自制小型振動臺在液態(tài)成形綜合實驗教學中的應(yīng)用

0 引言

液態(tài)成形綜合實驗中的振動結(jié)晶實驗、消失模鑄造實驗是該校材料成型及控制工程專業(yè)綜合實驗中兩個比較重要的實驗，屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程材料成型理論基礎(chǔ)液態(tài)成形原理內(nèi)容。材料成型理論基礎(chǔ)課程由固態(tài)成形原理、液態(tài)成形原理和連接成形原理三部分教學內(nèi)容組成。

在液態(tài)成形原理教學中，振動結(jié)晶在液態(tài)成形結(jié)晶理論篇幅中占有很重要的位置，主要因為金屬的凝固是一個復雜的物理化學過程，涉及傳熱、傳質(zhì)和相變等多個方面[。在振動條件下，金屬液態(tài)凝固過程中，鑄件可以得到細小的晶粒組織；反之，僅在重力場作用下，結(jié)晶晶粒粗大[2-3]。振動結(jié)晶實驗?zāi)苤庇^地展示在振動條件下金屬液體凝固過程中的晶粒細化、組織均勻等現(xiàn)象，實驗?zāi)軒椭鷮W生深入掌握凝固機理，驗證課本中的基本理論，將增強流動性、提高形核率、促進晶粒細化等抽象概念銘記于心。

消失模鑄造實驗屬于專業(yè)核心理論課程材料成型裝備及自動化、材料加工工程教學內(nèi)容。消失模鑄造是一種新型液態(tài)成形工藝，消失模鑄造工藝技術(shù)適合于單件、快速制造條件下生產(chǎn)，在模具制造和模具前期開發(fā)上具有優(yōu)越性，近年來被廣泛應(yīng)用于模具生產(chǎn)設(shè)計領(lǐng)域。

綜上所述，在材料成型原理教學活動中，開設(shè)振動結(jié)晶實驗和消失模鑄造實驗十分必要，并且這兩個實驗要用到相同的振動臺設(shè)備。高校實驗室的一個共同特點是可提供使用的面積不大，要求設(shè)備在滿足使用功能的前提下體積越小越好，并且操作簡單、穩(wěn)定性和可靠性高。顯然，在市場上要購買到符合上述要求的振動實驗臺不是一件容易的事。因此，自制一臺適用于本科實驗教學的振動臺勢在必行。

1振動臺的設(shè)計

1. 1 指導思想

依據(jù)華中科技大學實驗室與設(shè)備管理處關(guān)于實驗技術(shù)改造和實驗設(shè)備研發(fā)的文件精神，自制設(shè)備應(yīng)遵循創(chuàng)新性、實用性、安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性和通用性，符合一臺設(shè)備多用途、多學科交叉融合等原則，達到提高實驗教學效果和質(zhì)量的目的。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

振動結(jié)構(gòu)是振動工作臺的重要組成部分，負責支撐整個工作臺并傳遞振動能量。在設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)時，需要考慮其剛度、阻尼和在共振頻率下抗疲勞失效等因素，以確保振動能量能夠有效地傳遞到服役對象上，從而達到振動最佳效果[4]。振動工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了其振動性能和使用效果。

因此，設(shè)計良好的振動臺必須慎重考慮如下幾個主要問題。

1.2.1 底座

作為振動臺的支撐部分，底座需要具有足夠的強度、剛度，能夠承受工作條件下的振動和沖擊力。在設(shè)計底座時，還應(yīng)考慮到設(shè)備的整體穩(wěn)定性和平衡性。

1.2.2 支撐桿

支撐桿的數(shù)量和布局應(yīng)根據(jù)振動臺的使用要求和負載運行狀況進行設(shè)計。合理的支撐桿布局可以確保振動臺在工作過程中的穩(wěn)定性和平衡性，減少振動過程中的晃動和偏移。

1.2.3 工作臺面

工作臺面是振動臺上承載實驗載貨的重要部分，一般采用高剛度和耐磨的材料制作。工作臺面的設(shè)計應(yīng)考慮實驗物品的形狀、大小和重量以及方便夾具固定，以確保其在振動過程中的穩(wěn)定性和安全性。

