CN102000813A - 集成金属加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于形成和热处理金属铸件的集成设备，所述设备包括：浇注工位，用于将熔融金属浇注到铸模中以形成铸件；位于所述浇注工位下游的工艺温度控制工位，所述工艺温度控制工位包括位于热处理炉中的温度感应装置；其中所述温度感应装置和所述热源适于将铸件温度保持在铸件金属的工艺温度控制或该温度以上，并且其中在接收到来自所述温度感应装置的排放信号时，所述传送机构在铸件进入所述炉之前将其移走。

Description

集成金属加工设备

本申请为申请人的申请号为200580024668.9的进入国家阶段日期为2007年1月22日的国际申请日为2005年6月1日的发明名称为“集成金属加工设备”的发明专利申请的分案申请。

背景技术

传统上，在形成金属铸件的传统方法中，例如具有内腔的金属模具或砂模的铸模充满熔融金属，所述内腔在其内部界定了希望铸件的外部结构。限定铸件内部结构的砂芯容纳或放置在铸模内，当熔融金属围绕砂芯凝固时，形成铸件的内部细节。在铸件的熔融金属凝固后，铸件通常移动到处理炉中进行铸件热处理，去除砂芯和/或铸模的砂子，以及必需的其他处理。热处理工艺调节铸件的金属或金属合金以获得用于给定应用的所需物理性能。

通常，在铸件从浇注工位输送到热处理工位的过程中，特别是如果允许铸件放置相当长的时间，铸件会暴露在铸造或金属加工设备的外界环境中。结果，铸件易于从熔化或半熔化温度开始快速冷却。尽管需要铸件一定程度的冷却以使铸件凝固，但是铸件温度下降得越多，铸件保持在铸件工艺临界温度(还称作工艺温度控制)下的时间越长，将铸件加热到所需热处理温度以及对铸件进行热处理所需要的时间越长。例如，人们已经发现，对于某些类型的金属来说，铸件降低到其工艺温度控制以下的每一分钟，都需要至少约四分钟的额外热处理时间来实现希望的结果。因此，即使降至铸件金属的工艺温度控制之下短短10分钟，也需要至少40分钟左右的额外热处理时间才能获得希望的物理性能。因此，为了获得希望的热处理效果，这些铸件通常需要热处理至少2-6个小时，且在某些情况下时间更长。这导致更多的能量使用，并因此导致更高的热处理成本。

发明内容

简言之，本发明通常包括一种对从金属或金属合金形成的铸件进行浇注、成形、热处理和其他处理的集成金属加工设备。这种集成金属加工设备通常包括浇注工位，在此例如铝或铁的熔融金属，或金属合金浇铸到铸模或模具内，例如永久性的金属铸模、半永久性的铸模或砂型中。然后，所述铸模从浇注工位的浇注或浇铸位置移动到输送位置，在此铸件从其铸模中取出或输送到热处理生产线上。所述传送机构通常包括机器人臂、起重机、高架提升机或升降机、推杆、传送带或类似的传送机构。同样的机构还可用于从铸模中取出铸件并将铸件传送到热处理生产线上。在这种从浇注工位到输送位置和/或到热处理生产线的输送过程中，铸件中的熔融金属可以冷却到足以形成铸件的程度。

所述热处理生产线或热处理单元通常包括工艺温度控制工位和热处理工位或热处理炉，所述热处理炉通常具有一或多个炉腔，以及可选的，具有通常位于热处理工位下游的淬火工位。所述工艺温度控制工位通常为细长的腔或通道，在铸件进入热处理工位之前，通过所述腔或通道接收铸件。所述腔可以包括一系列热源，例如辐射加热器、红外、感应、对流、传导或其他类型的加热元件。所述工艺温度控制工位的壁和顶也可以包括辐射材料，当铸件和/或铸模移动通过所述腔时，这些材料通常朝所述铸件和/或铸模辐射或引导热量。可选地，可以使用一系列热源，包括辐射加热元件，例如红外和感应加热元件、对流、传导或其他类型的热源以在铸件或铸模从浇注工位传送到热处理工位时将热量导引到铸件或铸模。此外，可以将加热元件或热源直接安装到传送机构上以加热铸件和/或砂型。

当铸件和/或其中带有铸件的铸模穿过工艺温度控制工位时，铸件的冷却被限制在工艺温度控制或该温度以上。工艺温度控制通常是铸件金属所需的固溶热处理温度以下的温度，从而使铸件冷却到足以使它们凝固的数量或程度，但在此温度之下，将铸件升高到其固溶热处理温度以及随后对铸件热处理所需的时间按指数规律增加。铸件保持在其工艺温度控制或该温度以上直到所述铸件进入热处理工位为止。

