CN109822072B

CN109822072B - 离心铸造装置以及离心铸造方法

Info

Publication number: CN109822072B
Application number: CN201811307867.6A
Authority: CN
Inventors: 姜文求; 金荣赞; 金玟秀; 姜熙三
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2038-11-05
Also published as: US10882103B2; KR102394866B1; KR20190059637A; CN109822072A; DE102018126278A1; US20190151938A1

Abstract

本发明提供一种离心铸造装置以及离心铸造方法。离心铸造装置包括：上模，其被机加工成具有用于形成铸件的上侧表面的内部轮廓；以及下模，其被机加工成具有用于形成所述铸件的下侧表面的内部轮廓。上部电机用于提供动力以使所述上模旋转，下部电机用于提供动力以使所述下模旋转。所述上部电机和所述下部电机彼此独立地操作。

Description

离心铸造装置以及离心铸造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年11月23日提交的韩国专利申请第10-2017-0157444号的优先权，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种离心铸造装置以及使用离心力铸造产品的方法。

背景技术

离心铸造方法用于在重力铸造领域中制造复杂形状的高质量铸件，其用于制造各种汽车部件。图1示出了相关技术中用于铸造作为汽车部件之一的阻尼滑轮的离心铸造装置。在传统的离心铸造方法中，通过如下方法以在铸模中成形的方式制造铸件：将具有对应于铸件外形的内表面形状或外表面形状的上模1和下模2结合在一起，通过上模1的熔融金属注入口3注入熔融金属，然后使上模1和下模2相对于其竖直轴线旋转。

关于相关技术的图1中所示的阻尼滑轮，上模1被加工成具有与阻尼滑轮的顶部表面和外周表面的形状一致的内表面形状，下模2被加工成具有与阻尼滑轮的底部表面和内周表面的形状一致的外表面形状。然而，上模可以被加工成具有与铸件的内周表面的形状对应的形状，下模可以被加工成具有与铸件的外周表面的形状对应的形状。

在离心铸造过程中，在上模和下模同时旋转期间注入熔融金属并且通过熔融金属的离心力进行成型，模具因工艺的性质而旋转，因此，由于过大的冒口而产生废料，因而，不能安装单独的加压装置，由于冷却速率而在产品部件中产生收缩缺陷，需要用于移除冒口的进一步处理。

另外，如相关技术的图2中所示，由于气泡和气孔在向心力的方向上以设计形状聚集在一起，因此，模具被设计成如重力铸造技术那样形成过大的冒口。如果冒口不大，则最终的凝固在产品部件中进行而不是在冒口中进行，从而在产品部件中产生收缩缺陷。因此，试图抑制在向心力方向上产生气泡。然而，如相关技术的图3中所示，由于冒口的加压力的限制，仍然在向心力的方向上产生气泡。

公开于本部分的上述信息仅仅用于加深对发明背景的理解，因此其可以包含的信息并不构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提供一种离心铸造装置以及离心铸造方法，由于可以消除冒口，因此可以通过减少产品部件中的收缩缺陷来提高产品的质量并简化制造工艺以及降低成本，从而可以消除用于移除冒口的工序。

本发明的其它目的和优点可以通过如下描述而理解，并且参考本发明的示例性实施方案而变得清楚。同样地，本发明所属领域的技术人员显而易见的是，本发明的目的和优点可以通过要求保护的方法和其组合而实现。

根据本发明的一个方面，离心铸造装置可以包括：上模，其被机加工成具有用于形成铸件的上侧表面的内部轮廓；下模，其被机加工成具有用于形成所述铸件的下侧表面的内部轮廓；上部电机，其用于提供动力以使所述上模旋转；以及下部电机，其用于提供动力以使所述下模旋转。所述上部电机和所述下部电机可以彼此独立地操作。

此外，所述上模或所述下模中的至少一个可以包括机加工部分，所述机加工部分具有仅在旋转表面的相对于旋转轴线的部分区段处与所述铸件的内周表面或外周表面对应的轮廓。此外，所述上模和所述下模的端部可以包括彼此对应的台阶部，以将所述上模和所述下模分离。

根据本发明的另一方面，离心铸造装置可以包括：上模，其被机加工成具有用于形成铸件的上侧表面的内部轮廓；以及下模，其被机加工成具有用于形成所述铸件的下侧表面的内部轮廓。所述上模和/或所述下模可以包括机加工部分，所述机加工部分具有仅在旋转表面的相对于旋转轴线的部分区段处与所述铸件的内周表面或外周表面对应的轮廓。

