CN107848021B - 用于制造铸造型芯的方法和铸造型芯 - Google Patents

Abstract

为了实现以简单的方式也能够制造形状复杂的或针对其特性优化的、为了以铸造技术制造铸件而设置的铸造型芯(G1‑G5)，其由粘合剂和型砂以及可选择性添加的添加剂混合形成的造型材料构成，本发明提出下列加工工序：a)通过将造型材料导入铸造型芯模具中而成型铸造型芯(G1‑G5)；b)造型材料凝固；c)从铸造型芯模具中取出铸造型芯(G1‑G5)；d)将铸造型芯(G1‑G5)加热至变形温度；e)通过在铸造型芯(G1‑G5)上施加变形力(K，KA，KX，M)使加热过的铸造型芯(G1‑G5)变形；f)冷却铸造型芯(G1‑G5)。

Description

用于制造铸造型芯的方法和铸造型芯

技术领域

本发明涉及一种用于制造铸造型芯的方法，此铸造型芯用于以铸造技术制造铸件，以及此种铸造型芯。在此，铸造型芯分别由以粘合剂与型砂以及选择性添加的添加剂混合形成的造型材料制成。

背景技术

此处所述类型的铸造型芯典型地用于通过铸造技术由金属熔液制造铸件。铸造型芯描述为“损耗件”，因为，当铸件从相应的铸造模具中脱模后，铸造型芯损坏。

为了铸造铸件，将金属熔液浇入由相应的铸造模具围绕形成的模具空腔中。在金属熔液凝固为铸件之后或此过程中，将铸造模具与铸件分离。

通常，铸造模具包含多个铸造型芯。这些铸造型芯在铸件内部形成空腔、通道和其他缺口。但是，对于组装为所谓的“型芯组”的铸造模具，其也形成铸件的外部轮廓。

铸造型芯在成型工具、即所谓的“射芯机”中制造，此成型工具包含分为型芯盒的上半部和下半部的型芯盒。型芯盒以其两个型芯盒部分围绕形成构造待制造的铸造型芯的模具空腔。在型芯盒关闭时，借助压力将造型材料射入此模具空腔中。此过程称为“射芯”。接着，铸造型芯在型芯盒中完成硬化。然后，通过移动至少一个型芯盒半部打开型芯盒，从而取出铸造型芯。在工业量产时，只要其尺寸允许，通常就在一个型芯盒中同时成型多个铸造型芯。

用于制造所讨论种类的铸造型芯的造型材料通常由模具基本材料、例如无机耐火型砂和粘合剂混合形成。在实践中，为此使用无机的或有机的粘合剂。在使用无机粘合剂时，通过输入热量和排出湿度实现造型材料在型芯盒中的硬化(“热芯盒法(Hot-Box-Verfahren)”)，与此不同，在使用有机粘合剂时，通过反应气体对在模具工具中的型芯进行气体处理，从而通过粘合剂与反应气体的化学反应引起固化(“冷芯盒法(Cold-Box-Verfahren)”)。

无论是基于无机粘合系统的、还是基于有机粘合系统的造型材料都能够在市场中以多种规格获得。在此，在需要时，此种造型材料也包含添加剂，从而调整其尤其储存能力、流动性能等方面的特性。

借助已知的、市场上常见的造型材料可实现，制造形状纤细的铸造型芯，即具有小直径、延伸较长的细区段以及同样具有形状纤细的分支的铸造型芯，其形状稳定性足以使其从铸造型芯制造处运输到模具制造处，使其可靠地保持在相应的铸造模具中并且也能够吸收在浇铸熔液时出现的应力。但是，其制造方式以及其制造使用的造型材料的类型导致铸造型芯高度脆性并且因此易断。

前述在工业量产中常见的方法和基于使用可重复使用的模具的制造类型和方式在成型铸造型芯时造成一些局限。因此，在型芯盒的模具空腔中必须设置脱模斜度，从而使制成的铸造型芯能够从型芯盒中操作可靠地、不造成损坏地脱出。在使用在企业实践中常见的、两件式的型芯盒时，铸造型芯无法具有会妨碍脱模的侧面凹部。如果仍需制造具有此种侧面凹部的铸造型芯，必须使用多件式的型芯盒构造，其需要高度的技术投入以及相应的高资金投入。

