CN115430825B - 用于轻型合金铸造件的增强方法、轻型合金铸造件和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于轻型合金铸造件的增强方法、轻型合金铸造件和车辆。所述增强方法包括如下步骤：S1：将增强件（1）预埋至所述轻型合金铸造件（100）的模具中；S2：在所述模具中通过铸造工艺制造出含所述增强件（1）的轻型合金铸造件（100）；S3：在所述铸造工艺之后，将增强材料加入所述增强件（1），以形成经增强的轻型合金铸造件（100）。本发明改善了轻型合金铸造件的力学性能，降低了轻型合金铸造件的重量，扩展了现有技术中在轻型合金铸造件的应用方式，还能使得轻型合金铸造件的轻量化水平进一步提升。

Description

用于轻型合金铸造件的增强方法、轻型合金铸造件和车辆

技术领域

本发明涉及铸造领域，具体而言，涉及一种用于轻型合金铸造件的增强方法、轻型合金铸造件和车辆。

背景技术

目前，轻型合金铸造件、例如铝合金铸造件应用越来越广，但其存在力学性能不足等的问题。改善力学性能的传统方式包括调整合金成分或者增加热处理。其中，调整合金成分对力学性能的改善较为有限，而增加热处理虽然能明显改善力学性能，但热处理会额外带来后续变形等问题。连续纤维复合材料具有优秀的力学性能，可以作为增强结构，但其无法有效地在轻型合金铸造件、例如铝合金铸造件内部形成管路。此外，其主要的应用场景是对聚合物进行增强，缺少对轻型合金铸造件、例如铝合金铸造件增强的说明。

发明内容

本发明的目的在于改善轻型合金铸造件的力学性能，降低轻型合金铸造件的重量，扩展了现有技术中在轻型合金铸造件的应用方式，还能使得轻型合金铸造件的轻量化水平进一步提升。

此外，本发明还旨在解决或者缓解现有技术中存在的其它技术问题。

本发明通过提供一种用于轻型合金铸造件的增强方法、轻型合金铸造件和车辆来解决上述问题，具体而言，根据本发明的一方面，提供了：

一种用于轻型合金铸造件的增强方法，其中，所述增强方法包括如下步骤：

S1：将增强件预埋至所述轻型合金铸造件的模具中；

S2：在所述模具中通过铸造工艺制造出含所述增强件的轻型合金铸造件；

S3：在所述铸造工艺之后，将增强材料加入所述增强件，以形成经增强的轻型合金铸造件。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述增强件包括金属管。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述增强方法还包括步骤S4：对经增强的轻型合金铸造件进行修饰，其中，所述步骤S4位于步骤S3之后。

可选地，根据本发明的一种实施方式，

在步骤S1中，所述增强件含有连续纤维，并且在步骤S3中，所述增强材料含有树脂基体；或者

在步骤S3中，所述增强材料含有连续纤维复合材料，所述连续纤维复合材料含有连续纤维和树脂基体。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述连续纤维包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或多种，所述树脂基体包括热固性树脂基体、热塑性树脂基体中的一种或多种。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述增强件是由多个所述金属管组成的金属管组件，其中，所述金属管为直管或拱弯的弯管。

可选地，根据本发明的一种实施方式，多个所述金属管形成金属管框架，所述金属管框架在所述轻型合金铸造件内设置于所述轻型合金铸造件的外周，并且另一个所述金属管形成桥接管，所述桥接管跨越所述金属管框架的两个彼此对置的金属管。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述增强件的端部设置于所述轻型合金铸造件的外表面。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述金属管由钢、铜中的一种或多种制成。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述增强件的横截面构造成腰形孔、圆孔或齿形孔的形状。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述轻型合金铸造件含有钛合金、镁合金、铝合金中的一种或多种。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种轻型合金铸造件，其中，所述轻型合金铸造件根据上述任一种增强方法来制造。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述轻型合金铸造件为车身结构件。

