采用金属型覆砂铸造汽车差速器壳体的铸造模具及铸造方法

摘要

本发明涉及一种采用金属型覆砂铸造汽车差速器壳体的铸造模具及其铸造方法，包括上金属型，下金属型，上型板和下型板，其特征在于：所述的上金属型上设有凸出的自来金属芯，自来金属芯与上金属型连为一体，该自来金属芯形状与汽车差速器壳体的中空内腔形状匹配，所述的上型板上设置有排气装置，该排气装置设置在自来金属芯对应的上型板铸件模型型腔底部，下金属型中还设置有用于形成汽车差速器壳体环壁上四个小孔的小孔坭芯，小孔坭芯为金属覆砂结构。本发明制得的汽车差速器壳体表面质量好、尺寸精度高、工艺出品率高、生产成本低、产品质量容易控制，其铸造方法具有节能、节材、优质等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用金属型覆砂铸造汽车差速器壳体的铸造模具，以及使用这种模具铸造汽车差速器壳体的铸造方法。

背景技术

汽车差速器壳体是汽车车桥系统中的重要铸件之一。汽车差速器壳体铸件为中空、带法兰盘的铸件，在铸造生产时需在铸型中放置坭芯形成铸件的内腔。车辆中差速器壳铸件的传统生产工艺是采用潮模砂机器造型。对于潮模砂机器造型生产差速器壳铸件来说主要存在的问题是：铸件的尺寸精度低，铸件表面质量差，铸件质量稳定性低，废品高。潮模砂用砂量大，砂处理系统庞大、复杂，能耗高。差速器壳体铸件厚薄不均，为满足铸件凝固需要，在铸件厚壁处需要安置冷铁，生产工艺复杂。潮模砂造型的型腔强度和硬度相对较低，铁水浇注后，铁液在凝固过程中，球铁会产生较大的石墨化膨胀，这样会使型腔变大，因此铸件需采用冒口补缩，这样才能获得组织致密的合格铸件，因此铁水收得率比较低。

金属型覆砂铸造是一种新的铸造工艺，具有节能、节材、优质等特点，目前主要应用于结构、形状比较简单的铸件生产，比如：曲轴、飞轮、磨球。目前尚未有应用于汽车差速器壳体铸件生产。主要的原因就是：汽车差速器壳体的形状比较复杂，特别是铸件生产时，必须采用下坭芯的方式，形成铸件的内腔。对于铁型覆砂铸造而言，由于铁型没有透气性，下坭芯后实体坭芯在浇注时会产生的大量气体，容易产生呛火现象，并在铸件中产生大量的气孔缺陷。因此，在金属型覆砂铸造汽车差速器壳体铸件生产中坭芯的形式、以及坭芯的发气量成为金属型覆砂铸造汽车差速器壳体生产的关键。差速器壳体厚薄不均，壳体中有四个小孔处的壁厚相对于铸件的其它部位厚度厚得多，金属型覆砂铸造此铸件时，采用同时凝固无冒口铸造，稍有不慎，很容易在此处产生缩松、缩孔缺陷。另外汽车差速器壳体铸件的材质是QT500，属于铁素体球铁。而金属型覆砂铸造冷却速度快，适用于珠光体球铁的生产。

专利号为200610144119.1，专利名称为“利用金属型覆砂工艺制造制动鼓

的方法”的中国专利中公开了一种方法：该方法包括:以该制动鼓直径最大处确定分型面,并以大口部分确定为下型,以小口部分确定为上型;分别设置内、外模型用于保证所述制动鼓的内轮廓和外轮廓尺寸；分别设置内、外砂箱用于制造该制动鼓的下型和上型；分别以预定的间隙装配该内模型和内砂箱,以及外模型和外砂箱以后,通过射砂孔在该内、外砂箱上覆砂；锁紧该带有覆砂层的内、外砂箱后浇注金属液。上述技术方案与本申请的差别主要为制动鼓为灰铸铁，差速器壳体为铁素体基体球墨铸铁，材质完全不同，浇注工艺、铁水处理工艺、成形生产工艺完全不同，铸件的形状也完全不同。