为了在已知的铸造型芯制造中能够构造侧面凹部，使用所谓的“松动部件”。其装入型芯盒中，然后以造型材料环绕并与铸造型芯一同从型芯盒中取出。由于相应的待构造的侧面凹部而限定的松动部件和铸造型芯的造型材料彼此啮合，只有在脱模后松动部件才能从铸造型芯上取下。除了因其使用引起额外的工序以外，在批量生产时的生产技术方面，此种松动部件还有此缺点，为了保证合乎有序的、符合周期的生产流水线，必须循环转移很多松动部件。

因此，即使在使用多件式型芯盒的情况下，铸造型芯造型的自由程度也受到限制。这样，无论如何都必须保证造型材料能够如此射入型芯盒的腔中，使造型材料完全填满模具空腔并且充分地压缩。

因此，借助传统的铸造型芯制造方法根本无法制造、或者只有在极高投入的条件下才能制造出特定的型芯形状，例如沙漏类的、螺旋形状类的或类似的复杂形状的形体。因此，尽管原则上，基于固结成形原理的型芯制造提供了高度的结构自由，但是，无法完全用尽在借助损耗型芯铸造时理论上可能实现的构型潜力。

发明内容

在前述现有技术的背景下得出此目的，列举一种方法，其以简单的方式也能实现复杂形状的、或在其特性方面得到优化的铸造型芯的制造。

同时，应完成相应形式的铸造型芯。

针对此方法，本发明由此实现此目的，在制造铸造型芯时至少经过本发明给出的加工步骤。

相应地，根据本发明实现上述目的的铸造型芯的特征在于，其由一种造型材料制成，此造型材料由粘合剂和型砂以及选择性添加的添加剂的混合物构成，其中，铸造型芯通过由外部力作用引起的变形而形成其制成后的形状。此种铸造型芯尤其通过使用根据本发明的方法制造。

根据本发明的用于制造由粘合剂和型砂以及选择性添加的添加剂混合形成的造型材料构成的、用于以铸造技术制造铸件的铸造型芯的方法包含以下加工步骤：

a)通过将造型材料导入铸造型芯模具中而成型铸造型芯；

b)造型材料凝固；

c)从铸造型芯模具中取出铸造型芯；

d)将铸造型芯加热至变形温度；

e)通过在铸造型芯上施加变形力使加热过的铸造型芯变形；

f)冷却铸造型芯。

本发明基于令人惊讶的、与专业领域内迄今为止的评估不同的认知，当以传统方式制造的铸造型芯已经在传统射芯机中获得其基本形状之后，再在合适的温度下变形。变形可通过折弯变形、压变形、拉变形、推变形、扭转变形或任何其他通过施加外力引起的变形而施加到相应的型芯上。通过根据本发明的变形，由行业内常见的造型材料制成的铸造型芯能够后续获得借助传统的射芯机完全无法制成的、或仅能以有限的质量或仅能以极高的投入制成的形状。

因此，本发明提供了铸件研发中很高的结构自由度和复杂度。从而，可技术简单地实施新型的铸造型芯的设计。尤其通过根据本发明的后续的型芯变形，无须为此使用具有松动部件的复杂的型芯盒即可实现侧面凹部的制造。

根据本发明的方法也可用于射芯后获得的铸造型芯的特性的后续优化。这样，以根据本发明的方法后续压缩铸造型芯，使其具有高的形状稳定性和优化的表面特性。

由于相应的造型材料在加热时还表现出的脆性，并且考虑到相应的铸造型芯在从射芯机中取出后具有的基本形状，根据本发明进行的变形应以缓慢的变形速度完成。相应分别合适的最大变形速度可以简单的方式通过试验获取。根据实际测试在此可说明，当变形速度限定在最高2mm/s时，精细铸造的型芯也可运行可靠地以根据本发明的方式变形，其中，在实践中，变形速度通常应为至少0.01mm/s。最佳的变形速度在0.1-1.0mm/s的区间中，尤其在0.3-0.7mm/s的区间中。在选择这些变形速度时，尤其具有长的精细易损形状的铸造型芯也能够可靠地弯曲、扭转、拉伸或压缩。

