專利名稱：用于從模具去除消失性模型的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于從金屬鑄模去除消失性模型的方法和設備。
背景技術：
公知的"失蠟"鑄造處理("lost wax" investment casting process) 通常使用耐火材料模具，該耐火材料模具為一系列陶瓷微粒層通過無 機粘結劑在通常諸如蠟的易熔(可熔化)模型材料上的累積而構造成。 最終的耐火材料模具通常形成為圍繞消失性模型的殼模。
留在消失性模型上的耐熔殼模通常要進行模型去除處理，其中該 模型從殼模熔化掉。該處理留下空的"生坯"(未燒結)耐熔殼模。消 失性模型材料的熱膨脹率通常比耐熔殼模的熱膨脹率大許多倍。如果 對消失性模型和耐火材料模具均勻地加熱，則消失性模型材料的熱膨 脹將超過耐火材料模具的熱膨脹。這將使耐熔殼模受到張力作用，并 將最終使殼模破裂。通常通過諸如高壓水蒸汽壓熱或快速焙燒模型去 除的方法來去除消失性模型材料的原因就是為了避免此類殼模破裂。 通過高壓水蒸汽壓熱或快速焙燒去除消失性模型材料使得耐熔殼模的 外部暴露到高溫中。該髙溫使得熱量更快地傳導通過耐熔的殼模，從 而在模型內部熱膨脹之前熔化模型的表面。熔化了的模型材料的該表 面層一直延伸到模型在模具開口部分露出的位置，并通過使一些液體 的表面模型材料流出到模具開口外而將膨脹的模型材料容納在模具 中。如果熱不是沿著模具內的消失性模型的表面連續施加的，這樣的
方法還是能使耐熱殼模破裂。相鄰模型之間的耐熔殼模連接在一起是 模型非均勻加熱的主要原因。即，耐熔殼模的較厚區域將阻礙向模型 材料施熱，并在局部延遲模型表面的熔化，從而破壞連續性。這防止 了來自較薄的模具區域的表面液體模型材料的通道比來自較厚模具區 域的表面液體模型材料的通道距離模具開口更遠。對表面液體模型材 料的通道的這一預防由于模型材料的熱噴嘴而使得模型壓力在較遠的 薄模具區域內增加，從而導致模具破裂。這些問題要求使用足夠強(例
如，足夠厚)的模具來抵抗模型材料的膨脹壓力，并經常要求使用穿 過模具的附加孔或通氣孔來釋放來自未連接膨脹模型的壓力。較強和
較厚的模具以及通氣方法增加了熱處理成本，從而是不利的。
于是多個生坯耐熔殼模(無模型)通常被帶入到成批或連續的爐
子中，通過氣體或油料的燃燒進行加熱，并加熱到1600nF至2000CF的 溫度。可選的是，可通過共同受讓人的美國專利6,889,745的方法對模 具進行加熱，該專利描述了在具有或不具有包圍的模具支承沙的情況 下進行加熱。從爐子去除該加熱了的耐火材料模具，并將熔化了的金 屬或合金澆注到模具中。
如上所述，覆蓋鑄造的趨勢是使耐熔殼模盡可能薄，從而降低模 具的成本。使用薄的殼模要求使用支承介質來防止如Chandley等的美 國專利5069271所描述的模具故障。該5069271專利公開了使用盡可 能薄的燒結陶瓷殼模，例如厚度小于0.12英寸。在從預熱爐去除薄的 熱耐熔殼模后，在該殼模附近壓實未燒結的支承微粒介質。該為燒結 的支承介質在鑄造過程中抵抗施加到殼模上的應力、從而防止出現模 具故障的作用。
然而，在諸如上述高壓水蒸汽壓熱或快速焙燒的模型去除過程中， 薄的殼模更易于破裂，在這些操作中，模型被熔化到殼模外。
2004年7月26日提交的系列號為No. 10/899,381的待決專利公開
了一種方法，其用于通過在模具的外部受到模具外的諸如環境空氣的 非冷凝氣體大氣作用的同時，將諸如水蒸汽的可冷凝蒸汽排出到模具 內部從而接觸并熔化模型而從結合了的耐火材料模具去除消失性模 型。冷凝了的蒸汽和熔化了的模型材料以減少模具破裂的方式被排出 模具外。
發明內容
本發明的一方面提供一種方法和設備，其用于在模具的外部受到 模具外的非冷凝氣體環境(諸如環境空氣)作用的同時，通過將在本 具體實施例中包括表面活性劑的諸如水蒸汽的可冷凝蒸汽引入模具 內，接觸并熔化模型而去除殘留在耐火材料模具內的消失性模型(諸 如蠟或其它可熔化模型材料)。冷凝的蒸汽和熔化的模型材料被排出 到模具外。表面活性劑降低了冷凝的蒸汽與模具內的消失性模型相接
觸的表面張力，從而使得熔化了的模型材料可更加容易地在剛露出的 模具內表面上流動，從而促進熔化了的模型材料流出模具，因而在模 具內表面上留下更少的殘留模型材料。
模具內的可冷凝蒸汽與模具外的非冷凝氣體環境之間的壓力差足 夠小，以防止可冷凝氣體排出到模具外部，并足以防止非冷凝氣體進 入模腔。為此，模具內的可冷凝蒸汽以及模具外的非冷凝氣體環境優 選大致處于相同的壓力下。這樣，在采用水蒸汽作為優選的可冷凝蒸 汽時，水蒸汽在模具內的水蒸汽已經接觸模型的位置處冷凝，而模具 的外部保持干燥。包含表面活性劑的可冷凝蒸汽可根據模型材料的熔 點而在大氣亞、亞大氣壓或超大氣壓壓力下引入到模具內部。
在本發明的示例性實施例中，將水蒸汽或其它可冷凝蒸汽供應到 可定位在模具和/或模型鑄道內的排出管，以在其內將大致處于大氣亞、 亞大氣壓或超大氣壓壓力的水蒸汽或可冷凝的蒸汽排出。可在排出管 內或在排出可冷凝蒸汽之后在排出管外將表面活性劑引入到可冷凝蒸 汽中。
