CN102239020A - 用于改善砂模中铝铸件的冷却的自动系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于对流冷却包含熔融金属的砂型铸铸造模的改善且有效的方法和装置，其利用垂直设置的冷却单元(在从熔融温度到较低的凝固温度的冷却期间，优选的布置在临时存储所述砂模的壳体内的多个架子上)。冷却空气循环通过所述壳体中的冷却单元，与被动的空气冷却方式相比，减少了用于凝固所述砂模包装中的熔融金属的所需时间。机器人用于在所述壳体中从输入装置上运动热砂模包装至所述的架子，并还将冷却了的砂模包装从所述架子上运动到壳体内的出料口上。机器人设置有程序，可以根据各个模具容纳的金属凝固所需要的时间来在壳体内保持模具至相应的时间(基于所给的各个砂模包装特有的冷却经验常数或基于由于凝固产生的其他合适的、可辨别的物理属性)。
Description
技术领域
本发明涉及铸造及金属铸件领域。更特别地，本发明教导了一种引用冷却填充有熔融金属的砂模铸造包装的改善的自动且有效率的系统，其通过空气对流冷却使冷却大量砂模包装的所需空间最小化，并且还具有改善铸件质量以及节省资金和操作成本的另外的优点。
背景技术
在金属铸造行业，在将铸件送到工艺中的下一步骤之前，包含熔融金属的模具必须足够地冷却下来以凝固金属；例如从模具中取出铸件然后除去用于形成工件预期几何形状的砂芯。在一些采用永久模具的工艺中，在模具特定的金属部分循环通过冷却液来加快铸件的冷却。铸造的产率取决于铸件充分达到凝固状态以便将其从模具取出所需的时间；然后再次连续填充所述模具来铸造下一个铸件。如果模具由砂制成，铸件冷却下来所需的时间相对较长，因为砂模包装不像永久模具那样具有理想的传热性能以快速冷却，因而这些砂模需要较长的冷却时间。
砂模填充熔融金属被快速完成，大约20-50秒的时间量级。因此，主要关注冷却时间。根据长期建立的实践，在其冷却过程中需要提供大量的场地空间来存放热砂包装。包含熔融金属的砂模需要足够的空间以便有充足的空气对流冷却。这些实践要求铸造厂中的大占地面积并且这可能成为影响铸造厂提高产率的重要因素。
目前常规实践的其他缺陷之一是由于加热用作砂模中的粘结剂的树脂，产生有害烟气和来自砂模及其芯的蒸气的释放，这导致产生气味并污染模具及其铸件冷却的车间区域。
授予Kimura的美国专利US 5771956仅部分讨论了在包含有熔融金属的模具的冷却期间，大规模生产铸件长期需要更加有效的处理的问题。Kimura描述了具有一排冷却线的设备，其包括几条平行轨道线，其水平布置以容纳加轮的模具承载器。该系统仍然有需要大车间空间的缺点。而且，Kimura没有提及对污染烟气和蒸气的排放相关的问题和解决方案，也没有提及通过主动减少熔融铸件凝固所需的时间来提高产率的需要。
本发明将以上内容引入作为参考。
发明目的
本发明克服了现有系统中的缺点并提供一种提供了较多优点的用于冷却包含熔融金属的砂模的冷却系统。
因而本发明的一个目的就是提供一种改善的用于包含熔融金属的砂模的冷却系统，其提高了铸造的产率。
本发明的另一个目的就是提供一种改善的且有效的用于包含熔融金属的砂模冷却系统，其有利地控制从热砂模和芯中发出的烟气和气味，在铸造厂中产生更干净的环境。
本发明的再一个目的就是提供一种改善的且有效的用于包含熔融金属的砂模冷却系统，其可通过自动编程的机器人和装置进行操作。
发明内容
本发明上述的目的大致通过一种用于对流冷却包含熔融金属的铸造砂模的设备得以实现，所述设备包括：封闭壳体，其具有顶部和侧壁；包含在所述壳体内的多个垂直排列的单元，以暂时存放所述铸造砂模，用于使其从熔融温度水平冷却到较低的凝固温度水平；用于主动产生冷却空气流通的装置，所述冷却空气循环通过所述单元并且围绕其中的所述模具，从所述壳体中的至少一个入口冷却空气源到所述壳体的至少一个热空气出口，由此与所述铸造砂模的被动空气冷却相比，所述铸造砂模的冷却被加速并且凝固时间被减少；以及可编程的机器人，其用于将每个热的铸造砂模从所述壳体中的进料口运动到相应的单元，并且用于将包含凝固金属的冷却的铸造砂模从所述相应的单元运动到所述壳体中的出料口。
