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1、 基础理论 砂 的成型性能及紧实 工艺对 其影响 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 9 9 7中国铸造装备与技术 砂 型 的 成 型性 能 及 紧 实 工 艺 对 其 影响， 、 ， 1 ， - 陈士梁 谢 祖锡 ( 辽宁沈阳市： 1 1 0 0 2 3 沈阳工业大学) 。 。 。 一- _一 摘要 ： 研究了砂 型的爨实 方法和 紧实工艺因素对紧宴后砂型成型性能( 如起模 力、 回弹及再 紧宴变形) 的影响。在此基础 上 讨论了砂型紧宴工艺参数 的优化 Che n Sh i l i a n g，Xi e Zu ： i The I nf l u e nc e s of Co m pa c
2、t i ng Te ch n ol o g y o n t he M o l d f or mi n g Pr o p e r t i e s o f F o u n d r y Mo l d Th e i n f l u e n c e s o f c o mp a c t i n g me t h o d a n d c o mp a c t i n g i n t e n s i t y o n s o me i mp o r t a n t mo l d f o r mi ng p r o p e r t i e s o f mo l d s u c h a s s p r i n g
3、 b a c k，s t r i p p i n g f o r c e ，r e d e f o r ma t i o n h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d Ba s e d o n t h i s， t h e o p t i mi z a t i o n o f c o mp a c t i n g me t h o d a n d t e c h n o l o g i c a l p a r a me t e r s h a s b e e n d i s 主 题 词 ：造 型 砂 型 些魑二 ： ! 兰 三 兰 些鉴 二 ： 高压 、
4、气流冲击等高紧实造型方法的兴起 ， 推动 了甩砂型铸造高精确度铸件的发展。这就要求对高 紧实度造型过程作更深入的了解 。型砂经 紧实而成 为砂型， 然而， 型砂紧实而具有一 定的强度 ， 并不是 对型砂成型的唯一要求 。 此外 ， 还 须要考虑 以下一些 问题 a 所紧实的砂 型必须能顺利起模 ， 起模时砂型 不致 由于阻力大被损坏 ， 亦即要： 拉起模 力不太大。 b 砂型在起模后 ， 能保持原来 的形状和尺寸 ， 亦即要求型砂在起模时 ， 回弹量要小。 c 砂型表面在受浇注的金属熔液压力时 ， 能抵 抗压力的作用而变形量小 ， 或其型壁移动量应小。 考 虑到在热状态下的测试 困难 ， 所
5、以用测量砂型在室 温条件下 。 受一定压力作 用时砂型表面的移动量 来 代表， 亦即用再 紧实变形量来代表砂型表面的型壁 移动的能力。 砂型表面的再紧实变形量大 ， 则砂型表 面型壁移动量大 ， 这是我们所不希望的。 由于砂型 的这些 性能是砂型在其成 型过程中 ( 填砂 、 紧实、 起模等过程) 所表现 出的性能 ， 因而可 总称之为砂型成型性能。除了上述几种砂型成型性 能之外， 还有型砂 另外的一些性 能， 如 型砂 的紧实 性能， 变形性能 ， 匀实性等 ， 也可 以归之于成型性能。 以前对砂型成型过程的研究 ， 大多仅研 究紧实后达 到的紧实度或硬度分布。但若要更精确地研究砂型 的成型