本發明的另一方面提供一種方法和設備，其用于通過使模具于模 型去除過程中受到旋轉和傾斜的組合作用，而去除殘留在模具中的消 失性模型(諸如蠟或其它可熔化模型材料)，從而促進熔化的模型材 料從模具排出。利用模具傾斜驅動馬達可使模具傾斜任何角度，利用 模具旋轉馬達可使馬達繞軸線旋轉。可按照從模腔排出熔化蠟的需要 調節模具傾斜角和模具旋轉速度。模具可在其相對于重力以固定角度 傾斜的同時進行旋轉。可選的是，模具可逐步地傾斜至所選定的傾斜 角，同時在每一傾斜角下或連續地旋轉。而且，模具在連續或間歇旋 轉的同時可連續傾斜。可在模具受到旋轉和傾斜作用的同時將水蒸汽 或其它可冷凝蒸汽引入以加熱和瑢化模具內的消失性模型，但是也可 利用其中熔化或熔解模型的任何模型去除技術來實現本發明的這一方 面。
本發明的上述實施例可實施為從未被支承的鑄造模具來去除消失 性模型(諸如蠟或其它可熔化模型材料)。本發明還能實施為從支承 在容器內的微粒介質上的鑄造模具去除消失性模型。例如，在模具的 外部與微粒介質接觸并受到非冷凝氣體(例如，不含水蒸汽)大氣作 用的同時將水蒸汽或其它可冷凝的蒸汽引入到模具內部，以接觸和熔 化模型，在模具的外部及其周圍的微粒介質受到非冷凝氣體大氣作用 的同時，模具內的蒸汽在其與模型接觸的位置處冷凝，并將熔化了的 模型材料和冷凝了的蒸汽排出模具。
本發明有利于去除殘留在金屬鑄造耐火材料模具中的一個或多個 消失性模型，該模具可具有任何的模具厚度，可不被其周圍的外部微 粒介質支承或受其支承。本發明還有利于在避免模具壁面充滿水蒸汽 或冷凝物的同時去除一個或多個消失性模型，模具壁面充滿水蒸汽或 冷凝物有可能對用來制造模具的粘合劑有不良影響。可實施本發明來 降低模型去除過程中的模具破裂，并可在諸如模具由微粒支承介質支 承的水蒸汽不易進入模具壁面內部的情況下從模具去除模型材料。
本發明的這些和其它優點將從以下結合附圖的詳細描述中顯而易見。
圖1是根據本發明示例性實施例的具有待去除消失性模型的耐熔 鑄模的示意圖，該去除是通過從示出為定位在殘留于模具內部的模型 組件的中空鑄道內的排出管排出包含表面活性劑的大氣壓力水蒸汽而 進行的；
圖1A為根據本發明的另一示例性實施例的具有待去除的消失性
模型的耐熔鑄造模具的示意圖，該去除是通過從示出為定位在殘留于
模具內部的模型組件的中空鑄道內的各個排出管排出大氣壓力水蒸汽
和表面活性劑而進行的。
圖2是圖1的耐熔注模的示意圖，其中消失性模型組件的中空鑄
道已經通過熔化而去除，且各澆口和模型被熔化和去除。 圖3類似于圖2，其中模型已經完全從殼模去除。 圖4為圖2的各模型的放大視圖，示出了模型的去除。 圖5類似于圖1，但是示出了具有實心鑄道的模型組件，且水蒸
汽排出管移動到實心鑄道內從而在其內原位形成中空鑄道。
圖6為根據本發明的再一示例性實施例的具有待去除的消失性模
型的耐熔鑄造模具的示意圖，其中所述模具在外部由其周圍的微粒支
承介質支承。
圖7類似于圖1，并示出了根據本發明還一示例性實施例的具有
待去除的消失性模型的耐熔鑄造模具，該去除是通過從示出為定位在 殘留于模具內部的模型組件的中空鑄道內的水蒸汽排出管排出處在超
大氣壓或亞大氣壓下的水蒸汽而進行的。
圖8為根據本發明另一示例性實施例的用于在模型去除過程中使 模具受到旋轉和傾斜的設備的立體圖。
圖9為圖8的設備的局部剖視的正視圖。
圖10類似于圖9，示出了模具相對于重力的傾斜。
圖11為模具支承件頂部的放大立體圖，模具的下端由該模具支承
件可旋轉地支承。
圖12為模具支承件底部的放大立體圖，模具端部由該模具支承件 可旋轉地支承。
具體實施例方式
本發明對如在2004年7月26日提交的系列號為No. 10/899,381 的待決專利申請中公開的用來去除耐火材料模具內殘留的一個或多個 消失性模型的方法和設備進行改進，在此引入所述待決專利申請所公 開的內容作為參考。具體而言，本發明的一個實施例涉及這樣的方法 和設備，它們用于通過將包含表面活化劑的可冷凝蒸汽引入到模具內 部，而去除耐火材料模具內殘留的一個或多個消失性模型。將該可冷 凝蒸汽和熔化的模型材料排出到模具外。表面活化劑降低了可冷凝蒸 汽與模具內的消失性模型接觸時的表面張力，從而使得熔化的模型材 料可更加容易地在剛露出的模具內表面上流動，從而促進熔化了的模 型材料流出模具，因而在模具表面上留下更少的殘留模型材料。
該方法特別適用于從可滲透氣體的"失蠟"鑄造陶瓷殼模內部去 除一個或多個消失性模型，不過本發明不限于此，其還能用來從內部 具有一個或多個消失性模型的其它類型耐熱金屬鑄模去除一個或多個 消失性模型，該耐熱金屬鑄模可具有任意的模具壁厚，可由其周圍的 外部微粒介質支承或不受其支承。當采用水蒸汽作為優選的可冷凝蒸 汽時，本發明可用來去除這樣的一個或多個消失性模型，即，這些消 失性模型可能包括傳統蠟模型或在模型去除操作的過程中存在的特定 環境大氣壓力條件下在水的沸點(例如，約212華氏溫度)以下的溫 度下熔化的其它模型材料。
根據以下將描述的本發明的另一實施例，本發明還能用來去除這 樣的一個或多個消失性模型，即，這些消失性模型可能包括傳統蠟模 型或在水的沸點以上的溫度下熔化的其它模型材料，為此目的要采用 超大氣壓(superatmospheric)水蒸汽。而且，本發明能利用亞大氣壓(subatmospheric)的蒸汽去除可能需要較低溫度來熔化的一個或多個 消失性模型。
可選的是，在實施本發明時，水蒸汽可用其它合適材料的可冷凝 蒸汽替代，為了說明而非限制的目的，例如可用沸點約300華氏溫度 的礦物油精，其中蒸汽可被冷凝，并在為了模型熔化和去除目的而與 模型接觸時將熱傳遞到消失性模型。