通过阻止铸件冷却以及随后使铸件保持在铸件金属的基本工艺温度控制或该温度以上的温度下，铸件热处理所需要的时间可以明显减少。因此，铸件浇注工位的输出量可以增加，这样，铸件的整个加工和热处理时间可以减少。

在进入热处理炉之前，铸件通过入口区。铸件温度受到监视以确定温度是否降至预设或预定排出温度以下。如果铸件温度等于或低于排出温度，可以使用任何适当的装置将铸件从热处理生产线上取走。如果铸件为可接受的，它就前进到用于热处理的热处理炉。

热处理单元可以包括有助于取走和/或回收砂芯和/或铸模的结构。其后，铸件可以进行附加的处理，例如，淬火、时效处理和/或其他热处理。

对于本领域的技术人员来说，在阅读了下面结合附图的详细描述后，本发明的各个目的、特征和优点将更为明显。

附图说明

图1A是根据本发明各个方面的示例性金属加工系统的示意图；

图1B是根据本发明各个方面的另一个示例性金属加工系统的示意图，显示了从多个浇注工位到热处理单元的铸件的收集和输送；

图1C是根据本发明各个方面的另一个示例性金属加工系统的示意图，其中从铸模中取出冷却物；

图1D是根据本发明各个方面的另一个示例性系统，显示了包括加热装置在内的传送机构；

图2A是根据本发明各个方面的示例性工艺温度控制工位和热处理工位的顶部平面图；

图2B是图2A所示工艺温度控制工位和热处理工位的侧面正视图；

图3是根据本发明各个方面的示例性成批处理系统的透视图；

图4A和4B显示了根据本发明各个方面的示例性工艺温度控制工位，包括对流热源；

图5A和5B显示了根据本发明各个方面的另一个示例性工艺温度控制工位，包括直接热源/冲击(impingement)热源；以及

图6A和6B显示了根据本发明各个方面的另一个示例性工艺温度控制工位，包括辐射热源。

具体实施方式

现在详细地参照附图，在附图中相同的附图标记表示相同的部件。图1A-3示意地示出了集成金属加工设备或系统5以及加工金属铸件的方法。金属铸造工艺通常是本领域技术人员所公知的，下面出于参考目的仅简要描述传统的铸造工艺。本领域的技术人员可以理解，本发明可以用于任何类型的铸造工艺，包括用于成形铝、铁、钢和/或其他类型的金属和金属合金铸件的金属铸造工艺。因此，本发明并不且不应当仅限于与特定铸造工艺或特定类型的金属或金属合金一起使用。

如图1A所示，熔融金属或金属合金M通常在浇注工位或浇铸工位11浇注到模具或铸模10中以形成铸件12，例如，汽缸头、发动机本体或类似铸件。由砂子和例如酚醛树脂的有机粘合剂制成的型芯13容纳或放置在铸模10中，从而产生铸件内的空腔和/或铸件细节或型芯座。可选地，每个铸模可以是永久性的铸模或模具，通常由金属，例如钢、铸铁或本领域已知的其他材料制成。这种铸模可以具有蛤壳式设计，以便于打开和从中取出铸件。仍可选地，所述铸模可以是“精密砂型”式铸模和/或“湿砂型”，这些铸模通常由与粘合剂，例如酚醛树脂或本领域已知的其他粘结剂混合的砂质材料，例如硅砂或锆砂制成，类似于砂型芯13。所述铸模还可包括半永久性的砂型，它通常具有外部铸模壁，该壁由砂子和粘结材料、例如钢的金属、或两种材料的组合制成。

应当理解的是，术语“铸模”在下文中通常用于指上述所有类型的铸模，包括永久性的或金属模具、半永久性的和精密砂型式铸模、以及其他金属铸模，但指出特定类型铸模的情况除外。还应当理解的是，在下述各个实施例中，除非指出了特定类型的铸模和/或热处理工艺，否则本发明可用于对已经从永久性铸模中取出的铸件进行热处理，或对仍保持在砂型中的铸件进行热处理以便进行组合的热处理，以及破坏砂型，回收砂子。

如图1A所示，每个铸模10通常包括侧壁14、上壁或顶部16、下壁或底部17，这些壁共同形成了内部空腔18，熔融金属容纳在该空腔中并形成铸件12。浇口19通常在每一铸模的上壁或顶部16上形成且与内部空腔连通，用于在浇注工位11处使熔化金属通过每一铸模并进入内部空腔18。如图1A-1C所示，浇注工位11通常包括用于将熔融金属M浇入铸模中的铸包或类似的机构21。所述浇注工位11还包括传送带22，例如圆盘式传送带、活塞、分度结构或类似的传送机构，将一或多个铸模从浇注或浇铸位置23移动到输送点或位置24，其中在浇注位置熔融金属浇注到铸模中，在输送位置将铸件从其铸模中取出或将其中带有铸件的铸模从浇注工位输送到热处理单元26或热处理生产线上。当熔融金属已经浇注到铸模中之后，铸模传送到输送位置，其中，金属在金属所需的模具中冷却到希望的程度或温度以凝固形成铸件。铸件随后在希望的热处理温度下进行热处理。