1.2.4 振動器

振動器是振動臺的關(guān)鍵驅(qū)動部件，其選用和安裝位置需根據(jù)振動臺面結(jié)構(gòu)尺寸和被振動具體情形來確定[5-6]。常見的振動器種類很多，各有特點。根據(jù)振動結(jié)晶實驗和消失模鑄造實驗的實際要求和便于實驗教學等特點要求，本振動臺振動器選取電機驅(qū)動振動器，其產(chǎn)生振動的機理是通過電機驅(qū)動偏心輪產(chǎn)生振動，具有振動頻率范圍廣、振幅可調(diào)等優(yōu)點。

1.3 振動電機的選取

正確選擇振動電機是決定振動臺性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一，良好振動電機的選取要考慮的因素較多，重點考慮因素如下。

1.3.1 額定激振力

根據(jù)工作臺服役時所有運動載貨的運動質(zhì)量，基于牛頓第二定律初步計算出在靜態(tài)狀況下所需的總推力；由于振動臺工作是在動態(tài)狀況下，為了確保運行安全、可靠，在算出的總推力情況下需加權(quán)安全系數(shù)來確定最終所需的推力[7-8]。

1.3.2 振動頻率

改變振動電機的頻率是目前最常用、最成熟的有效做法。通過變頻器頻率的改變促使驅(qū)動電機的頻率改變，驅(qū)動電機頻率的變化迫使振動臺頻率改變[9]。變頻器驅(qū)動能夠使振動臺面得到較好的正弦推力和隨機推動力。

1.3.3 振幅

調(diào)整電機振動器的振幅最常見的辦法有兩種：第一種是調(diào)整偏心塊位置，偏心塊等效質(zhì)點位置越靠近電機中心軸線振幅越小；偏心塊等效質(zhì)點位置越遠離中心軸線振幅越大[7-8]。第二種是改變振動電機偏心塊的重量。在重力場的作用下，偏心塊重量增加時振幅增大，偏心塊重量減少時振幅減小。

1.3.4振動臺維度的選取

振動按照振動方向來分，可分為一維、二維、三維振動。自制振動實驗臺主要服役于材料成型及控制工程專業(yè)材料形成原理中液態(tài)成形綜合實驗中的振動結(jié)晶、消失模鑄造實驗課，同時兼顧大學科創(chuàng)和實驗活動。因此，從實驗要求綜合考慮，振動維度選擇二維振動就足夠。如果實驗空間允許選擇三維振動設(shè)計效果或更好，因為它能獲得振動幅度稍大、頻率變化靈活的振動效果特點。

通過以上整體考慮，本振動臺振動電機相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓： 380V ；額定功率：0.25kW；電機級數(shù)：2；額定頻率： 50Hz ；防護等級：IP55；允許環(huán)境溫度： -20～40°C ；工作方式制：連續(xù)。

1.4 隔振措施

為了減少振動對工作臺周圍環(huán)境的影響，需要采取隔振措施。常見的隔振措施包括安裝隔振墊和使用隔振彈簧等，該振動臺擬采用塑料橡膠隔振墊。

1.5 控制機制的選取

控制機制是決定振動臺性能優(yōu)劣的因素之一。用于本科實驗教學的振動臺目前采用開環(huán)運行機制。所謂開環(huán)運行機制，就是先按實驗要求在變頻器上設(shè)定一個振動臺頻率，振動電機得到一個驅(qū)動電信令后，振動臺開始運行工作；振動臺實際運行工作的頻率與變頻器開始設(shè)置的頻率是否一致難以保證，但可以通過現(xiàn)場實測加以校正。設(shè)計自制振動臺的初衷是使其主要服役于液態(tài)成形綜合實驗中的振動結(jié)晶實驗和消失模鑄造實驗。在實驗教學課上，采用現(xiàn)場實驗測試電路數(shù)據(jù)予以校核，開環(huán)控制機制完全可以滿足上述要求。

1.6 振動時間的控制

在開展振動結(jié)晶實驗時，常常需要控制振動時間的長短。為了方便、快速、準確地控制振動時間，在控制電路基礎(chǔ)之上，采取串接時間繼電器控制變頻器輸出的方式。

