摘要：在自制的剪應(yīng)力測(cè)試儀器上，對(duì)消失模鑄造干砂緊實(shí)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。著重研究了振幅、頻率、振動(dòng)時(shí)間、砂箱大小、形狀以及干砂粒形和粒度等7個(gè)因素對(duì)干砂緊實(shí)特性的影響，并運(yùn)用正交設(shè)計(jì)，找到諸因素對(duì)緊實(shí)特性影響作用大小順序。
關(guān)鍵詞：緊實(shí)特性；消失模鑄造；影響因素
消失模鑄造因其獨(dú)特的工藝性和在成本及環(huán)保上的優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)出現(xiàn)就受到鑄造工作者的重視并得到了迅速地發(fā)展。干砂的振動(dòng)充填與緊實(shí)是消失模鑄造工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一，它不僅要求砂子快速到達(dá)模型周圍形成足夠的緊實(shí)度，而且在緊實(shí)過程中應(yīng)使模型變形較小，以保證澆注后形成輪廓清晰、尺寸精確的鑄件。干砂在振動(dòng)狀態(tài)下的充填緊實(shí)過程，是1個(gè)極其復(fù)雜的散粒體動(dòng)力學(xué)過程。砂粒在振動(dòng)過程中必須克服砂粒間的內(nèi)摩擦力，砂粒―模型以及砂粒―砂箱壁間的外摩擦力以及砂粒本身的重力，才能充滿模型的外型與內(nèi)腔?？梢姡缮熬o實(shí)特性不僅與砂粒所受的緊實(shí)力有關(guān)，而且還與砂子本身的特性以及砂箱形狀、大小有關(guān)?；谶@一點(diǎn)，本研究通過理論分析并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定影響消失模干砂緊實(shí)程度的各種因素的作用規(guī)律。并利用正交試驗(yàn)找出各因素對(duì)干砂緊實(shí)的作用大小以及較好的工藝條件。
1 干砂緊實(shí)機(jī)理
干砂緊實(shí)實(shí)質(zhì)是通過振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)使砂箱內(nèi)砂粒產(chǎn)生微運(yùn)動(dòng)，從而使砂粒體獲得沖量并克服相鄰部位砂粒間的內(nèi)摩擦阻力而使干砂得到緊實(shí)的。在振動(dòng)臺(tái)一個(gè)振動(dòng)周期中砂粒發(fā)生不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，砂?？朔枇Χ玫骄o實(shí)；當(dāng)振動(dòng)臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，砂粒間的滑移面是該面的剪應(yīng)力τ與正應(yīng)力σ的比值達(dá)到最大值的平面。當(dāng)(τ/σ)max＞tg?J=f(式中：?J――摩擦角 內(nèi)摩擦系數(shù))，干砂相鄰部位發(fā)生移動(dòng)。本文以微元體作為研究對(duì)象。
2 實(shí)驗(yàn)原理與方法
2.1 實(shí)驗(yàn)原理
據(jù)此設(shè)計(jì)的干砂剪力測(cè)試原理，如圖2所示。具體測(cè)試方法如下：把干砂均勻地倒入砂箱內(nèi)，下砂箱固定于振動(dòng)臺(tái)上，在上箱施加剪切力T使干砂Ⅰ―Ⅰ斷面在水平方向移動(dòng)。發(fā)生移動(dòng)時(shí)單位面積的剪力即為干砂的剪應(yīng)力。
2.2 實(shí)驗(yàn)裝置
表1 砂箱間的摩擦阻力系數(shù)(砂箱壁厚：8 mm)
Tab.1 Frictional resistance coefficient between boxes
|
小圓砂箱
(φ50×160) mm3
|
大圓砂箱
(φ98×160) mm3
|
方砂箱
(100×105×160) mm3
|
|
砂箱面
積/m2
|
1.96×10-3
|
7.54×10-3
|
1.05×10-2
|
|
摩擦阻
力系數(shù)
|
0.33
|
0.36
|
0.30
|
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 工藝參數(shù)對(duì)干砂剪應(yīng)力的影響
(1)砂箱形狀與大小的影響
