帮助从铸件上除去砂型的方法

专利名称：帮助从铸件上除去砂型的方法
技术领域：
本发明总体来说涉及金属铸件的制造，具体的说涉及在砂型组件中制造铸件。
背景技术：
本申请要求在2000年5月10日提交的序列号为60/202741的美国临时申请的优先权。
用于形成金属铸件的传统铸造方法一般采用铸模或压模，例如永久的金属压模或砂型，在它的内表面上形成所需铸件例如气缸盖的外部特征。通常将由砂和适当的粘合材料构成的并限定铸件内部特征的砂芯放置在压模中，以进一步限定铸件的特征。砂芯通常用于形成金属铸件内的轮廓和内部特征，在铸造过程完成之后必须从铸件上除去和回收该砂芯的砂料。
根据应用，用于砂芯和/或砂型的粘合剂可以包括酚醛树脂粘合剂、酚醛氨基甲酸乙酯“冷藏室(cold box)”粘合剂或其他适合的有机粘合剂。然后在压模或铸模中填充熔融的金属合金，将其冷却至某一所需温度以使合金固化。在合金固化为铸件之后，将铸件移到处理炉或用于进一步加工包括热处理、从砂芯回收砂以及时效。热处理和时效是调整金属合金的步骤，从而它们提供适用于不同应用的各种物理性能。热处理可以包括加工和/或热加工。
通常在完成热处理之前从铸件上除去砂型和/或芯。一般利用一种方法或多种方法的结合来从它们的铸件上分离砂型和/或芯。例如可以从铸件上凿掉砂，或者可以通过物理摇动或振动铸件来打碎砂型和铸件内的内砂芯并除去砂。另外，在砂型和铸件经过热处理和/或热除砂炉时，用于砂型和芯的有机的或可热降解的粘合剂一般因为暴露在用于热处理铸件以获得理想金属性能的高温下而被分解或燃烧，从而可以从铸件上除去砂型和芯的砂并回收，留下已完成的经过热处理的铸件。这种铸件热处理的炉系统和方法在US5957188、5829509和US5439045中披露，其内容在此引入作为参考。一旦从铸件上除去砂之后，通常在后继步骤中完成热处理和时效。
例如上述专利中的技术受到如下因素的驱动例如竞争、原材料成本的提高、能量、劳动力、废弃物和环保法规。这些因素不断的要求在热处理和从这种金属铸件上除砂的领域内取得继续进步。

发明内容
本发明包括一种方法和系统，用于改善从砂型中形成的铸件上除去砂型。根据本发明的一个实施方案，通过划刻铸模并施加足以使铸模破碎成为碎片的力来从铸件上除去砂型。例如通过因向铸模施加辐射能量或感应能量而在其中被加热的铸件的热膨胀，或者通过施加其他的力和/或能量，而使得铸模破裂。另外，可以将高压流体导向铸模的外壁而进一步帮助铸模的破裂。一旦铸模破裂成为各种碎片，它们通常被从铸件上移去。在已经除去铸模之后，可以对铸件进行热处理，同时砂型的碎片被加热至足以使得其粘合剂材料燃烧的温度，用来将其破坏并从铸模和芯上回收砂。
在另一个实施方案中，从铸件上移去铸模的方法包括在铸模外壁内的一个或多个选定位置上放置一处或多处炸药或者有机地或可热降解的材料。在特定时候引爆炸药，从而使得铸模破裂并成为碎片。然后破裂的碎片可以从铸件上移去。
另外，可以在包括炸药或者有机或可热降解的或活性材料的铸模上加上划线。划线被有效地放置，与在预定位置的炸药和/或有机或可热降解的材料相结合，在炸药引爆之后，改善铸件上的部分铸模的破裂和移去。在铸模已经被移去之后，开始或继续铸件的热处理。
