專利名稱：澆鑄金屬泡沫的設備及方法
技術領域：
本發明涉及澆鑄金屬泡沫的設備及方法。
背景技術：
在例如汽車等產品的生產中，越來越需要由高的強度/重量之比值的材料生產的組件。為了滿足這個要求，人們著重尋找重量相對較輕、而強度較大的材料來制造這些組件。已經被建議使用的一種材料是泡沫化金屬。
金屬泡沫一般是通過在熔融的金屬池中導入氣體以形成熔融的金屬泡沫來得到的。然后，提取并冷卻泡沫。用金屬泡沫來取代標準金屬，具有許多優點，例如滿足上面提到的高的強度/重量比，高的振動-或沖擊吸收品質及吸音品質。現有技術教導了各種方法來生產金屬泡沫，例如專利號為5221324和5622542的美國專利中提到的。前面提到的產生氣體的方法有以下幾種(1)使用一種供氣裝置，它可以將氣體吹入或注入到熔融金屬中；(2)使用氣體發生劑或起泡劑，當加熱時，它們釋放出氣體；(3)使用葉輪，將所需氣體引入熔融金屬池中。在現有技術中還已知，可在熔融金屬中加入多種助劑來幫助泡沫保持所形成的空穴的完整性。
雖然在現有技術中提供了許多生產可切割成所需尺寸的金屬泡沫板的方法，但提供的將泡沫制成具有更復雜的三維幾何形狀的方法很少。US5865237號美國專利提供了這樣一種方法。在這篇文獻中提到，將金屬粉末和能釋放出氣體的起泡劑置于加熱室內加熱來產生金屬泡沫。當泡沫生成后，將熔融混合物注入到模具腔中。然后，混合物可以在模具中繼續起泡，以保證泡沫能填滿整個模具空腔。
現有技術中提到的方法存在許多不足之處。首先，方法必須是間歇式實施的。也就是說，一件組件的生產包括以下步驟將所需的粉末加入到加熱室中、熔化粉末、將物料注入模具中，最后，完成發泡過程、冷卻模具并取出最終制品。因此，在US 5865237號專利中提到的方法是很耗時的。并且，在將發泡物注入到模具中的過程中需要提供一個力來施加在泡沫空穴上。這個力將不可避免的破壞一些空穴，從而減少了這種泡沫材料的優勢。另外，該專利要求使用活塞將發泡材料注入模具中。由于‘237號專利中的活塞是用金屬制成的，而它始終處于維持金屬處于熔融狀態的高溫的加熱室中，因此活塞易于被高溫損傷而被卡住。并且，在該過程中發泡材料的轉移必須在特定的時間進行，以確保轉移后發泡的發生。最后，’237號專利教導的將發泡材料壓入模具中的方法不能精確地定量供給所述材料。因此，最終制品的尺寸及密度是不一致的。
本發明提供了一種金屬泡沫澆鑄設備及方法，所述設備和方法能夠消除現有技術中的至少一些不足之處。

發明內容
在一個實施方式中，本發明提供的用金屬泡沫澆鑄制品的設備包括一個熔融金屬池；一個位于熔融金屬池中的金屬泡沫發生器；一個通過導管與熔融金屬池相連的加熱室；一個置于加熱室中、用于接收泡沫樣品的鑄勺；一個用于從加熱室中取出鑄勺的裝置；以及，一個具有與制品形狀互補的模腔的模具。
一個用于從加熱室中取出鑄勺的裝置；以及，一個具有與制品形狀互補的模腔的模具。
在另一個實施方式中，本發明提供的使用金屬泡沫澆鑄制品的方法包括-提供熔融狀的金屬；-使熔融金屬產生泡沫；-提取泡沫樣品；-轉移樣品至模具；
-冷卻模具；以及-取出成形的制品。


本發明優選實施方式中的上述和其他特征，在下面結合附圖的發明詳述中得到更明顯的體現，其中圖1是根據發明的一個實施方式的處于發泡階段的澆鑄設備的剖視圖。
圖2是取出泡沫樣品后，澆鑄設備的剖視圖。