在根据本发明的变形中待施加的、从外部作用到相应的铸造型芯上的变形力也可通过简单的试验得出。在此，实际测试显示，借助在直径为8mm、截面为圆形的试件的情况下在5-100N的区间中的、或者相当于铸造型芯的0.2-0.6N/mm²的强度系数的变形力，形状精细的铸造型芯也能够后续地以根据本发明的方式变形。这在以下情况下尤其适用，即，变形以位于上一段中所述的区间中的变形速度完成。在此，20-80N的变形速度(即0.1-0.4N/mm²的强度系数)、尤其30-70N的变形速度(即0.15-0.35N/mm²的强度系数)证实为尤其有效。

基本上，本发明可用于任何类型的由在此考虑的类型的造型材料制成的铸造型芯中。这既对含有无机粘合剂的造型材料适用，也对基于有机粘合剂的造型材料适用。在此，实际测试显示，本发明尤其适用与使用有机粘合剂的铸造型芯。此处基于，由于根据本发明对铸造型芯的加热，尤其此类的有机粘合剂起到胶粘剂的作用，因此，形成铸造型芯的造型材料的颗粒彼此粘合。

分别最优的在根据本发明的变形前铸造型芯加热至的变形温度也可通过简单的试验获得。在此，实际测试显示，在150-320℃、尤其180-300℃区间中的变形温度尤其适合应用。尤其在具有有机粘合剂的造型材料的情况下，300℃的上限证实为重要的，因为否则存在粘合剂过早衰坏的风险。

在后续的变形期间，变形温度应维持在前述区间中，其中，最优的是保持在恒定的温度水平上。

在加热铸造型芯时的加热速率应为1-15℃/s，尤其4-8℃/s。

为了实现根据本发明的加热，可例如使用加热工具、空气循环加热炉或红外线灯作为热源。也可考虑借助集中的热空气流或类似手段普遍地或局部地加热铸造型芯。

根据本发明的方法也适用于在校准的意义上使铸造型芯的形状最优。为此，铸造型芯在从射芯机中脱模后以根据本发明的方式加热并通过施加外力如此变形，使其精确地符合对其外形的相应设定。

同样可考虑，通过根据本发明的变形使两个否则须彼此粘接的型芯形状配合地或应力配合地连接。为此，可通过进行加工步骤a)-c)制造具有凹处的第一铸造型芯。此外，准备具有与第一铸造型芯的凹处的形状相匹配的突起的第二铸造型芯。此时，第二铸造型芯可与第一铸造型芯如此相连，使第二铸造型芯的突起啮合于第一铸造型芯的凹处中并构成连接区。接着，至少一个铸造型芯进行加工步骤d)-f)，并且在此，在加工步骤e)中如此变形，即在连接区中构成紧密的、形状配合的连接，通过此连接，两铸造型芯彼此相连。以此形式与方式，两个或多个铸造型芯通过例如根据插接或搭扣连接形式构造的连接彼此相连。

替代准备具有与另一铸造型芯的凹处相匹配的突起的铸造型芯，也可行的是，将没有显著突起形状的铸造型芯按照规定定位在设有凹处的第一铸造型芯上并继而将第二铸造型芯的材料压入第一铸造型芯的开口中。对此，根据符合本发明的方法的另一设计方案，可通过实施加工步骤a)-c)制造具有凹处(A)的第一铸造型芯，并且准备第二铸造型芯，其继而定位在第一铸造型芯上预先设定的位置处，其中，在定位之后，至少对第二铸造型芯实施加工步骤d)-f)，并在加工步骤e)中通过施加外力使其如此变形，使得处于第一铸造型芯凹处区域中的第二铸造型芯的材料进入第一铸造型芯的凹处中并填充此凹处，从而构成紧密的、形状配合的连接，通过此连接，两铸造型芯彼此相连。由此方法，根据挤压连接方法的方式在铸造型芯之间形成形状配合的或应力配合的连接。当然，在此，在其材料需压入相应的另一铸造型芯的凹处中的铸造型芯上可存在标记、凸肩、隆起或类似结构，从而使铸造型芯彼此按照规定的定位变得简单。如果第一铸造型芯的凹处为贯穿开口，那么，也可考虑将第二铸造型芯的材料如此压过此凹处，直至其在与第二铸造型芯所面对的一侧上变宽并在铸造型芯之间形成铆接型的稳固连接。