本发明的再一个实施方案包括通过高能量脉冲激励铸模而从铸模中形成的铸件上移去铸模的方法。在经过高能量脉冲激励之后，铸模一般会破裂，然后从铸件上移去碎片。高能脉冲一般包括从机械设备、炮、压缩气体和机电设备产生的冲击波、压力波、声波或其结合。另外，可以对铸模施加划线，以帮助铸件上的铸模的破裂和移去。
本领域的技术人员可以从以下结合附图的说明书中清楚地了解本发明的各种目的、特征和优点。


图1A-1B是砂型的截面图，表示在其上所需位置处形成的划线以及沿着划线所导致的破裂；图2A-2B是砂型和铸件的截面图，表示使用放置在砂型中的划线和炸药，以及在引爆炸药后砂型的破裂和移去；图3表示铸模穿过处理炉内的或与其相邻的能量脉冲腔的截面图，表示用高能脉冲处理铸模组件和铸件；图4A-4B表示对铸模使用加压流体以破坏铸模；图5A-5B表示铸模移动穿过富氧腔来施加氧气流，促进铸模的有机或可热降解的粘合剂的燃烧。
具体实施例方式
本发明包括用于改善铸模中形成的铸件上的砂型的破裂和去除的方法，以将铸模加速暴露于热处理温度，并改善砂型的砂的破裂和回收。可以在将砂型和铸件放入热处理炉或单元内之前、或者在热处理炉或单元内热处理并且在该单元内回收砂的时候，从围绕着铸模的铸件上除去铸模。用于铸件热处理并且至少部分破裂和除去砂型及芯并回收砂的示例性热处理炉系统在US5294994、5565046、5738162以及5957188和2000年7月27日申请的序列号为09/313111的美国申请中披露，其内容在此引入作为参考。通过改善砂型的破裂和从铸件上的去除，铸件更迅速地暴露在热处理炉或腔的热处理环境中。
因此当从铸件去除铸模时，需要较少的能量和时间来提高铸件的温度以获得铸件所需的处理和所导致的金属性能。
从铸件上移去铸模的方法包括在砂型上划刻。划刻的铸模是典型的“精确砂型”，一般由铸造用砂材料和酚醛树脂、酚醛氨基甲酸乙酯或其他适合的有机粘合剂构成，该粘合剂在暴露于大多数铸件处理的加热处理温度下会降解和/或燃烧，如通常所知道的那样。砂型也可以包括半永久型铸模，由标准的粘合剂和金属例如钢的结合形成。该铸模在粘合剂材料燃烧时沿着在铸模中设置的划线破裂和断裂，以易于从铸模中包含的铸件上移去和去除铸模。划线通常沿着或围绕着每个铸模的侧面和/或顶面和底面的预定位置设置，这些位置通常被选择用来优化铸模的破裂。根据铸模和在铸模中形成的铸件的形状来在这样的预定位置设置划线。
“划刻”一词包括在铸模的顶壁、底壁和/或侧壁中利用包括切割刀、研磨设备、和其他类似的自动和/或手动操作的切割或开槽设备在内的任何机械而形成的任何类型的切口、线、划痕、凹陷、槽或其他痕迹。划线一般在铸模的外部形成，但是不限于铸模的外表面，可以理解可以在铸模的内表面进行划线和开槽，这是在外表面划线的补充或替换。每个铸模可以采用各种传统的方法来划线，例如通过在铸模的形成过程中，或者在其形成之后至将铸模和其中的铸件放入热处理炉内的一些时间内，在铸模的外表面和/或内表面上放置的或形成的模铸或划刻的线。
还可以在铸模上施加力来改善铸模破碎和断裂成各种碎片，然后这些碎片可以容易地从铸件上移去和脱落下来。这种力可以施加在铸模的内壁，铸模的外壁，或这两者的结合。施加给铸模内壁的力一般来自铸模内的铸件的热膨胀，还可以利用辐射能、感应能量或其结合来加热铸件以进一步改善或加速铸件的膨胀。用于加热铸件的能量源可以包括电磁能量、激光、无线电波、微波或其结合。