圖3是處于打開狀態的模具及泡沫轉移容器的剖視圖。
圖4和5是處于移去容器的兩個階段的模具的剖視圖。
圖6是處于閉合位置的模具的剖視圖。
圖7A和7B分別是泡沫制品未修飾前的頂部剖視圖及側面剖視圖。
圖8是修飾壓制機的剖視圖。
圖9A和9B分別是修飾后的泡沫制品的頂部剖視圖及側面剖視圖。
具體實施例方式
圖1表示了本發明設備的一個實施方式。該設備包括一個加熱室10，它與裝有熔融金屬14的熔融金屬池12相連。使用任何已知的加熱設備將熔融金屬池12維持在足夠的溫度來使金屬處于熔融狀態。氣體入口或注射口16設在熔融金屬池12的底部，通過它抽入氣體13。氣體13在熔融金屬14中起泡，從而使熔融金屬14形成泡沫18。氣體入口16包括一個氣體能透過的多孔的噴嘴。或者，入口可包括任何能使氣體在通過熔融金屬時起泡的已知結構。從現有技術可以知道，升起的氣體氣泡使熔融金屬14的上表面形成泡沫18。
在一個優選的實施方式中，熔融金屬池12被一個隔離墻20分為兩個部分，從而在該池中形成一個泡沫生成部分22。如圖所示，氣體入口16優選位于泡沫形成部分22的下方，從而在泡沫形成部分22中泡沫形成泡沫18。可以理解，由于氣泡13的垂直上升，泡沫將優先在泡沫形成部分22中形成。為了確保這一點，將隔離墻20部分地浸沒于熔融金屬14中。
隔離墻20包括一個彎曲的轉向器24，它是用于將升起的泡沫18導入加熱室10中的裝置的一個實例。在加熱室10中設有一個泡沫轉移容器或鑄勺26。鑄勺26與往復運動的桿28相連，它使鑄勺可以在加熱室10中橫向移動。其它任何可移動鑄勺26的裝置都可被采用。如圖1所示，鑄勺26首先被置于接近熔融金屬池12的側壁的位置。而且，鑄勺26處于置于加熱室10內，使鑄勺26的開口30與熔融金屬池12的側壁處于同一水平面上。采用垂直定位的目的是使泡沫轉向器24引導的泡沫18進入并填滿鑄勺26。只要能使泡沫18充滿鑄勺26，鑄勺26采取其它任何取向都是可以的。例如，在另一個實施例中，鑄勺可被置于熔融金屬池12的稍上方。或者，可以使用另外的轉向裝置來使泡沫填滿鑄勺26。在另一個實施例中，泡沫18可被舀入或用別的方式置于鑄勺。轉向器24可采用任何形狀或方向，只要能達到前述目的。
一旦鑄勺26填滿了泡沫樣品27，桿28就被收回，從而使鑄勺從加熱室10中退出。圖2表示本發明的帶有被收回的鑄勺26的設備。如圖所示，與熔融金屬池12相對的、加熱室10的側壁32上設有一個可關閉的開口34，鑄勺26可以從其中通過。如圖1所示，開口34優選處于關閉狀態，直到鑄勺26要通過時(如圖2所示)。這樣可以減少加熱室的熱量損失。但是，開口34也可處于開啟狀態并采用其它方式維持加熱室10內的溫度。而且，如圖2所示，確定開口34的尺寸來減小鑄勺26的間隙。這樣，當收回鑄勺26時，開口的上端31可刮掉超出鑄勺的開口30高度的泡沫。這樣，通過鑄勺26收回的泡沫樣品27的體積可始終保持一致。而且，通過采用刮除步驟而不是將泡沫壓入鑄勺中，可以保持形成泡沫的空穴的完整性。
維持加熱室10處于加熱狀態是為了確保泡沫18不會冷卻和凝固直到成形階段完成(下面將進一步敘述)。在一個優選實施方式中，加熱室10維持在大約500-700℃。
圖2也表示了裝有從熔融金屬池12中溢出的熔融金屬及泡沫的池子36，它在加熱室10的底部收集熔融金屬和泡沫。這些溢出物將再循環至熔融金屬池12中。