本发明的目的还可以通过提供一种用于对流冷却包含熔融金属的铸造砂模的方法来实现，所述方法包括：输送包含熔融金属的铸造砂模至壳体中，所述壳体包含垂直排列的紧密间隔的冷却单元；机器人化地放置每个单独的铸造砂模到各自的冷却单元；从所述至少一个冷却空气源使冷却空气主动循环进入所述壳体，所述冷却空气通过所述单元并围绕位于其中的所述铸造砂模，然后通过至少一个热空气排放口从所述壳体排出，由此与所述铸造砂模的被动空气冷却相比，所述铸造砂模的冷却被加速并且凝固时间被减少；机器人化地从其各自的冷却单元移除凝固的单独铸造砂模；所述机器人化放置和移除通过以下方式控制：施加编程以控制所述壳体内的每个铸造砂模达到金属充分凝固从而足以允许在随后的处理步骤中的适当处理所需花费的时间；从所述壳体移除得到的铸造砂模。
有益的是，本发明通过设置带有垂直排列的空间放置热的砂模来提供一种改善的和有效的冷却系统，节约了车间空间，节省了资本和设备运营成本。
本发明进一步提供了一种改善的和有效的冷却包含有熔融金属的模具系统，通过将砂模与气流接触来改善对流传热，使得模具冷却均匀并可较好的改善冷却过程，使得的铸件避免出现残余应力而获得具有较好的质量和机械性能。
申请人不仅发现本发明的设备可以更快速冷却，还出乎意料地发现其可以减少由于热量传递不均匀而在模具中产生的残余应力，尤其是包含有薄壁铸件的模具。
本发明还具有的优点是，不仅节约了铸造车间的空间，还把加压气流限定在一个密闭的空间内，可以对在生产过程中由于加热模具和型芯的树脂粘结剂而产生的烟气和蒸气进行控制和排除，提供了一个干净的生产区域。
另外，申请人还发现通过对砂模加压对流冷却，加速了铸件的冷却速度且影响了铸件的凝固过程，改善了铸件的整体质量和机械性能。
本发明的其它目的和优点将在后面指出，或者本领域技术人员通过下面的发明内容及结合附图描述的一些具体实施例可以明显获知。
附图说明
图1是根据本发明的冷却系统的优选圆形实施例中的示意性侧剖视图；
图2是图1中所示的冷却系统的示意性平面图；
图3是根据本发明的冷却系统的另一优选直线性实施例中的示意性侧剖视图；
图4是图3中所示的冷却系统的示意性平面图；
图5是用于冷却系统的自动操作的机器人的编程控制的一些必要步骤的流程图。
具体实施方式
下面将说明本发明的一个包含有用于生产汽车发动机如气缸发动机体和气缸盖的铝合金铸件的砂模的冷却系统的优选实施例。
参照图1和2，它们示出了用于砂模中的铝铸件的改善冷却的设备，其包括圆柱形壳体10，其包含了多个垂直架子12，架子围绕所述壳体10的圆侧壁11内的至少一部分分布来在冷却环境中存放砂模14，同时使铸件固化。在此描述的实施例中，垂直架子12的每个单元中的每个架子组成了单个冷却单元15。
包含熔融金属的新的热砂模14通过输送给料装置18经过砂模入口16引入。从那里，机器人20使用其带有夹钳23(图2中的虚线所示)的臂21来连续夹起每个砂模14，并如图2中的实线所示，运送这些模具到所述架子12中的空的空间(这些空间用作冷却单元15)。
注意到在两幅图中可以看出用实线示出的机器人臂21的位置是相同的，用虚线示出的该臂21却不同。在图1中虚线所示的机器人臂21与图2相比，它不是从口16处夹取模具，而是输送模具到不同位置的冷却单元15。
通过吹气装置26，冷却空气22从冷却空气源入口24引入并在所述壳体10内循环以冷却在架子12上的所述模具14。
冷却空气22也可以通过位于壳体侧壁11底部的多个空气入口28引入到所述壳体10中。
通过抽出装置(例如风扇32)将热空气30从所述壳体10抽出，所述抽出装置通过例如位于所述壳体10顶部的一个或多个出气口34操作。通过装置32的热空气抽出能够足以通过进气口28抽出冷空气。此处装置32采用的形式为多个风扇。
为了能够控制并消除模具和芯中热树脂粘结剂发出的有害烟气和蒸气，该烟气和蒸气已经被限制在壳体10内并从中通过出口34排出，这些出口34优选地接入可选的空气净化装置35中，使得净化后的空气37可以流通，从而在铸造车间区域产生更干净的环境气氛。机器人20被编程以允许足够的时间来冷却每个模具14并使其内容物凝固来优化冷却系统的产率。
机器人20的程序允许根据其传热要求的每个砂模14的独立的时间分配。
