有必要使用长型芯。在使用长型芯的铸造中，在将型芯设置于铸型中时，有可能因型芯自身的长度和重量而在型芯产生挠曲或型芯发生弯曲。另外，在浇铸时型芯有可能受到因熔融金属产生的浮力而在铸型内浮起，从而铸件厚度不均或型芯折损而得不到制品。
作为其对应，使用各种形态的型芯撑。依照非专利文献1，型芯撑的作用为：(1)支撑型芯的重量，保持尺寸；(2)浇铸时，用熔融金属的压力抵抗型芯的浮起；(3)铸物以某种程度凝固而坚持到自身能够防止型芯的移动为止；(4)尽量与熔融金属熔融结合而成为铸件的一部分。这些作用为本领域普通技术人员的技术常识。在全长如同凸轮轴和曲轴一样的长铸件的制造中，例如，在专利文献1中，示出了使具备沿着型芯外周延伸并且一部分具有沿着型芯外周的切口部的圆环状本体部和从本体部以放射状延设的脚部的型芯撑抵接在铸型壁面上，型芯撑在熔融金属凝固时成为工件的一部分。另外，在专利文献2中，示出了具备由1根线材组成并且嵌入型芯的槽部的本体部、从本体部以放射状延设并且抵接在铸型壁面上的多个抵接部以及2个抵接部之间的开口部的型芯撑的安装构造，示出了型芯的槽部成为由用于插入型芯撑的型芯撑插入部以及使插入的型芯撑沿轴方向移动而固定的型芯撑固定部组成的槽部。
非专利文献1：金属工学讲座5加工卷1，今井勇之进编辑，朝仓书店，昭和47年2月15日发行，124-125页。
专利文献1：日本特开2004-66249号公报
专利文献2：日本特开2006-102750号公报
发明内容
本发明要解决的课题
当然，如果所述技术常识(1)～(3)不能发挥作用，则无法铸造铸件，但是对于所述技术常识(4)的“与熔融金属熔融结合而成为铸件的一部分”，即使外观上没有问题，内部也会存在因型芯撑和铸件本体之间的结合不好而使机械强度降低的课题。在专利文献1的型芯撑沿着型芯外周的安装中，从型芯外周突出而被包围的圆环状型芯撑本体部有这样的课题，即，因为在铸造薄壁铸件时阻碍了铸型内熔融金属的流动，所以如果不将浇注温度等铸造条件管理在狭小的范围内，则容易出现流动性不好。另外，因为如果将从型芯外周突出的圆环状型芯撑本体部浇铸到铸件内，则型芯撑的圆环部的外周部和两侧面部的表面与熔融金属接触，型芯撑表面和铸件的接触面增多，所以在型芯撑和铸件本体之间的结合性提高方面存在课题，并且存在对凸轮轴和曲轴等制品的旋转弯曲强度等的机械特性有影响的可能性。
一方面，在型芯上形成由型芯撑插入部和型芯撑固定部组成的槽部，使由一根线材形成的型芯撑在插入型芯撑插入部后沿轴向移动而固定在型芯撑固定部上，使圆弧状型芯撑本体部从型芯外周突出，在专利文献2的这种安装构造中，确认在型芯撑固定部向型芯外周突出的圆弧状型芯撑本体部阻碍铸型内熔融金属的流动而容易引起流动性不好和由于进入型芯撑插入部的熔融金属因槽宽很窄而迅速冷却并且热容量也很小而产生的型芯撑和铸件本体的结合不好。由于在构造上型芯撑整体未成为铸件的一部分，则推测出一定不满足所述技术常识(4)的“与熔融金属熔融结合而成为铸件的一部分”的结果。
本发明的目的是提供在解决上述课题并且防止流动性不好的同时不会产生旋转弯曲强度等机械特性的下降的薄壁空心铸件用型芯和通过使用该型芯的制造方法制造的薄壁空心铸件。
本发明是为解决上述课题而做出的，本发明的发明者专心研究的结果为沿着与所述技术常识(4)完全相反的方向找到了解决方法。即，本发明的薄壁空心铸件用型芯构造为型芯撑的圆弧部完全收纳于在型芯上设置的圆弧部插入槽中但不成为铸件本体的一部分。本发明的薄壁空心铸件用型芯安装有具备具有切口部的圆弧部和在圆弧部的外周上与铸型内壁接触的多个突起部的型芯撑，型芯撑构造为在形成于型芯本体的外径部的槽中插入并收纳型芯撑的整个圆弧部，并且从型芯本体仅突出型芯撑的突起部而使型芯撑突起部抵接并保持在铸件内壁上。在本发明中，所谓薄壁是指薄壁空心部的最小壁厚为5mm以下，特别是3mm以下。