圖3表示了從加熱室10中被完全收回，并置于分為兩半的模具39中間的鑄勺。模具39包括第一半38和第二半40。模具的每一半分別設有空腔42和44，兩者結合所形成的空腔符合形成的制品的外部形狀。空腔42和44均設有一個部分的缺口45。當兩部分模具結合，兩個缺口45結合形成一個環繞制品的溢出空間。這將在下面進一步描述。
如圖3所示，一旦鑄勺處于模具的兩部分之間，鑄勺的內容物必須被倒入模具的一個空腔中。模具的兩部分優選處于鑄勺的上方和下方，這樣只需將鑄勺的內容物倒入處于下方的模具空腔中。
圖3至圖5表示鑄勺26的一個優選實施方式，鑄勺26被設計成便于將泡沫樣品27倒入模腔中。在這個實施方式中，鑄勺有四個部分，塊46和48形成了底，塊50和52形成了側面。如圖3所示，當塊46、48、50和52連接起來就形成了完整的鑄勺。當要將泡沫樣品27倒入模具腔中時，鑄勺26被拆開成不同的部分。在一個實施方式中，如圖4和圖5所示，拆分過程首先是通過拉開塊46和48而拆開底部兩塊，隨后用相似的方法分開側面兩塊50和52。首先移去底部兩塊是為了確保泡沫樣品27以預期的尺寸注入模具腔中。
圖6表示了處于閉合狀態的模具39，其模腔中裝有泡沫樣品27。如圖，當模具39處于閉合狀態，前面描述過的缺口45就結合起來形成了一個溢出空間54，超出模具腔容積的多余泡沫流入此處。模具冷卻后，取出成形的金屬泡沫制品。
在優選的實施方式中，如現有技術中公知的，模具39由沙子制成。用沙子制作模具有很多優點，包括原料成本和模具的制作成本低并且傳熱很少。關于后一點，作為不良導熱體，沙子能使模具中的泡沫保持接近熔化狀態的溫度。不過，鋼制模具可以取代沙制模具。由現有技術可知，為了防止泡沫過早冷卻、變硬，要對鋼制模具進行加熱。例如，在US5865237號美國專利中講述了使用鋼制模具的方法。
在將泡沫樣品27從加熱室轉移至閉合的模具內的過程中，應將泡沫保持在熔融溫度下，從而使泡沫處于易成形的熔融狀態。在一個優選的實施方式中，通過快速轉移泡沫樣品至模具并完成澆鑄過程來防止熔融泡沫冷卻。這樣的快速轉移避免了進行外部加熱的需要。而且，因為模具優選是由靠水結合在一起的沙子制成，所以外部加熱導致水分蒸發而且模具瓦解。在另一個實施方式中，鑄勺移動的區域采用與加熱室10相似的方式來加熱以防止泡沫樣品冷卻。在這種情況下，如果使用沙制模具，由于上述原因不對模具本身進行加熱。另外，如果使用金屬模具，能夠將鑄勺經過的整個區域和模具本身加熱至所需溫度。在此情況下，模具閉合后冷卻，使澆鑄泡沫固化。
圖7A和B分別表示從圖6所示的模具中取出的泡沫制品58的俯視圖和側視圖。如圖所示，制品58包括了環狀物60，該環狀物由溢出空間54中的剩余泡沫形成。
圖8表示修飾或夾緊壓力機62，用于除去成形制品上的環狀物60。壓力機62包括一個托住制品58的底座64，它帶有第一刀片66。制品置于底座64上，使環狀物60靠在第一刀片66上。壓力機還包括一個擠壓部分68，它帶有第二刀片70，第二刀片70與第一刀片66一起形成一個鉗子。底座64和擠壓部分68在它們的刀片之間都設有一個用來容納制品58的空腔。在操作時，如前面所說明的，制品58置于底座64上。然后，擠壓部分68移向底座64，使兩個刀片接觸。這樣，在刀片66和70的共同剪切作用下，制品58上的環狀物60被夾掉或修飾掉。