根据本发明的又一方面，离心铸造方法可以包括使上模和下模相对于同一个旋转轴线旋转，其中，所述上模被机加工成具有用于形成铸件的上侧表面的内部轮廓，并且所述下模被机加工成具有用于形成所述铸件的下侧表面的内部轮廓。所述上模和所述下模可以彼此独立地操作。特别地，所述上模和所述下模的旋转速度和/或方向可以被不同地设定。

根据本发明的离心铸造装置以及离心铸造方法，由于加压效果可以比相关技术中的更大，因此可以消除冒口，并且，由于可以省去用于消除冒口的额外工序，因此可以简化整个工艺并且可以降低成本。

此外，由于加压效果可以使产品的收缩缺陷最小化，因此可以抑制气泡的产生，从而可以提高产品的质量。由于可以减少模具的要机加工的部分，因此，因减少了加工并且使用了较少的模具材料而可以降低制造模具的成本。此外，通过半固态或高温固态形状的加工硬化，具有提高强度的效果。

应理解本发明的以上一般描述和以下具体描述为示例性和说明性的，并且旨在进一步解释要求保护的本发明。

附图说明

通过随后结合附图所呈现的详细描述将会更为清楚地理解本发明的以上和其它方面、特征以及其它优点，在这些附图中：

图1为相关技术中离心铸造装置的示意图；

图2示出了相关技术中由图1的装置制造的产品的冒口；

图3示出了相关技术中由图1的装置制造的产品的缺陷；

图4为根据本发明的示例性实施方案的离心铸造装置的示意图；

图5为根据本发明的示例性实施方案的图4的离心铸造装置的局部视图；

图6A和图6B为用于比较挤出工艺中的加压力与根据本发明的示例性实施方案的离心铸造方法中的加压力的视图；

图7A和图7B示出了在离心铸造方法中取决于旋转速度的加压力；

图8示出了在离心铸造方法中的旋转速度与流动应力之间的关系。

具体实施方式

为了充分理解本发明、本发明的操作优点和实施本发明所实现的目的，需要参考说明本发明的示例性实施方案的附图和附图中描述的内容。在描述示例性实施方案时，可以简略或省略本领域已知技术的具体描述或重复描述从而避免模糊本发明的主题。

本文所使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的并且不旨在限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚说明。还将理解当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，指明存在所述特征、数值、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或加入一种或多种其他的特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。正如本文所使用的，术语“和/或”包括一种或多种相关列举项目的任何和所有组合。

除非特别声明或者从上下文显而易见的，本文所使用的术语“约”被理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可被理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文清楚的，本文提供的所有数值通过术语“约”来修饰。

图4为根据本发明的示例性实施方案的离心铸造装置的示意图，图5为根据本发明的示例性实施方案的图4的离心铸造装置的局部视图。以下，参照图4和图5描述根据本发明的示例性实施方案的离心铸造装置以及离心铸造方法。

根据本发明的示例性实施方案的离心铸造装置可以包括准备彼此分离的上模10和下模20。该装置可以包括上模电机31、上模支撑件32、下模电机41、下模支撑件42和用于动力传输的带体33，以使上模10和下模20中的每一个围绕竖直轴线旋转。

在根据本发明的示例性实施方案的离心铸造方法中，可以分别通过上模电机31和下模电机41操作上模10和下模20而以不同的方向和/或速度旋转，因此，与同时旋转两个模具相比，进一步增强了加压效果。换句话说，上模可以顺时针旋转，下模可以逆时针旋转，反之亦然。另外，上模和下模可以以相同的方向但以不同的速度旋转。此外，一个模具可以旋转而另一个模具不旋转。独立地旋转两个模具可以比同时或以相同速度旋转两个模具更多地增加加压力，这将在后面描述。

上模10可以包括用于在其中注入熔融金属的熔融金属注入口，并且可以被加工成具有与铸件的上侧表面的形状对应的内部轮廓。下模20可以被加工成具有与铸件的下侧表面的形状对应的内部轮廓。本文使用的术语“内部”是指通过将上模和下模结合在一起而形成的整个模具的内侧。此外，上模和下模可以被加工成具有与铸件的内周表面或外周表面对应的内部轮廓。本发明的示例性铸件是用于机动车辆的阻尼滑轮。例如，上模可以具有与阻尼滑轮的上侧表面和外周表面的形状对应的内部轮廓，下模可以具有与阻尼滑轮的下侧表面和内周表面的形状对应的内部轮廓。