    专利号为201110316590.5，专利名称为“金属型覆砂制造汽车后桥铸件的装置及其生产方法”的中国专利中公开了一种装置及方法，其装置的特点是在上下铁型合箱后形成的型腔内设置有坭芯组件, 上铁型与下铁型的射砂孔位置一一对应,上型板上设置有气针,气针与上铁型的射砂孔一一对应,上型板与下型板的模板中都均布有多个加热管,加热管的温控表与温度传感器连接,上型板与下型板的模板四周还都均布有多个排气凸台,上型板与下型板分别设置有水冷底座,上铁型的分型面、下型板的分型面上设置有多个排气槽。上述技术方案仅用于制造汽车后桥铸件，由于汽车后桥铸件本身的形状特点，与本申请铸件完全不同，因此其采用的模具形式及铸造生产方法不能应用于差速器壳体的生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足而提供一种采用金属型覆砂铸造汽车差速器壳体的铸造模具，制得的汽车差速器壳体表面质量好、尺寸精度高、工艺出品率高、生产成本低、产品质量容易控制。本发明还提供一种采用所述铸造模具的铸造方法，该方法具有节能、节材、优质等特点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：该采用金属型覆砂铸造汽车差速器壳体的铸造模具，包括上金属型，下金属型，上型板和下型板，上金属型设有上射砂孔、排气槽和定位销套，下金属型设有下射砂孔和定位销，上型板包括铸件模型、浇注系统模板、水冷底座、气针、排气凸台、定位销、加热管和温度传感器，下型板包括铸件模型、浇注系统模板、水冷底座、排气凸台、定位销套、加热管和温度传感器，上金属型与上型板合模，两者之间形成上覆砂间隙，下金属型与下型板合模，两者之间形成下覆砂间隙，上射砂孔与下射砂孔位置一一对应，上射砂孔与上覆砂间隙连通，下射砂孔与下覆砂间隙连通，其特征在于：所述的上金属型上设有凸出的自来金属芯，自来金属芯与上金属型连为一体，该自来金属芯形状与汽车差速器壳体的中空内腔形状匹配，所述的上型板上设置有排气装置，该排气装置设置在自来金属芯对应的上型板铸件模型型腔底部，下金属型中还设置有用于形成汽车差速器壳体环壁上四个小孔的小孔坭芯，小孔坭芯为金属覆砂结构。本发明设计合适的模型分型面，满足铸造生产要求并使得浇注时排气畅通。对于差速器壳体铸件的主要内腔采用金属型覆砂自来坭芯的方式，减少坭芯的总体发气量，同时省去下芯工序，设计合适的坭芯排气方式，满足汽车差速器壳体铸件浇注、凝固冷却过程铸型型腔、特别是铸型中坭芯的排气，获得无气孔缺陷的致密铸件。

本发明所述的排气装置包括排气柱塞、弹簧、移动板和回位导杆，回位导杆一端设置在上型板的相应回位导杆孔中，回位导杆与此孔移动配合，另一端固定设置在移动板上，排气柱塞安装在移动板上，排气柱塞的位置与上型板上排气孔的位置对应，排气柱塞的直径比排气孔的直径小0.3-0.4毫米，移动板与水冷底座之间设置有弹簧。排气装置的工作原理：排气柱塞、回位导杆、弹簧等安装在移动板上，金属型合模后，铁型通过回位导杆将排气柱塞压至射砂工作位置，射砂时压缩空气通过排气柱塞与射砂排气孔的间隙排出型腔，使自来坭芯覆砂层致密、完整。覆砂完成起模时，在弹簧力的作用下，排气柱塞随着金属型的起模而升起，每进行一次射砂覆砂，排气柱塞就完成一次往复运动，排气柱塞与射砂排气孔之间的间隙就不会被覆膜砂堵住，从而保证高压射砂覆砂时排气装置的排气畅通。