圖9A和B表示修飾后的制品。
在以上的描述中，發泡方法是使用一個處于熔融金屬池中的氣體供給口。但是，也可以采用其它任何發泡方法。例如，如US 5865237號美國專利和其它參考資料所教導的，在熔融金屬中使用發泡劑取代氣體供給裝置來產生金屬泡沫。此外，熔融金屬可加入各種已知能夠穩定熔融金屬所形成的泡沫的助劑。在另一個實施方式中，在熔融金屬池12中裝有葉輪，它將空氣引入熔融金屬中。在另一些實施方式中，本發明的氣體入口16包括一個旋轉葉輪或一個振動噴嘴。
本領域的技術人員可以理解，借助本發明，可用各種密度的金屬泡沫制造制品。泡沫的密度(它是形成泡沫的空穴的大小和壁厚的函數)取決于各種因素，例如氣體的引入速度，加入到熔融金屬中的發泡沫助劑的數量和種類。
本發明模具的另一個實施方式如圖10和11所示，其中與前面的圖中相同的元件使用相同的附圖標記表示。在這個實施方式中，模具一般用74表示。模具74包括一個與最終制品形狀一致的凹模區域76和一個漏斗形區域或冒口80。漏斗形區域80引導泡沫27離開鑄勺26。如上面所述，鑄勺26優選由四部分組成，即側壁50和52以及形成底部的塊46和48。在圖10中，底部的塊46和48處于分離狀態，使泡沫27可落入模具中。在此過程中，模具74的漏斗形區域80的內壁82將泡沫導入凹模區域76。模具74可由鋼、陶瓷、石墨、沙子或其它材料制成。
在一個實施方式中，可使用活塞(未標出)將泡沫27壓入凹模區域76。該活塞符合漏斗形區域80的尺寸。活塞可由難熔的材料制成。或者，通過振動模具74將泡沫27推入凹模區域76。在另一個實施方式中，通過施加氣壓或旋轉模具產生真空，將泡沫壓入凹模區域。對本領域的技術人員來說，其它各種方式是顯而易見的。
圖11表示泡沫轉移到凹模區域76以后的模具74。在圖中未顯示鑄勺。
能夠理解，不需要閉合該實施方式中的模具來形成最終制品。但是，模具是可分離的，從而能取出成型的制品。應當能夠理解，為了描述模具的特征，漏斗形區域的比例被放大，實際比例和尺寸取決于所形成的最終制品，且容易由本領域的熟練技術人員確定。
圖12表示在圖10和11的模具中形成的制品84。如圖所示，成形制品84的部分86與模具74的漏斗形區域80的下部匹配。如上所述，制品的所述部分86易于通過切割或其它方法修飾掉，從而得到期望的最終制品87，它的外部形狀與凹模區域或空腔76的形狀一致。同樣地，為了闡明這個實施方式，修飾部分86的比例被放大。
再次參見圖10，模具74的凹模區域76設有一個收集未起泡的液態金屬的出口或孔88。圖11表示收集液態的未起泡金屬的孔88。圖12表示一個固體金屬塊90，它對應于收集在孔88中的熔融金屬。可以理解，這個額外部分90易于從期望的最終制品上切除。
圖13表示形成期望制品后，處于打開狀態的模具92。該模具包括金屬鑄件94，在它內部填充了沙子96。模具內部有一個由沙子形成的陰模98。模具的上端設有一個前面所描述的漏斗形區域或導槽，但在圖13中未示出。模具的下端有一個前面所描述的孔100。如圖所示，孔的形狀是鴿尾形的。
圖14表示在修飾前形成于圖3的模具中的制品102。如圖所示，制品102包括第一末端104，它對應于漏斗(前面提及的)部分的形狀。第二末端106對應于進入孔100的液態金屬。
圖15表示修飾去第一末端和第二末端后的圖14所示的制品102。
