氣沖氣推成形觸頭造型機的試驗研究

1、第 3 9 卷第 6 期 2003年 6 月機 械 工 程 學 報 v o 1 ． 3 9N o ． 6C ： HI NES EJ OUR NAL0FM EC HANI C ALE NGI NE E RI NG J u n ．2003氣沖氣推成形觸頭造型機 的試驗研究木謝祖錫 孫乃坤向青春夏鵬成王桂華( 沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院 沈 陽1 1 0 0 2 3 )摘要 ：介 紹了一種 新發(fā)明的氣沖 氣推 成形觸頭造型機 實砂機

2、構。它于同一 工位 、同一 工序 、用同一動 力，實現(xiàn) 了氣沖 緊實與成形觸 頭沖 擊緊實同時并舉。闡述 了其實砂 過程及實砂機 理。試驗表 明，氣沖 氣推成 形觸 頭造 型機 的實砂效果十分理想 ，砂型緊實度高而且均勻 ，完全克服 了目前單純氣沖造 型技術中存在的弊端，拓寬了氣沖造型 機的適用范圍 。這是一種機 構簡單、投 資： 少、高速 、高效 、低能耗的造型實砂機 構。關鍵詞 ：氣沖 氣推 成形觸頭 造 型機 中圖分類號 ：T G

3、 2 3 1 ． 6 50 前言 自2 0世紀 8 0 年代初氣沖造型技術在生產中應 用 以來，其優(yōu) 良的砂型緊實度、高效節(jié)能、機器結 構簡單、使用低壓氣體作動力、工作方便、使用安 全和噪聲低等一系列優(yōu)點，引起 了鑄造界的極大關 注，并在全球范圍內被快速推廣【~ 3 ] 。然 而，單純 氣沖造型也存在一些工藝上的弊端 ：當模樣較高、吃砂量較小時，氣沖造型砂型邊角處及深凹部出現(xiàn) 緊實度不 良的 “ 拱效應”問題；氣沖緊實砂型背面 總存在著

4、 3 0～ 5 0l n n ' l的松散砂層，這部分型砂 在造型后必須去掉 ，這一方面造成型砂 的嚴重浪 費，又使氣沖造型沿砂箱高度方向的有效利用率降 低； 氣沖造型砂箱 的最小高度一般必須大一 y - 2 5 0m m才能獲得合格的砂型 ，這樣就制約了氣沖造型的應 用范 圍，并對用氣 沖造 型方法 來改造舊震壓造型 線 、高壓造型線的工作帶來更多困難。針對這些 問題 ，近幾年國外 出現(xiàn) 了氣沖后再用多觸頭或柔性觸 頭補壓壓實

5、 的造 型機【】 ，如 “ 多功能沖擊造型系 統(tǒng)”及氣流沖擊壓實造型機等。這幾種造型機雖然 克服 了單純氣沖造型的上述弊端 ，但都增加了低速 壓實工序 ，氣流沖擊與壓頭壓實不在 同一工序 ，也 不用同一動力源，這將使生產率降低 ，能耗增大，而且機構復雜，投資增大。1氣 沖氣推成形觸頭造型機 的構思 為了解決單純氣沖造型存在的 “ 背砂松散”及 · 國家 自 然科學基金( 5 0 1 7 5 0 7 5 ) 和遼寧省教委科研基“

6、 ~ ' ( 9 8 0 6 2 11 0 5 5 ) 資助項目。2 o 0 2 o 4 0 9收到初稿，2 0 0 2 1 2 2 5收到修改稿 深凹比較大時的 “ 拱效應 ”問題 ，曾進行 了氣沖氣 推 多觸頭實砂試驗的研究，其 中在 自由懸掛式多觸 頭的邊觸頭上設置凸棱。這種帶棱邊觸頭式氣沖氣 推 多觸頭實砂機構的實砂效果頗為理想 ，它可消除 單純氣沖造型的上述弊端。但 由于懸掛多觸頭箱的 存在，增加了氣沖造型的余隙空間，

