型砂材質(zhì)與擠壓成形工藝對砂型表面性能的影響

郭莉軍，單忠德，劉麗敏，姜二彪

機械科學研究總院先進成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京 100044

?通信作者，E-mail：shanzd@cam.com.cn

基于去除加工原理的砂型無模鑄造精密成形技術(shù)[1-5]，是一種直接鑄型快速、綠色制造方法，通過現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)和傳統(tǒng)鑄造技術(shù)之間的融合，快速制造出所需砂型[6-10]. 實現(xiàn)了鑄件生產(chǎn)的數(shù)字化、精密化、柔性化、自動化、綠色化[11-15].

據(jù)統(tǒng)計, 由于型砂質(zhì)量問題引起的鑄件廢品占所有廢品總數(shù)的60%～70%[15-20]. 砂型表面質(zhì)量是砂型質(zhì)量的重要要素之一，其直接影響到鑄件的表面質(zhì)量，甚至影響鑄件的性能及質(zhì)量. 傳統(tǒng)砂型的表面質(zhì)量可以由砂型抗拉強度間接表征. 數(shù)字化柔性擠壓成形的砂型表面受到切削刀具的刮削[21-26]，容易使的砂型表面產(chǎn)生細小裂紋，導致砂型表面出現(xiàn)松散、易脫落、表面質(zhì)量降低；而且銑削后的砂型表面存在著大量硬而微小的砂屑，如果直接用點觸法測量，觸頭接觸砂型表面，相當于觸頭在砂輪上移動，極易損壞測量設(shè)備；這時砂型的表面質(zhì)量不能由砂型抗拉強度來表征. 表面粗糙度也不能反映出砂型表面的松散程度及砂型的表面質(zhì)量. 本文采用表面性能來表征數(shù)字化柔性擠壓砂型的表面質(zhì)量，旨在為高效率、高精度、低成本的數(shù)字化柔性擠壓成形技術(shù)提供一些理論基礎(chǔ).

1 實驗設(shè)計

1.1 表面質(zhì)量的測定方法

傳統(tǒng)的砂型表面質(zhì)量表征是表面安定性[27].傳統(tǒng)黏土砂表面安定性的試樣無法從砂型中取得，而自制的表面性能及表面安定性試樣不能真實表征傳統(tǒng)砂型的表面質(zhì)量. 用抗拉強度間接表示表面性的也不多，不是通行做法. 數(shù)字化柔性擠壓成形技術(shù)可以對砂型進行切削，可直接從砂型中切取表面性能及表面安定性試樣，從而使表面性能及表面安定性能真實表征數(shù)字化柔性擠壓砂型的表面質(zhì)量.

砂型的表面性能以試驗前后試樣質(zhì)量的變化來表示：將2 個圓柱形標準試樣，試樣尺寸φ50 mm×50 mm，并列放置于滾筒篩中，圓筒轉(zhuǎn)動30 s 后停止旋轉(zhuǎn)，稱量從篩孔中掉下的砂粒質(zhì)量，與原試樣質(zhì)量的比值為砂型的表面性能. 表面安定性是把圓柱形砂型試樣夾在旋轉(zhuǎn)試驗儀上旋轉(zhuǎn)，用鋼絲針布刷在旋轉(zhuǎn)的砂型試樣表面進行刷磨，旋轉(zhuǎn)30 s后稱量被磨下的砂粒質(zhì)量，即為砂型的表面安定性，其測試原理如圖1 所示. 由于表面性能試驗的試樣在篩上易出現(xiàn)不規(guī)則的顛簸翻滾，從而使掉落的砂量波動較大，所以本實驗選用表面安定性來表征砂型表面質(zhì)量.

圖 1 表面性能測試原理Fig.1 Diagram of the surface property test

1.2 實驗材料

試驗材料：砂型材質(zhì)為樹脂砂，型砂選取硅砂、寶珠砂和鉻鐵礦砂，粘結(jié)材料選用堿性酚醛樹脂和固化劑. 試驗用儀器及設(shè)備：CAMTC-SMM3000S型號砂型數(shù)字化無模鑄造精密成形機，表面性能試驗儀，SHY 葉片式樹脂砂混砂機碗型混砂機，百分之一電子天平. 試驗條件：砂溫（20±2） ℃；室溫（25±2） ℃；相對濕度（50±5）%. 混制的砂型在數(shù)字化精確成形機上切削出砂型安定試樣，如圖2 所示.