人们已经发现，当铸件金属冷却时，它达到此处称作“工艺温度控制”或“工艺临界温度”的温度或温度范围，低于这一温度，铸件温度升高到热处理温度以及进行热处理所需的时间都显著增加。本领域的普通技术人员应当理解，用于由本发明处理的铸件的工艺温度控制将根据铸件使用的特定金属和/或金属合金、铸件的尺寸和形状、以及许多其他因素而改变。

在一方面，工艺温度控制对于一些合金或金属来说为大约400℃。在另一方面，工艺温度控制可以为大约400-600℃。在另一方面，工艺温度控制可以为大约600-800℃。在另一方面，工艺温度控制可以为大约800-1100℃。在另一方面，工艺温度控制对于一些合金或金属，例如铁来说可以为大约1000-1300℃。在一个特定实例中，铝/铜合金可以具有大约400-470℃的工艺温度控制。在该实例中，工艺温度控制通常在用于大多数铜合金的固溶热处理温度之下，所述固溶热处理温度典型地为大约475-495℃。尽管此处提供了特定实例，但是应当理解，根据铸件使用的特定金属和/或金属合金、铸件的尺寸和形状、以及许多其他因素，工艺温度控制可以是任何温度。

当铸件的金属处于希望的工艺温度控制范围内时，铸件典型地冷却到足以按照希望的那样凝固。然而，如果允许铸件金属冷却到其工艺温度控制以下，人们已经发现，铸件金属在工艺温度控制以下冷却1分钟，铸件就需要额外加热至少大约4分钟以达到希望的热处理温度，例如对于铝/铜合金来说为大约475-495℃，或者对于铝/镁合金来说为大约510-570℃。因此，即使铸件在其工艺温度控制下冷却很短的时间，适当且彻底地热处理所述铸件所需要的时间也会显著变长。另外，应当认识到，在例如图1B、1C和1D中显示的成批处理系统中，其中几个铸件通过热处理工位在一批中处理，用于整批铸件的热处理时间通常基于该批中具有最低温度的铸件所需的热处理时间。因此，如果该批中被处理的铸件之一已经冷却到低于其工艺温度控制以下，例如，持续大约10分钟，整批通常需要，例如额外持续至少40分钟的热处理以确保所有铸件被适当并彻底地热处理。

因此，本发明的多个方面涉及集成处理设备或系统5(图1A-图3)和处理金属铸件的方法。所述各个系统设计成使(位于其铸模内或与铸模分离)铸件从浇铸工位11移动和/或传送到热处理系统或单元26，同时使熔融金属的冷却达到金属的工艺温度控制或该温度以上，但低于或等于其希望的热处理温度以允许铸件凝固。因此，本发明的多个方面包括用于监视铸件温度的系统以确保铸件大致保持在工艺温度控制或该温度以上。例如，热电偶或其它类似的温度传感装置或系统可以放置在所述铸件上，或邻近该铸件放置，或放置在沿着从浇铸工位到热处理炉的铸件移动路径的间隔位置上以提供大致连续的监视。可选地，可以采用确定为足够频繁的时间间隔进行周期性监视。这种装置可以与热源相连，这样，温度测定或传感装置和热源可以配合以将铸件的温度大致保持在铸件金属的工艺温度控制或该温度以上。应该清楚，铸件温度可以在铸件上或铸件中的一个特定位置测量，或者可以是通过测量铸件上或铸件中的多个位置处的温度而计算出的平均温度，或者根据特定应用所需要或希望的任何其他方式测量。因此，例如，铸件温度可以铸件上或在铸件中的多个位置处测量，并且总温度值可能计算或确定为所测最低温度、所测最高温度、所测中间温度、所测平均温度或其任何组合或变化。

此外，在进入热处理炉之前，铸件可以穿过入口或排出区110，其中每个铸件的温度得到监视以确定该铸件是否已经冷却到需要过多的能量来将温度提高到热处理温度的程度。入口区可以包括在工艺温度控制工位中，或者可以为分开的区域，如所有附图中通常指出的那样。铸件温度可以通过任何适当的温度传感或测量装置，例如热电偶进行监视以确定铸件温度是否已经达到或降到预设或预定的排出温度以下。在一方面，所述预定排出温度可以是铸件金属的工艺温度控制以下的温度(例如，大约10-20℃)。在另一个方面，所述预定排出温度可以是热处理炉或烤炉的热处理温度以下(例如，大约10-20℃)的温度。如果铸件已经冷却到等于或低于预定温度的话，所述控制系统可以向传送或移除机构发送排出信号。响应于缺陷情况或信号的检测，本铸件可被识别以便进一步评估或者可以从传送生产线上取下。铸件可以通过任何适当的机构或装置，包括但不限于，机器人臂或其它自动装置取走，或者所述铸件可以由操作者手动取走。

