冷芯盒射砂過程的試驗研究

冷芯盒射砂過程的試驗研究

洗衣粉的主要方法之一是提取工藝產(chǎn)品的重要方法之一。近年來,獲得近終型鑄件(NearNetShapeCasting)已經(jīng)成為鑄造行業(yè)的一個重要目標(biāo)。組芯造型,即將許多不同的砂芯裝配成精確砂型的方法,非常適合于生產(chǎn)近終型鑄件(如缸體、缸蓋等)。組芯造型對于所使用的砂芯尺寸的精度要求非常高。在機(jī)械化程度較高的鑄造工廠中,絕大多數(shù)的砂芯都是采用射芯機(jī)來制造的。它是利用壓縮空氣把芯砂以很高的速度經(jīng)過射砂孔射入芯盒,進(jìn)行充填和緊實,壓縮空氣則通過芯盒壁上的排氣孔排出芯盒。要想獲得好的砂芯,必須保證芯盒內(nèi)的芯砂具有一定的密度,而且要求密度的分布比較均勻。冷芯盒射砂緊實機(jī)理,目前主要認(rèn)為,芯盒中芯砂的緊實是動能和壓力差綜合作用的結(jié)果,而動能是主要的,在動能的作用達(dá)不到的地方,靠壓力差作用來緊實芯砂。1997年,大中逸雄教授提出,芯砂的充填過程可以分為兩個階段,即由氣流產(chǎn)生的高速砂流急劇減速造成的沖擊力使芯砂開始充填型腔,到型腔基本充滿,稱為第一階段;然后由氣流使砂子慢慢移動,產(chǎn)生類似壓實的作用,稱為第二階段。他認(rèn)為,砂芯的最終充填密度依賴于第一階段的沖擊作用和后一階段的壓實作用;吹氣時間越長,排氣塞數(shù)量越多,后一階段的壓實效果越顯著,平均密度越高。射砂過程和制芯質(zhì)量主要受以下幾方面因素的影響:(1)原材料主要是指芯砂種類的影響。制芯時所采用的芯砂大多為樹脂砂,它與粘土砂的性能差別比較大。(2)設(shè)備設(shè)備對于射砂過程的影響主要是指射芯機(jī)和芯盒兩種因素的影響。射芯機(jī)的影響主要包括壓力罐的大小、射砂頭形狀(射砂筒形狀)以及各種開關(guān)閥門對射砂過程的影響。芯盒對射砂過程的影響非常大。芯盒的結(jié)構(gòu),包括排氣塞的位置、數(shù)量以及分布情況,射砂孔的位置以及大小,都會對整個射砂過程產(chǎn)生不同程度的影響。(3)工藝參數(shù)工藝參數(shù)對射芯過程有著明顯的影響,同時工藝參數(shù)和制芯方法有著密切的關(guān)系。對于不同的制芯方法,由于所采用的生產(chǎn)工藝不同,從而工藝參數(shù)的控制也有所不同。對于冷芯盒制芯方法而言,射芯機(jī)的射砂壓力和射砂時間是兩個很重要的工藝參數(shù)。筆者利用在實際生產(chǎn)中使用的小型冷芯盒射芯機(jī)進(jìn)行試驗,分析了在射砂過程中,芯盒內(nèi)氣體壓力的變化過程,同時還研究了射砂壓力和射砂時間對于冷芯盒射砂過程的影響。1測試方法1.1試驗數(shù)據(jù)和壓力試驗儀器試驗中所使用的裝置如圖1所示。它包括自行設(shè)計的試驗用簡單芯盒;一臺容積為5L的冷芯盒全自動射芯機(jī)(LaempeLL5型);一臺用來記錄壓力曲線的數(shù)字式記憶示波器(HP54500型);一臺用來為射芯機(jī)提供壓縮空氣的空氣壓縮機(jī)(TA-65型),工作壓力為700kPa;一臺用來處理試驗數(shù)據(jù)的工業(yè)PC機(jī);用來記錄芯盒內(nèi)壓力變化狀況的壓電晶體傳感器(KISTLER701A型)以及電荷放大器(KISTLER5007型);用來觀察射砂過程的高速快門攝像機(jī)一臺(快門速度為1ms)。