采用不同形狀、大小2組砂箱進(jìn)行各種振動(dòng)參數(shù)下剪應(yīng)力的測(cè)定。結(jié)果表明，模數(shù)類似而形狀不同的砂箱(模數(shù)等于體積與面積之比，體積為干砂體積；面積為砂接觸面積)，圓砂箱總是具有較大的剪應(yīng)力值。對(duì)于形狀相同而大小不等的砂箱，大砂箱總是具有較大的剪應(yīng)力值。
本研究列出在某一振動(dòng)參數(shù)下部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖4(a)(b)所示。從圖中可以看出：具有相同模數(shù)與高度的圓砂箱比方砂箱干砂緊實(shí)效果好，這是因?yàn)橄啾葓A砂箱，方砂箱具有較強(qiáng)的邊角摩擦阻力效應(yīng)，減弱了干砂緊實(shí)作用。由于在方砂箱中容易布置模型，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，方砂箱應(yīng)用較多；具有相同形狀與高度的大砂箱比小砂箱緊實(shí)效果好，這主要因?yàn)閷?duì)于一定量的干砂在其緊實(shí)過程中，大砂箱具有較小摩擦阻力作用。
(2)干砂粒度的影響
干砂粒度的增大，剪應(yīng)力增大。原因?yàn)楦缮傲６仍郊?xì)，其比表面積越大。對(duì)于同樣的緊實(shí)力，粒度細(xì)的緊實(shí)阻力(表面間壓力與摩擦力)大，導(dǎo)致剪應(yīng)力減小。在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮透氣性與表面粗糙度等工藝因素，一般控制目數(shù)在40～70目范圍之內(nèi)。
(3)振動(dòng)頻率的影響
一般說來，振動(dòng)頻率的增大，將導(dǎo)致干砂的摩擦角的下降，提高干砂的流動(dòng)性，從而增大了干砂的剪應(yīng)力，根據(jù)公式：a=AW2=A(2πf)2，式中 A――振幅；f――頻率；a――加速度。在一定的振幅下，提高振動(dòng)頻率將加大緊實(shí)力，從而提高干砂的剪應(yīng)力τ，如圖6所示。隨著干砂振動(dòng)頻率的增加，剪應(yīng)力增大，當(dāng)達(dá)到50 Hz時(shí)，剪應(yīng)力出現(xiàn)較大值；如果頻率進(jìn)一步增大，由于受振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，振幅急劇下降，將導(dǎo)致剪應(yīng)力的下降。
(4)振幅的影響
振動(dòng)緊實(shí)時(shí)，振幅的增大將增加干砂的緊實(shí)能量，干砂的剪應(yīng)力τ隨之提高。受振動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)限制，振幅到一定值時(shí)，振動(dòng)頻率將下降。本實(shí)驗(yàn)采用的頻率為35 Hz，隨著振幅的增大，剪應(yīng)力變化幅度不大，如圖7所示。在實(shí)際生產(chǎn)中，振幅變化范圍較小，一般在1～3 mm之間。
(5)振動(dòng)時(shí)間
隨著振動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，剪應(yīng)力隨之增加。原因?yàn)樵谝欢ㄕ駝?dòng)工藝參數(shù)作用下，振動(dòng)時(shí)間的增加，有利于砂箱與砂粒間以及砂粒之間的相互錯(cuò)位與移動(dòng)。從而提高了剪應(yīng)力τ。但振動(dòng)時(shí)間超過80 s，剪應(yīng)力τ變化較小。其主要原因是振動(dòng)臺(tái)由振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，振動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，將導(dǎo)致激振力方向與其他工藝參數(shù)的變化，降低了干砂緊實(shí)效果，使τ值下降。在生產(chǎn)操作中，若振動(dòng)頻率為50 Hz，振動(dòng)加速度為1.2 m/s2，采用40～60 s的振動(dòng)時(shí)間，就可獲得緊實(shí)度適當(dāng)?shù)纳靶汀?nbsp;