本发明所述的上金属型与下金属型的壁厚为20~30mm，上下覆砂间隙中位于浇注系统模板部位的覆砂间隙优选为12mm，位于铸件模型部位的覆砂间隙优选为10mm，位于自来金属芯头部的覆砂间隙优选为3－5mm，小孔坭芯的覆砂层厚度与周围下金属型覆砂层厚度相同。本发明研究、设计选择恰当的覆砂层厚度和金属型厚度满足汽车差速器壳体铸件凝固冷却条件，保证铸件的同时凝固，达到铸件凝固过程中的自补缩的目的，获得无缩孔、缩松组织的铸件。

本发明所述的上金属型上设置有4个定位销套，下金属型上设置有4个定位销，定位销套和定位销均呈十字分布，两者位置一一对应，定位销的截面为圆形，定位销套为长圆孔。定位销套与定位孔之间均为圆与长圆孔配合，保证在上、下金属型温度不一致时能准确合箱。

本发明所述的上型板和下型板中分别设置有6个加热管，加热管均匀分布在上下型板的模板中，还设置有温度传感器。

本发明所述的上型板上的气针与上金属型上的射砂孔数量和位置一一对应。汽车差速器壳体铸件在金属型的最高处就是金属型的分型面，在浇注过程中，随着铁液的上升，很容易将铁液型腔上方的气体通过分型面的间隙排出，当铁液最终充满整个型腔时，型腔产生的剩余气体可以通过金属射砂孔中气针形成的排气通道将气体排出。

本发明所述上型板和下型板的模板上分别设置有多个排气凸台，上金属型和下型板的分型面上分别设置有排气槽。在射砂过程中，上下金属型合到上下型板上，由于凸台的存在，铁型与模型型板之间有一定间隙，这样在射砂覆砂时，型腔中气体可以从该间隙排出。排气槽加快型腔中的气体排出，保证射砂覆砂的质量。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案还是：一种采用金属型覆砂铸造汽车差速器壳体的铸造方法，采用如前所述的铸造模具，其特征在于包括以下步骤：

a、生产前提前一小时打开电加热管，预热上下型板至220-240℃，并保温至少10分钟；

b、将上下金属型加热到200-300℃后，再分别与上下型板平稳合模；

c、把覆膜砂通过覆砂造型机射砂孔射至上、下覆砂间隙中，射砂压力为3-4个大气压，射砂时间3-6秒，射砂后保持0.5-2分钟等待其固化；

d、固化后分别将上型板与上金属型分离，下型板与和下金属型分离，分别得到上下均覆砂的金属型型腔；

e、将预先做好的小孔坭芯放入下金属型，并用气枪吹去型腔中的浮砂；

f、将覆好砂的上、下金属型合箱，用箱扣扣紧，放上浇口杯，采用浇注系统浇注合格铁水；

g、浇注完5-8分钟时，铲去浇口杯，20-30分钟后卸去箱扣，待铸件冷却至700℃以下时，开箱、出铸件。本发明的铸造方法生产工艺稳定、生产工序简单实用，大大减少了影响铸件质量的不利因素，从而大大降低了铸件的废品率，可实现大批量铸件的生产。

本发明所述的f步骤中采用的浇注系统包括直浇口、横浇口和内浇口，内浇口分别位于横浇口的两端，直浇口设置在横浇口的一端且与横浇口垂直，浇注时铁水通过直浇道至横浇道至内浇道至铸件型腔，一个浇注系统一次可浇注两个差速器壳体铸件。对于汽车差速器壳体铸件铸件，利用球墨铸铁在凝固过程自补缩的原则，采用无冒口铸造，两个内浇口同时浇注铁水，同时对于铸件厚大部位采用与其它部位不同的覆砂层厚度（覆砂层厚度小2－5毫米），来保证了铸件各个部分相近的凝固冷却条件。浇注系统采用封闭式系统，即：直浇道＞横浇道＞内浇道，能很好地起到铁水挡渣作用。