本發明提供了一種澆鑄方法，它不象現有技術那樣要求中斷泡沫產生步驟。這樣，本發明考慮一個連續的產生泡沫方法，部分泡沫可被取出并澆鑄在模具內。在另一個實施方式中，該設備可設有多個鑄勺，每個鑄勺在連續的時間里從同一個加熱室中取出樣品。然后這些鑄勺將各自的樣品放在不同的模具里。這樣，發明提供了一種澆鑄金屬泡沫制品的連續方法。
在優選的實施方式中，金屬是鋁。但是，在本發明中也可使用其它任何金屬。
盡管借助于特定的實施方式對本發明進行了描述，但對于本領域的熟練技術人員來說，不背離后附的權利要求書所述的本發明的構思和范圍的各種改變都是顯而易見的。盡管借助于特定的實施方式對本發明進行了描述，但對于本領域的熟練技術人員來說，不背離后附的權利要求書所述的本發明的構思和范圍的各種改變都是顯而易見的。
權利要求
1.一種用金屬泡沫澆鑄制品的設備，其包括一個熔融金屬池；一個在熔融金屬池中的金屬泡沫發生器；一個通過導管與熔融金屬池相連的加熱室；一個在加熱室中用于接收泡沫樣品的鑄勺；一個從加熱室中收回鑄勺的裝置；一個具有與制品形狀互補的模腔的模具。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述加熱室被加熱，使泡沫維持熔融狀態。
3.如權利要求1所述的設備，其中所述金屬是鋁，并且加熱室維持在大約500-700℃。
4.如權利要求1所述的設備，其中加熱室包括一個允許鑄勺進出加熱室時通過的開口。
5.如權利要求1所述的設備，其還包括獲得預定體積的泡沫樣品的計量裝置。
6.如權利要求1所述的設備，其中泡沫發生器包括一個氣體入口。
7.如權利要求6所述的設備，其中泡沫發生器包括一個與氣源相連的、氣體可穿過的噴嘴。
8.如權利要求6所述的設備，其中泡沫發生器包括一個旋轉葉輪，該葉輪具有用于從氣源向熔融金屬中釋放氣體、使熔融金屬起泡的出口。
9.如權利要求1所述的設備，其中泡沫發生器包括溶解在熔融金屬中的熱激活的化學發泡劑。
10.如權利要求1所述的設備，其中泡沫發生器包括將空氣引入熔融金屬中的旋轉葉輪。
11.如權利要求1所述的設備，其還包括除去制品上的多余泡沫的修飾器。
12.如權利要求1所述的設備，其還包括將泡沫轉移到鑄勺中的轉移裝置。
13.一種用金屬泡沫澆鑄制品的方法，其包括-提供熔融金屬；-使熔融金屬產生泡沫；-取出泡沫樣品；-將樣品轉移至模具；-冷卻模具；以及，-取出成形的制品。
14.如權利要求13所述的方法，其中用鑄勺取出泡沫樣品。
15.如權利要求13所述的方法，其中樣品具有預定的體積。
16.如權利要求15所述的方法，其中通過測量轉移倒模具中的泡沫的量來獲得預定體積的樣品泡沫。
17.如權利要求13所述的方法，其還包括修飾成形的制品以除去多余的材料。
全文摘要
用金屬泡沫澆鑄制品的方法包括一個熔融金屬池和一個發泡裝置。將泡沫置于加熱室中的鑄勺內，該鑄勺將泡沫樣品轉移到模具中。鑄勺將泡沫樣品放置到模具內，并閉合模具。冷卻和固化后，取出成型的制品。本發明設備包括一個熔融金屬池、一個加熱的泡沫收集室，以及一個用于取出泡沫樣品并將其轉移到模具中的鑄勺。本發明提供了一種實施上述方法的裝置。
文檔編號C22C1/08GK1639364SQ03804979
公開日2005年7月13日 申請日期2003年1月31日 優先權日2002年2月1日
發明者斯科特·尼科爾 申請人:賽麥特公司