如上所述，应该清楚，铸件温度可以在铸件上或铸件中的一个特定位置测量，或者可以是通过测量铸件上或铸件中的多个位置处的温度而计算出的平均温度，或者根据特定应用所需要或希望的任何其他方式测量。因此，例如，铸件温度可以在铸件上或铸件中的多个位置处测量，并且总值可能计算或确定为所测最低温度、所测最高温度、所测中间温度、所测平均温度或其任何组合或变化。

在图1A和2A-2B中，示出了集成设备5以及用于移动和/或加工铸件的工艺的第一实施例。图1B和3还示出了集成设备5以及成形和处理铸件的工艺的补充、可选实施例，其中铸件在批处理式装置中通过热处理进行收集和加工。然而，本领域的技术人员可以理解，本发明的原理同样可以适用于批量型和铸件单个通过所述设备的连续处理型设备。因此，下述的实施例并不而且不应当仅限于连续或批量型的加工设备。图1C和1D还示出了本发明的用于执行附加加工步骤的可选实施例，例如，从铸件上去除冷却物(图1C)或将铸件输送到多个热处理炉中(图1D)。另外，本领域的技术人员可以理解，下文论述的且在附图中示出的实施例的各个结构可以组合形成本发明的补充实施例。

在图1A和2A-2B示出的实施例中，通过传送机构27在输送或浇注工位11将铸件12从其铸模10中取出。如图2A和2B所示，输送系统或机构27通常包括机器人臂或起重机28，然而本领域的技术人员可以理解，可以使用移动铸件和/或铸模的各种其他系统和装置，例如高架式提升机或升降机、传送带、推杆或其他类似的材料搬运机构。如图1A、1B和2A所示，机器人臂28通常包括用于接合或夹持铸模或铸件的接合或抓持部分或夹钳29、和基座31，机器人臂28可旋转地安装在所述基座上，从而可在浇注工位的输送点24和热处理生产线之间如箭头32和32′(图2A)所示移动。另外，如图1B所示，传送机构可用于从多个浇注工位11和11′输送铸模和/或铸件，并可以将所述铸模和/或铸件输送到多个热处理生产线或单元26(图1C)。

通常，内部带有铸件的铸模从浇注工位11移动到拾取或输送点24(图2A)，其中传送机构27通常拾取其内部容纳有铸件的铸模，或从其铸模中取出铸件12并将铸件12输送到热处理单元26。这样，同一个操作器或传送机构可用于从浇注工位取出铸件，并将铸件送入热处理单元。通常，热源或加热元件33邻近于输送点28设置以给铸件提供热量。所述热源通常可包括任何类型的加热元件或热源，例如传导、辐射、红外、对流和直接冲击型的热源。如图2A所示，可以使用多个热源33，其定位为在从浇注工位向热处理生产线的输送过程中向铸件高效地供热。

通常，在永久性或金属模具或铸模的情况下，铸模在输送点处打开，并通过传送机构取出铸件，如图1D所示。然后，所述传送机构将铸件输送到集成加工设备5的热处理单元、生产线或系统26的一或多个入口传送带34(图1B和2A)上。当铸模打开并取出铸件时，随着铸件输送到热处理单元而使铸件暴露于铸造厂的外界环境，热源33(图2A)直接向铸件施加热量，阻止或以其他方式控制铸件的冷却，从而可以使铸件大致保持在铸件金属的工艺温度控制或该温度以上。

对于半永久性或砂型中制成的铸件的加工来说，在热处理过程中铸件通常保持在其铸模中，在此期间，通过保持铸模砂子的粘结剂材料的热降解而使铸模破坏，传送机构27将其中容纳有铸件的整个铸模从输送点输送到入口传送带34。因此，热源33将继续向铸模本身施加热量，并且所施加的热量受到控制以使铸模内的铸件温度维持在大致铸件金属的工艺温度控制或该温度以上，且不会导致铸模过度或过早解体。

在下文中，当提到输送、加热、处理或其他方式移动或加工铸件时，除非另外指出，否则可以理解这种论述包括取出和加工铸件本身而没有它们的铸模，以及铸件保持在砂型中进行热处理的工艺，铸模和砂芯的破坏，以及砂子的回收，如美国专利No.5,294,994，No.5,565,046，No.5,738,162，No.6,217,317以及未审结的2000年9月9日提交的美国专利申请No.09/665,354和2002年1月18日提交的美国专利申请No.10/051,666中公开的内容，其内容在此整体引入作为参考。

