TW200812726A - Casting method of casting member having inner passageway - Google Patents

Description

200812726 九、發明說明： - 【發明所屬之技術領域】 . 本發明是有關於一種鑄造方法，特別是指一種具有内 流道鑄件之鑄造方法。 【先前技術】 習知用於成型具有内流道鑄件之鑄造方法，是先以木 模製作所需的原型（Pattern)與砂心模（Core)。當中的砂心模 是置於該原型之模穴内，以形成鑄件的内表面。在量產時 • ，是以殼模法（Shell Mold Process)吹製所需砂心模，外模則 可採用金屬模。接著，將原型與砂心模組合，製作含有澆 道（Sprue)、冒口（Riser)之流路系統（Runner System)砂模 (Sand Mold)。而後，結合該金屬模並以重力鑄造（Pressure Casting)的方式將溶融金屬注入该砂核中’以形成每件。最 ' 後，再將流路系統切除，即完成所需鑄件的製作。 然而，對於以此鑄造方法所成型的鑄件，在尺寸上、 複雜度上、製作時程上以及成本上有諸多的限制，並不適 ® 纟多樣少量之鑄件開發。 另一習知具有内流道鑄件之鑄造方法為利用包模鑄造 (Investment Casting)製程，又稱為脫堪鑄造（Lost-wax Casting)製程。此鑄造方法是先製作一中空的模具組與砂心 模，該模具組的内部空間為符合欲成型之鑄件外型。接著 ，將砂心模結合於該模具組中，並將液態的蠟或塑膠材料 注入該模具組中，以形成蠟製的原型（蠟模）。而後，將該蠟 模與流路系統組合在一起（即組樹作業），再將之沾附泥漿與 5 200812726 淋y被復’使其外表附著砂體，構成所謂的殼模 漏句。為能使殼模具有足夠的強度，通常會反覆數次進行 沾漿淋砂作業，以增加殼模的壁厚。接著，將該殼模進行 加熱’使内部的壤模予以熔化流出。清除完殘躐之後，就 可將炼㉔金屬注人於該殼模中，此程序稱之為洗鑄作業， 並待其冷卻。最後，將該殼模打破去除，即可獲得所需的 鑄件。 然而，此鑄造方法於製作該殼模之前置作業會花費較 夕守間因為必須先加工成型該殼模的模具組。特別是對 於所欲成型之鑄件的形狀複雜並包含有内流道者而言，需 要更多的時間進行該模具組的製作，而此所造成的影響將 會大幅降低薇商的競爭力。 針對上述需要較多時間製作殼模的缺點，目前已有廠 商提出改善對策，如美國3D System公司改用立體印刷之成 型没備（Stereo Lithography Apparatus，SLA)取代脫蠟鑄造之 二模達到决速元成该殼模。該公司稱之為Quick Cast ™ A程以般的_件的製作為例，Quick Cast製程約可在 10〜14天内完成，相較於傳統之鑄造方法需要18〜2〇週 (126〜140天）而言，可節省大量的時間，藉此縮短製程時間 ，增加競爭力。 但是，對於Quick Cast tm製程來說，為了能確保殼模 的強度，仍需要反覆地進行沾漿淋砂作業，即一層沾附漿 液層砂粒，以形成層次狀的殼模，也需要較多的處理時 門更重要的問題是’對於具有複雜内流道之鑄件，如内 200812726 部具有水冷线的汽缸頭（Cylindef Head)，此水冷系統即為 環繞在該汽缸頭的内流道。在進行沾㈣砂時，因為砂粒 的關係，而使得聚液並不容易流填於該内流道，而且，堯 鑄之後殼模亦不容易清除。基於上述的理由，Qui:

Cast衣私貫際上不適合製造具有複雜内流道之鑄件。 【發明内容】 士因此，本發明之目的，即在提供一種具有内流道鑄件 之鑄造方法，可用於製作内部具有複雜内流道鑄件的鑄造 方法。 於疋，本發明之具有内流道鑄件之鑄造方法，包含一 快速造模步驟、-沾附步驟、_燒失步驟、鑄步驟， 以及一去除步驟。該快速造模步驟是以快速造模技術製造 内部形成有至少一内流道的原型，該沾附步驟是將一可硬 化的耐火漿液沾附並包覆該原型，且流填於該内流道中， 待耐火漿液乾燥硬固之後，即形成—包覆有該原型的殼模 ，所使用的耐火漿液是選自下列材料之一：石膏粉加水混 合、陶瓷粉與水解矽酸乙酯加硬化劑之混合。該澆鑄步驟 是將熔融金屬液體澆入該殼模中；該去除步驟是等待該溶 融金屬凝固成固體後，便將該殼模敲碎去除，即獲得一具 内流道之鑄件。 本發明之功效在於利用可硬化之耐火漿液流動性佳並 且可快速硬化的性質，加上無需淋砂之作業，可讓該财火 漿液輕易地充填流入於内流道中，不會被砂粒卡住。而且 ’在该去除步驟時，該耐火漿液製成的殼模是可以輕易地 7 200812726 被清除，適合製造内部具有複雜【實施方式】 内流道之類型的鑄件 〇