6、过程， 还必须同时研究这些成型性能。 美 于砂型的起模力和砂型的 回弹 ， 曾有一些学 者研究过_ l 。 对于砂型的再紧实变形， 很少有人研 究 ， 特别是尚无人把这三个性能合在一起进行研 究 。 本文将这三个性能连起来一起研究， 研究砂型的 收稿 日期 ： l 9 9 7 一O 5 一 l 6 4 4 紧实工艺对它们的影响。 根据试验结果 ， 提 出砂型工 艺 ( 紧实方法， 紧实力度 ， 型砂的成分等) 优化选择的 一些 见解 。 l 进行试验的方法 l _ 1 试验 砂 型 由于砂型的起模力、 回弹以及再紧实变形等的 大小与砂型及模样的形状和尺寸有很大的关系 ， 所 以本试验采甩了一个
7、代表性的砂型， 如图 1 。 所用砂 箱是圆形叠层式的 ， 内径为 l 8 0 mm， 每层高 3 0 mm， 共 1 O层 最高填砂高度为 3 0 0 m m。砂型中， 放置一 个 7 4 mm、 高 1 0 0 mm 的模样 。 模样在高度上略呈锥 状 ， 模样底径为 7 8 mm， 实际尺寸见图 1 按 图 1的尺 寸， 模样周 围深凹区的深凹比 n为： 4 1 0 0 5 3 1 8 8 7 按文献 7 所 测定的范 围， 模 样属于滑性 ， 紧实后， 砂 型深 凹 区 的上 入 口处 ， 并 不会 出现“ 漏 斗堵塞” 现 象。 图1 试验砂型与模样所 以可以说 ， 试验气流冲击 紧
8、实的砂型可以代表正常的砂型 。 用以上的砂箱及模样 ， 以同样的型砂， 分别用高 压紧实及气流冲击紧实法制成试验砂型。 取出砂型， 测量其起模力、 回弹及再紧实变形等成型性能。 试验 中除了特别说 明外， 试验所用紧实工艺参 数 及型砂性能为 ： 气流冲击 工作气压 p 。 一6 0 0 k P a ； 填砂高 度 h 一3 0 0 mm 型砂中嘭润土含量 B=8 ， 型砂的紧实率 r 一4 5 ， 文中不再另加说 明。 l 2 试验砂型的紧实方法 l 2 1 试验砂型的气流冲击紧实 基础理论 砂型 的成型性能及紧实工艺对其影响 5 1 9 9 7中国铸造装备与技术 试验砂型的气流冲击紧实是在
9、实验室中一台自 制 小型气流冲击紧实试验机上进行的 ， 其气室容积 为 7 8 L， 射孔直径为 6 0 mm。此试验机的结构 已在 文献 4 中介绍过， 在此不再重复 。 1 2 2 试 验砂 型的压 实紧 实 砂型的高压压实是在实验室中一台试验砂型压 实紧实机上进行 。为了使模样四周深凹部也能得到 充分压实 ， 砂型紧实采取二次压实方法 。亦即 ： 先填 人一部分型砂 ， 用一个环形的压头将深 凹部以一定 的 比压压实； 然后再填入型砂 ， 用平压头以同样的比 压将上部的型砂压实。 1 3 试验 砂 型的成 型性能 的测 量 l _ 3 1 起模力的测量 起模时 ， 将紧实后的砂型翻转向上
10、( 图 2 ) 。 起模 力的测量方法如下： 利用一台杠杆式型砂强度试验 仪 ， 将原来测量砂样抗拉强度的附属装置拆去 换上 一个起模杆 ， 形成一个起模装置。 I F 用螺钉将起模杆上的螺孔与模样 上的螺孔连接起来。这时摇动试 验机上的手轮 逐渐加大起模杆 上 的拉力 当拉力达到起模力大 小时， 模样起 出。 试验仪的杠杆下 垂 ， 可 以从杠杆的刻度上直接读 出起模力的大 小。 1 3 2 回弹量的测量 图 2 起模 力的 测量 模样起出后， 砂型发生回弹 ， 型腔缩小。 然后 ， 重 新将模样仔细地放入砂型型腔中。 这时 ， 由于型腔缩 小， 模样不会回到原来位置 。 而是模样顶面高 出