机器人20还可被编程来使其不仅响应于预先设定好的特定模具中的熔融金属凝固所需时间段来动作，还可被编程来响应于模具中存在的金属的固有特征动作以指示何时所述金属充分凝固。例如，可以在每个架子上放置适合的温度传感器，其可给机器人20的控制装置发送信号触发机器人从其架子上移除模具然后放到输送装置36上来进行其进一步处理的操作。也可以使用其它适合的温度传感器，例如在每个架子上安装红外测温仪，或者附接到行进的机器人上。而且，如果检测或测量何时金属从熔融态转变为固态进行的其它性能变化也可以用来使冷却系统操作自动化并由此提高其产率。
架子12的垂直布置允许在较小的占地空间内处理和冷却更多的砂模14，降低了铸造成由于生产扩大而产生的资金费用。
本发明在整个冷却过程中保持砂模14固定，与如Kimura描述那样的基于输送装置的冷却系统相比较，本发明降低了资金和操作成本。
当金属凝固以后，机器人20从架子12上移除冷却的砂模14并将它们放到输送排放装置36上，其将冷却的砂模14输送通过砂模出口38以进行进一步的处理。在本发明的另一个实施例中，通过所述壳体10的单个输送装置既可以引入也可以抽出砂模14。
现在参照图3和4，其与图1和2用相同附图标记表示相同部件，封闭壳体10具有矩形形状并且多个架子12以直线排列而垂直布置。机器人20被编程以从输送装置18将包含熔融金属的砂模运动到所述架子12中的空的空间。在金属冷却和凝固之后，机器人20从架子12移除冷却的砂模14并把它们放置在输送装置36上，其将这些模具输送出壳体10以进行进一步的处理。机器人20以本领域公知的方式沿着架子12旁边通过在轨道25上滚动而行进，并且能运动砂模14一个接一个地进入或移出架子12。机器人20还可以从吊轨(未示出)悬挂行进来代替在地面水平轨道上的滚动或滑动，并可以用于各种几何形状布置的多于两个的冷却单元，并可最适合于特定车间排列方式。
参照图5，机器人20可遵循图中示出的连续步骤用于使冷却系统的通过机器人20从入口输送装置18上拾起砂模14的时刻起直到机器人20从其架子12上移除冷却的砂模14并把其放置在出口输送装置36上的时刻的操作自动化。
根据本发明的一个优选实施例，机器人20识别在入口输送装置18处的具有熔融金属的砂模14并识别用于存放所述模具14的空的架子12。机器人20设置冷却时间或凝固指示器的初始值并且读取模具14的冷却时间或其它凝固指示器的实际值，并确定所述值是否达到了预定设定。
机器人20然后从其架子12上移除砂模14并把它放置到出口输送装置36上。机器人20识别现在空架子是空的并重复程序。
当然可以理解的是，前面描述的发明内容和描述的具体实施例并不限于此，在本发明的启示和范围内可以对本发明的实施例进行多种修改，仅从下述要求的范围进行限定。
例如，图2中示出的圆柱形壳体10可以更大，使得可以在输送装置18和36的两侧沿着壳体10侧壁11的内侧布置架子12(装置18和36转而也与壳体10的直径以及设置在所述输送装置18和36端部之间的机器人装置20相对齐)。而且，壳体10的形状不必是严格的圆柱体形或直线形，包括其他的可能形状，可以采取任何最佳地适合机器人装置20的任意形式，在其他可能中包括：非直线形布置，其中机器人20可以在砂模入口16和砂模出口38之间沿着架子的旁边行进。其它的变化可以涉及所用的吹气装置26的数量和抽气装置32采用的手段。这包括根据本发明设计的特殊应用而选择数量、方位和容量(包括选用一种而排除其它种)。
Claims (19)
1.一种用于对流冷却包含熔融金属的铸造砂模的设备，包括：
封闭壳体，其具有顶部和侧壁；
包含在所述壳体内的多个垂直排列的单元，以暂时存放所述铸造砂模，用于使其从熔融温度水平冷却到较低的凝固温度水平；
用于主动产生冷却空气流通的装置，所述冷却空气循环通过所述单元，并且围绕其中的所述模具从所述壳体中的至少一个入口冷却空气源流通到所述壳体的至少一个热空气出口，由此与所述铸造砂模的被动空气冷却相比，所述铸造砂模的冷却被加速并且凝固时间被减少；以及
可编程的机器人装置，其用于将每个热的铸造砂模从所述壳体中的进料口运动到相应的单元，并且用于将包含凝固金属的冷却的铸造砂模从所述相应的单元运动到所述壳体中的出料口。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述机器人装置可编程用于引入所述模具，并且然后在其中的所述金属凝固所需的给定时间间隔之后收回所述模具。