圖 2 試樣加工Fig.2 Sample processing

2 砂型粘結(jié)顆粒模型

砂型的強度失效在微觀上為型砂間粘結(jié)材料的粘結(jié)橋的斷裂，宏觀上可認為是與巖石類似的脆性力學行為[28-29]. 樹脂砂型由原砂和粘結(jié)劑經(jīng)混合后固化而成，型砂之間的微觀接觸形式可分為并聯(lián)和串聯(lián)的接觸形式. 理想的砂型顆粒的并聯(lián)和串聯(lián)接觸模型是將砂粒簡化為理想的球體，砂粒之間的粘結(jié)橋其形狀簡化為球形凹端的短圓柱體. 如圖3 所示，其中Rs、Rb和t 分別表示砂粒直徑、粘結(jié)橋圓柱體直徑及兩砂粒表面距離.當t＞0 時，接觸模型為串聯(lián)接觸；當t=0 時，接觸模型為并聯(lián)接觸.

圖 3 砂粒接觸模型Fig.3 Sand contact model

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 砂型表面性能分析

表面性能試樣在耐磨測試儀上，測量不同的磨削次數(shù). 每測量一次，旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)30 圈. 分別測量三個表面性能試樣，按磨削次數(shù)取平均值，實驗結(jié)果表1 所示.

表 1 不同磨削次序型砂的表面性能Table 1 Surface properties of sand under different grinding times

根據(jù)表1 繪制磨削砂粒質(zhì)量與磨削次數(shù)的曲線關(guān)系圖，如圖4 所示.

實驗結(jié)果如圖所示，可看出，第一次磨削的砂粒質(zhì)量大于后面幾次的磨削質(zhì)量，后面幾次的磨削質(zhì)量變化較小. 結(jié)果說明砂型外部的表面性能與砂型內(nèi)部的表面性能存在差異，無模砂型的抗拉強度不能夠真實反映砂型的表面質(zhì)量. 砂型加工時刀具對砂型進行刮切，導致砂型表面的砂粒間會產(chǎn)生裂紋，降低了砂型的表面性能.

圖 4 砂粒質(zhì)量與磨削次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between the sand quality and grinding time

3.2 型砂種類對砂型表面性能的影響

選擇寶珠砂、硅砂與鉻鐵礦砂分別按照型砂、堿性酚醛樹脂和固化劑質(zhì)量比為1000∶20∶5，使用SHY 葉片式碗型樹脂砂混砂機混砂，混合時長為 15 s，將混好的樹脂砂裝入砂箱內(nèi)，砂箱尺寸為150 mm×150 mm×100 mm，樹脂砂固化12 h 后，將砂塊放置在數(shù)字化無模鑄造精密成形上加工成表面性能試樣，試樣尺寸φ50 mm×50 mm，然后對所得砂型試樣表面性能進行測量. 不同種類型砂的表面性能測量結(jié)果如表2 所示.

表 2 不同種類型砂的表面性能Table 2 Surface properties of different types of sand

從表2 可見寶珠砂的性能最好，鉻鐵礦砂的表面性能最差. 這是由于型砂的角系數(shù)造成的. 原砂的形狀一般分為圓形、多角形和尖角形[2]. 寶珠砂、硅砂與鉻鐵礦砂的顆粒形貌如圖5 所示. 鉻鐵礦砂的砂粒為尖角形，其砂型的粘結(jié)橋容易形成壓力集中. 在無模切削過程中，切削表面很容易產(chǎn)生裂紋并且裂紋的延伸較深，導致其砂型表面容易脫落及形成表面疏松，所以其表面性能較差. 寶珠砂的砂粒形狀為圓形，其砂型的粘結(jié)橋受力較均勻，砂型表面不容易產(chǎn)生裂紋，所以其表面性能較好. 而硅砂的砂粒形狀介于兩者之間，其表面性能也介于兩者之間.

3.3 擠壓壓力對砂型表面性能的影響

圖 5 砂粒形貌. （a）寶珠砂；（b）硅砂；（c）鉻鐵礦砂Fig.5 Sand grain appearance: (a) ceramsite; (b) silica sand; (c) chromite sand

選用硅砂，在型砂、堿性酚醛樹脂和固化劑質(zhì)量比為分別為1000∶16∶4、1000∶20∶5、1000∶24∶6、1000∶28∶7 和1000∶32∶8 前提下，使用SHY 葉片式碗型樹脂砂混砂機混砂，混合時長為15 s，將混好的樹脂砂裝入砂箱內(nèi)，砂箱尺寸為150 mm×150 mm×100 mm，在預固化階段的施加壓強分別為0、0.05、0.1 、0.15 和0.2 MPa 的擠壓壓強，經(jīng)過30 min 保壓和12 h 固化，將砂塊放置在數(shù)字化無模鑄造精密成形上加工成表面性能試樣，然后對所得砂型試樣進行表面性能進行測量. 測量結(jié)果如表3 所示. 繪制擠壓壓力與表面性能的關(guān)系圖如圖6 所示.

