專利名稱：用于增強(qiáng)芯撐熔合的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題的實(shí)施例大體上涉及用于增加芯撐(chaplet)和鑄造材料之間的熔合的方法和系統(tǒng)，并且更特定地涉及用于增加芯撐和鑄造材料之間的熔合的機(jī)構(gòu)和技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著油氣工業(yè)正發(fā)展并尋求用于產(chǎn)生和生產(chǎn)能量的各種方式，壓縮機(jī)、燃?xì)鉁u輪、 電動(dòng)馬達(dá)的角色在增加。例如，為了將天然氣從生產(chǎn)場(chǎng)所運(yùn)輸至消費(fèi)者，天然氣被液化以減小其體積。液化天然氣的過(guò)程嚴(yán)重依賴于壓縮機(jī)的使用。其它示例是CO2的運(yùn)輸、油和/或氣從井中的抽取、增碳劑(carburant)通過(guò)管道的運(yùn)輸、原油在精煉廠中的加工。因此，在過(guò)去數(shù)年中，更加關(guān)注以更有效率的方式生產(chǎn)這些機(jī)器(壓縮機(jī)、燃?xì)鉁u輪、馬達(dá)等)。用于制造具有大型(從數(shù)噸至數(shù)十或數(shù)百噸)殼體、定子、轉(zhuǎn)子和其它構(gòu)件的這些機(jī)器的一種方案是鑄造這些構(gòu)件。鑄造是一種制造工藝，通過(guò)該制造工藝，液體材料通常被注入模具中，且然后允許鑄造材料固化，模具可包含期望形狀的型芯(core)。固化的部分也已知為鑄件。鑄件被推出或打破模具取出而結(jié)束該過(guò)程。鑄造材料通常為金屬。鑄造最經(jīng)常用于制造由其它方法將難以制造或不經(jīng)濟(jì)的復(fù)雜形狀。這樣的復(fù)雜形狀可包括孔洞、空腔、通道等。例如，壓縮機(jī)包括這些復(fù)雜形狀。因此，為了實(shí)現(xiàn)這樣的復(fù)雜形狀，在模具內(nèi)提供型芯，用于確定孔洞、空腔、通道等。然而，這樣的型芯可能很重，特別是當(dāng)要鑄造的機(jī)器很大時(shí)。因此，在模具內(nèi)使用支撐元件來(lái)保持型芯。這樣的支撐元件稱為芯撐。芯撐可用于從底部支撐型芯，或者從頂部錨固它，以防止在鑄造材料被注入模具中時(shí)型芯的漂浮。在組裝期間和澆注期間，可使用很多芯撐，以防止型芯移動(dòng)。然而，芯撐可能不好地粘附至鑄入模具中的材料。因此，當(dāng)成型部分(例如機(jī)器的殼體)被試驗(yàn)泄漏時(shí)，它可能會(huì)失敗，因?yàn)樾孤┛赡艽嬖谟谛緭?其現(xiàn)在為殼體的一部分)和相鄰的殼體部分之間。如果是這種情況，那么未與殼體熔合的芯撐必須在機(jī)械廠被鉆出殼體并被堵塞或焊接。該過(guò)程減慢了機(jī)器的制造過(guò)程并增加了成本，這是不期望的。在將泄漏的芯撐固定后，在機(jī)器的最終組裝之前再次檢查殼體泄漏?？蛇M(jìn)行水壓試驗(yàn)以確定泄漏。因此，將期望提供確保芯撐完全粘附至鑄造材料使得在芯撐和殼體之間沒有泄漏的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，存在著一種將芯撐熔合至鑄件的方法。該方法包括將芯撐放置在模具的上表面上；圍繞芯撐分布加熱器，使得加熱器不暴露于鑄件；將型芯放置在芯撐上，使得模具和型芯限定機(jī)器的構(gòu)件；利用加熱器將芯撐加熱至預(yù)定溫度；當(dāng)芯撐處于預(yù)定溫度時(shí)，圍繞型芯和芯撐將鑄造材料注入模具中。根據(jù)另一示例性實(shí)施例，存在著一種用于鑄造機(jī)器的構(gòu)件的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括模具，其具有反映構(gòu)件外表面的上表面；型芯，其將被放置在模具中并在構(gòu)件中形成空腔；至少一個(gè)芯撐，其被放置在模具上且配置成相對(duì)于模具支撐型芯；以及加熱器，其被放置在芯撐附近且配置成向芯撐提供熱。


并入說(shuō)明書中并構(gòu)成該說(shuō)明書的一部分的附圖示出了一個(gè)或更多實(shí)施例，并且與 描述一起解釋這些實(shí)施例。在附圖中圖I是具有由芯撐支撐的型芯的模具的示意圖；圖2是芯撐的示意圖；圖3是另一芯撐的示意圖；圖4是熔合至鑄件的芯撐的示意圖；圖5是根據(jù)一示例性實(shí)施例的設(shè)有加熱器并由支撐層支撐的芯撐的示意圖；圖6是根據(jù)一示例性實(shí)施例的設(shè)有加熱器的芯撐的示意圖；圖7是根據(jù)一示例性實(shí)施例的控制加熱器的控制邏輯的示意圖；以及圖8是根據(jù)一示例性實(shí)施例的用于將芯撐熔合至殼體的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
