冷芯盒射砂过程的试验研究

冷芯盒射砂过程的试验研究

洗衣粉的主要方法之一是提取工艺产品的重要方法之一。近年来,获得近终型铸件(NearNetShapeCasting)已经成为铸造行业的一个重要目标。组芯造型,即将许多不同的砂芯装配成精确砂型的方法,非常适合于生产近终型铸件(如缸体、缸盖等)。组芯造型对于所使用的砂芯尺寸的精度要求非常高。在机械化程度较高的铸造工厂中,绝大多数的砂芯都是采用射芯机来制造的。它是利用压缩空气把芯砂以很高的速度经过射砂孔射入芯盒,进行充填和紧实,压缩空气则通过芯盒壁上的排气孔排出芯盒。要想获得好的砂芯,必须保证芯盒内的芯砂具有一定的密度,而且要求密度的分布比较均匀。冷芯盒射砂紧实机理,目前主要认为,芯盒中芯砂的紧实是动能和压力差综合作用的结果,而动能是主要的,在动能的作用达不到的地方,靠压力差作用来紧实芯砂。1997年,大中逸雄教授提出,芯砂的充填过程可以分为两个阶段,即由气流产生的高速砂流急剧减速造成的冲击力使芯砂开始充填型腔,到型腔基本充满,称为第一阶段;然后由气流使砂子慢慢移动,产生类似压实的作用,称为第二阶段。他认为,砂芯的最终充填密度依赖于第一阶段的冲击作用和后一阶段的压实作用;吹气时间越长,排气塞数量越多,后一阶段的压实效果越显著,平均密度越高。射砂过程和制芯质量主要受以下几方面因素的影响:(1)原材料主要是指芯砂种类的影响。制芯时所采用的芯砂大多为树脂砂,它与粘土砂的性能差别比较大。(2)设备设备对于射砂过程的影响主要是指射芯机和芯盒两种因素的影响。射芯机的影响主要包括压力罐的大小、射砂头形状(射砂筒形状)以及各种开关阀门对射砂过程的影响。芯盒对射砂过程的影响非常大。芯盒的结构,包括排气塞的位置、数量以及分布情况,射砂孔的位置以及大小,都会对整个射砂过程产生不同程度的影响。(3)工艺参数工艺参数对射芯过程有着明显的影响,同时工艺参数和制芯方法有着密切的关系。对于不同的制芯方法,由于所采用的生产工艺不同,从而工艺参数的控制也有所不同。对于冷芯盒制芯方法而言,射芯机的射砂压力和射砂时间是两个很重要的工艺参数。笔者利用在实际生产中使用的小型冷芯盒射芯机进行试验,分析了在射砂过程中,芯盒内气体压力的变化过程,同时还研究了射砂压力和射砂时间对于冷芯盒射砂过程的影响。1测试方法1.1试验数据和压力试验仪器试验中所使用的装置如图1所示。它包括自行设计的试验用简单芯盒;一台容积为5L的冷芯盒全自动射芯机(LaempeLL5型);一台用来记录压力曲线的数字式记忆示波器(HP54500型);一台用来为射芯机提供压缩空气的空气压缩机(TA-65型),工作压力为700kPa;一台用来处理试验数据的工业PC机;用来记录芯盒内压力变化状况的压电晶体传感器(KISTLER701A型)以及电荷放大器(KISTLER5007型);用来观察射砂过程的高速快门摄像机一台(快门速度为1ms)。1.2自动射芯机+干砂孔试验中所使用的芯盒以及射砂头的结构如图2所示。芯盒由铸铁材料制成,内腔的宽度为180mm,高度为170mm。在芯盒的上方设有一个20mm×20mm的射砂孔。在芯盒的内部分布有6个排气塞和两个铝制的挡块,挡块的底部和芯盒底部之间的距离是50mm。在试验中,采用冷芯盒全自动射芯机来进行射砂。利用自动射芯机,使用者可以非常方便地改变射砂压力和射砂时间。在试验中所选用的原砂是大林50/100目水洗砂,树脂粘结剂为常州CI308、CI608树脂。在射砂的同时,利用传感器和示波器记录射砂过程中芯盒内的压力变化曲线。2试验结果及分析2.1压气体流动快、密封压在整个射砂过程中,芯盒内S2处压力传感器测出的气体压力变化曲线,如图3所示。由图3可见,射砂过程的持续时间非常短。在射砂过程开始时,压缩空气从位于射砂筒内的砂子中以渗流方式迅速射入芯盒内。根据空气动力学的理论,此时高压气体的流动速度非常快。在通常情况下,如果射砂时的气体压力为600kPa,那么从射砂孔中所射入的气流速度为235m/s。当压缩空气在芯盒内流动遇到芯盒型壁的阻挡时,会在型壁上形成高压层。在这几种因素的作用下,芯盒内部的气压在很短的时间内迅速升高而达到最大值。随后,射砂过程继续进行,芯盒内的气体压力也会继续保持最大压力,并且持续一段时间。最后,芯盒被芯砂充满,射砂结束,射砂孔内将没有压缩空气继续流入。