本发明的薄壁空心铸造用型芯能够构造为在多处形成插入型芯撑的整个圆弧部的圆弧部插入槽并安装有多个型芯撑。另外，插入在型芯上形成的型芯撑圆弧部的槽的直径优选为大于安装前(自由状态)的型芯撑圆弧部的切口部的长度。作为这种尺寸关系，能够将型芯撑可靠地固定在型芯上，在朝铸型配置时或铸造时不会产生铸型内型芯撑的脱落等。并且，插入在型芯上形成的型芯撑圆弧部的槽也可以作为在型芯外周的全周上设置的全周槽，但也可以设置为仅能够收纳型芯撑圆弧部的部分周槽。部分周槽更为优选，因为其能够防止型芯撑的型芯本体的轴的旋转方向的偏移而可靠地固定。
本发明的薄壁空心铸件的制造方法为使用铸造用型芯的薄壁空心铸件的制造方法，该铸造用型芯安装有具备具有切口部的圆弧部和在圆弧部的外周上与铸型内壁接触的多个突起部的型芯撑，将型芯撑的整个圆弧部插入并收纳于在型芯本体的外径部上形成的槽中，仅使型芯撑突起部从型芯本体突出的型芯通过所述突起部保持在铸型上，将熔融金属浇铸到铸型中。而且，使用本发明的薄壁空心铸造用型芯并用上述制造方法制造的薄壁空心铸件为由具备具有切口部的圆弧部和在圆弧部的外周上延伸到铸件的最外周面的多个突起部的型芯撑、铸件本体部和空心部组成的空心长形状的薄壁空心铸件，多个突起部收纳于铸件本体内，圆弧部突出至空心部。薄壁空心铸件可以优选用于内燃机的凸轮轴。
发明的效果
本发明的薄壁空心铸件用型芯构造为在型芯本体外径部上形成插入并收纳型芯撑的整个圆弧部的槽而安装型芯撑，并且仅使型芯撑的突起部从型芯本体突出，由此，在铸造薄壁空心铸件时，能够进行熔融金属流动的阻碍少的铸造，即使不将铸造条件管理在狭小的范围内也能防止流动性不好的发生，并且将包铸在铸件本体中的型芯撑部分抑制得很少，从而，能够进行可以减小铸件本体和型芯撑接触部的接触面并且充分确保旋转弯曲强度等机械强度的薄壁空心铸件的铸造。另外，由于将型芯撑的整个圆弧部收纳于型芯中，所以在朝铸型配置或铸造型芯时，不会产生铸型内型芯撑的脱落等，型芯撑也不会沿轴向偏移。由于这些缘故，能够以高尺寸精度形成空心部。特别地，本发明的薄壁空心铸件用型芯可优选用于凸轮轴等长尺棒状的薄壁空心铸件。
另外，使用本发明的薄壁铸件用型芯的铸造方法能够很容易地制造可以防止流动性差的发生并且充分确保机械强度而且减小壁厚而轻量化的薄壁空心铸件。在本发明的铸造法中，在铸造结束时将型芯撑的突起部包铸在铸件中。使用本发明的薄壁空心铸造用型芯并且用上述制造方法制造的薄壁空心铸件由于能够减小型芯撑和铸件本体的接触面，所以即使是薄壁也能够确保充分的强度。
参照以下附图更详细地说明本发明。
对本发明的实施例进行说明。图1为显示在铸型上装配本发明的薄壁空心铸件用型芯的截面的概要的图。在型芯本体上装配的型芯撑1具备板状且大于半圆的圆弧部2以及圆弧部2的两个端部之间的切口部3，在圆弧部2的两个端部和中央部这三处具备沿外径方向扩张并且在抵接部9(9a，9b，9c)与铸型7，8的内壁接触的三处突起部4(4a，4b，4c)。可以在型芯撑1的圆弧部2的任意位置上设置任意个突起部4，更优选的是，在圆弧部2的两个端部和中央部这三处设置突起部4。如图2所示，在型芯本体5上设置一处以上完全插入并容纳型芯撑1的圆弧部2的槽部6。