示例性實(shí)施例的下列描述參考了附圖。不同附圖中相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)識(shí)相同或類似的元件。以下的詳細(xì)描述并不限制本發(fā)明。而是，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。為簡(jiǎn)單起見，關(guān)于干砂型的術(shù)語(yǔ)和結(jié)構(gòu)來(lái)討論下面的實(shí)施例。然而，接下來(lái)將討論的實(shí)施例并不限于這些模具，而是可應(yīng)用于其它模具。在整個(gè)說(shuō)明書中對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”的提及意味著結(jié)合一實(shí)施例所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在所公開主題的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在整個(gè)說(shuō)明書中各個(gè)位置出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一實(shí)施例中”未必涉及相同實(shí)施例。另外，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適方式組合在一個(gè)或更多實(shí)施例中。為了新穎實(shí)施例的更好理解，圖I示出了具有由芯撐支撐的型芯的模具的示例。這種系統(tǒng)10包括模具12和型芯14。例如，型芯14需要放置在模具12內(nèi)以在最終產(chǎn)品內(nèi)形成空腔。型芯14需要不接觸模具12的任一側(cè)。因此，一個(gè)或更多芯撐16a設(shè)置在型芯14下方。芯撐16a由模具12支撐。當(dāng)鑄造材料注入到型芯14周圍時(shí)，型芯14可向上移動(dòng)，除非一個(gè)或更多芯撐16b設(shè)置在型芯14上方。利用這種配置，型芯14相對(duì)于模具12沿著豎直方向Z被固定。然而，型芯14還可沿水平方向X移動(dòng)。為了防止這種移動(dòng)，可使用更多的芯撐(未示出)以相對(duì)于模具12的側(cè)部固定型芯14。在圖2和3中更詳細(xì)地示出了芯撐16。芯撐可具有如圖2所示分開兩個(gè)板狀元件20的中央?yún)^(qū)域18或者如圖3所示連接至僅僅一個(gè)板狀元件20的中央?yún)^(qū)域18。板狀元件20可被布置成支撐型芯14。在已進(jìn)行鑄造之后，將殼體從模具12和型芯14移除。圖4中不出了這種殼體26的一部分。注意到芯撐16現(xiàn)在為殼體26的一部分,并且芯撐16將停留在殼體26中持續(xù)殼體安裝于其中的機(jī)器的壽命。然而，如果殼體26和芯撐16之間的界面28包括裂紋或氣穴，則當(dāng)在殼體內(nèi)提供流體時(shí)可能出現(xiàn)泄漏。在這種情況下，必須將芯撐16從殼體26移除，并且應(yīng)當(dāng)插入插塞以密封通過(guò)芯撐16的移除而留下的孔。這種行為是不期望的。由于各種已知和未知的狀況，在殼體26和芯撐16之間可能出現(xiàn)裂紋或氣穴。鑄造件的制造者已付出大量的努力來(lái)防止這些現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)芯撐由可支撐型芯的重量且當(dāng)鑄造材料(熔融金屬或其它化合物)被注入模具中時(shí)也不熔化的材料制成而鑄件包括不同材料時(shí)，問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。換而言之，必須熔化的材料(芯撐的材料和鑄件的材料)是不同的，具有不同的物理性質(zhì)，并且具有彼此可能不匹配的不同晶體結(jié)構(gòu)。例如，芯撐可由鋼制成，而鑄件可為鐵基的。
發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鑄造材料被注入模具中時(shí)，如果芯撐被加熱至預(yù)定溫度，則可增強(qiáng)這些不同材料之間的熔合。在一示例性實(shí)施例中，如果鑄造材料在1000 °F左右被注入，則芯撐在澆注之前被加熱至150至300 0F。在一個(gè)應(yīng)用中，芯撐被加熱至大約200至250 0F。觀察到，通過(guò)具有芯撐和鑄造材料彼此更接近但不非常接近的溫度，熔合過(guò)程更好且更少的裂紋和氣穴出現(xiàn)在芯撐和殼體之間的界面處。根據(jù)圖5所示的一示例性實(shí)施例，為了將芯撐加熱至期望溫度，可在芯撐16的端部附近提供加熱器30。加熱器30可具有將加熱器連接至電源(未示出)的引線31。圖5示出了形成于模具12中以容納芯撐16的一部分的空腔(凹坑)32。更具體而言，具有低熱導(dǎo)率的材料層34可設(shè)置在空腔32的壁上，以防止來(lái)自加熱器30的熱進(jìn)入模具12。層34可包括高維紙(Kaowool Paper)(由ThermalCeramics,Georgia,USA生產(chǎn))，其是具有熱儲(chǔ)存性質(zhì)和低熱導(dǎo)率的柔性材料。