為了說明而非限制的目的，以下將結合圖1至圖4描述本發明的 實施例，圖l至圖4示出了從"失蠟"鑄造殼模20內部去除通過相應 的澆口 35而附連到模型組件40的中央中空鑄道30的多個蠟模型10。 在圖1中，中空鑄道30包括預形成的蠟鑄道，該蠟鑄道具有軸向伸長 的內腔室30a，并具有通過蠟焊或緊固技術附連到其外表面30s的模型 10。為了說明而非限制的目的，所述蠟鑄道30可以如下方式而預形成 具有內腔室30a:通過模制、壓延；通過起初在柱形或其它形狀的芯軸 上形成鑄道，然后通過對芯軸以及對臨近的蠟進行加熱而除去所述鑄 道，以容許以物理方式抽出芯軸；通過對固體蠟鑄道進行鉆孔；或通 過任何其它合適的技術。
盡管圖1示出了兩個模型10，但是本領域技術人員應意識到，通 常在與模型IO相同的位置處，鑄道30周圍還附連有其它的模型10， 但是由于圖1為剖面圖，從而在圖1中其它無法看到。而且，例如從 美國專利5069271公知和示出的那樣，其它的模型IO能通過澆口沿著 其長度附連到鑄道30周圍的其它軸向位置處(例如，在圖l所示的模 型10的上方)，在此引入美國專利5069271給出的啟示作為參考。
參照圖1，示出了 "失蠟"鑄造殼模20覆蓋在多個蠟模型IO上， 所述蠟模型10利用用來制造殼模的傳統"失蠟"處理(如美國專利 5069271中所述)通過澆口 35附連到中央蠟鑄道30的周圍，其中，模 型組件40 (包括通過澆口 35附連到中空鑄道30的模型10)被反復地
滲入到具有粘結劑的耐熔漿中，并用粗質耐熔涂布微粒進行涂布，然 后加以干燥，從而在模型組件上形成殼模。該專利描述了模具壁厚約 為1/8英寸或更小的可透氣薄壁殼模。該專利中描述的這種薄壁模具
20可在模型去除操作中利用圖6所示的微粒支承介質50 (例如，陶瓷 微粒)而支承在鑄造容器60內。本發明不限于僅在實踐中通過周圍的
微粒介質而支承的這種薄壁殼模，而是還可實際應用具有任意壁厚的 耐火材料模具，而不管該模具在外部由微粒支承介質支承還是如圖1
所示沒有被支承。
殼模20示出為倒立(即，上下倒置)，從而使得熔化的模型材料 和冷凝的水蒸汽在重力作用下從鑄道30的下端流出。模具20能定位 在有利于將熔化的模型材料和冷凝的水蒸汽排出模具的其它取向。而 且，在模型去除操作中，可以以有利于將熔化的模型材料和冷凝的水 蒸汽排出模具的方式移動模具20。 參照圖1，根據本發明的示例性實施例，連接到表面活性劑供應 導管101的水蒸汽排出管道或管100示出為定位在模型組件40的中空 鑄道30的伸長腔室30a內，以引導模型組件40的中空鑄道30內的蒸 汽流(由箭頭"A"表示)，該蒸汽流包括大致處于大氣壓力下的表面 活性劑(由箭頭"SF"表示)，從而接觸和熔化蠟模型組件，同時模具 20的外表面20s受到大致環境大氣壓力(由"環境壓力"表示)的作 用。在圖1中，形成于模具20周圍的非冷凝氣體環境的周圍空氣可處 于周圍溫度下或相對于周圍溫度被冷卻。為了說明而非限制的目的， 制成模型組件40的典型蠟材料在約180華氏溫度下熔化并徹底變為流 體。
在水蒸汽源110內產生處于大致大氣壓力下的水蒸汽，該水蒸汽 源110可包括Electro Steam Generator公司市售的傳統水蒸汽產生器。 來自水蒸汽產生器或蒸汽源110的水蒸汽流動通過供應管120進入到 水蒸汽排出管100。可以通過調節水蒸汽產生器內的壓力而輔助來自蒸
汽源或產生器110的水蒸汽流動，從而有足夠的水蒸汽流動通過管道 而進入到模具中，以替代已經冷凝的水蒸汽量。
表面活性劑SF通過連接到表面活性劑供應泵111的表面活性劑導 管101而引入到水蒸汽排出管100。泵111泵送來自供應箱T的表面活 性劑。供應箱T內的表面活性劑通常為稀釋形式，g卩，在液體承載媒 介中以選定的濃度稀釋表面活性劑。通過使用表面活性劑計量泵111 或閥裝置來調節表面活性劑SF在導管101內的流動，從而對來自合適 的表面活性劑供應泵的表面活性劑流量進行控制。例如，用于將表面 活性劑SF引入到管100的可選設備和方法可包括在恒定壓力下將表面 活性劑供應到可調節的閥門，并通過使用該可調節的閥門而調節進入 管100的表面活性劑的流動。
盡管表面活性劑SF描述為被引入到排出管100內部的水蒸汽內， 但是本發明不限于此。例如，可利用如圖1A所示的第二表面活性劑排 出管100'將表面活性劑引入到水蒸汽排出管100的外部。表面活性劑 排出管IOO，在模具內以如此方式延伸，從而將表面活性劑SF引入到水 蒸汽排出管100的端部的下游，并在水蒸汽從排出管100的端部排出 后將其引入模具內，如圖1A所示。
為了說明而非限制的目的，用于在本發明的這一方面的實施中的 示例性表面活性劑包括Tomadol等級l一5的非離子醇醚液體表面活性 齊U(nonionic alcohol ethoxylate liquid surfactant), 其可從Wisconsin州 Milton的Tomah Products公司獲得，并在水(承載劑)中稀釋到重量 百分比為0.5%的溶液，而且以60ml/min的速度經由導管101加入到排 出管100中的水蒸汽流中。表面活性劑加入到排出管100,從而在模型