由于此时芯盒内的气压仍然高于外部大气压,因此芯盒内的气体将会继续通过排气塞向外排出,使芯盒内的气体压力逐渐下降。当芯盒内的气体压力与大气压力相同时,整个射砂过程彻底结束。因此,整个射砂过程可以分为三个阶段:气压上升阶段、气压保持阶段、气压下降阶段。2.2射砂压力下的下芯盒内气体压力变化特性为了确定射砂压力对射砂过程的影响,保持其他的试验条件不变(射砂时间固定为1.5s),只改变射芯机的射砂压力,得到射砂压力分别为300kPa和250kPa条件下,芯盒内S2处压力传感器的气体压力变化曲线,如图4所示。由图4可见,在不同的射砂压力下,芯盒内的气体压力都同样会经历三个阶段:气压上升阶段、气压保持阶段和气压下降阶段。在气压上升阶段,两种射砂压力条件下的芯盒内气体压力曲线基本重合,都以相同的速度上升。这是因为在射砂刚刚开始时,射入芯盒内的芯砂还不是很多,砂粒对气流的作用不是很明显,基本可以不考虑。在这种情况下,气体的流动方式相当于高压气体经过射砂孔充填芯盒的流动,此时高压气体的压力大小对于气压的变化过程的影响不是很大。因此在气压上升过程中,两种情况的气压上升过程十分相似。在气压保持阶段,由于上升压力的不相同,芯盒内的气压所能够达到的最大值也不同。当射砂压力为300kPa时,芯盒内S2处气体压力的最大值为160kPa;而当射砂压力改为250kPa时,芯盒内S2处气体压力的最大值为100kPa。在射砂过程中,对于砂芯紧实起作用的主要是芯盒内不同位置之间的气体压力差。由于S2处的压力要比排气塞位置的压力大,那么这两个位置之间的压差力就会推动芯砂向上运动,压力差越大,对砂芯的紧实作用也越大。故射砂压力为300kPa时,S2处的气体压力与排气塞之间的压力差较大,因此砂子所受到的紧实作用也比较大。由此可见,增加射砂压力,在一定程度上可以提高砂芯的紧实度。但是,单纯提高射砂压力,并不一定会得到最佳的制芯效果。要想取得最佳的制芯效果,还要考虑前文中所提到的原材料和设备的影响。2.3射砂时间的影响为了考察不同的射砂时间对于射砂过程的影响,在保持其他的试验条件不变的情况下(射砂压力固定为250kPa),只改变射芯机的射砂时间,得到射砂时间分别为1s和1.5s的情况下,芯盒内S1处压力传感器的气体压力变化曲线,如图5所示。由图5可见,由于传感器S1位于射砂孔附近,因此,其压力变化曲线和位于S2处的压力变化曲线略有不同。在两种不同射砂时间的条件下,S1处附近气体压力的上升过程基本相似。但是在压力保持阶段,压力曲线并没有下降的趋势,而是一直保持上升的趋势,只不过上升的速度开始减缓。随后突然开始直线下降至最低点,在压力曲线上形成一个很尖锐的上升峰值。在压力上升过程中,射砂筒内的气体压力一直大于芯盒内的气体压力,使射砂孔附近的气体压力持续升高。在气压保持阶段,虽然压力的升高速度减缓,但是依然保持着上升的趋势。到射砂结束时,射芯机的气包将会关闭,射砂筒内将没有高压气体流入,随后射砂筒内的气体压力会迅速降低。此时,包括射砂筒和芯盒在内,气压最高的地方就是射砂孔附近的位置。这里相对压力较高的气体将会迅速向射砂筒及芯盒内扩散,从而导致气体压力急剧下降,直到整个射砂筒包括芯盒在内的气体压力基本平衡为止。此时射砂过程已经基本结束,但是芯盒内的压力仍然比外部大气压略高。在这种情况下,芯盒内的高压气体将通过排气塞向外部排出,直到芯盒内的气体压力和外部大气压平衡为止。从图5可以看出,当射砂时间不同时,射砂孔附近的气体压力将会在大体相同的时间内达到最大值。两种情况下的气压上升阶段和气压保持阶段总的持续时间是大致相同的,所不同的只是在气压保持阶段中的气体压力值。当射砂时间较长时,在气压保持阶段,芯盒内的气体压力较大。但是由于对砂芯紧实作用有影响的是不同位置之间气体的压差力,所以增加芯盒内气体压力的绝对值,并不一定对砂芯的紧实过程有利。因此,射砂时间不宜过长。如果射砂时间过长,不但会因延长机器节拍而降低生产效率,而且还会使压缩空气的消耗量急剧增加。3气体压力随生产工艺的变化情况,主要有以下几种(1)射砂过程的持续时间非常短,通常不到1s。在射砂过程中,根据芯盒内的气体压力的变化情况,可以将整个射砂过程分为三个阶段:气压上升阶段、气压保持阶段和气压下降阶段。(2)在不同生产工艺参数的条件下,在气压上升阶段