振動臺設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

振動臺結(jié)構(gòu)圖中的材料如下。

臺面材料：45#熱軋鋼板（GB/T711— 2017）；臺面支撐框：熱軋普通槽鋼（GB/T706一 2008；彈簧：（GB/T23935—2009）；底座支柱： 鋼棒，冷拉圓柱鋼棒（GB/T699—2015）；底座支 撐框：熱軋普通槽鋼（GB/T706—2008）。

2 振動設(shè)備調(diào)試

振動臺設(shè)計完畢后，需畫出加工圖紙進行機械加工，加工完成之后按照結(jié)構(gòu)示意圖安裝振動臺，然后進行如下的必要工作。

2.1 空載調(diào)試

在振動臺安裝完成后，首先要對振動臺進行空載調(diào)試。啟動振動臺并觀察其運行狀態(tài)，振動頻率設(shè)置采取先小后大的原則，偏心塊的位置從里向外進行調(diào)試。仔細檢查是否有異常聲響、振動過大或溫度過高等問題。

2.2 加載調(diào)試

在空載調(diào)試正常后，進行加載調(diào)試。加載調(diào)試遵循先小后大、再由大逐步卸去負載的原則，觀察其運行穩(wěn)定性和輸出能力是否滿足要求。

2.3振動參數(shù)調(diào)整

根據(jù)實際應(yīng)用需求調(diào)整振動參數(shù)，如振幅、頻率等。在不同運行頻率下，通過改變載貨和偏心塊質(zhì)量與偏心塊距離振動電機中心軸位置測試相對應(yīng)的曲線，從而讓振動臺達到實際工作時的最佳運行效果。振動臺如圖2所示。

2.4振動臺技術(shù)參數(shù)

振動額定載荷： 500N ；振動頻率： 0～2800 次/分；變頻范圍： 0～50Hz; 振幅調(diào)節(jié)范圍： 0～4 mm；外觀尺寸： 480mm×480mm×520mm ；振動臺總重量：約 100kg 。

3振動臺在振動結(jié)晶實驗中的應(yīng)用

3.1振動臺在振動結(jié)晶實驗中的作用機理

一方面，金屬液態(tài)凝固過程中施加外力振動，振動的能量強化液態(tài)金屬的對流，對正在生長的晶體有沖刷作用，形成液相與固相間的相對運動，使枝晶斷裂并游離到凝固鑄件的中心位置，從而增加液相中的晶核數(shù)量，細化晶粒，有利于獲得較多的等軸晶；另一方面，由于振動力的作用，鑄件頂部較早形成的晶體往底部下落，類似“結(jié)晶雨”的形成，“結(jié)晶雨”下落到鑄件的中心位置，相當于增加液相中的晶核數(shù)量，得到細化晶粒；此外，振動還可以引起局部的溫度起伏，熱量的遷移使得大的樹狀晶粒熔斷、增殖，從而增加液相中的晶核數(shù)量，細化晶粒。

3.2 實驗器材

實驗器材包括：自制小型振動臺，井式電阻熔化爐，純鋁金屬塊，覆膜砂或樹脂砂樣杯，電動帶鋸切割機，手持便攜式測溫儀，預(yù)磨機、拋光機，腐蝕劑，澆注工具和爐前輔助工具。

3.3 實驗步驟

1）在井式電阻熔化爐內(nèi)置入焙燒干透的石墨增蝸，加入適量的純鋁金屬塊，蓋好加熱爐爐蓋；2）將加熱爐溫控器目標溫度設(shè)置為 800°C 然后啟動主控回路電源，升溫使之熔化；3）當溫度達到溫控器目標溫度時，揭開加熱爐蓋，用輔助工具清除熔體表面氧化物；4）用手持便攜式測溫儀測量熔體溫度，當溫度達到 720^°C 時，將加熱爐溫控器目標溫度再設(shè)置為 720°C 保溫；5）將圓柱形的覆膜砂或樹脂砂型取樣杯如圖3所示固定在振動臺上；

6）將熔化好的鋁液澆入上述砂樣杯中，讓其完全凝固;