7、從而降低了氣 流沖擊作用的效果。在氣沖氣推多觸頭實砂研究的基礎上，從影響氣沖造型的結構因素【】 入手，提 出了一種兼具分流作用和壓實作用的成形觸頭式氣 沖造型機的構想 。這一氣沖氣推成形觸頭造型機的新構 】 獲得了國家 自 然科學基金 的資助。這種氣 沖氣推成形觸頭造型機的基本結構如圖 l a所示 。為有利于研究分析這種新型造型機 的實砂效果及其 結構 因素的影響，為使試驗機 的試驗效果更具現(xiàn)實 性、 逼真性， 試驗機設計砂箱內尺寸為

8、 3 5 0m ／ n X3 5 0m m。試驗機的氣沖氣推成形觸頭尺寸為 3 4 0m m~3 4 0 m m， 四周邊觸頭高度 h = 4 5l i l l l l 、 寬度 b = 4 0 m m。( a )C o )( c )圖 l氣沖氣推 成形觸頭造型機 1 ．成形觸頭 2 ． 氣包下平面 3 ． 快開閥板 4 ．快開閥 5 ．換向閥 6 ．進排氣管 7 ． 氣包體 8 ，薄膜閥 9 ．立管 1 0 ． 排氣道 1 1 ． 余

9、砂框 1 2 ．砂箱 1 3 ． 模樣 1 4 ，底板 1 5 ． 工作臺氣沖氣推成形觸頭造型機實砂機構 的實砂過程 是：當砂箱 l 2 、余砂框 11 填滿型砂后，工作臺 l 5連同模底板 l 4 、模樣 l 3 、砂箱 l 2 、余砂框 1 1移 維普資訊 http://www.cqvip.com 2 8機 械 工 程 學 報 第 3 9卷第 6期 約在 6ms時刻，由于觸頭的慣性較大，此刻幾乎 還處于靜止狀態(tài)，加速 向下運動的初

10、實層則與觸頭 分離。在 6 ～9m s期間內，觸頭上的氣壓 曲線 P 。與砂壓 曲線 P完全重合 。這意味著 ，觸頭與其下 型砂之間有空隙，在觸頭上僅存在氣壓 P 。的作用 。當初實層發(fā)展到一定的厚度時，氣滲減少，在上下 砂層之間很快建立起較大的氣壓差，P 。迅速提高。在氣流 的作用下，模樣上部型砂向模樣 四周深凹部 補充 ，運動著的氣砂流使上砂箱側壁的砂壓 P 。 ： 也 迅速提高。成形觸頭在氣推作用下加速向下運動，當其速度趕上和超過

11、 向下運動的初實層的速度時，成形觸頭對其下的初實層型砂實行氣推沖擊壓實，成形觸頭又作用于砂層上， P 。和 P 。曲線又出現(xiàn)分 離。氣推沖擊壓實的作用使上砂 箱側壁的砂壓 P：隨 P 。的升高而升高，當出現(xiàn)第一峰值之后下降，這是因為模樣上部型砂 向四周深凹處的側向移動停 止，隨后 PP 。相繼出現(xiàn)峰值后下降。這一階段 是氣沖氣推成形觸頭實砂機構實砂效果優(yōu)于單純氣 沖的關鍵階段。( 3 )第三階段——在成形觸頭壓實下的沖擊緊 實階段 ：當

12、加速運動 的型砂遇到底板時，運動被滯 止 ， 產生反沖力 底沖力迅速升到最大值 ．一 ，此最大值是氣沖工作壓力的 1 ． 5倍 以上 ，它使最下 層型砂受到強烈的沖擊緊實。然后 ，運動中的砂層 自下而上逐層被滯止，型砂 自下而上的受到沖擊緊 實。因而，下砂箱及上砂箱側壁的砂壓 、： 將 隨 之后相繼達到最大值，后又緩緩下降。氣 沖氣推成形觸頭的沖擊緊實有別于單純氣沖的沖擊 緊實的特征就在于它是在觸頭壓力作用下的沖擊緊 實過程 ，