优选在型芯本体5的全长上以任意间隔设置任意个槽部6。在型芯本体5上设置的槽部6的直径10大于型芯撑1的切口部3的长度。而且，切口部3弹性变形而使型芯撑1张开，从而使其安装在型芯本体5的槽部6上。安装后的型芯撑1夹持型芯本体5的槽部而被固定，从而不会从型芯本体5脱落。可以在型芯本体5外周的全周上形成型芯本体5的槽部6。图3显示型芯撑1安装于在外周的全周上设置槽部6的型芯本体5的薄壁空心铸件用型芯的一个示例，图4沿箭头方向显示图3的薄壁空心铸件用型芯的IV-IV部截面。在多个槽部6上安装的型芯撑1可以使突起部4(在图3中为4c)一致而配置，突起部4的位置也可以配置在型芯外径的不同的位置上。另外，还能够装配突起部4和切口部3的位置不同的其他形状的型芯撑1而使用。如果使突起部4或切口部3的方向一致而配置同一形状的型芯撑1，则由于安装性变得很容易而更为优选。
本发明的薄壁空心铸件用型芯的构造为在型芯本体5的槽部6完全地收纳型芯撑1的圆弧部2，在型芯本体5外周的外径方向上仅突出型芯撑1的突起部4。此外，也可以仅在收纳型芯撑1的圆弧部2的型芯本体5的外周的一部分上部分地形成型芯本体5外周的槽部6。如果仅在型芯本体5的外周的一部分上形成槽部6，则在朝铸型配置及浇铸型芯时，由于可以防止型芯撑1的旋转方向的位置偏移而更为优选。在图1中，虽然型芯撑1的圆弧部2和突起部4的宽度(厚度)相同，但是也可以使它们的宽度(厚度)不同，突起部4考虑包铸的容易度和流动性而尽量减小宽度是优选的，也可以是突起部的前端侧的宽度减小的阶梯状。
切口部3弹性变形而使安装在本发明的薄壁空心铸件用型芯上的型芯撑1张开，从而使其安装在型芯本体5的槽部6上，该型芯撑1由在插入型芯本体5的槽部6的状态下能够固定的适当材料制成。该材料，例如，可以使用弹性良好的JIS规格的碳工具钢(SK材料)或不锈钢(SUS材料)等。例如，通过加压冲孔加工或通过激光束扫描的熔断加工等使所述材质的轧制钢板成形。可以对碳工具钢进行淬火处理而使用。另外，也可以采用在所述型芯撑1上施行镀镍或镀锡，从而由于提高熔融金属和型芯撑1界面的熔敷性并且取得型芯撑1的防锈效果而可以更为优选地使用。
型芯本体5可以通过壳型铸造法、冷芯盒法等造型方法制作。在造型中使用的砂可以使用天然硅砂、莫来石系的人工耐火物砂等，更为优选的是，使用可以很容易地形成细槽的细粒径的砂，通过砂的流动性很好的吹砂方式的壳型铸造来制作。
如图1所示的型芯撑1的突起部4a、4b抵接在铸型(下型)8的内壁9a、9b上，从而本发明的薄壁空心铸件用型芯不会因自重而发生挠曲，该型芯被保持在给定位置上。型芯撑1的突起部4c在该状态下盖住铸型(上型)7，以抵接在铸型(上型)7的内壁9c上的方式配置。如果在如此配置型芯的状态下将熔融金属11注入铸型内，则能够反抗来自液面自下型8向上上升的熔融金属11的浮力而保持在给定的位置上。
在薄壁空心铸造中，特别是在具有最小壁厚为3mm以下的薄壁部的薄壁空心铸造中，由于来自铸型的冷却效果很大，所以熔融金属的流动性容易恶化，虽然通过从型芯本体5突出的型芯撑1的圆弧部2阻碍流动性，但在本发明的薄壁空心铸件用型芯中，由于型芯撑1的圆弧部2完全地收纳于型芯本体的槽部，所以包铸在铸件本体的部分变少为仅是突起部，能够将阻碍铸型内熔融金属的流动的影响抑制在最小限度。包铸在熔融金属中的突起部4即使在熔融金属完全充满于铸型内的阶段也能够不熔化。所以，突起部4和圆弧部2保持型芯本体5。由于这个缘故，能够以高精度维持型芯位置。
附图说明
图1是在铸型上配置本发明的薄壁空心铸件用型芯的概略截面图。
图2是本发明的薄壁空心铸件用型芯的型芯本体的一个示例的正面图。
图3是在图2的型芯本体上安装型芯撑的薄壁空心铸件用型芯的正面图。
图4是图3的IV-IV部的截面图。
图5是显示使用实施例1的薄壁空心铸件用型芯的铸造的概要的图。
图6为显示图5的V-V部的截面的概要的图。
图7为在铸型上配置本发明的第2示例的薄壁空心铸件用型芯的概略截面图。