如图1A和2A-2B所示，铸件开始由入口传送带34(图2A和2B)，或传送带34和34′(图1B)分度或传送至预置腔室或工艺温度控制工段或模块36中。如图2A和2B所示，工艺温度控制工位或模块通常包括加热的内腔37，其中铸件和/或其内部带有铸件的铸模在链式传送带、滚轮或类似的传送机构38上，顺着其沿热处理生产线的处理路径输送通过内腔37。铸件在上游或入口端39进入腔室37，并通过下游或出口端41离开腔室37，且通常直接送入热处理生产线26的热处理炉或工位42中。工艺温度控制工位的入口和出口端39和41还可打开，或可包括门或类似的封闭结构，如图2B中标记43所示，以有助于密封腔室37从而避免过多的热量损失。通常，铸件从工艺温度控制工位36直接送入热处理工位42，其中，热处理和工艺温度控制工位连接在一起，进一步避免了潜在的热量损失，如果希望的话，还允许均分热量。

腔室37通常是辐射腔，包括一系列安装在其中的热源45，所述热源沿腔室的壁46和/或顶47放置。通常，可以使用多个热源45，且可包含一或多个不同类型的热源或加热元件，包括辐射加热源，例如红外、电磁或感应能源，传导，对流或直接冲击型热源，例如将燃气火焰导入腔室中的气体燃烧管。另外，辐射腔室37的侧壁和顶壁通常由高温辐射材料制成或涂覆有高温辐射材料，例如金属、金属薄膜或类似材料、陶瓷或能够辐射热量的复合材料。所述辐射涂层通常在侧壁和顶壁上形成不粘表面。当腔室的侧壁和顶壁加热时，侧壁和顶壁易于朝铸件辐射热量，同时所述表面通常能加热到足以将废气和残余物质，例如砂型和/或砂芯中的粘结剂燃烧产生的煤烟等燃尽的温度，以避免其在腔室的侧壁和顶壁上积聚。

图4A-6B示出了工艺温度控制工位的多种不同的实施例。图4A-4B示出包括对流型热源45的工艺温度控制工位36。每个对流热源通常包括一或多个通过导管52连接于加热的介质源的喷嘴或鼓风机51。在这方面，鼓风机51布置或定位于腔室37的顶壁47和侧壁46周围，从而可以使加热的介质，例如空气或其他气体、和/或流体导入腔室中，并对着容纳于其内部的铸件和/或铸模导入。所述对流鼓风机通常倾向于在铸件周围产生扰动的加热流体流，如箭头53所示，以将热量基本上施加到铸件和/或砂型的所有侧面上。结果，铸件温度大致保持在铸件金属的工艺温度控制或该温度以上。另外，当铸件在其砂型中进行加工处理的情况下，在工艺温度控制工位中施加的热量用于加热铸模，将其温度升高到分解或燃烧温度，在该温度下，其中的粘结剂材料开始燃烧、热解或以其他方式分离。

在另一方面，鼓风机或喷嘴52定位在邻近其入口端的工艺温度控制工位的前面，在较高的速度和/或温度下运行，以便更快地阻止铸件和/或铸模的冷却。朝着腔室的中部和/或端部，例如工艺温度控制工位的出口定位的喷嘴或鼓风机52可以在较低的温度和速度下运行，从而避免砂型完全降解，同时允许铸件凝固。

可选地，图5A和5B示出了工艺温度控制工位36′的另一实施例，其中热源45′通常包含一或多个辐射加热器54，例如红外加热元件、电磁能源或类似的辐射加热源。在一方面，辐射加热器54可以在工艺控制工位36的辐射腔室37的侧壁和顶壁46和47周围，布置在多个位置或设置在希望的位置和方位上，例如，类似于对流鼓风机51的布置。与对流加热源52一样，当铸件进入工艺温度控制工位时，靠近腔室入口端的辐射加热器可以在较高的温度下运行以更为迅速地阻止砂型内铸件的冷却。另外，真空鼓风机、泵或排气扇/系统56可以通过导管57连接于辐射腔室以在辐射腔室37中产生负压。这样，可以从腔室内抽出砂芯和/或砂型的粘结剂燃烧产生的热量和/或废气，从而避免辐射加热器元件过热。

在图6A和6B中示出了工艺温度控制工位36″的另一实施例，其中示出了直接冲击型热源45″。该直接冲击型热源包括一系列以组或阵列方式布置在辐射腔室37内选定位置或方位上的燃烧器或喷嘴58。这些燃烧器58通常经导管59连接于燃料源，例如天然气等。直接冲击型热源的喷嘴或燃烧器元件大致朝向铸件的侧壁、顶部和底部施加热量。因此，铸件充分均匀地受热，并且从中释放出的砂质材料还可以露出以直接加热，以便将其粘结剂材料燃尽。

