[发明专利]用于通过铸造或注射成型工艺制造单件式空心体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于通过铸造或注射成型工艺制造单件式空心体（monolithic hollow body）的方法。术语“铸造”旨在表示高压铸造工艺（“压铸”）、低压铸造工艺（约1-2巴）和重力铸造工艺（包括利用砂模的铸造工艺和利用金属模或“壳”模的铸造工艺）。

本发明在汽车业所使用的制品的制造中得到了有利的应用，后续的处理将明显地、但不失一般性地涉及本发明。

背景技术

由金属合金通过压铸、或者由聚合物材料通过注射成型（injection moulding）来制造各种制品的优点是众所周知的。

由于在压力下注射到金属模具内的作用，上述工艺得以由非常低的成型循环次数实现高工业产率、薄生成厚度（2-3mm）、并实现完成的形状（“精确成形（net-shape）”或“近精确成形（near-net-shape）”）；基本上，这些方法实现了低成本制品和汽车业普遍使用类型的制品的大量生产制造。

然而，与需要空心和复杂几何形状的制品有关的制造工艺存在显著的局限性；这类局限性表现在必须仅仅使用金属芯，而因为金属芯必须被约束在模具中，所以在排出零件之前需要通过撤回步骤从制造的制品中抽取金属芯。因此，由于可抽取的要求，这些芯不允许产生底切（undercut），因此最终，就所要制造的零件的内部几何构造而言，对设计灵活性显著不利。压铸工艺中必需使用金属芯，这是因为在填充模具的步骤期间，需要高机械强度来支撑液体金属或技术聚合物（technopolymer）所施加的强大应力，以及零件固化期间的相当大的压缩压力（500-1500巴）。

尽管如此，以例如像重力铸造之类的不需要高成型压力的铸造技术来获得金属材料的空心单体（hollow monolithic body）是可行的，并且假定在铸造步骤中缺少特别应力的情况下，这样做允许使用砂芯；而砂芯在借助公知的传统的热、机械和/或化学移除方法从模具排出零件的步骤之后，能够从铸件中被移除。显然，在以上这些铸造技术的情况下，所生产的部件仍然失去了之前描述的通过高成型压力的使用而取得的优点，尤其是在重量（最小壁厚5mm）和成本（因生产时间极大延长）方面。

在聚合材料的情况下，存在公知的例如允许通过使用易熔金属芯来生产空心单体（甚至有高成型压力）的技术；然而，在此情况下，技术上的过高工业成本已经有效地阻止了大规模的工业开发。

近年来，汽车业已经克服了一些上述局限性；实际上，基于以底切为特征的铸件的生产，已经开发了压铸铝的方案，其中，底切是借助具有充足的机械强度的耐热材料的芯（该芯例如以壳模技术生产）来制成的，该耐热材料能够适当地克服铸件的成型工艺期间由熔融金属所施加的应力。另一方面，通过多种能够以低速注射熔融金属的特殊的半固体铸造工艺（被称为“流变铸造”）的复杂使用，由此显著降低起作用的张紧应力，也能够克服一些上述局限性。

尽管相对于某些特殊应用这已经足够了，但是，所使用的芯的机械强度值通常在任何情况下都是有限的（最多10-15MPa），因此为了不损害芯自身的结构稳定性，模具的填充条件仍然有限制性（就浇口的定位和注射参数而言）。

这些芯的固结方法基于有机或无机粘合剂的利用，该有机或无机粘合剂能够在温度的作用下使混合的耐热材料粉末内聚。根据所使用的各种技术，这些粘合剂可被单独添加到耐火材料中，或者可构成主要部分（预涂覆粉末）。在任何情况下，粘合相对较弱，因此，芯的机械特性不能提供特别好的性能，因此并不适合所有应用。

另外，有机粘合剂在铸造期间产生气体，这些气体必须被充分地排空以防止其仍残留于模具内并引起金属中形成不期望的孔隙。此外，有机粘合剂对环境有显著影响，而另一方面它们又不溶于水（与无机粘合剂不同），移除相应的芯需要在铸件上进行热处理，或者通过在实际铸件上进行锤击的强力机械作用。与使用有机粘合剂的芯不同，使用无机粘合剂的芯具有在铸造步骤中不产生气体残留的优点；然而，借助不允许获得壳芯的工艺（例如所谓的“热箱（hot box）”），这类使用无机粘合剂的芯仅被制成固体芯。

专利US5387280A1描述了一种丢弃式陶瓷芯的利用，该陶瓷芯用于“熔模铸造法（investment casting）”式的铸造工艺；陶瓷芯包括高百分比（介于重量百分比20%与50%之间）的酸溶硼酸盐粘合剂，因此在形成零件之后使用酸来移除陶瓷芯。然而，使用酸来移除芯对环境影响重大，尤其当生产大量零件时，如在汽车业发生的情况（每年生产多于1百万件零件也不罕见）。