图8为显示使用实施例2的薄壁空心铸件用型芯的铸造的概要的图。
图9为通过现有技术在型芯上安装型芯撑的状态的概略截面图。
具体实施方式
以下进一步详细地说明本发明的实施例，但本发明并不限于这些实施例。
(实施例1)如图1所示，通过对0.8mm厚的SK材料(JIS规格)的轧制钢板进行冲压加工来对板状型芯撑1进行冲孔而成形，板状型芯撑1具备大于半圆的圆弧部2和圆弧部2的两端之间的切口部3，具备在圆弧部2的两个端部和中央部这三处在外径方向上扩张的突起部4a，4b，4c。经冲压成形的型芯撑在830℃下进行淬火处理，并且通过电解镀镍而施加2～3μm厚的镍膜。
型芯本体5使用在莫来石系的人工耐火物的砂上涂覆酚醛树脂的树脂覆膜砂，用在加热后的型芯金属模具中对树脂覆膜砂进行吹塑成型的壳型铸造工艺制作。在型芯本体5的外周上全周地设置收纳型芯撑1的整个圆弧部2的槽部6。
切口部3弹性变形而使型芯撑1张开，从而使其安装在形成于所述型芯本体5的全周的槽部6上。在实施例1中，在位于成为薄壁部分的凸轮轴的轴颈部的型芯本体5的两处形成槽部6而安装型芯撑1。这样，制成了用于汽车发动机的轴部是空心构造的冷硬凸轮轴的铸造中使用的薄壁空心铸件用型芯。如图1所示，薄壁空心铸件用型芯在以型芯撑1的圆弧部2两端的突起部4a，4b与铸型(下型)8的内壁的抵接部9a，9b接触的方式配置之后，以型芯撑1的圆弧部2的中央部的突起部4c与铸型(上型)7的内壁的抵接部9c接触的方式盖住铸型(上型)7。而且，将FCD600(JIS规格)的熔融金属11(温度1350～1430℃)浇铸到10框的铸型内，铸造最小壁厚部为2.5mm的薄壁构造的凸轮轴(图5、6)。这样，使用本发明的薄壁空心铸件用型芯来铸造实施例1的薄壁空心铸件的凸轮轴。
对于使用本发明的薄壁空心铸件用型芯进行铸造的实施例1，即使是进行浇铸的10框也不会阻碍熔融金属的流动，从而流动性状态良好，仅仅将从型芯本体5突出的型芯撑突起部4包铸在铸件本体中，从而型芯撑1的圆弧部2的外周面和铸件本体的界面的结合状态也良好，空心部的同轴度和尺寸精度也良好。此外，目视确认铸造后的凸轮轴而以三个等级评价流动性状态，即：进行浇铸的10框全部流动性状态良好(表1中为○)；10框中半数以上流动性状态良好(表1中为△)；即使是10框流动性状态也不好或者型芯发生折损(表1中为×)。目视确认因阻碍熔融金属的流动而产生的流动性不好主要发生在型芯撑突起部的周边。另外，通过车床加工等对铸造的凸轮轴的型芯撑部进行切削、对型芯撑和铸造金属之间的界面进行目视以及通过染色浸透探伤试验(比色检验)进行确认，进一步严密地评价铸造品质。型芯撑和铸造金属的界面的结合状态的评价以2个等级表示，即：整个面结合良好(表1中为○)；具有未结合部分(表1中为△)。
(实施例2)制作薄壁空心铸件用型芯，该型芯与实施例1的薄壁空心铸件用型芯相同，如图7所示，仅仅在收纳型芯撑1的圆弧部2的槽部6只在型芯本体5的外周的一部分上形成这点上不同。在通过使用该薄壁空心铸件用型芯的铸造而制造的实施例2的薄壁空心铸件的凸轮轴中，即使是进行浇铸的10框也不会妨碍熔融金属的流动，从而流动性状态良好，仅仅将从型芯本体5突出的型芯撑突起部4包铸在铸件本体中并且将与铸件本体接触的型芯撑1的部分抑制得更少，从而铸件本体和型芯撑接触部的结合状态也良好，可以更抑制产生未结合部分的可能性，空心部的同轴度和尺寸精度也良好。