有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之-個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 如圖i'2所示，本發明具有内流料件之鑄造方法的 較佳實施例’適用於製作内部具有—複雜内流道^的禱件 2’如汽車之汽缸頭鑄件’該汽缸頭内部形成有一形狀複雜 的循環水路，即為内流道21，用以冷卻汽纪的溫度。該禱 造方法包含-快速造模步驟u、—補強㈣12、__沾附步 驟13、一脫氣步驟14、_燒失步驟15、一繞禱步驟 以及一去除步驟17。 配合圖3,該快速造模步驟u是以快速造模技術製造 一内部形成有一内流道21，的原型2，。快速造模（Rapid

Pr〇t〇iyPing，RP)技術，主要是將欲製造的實品，先以電腦 繪圖軟體建構3D模型，再經軟體處理切成2D的切片。利 用快速k模。又備全自動將各切片層層堆疊，以迅速製作出 仿製貫品的原型。在該較佳實施例中，所使用的快速造模 技術是立體印刷之成型技術（SLA)，也可以是雷射擇區燒結 成型技術（Selective Laser sintering，SLS)。應說明的是，該 原型2’的外觀形狀應與欲成型之鑄件2相仿，為方便說明 ，圖3以後所呈現的原型2,僅為示意之用。 圖3是顯示立體石板印刷成型技術之原理示意圖。sla 是屬於液悲製程類型’是以光化學聚合物之液體受光照而 8 200812726 硬化的原理製作成特定產σ 座°〇形狀。實際操作上，是在一 桶槽31内放置光石憂# 4月曰液32 ’同時，亦於該桶槽31中 置入-可垂直昇降的平台33。一開始讓該平台Μ靠近液面 再以i外線34 ^•、射斜台33上的光硬化樹脂液w，被 紫外線34照射的液體會即刻硬化固結為固態。透過控制紫 外線34的移動，並配合該平台33逐漸下降，使固態狀的 樹脂逐層堆疊，以建構成型出該原型2,。

_如圖4所示’是顯示雷射擇區燒結成型技術(SLS)之原 丁，。圖SLS疋屬於粉末製程類型，使用雷射光照射粉末 狀材料而使之燒結在一起’以製作成特定之產品形狀。實 際操作時’是將金屬粉末或是塑膠粉末以薄層的型態平舖 在-可垂直升降的圓筒41上，利用雷射光42照射該圓筒 41上的粉末，使之熔融而燒結成固體。隨著該圓筒ο的下 移’同時反覆補充薄層粉末與控制雷射光42的移動，即可 使材料逐層堆疊以形成該原型2,。 而快速造模技術除了上述成型方式較為常見之外，尚 有光化學加工、熔融擠製沉積成型法（Fused Dep〇siti〇n Modeling)，及固基光敏液相法（s〇lk} Gr〇und Cudng)…等製 程，亦可應用於本發明之中’不應以此侷限本發明之申請 專利範圍。 如圖5所示，並配合圖i，該補強步驟12是在該原型 2’中需要補強支撐強度的位置處放置支撐管22,主要是為 避免因某些部位的壁厚較薄或是承受較大之重量，在搬運 時容易造成發生崩塌毀壞，以確保其完整。對於大型鑄件 9 200812726 =生產，需如此做法。在該較佳實施例中，所使用的支樓 : 疋Λ中工的陶瓦材料所製成的陶莞管，這是因為陶莞 官的硬度較高並且能耐高溫，與对火殼模之熱膨服係數相 當，能有效改善殼模23(見圖6)透氣性不佳的現象。 如圖6所示’並配合圖i，該沾附步驟13是讓一可硬 化之对火m人該原型2，並填滿於該内流道21，中，同時 包復忒原型2’ ’待耐火漿液乾燥硬固之後，即形成一包覆 有/原里2之冑型的殼模23。在該較佳實施例中，所使 用的财火漿液是石膏粉加水混合（即為石膏液），也可以是使 用陶瓷粉加水解石夕酸乙醋和硬化劑的混合（即為陶裝）。在沾 覆該耐火漿液之前，該原型2,是先與一流路系統24組合。组 樹）’之後才進行沾附’以形成供㈣金屬料的流道。 由於所沾附的耐火漿液具有較佳的流動性，重要的是 並不需再進行淋砂，不會被較大的砂粒阻礙流動，因此， 耐火漿液可以容易地流人於該内流道21，中，並且可使得製 私吟間上可以更為縮短，並且可藉由陶瓷管的設置，使結 構強度上獲得補強。 、該脫氣步驟14是利用抽真空的方式，以脫除在執行該 /占附步騄13時被捲入的氣體，以避免氣體混入該殼模23 中’而造成缺陷影響強度。當然，也可以在執行該沾附步 驟13中調製攪拌耐火漿液的時候，同時進行抽真空作業， 將授拌過程中所捲入的氣體予以抽離。 在該較佳實施例中，因為本發明是單純使用石膏液或 是陶漿，其乾固的速度已相當快。當然，也可施以烘乾加 10 200812726 熱處理，加速其乾固硬化。 火二圖7所示，並配合圖卜6 ’該燒失步驟巧是待到耐 力^^固之後，即可對該包覆有該原型2,的殼模23施以 H㈣’使㈣型2’熔融並流出該殼模U。當使用 火漿液為石膏液時，苴燒失最古加 、、 ,0.π . 〇 ^失之取Μ度為财C，完整的燒 之最時。若使用的耐火聚液為陶襞時，則其燒失 度為mere，完整的燒失時間為6小時。最後可