11、砂型 型 面一定距离 ( 见图3 ) ， 这段距离反映了砂型表面 的回弹量 为了使模样与砂型表 面能够 密切接触 以保证读数稳 定 在模样 顶上加以 3 k g的砝码 ( 相当于作 用在型腔斜面 的比压 为 1 、 3 k P a ) 。这 一测 出的模样高 出砂型 型面的距离， 本文用其作 为砂型回弹的相对 比较值 。 1 3 3 再紧实变形值的测定 图 3 回弹量 的 测 定 砂型的再紧实变形的测试可以有很 多方法， 本 文采取了模拟砂型容积扩张的再紧实变形测试法。 为了模拟浇注时砂型 在液态金属 压力下变 形的情 况 ， 设计了一台再紧实变形测量仪( 图 4 ) 。在取走模 样的砂型型腔
12、 中放人一个与模样形状相同的中空乳 胶套 并盖以盖板 ( 见图 4 a ) 。在乳胶套中充满油液 井使活塞及托盘上升一段距离 注入油液使油液稍 微 加压( 2 5 6 k P a ) ， 使乳胶套紧贴在砂型表面上 ( 见 图 4 b ) 。这时 ， 在托盘上加以砝码 继续加大 口 嫒。 二 力达到 3 0 0 k P a 砂型在油液压 力下作微小的受彤 型壁 向后 移动 ， 乳胶套的油腔扩大 ( 图 4 c ) 量 出： 次加压过程中多加入的油液量( 本试验中 ， 测量加压 过程中托盘的下沉量 ) ， 就相 当于型壁在油压作 用下的变形量。这一 w在本文中取作为砂型的再 紧实变形 。 f 6
13、0 k g ( a) ( b) L c) 图 4 再 紧实变形值的测量 方法 1 砝码2 托盘3 活塞4 闸门 j 袖 l 堇 6 乳眩套 2 实验结果及分析 2 1 一些主要工艺因素对气流冲击紧实砂型成型 性能 的影 响 2 1 1 气流冲击工作气压的影响 图 5是用 6 0 0 k P a工 作气压气流冲击 紧实所得 的一条穿过砂型深凹区的砂型紧实度分布曲线。可 见 ： 紧实度由上而下加大 ， 至底板处为晟大。这样的 紧实度分布曲线符合一般气流冲击紧实的规律 说 明造型机工作正常 ， 没有漏斗堵塞现象。 E 哥 _l_ f ll 1 0 1 1 i 2 1 3 1 4 1 5 1 6 平均
14、蒙宴度 图 5 气流冲击所得紧 实度分布 曲线 气流i 申击 的工作气压对起模 力、 回弹及砂型的 再紧实变形量的影响见图 6 。气流冲击的工作气压 P 。 提高时 ， 起模力 F 及 回弹量 E 都相应地增大 ， 而 砂 型的再紧实变形 w迅速减小。这 一影响 趋势是 可以预料得到的 气流冲击 的工作气压提高 ， 加强了 气流冲击的冲量， 使型砂的冲击力、 包括最大底冲力 45 基础 理论砂 型的成型性能及紧实工艺 对其 影响 5 1 9 9 7中国铸造装备与技术 R ( 见参考文献E 8 3 ) 提高 ， 从而也提高 了砂型 中的 残留应力， 因而使起模力 F 及回弹量 E 都增大。 1
15、8 1 5 12 E E 9 社 互 6 3 O 4u u 60 0 u u 1 00 0 l Z0 0 气漉冲击工怍气压 。 k P a 图 6 气流冲击工 作气 压对砂型成型性能 的影响 关于型砂的再紧实变形 ， 按文献E 6 3 的推断， 是 一种型砂的残留蠕变量。 也就是在砂型紧实时， 砂粒 间接触点上的粘土膜并 没有完全被挤出来 ； 以后在 再度受压时， 虽然型砂间的作用应力相对于紧实应 力小得多 ， 但由于作用的时间长 ， 使这部分处于砂粒 间的粘土膜进一步被挤出从而引起砂型的变形 按 照这一观点， 气流冲击时的冲击力愈大 ， 作用时间愈 长 ， 砂粒接触点上的粘土膜被挤 出也愈彻底 ， 因而以 后在再度加压时的再紧实变形量也愈小。图 6中气 流冲击的工作气压提高时 ， 再紧实变形量减小 。 这一 变化是符合上述理论 的， 因而可以用上述观点加以 解释。 2 1 2 型砂膨 润土 含量 的影 响 保持型砂的紧实率不变 ， 变化型砂中的膨润土 含量时 气流冲击紧实后 ， 以上砂型的成型性能的变 化见图 7 。由图可见 ， 在型砂的某一膨润土 含量( 本 实验条件下 ， 此膨润土含量约为 B一7 ) 时， 砂型