表 3 不同擠壓壓力下不同樹脂質(zhì)量分數(shù)砂型的表面性能Table 3 Surface properties of sand mold with different resin contents under different extrusion pressures

每種砂型樹脂質(zhì)量分數(shù)配比，砂型表面性能隨擠壓壓力變化的趨勢如圖6 所示.

由圖a、b、c、d 可見，不同樹脂質(zhì)量分數(shù)的砂型，總體趨勢為隨著擠壓壓力的增大，砂型的表面性能不斷提高. 在擠壓壓力作用下，砂粒間的間距更緊密，增加了砂粒粘結(jié)橋的數(shù)量及粘結(jié)橋的接觸面積. 在壓力作用下，砂粒之間的距離減小，砂粒并聯(lián)接觸方式增多，砂型在經(jīng)過切削時，砂型表面產(chǎn)生裂紋的數(shù)量及深度大幅減小，因此，增大砂型成形時的擠壓壓力能夠提高砂型的表面性能.由圖e 可見，樹脂質(zhì)量分數(shù)最高時，砂型表面性能隨著擠壓應力的增大，呈波動變化. 這是由于樹脂質(zhì)量分數(shù)較高時，砂型具有一定的彈性特征[21]，受不同擠壓壓力時，砂型的回彈變形不穩(wěn)定，回彈對砂型的粘結(jié)橋造成破壞，所以砂型的表面性能呈波動變化.

3.4 樹脂質(zhì)量分數(shù)對砂型表面性能的影響

選用硅砂，在型砂、堿性酚醛樹脂和固化劑質(zhì)量比為分別為1000∶16∶4、1000∶18∶4.5、1000∶20∶5、 1000∶22∶ 5.5、 1000∶24∶6、 1000∶26:6.5、1000∶28∶7 和1000∶30∶7.5 前 提 下，使 用SHY 葉片式樹脂砂混砂機碗型混砂機混砂，混合時長為15 s，將混好的樹脂砂裝入砂箱內(nèi)，砂箱尺寸為150 mm×150 mm×100 mm，在預固化階段的施加壓強為0 MPa 的擠壓壓強，經(jīng)過30 min 保壓和12 h 固化，將砂塊放置在數(shù)字化無模鑄造精密成形上加工成表面性能試樣，然后對所得砂型試樣進行表面性能進行測量. 測量結(jié)果如表4 所示.

繪制擠壓壓力與表面性能的關(guān)系圖如圖7 所示.

從圖中可以看出，在不加擠壓壓力的情況下，隨著樹脂質(zhì)量分數(shù)的增加，砂型的表面性能不斷提高. 這是由于樹脂質(zhì)量分數(shù)增加后，砂粒的包覆厚度增大，從而砂粒的粘結(jié)橋增多，砂型強度增加，砂型切削是產(chǎn)生的裂紋數(shù)量減小，所以砂型的表面性能提高了.

4 結(jié)論

（1）本文采用砂型表面性能來表征無模數(shù)字化擠壓成型砂型的表面質(zhì)量，能夠直接反映砂型加工后型腔的表面質(zhì)量. 得到了砂型材質(zhì)對砂型型腔表面質(zhì)量的影響規(guī)律.

（2）不同砂型種類的砂型表面性能不同. 砂粒的角形系數(shù)對砂型的表面性能有較大的影響. 砂粒的角形系數(shù)越小砂型表面性能越好.

（3）隨著擠壓壓力的增大，砂型的表面性能不斷提高. 隨著樹脂質(zhì)量分數(shù)的增大，砂型表面性能不斷提高. 本研究為無模成形砂型表面質(zhì)量的測量提供了新方法，為提高無模成形砂型表面質(zhì)量提供了依據(jù).

圖 6 不同擠壓壓力、樹脂質(zhì)量分數(shù)與砂型表面性能的關(guān)系. （a）樹脂質(zhì)量分數(shù)1.6%; （b）樹脂質(zhì)量分數(shù)2.0%；（c）樹脂質(zhì)量分數(shù)2.4%；（d）樹脂質(zhì)量分數(shù)2.8%；（e）樹脂質(zhì)量分數(shù)3.2%Fig.6 Relationship between the surface properties of sand mold and extrusion pressure under varying resin contents: (a) resin content 1.6%; (b) resin content 2.0%; (c) resin content 2.4%; (d) resin content 2.8%; (e) resin content 3.2%

表 4 不同樹脂質(zhì)量分數(shù)砂型的表面性能Table 4 Surface properties with different mass fraction of resin

圖 7 不同樹脂質(zhì)量分數(shù)與砂型表面性能的關(guān)系Fig.7 Relationship between the surface properties of sand mold and resin content