根据本发明的又一方面，本发明提供了一种车辆，其中，所述车辆具有上述任一种轻型合金铸造件。

所提供的用于轻型合金铸造件的增强方法、轻型合金铸造件和车辆的有益之处包括：抵抗铸造过程中的铸造压力；提升轻型合金铸造件的力学性能；降低轻型合金铸造件的重量。

附图说明

参考附图，本发明的上述以及其它的特征将变得显而易见，其中，

图1示出了根据本发明的一种用于轻型合金铸造件的增强方法的流程图；

图2示出了根据本发明的一种增强件、例如预埋金属管的结构示意图；

图3示出了根据本发明的一种含增强件、例如预埋金属管的轻型合金铸造件的透视图；

图4示出了根据本发明的一种增强材料、例如连续纤维复合材料增强的轻型合金铸造件的结构示意图；以及

图5示出了根据本发明的一种在轻型合金铸造件内的增强件及其增强材料、例如连续纤维复合材料的截面图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等或类似表述仅用于描述与区分目的，而不能理解为指示或暗示相应的构件的相对重要性。

参考图1，其示出了根据本发明的一种用于轻型合金铸造件的增强方法的流程图。

所述增强方法包括如下步骤：

S1：将增强件1预埋至所述轻型合金铸造件100的模具中；

S2：在所述模具中通过铸造工艺制造出含所述增强件1的轻型合金铸造件100；

S3：在所述铸造工艺之后，将增强材料加入所述增强件1，以形成经增强的轻型合金铸造件100。

需要说明的是，本发明所提到的各个步骤名称（如步骤S1等）仅仅用于步骤的起名和便于步骤的引用之目的，而不明确表示或暗示步骤之间的顺序。除非在本发明明确提到或者在明显冲突的情况下，各个步骤之间的顺序可以任意地、甚至同步地进行实施。在图中，最上方和最下方的圆角矩形分别表示流程的开始和结束。

还需要说明的是，本文所述的轻型合金也可以被称为轻质合金，其中，轻型合金主要指钛合金、镁合金和铝合金。因此，本发明所述的轻型合金铸造件可以是由钛合金、镁合金或铝合金中的一种或者多种制成的铸造件。

应当理解，所述轻型合金铸造件100的模具是指用来以铸造的方式制作成型物品的工具，其主要通过所成型材料的物理状态的改变来实现物品外形的加工。在此而言，模具可以具有特定的轮廓或内腔形状，所述增强件1可以预埋至所述模具的内腔或者空腔里。由此，在铸造工艺中，例如可以通过在空腔中注入轻型合金液体（例如铝液），使得液体包围增强件1，并且形成与空腔的形状相对应的形状。与此同时，通过这种方式，轻型合金与增强件1相接触的部分也能够彼此形状配合。也就是说，增强件1的形状设计的自由度或灵活度较高，这在后文中还会进行详细描述。

从该技术方案中可以看出的是，增强材料加入的时间点是在铸造工艺之后，由此增强材料的加入过程及其能够发挥的技术效果不会受到铸造工艺的影响。特别是如果在铸造的过程中，铸造温度过高的话，那么有可能会使得增强材料无法加入增强件中或者在增强件中无法定型，或者是需要一定的抗高温手段才能够实现增强材料的加入以及后续的定型过程，因此本技术方案所设计的实施步骤能够规避上述风险，并且同时能够实现对于铸造件的增强目的。

关于增强件和增强材料的具体选择，可参见图2至图5，它们分别示出了根据本发明的一种增强件、例如预埋金属管的结构示意图；根据本发明的一种含增强件、例如预埋金属管的轻型合金铸造件的透视图；根据本发明的一种增强材料、例如连续纤维复合材料增强的轻型合金铸造件的结构示意图；以及根据本发明的一种在轻型合金铸造件内的增强件及其增强材料、例如连续纤维复合材料的截面图。

可以看出的是，所述增强件1包括金属管11。应当理解，为了便于增强材料到增强件1中的引入，增强件1或者说金属管11为中空结构，并且其端部是敞开的。其中，所述金属管11可以由钢、铜中的一种或多种制成。在此，本领域技术人员应当知晓，钢、铜是高熔点的金属。在本例中采用了钢材，钢材的应用能够为金属管11提供经济、性能可靠的技术效果。