3.根据权利要求1或2所述的设备，进一步包括传送装置，其用于将所述包含熔融金属的铸造模具引入到所述壳体中。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的设备，进一步包括传送装置，其用于从所述壳体收回包含充分凝固的金属的冷却的模具。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的设备，其中具有用于所述冷却空气源的单个入口，其位于所述壳体的顶部中的中心部分。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述用于主动产生冷却空气流通的装置是位于所述单元上方的所述单个入口中的吹气装置。
7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的设备，其中在所述壳体的顶部的外周边处具有间隔定位的多个热空气出口。
8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的设备，其中具有在所述壳体的下部定位的所述冷却空气源的多个入口。
9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的设备，其中所述用于主动产生冷却空气流通的装置包括风扇形式的抽出装置，其均在所述壳体的顶部的外周边处间隔定位的多个热空气出口中并在所述单元上方。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述抽出装置的结构设计为通过所述壳体的顶部来抽出热空气。
11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的设备，其中所述垂直排列的单元是以直线布置的架子并且所述机器人沿着所述架子旁边行进。
12.根据前述权利要求1至10中任一项所述的设备，其中所述壳体具有圆柱形状；并且所述机器人固定位于所述壳体的中心，所述垂直排列的单元是围绕所述机器人圆形布置的单组架子。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述垂直排列的单元是围绕所述机器人半圆形布置的单组架子。
14.根据前述权利要求1至13中任一项所述的设备，进一步包括净化装置，其用于清除从所述壳体内的所述铸造砂模中放出的任意有害气体。
15.一种用于对流冷却包含熔融金属的铸造砂模的方法，包括：
输送包含熔融金属的铸造砂模至壳体中，所述壳体包含垂直排列的紧密间隔的冷却单元；
机器人化地放置每个单独的铸造砂模到各自的冷却单元；
从所述至少一个冷却空气源使冷却空气主动循环进入所述壳体，所述冷却空气通过所述单元并围绕位于其中的所述铸造砂模，然后通过至少一个热空气排放口从所述壳体排出，由此与所述铸造砂模的被动空气冷却相比，所述铸造砂模的冷却被加速并且凝固时间被减少；
机器人化地从其各自的冷却单元移除凝固的单独铸造砂模；
所述机器人化放置和移除通过以下方式控制：施加编程以控制所述壳体内的每个铸造砂模达到金属充分凝固从而足以允许在随后的处理步骤中的适当处理所需花费的时间；
从所述壳体移除得到的铸造砂模。
16.根据权利要求15所述的方法，其中包含熔融金属的铸造砂模全部基本上是相同的，机器人化编程保持每个这种模具处于壳体中的其冷却单元中一段时间，所述时间被确定为所述熔融金属的适当凝固最低限度要求的，此后所述模具迅速地从所述壳体移除。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括监控每个冷却单元中存在的任意铸造砂模来检测只有当充分凝固时才存在的金属的固有特性，检测到此类特性后迅速将这些模具从所述单元和所述壳体移除，而不考虑当这些模具引入所述壳体中时在所述壳体中还存在的其它模具。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述的固有特征是所述模具的给定表面温度，此温度已经被确定为所述铸造模具内的金属的充分凝固的指示。
19.根据前述权利要求15至18中任一项所述的设备，进一步包括清除从所述壳体内的任意铸造砂模中放出的任何有害气体。
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