再以南壓空氣將殘餘其中的碎屑吹出。 =8所示’並配合圖i，該料步驟16是先對該殼 果、仃預熱，使該殼模23的溫度提高 液體繞人該殼模23中。預埶之目的在W 合融孟屬 殼…_性，避免姆融金屬於該 、拉^ 兄 /瓜入口亥奴核23的熔融金屬因 溫降較大而開始凝m，阻礙了後_融金屬的流動。 =9所示，並配合圖卜2，該去除步驟〜等待該 7盃屬凝固成固體之後’便將該殼模23與支稽管㈡敲 石t去除，並切除該流路线24，即可獲得_仿製該原㈣ 狀之具内流道21的鑄件2。要特別說明的是，因為該殼模 23单純是以石膏或是陶究―體型所製成，並配合支擇管u 的使用，相較於習知以-層毅液一層砂粒的殼模結構，本 發明所使㈣殼模23敲碎後容易清除。敲除過程中，也可 以藉由高塵空氣或是水柱將存在於該鑄件2之内流道Μ中 的殼模碎屑沖除。 歸納上述，本發明之具有内流道鑄件之鑄造方法，是 將可硬化之耐火漿液沾附於該原型2，上，由於流動性佳， 11 200812726 可以容易地流入並填滿該複雜的内流道21中。再配合在局 部位置擺放支撐管22，使減模η之結構可以獲得足夠支 樓與強度，並可改善該殼模23透氣性不佳的現象。另外， 因為無須反覆進行淋砂作t，不但可以縮短製程時間，而 且還可使敲碎的殼模碎屑容易清除’故確實能達到本發明 之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一流程圖，說明本發明具有内流道鑄件之鑄造 方法之較佳實施例； 圖2是一立體圖，說明可利用本發明之鑄造方法製造 的汽缸頭； 圖3是一原理示意圖，說明本發明之快速造模步驟可 以是利用立體印刷成型技術（SLA)製造原型； 圖4是一原理示意圖，說明本發明之快速选模步驟也 可以是利用雷射擇區燒結成型技術（SLS)製造原型； 圖5疋一製私不思圖’說明本發明之一補強步驟，是 將支撐管置於一原型中； 圖6是一製程示意圖，說明本發明之一沾附步驟，是 將可硬化耐火漿液沾附該原型與一流路系統之組合，以形 成一殼模； 12 200812726 圖7是一製程示意圖·，說明本發明之一燒失步驟，是 將該殼模中的原型燒失； 圖8是一製程示意圖，說明本發明之一澆鑄步驟，是 將熔融金屬倒入該殼模中；及 圖9是一製程示意圖，說明本發明之一去除步驟，是 敲除該殼模，即可獲得該具有内流道之鑄件。

13 200812726 【主要元件符號說明】 11 快速造模步驟 22… …支撐管 12 .....補強步驟 23… …殼模 13 ——‘沾附步驟 24… …流路糸統 14 ·脫氣步驟 31… …桶槽 15 …χ…燒失步驟 32… …光硬化樹脂液 16 …*…洗每步驟 33…· …平台 17 、……去除步驟 34… …紫外線 2 ‘ …每件 41… …圓筒 2, ……原型 42… ♦♦雷射光 21 、21’内流道