7）重復步驟5，設(shè)定好振動時間（參考時間為 0～120 秒，根據(jù)振動結(jié)晶凝固狀態(tài)可加減振動時間）和振動參數(shù)（頻率、振幅），啟動振動臺按鈕，使其金屬熔體在不同的頻率和振幅下凝固；

8）取出凝固的樣品投入水中使其冷卻，然后將圓柱形的樣品沿軸線方向從中間鋸開；

9）將鋸開的半個樣品在預(yù)磨機上磨平，并拋光

10）在拋光后樣品的表面上涂擦腐蝕劑，仔細觀察樣品的宏觀晶粒組織形態(tài)；

11）分別記錄繪制實驗在動態(tài)條件下和靜止條件下，澆注樣品的宏觀組織中從半圓柱試樣表面到中心的晶體形態(tài)，如圖4所示。

4振動臺在消失模鑄造實驗中的應(yīng)用

4.1振動臺在消失模鑄造實驗中的作用

消失模鑄造是利用可發(fā)性塑料珠粒制造出泡沫塑料模樣，根據(jù)不同金屬液體流動性的特點，粘接拼出復雜的泡沫模樣或模樣組，并在其表面涂裝涂料并干燥。將表面處理完成后的泡沫塑料模樣放入裝有無粘接劑干砂砂箱內(nèi)，在振動力作用下使覆蓋、包裹在處理后的泡沫塑料模樣周圍的干砂變得緊實。然后，用塑料膜覆蓋在泡沫塑料模樣上面并抽真空，將熔化的金屬液澆鑄到塑料模樣上，高溫的金屬液促使泡沫塑料分解、氣化排出，金屬液取代塑料模樣的位置，待冷卻凝固后得到所需的鑄件[10-11]

可以看出，振動臺的作用是造型時讓石英砂緊實表面處理過的泡沫塑料模樣。

4.2 實驗器材

實驗器材包括：自制小型振動臺，真空系統(tǒng)設(shè)備，井式電阻熔化爐，102鋁合金，消失模鑄造專用砂箱，干燥潔凈石英砂20目至40目；手持便攜式測溫儀，手工橡膠錘子，澆注工具和爐前輔助工具。

4.3實驗步驟

1）102鋁合金熔化同振動結(jié)晶實驗，熔化后精煉、除氣、靜置；

2）用手持便攜式測溫儀測量熔體溫度，當溫度達到 720°C 時，將加熱爐溫控器目標溫度再設(shè)置為 720^°C 保溫；

3）打開真空泵水閥，開啟真空泵控制按鈕，觀察真空表指針到 -0.08～-0.1MP; a位置，進行保壓；

4）在砂箱底部添加干燥石英砂，使其高度約40～80mm ，將表面處理好的泡沫塑料模樣放入砂箱內(nèi)擺放，模樣周圍用干燥石英砂進行充填；

5）啟動振動臺，一邊調(diào)節(jié)頻率旋鈕，一邊用橡膠錘子敲打砂箱四周，用手指壓按砂箱表面直至在振動力作用下將處理后的泡沫塑料模樣覆蓋、包裹緊實為止;

6）停止振動臺按鈕，切割超出砂箱面直澆道，在砂箱石英砂表面加蓋一層塑料薄膜，開啟真空閥門抽氣；

7）對準切割直澆道塑料膜表面處，放上澆口杯進行澆注，待鑄件凝固冷卻后方可取出鑄件。圖5從右到左依次是泡沫塑料模樣、處理后的泡沫塑料模樣和生產(chǎn)出來的鑄件。

5 結(jié)論

在從市場上難以購買到材料成型及控制工程專業(yè)液態(tài)成形綜合實驗課所需振動臺的情況下，筆者查閱大量相關(guān)資料，結(jié)合自身特長，自力更生，制作出一臺小型振動臺，并應(yīng)用于理論課程中的實驗教學。實驗教學結(jié)果表明，自制小型振動臺解決了理論難以與實踐相結(jié)合的問題，對提升理論課教學質(zhì)量起到較大的推動作用。經(jīng)過十幾年的反復使用證明，該設(shè)備操作簡單、運行可靠。

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