綜上所述，諸多工藝參數(shù)對(duì)干砂剪應(yīng)力有顯著影響，但在實(shí)際工藝制定與操作過程中，這些影響因素的主次關(guān)系以及同一因素中水平如何選取同樣是至關(guān)重要的。利用“正交表”合理安排實(shí)驗(yàn)，可用較少的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得出較優(yōu)的工藝條件。本實(shí)驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)方法，測(cè)定并分析各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)干砂剪應(yīng)力的影響程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。首先對(duì)所測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過方差分析判斷各因子水平的改變對(duì)剪應(yīng)力的影響。
表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果
Tab.2 Results of orthogonal test
|
試驗(yàn)號(hào)
|
因 素(j=1，2，…，8)
|
Yj干砂剪應(yīng)
力τ N/m2
|
相關(guān)系
數(shù)γ
|
|
砂箱結(jié)構(gòu)
(1)
|
干砂粒度
(2)
|
空
(3)
|
振動(dòng)時(shí)間
(4)
|
振動(dòng)頻率
(5)
|
振幅
(6)
|
空
(7)
|
空
(8)
|
|
水 平
|
|
1
|
大圓
|
12目
|
1
|
30 s
|
35 Hz
|
0.1 mm
|
1
|
1
|
23476
|
0.925
|
|
2
|
大圓
|
30目
|
2
|
60 s
|
42.5 Hz
|
0.3 mm
|
2
|
1
|
25890
|
0.982
|
|
3
|
大圓
|
70目
|
3
|
90 s
|
50 Hz
|
0.5 mm
|
3
|
1
|
18559
|
0.987
|
|
4
|
方箱
|
12目
|
1
|
60 s
|
42.5 Hz
|
0.5 mm
|
3
|
1
|
19343
|
0.993
|
|
5
|
方箱
|
30目
|
2
|
90 s
|
50 Hz
|
0.1 mm
|
1
|
1
|
17436
|
0.995
|
|
6
|
方箱
|
70目
|
3
|
30 s
|
35 Hz
|
0.3 mm
|
2
|
1
|
6585
|
0.999
|
|
7
|
小圓
|
12目
|
2
|
30 s
|
50 Hz
|
0.3 mm
|
3
|
1
|
16600
|
0.989
|
|
8
|
小圓
|
30目
|
3
|
60 s
|
35 Hz
|
0.5 mm
|
1
|
1
|
4983
|
0.994
|
|
9
|
小圓
|
70目
|
1
|
90 s
|
42.5 Hz
|
0.1 mm
|
2
|
1
|
3192
|
0.998
|
|
10
|
大圓
|
12目
|
3
|
90 s
|
42.5 Hz
|
0.3 mm
|
1
|
2
|
20074
|
0.930
|
|
11
|
大圓
|
30目
|
1
|
30 s
|
50 Hz
|
0.5 mm
|
2
|
2
|
23349
|
0.989
|
|
12
|
大圓
|
70目
|
2
|
60 s
|
35 Hz
|
0.1 mm
|
3
|
2
|
15625
|
0.991
|
|
13
|
方箱
|
12目
|
2
|
90 s
|
35 Hz
|
0.5 mm
|
2
|
2
|
17190
|
0.994
|
|
14
|
方箱
|
30目
|
3
|
30 s
|
42.5 Hz
|
0.1 mm
|
3
|
2
|
20858
|
0.993
|
|
15
|
方箱
|
70目
|
1
|
60 s
|
50 Hz
|
0.3 mm
|
1
|
2
|
16733
|
0.994
|
|
16
|
小圓
|
12目
|
3
|
60 s
|
50 Hz
|
0.1 mm
|
2
|
2
|
22714
|
0.980
|
|
17
|
小圓
|
30目
|
1
|
90 s
|
35 Hz
|
0.3 mm
|
3
|
2
|
3575
|
0.998
|
|
18
|
小圓
|
70目
|
2
|
30 s
|
42.5 Hz
|
0.5 mm
|
1
|
2
|
2708
|
0.999
|
|
M1，j
|
126973
|
119397
|
89668
|
93576
|