特别地，本发明的上模10或下模20中的至少一个可以被加工成具有不对应于(例如，不同于)与铸件的外周形状或内周形状一致的整体形状的内部轮廓。相反，也可以仅加工上模10和/或下模20的部分区段以具有与整体形状一致的内部轮廓。换句话说，上模10可以被加工成包括机加工部分11(machined portion)和非机加工部分12，机加工部分11是被机加工成具有与阻尼滑轮的外周形状对应的轮廓的模具的一部分，非机加工部分12是具有与机加工部分11相同的旋转表面的剩余部分，可以具有与阻尼滑轮的外周形状不同的轮廓。

在本发明中，上模和下模中的任何一个可以被机加工成包括模具的一部分，该模具被机加工成具有与铸件的外形对应的轮廓，从而机加工部分在旋转时可以进一步按压具有与机加工部分相同的旋转表面的剩余部分。为了有效加压而被部分机加工的模具的这部分可以称为加压扇形部或挤压扇形部。挤压扇形部可以形成在360度的旋转表面的约10度的角度范围内，但是角度范围不限于此。

此外，由于可以操作本发明的上模10和下模20以单独旋转，因此可能需要去除摩擦表面。因此，尽管上模和下模可以结合以允许上模10的端部13和下模20的端部21彼此相邻，但是由于两个模具彼此间隔开，因此可能通过间隙发生熔融金属的泄漏。为了防止熔融金属的泄漏，本发明的上模10的端部13和下模20的端部21可以分别具有彼此对应的台阶部。台阶部可以包括设置在不同高度的多个水平表面和竖直表面，以提供防止泄漏的曲折路径。此外，轴承可以设置在两个模具的最外端，以便于模具的旋转。

图6A示出了挤出工艺的加压效果。如图6A所示，挤出工艺可以使材料能够通过挤出板和模具的形状而被加压。材料的流动应力可以根据挤出板的推进速度(例如，加压速率)而变化，并且材料的成型可以通过由流动应力超过材料的屈服应力而产生的压力来进行。图6B为示出了根据本发明的示例性实施方案的离心铸造方法的概念图。由于仅加工模具的一部分(例如，上模)被机加工成具有产品的轮廓，因此挤压扇形部可以在旋转的同时对材料加压，以施加类似于图6A中所述的挤出工艺中的加压效果。

图7A和图7B示出了在离心铸造方法中取决于旋转速度的加压力。下面，将参照图7A和图7B在理论上讨论由上模和下模的速度之间的差异引起的加压力的产生。

加压力P可以由以下等式表示。

等式1：

P＝AV^m

其中，P代表压力(kg/mm²，MPa)，A表示比例常数，m表示指数常数(<1，应变指数)，V表示加压速率(m/s)。

因此，随着离心铸件的旋转速度增加，材料接收的流动应力增加，此外，当材料接收的流动应力超过材料的屈服应力时，材料发生塑性变形。如果离心铸件的转动半径是1米，则旋转速度(例如，以RPM为单位)可以如挤出工艺中那样转换成加压速率。例如，10RPM可以转换为1.05m/s，100RPM转换为10.5m/s，1,000RPM转换为105m/s。离心铸造方法中材料的屈服应力可以在0.1MPa至1,000MPa的范围之间。由于熔融金属的重量，0.1MPa的最低值对应于约1个大气压(0.1MPa)，并且最大值1,500MPa对应于高温下固体金属(Fe)的最大屈服强度(作为参考，铝的最大值为500MPa)。此外，离心铸造方法中的旋转速度可以在1RPM至10,000RPM的范围之间。如果回转半径为1m，则旋转速度可以转换为0.1m/s至1,046m/s的加压速率，而如果回转半径为1cm，则旋转速度可以转换为0.001m/s至10.5m/s的加压速率。