去除過程中，當蠟模型發生熔化而露出耐火材料模具壁時，其將出現 在模具內的水蒸汽中。
本發明不限于采用上述示例性表面活性劑，因為還可以在水蒸汽
或可冷凝的蒸汽中采用其它濃度的其它非離子表面活性劑。 一般而言， 選擇可冷凝蒸汽中的表面活性劑及其濃度是為了降低與模具內的消失 性模型接觸的冷凝蒸汽的表面張力，從而使熔化了的模型材料能更加 容易地流過剛露出地模具內表面，因而利于熔化了的模型材料排出模 具，以在模具表面上流下更少的殘留模型材料。
而且，盡管如以上段落中所述，當可冷凝的蒸汽包括水蒸汽時， 采用水作為用于表面活性劑的承載媒介，但是本發明不限于此。所述 表面活性劑可承載在利用能夠與正被使用的特定非水可冷凝蒸汽相容 的任何液體承載劑的稀釋形式中。例如，在可冷凝的蒸汽包括礦物油 精時，承載劑能包括礦物油精。
在腔室30a內以足夠高的流速將處于大致大氣壓力下且含有表面 活性劑SF的水蒸汽排出，以置換出來自腔室30a的空氣，并逐步接觸 和熔化蠟鑄道30和澆口 35的模型材料以及模型10。在鑄道和模型的 去除過程中，可根據模具內的水蒸汽的冷凝率而改變排出到腔室30a 內的水蒸汽的流速。該冷凝率將取決于脫蠟過程中暴露至該處水蒸汽 的蠟的表面面積，以及模具的大小。在多排模型和澆口沿著其長度附 連至鑄道時，水蒸汽從澆口隨后進行到模型、逐步均勻地熔化每個模 型的模型材料。
在本發明的實施中，可以沒有蠟鑄道30，或者在通過與水蒸汽接 觸而去除模型10之前以其它方式去除蠟鑄道。即，如果模型10僅出 現在具有空的中央鑄道類型的通道的殼模20內，則將水蒸汽排出管100 定位成將模具20內的水蒸汽排出，以僅僅接觸和熔化模型10以及與 之相關聯的任何澆口 35。
圖2和圖4示出了在中空鑄道30已經被熔化和去除且澆口 35和 模型IO正在被熔化和去除時的模型去除處理。含有表面活性劑的水蒸 汽示出為隨著水蒸汽的冷凝而被引向澆口 35和相關的模型10，在水蒸
汽的冷凝處，水蒸汽已經熔化了蠟模型材料。具體而言，當水蒸汽在 澆口和模型的表面冷凝時，在靠近澆口和/或模型材料熔化的區域V處
產生相對的低壓，從而使新的下游水蒸汽流向澆口和模型的已經熔化 了的區域。已經熔化了的液體蠟材料部分滲入如在表面區域S處示出 的內模壁面，并起到阻礙物的作用，以防止水蒸汽冷凝物浸透模具壁
W的厚度。而且，在模具20的外表面20s上存在大氣壓力沒有形成驅 動力來使水蒸汽冷凝物透過模具壁面，從而避免了由于水蒸汽冷凝物 而造成模具壁面的飽和，并防止出現在模具壁面內的粘合劑上的不良 影響。結果，在模型去除操作的過程中，模具的暴露到環境空氣(作 為非冷凝氣體大氣)的外表面20s保持干燥(不含液體水分)。模具20 內的可冷凝蒸汽與模具20外部的非冷凝氣體大氣之間的壓力差足夠 小，以防止可冷凝氣體通過可滲透氣體的模具壁W逸出到模具外部， 并防止非冷凝的氣體經由壁W進入由正被去除的消失性模型組件所占 據的模腔。為此，模具內的可冷凝蒸汽以及模具外的非冷凝氣體大氣 大致處于相同的壓力下。
在圖4中，可冷凝的蒸汽(例如，大氣壓力水蒸汽)包括表面活 性劑，這使得水蒸汽冷凝物浸濕浸蠟的耐火材料模具，并沿著該浸蠟 的耐火材料模具的表面形成水蒸汽冷凝物的表面層。因此，從正在熔 化的模型區域排出的熔化的蠟模型材料由于其較低的粘性而在該水蒸 汽冷凝物層上流動，使得熔化了的蠟更加容易的沿著模具壁流動并流 出到模腔外。這導致能從模腔更快速去除模型材料，從而在模腔內殘 留較少的蠟模型材料。
如圖4進一步示出的那樣，水蒸汽冷凝物和熔化了的蠟模型材料 在重力的作用下，通過當去除中空的蠟鑄道30時形成的鑄道空處或通 道P而從模具20排出。熔化了的蠟模型材料可收集在定位于圖1的模 具20下方的收集盤上或容器內(未示出)。在消失性模型熔化的過程 中、或者在消失性模型己經熔化后，含有消失性模型的模具20的軸線 (諸如圖2的模具20的縱向軸線L)可相對于重力方向傾斜。 一般認為，處在大致大氣壓力下的水蒸汽僅僅在蠟模型中產生較 小的受熱影響的區域Z,從而實心的蠟模型10的剩余未熔化部分相對 來說不受水蒸汽的影響，盡管申請人不愿在此方面受到任何理論的束 縛。受熱但未熔化的該小區域模型材料不向著熔化了的表面進行熱膨 脹，從而在周圍的耐火材料模具上產生較小的應力或不產生應力。在
標準的壓熱脫蠟(autoclave dewaxing)過程中，模具內的蠟的熱膨脹 是模具破裂的原因。
水蒸汽和表面活性劑SF繼續從模具內的水蒸汽排出管100排出， 直到整個模型組件40 (包括中空的鑄道30和模型10)熔化并從模具 20去除、留下如圖3所示的包括連接到鑄道通道P的多個模腔MC的 空殼模20為止。所述模具然后就可在合適的焙燒溫度下進行焙燒，從 而制備用于接收待在模具中鑄造的熔化金屬或鋁的模具，這已為大眾 所知，從而不構成本發明的一部分。
盡管上述將中空鑄道30的腔室30a描述為結合圖l至圖4而執行， 但是本發明不限于此。如圖5所示，可通過相對軸向移動排出管100 而使得在大氣壓力下從管100排出并包括來自管101的表面活性劑的 水蒸汽沖擊實心鑄道30'的露出端部30e'，并在實心前體鑄道30'內原 位逐步熔化腔室30a'，從而在模型組件的固體蠟前體鑄道30'內原位形 成腔室30a'。在形成腔室30a'后，可結合圖1至圖4以及如上所述內 容，去除此時的中空鑄道30'和模型10。在圖5中，用相同的附圖標記 表示圖1至圖4中的相同特征件。