1.2自動射芯機(jī)+干砂孔試驗中所使用的芯盒以及射砂頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示。芯盒由鑄鐵材料制成,內(nèi)腔的寬度為180mm,高度為170mm。在芯盒的上方設(shè)有一個20mm×20mm的射砂孔。在芯盒的內(nèi)部分布有6個排氣塞和兩個鋁制的擋塊,擋塊的底部和芯盒底部之間的距離是50mm。在試驗中,采用冷芯盒全自動射芯機(jī)來進(jìn)行射砂。利用自動射芯機(jī),使用者可以非常方便地改變射砂壓力和射砂時間。在試驗中所選用的原砂是大林50/100目水洗砂,樹脂粘結(jié)劑為常州CI308、CI608樹脂。在射砂的同時,利用傳感器和示波器記錄射砂過程中芯盒內(nèi)的壓力變化曲線。2試驗結(jié)果及分析2.1壓氣體流動快、密封壓在整個射砂過程中,芯盒內(nèi)S2處壓力傳感器測出的氣體壓力變化曲線,如圖3所示。由圖3可見,射砂過程的持續(xù)時間非常短。在射砂過程開始時,壓縮空氣從位于射砂筒內(nèi)的砂子中以滲流方式迅速射入芯盒內(nèi)。根據(jù)空氣動力學(xué)的理論,此時高壓氣體的流動速度非常快。在通常情況下,如果射砂時的氣體壓力為600kPa,那么從射砂孔中所射入的氣流速度為235m/s。當(dāng)壓縮空氣在芯盒內(nèi)流動遇到芯盒型壁的阻擋時,會在型壁上形成高壓層。在這幾種因素的作用下,芯盒內(nèi)部的氣壓在很短的時間內(nèi)迅速升高而達(dá)到最大值。隨后,射砂過程繼續(xù)進(jìn)行,芯盒內(nèi)的氣體壓力也會繼續(xù)保持最大壓力,并且持續(xù)一段時間。最后,芯盒被芯砂充滿,射砂結(jié)束,射砂孔內(nèi)將沒有壓縮空氣繼續(xù)流入。由于此時芯盒內(nèi)的氣壓仍然高于外部大氣壓,因此芯盒內(nèi)的氣體將會繼續(xù)通過排氣塞向外排出,使芯盒內(nèi)的氣體壓力逐漸下降。當(dāng)芯盒內(nèi)的氣體壓力與大氣壓力相同時,整個射砂過程徹底結(jié)束。因此,整個射砂過程可以分為三個階段:氣壓上升階段、氣壓保持階段、氣壓下降階段。2.2射砂壓力下的下芯盒內(nèi)氣體壓力變化特性為了確定射砂壓力對射砂過程的影響,保持其他的試驗條件不變(射砂時間固定為1.5s),只改變射芯機(jī)的射砂壓力,得到射砂壓力分別為300kPa和250kPa條件下,芯盒內(nèi)S2處壓力傳感器的氣體壓力變化曲線,如圖4所示。由圖4可見,在不同的射砂壓力下,芯盒內(nèi)的氣體壓力都同樣會經(jīng)歷三個階段:氣壓上升階段、氣壓保持階段和氣壓下降階段。在氣壓上升階段,兩種射砂壓力條件下的芯盒內(nèi)氣體壓力曲線基本重合,都以相同的速度上升。這是因為在射砂剛剛開始時,射入芯盒內(nèi)的芯砂還不是很多,砂粒對氣流的作用不是很明顯,基本可以不考慮。在這種情況下,氣體的流動方式相當(dāng)于高壓氣體經(jīng)過射砂孔充填芯盒的流動,此時高壓氣體的壓力大小對于氣壓的變化過程的影響不是很大。因此在氣壓上升過程中,兩種情況的氣壓上升過程十分相似。在氣壓保持階段,由于上升壓力的不相同,芯盒內(nèi)的氣壓所能夠達(dá)到的最大值也不同。