本发明所述的f步骤中其铁水含有的各个元素质量百分比为C为 3.70-3.85%，Si为2.5-2.8%，S为0.010～0.016 %，P小于0.05%，Mn小于0.15%，Mg为0.027～0.050%，Re为0.020～0.035%，余量为Fe；上述铁水经过三次孕育，在球化处理中将占铁水重量0.7%的高效Si-Ba-Ca孕育剂放在球化剂上进行球化处理，当球化反应完成，在冲入铁水时随流加入占铁水重量0.4%的高效孕育剂，对铁水进行二次孕育，在浇注时再随流冲入占铁水重量0.15%，粒度为1毫米的高效Si-Ba-Ca孕育剂，对铁水进行瞬时孕育。上述配方的铁水其优点是保证在较快冷却速度的铁型覆砂型腔内获得铁素体的组织，上述孕育方法带来的效果是细化铸件金相组织中石墨球的直径、增加石墨球数量、提高石墨球的圆整度、促进基体产生铁素体组织，两者结合最终获得符合差速器壳体铸件图纸要求的机械性能要求和金相组织要求的铸件。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明设计合适的模型分型面，满足铸造生产要求，保证浇注时的排气畅通。对于差速器壳体铸件的主要内腔采用铁型覆砂自来坭芯的方式，减少坭芯的总体发气量，同时省去下芯工序，设计合适的坭芯排气方式，满足汽车差速器壳体铸件浇注、凝固冷却过程铸型型腔、特别是铸型中坭芯的排气，获得无气孔缺陷的致密铸件。研究、设计选择恰当的覆砂层厚度和金属型厚度满足汽车差速器壳体铸件凝固冷却条件，保证铸件的同时凝固，达到铸件凝固过程中的自补缩的目的，获得无缩孔、缩松组织的铸件。

采用本发明所述模具制造的汽车差速器壳体铸件尺寸精度高、表面质量好，铸件后续清理及打磨工作量小。采用金属型覆砂的自来坭芯的方式，保证了铸件内外部金相组织均匀，减少了覆膜砂用量，节约了生产成本，大大减少了坭芯的发气量，降低铸件气孔缺陷；省去了主要坭芯的下芯工序和人工，简化了生产环节。采用金属型覆砂铸造汽车差速器壳体，浇注、凝固冷却速度快，铸件的球化级别比砂型铸造提高0.5-1级，晶粒细小、内在组织致密、从而提高了铸件的综合机械性能。采用金属型覆砂铸造汽车差速器壳体铸件生产工艺稳定、生产工序简单实用，大大减少了影响铸件质量的不利因素，从而大大降低了铸件的废品率，可实现大批量铸件的生产。采用金属型覆砂铸造汽车差速器壳体铸件，铸型刚度高，在浇注过程中无退让性，可利用铁水凝固过程中的石墨化膨胀来进行自补缩，可实现无冒口铸造，铁水收得率高；同时减少了影响铸件质量的不利因素，从而大大降低了铸件的废品率；采用金属型覆砂铸造汽车差速器壳体铸件生产，生产流程短，生产环境好，节能、节材，可实现绿色铸造生产。

附图说明

图1为本发明所述的汽车差速器壳体铸件示意图。

图2为本发明上金属型和上型板结构示意图。

图3为本发明下金属型和下型板结构示意图。

图4为本发明上下金属型中定位销套和定位孔结构示意图。

图5为本发明浇注系统结构示意图。

图6为本发明排气装置结构示意图。

图7为本发明工艺平面布置示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明所述的汽车差速器壳体铸件属于中空、带法兰盘a、壁厚厚薄不均的铸件，铸件相对高度较高，且中空内腔形状比较复杂、贯穿整个铸件。在汽车差速器壳体环壁上还有四个小孔b。