支撐芯撐層36可設(shè)在空腔32中，在層34上方。支撐芯撐層36被配置成在模具12的較大面積上分布芯撐16和型芯14的重量，因?yàn)槟＞?2可由已知不具有高強(qiáng)度的干沙制成。支撐芯撐層36可包括石墨。而且，支撐芯撐層36具有高熱導(dǎo)率，因?yàn)槠谕麃?lái)自加熱器30的熱快速且高效地傳遞至芯撐16。根據(jù)一示例性實(shí)施例，支撐芯撐層36具有比芯撐16的最大面積更大的最大面積，使得芯撐16的重量被分布至模具12的較大面積。支撐芯撐層36和層34可為可選的。加熱器30可設(shè)置在支撐芯撐層36的周圍，在其下方，或者既在支撐芯撐層36周圍又在其下方。在這種布置中，加熱器30不與芯撐16直接接觸。然而，根據(jù)另一示例性實(shí)施例，加熱器30可設(shè)置成與芯撐16直接接觸。如圖5所示，芯撐16設(shè)置在支撐芯撐層36上方。芯撐16的底側(cè)表面Al可設(shè)置成與模具12的頂表面A2齊平。然而，在一個(gè)應(yīng)用中，芯撐16的底側(cè)表面Al可如圖6所示設(shè)置在空腔32內(nèi)。圖6還示出了設(shè)置在沒有支撐芯撐層36的空腔32內(nèi)的芯撐16。根據(jù)該示例性實(shí)施例，加熱器30纏繞在芯撐16周圍。可選地，當(dāng)存在時(shí)，加熱器30可纏繞在支撐芯撐層36周圍。為了確定芯撐16的溫度，一個(gè)或更多傳感器40可設(shè)在不同位置，例如，在空腔(凹坑)32中、與支撐芯撐層36接觸、與芯撐16接觸等。另外，在一個(gè)應(yīng)用中，如圖7所示，控制邏輯元件42可連接至傳感器40和加熱器30的電源44，用于調(diào)整芯撐16的加熱?？刂七壿嬙?2可為微處理器。微處理器可被規(guī)劃成加熱芯撐16，直至達(dá)到期望的溫度。期望的溫度可由用戶輸入?？刂七壿嬙?2可為具有已知的輸入/輸出能力的計(jì)算機(jī)。根據(jù)圖8所示的一示例性實(shí)施例，存在著一種用于將芯撐熔合至鑄件的方法。該方法包括步驟800，將芯撐放置在模具的上表面上；步驟802，圍繞芯撐分布加熱器，使得加熱器不暴露于鑄件；步驟804，將型芯放置在芯撐上，使得模具和型芯限定機(jī)器的構(gòu)件；步驟806，利用加熱器將芯撐加熱至預(yù)定溫度；以及步驟808，當(dāng)芯撐處于預(yù)定溫度時(shí)，圍繞型芯和芯撐將鑄造材料注入模具中。
所公開的示例性實(shí)施例提供了用于在鑄造過(guò)程中增加芯撐與鑄件熔合的可能性的系統(tǒng)和方法。應(yīng)當(dāng)理解，該說(shuō)明書并不意圖限制本發(fā)明。相反，示例性實(shí)施例意圖覆蓋包括在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的變更、修改和等同方案。另外，在示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述中，為了提供所要求保護(hù)的發(fā)明的全面理解，闡述了眾多具體細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，可在沒有這樣的具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施各種實(shí)施例。雖然當(dāng)前示例性實(shí)施例的特征和元件在實(shí)施例中以特定組合進(jìn)行描述，但是每個(gè)特征和元件可在沒有實(shí)施例的其它特征和元件的情況下單獨(dú)使用，或者在有或沒有本文公開的其它特征和元件的情況下在各種組合中使用。該書面描述使用所公開主題的示例來(lái)使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┫嗤纠?，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何并入的方法。該主題的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。這種其它示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于將芯撐熔合至鑄件的方法，所述方法包括 將所述芯撐放置在模具的上表面上； 圍繞所述芯撐分布加熱器，使得所述加熱器不暴露于所述鑄件； 將型芯放置在所述芯撐上，使得所述模具和所述型芯限定機(jī)器的構(gòu)件； 利用所述加熱器將所述芯撐加熱至預(yù)定溫度；以及 當(dāng)所述芯撐處于所述預(yù)定溫度時(shí)，圍繞所述型芯和所述芯撐將鑄造材料注入模具中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括 > 在所述模具的上表面中形成凹坑，以容納所述芯撐；以及 將所述芯撐放置在所述凹坑中，使得所述芯撐的最低表面不與所述模具的上表面齊平。