附图说明

下面根据示出实施例的附图进一步阐述本发明。附图分别示意性地示出：

图1以侧视图示出了在变形之前和之后的杆状铸造型芯，其中，在变形之前的形状以虚线示出，并且在变形之后的形状以实线示出；

图2以侧视图示出了在变形之前和之后的方形铸造型芯，其中，在变形之前的形状以虚线示出，并且在变形之后的形状以实线示出；

图3a以侧视图示出了在变形之前的另一具有多个在其上成型的分支的杆状铸造型芯；

图3b以正视图示出了图3a中的铸造型芯；

图4a以侧视图示出了在变形之后的图3中的铸造型芯；

图4b以正视图示出了图4a中的铸造型芯；

图5a-5d分别以侧视局部剖视图示出了在连接两个铸造型芯时进行的不同加工步骤中的这两个铸造型芯。

具体实施方式

图1和3a-4b中所示的铸造型芯G1，G3代表例如伸长的、纤细的铸造型芯，其例如在铸造用于内燃机的汽缸盖时形成精细的供油通道或冷却剂通道。当前，此类汽缸盖通常由铝铸造材料铸成。

图2中所示的圆柱形铸造型芯G2设置用于，例如在铸造用于内燃机的汽缸曲柄壳体时成型一个空腔。

图5a-5d中所示的铸造型芯G4，G5代表此种铸造型芯，其彼此相连形成铸造型芯组合GK，从而在由任意金属熔液铸成的铸件中构造空腔或通道的复杂形状。

铸造型芯G1-G5分别以所谓的“聚氨酯冷芯盒法(PU Cold-Box-Verfahren)”制成。

在聚氨酯冷芯盒法中使用的粘合剂包含两种成份，即作为第一种成份的酚醛树脂和作为第二种成分的异氰酸盐。通过以叔胺进行气体处理，使此两种成份加聚形成聚氨酯。

为了制造造型材料，铸造用砂在合适的混合设备中、例如摆动混合器或叶片混合器中与酚醛树脂和异氰酸盐混合两到五分钟、尤其三分钟。粘合剂的两种成份所添加的量可根据用途和铸造用砂变化。典型地，其相对所添加的造型材料的量为每份0.4％至1.2％。证实为尤其有利的是每份0.7％的比例。

如果此处将“份”做为计量单位，那么可理解为，分别以份测量的组成部分的量借助一种对所有组成部分相同的统一度量测量，并且根据本发明为各个组成部分分别设定的“份”表示此统一度量的相应的倍数。

完成混合的造型材料在常规射芯机中成型为铸造型芯G1-G5。在此，通过约2-6bar、尤其3bar的喷射压力将造型材料射入芯盒中并在此压缩。接着，在芯盒中借助气态的催化剂，即叔胺对铸造型芯G1-G5进行气体处理，从而使型芯硬化。实施硬化工序直至铸造型芯G1-G5达到对聚氨酯冷芯盒型芯典型的150-300N/cm²的强度。在此，作为设定目标使用一个视为优选的、220N/cm²的值。

如此产生的杆状铸造型芯G1具有例如10mm的圆形截面和200mm的长度。相应地设计铸造型芯G3的尺寸。

现在，相应获得的铸造型芯G1-G3在空气循环加热炉中以5℃/s的加热速率完全地加热至220℃的预热温度。

接着，使如此加热过的铸造型芯G1-G3变形。

为此，铸造型芯G1以其末端区段定位在两个彼此间隔布置的、具有圆整过的支架的支撑物B1，B2上。接着，通过沿重力方向作用的力K进行应力施加。此外部力K借助在此未详细示出的冲压装置施加，其指向铸造型芯G1的纵向长度的正中，并且将其与铸造型芯G1形成接触的端面进行倒圆，从而在变形时避免铸造型芯G1的压力峰值。由力K产生的压力以准静态地方式以0.5mm/s的变形速度施加。在此引入的力K为40N。

在达到需要的约20-30度的变形角度β之后变形过程结束。在变形工序期间，铸造型芯G1稳定地保持在220℃±30℃的变形温度区间中。

以此方式塑性变形后的铸造型芯G1在静止的空气中冷却至室温。接着，其可如同常规成型的铸造型芯一样用于铸造过程中。

同铸造型芯G1一样，铸造型芯G2以前述方式加热并且随后借助冲压装置类的、在此同样未示出的工具通过施加外部力KA如此变形，使此铸造型芯形成沙漏的形状。在此，产生对造型材料的形状稳定性和其表面特性有积极作用的造型材料的压缩。同时，校准了铸造型芯，从而其形状最佳地符合对其几何形状的设定。