13、這將使沖擊緊實的實砂效果更好。綜上所述，氣沖氣推成形觸頭的實砂過程是一 個多重復合實砂的過程。2 - 3 對大深凹比造型狀態(tài)的實砂研究 試驗中，采用 2 5 0l r l n l X2 5 0m ／ ／ 1 X1 5 0l r l n l 鋁 模和 3 5 0m i n x3 5 0m i n x2 5 0l r l n l 的砂箱。型砂四周深凹處的深凹比等于 3 ，在本機試驗條件下，選 用 h = 4 0l r l n l 的余砂框。

14、圖4 a 所示為氣沖氣推成形 觸頭實砂前后的型砂狀態(tài)，其實砂后砂型分型面上 的型砂硬度及型腔 內表面的型砂表面硬度值分布狀 況如 圖 4 b 所示 。由圖 4可見 ，在砂型的分型面上 ，其砂 型硬度在 9 2 ~9 4個單位，而在型腔 的上平面 上，其砂型硬度達 9 3 ~9 5個單位 ，在其立面上，砂型硬度也高達 9 1 ～9 3個單位 ?？傊?，整個砂型 型腔表面的硬度高而且較均勻 。而砂型背面成倒凹 型狀態(tài)，其硬度也高達 8 0個單

15、位 以上 ，完全消除 了單純氣沖時背砂松散砂層的存在 。9 29 49 39 39 39 49 39 49 39 49 39 49 39 39 49 4( a )緊實 前 、 后 砂 型狀 況 ^ 面 B面 C面 D面 ( b )緊實后 砂 型各 表面 的 硬度 圖 4 砂箱高度 2 5 0 l ' n l n 、模樣高度 1 5 0 l ' n l n 的砂 型緊實狀況 圖 5是砂型深凹區(qū)砂箱 中部砂型沿高度方

16、向緊 實度的分布 曲線 ，其中曲線 1 是單純氣沖造型狀態(tài) 下的緊實度分布 曲線，曲線 2 是氣沖氣推成形觸頭 造型狀態(tài)下的緊實度分布 曲線 。由圖 5 可見，氣沖 氣推成形觸頭實砂與單純氣沖緊實相比，緊實度沿 砂箱高度的分布狀態(tài)發(fā)生了根本性的變化。在單純 氣沖 時，在深凹 區(qū)入 口處存在 明顯 的緊實度不均 勻 、即出現(xiàn)所謂 “ 拱效應 ”現(xiàn)象 。這是因為單純氣 沖實砂時，在型砂緊實的第一階段，加速運動的型 砂前沿都是基本保持于同一水

17、平面向下運動的。這 樣 ，在模樣上部加速運動的型砂首先被模樣滯止，進入單純氣沖實砂的第二階段——沖擊緊實階段，型砂在反沖力作用下得到進一步緊實，反沖應力迅 速由模樣頂面 向上逐步傳遞；而此時深 凹區(qū)入 口處 的型砂還處在繼續(xù) 向下加速運動 的第一階段 ，型砂 內應力相對比較低 。在應力差的作用下，模樣上部 的型砂就會產 生由高應力 區(qū)向低應力 區(qū)的側 向滑 移 。 這樣，在深凹區(qū)入口處上部，側向滑移的型砂 ，與向下加速運動 的型砂相匯合

18、，使這一區(qū)域的應力 迅速提高，形成一個型砂 的高緊實區(qū)，嚴重地阻礙 了型砂繼續(xù) 向深 凹區(qū)填充的可能性 ，結果使得砂型 深凹區(qū)緊實效果變差 。尤其在深 凹區(qū)附近稍 下部 位，出現(xiàn)一個緊實度偏低 的區(qū)域，嚴重地影響了砂 型的質量。而在氣沖氣推成形觸頭實砂過程中，完 全消除 了那種深 凹區(qū)入 口處緊實度分布不 良的現(xiàn) 象，砂型緊實度在此區(qū)域 內沿砂箱高度的分布幾乎 是一條很 陡的斜線( 近豎線) 。這是因為 ，在氣沖氣 推成形觸頭實砂過程的