在圖6所示的本發明另一實施例中，從由鑄造容器60 (如美國專 利5069271所述)內的微粒支承介質50外部支承或環繞的薄壁或其它 耐火材料模具20去除消失性模型組件40。如該專利所述，微粒介質 50可包括陶瓷微粒或耐火物質。模型的去除以如此方式進行，g卩，在 大致大氣壓力下從水蒸汽排出管IOO排出水蒸汽，并在模型組件40的
中空鑄道30內含有來自管101的表面活性劑，從而如結合圖1至圖4 所示接觸并熔化中空鑄道30以及模型10。在模型去除的過程中，模具 20的外表面20s接觸微粒介質50，并經由鑄造容器60上的大氣通孔 61而受到大致為環境大氣壓力的作用。由于熔化了蠟部分地浸到模具 壁面W內(如上參照圖l至圖4所示)并防止水蒸汽冷凝物滲透模具 壁面厚度，從而外模具表面20s和微粒介質50保持干燥(不含液體水 分)。
為了進一步描述而非限制的目的，以下將描述圖7所示的本發明 另一方法實施例，其中，模具內部的超大氣壓壓或亞大氣壓水蒸汽被 排出，從而從"失蠟"鑄造殼模220的內部去除模型組件240，該模型 組件具有多個通過相應的澆口 235附連到中空鑄道230的蠟模型210。 在使用處于超大氣壓壓水蒸汽的同時，模具的外部受到處于大致相同 的超大氣壓壓力的非冷凝氣體的作用的，超大氣壓這提高了每單位體 積的水蒸汽的熱容，并還能夠溶化熔點較高的模型材料。在使用處于 亞大氣壓水蒸汽的同時，模具的外部受到處于大致相同的亞大氣壓非 冷凝氣體作用，這能夠熔化和去除例如需要較低溫度的模型材料。下 面利用包括表面活性劑SF的超壓力水蒸汽來描述以下方法實施例，不 過該方法實施例也可替代性地采用亞大氣壓水蒸汽。
模具220布置在位于收集盤252上方的壓力容器250的內部，以
在模型去除操作過程中收集從模具排出的熔化的蠟和水蒸汽冷凝物。 壓力容器250可包括如圖6所示的在模具20周圍包括微粒支承介質的 鑄造容器。可選的是，壓力容器250可不含有微粒支承介質，即，壓 力容器是空的，其內只有殼模。壓力容器250能由諸如鋼這樣的合適 的抗壓材料形成，并構成為通常的傳統壓力容器。如圖6所示的鑄造 腔室60和容納在其內的模具也能放置在用于超大氣壓壓力脫蠟的單獨 的壓力容器250內超大氣壓。
密封件254設置在模具220和壓力容器壁250a之間，以基本防止
氣體從密封件254內部區域的混入到密封件254的外部。密封件254 可包括具有橡膠或其它類型密封件254a的鋼件或其它管狀構件254t， 以用于密封模具20。
處在超大氣壓壓力下并包含來自管101的表面活性劑的水蒸汽從 排出管300在模具220的內部排出。管300連接到超大氣壓壓力水蒸 汽源S(諸如先前描述的水蒸汽產生器)，并延伸穿過壁250a內的開口， 并延伸到表面活性劑輸入管101，如圖6所示。在超大氣壓模具220內 部排出超大氣壓壓力的水蒸汽的同時，經由入口 255在壓力容器250 內提供與模具內的水蒸汽壓力大致相同的空氣壓力。用于超大氣壓空
氣壓力的入口 255連接到壓縮空氣源(例如SP25型壓縮機這樣的空氣 壓縮機)。該方法實施例從而包括在模具220的內部將包含來自管101 的表面活性劑的水蒸汽排出，以接觸并熔化模型材料，同時在模具220 的外部受到模具外部的無水蒸汽氣體大氣的作用，其中，模具內部的 水蒸汽和模具外部的無水蒸汽大氣處處于大致相同的壓力下。水蒸汽 和對應的空氣(或其它氣體)壓力可被調節為適于快速熔化模型材料 的任何壓力(以及溫度)。
壓力容器內的超大氣壓壓力可由空氣之外的氣體提供，例如，氮
氣、惰性氣體、或處在大致等于模具內水蒸汽壓力的理想超大氣壓壓 力下的其它氣體。
空氣排放閥256設置在壓力容器壁250上，以位于密封件254內 的區域中，以從密封件254的內部排出初始位于模具220內部的空氣。
圖7的實施例的模型去除操作以如上所述內容(關于水蒸汽排出 的大氣壓力以及模具20內部的表面活性劑)進行，其中超大氣壓水蒸 汽接觸模型組件的固體蠟材料并冷凝。在本發明的該實施例中，因為 超大氣壓水蒸汽在被壓縮時處在更高的溫度下，從而更多的熱量被傳 遞到蠟表面。在水蒸汽冷凝時，蠟表面處形成稍微降低的壓力，這吸
引更多的水蒸汽與蠟表面接觸，從而有利于模型的去除操作。來自蠟 表面的熔化了的蠟和水蒸汽冷凝物流出模腔，并流入到蠟和冷凝物收
集盤252內。脫蠟操作僅以有序方式發生在模具220內(從鑄道230 到澆口 235然后到蠟模型210)。模具至壓力容器的密封件254使得在 壓力容器250內沒有水蒸汽施加到模具220的外部。從而在壓力容器 250內形成無水蒸汽的環境。
參照圖8至圖12，示出了本發明的另一方面，其中，在水蒸汽或 其它可冷凝蒸汽內包含有表面活性劑或不包含表面活性劑的情況下， 在以上述方式利用蒸汽或其它可冷凝蒸汽的去除模型的過程中，未支 承的殼模500 (圖10)受到旋轉和相對于重力傾斜的組合作用。本實 施例不限于利用水蒸汽或其它可冷凝蒸汽來去除模型，且可設想在模 具受到旋轉和傾斜組合作用的同時可采用其它的模型去除技術。例如， 熱空氣或氣體水蒸汽能夠以如此方式引入到模具內部，以在模具受到 旋轉和傾斜的組合作用的同時進行加熱和熔化。模具還可位于用于在 模具受到旋轉和傾斜組合作用的同時對模型進行快速加熱的爐子內。 而且，可將化學溶解介質引入到模具內部，從而在模具受到旋轉和清 洗組合作用的同時接觸并溶解模型。