铸造型芯G3同样以前述用于铸造型芯G1的方式加热至变形温度。接着，加热后的铸造型芯G3通过其一个末端夹紧在固定件中，并且在其另一末端上作为外力施加围绕其纵轴L作用的旋转力矩M。以此方式，铸造型芯G3可围绕其纵轴L扭转90°的角度。

两铸造型芯G4，G5同样以前述用于铸造型芯G1-G3的方式制造。在此，铸造型芯G4在其一个端面上具有突起V，与之相对应，在铸造型芯G5对应的端面中成型有凹处A，其形状为铸造型芯G4的突起V的形状的阴模并具有一定余量。

相应地，铸造型芯G4能够通过其突起V插入到铸造型芯G5的凹处A中，从而，铸造型芯G4，G5在由凹处A环绕形成的连接区F的区域中相连接。

接着，至少铸造型芯G5通过例如在热空气流中的集中加热而达到180-300℃区间中的变形温度。然后，借助合适的、在此未示出的工具向铸造型芯G5施加外力KX，从而使铸造型芯G5的凹处A周围的材料向一起挤压。以此方式，将铸造型芯G5的凹处A周围的材料挤向突起V，直至突起V由铸造型芯G5的材料紧密地包围并形成紧密的、形状配合的连接，通过此连接，铸造型芯G4以很大的自由度相对于铸造型芯G5不可拆卸地固定并构成铸造型芯组合GK。

附图标记说明

β 变形角度

A 铸造型芯G5的凹处

B1，B2 支撑物

F 连接区

G1-G5 铸造型芯

GK 铸造型芯组合

K，KA，KX 外力

L 铸造型芯G3的纵轴

M 旋转力矩

V 铸造型芯G4的突起

Claims (9)

1.一种用于制造铸造型芯(G1-G5)的方法，所述铸造型芯用于以铸造技术制造铸件，其中，所述铸造型芯(G1-G5)由粘合剂和型砂以及可选择性添加的添加剂混合形成的造型材料构成，包含以下加工步骤：

a)通过将所述造型材料导入铸造型芯模具中而成型所述铸造型芯(G1-G5)；

b)凝固所述铸造型芯，所述铸造型芯通过加工步骤a)中将所述造型材料导入铸造型芯模具中而成型并完全硬化；

c)从所述铸造型芯模具中取出在加工步骤b)中凝固的所述铸造型芯(G1-G5)；

d)将加工步骤c)中获得的所述铸造型芯(G1-G5)加热至变形温度；

e)通过在所述铸造型芯(G1-G5)上施加变形力(K，KA，KX，M)使加热过的所述铸造型芯(G1-G5)变形；

f)冷却已变形的所述铸造型芯(G1-G5)。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述变形力(K，KA，KX，M)引起所述铸造型芯(G1-G5)的折弯变形、压变形、拉变形、推变形或扭转变形。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变形以最高2mm/s的变形速度进行。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变形力为5-100N。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，造型材料的所述粘合剂为有机粘合剂。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变形温度为180-300℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述铸造型芯加热至变形温度时的加热速率为1-15℃/s。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过实施所述加工步骤a)-c)制造具有凹处(A)的第一铸造型芯(G5)，准备具有突起(V)的第二铸造型芯(G4)，所述突起与所述第一铸造型芯(G5)的所述凹处(A)相匹配，所述第二铸造型芯(G4)如此与所述第一铸造型芯(G5)相连，使所述第二铸造型芯(G4)的突起(V)啮合于所述第一铸造型芯(G5)的凹处(A)中构成连接区(F),并且继而所述铸造型芯(G4，G5)中的至少一个进行所述加工步骤d)-f)，并在所述加工步骤e)中如此变形，使得在所述连接区(F)的区域中形成紧密的、形状配合的连接，通过此连接，两个所述铸造型芯(G4，G5)彼此相连。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过实施所述加工步骤a)-c)制造具有凹处(A)的第一铸造型芯，准备第二铸造型芯并且将此铸造型芯在所述第一铸造型芯上定位预先设定的位置处，至少所述第二铸造型芯进行所述加工步骤d)-f)，并在所述加工步骤e)中通过施加外力如此变形，使所述第二铸造型芯的处于所述第一铸造型芯的凹处区域中的材料进入所述第一铸造型芯的凹处中并填充此凹处，从而构成紧密的、形状配合的连接，通过此连接，两个所述铸造型芯彼此相连。