图8示出了离心铸造方法中的旋转速度与流动应力之间的关系。假设A＝1且m＝0.1，流动应力在10RPM(1.05m/s)时可以为1.0kg/mm²(10.0MPa)，在1,000RPM(104.6m/s)时可以为1.6kg/mm²(16.0MPa)；假设A＝1且m＝0.9，流动应力在10RPM(1.05m/s)时可以为1.0kg/mm²(10.4MPa)，在1,000RPM(104.6m/s)时可以为65.7kg/mm²(657.3MPa)；并且假设A＝1且m＝0.9，流动应力在10,000RPM(1,046m/s)时可以为522.1kg/mm²(5,221.8MPa)。

从上述条件(即，A＝1，m＝0.1至0.9)可以看出，可以计算根据旋转速度产生的流动(加压)应力。因此，当由旋转速度产生的流动应力大于离心铸造工艺中材料的屈服应力时，材料可以被加压。例如，当室温下铝合金(AC4CH，A＝1，m＝0.9)的屈服应力为100MPa(10kg/mm²)时，高温(600℃)下的流动屈服应力为1MPa(0.1kg/mm²)，室温下的加压力可能需要20m/s(200RPM)或更高的旋转速度，这对应于图8中100MPa(10kg/mm²)或更高的流动应力，而高温下的加压力可能需要0.1m/s(1RPM)或更高的旋转速度，这对应于1MPa(0.1kg/mm²)或更高的流动应力。

因此，尽管离心铸造工艺中所需的用于压力的旋转速度取决于材料的屈服应力，但是旋转速度可以在至少1RPM到至多10,000RPM之间的范围内。最小和最大旋转速度可以指上模和下模的速度之间的差异。因此，当上模和下模像传统的离心铸造那样同时旋转时，由于材料也以与模具的旋转相同的方式旋转，因此不产生加压力。相反，当像本发明所提供的那样发生上模和下模的速度之间的差异时，可以对材料施加加压力。此外，可以对半固体材料和固体材料(50℃至1000℃的材料)以及熔融金属施加加压，并且铸造的材料可以包括所有金属基材料。

如上所述，根据使用本发明的离心铸造装置的离心铸造方法，可以通过上模和下模之间的速度差异对铸造的材料施加加压力，并且可以通过利用上模或下模的挤压扇形部对材料加压来进行铸造，以进一步提高铸造产品的质量。另外，由于可以消除冒口和用于移除冒口的工序，因此铸造过程可以变得更有效。

尽管已经参考通过示例示出的附图在前面描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例性实施方案，对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，这些修改或变化落入所要求保护的本发明的范围内，并且本发明的范围应基于所附权利要求来解释。

Claims

1.一种离心铸造装置，包括：

上模，其被机加工成具有用于形成铸件的上侧表面的内部轮廓；

下模，其被机加工成具有用于形成所述铸件的下侧表面的内部轮廓；

上部电机，其用于提供动力以使所述上模旋转；以及

下部电机，其用于提供动力以使所述下模旋转；

其中，所述上部电机和所述下部电机彼此独立地操作使得所述上模和所述下模以不同的方向和/或速度旋转。

2.根据权利要求1所述的离心铸造装置，其中，所述上模或所述下模中的至少一个包括机加工部分，所述机加工部分具有在旋转表面的相对于旋转轴线的部分区段处与所述铸件的内周表面或外周表面对应的轮廓。

3.根据权利要求2所述的离心铸造装置，其中，所述机加工部分相对于所述旋转轴线形成在约10度的角度范围内。

4.根据权利要求2所述的离心铸造装置，其中，所述上模和所述下模的端部包括彼此对应的台阶部，以将所述上模和所述下模分离。

5.一种离心铸造装置，包括：

上模，其被机加工成具有用于形成铸件的上侧表面的内部轮廓；以及

其中，所述上模或所述下模中的至少一个包括机加工部分，所述机加工部分具有在旋转表面的相对于旋转轴线的部分区段处与所述铸件的内周表面或外周表面对应的轮廓；

其中所述上模和所述下模以不同的方向和/或速度旋转。

6.一种离心铸造方法，包括：

使上模和下模相对于旋转轴线旋转，所述上模被机加工成具有用于形成铸件的上侧表面的内部轮廓，所述下模被机加工成具有用于形成所述铸件的下侧表面的内部轮廓，

其中所述上模和所述下模以不同的方向和/或速度旋转。

7.根据权利要求6所述的离心铸造方法，进一步包括：

确定所述上模和所述下模的旋转速度，以允许流动应力大于基于所述旋转速度和所述流动应力之间的关系所要铸造的材料的屈服应力。