在本公开的一些实施例中，在步骤S1中，所述增强件1含有连续纤维，并且在步骤S3中，所述增强材料含有树脂基体；或者

在步骤S3中，所述增强材料含有连续纤维复合材料，所述连续纤维复合材料含有连续纤维和树脂基体。

本文所述的“含有”是指所涉及的对象采用了相应的材料进行制造，其中，该对象可以只由这种材料制成，也可以由这种材料以及其它材料一起制成，或者是所涉及的对象加入了相应的材料。就此而言，在上述技术方案中，步骤S1的增强件1含有连续纤维，可以是指在该步骤中，首先仍然是将增强件1预埋至所述轻型合金铸造件100的模具中，然后再将连续纤维加入增强件1中；也可以是指先将连续纤维加入增强件1中，再将含有连续纤维的增强件1预埋至所述轻型合金铸造件100的模具中；亦或是增强件1本身在制造时就已经包含了连续纤维，这样就可以一步到位地直接在步骤S1中将增强件1预埋至所述轻型合金铸造件100的模具中。

就此而言，本领域技术人员应当知晓，连续纤维可以是指在无中断的情况下连续地连接的纤维，或是在一维的方向上贯穿整个材料的纤维，等。此外，基体的作用例如是支撑纤维并将纤维粘成一个整体，以及保持纤维的方向和位置，基体能够尽可能多地将外部载荷传递给纤维。由此可见，根据如上的一种技术方案，分别通过步骤S1和S3，使得增强件1被赋予了连续纤维和树脂基体，从而这两种材料能够支持增强件1的增强功能，最终起到了增强整个铸造件的技术效果，并且树脂基体的加入可以免于受到铸造工艺的影响（例如高温）。还可以看出的是，在如上的另一种技术方案中，在一个步骤S3中同时加入了连续纤维和树脂基体，由此这两种材料均可以免受铸造工艺的影响，并且材料的一步加入也能够节省实施整个方法所需要的时间，例如减少停机或者等待时间。本领域技术人员可以根据实际需要和条件对这两种加入方式进行选择，这均落入了本公开的保护范围内。

由此可见，本发明通过使用增强件和增强材料，例如连续纤维复合材料来增强轻型合金铸造件、例如铝合金铸造件，改善了轻型合金铸造件的力学性能，降低了轻型合金铸造件的重量，同时扩展了现有技术中在轻型合金铸造件的应用方式。本发明的方案还能使得轻型合金铸造件的轻量化水平进一步提升，并实现了发明内容部分所提及的技术目的。

更具体地，所述连续纤维包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等高性能纤维中的一种或多种，所述树脂基体包括热固性树脂基体、热塑性树脂基体中的一种或多种，由此用料灵活，变通性、普适性强，并且能够同时达到提升力学性能的目的。在本例中，连续纤维具体选用的是碳纤维，树脂基体选用的是热固性树脂基体，由此能够获得高强度、高模量、耐高温、具有一定的活性、电性能优良、抗腐蚀、耐老化、尺寸稳定性好等的优势。

作为本方法的一种补充，可行的是，所述增强方法还包括步骤S4：对经增强的轻型合金铸造件100进行修饰，其中，所述步骤S4位于步骤S3之后。需要说明的是，所谓的修饰是指对轻型合金铸造件100进行造型，例如将多余的材料去除，修整其结构形状、尺寸等等。特别地，在加入了增强材料（例如纤维）之后，可以设置有冷却步骤，在冷却过程中，增强材料会固化。由此，增强件1的用于引入增强材料的入口可能会残留有固化的增强材料。就此而言，这种修饰涵盖了对这种固化的增强材料的去除，例如以裁剪的方式进行去除。此外，如果在整个的方法执行过程中，轻型合金铸造件100出现形状上或尺寸上的变形或偏差，也可以通过修饰这种后处理的方式进行调整和修补。因此，修饰可以被视为是一种后处理或兜底保障，能够保证处理过后的轻型合金铸造件100更好地满足预期要求和实现预期目的。

接下来，对于增强件1的具体结构进行示例性地描述。例如能够从图2和3良好地看出，所述增强件1可以是由多个所述金属管11组成的金属管组件，其中，所述金属管11为直管111或拱弯的弯管112。在此，拱弯应当广义地进行理解，只要管有拱起的部分就可以被称作是拱弯的弯管，对于该拱起的部分的拱弯幅度、拱起的朝向、数量、形状、尺寸等都没有限定，也不要求拱起处与基部之间必须是弧形过渡，每个拱弯的弯管可以相同也可以是不同的。通过直管和弯管的灵活设计和布置，提升了整个增强件以及铸造件整体的可设计性，特别是不同的布置能够变通地适应或调整所需的传力路径，因此能够调整所要达到的承载能力。