用于加热铸模和/或铸件的能量源可以包括激光、无线电波、微波、或其他形式的电磁能量和/或其结合。一般来说，这些和其他能量源可以朝着铸模或铸件的外部辐射或被引导至特定区域，用于加热铸模和铸件以导致热膨胀，引起铸模和/或芯的砂破裂或断裂。或者，感应能量涉及将铸件和铸模封闭在诱发铸件中的电流的电磁能量场内，导致金属的加热以及铸模较低程度的加热。一般来说，铸模是较为绝缘的而不是较为导电的，感应能量通常只能在铸模内提供有限程度的加热效果，达不到铸件内产生的热量的程度。当然有其他的铸件加热和膨胀方法，用于铸模的破裂。另外，可以在铸模上或通过铸模的自身加上划线，以结合所施加的力来帮助将铸模从铸件上或铸模上移去。
也可以在特别设计的处理腔例如炉中施加脉冲能量。设计特征可以包括能够经受脉冲和所导致的效果的能力，设置用于将铸模/铸件送入和送出该腔内，以提供脉冲的精确控制。能量脉冲一般在某种程度上改善对铸模芯和铸件的热量转移。脉冲也促进了降解的粘合剂气体向铸模和芯外面的质量转移，带氧的处理气体向铸模和铸件的质量转移以及松散的砂向铸件之外的质量转移。脉冲可以在低频或高频发生，其中低频脉冲通常被用来产生使铸模或芯破裂的力，而高频被用来改善转移、质量转移以及在较小尺度上的一些破裂。高频脉冲在某种程度上诱发铸件内的振动效果，以促进上述过程的机械效果。
另外，可以通过向铸模和/或芯施加这些能量源中的任何一种或所有能量来破坏铸模和/或芯，以促进砂型和/或芯的有机或热化学粘合剂的分解，该粘合剂在热的存在下被破坏，因此易于铸模的破裂。另外，通过向铸模的外壁施加高压流体例如空气、燃烧产物、富氧气体或其他流体材料，可以破坏铸模。
另外，可以直接向铸模、芯或铸件上施加冲击波、压力波、声波或其结合的形式的力，以帮助铸膜破裂和成为碎片。在一个实施方案中，用高能脉冲激励铸模和/或芯，以直接施加力，该力可以穿透铸模的壁，导致铸模被加热，而进一步帮助铸模粘合剂的燃耗并导致铸模的破坏。脉冲能量可以是持续或间歇的力，可以是冲击波、压力波、声波或其结合形式，通过机械、机电和/或其他已知的设备例如加压炮或压缩气体而产生。或者可以在铸模中放置低能量的炸药或有机或可热降解的材料，通过加热铸模而引爆或引发，以帮助铸模破裂和从围绕它的铸件上移去。
更详细的是，本发明设计了几个替换实施方案和/或方法，以在铸件的热处理之前或之中执行砂型的移去或断裂的功能。可以理解，所描述的任何方法可以彼此结合或分开使用。这些方法在图1A-5B中显示。
在图1A和1B所示的本发明第一实施方案中，显示了其中带有铸件11的砂型10，它有在铸模10的外侧壁13中形成的至少一个并且一般是多个的划线12或减压线。划线/减压线12一般是在铸模的外侧壁上切割的，或形成为槽或凹口，用作铸模组件的外壁的断线。可以在铸模的内壁14上切割或形成划线/减压线12A，如在图1A中所示，和/或在铸模10的顶壁和底壁16和17上形成。
如图1B所示，这些划线/减压线削弱了铸模壁，以预先确定铸模10破裂和断开的地方和位置，从而当力F施加在铸模壁时，导致铸模的壁沿着在图1B的18所示的划线/减压线裂开和断开。通常，这个力F包括在铸件在热处理炉内被加热或承受高温时铸件金属热膨胀而通过铸件本身作用在铸模10内壁14上的压力。因为铸件金属响应热处理炉内的热量产生膨胀，因此它将铸模的壁向外压和推，导致铸模在划线/减压线产生的削弱点处裂开和断开。结果，通常在铸件的加热处理过程之前或在其初始阶段中，铸模的局部或部分就容易从铸模和它的铸件上移去，而不是铸模在它的粘合剂材料在加热处理炉内经长时间燃烧而简单的破裂和缓慢的断开。