本领域的技术人员可以理解，这些不同的热源可以在辐射腔室中组合使用。而且，多个腔室可以串联使用以在工艺温度控制或该温度以上阻止铸件的冷却，其后在铸件进入热处理工位之前，保持铸件温度。

在另一方面，浇注熔融金属时产生的废气可以导入工艺温度控制工位36的辐射腔室，如箭头60所示，以便可以从加热金属铸件的过程中均分热量和回收能量。在另一方面，由于热处理工位42内铸件砂芯和/或砂型中的粘结剂破坏和燃烧以及铸件热处理产生的多余热量也可以返回到工艺温度控制工位，如图1A中的虚线箭头61所示，以助于加热工艺温度控制工位的辐射腔室的内部环境。这种废气和热量的回收有助于减少将工艺温度控制工位的腔室加热到希望或必需的温度以阻止经过腔室的铸件冷却所需的能量。

另外，如图2B、4A、5A和6A所示，沿工艺温度控制工位36的底部形成收集漏斗或斜槽62，其位于辐射腔室37之下。这种漏斗62通常包括在其下端64向下倾斜的侧壁63。当粘结剂在工艺温度控制工位中开始热降解时，所述倾斜侧壁收集铸件砂芯和/或砂型中脱落的砂子。砂子通常向下流到位于漏斗62的开口下端之下的收集传送带66上。通常沿漏斗62的壁的下部64放置流化系统或机构67。该流化装置通常包括燃烧器、鼓风机、分配器或类似的流化单元，例如，在美国专利No.5,294,994，No.5,565,046，No.5,738,162中公开和要求保护的，其内容在此引入作为参考，其中将加热的介质流，例如空气或其他流体加入到砂子中，促使粘合剂进一步降解，从而有助于使从铸件上脱落的砂子和粘结剂形成的结块破碎，以便回收砂芯和/砂型的砂子，使铸件为纯净的形式。回收的砂子收集到传送带66上，并传送离开工艺温度控制工位。

另外，如图1A、2A、2B、4A、5A和6A所示，用于铸件砂芯和/或砂型中粘结剂材料的燃烧产生的多余热量和废气也可以收集或从工艺温度控制工位36的辐射腔室37中抽出，并导入热处理工位42，如图1A中的箭头68所示。多余热量和废气从工艺温度控制工位通向热处理工位使得在工艺温度控制工位的腔室内产生的热量可以回收，以及在热处理腔室中砂型和/或砂芯的粘结剂降解产生废气的继续加热和/或燃烧。如图1A所示，鼓风机或类似的空气分配机构69通常被进一步沿热处理工位安装，并且通常将在铸件的热处理过程中以及铸件的砂芯和/或砂型的粘结剂材料燃尽过程产生的废气抽出。这些废气由鼓风机收集，并且通常导入对这些废气进一步处理和燃烧的焚化炉71中，从而对这些废气进行再处理，并减少铸件和热处理工艺造成的污染物数量。还可以使用过滤器以在废气进入热处理工位前进一步过滤来自于工艺温度控制工位的废气，和/或过滤从热处理工位到焚化炉的气体。

因此，所述工艺温度控制工位用作热处理工位或腔室前的嵌入区域，其中当铸件等待进入热处理工位时，铸件可以被保持在或限制在工艺温度控制或该温度以上，但低于所需的热处理温度。因此，所述系统能使浇铸生产线以更快或更有效的速度运行，而铸件不必在暴露于外界环境下时排队等候送入热处理工位中，从而导致铸件冷却到它们的工艺温度控制以下。此后，这些铸件可以单独，如图1A，1C和2A-2B所示，或成批，如图1B、1C和3所示，输送到热处理工位42中进行热处理，使所述砂芯和/或砂型破坏并去除，以及在某些情况下回收砂子。

热处理工位42(图2B)可以是细长的炉子，包括一或多个连续安装的炉腔75，传送带76延伸穿过所述炉腔以输送铸件。热源77(图2A)包括施加例如空气或其他流体的加热介质的对流热源，例如鼓风机或喷嘴，传导热源，例如流化床，感应、辐射和/或其他类型热源可以安装在腔室75的壁和/或顶壁内，用于在不同程度和数量的铸件周围提供热量以及可选气流，从而将铸件加热到适当的热处理温度。这种希望的热处理温度和热处理时间将根据形成铸件的金属或金属合金的类型而改变，这是本领域的技术人员所公知的。

适于和本发明一起使用的各种热处理炉的实例包括在美国专利No.5,294,994、No.5,565,046和No.5,738,162中示出的那些热处理炉，其内容在此引入作为参考。与本发明一起使用的热处理炉或工位的另一实例公开并显示于美国专利No.6,217,317、2000年9月9日提交的美国专利申请No.09/665,354和2002年1月18日提交的美国专利申请No.10/051,666中，其内容在此全部引入作为参考。这种热处理工位或炉可以包括回收在铸件热处理期间从砂芯和/或铸模脱落的砂子的结构。