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括 在所述凹坑和所述芯撐之間放置支撐芯撐層，使得所述支撐芯撐層的最大面積比所述芯撐的最大面積更大，用于在所述模具的上表面上分布所述芯撐和所述型芯的重量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，還包括 將所述加熱器纏繞在所述支撐芯撐層周圍，使得所述加熱器完全分布在所述凹坑內(nèi)，低于所述模具的上表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，還包括 利用低熱導(dǎo)率層將所述凹坑與所述加熱器、所述支撐芯撐層以及所述芯撐隔離，以防止來(lái)自所述加熱器的熱擴(kuò)散到所述模具中。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括 將所述加熱器纏繞在所述芯撐的側(cè)表面周圍，其中，所述加熱器為電加熱器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括 在注入所述鑄造材料之后關(guān)閉所述加熱器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定溫度為250T左右。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述芯撐由鋼制成，并且所述鑄件是鐵基的。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括 在兩種材料均被冷卻之后，從所述模具移除與所述芯撐熔合的鑄件；以及 應(yīng)用水壓試驗(yàn)來(lái)檢查所述芯撐和所述鑄件之間的界面是否泄漏。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括 使用多個(gè)芯撐來(lái)支撐所述型芯，每個(gè)芯撐由相應(yīng)的加熱器加熱。
12.一種用于鑄造機(jī)器的構(gòu)件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 模具，其具有上表面，所述上表面反映所述構(gòu)件的外表面； 型芯，其將被放置在所述模具中并在所述構(gòu)件中提供空腔； 至少一個(gè)芯撐，其被放置在所述模具上且配置成相對(duì)于所述模具支撐所述型芯；以及 加熱器，其被放置在所述芯撐附近且配置成向所述芯撐提供熱。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模具和所述型芯包括砂。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模具被配置成具有凹坑，所述芯撐的一部分設(shè)置在所述凹坑中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括 支撐芯撐層，其設(shè)置在所述凹坑的底部和所述芯撐之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱器纏繞在所述支撐芯撐層周圍。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱器纏繞在所述芯撐周圍。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括 低熱導(dǎo)率材料，其被配置成將所述凹坑與所述芯撐和所述加熱器隔離，以防止熱流至所述模具。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括 一個(gè)或更多溫度傳感器，其被配置成測(cè)量所述芯撐的溫度；以及 控制邏輯電路，其被配置成控制所述加熱器，用于將所述芯撐加熱至預(yù)定溫度。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述芯撐由鋼制成，所述鑄件是鐵基的，所述芯撐支撐層包括石墨，所述型芯和所述模具包括砂，并且所述機(jī)器為壓縮機(jī)。
全文摘要
用于將芯撐熔合至鑄件的系統(tǒng)和方法。該方法包括將芯撐放置在模具的上表面上；圍繞所述芯撐分布加熱器，使得加熱器不暴露于鑄件；將型芯放置在芯撐上，使得模具和型芯限定機(jī)器的構(gòu)件；利用加熱器將芯撐加熱至預(yù)定溫度；以及，當(dāng)芯撐處于預(yù)定溫度時(shí)，圍繞型芯和芯撐將鑄造材料注入模具中。
文檔編號(hào)B22C21/14GK102811828SQ201180010189
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2011年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月19日
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