图2A-2B表示本发明的替换实施方案，用于从铸模中形成的铸件21上破坏和移去铸模20。在该替换实施方案中，将低冲击炸药22放置在铸模组件20的侧壁23内的一个或多个点处。炸药通常位于铸模组件结构内的关键位置处，通常靠近壁内的关键结合处24，例如在侧壁23和顶壁与底壁26及27之间，从而从铸件上移去铸模，同时保持铸件完好无损。如图2B所示，在低密度炸药爆炸之后，在铸模组件20中形成间隙或通道28，很深的延伸穿过铸模的侧壁和上下部分。结果，铸模在这些通道或间隙处或沿着它们被极大地削弱，从而铸模易于响应铸件的热膨胀和/或为了容易从铸件上移去铸模而进行的铸模粘合剂材料的燃烧而沿着这些通道28断成片段或碎片。
图3表示本发明的再一个实施方案，用于断开铸模30并改善它从铸件31上的移去。在本发明的这个实施方案中，以高能脉冲或波32向铸模施加各种力来促进铸模/芯砂的破裂，在铸模30穿过处理腔33中时这些脉冲或波指向铸模30，处理腔33通常位于热处理炉的前面或入口端，从而在铸件进行热处理之前，铸模和铸件通常穿过它。各种频率和波长的高频脉冲一般从安装在该腔室中的一个或多个脉冲或波发生器37导向铸模的侧壁34和/或上部或顶壁36。这种高能脉冲或波一般以传导穿过处理腔空气的冲击波、压力波或声波的形式生成。或者，如前所述，电磁能可以脉冲或辐射到铸模的壁上，以促进破裂、热吸收、粘合剂降解或其他处理效果，用于从铸件上移去铸模和芯砂。这种电磁辐射可以是激光、无线电波、微波或可以得到上述效果的其他形式。
导向铸模的高能脉冲激励铸模，并使得它们振动而无需与铸模组件有物理接触。当脉冲穿过铸模时，铸模的激励和振动易于导致铸模的破裂和断开。脉冲可以是连续脉冲或不连续脉冲。不连续脉冲可以被按照规则的间隙来操纵。按照连续或不连续方式操纵的脉冲可以按照频率、施加间隙和强度来仔细的控制，从而实现处理效果而不会损害铸件。另外，铸模可以如上所述在选定点被划刻或预加应力或削弱，如图3的38所示，从而在铸模振动或被高能脉冲冲击时易于或促进铸模的断开。因此在铸件被移动进入热处理炉或其他铸件加工的加热腔中时，导致铸模断裂并从铸件上移去。另外，如2000年7月27日提交的US申请序列号09/627109(其全文在此引入作为参考)所述，能量脉冲一般还导致铸模中的铸件被加热，这样产生了铸件的热膨胀，从而向铸模的内壁施加力，以更加易于和改善铸模的断开。
如图4A-4B所示，本发明的再一个实施方案用于改善砂型从砂型中形成铸件51上的破裂和去除(或如前所述，去除位于铸件内的砂芯)，其中一系列喷嘴段42通常沿着满载铸件的铸模/芯进入或位于热处理炉的移动的路径设置在特定位置或部位，可以是热处理炉的一部分，例如在初始或预燃室内，或放置在热处理炉的前面或在其之前，以帮助从铸件上除去砂芯。喷嘴段的数量可以根据需要、根据要在铸模中形成的铸件的砂芯头或设计来改变。每个喷嘴段或组件42通常包括在铸模与芯和铸件41的已知、索引(Indexed)位置相对应的侧壁、顶壁或上壁和/或下壁或底壁上安装和取向的一系列喷嘴43或吹风机70。每个喷嘴段42的喷嘴42数量是可变的，这取决于铸件51的砂芯头，从而具有不同砂芯头的不同铸件51中每个喷嘴段42可以采用优选的不同喷嘴43布局和数量。喷嘴43或吹风机70可以通过加热处理段或炉的控制系统来自动控制，该控制系统能够远程操作以将喷嘴43移动到关于铸模的侧壁以及顶壁和底壁的所需位置，如图4A和4B的箭头67和68所示。