热处理之后，铸件通常从热处理工位中取出并移动到淬火工位78(图1A)，用于清洗和进一步处理。所述淬火工位通常包括具有冷却流体，例如水或其他已知冷却液的淬火槽，或可以包括具有一系列喷嘴的腔室，所述喷嘴喷出冷却流体，例如空气、水或类似冷却介质。然后，取出铸件根据需要进行进一步清洗和处理。

在图1B中示出了集成设备5的另一实施例。该设备5包括显示为起重机或机器人臂28的传送机构27，其将铸件从多个浇注生产线或工位11和11′上取下。在该实例中，所述浇注生产线或工位11和11′显示为圆盘传送带型系统，其中铸模可以在浇注或浇铸位置23和输送点24之间旋转。传送机构27接合并输送其内部带有铸件的砂型，或将铸件从铸模中取出并将铸件输送到热处理单元26的一或多个入口传送带34和34′。这些铸件可以单独地移入和通过工艺温度控制工位36引入热处理工位42中，或可以收集到筐斗中或传送托盘79中，用于成批处理铸件。

在图1B所示的示例性系统5中，工艺温度控制工位36通常形成为界定了腔室82的细长辐射管道81，铸件或其内部容纳有铸件的砂型可以经过该腔室移动或传送。辐射管道81包括沿其安装的一系列热源83，例如上文参照图2A-2B和4A-6B的实施例描述的多种不同热源45、45′和45″。通常，辐射管道81的腔室82的壁84和顶壁由耐火材料制成或涂覆有耐火材料，使得在辐射管道中产生的热量朝向铸件反射和/或辐射。铸件可以收集和/或存放在筐斗79或位于辐射管道81端部的收集工位86中的类似传送托盘内。这种筐斗79或托盘用于容纳通过热处理工位42的铸件和/或铸模。铸件可选地收集在筐斗中用于在铸件通过工艺温度控制工位36的辐射腔室或通道之前在热处理工位中进行批处理，如图1C和3所示。

在图1C中示意地示出了本发明的集成设备5的另一实施例。在该实施例中，工艺温度控制工位36，显示为细长的辐射管道或腔室81(如针对图1B所述)，连接或送入冷却物去除工位87。该冷却物去除工位87与热处理工位42相连并将铸件送入热处理工位42中。通常，所述铸件在保持于半永久性或砂型中时移动和热处理或加工，其中所述砂型还包括安装在其中的“冷却物”。冷却物通常是由钢或类似材料制成的金属板，具有用于形成铸件表面的所需设计结构的设计形状(relief)，并且在浇注熔融金属材料时或在此之前，将冷却物放入铸模中。因此，在铸件热处理前必须取出冷却物，或回收所述冷却物并重新使用。在通过辐射管道81的腔室82之后，在此期间，砂型的燃烧通常将至少部分地开始，冷却物可以非常容易地取出，而不会明显延误铸模和铸件向热处理工位42的移动。当在冷却物去除工位去除冷却物后，其内有铸件的铸模通常直接送入热处理工位进行热处理，砂芯和砂型破坏，并且回收砂子。

在图1D中示出了本发明的集成设备的另一实施例。在该实施例中，铸件通常可以从铸模中取出并且输送到入口传送带90或91上用于直接送入一或多个热处理炉或工位92中。可选地，如果铸件在砂型内形成，则整个铸模可以从输送点28输送到入口传送带90或91之一上。如图1D所示，铸件从铸模中取出并随后输送铸件，或其内部容纳有铸件的铸模从浇注工位取出并输送到热处理工位92，这通常可以由同一传送机构或操作器完成。

在该实施例中，热源93安装在传送机构27上，当铸件从浇铸生产线的输送点移动到热处理炉92的入口传送带90或91之一时，该热源直接向铸件和/或砂型施加热量。如上所述，所述热源可以包括辐射能源，例如红外或电磁发射器，感应，对流和/或传导热源，或对于本领域的技术人员来说显而易见的其他类型的热源。当铸件或铸模输送到入口传送带时，来自于安装在传送机构27上的热源93的热量导向铸件或铸模的一或多个表面，例如顶部和/或侧面，从而可以阻止铸件和/或铸模的冷却，因此将铸件金属的温度基本上保持在该金属的工艺温度控制或该温度以上。

其他热源94可以安装在入口传送带90和91上方或附近，如图1D所示，或沿如箭头96、96′、97和97′指示的传送机构的行进路径安装以保持铸件温度。另外，鼓风机、风扇或其它类似的空气移动装置(未示出)也可以放置在传送机构附近，或沿如箭头96、96′、97和97′所示的传送机构的行进路径放置，用于将加热介质，例如空气或其他加热的流体施加到其上。鼓风机分配施加给铸件和/或铸模的热量以使在从浇注生产线传送到热处理炉92期间铸件的不均匀加热或冷却最小化。使用这种安装在传送机构上，以及在某些装置中沿铸件的行进路径安装的热源或加热元件可以实现工艺温度控制工位的功能，从而有助于阻止铸件的冷却并使铸件保持在工艺温度控制或该温度以上。