同樣，本發明的該又一方面可實施為從模具中去除一種或多種消 失性模型，所述模具通過結合圖6以及US專利5069271所描述的鑄造 容器內的環繞微粒介質而被外部支承或支承。
在圖10中，未被支承的殼模500示出為具有多個圍繞易熔(例如 蠟)鑄道530并沿其長度布置的易熔(例如，蠟)模型510。每個模型 都示出為通過澆口 535連接至鑄道。如圖10所示，根據本發明的這一 方面，圍繞模具縱向軸線L的旋轉操作且同時模具相對于重力傾斜， 這使得在去除模型和鑄道材料時，熔化了的模型材料可均勻地從圍繞 中央鑄道通道P布置的所有模腔排出。
圖8示出了用于在將模具500放置在設備中之前實施本發明這一 方面的示例性設備。圖9示出了在模具500被放置在設備中之前且模 具相對于重力傾斜之前的設備。圖IO示出了在模具放置在合適位置且 相對于重力傾斜、從而其縱向軸線L以某一傾斜角定向之后的設備。
在本發明的這一方面的實施中，其內具有消失性模型和鑄道的模 具500放置在上部模具夾和旋轉機構510與下部模具支承機構512之 間。如圖10最佳所示，殼模500包括上部環形卡圈500c，該上部環形 卡圈500c接收上部模具夾機構510的端部510e。端部510e閉合模具 鑄道通道P。如圖IO和圖11最佳所示，模具包括下環形卡圈部500d， 該下環形卡圈部500d容納在布置于模具支承基座512b的支承板512p 上的可旋轉底座512n上。模具支承基座512b固定到設備的框架F的 橫向臂A。在臂A之間設置有橫拉板P3。模具卡圈500c、 500d能與模 具500 —體形成，或能單獨形成并連接到模具上。
水蒸汽傳送管道或管600的端部通過模具支承基座512b和支承板 512p內的開口向上延伸，從而與如圖IO所示的模具500的開口下端相 連通，以將水蒸汽或其它可冷凝的蒸汽引入到模具500內。管道或管 600由夾子513保持在模具支承基座512b上的固定位置，如圖12所示。 管道或管600通過合適的撓性或剛性導管連接到諸如結合圖1至圖4 所描述的諸如水蒸汽產生器iio這樣的水蒸汽產生器。
模具支承板512p包括第一組(示出了三個)周向間隔開的可旋轉 輪子512f，這些輪子可旋轉地支承可旋轉底座512n的外周。模具支承 板512p還包括第二組(示出了三個)周向間隔開的可旋轉輪子512g， 可旋轉底座512n的罩板512s支承在這些輪子512g上以進行旋轉。從 而可旋轉的底座512n由輪子512f橫向支承且由輪子512g從下方支承， 以相對于下部模具支承基座512進行旋轉。
每個輪子512f都通過軸承(未示出)支承在安裝于板512p上的
直立柱頭螺栓Sl上。每個輪子512g都通過軸承(未示出)支承在安 裝于板512p上的橫向柱頭螺栓SI上。
可旋轉的底座512n包括面向上方且大致呈圓柱形的凹部R，該凹 部R構造成容納模具500的卡圈500d。
模具夾和旋轉機構510包括軸510s，該軸510s的一端510e摩擦 接合在模具500的卡圈500c內。為此，端部510e可由橡膠或其它材料 制成，從而實現與模具卡圈500c的摩擦接合，這樣可通過軸510s的旋 轉而將旋轉傳遞至模具。
軸510s通過使其上端鏈輪510f與驅動鏈條510c驅動接合而能夠 旋轉。該鏈條由傳統齒輪減速器GR1的輸出鏈輪513s驅動，而該傳統 齒輪減速器GR1由布置在框架F的水平固定板PI上的傳統電動或液 動馬達Ml驅動。該軸510s由固定在垂直固定框板P2上的軸承組件 510b支承以進行旋轉，該固定框板P2緊固到框板P1上。這樣，卡在 模具夾和旋轉機構510與模具支承機構512之間的模具500可通過軸 510s而旋轉。
滑動垂直軸700s在下端處由一對軸承在固定外殼Hl內引導，在 上端處在固定外殼H2內引導，由此，模具夾和旋轉機構510可相對于 模具支承機構512上下運動。氣缸(未示出)以如此方式連接在框架 512 (例如，板P3)和機構510 (例如，軸700s)之間，以提升機構 510，從而允許將模具放置在設備中，并降低機構510而將模具卡在合 適位置。當該氣缸處于提升位置時，防旋轉軸800s從防旋轉引導管800t 中退出，從而使機構510從旁側旋出，以便于將新模具帶入到設備中。
主軸550通過軸承組件552可旋轉地安裝在框架F上，從而可繞 其縱向軸線旋轉或樞轉，其縱向軸線垂直于所述模具500的縱向軸線。 方形橫截面的支承套管553例如通過焊接而固定在軸550上，以與所
述軸一起旋轉。承載模具支承機構512的框架臂A例如通過焊接這樣
的固定方式而而緊固到套管553，從而它們與軸550 —起旋轉或樞轉。 模具夾和旋轉機構510通過軸550、防旋轉軸800s以及氣缸而緊固到 套管553。從而模具夾和旋轉機構510以及模具支承機構512安裝在套 管553上，這樣它們與軸550 —起旋轉或樞轉。
軸550通過傳統電驅動馬達M2 (其經由齒輪減速器GR2連接至 軸550的端部)而旋轉或樞轉。齒輪減速器GR2通過反作用連桿L'連 接到機架512，該反作用連桿使得齒輪減速器不與所述軸一起旋轉。驅 動馬達可以是步進馬達類型。因而驅動馬達M2可逐步地或持續地使所 述軸550繞其縱向軸線旋轉或樞轉。這樣，夾在模具夾和旋轉機構510 與模具支承機構512之間的模具500可在模具旋轉時相對于重力傾斜， 如圖10所示。