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Claims (1)

1. 200812726 十、申請專利範圍： 1. -種具有内流道鑄件之鑄造方法，包含下列步驟： -快速造模步驟，以快速造模技術製造㈣形 至少一内流道的原型； 沾附步驟，將一可硬化的耐火裝液沾附並包覆該 原型：且流填於該内流道中，待耐火漿液乾燥硬固之後 P形成包後有该原型的殼模，所使用的耐火漿液是 k自下列材料之-··石膏粉加水混合，及陶i粉與水解 矽酸乙酯加硬化劑的混合； 一燒失步驟，對該包覆有原型的殼模施以加熱處理 ，使該原型熔融並流出該殼模； 70今v驟’將文谷融金屬液體洗入該殼模中；以及 去除步驟’待該溶融金屬凝固成固體後，便將該 殼模敲碎去除，即獲得一具内流道之鑄件。 2·依據申請專利範圍第1項所述具有内流道鑄件之鑄造方 法’更包含一介於該快速造模步驟與沾附步驟之間的補 強步驟’該補強步驟是在該原型中需要補強支撐強度的 位置處放置支撐管。 3·依據申請專利範圍第2項所述具有内流道鑄件之鑄造方 法’其中’在該補強步驟中，所使用的支撐管為陶瓷製 成的陶瓷管。 4 ·依據申凊專利範圍第1項所述具有内流道禱件之鑄造方 法’更包含一介於該沾附步驟與燒失步驟的脫氣步驟， 該脫氣步驟是利用抽真空的方式，以脫除在執行該沾附 15 200812726 步驟時被捲入的氣體。 5. 依據申請專利範圍第1 、 8所通具有内流運鑄件之鑄造方 法’其中’在該沾附步驟中，需先㈣該耐H夜，使 之均勻’在攪拌的同時，是以抽真S的方式進行，以將 攪拌過程中捲入的氣體抽離。 6. 依據申請專利範圍第i項所述具有内流道鑄件之鑄造方 法，其中，在該快速造模步驟中，所使料快速造模技 術是選自下列技術之-··立體印刷成型技術、雷射擇區 燒結成型技術。 7·依據申請專利範圍第1項所述具有内流道鑄件之鑄造方 法，其中，在該燒失步驟中，於熔融金屬澆入該殼模之 刚，需要先對該殼模進行預熱，以提高熔融金屬澆鑄後 的流動性。 8·依據申請專利範圍第7項所述具有内流道鑄件之鑄造方 法，其中，在該燒失步驟中，當使用的耐火漿液為石喜 液時，其燒失之最高溫度為740t，燒失時間為24小時 〇 9·依據申請專利範圍第7項所述具有内流道鑄件之鱗造方 法，其中，在該燒失步驟中，當使用的耐火漿液為陶漿 時，其燒失之最高溫度為120〇°C，燒失時間為6小時。 i〇·依據申請專利範圍第3項所述具有内流道鑄件之禱造方 法，更包含一介於該沾附步驟與燒失步驟的脫氣步驟， 该脫氣步驟是利用抽真空的方式，以脫除在執行該沾附 步驟時被捲入的氣體。 16 200812726 η.依據申請專利範圍第i項所述具有内流道鑄件之鑄造方 法，其中，在該快速造模步驟中，所使用的快速造模技 - 術是選自下列技術之一··立體印刷成型技術、雷射擇區 燒結成型技術。 12·依據申請專利範圍第1〇項所述具有内流道鑄件之鑄造方 法’其中，於該燒失步驟中，在熔融金屬澆入該殼模之 •前5需要先對該殼模進行預熱，以提高熔融金屬澆鑄後 的流動性。 ® 13·依據申請專利範圍第ι2項所述具有内流道鑄件之鑄造方 法’其中，在該燒失步驟中，當使用的耐火漿液為石膏 時’其燒失之最高溫度為740°C，燒失時間為24小時。 14·依據申請專利範圍第12項所述具有内流道鑄件之鑄造方 法’其中，在該燒失步驟中，當使用的耐火漿液為陶瓷 時，其燒失之最高溫度為120(TC，燒失時間為6小時。 15·依據申請專利範圍第1、13或14項所述具有内流道鑄件 φ 之鑄造方法，其中，在該去除步驟中，於敲碎該殼模後 ’可以用高壓空氣將碎塊沖除。 16·依據申請專利範圍第1、13或項所述具有内流道鑄件 之鑄造方法，其中，在該去除步驟中’於敲碎該殼模後 ’可以用水柱將碎塊沖除。 17