型砂材質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[1-5]，是一種直接鑄型快速、綠色制造方法，通過現代數控加工技術和傳統鑄造技術之間的融合，快速制造出所需砂型[6-10]. 實現了鑄件生產的數字化、精密化、柔性化、自動化、綠色化[11-15].

據統計, 由于型砂質量問題引起的鑄件廢品占所有廢品總數的60%～70%[15-20]. 砂型表面質量是砂型質量的重要要素之一，其直接影響到鑄件的表面質量，甚至影響鑄件的性能及質量. 傳統砂型的表面質量可以由砂型抗拉強度間接表征. 數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生細小裂紋，導致砂型表面出現松散、易脫落、表面質量降低；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，極易損壞測量設備；這時砂型的表面質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量. 本文采用表面性能來表征數字化柔性擠壓砂型的表面質量，旨在為高效率、高精度、低成本的數字化柔性擠壓成形技術提供一些理論基礎.

1 實驗設計

1.1 表面質量的測定方法

傳統的砂型表面質量表征是表面安定性[27].傳統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砂型的表面質量. 用抗拉強度間接表示表面性的也不多，不是通行做法. 數字化柔性擠壓成形技術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字化柔性擠壓砂型的表面質量.

砂型的表面性能以試驗前后試樣質量的變化來表示：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，圓筒轉動30 s 后停止旋轉，稱量從篩孔中掉下的砂粒質量，與原試樣質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試驗儀上旋轉，用鋼絲針布刷在旋轉的砂型試樣表面進行刷磨，旋轉30 s后稱量被磨下的砂粒質量，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不規則的顛簸翻滾，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：砂型材質為樹脂砂，型砂選取硅砂、寶珠砂和鉻鐵礦砂，粘結材料選用堿性酚醛樹脂和固化劑. 試驗用儀器及設備：CAMTC-SMM3000S型號砂型數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 砂型粘結顆粒模型

砂型的強度失效在微觀上為型砂間粘結材料的粘結橋的斷裂，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劑經混合后固化而成，型砂之間的微觀接觸形式可分為并聯和串聯的接觸形式. 理想的砂型顆粒的并聯和串聯接觸模型是將砂粒簡化為理想的球體，砂粒之間的粘結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，接觸模型為串聯接觸；當t=0 時，接觸模型為并聯接觸.

圖 3 砂粒接觸模型Fig.3 Sand contact model

3 實驗結果及分析

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. 每測量一次，旋轉軸旋轉30 圈. 分別測量三個表面性能試樣，按磨削次數取平均值，實驗結果表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

根據表1 繪制磨削砂粒質量與磨削次數的曲線關系圖，如圖4 所示.

實驗結果如圖所示，可看出，第一次磨削的砂粒質量大于后面幾次的磨削質量，后面幾次的磨削質量變化較小. 結果說明砂型外部的表面性能與砂型內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生裂紋，降低了砂型的表面性能.

圖 4 砂粒質量與磨削次數的關系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，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，其砂型的粘結橋受力較均勻，砂型表面不容易產生裂紋，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，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，經過30 min 保壓和12 h 固化，將砂塊放置在數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. 測量結果如表3 所示. 繪制擠壓壓力與表面性能的關系圖如圖6 所示.

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

每種砂型樹脂質量分數配比，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，不同樹脂質量分數的砂型，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，增加了砂粒粘結橋的數量及粘結橋的接觸面積. 在壓力作用下，砂粒之間的距離減小，砂粒并聯接觸方式增多，砂型在經過切削時，砂型表面產生裂紋的數量及深度大幅減小，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，樹脂質量分數最高時，砂型表面性能隨著擠壓應力的增大，呈波動變化. 這是由于樹脂質量分數較高時，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定，回彈對砂型的粘結橋造成破壞，所以砂型的表面性能呈波動變化.

3.4 樹脂質量分數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，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，經過30 min 保壓和12 h 固化，將砂塊放置在數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. 測量結果如表4 所示.

繪制擠壓壓力與表面性能的關系圖如圖7 所示.

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

4 結論

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

（2）不同砂型種類的砂型表面性能不同. 砂粒的角形系數對砂型的表面性能有較大的影響. 砂粒的角形系數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. 隨著樹脂質量分數的增大，砂型表面性能不斷提高. 本研究為無模成形砂型表面質量的測量提供了新方法，為提高無模成形砂型表面質量提供了依據.

圖 6 不同擠壓壓力、樹脂質量分數與砂型表面性能的關系. （a）樹脂質量分數1.6%; （b）樹脂質量分數2.0%；（c）樹脂質量分數2.4%；（d）樹脂質量分數2.8%；（e）樹脂質量分數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 不同樹脂質量分數砂型的表面性能Table 4 Surface properties with different mass fraction of resin

圖 7 不同樹脂質量分數與砂型表面性能的關系Fig.7 Relationship between the surface properties of sand mold and resin content