當(dāng)射砂壓力為300kPa時,芯盒內(nèi)S2處氣體壓力的最大值為160kPa;而當(dāng)射砂壓力改為250kPa時,芯盒內(nèi)S2處氣體壓力的最大值為100kPa。在射砂過程中,對于砂芯緊實起作用的主要是芯盒內(nèi)不同位置之間的氣體壓力差。由于S2處的壓力要比排氣塞位置的壓力大,那么這兩個位置之間的壓差力就會推動芯砂向上運(yùn)動,壓力差越大,對砂芯的緊實作用也越大。故射砂壓力為300kPa時,S2處的氣體壓力與排氣塞之間的壓力差較大,因此砂子所受到的緊實作用也比較大。由此可見,增加射砂壓力,在一定程度上可以提高砂芯的緊實度。但是,單純提高射砂壓力,并不一定會得到最佳的制芯效果。要想取得最佳的制芯效果,還要考慮前文中所提到的原材料和設(shè)備的影響。2.3射砂時間的影響為了考察不同的射砂時間對于射砂過程的影響,在保持其他的試驗條件不變的情況下(射砂壓力固定為250kPa),只改變射芯機(jī)的射砂時間,得到射砂時間分別為1s和1.5s的情況下,芯盒內(nèi)S1處壓力傳感器的氣體壓力變化曲線,如圖5所示。由圖5可見,由于傳感器S1位于射砂孔附近,因此,其壓力變化曲線和位于S2處的壓力變化曲線略有不同。在兩種不同射砂時間的條件下,S1處附近氣體壓力的上升過程基本相似。但是在壓力保持階段,壓力曲線并沒有下降的趨勢,而是一直保持上升的趨勢,只不過上升的速度開始減緩。隨后突然開始直線下降至最低點,在壓力曲線上形成一個很尖銳的上升峰值。在壓力上升過程中,射砂筒內(nèi)的氣體壓力一直大于芯盒內(nèi)的氣體壓力,使射砂孔附近的氣體壓力持續(xù)升高。在氣壓保持階段,雖然壓力的升高速度減緩,但是依然保持著上升的趨勢。到射砂結(jié)束時,射芯機(jī)的氣包將會關(guān)閉,射砂筒內(nèi)將沒有高壓氣體流入,隨后射砂筒內(nèi)的氣體壓力會迅速降低。此時,包括射砂筒和芯盒在內(nèi),氣壓最高的地方就是射砂孔附近的位置。這里相對壓力較高的氣體將會迅速向射砂筒及芯盒內(nèi)擴(kuò)散,從而導(dǎo)致氣體壓力急劇下降,直到整個射砂筒包括芯盒在內(nèi)的氣體壓力基本平衡為止。此時射砂過程已經(jīng)基本結(jié)束,但是芯盒內(nèi)的壓力仍然比外部大氣壓略高。在這種情況下,芯盒內(nèi)的高壓氣體將通過排氣塞向外部排出,直到芯盒內(nèi)的氣體壓力和外部大氣壓平衡為止。從圖5可以看出,當(dāng)射砂時間不同時,射砂孔附近的氣體壓力將會在大體相同的時間內(nèi)達(dá)到最大值。兩種情況下的氣壓上升階段和氣壓保持階段總的持續(xù)時間是大致相同的,所不同的只是在氣壓保持階段中的氣體壓力值。當(dāng)射砂時間較長時,在氣壓保持階段,芯盒內(nèi)的氣體壓力較大。但是由于對砂芯緊實作用有影響的是不同位置之間氣體的壓差力,所以增加芯盒內(nèi)氣體壓力的絕對值,并不一定對砂芯的緊實過程有利。因此,射砂時間不宜過長。如果射砂時間過長,不但會因延長機(jī)器節(jié)拍而降低生產(chǎn)效率,而且還會使壓縮空氣的消耗量急劇增加。3氣體壓力隨生產(chǎn)工藝的變化情況,主要有以下幾種(1)射砂過程的持續(xù)時間非常短,通常不到1s。在射砂過程中,根據(jù)芯盒內(nèi)的氣體壓力的變化情況,可以將整個射砂過程分為三個階段:氣壓上升階段、氣壓保持階段和氣壓下降階段。(2)在不同生產(chǎn)工藝參數(shù)的條件下,在氣壓上升階段