采用金属型覆砂铸造此铸件时，若内腔采用常用的实体坭芯的方式，则带来几方面的问题，其一：实体坭芯在浇注时将产生大量的气体，金属型覆砂铸造的型腔排气性较差，容易产生呛火，影响铸件的浇注过程，带来不安全的因素，并最终造成气孔缺陷；其二：整个内腔采用实体坭芯，造成铸件外型与内腔不同的冷却条件，容易造铸件金相组织的不均匀性，影响铸件的机械性能；其三：由于需要下芯，需要增加人工和工序，下芯时还会产生掉砂、坭芯压崩等现象，增加铸件产生废品产生的因素。

参见图2、图3，本发明包括上金属型A、下金属型B、上型板C、下型板D。上金属型A壁厚20-30mm，材质为HT250，其上设有自来金属芯1、射砂孔2、排气槽3、定位销套4。本发明的上、下金属型的壁厚满足金属型覆砂造型工艺要求，即覆砂造型时，利用浇注后的余热能使上下金属型的温度保持在180-250℃。 

下金属型B壁厚20-30mm，材质为HT250，其上设有射砂孔2’、定位销5。上型板C包括铸件模型6、浇注系统模板7、水冷底座8、气针9、排气凸台10、排气装置11、定位销5’、加热管12、温度传感器13、模板14。下型板D包括铸件模型6’、浇注系统模板7’、 水冷底座8’、排气凸台10’、定位销套4’、加热管12’、温度传感器13’、模板14’。

上金属型A与下金属型B的射砂孔2、2’位置一一对应，以便可以共用射砂板，上金属型A和下金属型B上的射砂孔各为10个，其中：每个差速器壳体模型上设置了4个射砂孔，浇注系统上设置2个射砂孔，射砂孔直径为20mm，保证覆砂射砂过程中覆膜砂能完整地充型。参见图4，上金属型A的4个定位销套4与下金属型B的4个定位销5均呈十字分布，两者位置一一对应，保证合箱的精度。定位销套4为长圆孔，定位销5为圆形，通过圆与长圆孔配合，保证在上、下金属型温度不一致时能准确的合箱。

上金属型A的4个定位销套4还与上型板C的4个定位销5’，位置一一对应，通过定位销套4和定位销5’保证合模的精度。上金属型A上设有凸出的自来金属芯1，自来金属芯1与上金属型A连为一体，该自来金属芯1形状与汽车差速器壳体的中空内腔形状匹配。参见图6，上型板C上与自来金属1芯对应的铸件模型型腔底部设置有排气装置11，排气装置11包括排气柱塞111、弹簧112、移动板113和回位导杆114，回位导杆114一端设置在上型板的相应回位导杆孔中，回位导杆可以在此孔中上下移动，另一端设置在移动板113上，排气柱塞111安装在移动板113上，排气柱塞111的位置与上型板C上排气孔15的位置对应，排气柱塞111的直径比排气孔15的直径小0.3-0.4毫米，移动板113与水冷底座8之间设置有弹簧112。排气柱塞111与排气孔15之间形成一定的间隙，射砂时压缩空气通过该间隙排出型腔，使自来坭芯覆砂层致密、完整。排气装置的工作原理：上金属型A与上型板C合模后，上金属型A通过回位导杆114将排气柱塞111压至射砂工作位置，射砂时压缩空气通过排气柱塞111与排气孔15的间隙排出型腔，使自来坭芯覆砂层致密、完整。覆砂完成起模时，在弹簧112的作用下，排气柱塞111随着上金属型A的起模而升起，每进行一次射砂覆砂，排气柱塞111就完成一次往复运动，排气柱塞111与排气孔15之间的间隙就不会被覆膜砂堵住，从而保证高压射砂覆砂时排气装置的排气畅通。