每个喷嘴43或吹风机70一般提供有高压加热介质。该高压加热介质可以包括空气、热油、水或其他已知的流体材料F，能够在高压下(一般是5-45psig)被导向每个铸模/芯的侧壁、顶壁和/或底壁，当然如果具体铸件应用中需要，可以采用更高或更低的压力。这些流体压力被转换为喷嘴43出口的高流体速度，该喷嘴将流体的能量送至铸模/芯，并施加足以至少使得铸模和/或芯部分破裂和/或断开的力。高流体速度一般导致或促进向铸件、铸模和芯的更高的热量转移，这有利于铸模和砂芯的断裂。被喷嘴操纵的加压的流体流被以连续流或间歇流形式施加，它冲击或接触铸模壁而使得铸模壁破裂或裂纹，并能够促进砂型的粘合剂材料更快的分解和/或燃烧，有助于铸模的至少部分断裂或断开。
图5A-5B表示本发明的再一个实施方案，用于改善从铸模中包含的铸件91上断开和除去铸模90。在该实施方案中，在铸模90和它们的铸件移动进入热处理炉或腔92中之前或之中，它们移动穿过低速氧气腔93。氧气腔一般是纵长的高压釜，或类似加压加热腔，能够在高于常压的条件下工作。氧气腔93有富氧环境，包括高压上游侧94和低压下游侧96，它们彼此相对，有助于从其中抽取氧气流。
当铸模穿过加热腔的低速氧气腔93时，加热的氧气被导向铸模并穿过它，如图箭头97(图5A)和97’(图5B)所示。氧气在压力下从氧气腔的高气压侧向低气压侧被抽取或流动，从而氧气被强迫进入并可以穿过铸模和/或芯。结果，一部分氧气和砂型/芯的粘合剂材料燃烧，从而改善了在加热腔中的粘合剂材料的燃烧。从粘合剂材料与氧气的改善燃烧为铸模和芯的粘合剂材料的这种改善燃烧进一步提供能量，有助于增强和/或加速铸模的断裂和从它们的铸件上的除去。在铸模上划线或形成减压线更加有助于铸模的这种断裂，如上详细描述，从而对铸模预加应力或将其削弱，从而在粘合剂材料燃烧时，铸模壁易于裂开或破裂，从而铸模会破裂并从它们的铸件上落下成为片段或碎片。
另外，粘合剂的改善燃烧还作为额外的并且通常是传导的热源，而提高铸模组件中的铸件的温度，易于砂芯的粘合剂材料燃烧，使得除去和回收变容易。结果，铸件能够更快地升温至热处理温度，这有助于减少铸件在需要对铸件进行适当和彻底热处理的热处理炉内的停留时间，如在共同未决的2000年7月27日递交的US申请序列号09/627109中所述，其全文披露内容在此引入作为参考。
本发明的技术人员可以理解，尽管已经参考优选实施方案描述了本发明，但是可以对本发明作出各种改进、改变和增加，而不会脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种从铸模中形成的铸件上移去铸模的方法，包括用高能脉冲激励铸模；使铸模破裂；将铸模从铸件上移去；以及热处理铸件。
2.如权利要求1所述的方法，其中高能脉冲以冲击波形式施加。
3.如权利要求2所述的方法，其中冲击波利用以下至少一种设备产生机械设备、炮、加压气体和机电设备以及它们的组合。
4.如权利要求1所述的方法，还包括通过在铸模外壁上形成划线而划刻铸模。
5.如权利要求4所述的方法，其中划线有效地位于预定位置，用于破坏铸模部分并将其从铸件上移去。
6.如权利要求1所述的方法，其中在铸件热处理之前将铸模碎片从铸件上移去。