具体在图中，示例性地绘出了5个金属管11，其中包括了1个直管111以及4个弯管112，增强材料的数量也相应地为5个。各个弯管112都是大约在其偏向中间的部分具有拱起部，尺寸为整个管的大约一半，并且拱起的幅度为管口径的若干倍。拱起部与基部（即底部）之间为弧形过渡，拱起部的主体与底部平行。应当理解，本领域技术人员可以根据实际需要和实际条件对直管和弯管（包括拱起部）的形状、数量、位置、尺寸、材料等特征进行调整。还应当理解，预埋金属管（以及增强材料）的数量是可变的，例如可包括n个预埋金属管和n个增强材料，n为正整数。

从图中还能够看出的是，多个（图为4个）所述金属管11形成金属管框架，所述金属管框架在所述轻型合金铸造件100内设置于所述轻型合金铸造件100的外周（图3），并且另一个所述金属管11形成桥接管113，所述桥接管113跨越所述金属管框架的两个彼此对置的金属管11。其中，这里的外周是指轻型合金铸造件100靠外侧的部分，结合图3可以较好地进行理解，例如跨越了铸造件底座101的纵边以及铸造件侧板102的纵边。所述桥接管113跨越所述金属管框架的两个彼此对置的金属管11（本例中为左上和右下的金属管11），其中，这种跨越不仅包括了桥接管113在上方搭接至相关联的两个金属管的情况，也可以涵盖其在下方搭接的情况（如图2、3）。此外，右上方的金属管11是在纸面平面或者说底面平面中进行拱起的弯管，整个金属管框架在整体上呈现为矩形的形状，连同桥接管113一起与轻型合金铸造件100形状配合地进行设置。

为了便于增强材料的加入，所述增强件1的端部可以设置于所述轻型合金铸造件100的外表面，这种设计可以清楚地从图4中看出。在所述增强件1包括若干金属管11的情况下，所述金属管11能够为中空金属管，以便于增强材料的加入。由此，各个金属管11的中空的端部可以开设或者说设置于轻型合金铸造件100的外表面，由此便于在铸造工艺完成之后进行增强材料的加入。这种设置例如可以预先通过增强件1在模具空腔中的位置布局设计来实现，这样在将轻型合金液体注入到模具空腔中时，在其成型后，所述增强件1的端部自然就开设于其外表面。当然，这种设置并不严格要求管端部平面与铸造件外表面平面是严格齐平的，当然可以允许一定的深度差（包括端部超出外表面或埋设于外表面内），只要这种设置能够允许从铸造件外部经由管端部进行增强材料的加入即可。

应当理解，增强件1的设计（包括金属管的数量、布局、形状、尺寸、截面形状、尺寸等）根据增强材料增强轻型合金铸造件的受力情况和铸造工艺来进行，因此没有特别限定。例如，预埋增强件1（如金属管）的路径走向优先满足主要的传力路径，预埋金属管的截面能够抵抗铸造过程中的铸造压力。

如上文所提到的截面设计，例如参考图5可见，所述增强件1的横截面可以构造成腰形孔（有时也写作腰型孔）、圆孔或齿形孔的形状。图5示例性地示出的是腰形孔的设计。其中，腰形孔如图所示的那样可以被理解为两端是圆弧（如半圆弧）、中间是平行平面的组合结构，其内部为增强材料，中间可以具有一定的壁厚，例如1 mm。齿形孔是指孔壁具有齿形状的孔，可以由此增加与周边零件或材料，即增强材料以及铸造件的咬合力以及机械强度。应当理解，结合本方法的一种制造工艺过程可知，由于轻型合金液体在铸造过程中是包围增强件进行设置的，增强材料也可以以液体的方式进行注入，因此其形状可以自然而然地与增强件的轮廓（即孔横截面形状）进行形状匹配，也就是说增强件横截面的各种形状都可以在不需要额外步骤的情况下分别得到与铸造件和增强材料的形状匹配，并且能够同时得到各种不同形状横截面的相应的技术效果。

根据本发明的另一方面，本发明还涉及一种轻型合金铸造件100，其中，所述轻型合金铸造件100根据上述任一种增强方法来制造，铸造件例如能够从图3、4来良好地看出。其中，轻型合金铸造件100包括一个铸造件底座101，以及构造于铸造件底座101左右两侧的铸造件侧板102。铸造件底座101的中部为隆起结构，两边扁平，铸造件侧板102为板状的人字形结构，与铸造件底座101构成一体式结构。由于铸造件的结构本身不是本发明的重点，在此不多做赘述。