在設備的操作中，其內具有消失性模型和鑄道的模具500放置在 可旋轉座512n上，且其下部卡圈500d容納在可旋轉座512n的凹部R 內。然后，降低模具夾和旋轉機構510的軸510s的端部510e，以在模 具500的上部卡圈500c內與端部510e接合，從而軸510s的旋轉將被 傳遞到所述模具。
啟動流向管道或管600的水蒸汽流。水蒸汽流通過管道或管600 引入到模具內部。水蒸汽可包括以上結合圖1至圖4所描述的表面活 性劑FS，或者在某些模型去除情況下可省略表面活性劑。主軸550發 生樞轉，從而使模具夾和旋轉機構510、模具支承機構512以及模具 500相對于重力傾斜至理想傾斜角，參見圖10。模具傾斜角以及模具 旋轉速度可按照需要加以調節，以從模腔MC排出熔化的蠟。這樣， 可從圍繞中央鑄道P布置的所有模腔MC均勻地排出蠟。從而本發明 的這一方面使得即使在當模具處于垂直位置時模具空氣的實體容積位 于澆口 G的水平以下時也仍然能將蠟排出。熔化的蠟排出模具的底部， 并被收集在盤(未示出)中。
在將模具500保持為相對于重力成固定傾斜角度的同時，可使模 具旋轉。可選的是，所述模具可在每一傾斜角度下旋轉或連續旋轉的 同時逐步傾斜至選定的傾斜角。而且，所述模具可在連續旋轉或間歇 旋轉的同時連續傾斜。該方法的實現取決于待脫蠟(去除)的模型的 形狀。通常，可開始于垂直非旋轉模具脫蠟，然后，在對所述模具的 懸置在所述澆口開口下方的部分進行脫蠟時，將脫蠟變為傾斜模具旋 轉脫蠟。模具傾斜的角度、旋轉速度以及持續時間取決于待脫蠟的模 型形狀。
水蒸汽或其它可冷凝的蒸汽經由管道或管600引入到模具500的 內部，從而在模具受到旋轉和傾斜組合作用時加熱和熔化易熔的模型 和鑄道，但是本發明的這一方面不限于使用水蒸汽或其它可冷凝的蒸 汽來加熱和熔化所述模型和鑄道。例如，能將熱空氣或氣體水蒸汽引 入到模具內部，從而在模具受到旋轉和傾斜的組合作用時加熱和熔化 易熔的模型。模具還可位于熔爐中，從而在所述模具受到旋轉和傾斜 的組合作用時對模型進行快速加熱。此外，可將化學熔化介質引入到 所述模具中，從而在所述模具受到旋轉和傾斜的組合作用時接觸和熔
化所述模型。
本發明有利于從金屬鑄造耐火材料模具去除一個或多個消失性模 型，該耐熱金屬鑄模可具有任意的模具壁厚，可由其周圍的外部微粒 介質支承或不受其支承。本發明還有利于在避免水蒸汽冷凝物浸透模 具壁的同時去除一個或多個消失性模型。本發明可用來降低模型去除 過程中的模具破裂，并使得可釆用薄壁模具，而不使模具破裂。
本領域技術人員將意識到，本發明不限于上述實施例，而且在所 附權利要求闡述的本發明精神內可作出變化和修改。
權利要求
1.一種從耐火材料模具內部去除消失性模型的方法，該方法包括將可冷凝蒸汽和表面活性劑引入到所述模具內，以接觸和熔化模型材料，在所述可冷凝蒸汽接觸并熔化所述模型處，使所述模具內的所述可冷凝蒸汽冷凝，并將熔化的模型材料和冷凝的蒸汽排出到所述模具外，其中所述表面活性劑促進所述排出。
2. —種從耐火材料模具內部去除消失性模型的方法，該方法包括將可冷凝蒸汽和表面活性劑引入到所述模具內，以接觸和熔化模型材 料，而所述模具的外部受到所述模具外的非冷凝氣體環境的作用，在 所述可冷凝蒸汽接觸并熔化所述模型之處使所述模具內的所述可冷凝 蒸汽發生冷凝，而所述模具的外部保持為不具有冷凝后的蒸汽，并將 熔化的模型材料和冷凝的蒸汽排出到所述模具外，其中所述表面活性 劑促進所述排出。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述表面活性劑的類型和 量被選擇為降低所述冷凝的蒸汽和所述模型材料之間的表面張力。
4. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述可冷凝蒸汽為水蒸汽。
5. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述模型材料為具有或不 具有非蠟填料的蠟。
6. 根據權利要求2所述的方法，其中，在所述可冷凝蒸汽從排出 管中退出并進入到所述模具之前，將所述表面活性劑加入至所述可冷 凝蒸汽。
7. 根據權利要求2所述的方法，其中，在所述可冷凝蒸汽從排出 管中退出并進入到所述模具之后，將所述表面活性劑加入至所述可冷 凝蒸汽。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中，利用與正在使用的所述可冷凝蒸汽相容的載體，以稀釋的形式將所述表面活性劑帶入到可冷凝 蒸汽流中。
9. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述模具內的所述可冷凝 蒸汽以及所述模具外的所述非冷凝氣體環境之間的壓力差足夠小，以 防止所述可冷凝氣體排出到所述模具外部，并防止所述非冷凝氣體進 入到所述模具內的模腔內。
10. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述可冷凝氣體以及所 述非冷凝氣體環境處在大致相同的壓力下。
11. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述可冷凝蒸汽包括水 蒸汽。
12. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述非冷凝氣體為空氣。
13. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述可冷凝蒸汽從來源 供應至排出管，所述可冷凝蒸汽從該排出管排出至所述模具內部。
14. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述可冷凝蒸汽以大氣 壓力排出至所述模具內部。
15. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述可冷凝蒸汽以超大 氣壓或亞大氣壓排出至所述模具內部，且在含有所述模具的容器中， 將處于大致相同超大氣壓或亞大氣壓下的非冷凝氣體提供于所述模具 外部。
16. 根據權利要求15所述的方法，該方法包括利用所述模具與所 述容器之間的密封防止所述可冷凝蒸汽進入所述模具外部的所述容 器。
17. 根據權利要求2所述的方法，其中所述消失性模型包括蠟。
18. 根據權利要求2所述的方法，其中，在所述消失性模型的熔 化其間，或者在所述消失性模型已經熔化之后，包含所述消失性模型 的所述模具的軸線相對于重力方向傾斜，且所述模具繞第二軸線旋轉。
19. 根據權利要求2所述的方法，該方法包括初始時將所述可冷 凝蒸汽排出至所述模型的中空鑄道內部。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中，在排出所述可冷凝蒸汽 之前，在所述消失性模型內預形成所述中空鑄道。
21. 根據權利要求20所述的方法，其中，通過對著實心鑄道的露 出端排出的可冷凝蒸汽，形成所述中空鑄道。
22. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述模具的外部由容器 內的支承微粒介質包圍。
23. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述模具的外部沒有被 支承微粒介質包圍。
24. —種用于從耐火材料模具內部去除消失性模型的設備，該設備包括用于將處于大氣壓、超大氣壓或亞大氣壓下的可冷凝蒸汽引入 到模具內部以接觸和熔化模型材料的裝置；和用于在所述可冷凝蒸汽內提供表面活性劑的裝置。
25. 根據權利要求24所述的設備，其中，用于引入可冷凝蒸汽的 所述裝置包括與所述模具的內部連通的排出管。
26. 根據權利要求24所述的設備，該設備包括用于將所述表面活 性劑提供到所述排出管的表面活性劑供應管道。
27. 根據權利要求24所述的設備，該設備包括表面活性劑排出管， 用于在表面活性劑從所述排出管排出之后將表面活性劑引至所述可冷 凝蒸汽。
28. —種從耐火材料模具內部去除消失性模型的方法，該方法包 括熔化或熔解所述消失性模型，并使所述模具受到旋轉和傾斜的組合 作用，以促進模型材料從所述模具排出。
29. 根據權利要求28所述的方法，其中，所述模具繞其縱向軸線 旋轉，而該縱向軸線相對于重力傾斜。
30. 根據權利要求28所述的方法，其中，所述耐火材料模具包括 殼模。
31. 根據權利要求30所述的方法，其中，所述殼模沒有被微粒介 質包圍。
32. 根據權利要求30所述的方法，其中，所述殼模由微粒介質包圍。
33. 根據權利要求28所述的方法，其中，通過將水蒸汽或可冷凝 蒸汽引入所述模具內部而熔化所述消失性模型。
34. —種用于從耐火材料模具的內部去除消失性模型的設備，該 設備包括模具夾和旋轉機構，以及模具支承機構，所述模具布置在 它們之間；可樞轉軸，所述模具夾和旋轉機構以及所述模具支承機構布置在該可樞轉軸上；用于使得所述軸樞轉從而使所述模具夾和旋轉 機構以及所述模具支承機構相對于重力傾斜的裝置；以及用于去除所 述消失性模型的裝置。
35. 根據權利要求34所述的設備，其中，所述模具夾和旋轉機構 包括可旋轉軸，該可旋轉軸的端部摩擦地接合至所述模具的端部，以 向該模具傳遞旋轉。
36. 根據權利要求36所述的設備，其中，所述模具夾和旋轉機構 可相對于所述模具上下運動，以使所述端部與所述模具接合。
37. 根據權利要求35所述的設備，其中，所述模具支承機構包括 接收所述模具的相對端部的可旋轉座。
全文摘要
本發明涉及用于從模具去除消失性模型的方法和設備。通過在模具的外部受到模具外的諸如空氣的非冷凝氣體大氣作用的同時將可包含表面活性劑的水蒸汽或其它可冷凝蒸汽排入到模具中以接觸和熔化模型，而去除殘留在未被支承或支承在微粒床上的耐火材料模具內的諸如蠟或其它可熔化模型材料的消失性模型。不管可冷凝蒸汽是否包含表面活性劑，模具都可相對于重力傾斜，并在傾斜的同時旋轉，以促進模型的去除。可冷凝蒸汽在模具內、在蒸汽已經接觸模型的位置處冷凝，同時模具的外部沒有冷凝物。冷凝了的蒸汽和熔化了的模型材料被排出到模具外，在存在表面活性劑時該表面活性劑促進排出。
文檔編號B22C9/04GK101362186SQ200810080690
公開日2009年2月11日 申請日期2008年3月3日 優先權日2007年3月1日
發明者特倫斯·D·露絲, 約翰·A·雷德姆斯克, 馬克·W·奧萊希 申請人:金屬鑄造技術公司