7.如权利要求1所述的方法，其中从铸件上移去铸模包括加热铸件而使得铸件膨胀。
8.如权利要求7所述的方法，其中加热铸件包括从选自辐射能量、感应能量以及它们的组合的能量源对铸件施加能量。
9.如权利要求8所述的方法，其中能量源选自电磁能量、激光、无线电波、微波以及它们的组合。
10.如权利要求1所述的方法，其中铸模由砂和可降解的粘合剂构成，从铸件上移去铸模包括在铸模在高压富氧气氛中加热时燃烧粘合剂以易于铸模的破裂。
11.一种从铸模中形成的铸件上移去铸模的方法，包括用高能脉冲激励铸模；用足以使得铸模破裂的力将高压流体引导到铸模的外壁上；以及将铸模从铸件上移去。
12.如权利要求11所述的方法，其中高压流体包括加热的空气、热油或水。
13.一种从铸模中形成的铸件上移去铸模的方法，包括划刻铸模以削弱铸模；将高压流体引导到铸模的外壁上；以及将铸模碎片从铸件上移去。
14.如权利要求13所述的方法，其中移去铸模碎片包括加热铸件以使得铸模内的铸件膨胀。
15.如权利要求14所述的方法，其中加热铸件包括利用选自辐射能量、感应能量和其结合的能量源将能量通过铸模导向铸件。
16.如权利要求15所述的方法，其中能量源选自电磁能量、激光、无线电波、微波以及它们的组合。
17.如权利要求13所述的方法，其中铸模由砂和可降解的粘合剂构成，从铸件上移去铸模碎片包括当铸模在高压富氧气氛中加热时燃烧铸模粘合剂以易于铸模的破裂。
18.如权利要求13所述的方法，其中在铸件热处理之前从铸件上移去铸模碎片。
19.如权利要求13所述的方法，其中导向铸模外壁的高压流体包括加热空气、热油或水。
20.一种从铸模中形成的铸件上移去铸模的方法，包括在铸模外壁内的选定位置放置至少一处炸药；引爆炸药使得铸模破裂并成为碎片；以及将铸模碎片从铸件上移去，其中移去铸模碎片包括加热铸件使得铸件膨胀。
21.如权利要求20所述的方法，其中铸模由砂和粘合剂构成。
22.如权利要求20所述的方法，还包括通过在铸模外壁上形成划线而划刻铸模。
23.如权利要求22所述的方法，其中划线的位置与预定位置的炸药有效的结合，用于破坏铸模部分并将其从铸件上移去。
24.如权利要求20所述的方法，其中在铸件热处理之前将至少一部分铸模从铸件上移去。
25.如权利要求24所述的方法，其中加热铸件包括从选自辐射能量、感应能量以及它们的组合的能量源对铸件施加能量。
26.如权利要求25所述的方法，其中能量源选自电磁能量、激光、无线电波、微波以及它们的组合。
27.如权利要求20所述的方法，其中铸模由砂和可降解的粘合剂构成，该粘合剂当铸模在高压富氧气氛中加热时燃烧，以易于铸模的破坏和从铸件上的移去。
28.如权利要求20所述的方法，其中还包括将高压流体引导到铸模的外壁上。
29.如权利要求28所述的方法，其中高压流体包括加热的空气、热油或水。
全文摘要
本发明披露了一种从铸模中形成的铸件上移去铸模的方法，包括用高能脉冲激励铸模；使铸模破裂；将铸模从铸件上移去；以及热处理铸件。
文档编号B22D29/00GK1666831SQ20051006518
公开日2005年9月14日 申请日期2001年5月23日 优先权日2000年7月27日
发明者斯科特·P·克拉夫顿, 保罗·M·克拉夫顿, 沃尔克·R·克诺布洛赫, 小詹姆斯·L·刘易斯, 伊恩·弗伦奇 申请人:联合工程公司