(比较例1)作为比较例1，使用通过在型芯本体5上不形成槽部6并且使型芯撑1的圆弧部2从型芯外周在外径方向上突出而安装在型芯本体5上的现有技术(图9)制造的薄壁铸造用型芯而配置在与实施例1相同的铸型7，8上，然后，将FCD600(JIS规格)的熔融金属11浇铸到10框的铸型内，铸造最小壁厚部为2.5mm的薄壁空心构造的凸轮轴。对于使用比较例1的薄壁铸件用型芯铸造的凸轮轴，虽然进行浇铸的10框中的8～9框的流动性状态良好，但是剩余的1～2框在一定的程度上妨碍熔融金属的流动，可以认为在型芯撑1和铸件本体的接触部上存在未结合的部分。
(比较例2)作为比较例2，使用未安装型芯撑1的薄壁铸造用型芯，将型芯本体5的一端固定于型芯座上而配置于铸型上，然后，将FCD600(JIS规格)的熔融金属11浇铸在铸型内，铸造薄壁空心构造的凸轮轴。对于通过比较例2铸造的凸轮轴，进行浇铸的10框全部型芯都不能抵抗熔融金属的浮力而产生折损或浮起，不能形成给定的空心部。
(旋转弯曲疲劳强度试验)
对通过实施例1、2以及比较例1所制造的轴部外径为φ22mm、空心部的直径为φ17mm、壁厚为2.5mm的凸轮轴各13根实施单柱式旋转弯曲疲劳强度试验。试验条件为在转速1500rpm、弯曲应力330～450MPa下进行。强度试验的结果为通过实施例1、2制作的凸轮轴虽然在弯曲应力350MPa下重复107次为止但也没有破损，具有充分的强度(在表1中为○)。另一方面，通过比较例1制作的凸轮轴在疲劳强度上产生个体差异，疲劳强度很低的凸轮轴(在表1中为△)阻碍熔融金属的流动，可以认为在型芯撑和铸件本体的界面上存在未结合的部分。表1显示实施例和比较例的结果。这样，使用本发明的薄壁空心铸件用型芯进行铸造的薄壁空心铸件由于将型芯撑圆弧部完全收纳于型芯本体的槽部，所以包铸在铸型本体中的部分变少为仅仅是突起部，将阻碍铸型内熔融金属的流动的影响抑制到最小限度，铸型本体和型芯撑的边界部的结合状态良好，从而可以作为具有充分的强度的凸轮轴。
[表1]
表1
  流动性状态的评价   型芯撑界面的结合状态的评价   旋转弯曲强度试验
 实施例1   ○   ○   ○
 实施例2   ○   ○   ○
 比较例1   △   △   △～○
 比较例2   ×(型芯折损)  -  -
产业上的实用性
如以上所说明的，本发明的型芯由于可以解决型芯撑和铸件本体的结合不好和因型芯撑而产生的流动性不好，所以适于凸轮轴和曲轴等薄壁空心铸件的制造。

Claims (5)

1.一种薄壁空心铸件用型芯，在安装有具备具有切口部的圆弧部和在所述圆弧部的外周上与铸型内壁接触的多个突起部的型芯撑的型芯中，在型芯本体的外径部上形成能够收纳型芯撑的整个圆弧部的槽部，在将型芯撑安装于所述槽部时，在从型芯本体仅突出型芯撑突起部的状态下所述型芯被保持在铸型内。
2.根据权利要求1所述的薄壁空心铸件用型芯，其特征在于，在所述薄壁空心铸件用型芯中，在型芯本体上形成的槽部的直径大于型芯撑的切口部的长度。
3.一种薄壁空心铸件的制造方法，其使用安装有具备具有切口部的圆弧部和在所述圆弧部的外周上与铸型内壁接触的多个突起部的型芯撑的铸造用型芯，其中，将型芯撑的整个圆弧部插入在型芯本体的外径部上形成的、能够收纳型芯撑的所述整个圆弧部的槽中，将仅使型芯撑的突起部从型芯本体突出的型芯通过所述突起部保持在铸型中，并浇铸入熔融金属。
4.一种薄壁空心铸件，其是由具备具有切口部的圆弧部和在所述圆弧部的外周上延伸到铸件的最外周面的多个突起部的型芯撑、铸件本体部和铸件空心部组成的空心长形状的薄壁空心铸件，其中，所述多个突起部收纳于所述铸件本体内，所述圆弧部突出至所述铸件空心部。
5.根据权利要求4所述的薄壁空心铸件，其特征在于，所述薄壁空心铸件为内燃机的凸轮轴。
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