应当提到的是，所述轻型合金铸造件100能够为车身结构件。可以理解，车身结构件通常可以是指车体框架，可以简单理解为是支撑车体的骨骼，也是车辆安全的第一防线。举例来讲，车身结构件可以是减震塔、后纵梁、后地板、前地板或它们的部件。由此，所述轻型合金铸造件100可以根据具体所要制造的车身结构件进行特征设计，其增强件1也可以相应地进行设计。

根据本发明的还一方面，本发明涉及一种车辆，其中，所述车辆具有上述任一种轻型合金铸造件100。所述车辆可为各种车辆，包括汽油车、柴油车、轿车、货车、客车、混合动力车辆、纯电动汽车等等。关于轻型合金铸造件以及车辆的有关实施方式和技术效果，可参阅上文有关增强方法的描述进行解读，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供了连续纤维复合材料增强轻质合金铸造件。通过在铸造件模具中预埋增强件，铸造出含预埋增强件的轻质合金铸造件。在一种实施方式中，随后在预埋增强件中加入连续纤维增强的复合材料，最终形成连续纤维复合材料增强的铸造件。由此增强了铸造件的力学性能，降低了铸造件的重量，提升了轻量化水平。

应当理解的是，所有以上的优选实施例都是示例性而非限制性的，本领域技术人员在本发明的构思下对以上描述的具体实施例做出的各种改型或变形都应在本发明的法律保护范围内。

Claims (12)

1.一种用于轻型合金铸造件（100）的增强方法，其特征在于，所述增强方法包括如下步骤：

S1：将增强件（1）预埋至所述轻型合金铸造件（100）的模具中，所述增强件（1）包括中空的金属管（11）；

S2：在所述模具中通过铸造工艺制造出含所述增强件（1）的轻型合金铸造件（100），所述增强件（1）的端部设置于所述轻型合金铸造件（100）的外表面；

S3：在所述铸造工艺之后，将增强材料通过所述增强件（1）的管口加入所述增强件（1），以形成经增强的轻型合金铸造件（100）。

2.根据权利要求1所述的增强方法，其特征在于，所述增强方法还包括步骤S4：对经增强的轻型合金铸造件（100）进行修饰，其中，所述步骤S4位于步骤S3之后。

3.根据权利要求1所述的增强方法，其特征在于，

在步骤S1中，所述增强件（1）含有连续纤维，并且在步骤S3中，所述增强材料含有树脂基体；或者

在步骤S3中，所述增强材料含有连续纤维复合材料，所述连续纤维复合材料含有连续纤维和树脂基体。

4.根据权利要求3所述的增强方法，其特征在于，所述连续纤维包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或多种，所述树脂基体包括热固性树脂基体、热塑性树脂基体中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的增强方法，其特征在于，所述增强件（1）是由多个所述金属管（11）组成的金属管组件，其中，所述金属管（11）为直管（111）或拱弯的弯管（112）。

6.根据权利要求5所述的增强方法，其特征在于，多个所述金属管（11）形成金属管框架，所述金属管框架在所述轻型合金铸造件（100）内设置于所述轻型合金铸造件（100）的外周，并且另一个所述金属管（11）形成桥接管（113），所述桥接管（113）跨越所述金属管框架的两个彼此对置的金属管（11）。

7.根据权利要求5或6所述的增强方法，其特征在于，所述金属管（11）由钢、铜中的一种或多种制成。

8.根据权利要求1所述的增强方法，其特征在于，所述增强件（1）的横截面构造成腰形孔、圆孔或齿形孔的形状。

9.根据权利要求1所述的增强方法，其特征在于，所述轻型合金铸造件（100）含有钛合金、镁合金、铝合金中的一种或多种。

10.一种轻型合金铸造件（100），其特征在于，所述轻型合金铸造件（100）根据权利要求1至9中任一项所述的增强方法来制造。

11.根据权利要求10所述的轻型合金铸造件（100），其特征在于，所述轻型合金铸造件（100）为车身结构件。

12.一种车辆，其特征在于，所述车辆具有根据权利要求10或11所述的轻型合金铸造件（100）。

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