上型板C的模板14中均匀分布有6个加热管12，每个加热管12为2.2kw，并设置了温度传感器13进行反馈控制，实现模具的温度调节。上型板C表面设有气针9，气针9的数量和位置与上金属型A上的射砂孔2数量和位置一一对应。当上金属型A与上型板C合模时，气针9高度低于上金属型A上表面10mm。

上型板C中的分型面上设置有4个排气凸台10，每个排气凸台10高度为0.3mm。上金属型A的分型面上设置有16个排气槽3。当上金属型A与上型板C合模后，两者之间形成上覆砂间隙E，该覆砂间隙E位于浇注系统模板7部位优选厚度为12mm，覆砂间隙E位于铸件模型6部位优选厚度为10mm，覆砂间隙E位于自来金属芯头部的优选厚度为3－5mm。

下金属型B上的4个定位销5还与下型板D上的定位销套4’ 位置一一对应，通过定位销套4’和定位销5保证合模的精度。下型板D的模板14’中均匀分布有6个加热管12’，每个加热管12’为2.2kw，并设置了温度传感器13’进行反馈控制，实现模具的温度调节。

下型板D中的分型面上设置有4个排气凸台10’，每个排气凸台10’高度为0.3mm。下型板D的分型面上还设置有16个排气槽3’。当下金属型B与下型板D合模后，两者之间形成下覆砂间隙E’，该覆砂间隙E’位于浇注系统模板7’部位优选厚度为12mm，覆砂间隙E’位于铸件模型6’部位优选厚度为10mm，覆砂间隙E’位于自来金属芯头部的优选厚度为3－5mm。

上型板C和下型板D分别固定在水冷底座8、8’上，水冷底座固定安装在造型机工作台上。在造型机上通电加热时，水冷底座通冷却水，保证上下型板的热量不传递到造型机工作平台。

本发明的铸造方法为：

a、生产前提前一小时打开电加热管，预热上下型板至220-240℃，并保温至少10分钟。

b、将上下金属型加热到200-300℃后，再分别与上下型板平稳合模。

c、把覆膜砂通过覆砂造型机射砂孔射至上、下覆砂间隙中，射砂压力为3-4个大气压，射砂时间3-6秒，射砂后保持0.5-2分钟等待其固化。

d、固化后分别将上型板与上金属型分离，下型板与和下金属型分离，分别得到上下均覆砂的金属型型腔。

e、将预先做好的小孔坭芯放入下金属型，并用气枪吹去型腔中的浮砂。

f、将覆好砂的上、下金属型合箱，用箱扣扣紧，放上浇口杯，采用浇注系统Ⅰ浇注合格铁水。参见图5，所述的浇注系统Ⅰ包括直浇口16、横浇口17和内浇口18，内浇口18设置有两个，两个内浇口18分别位于横浇口17的两端，直浇口16设置在横浇口17的一端且与横浇口17垂直，浇注时铁水通过直浇道至横浇道至内浇道至铸件型腔。参见图7，一个浇注系统一次可浇注两个差速器壳体铸件。所述的铁水含有的各个元素质量百分比为C为 3.70-3.85%，Si为2.5-2.8%，S为0.010～0.016 %，P小于0.05%，Mn小于0.15%，Mg为0.027～0.050%，Re为0.020～0.035%，余量为Fe；上述铁水经过三次孕育，在球化处理中将占铁水重量0.7%的高效Si-Ba-Ca孕育剂放在球化剂上进行球化处理，当球化反应完成，在冲入铁水时随流加入占铁水重量0.4%的高效孕育剂，对铁水进行二次孕育，在浇注时再随流冲入占铁水重量0.15%，粒度为1毫米的高效Si-Ba-Ca孕育剂，对铁水进行瞬时孕育。

g、浇注完5－8分钟时，铲去浇口杯，20－30分钟后卸去箱扣，待铸件冷却至700℃以下时，开箱、出铸件。

    实施例中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。