71434
|
103301
|
85410
|
136064
|
|
M2，j
|
98145
|
96091
|
95449
|
105288
|
92065
|
89457
|
98920
|
142826
|
T=278890
|
*
|
|
M3，j
|
53772
|
63402
|
93773
|
80026
|
115391
|
86132
|
84560
|
|
m1，j
|
21162
|
19900
|
14945
|
15596
|
10906
|
17216
|
14235
|
1548
|
Y=15494
|
*
|
|
m2，j
|
16358
|
16015
|
15908
|
17548
|
16344
|
14910
|
16487
|
15820
|
|
m3，j
|
8962
|
10567
|
15629
|
13338
|
19232
|
14355
|
15760
|
|
F0.05(2，5)
|
|
fj*
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
1
|
=5.79
|
|
Fj
|
53.1
|
30.9
|
|
6.3
|
18.9
|
3.2
|
|
Sj
|
21289.5
|
16240
|
1717
|
7299
|
12697
|
5257
|
3981
|
1594
|
注：f――自由度； Y――剪應(yīng)力均值； T――剪應(yīng)力數(shù)據(jù)之和
表中空列中沒有安排因素，該列僅反映實(shí)驗(yàn)誤差大小，誤差方差為S誤=S3+S7+S8=21336490
表2中數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明：S(砂箱結(jié)構(gòu))＞S(干砂粒度)＞S(振動(dòng)頻率)＞S(振動(dòng)時(shí)間)＞S(振幅)。砂箱結(jié)構(gòu)與干砂粒度對(duì)剪應(yīng)力影響最大；振動(dòng)頻率與振動(dòng)時(shí)間影響次之；振幅的影響最小。α=0.05顯著性水平計(jì)算結(jié)果表明：砂箱結(jié)構(gòu)、干砂粒度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間4個(gè)因素高度顯著(F1，2，4，5＞F0.05(2，5)=5.79)，而振幅因素不顯著(F6=3.2＜5.79)。所以振幅的影響可忽略不計(jì)，考慮到振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)，一般選取低振幅。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，選取因素水平所對(duì)應(yīng)最高剪應(yīng)力的均值，組成較優(yōu)方案。A(大圓砂箱)；B(干砂目數(shù)為12目)；C(振動(dòng)頻率為50 Hz)；D(振動(dòng)時(shí)間為60 s)；E(振幅為0.1 mm)。
4 結(jié)論
(1)建立消失模干砂緊實(shí)的數(shù)學(xué)模型，為選定影響因素分析振動(dòng)工藝參數(shù)對(duì)剪應(yīng)力的影響規(guī)律提供指導(dǎo)。
(2)通過自制的干砂剪應(yīng)力的測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)工藝參數(shù)對(duì)干砂緊實(shí)程度有顯著的影響；從而使干砂緊實(shí)效果定量測(cè)試成為可能。
(3)通過對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)理分析，發(fā)現(xiàn)各振動(dòng)工藝參數(shù)對(duì)干砂剪切應(yīng)力的影響大小順序依次為砂箱結(jié)構(gòu)、干砂粒度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間、振幅。
(4)根據(jù)本研究實(shí)驗(yàn)條件，工藝參數(shù)選取為：砂箱為大圓砂箱；干砂目數(shù)為12目；振動(dòng)頻率為50 Hz；振動(dòng)時(shí)間為60 s；振幅為0.1 mm；可使干砂緊實(shí)效果達(dá)到較好值。
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