图3显示了本发明的另一实施例。在该实例中，铸件和/或砂型可以通过传送机构27直接放在收集筐斗或传送托盘100中，并输送到用于批量热处理的工艺温度控制工位中。在这种装置中，铸件12通常装入传送托盘100的一系列舱室或腔室101中，其中铸件放置在已知的分度位置，以便当铸件进入并通过工艺温度控制工位102和热处理工位103时，可以直接施加除芯或其他功能的热量，如2000年9月9日提交的美国专利申请No.09/665,354所公开和要求保护的，其内容在此引入作为参考。在这一实施例中，当铸件装入时，托盘100通常分度进入和离开工艺温度控制工位的腔室104，如箭头106和106′所示。结果，使铸件在外界环境中的暴露最小化，同时托盘的各其他舱室101中装有该批中剩余的铸件，其中铸件在外界环境中的暴露将使铸件冷却到工艺温度控制或临界温度之下。

另外，如图3所示，还可以为托盘100的每个舱室101提供定向热源107。例如，当第一舱室101′中装有铸件12′且分度进入工艺温度控制工位102时，第一热源107′对位于特定舱室中的铸件和/或砂型导引热量。然后，当后续的铸件或铸模装入筐斗的其他腔室或舱室时，导向这些舱室的附加热源107开始工作。因此，工艺温度控制工位的腔室104的加热可以根据需要限制在或导向特定区域，以便更有效地加热铸件。

如图3所示，一系列鼓风机或其它类似空气移动装置108可以安装到工艺温度控制工位的顶部，用于抽出砂芯和/或砂型粘结剂材料降解产生的废气。随后，气体和废热通过导管109导入热处理工位103，进行热量回收并减轻污染，并且还有助于避免可燃废物在工艺温度控制工位102腔室的侧面和顶部积聚。

因此，本领域的技术人员应该理解，根据上文的详细描述，本发明具有广泛的应用。在不脱离本发明本质和范围的情况下，除了此处描述之外的本发明的许多改型，以及许多变化、修改和等效布置将通过本发明和上述详细描述变得显而易见或合理。

尽管此处针对特定方面对本发明进行了描述，但是应当理解，该详细说明只是本发明说明和示例性的，并且只是出于提供充分公开本发明的目的做出。此处阐述的详细说明既不用于限制本发明也不排除本发明的任何其他这类实施例、改型、变形、修改和等效布置，本发明仅限制于所附权利要求及其等效描述。

Claims (6)

1.一种用于形成和热处理金属铸件的集成设备，该设备包括：

浇注工位，用于将熔融金属浇注到铸模中以形成铸件；

位于所述浇注工位下游的工艺温度控制工位，所述工艺温度控制工位包括与热源和传送机构相连的温度感应装置；和

位于所述工艺温度控制工位下游的热处理炉；

其中所述温度感应装置和所述热源适于将铸件温度保持在铸件金属的工艺控制温度或该温度以上；和

其中在接收到来自所述温度感应装置的排放信号时，所述传送机构在铸件进入所述炉之前将铸件移走。

2.如权利要求1所述的集成设备，其中所述工艺温度控制工位还包括与所述温度感应装置和所述热源相连的控制器，所述控制器控制施加给铸件的热量以将铸件温度保持在铸件金属的工艺控制温度或该温度以上。

3.如权利要求1所述的集成设备，其中所述传送机构在铸件温度在下列温度以下10℃-20℃时接收排放信号：

(a)铸件金属的工艺控制温度，其中所述工艺控制温度是一温度，在该温度下，铸件温度每降低一分钟，就需要进行至少四分钟的额外热处理时间以达到希望的铸件性质，或

(b)热处理炉的温度。

4.一种形成和热处理铸件的方法，该方法包括：

将熔融金属浇注到铸模中以形成铸件；

监视铸件温度；

将铸件温度与预定排放温度进行比较，如果所述温度等于或低于所述排放温度，排放所述铸件；

将铸件温度与预定工艺控制温度进行比较，如果所述温度高于所述排放温度但低于所述工艺控制温度，给所述铸件施加热量；和

对所述铸件进行热处理。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述排放温度为铸件金属的工艺控制温度以下10℃-20℃，其中所述工艺控制温度为一温度，在该温度下，铸件温度每降低一分钟，就需要进行至少四分钟的额外热处理时间以达到希望的铸件性质。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述排放温度为热处理炉温度以下10℃-20℃。

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