在自制的剪應力測試儀器上，對消失模鑄造干砂緊實(shí)特性進(jìn)行了試驗研究。著(zhù)重研究了振幅、頻率、振動(dòng)時(shí)間、砂箱大小、形狀以及干砂粒形和粒度等7個(gè)因素對干砂緊實(shí)特性的影響，并運用正交設計，找到諸因素對緊實(shí)特性影響作用大小順序。  
關(guān)鍵詞：緊實(shí)特性；消失模鑄造；影響因素  
中圖分類(lèi)號：TG249.6　　文獻標識碼：A  
文章編號：1000-8365(2000)02-0042-04  
Experimental Study on Compaction Properties of Dry Sand in Expendable Pattern Casting  
YANG Mao-sheng，BAO Yin1，  
(Inner Mongolia Polytechnic University，Inner Mongolia 010062，China)  
LIU Hong-zhi  
(Changchun Passenger Train Plant，Changchun 130062，China)  
Abstract:In this paper，a experimental study was made on compaction properties of dry sand in the EPC with the

 self-made testing device.In detail，the effects of sand box shape,dry sand granularity，amplitude，vibrating time and vibrating frequency on compaction properties of dry sand were 

investigated.The relative order of effects was found by experimental design.  
Key Words:Compaction properties；Expendable pattern casting； Influencing element；  
消失模鑄造因其獨特的工藝性和在成本及環(huán)保上的優(yōu)勢，一經(jīng)出現就受到鑄造工作者的重視并得到了迅速地發(fā)展〔1〕。干砂的振動(dòng)充填與緊實(shí)是消失模鑄造工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一，它不僅要求砂子快速到達模型周?chē)纬勺銐虻木o實(shí)度，而且在緊實(shí)過(guò)程中應使模型變形較小，以保證澆注后形成輪廓清晰、尺寸精確的鑄件〔2、3〕。干砂在振動(dòng)狀態(tài)下的充填緊實(shí)過(guò)程，是1個(gè)極其復雜的散粒體動(dòng)力學(xué)過(guò)程〔4〕。砂粒在振動(dòng)過(guò)程中必須克服砂粒間的內摩擦力，砂粒―模型以及砂粒―砂箱壁間的外摩擦力以及砂粒本身的重力，才能充滿(mǎn)模型的外型與內腔?？梢?jiàn)，干砂緊實(shí)特性不僅與砂粒所受的緊實(shí)力有關(guān)，而且還與砂子本身的特性以及砂箱形狀、大小有關(guān)〔5、6〕?；谶@1點(diǎn)，本研究通過(guò)理論分析并通過(guò)實(shí)驗測定影響消失模干砂緊實(shí)程度的各種因素的作用規律。并利用正交試驗找出各因素對干砂緊實(shí)的作用大小以及較好的工藝條件。  
1　干砂緊實(shí)機理  
干砂緊實(shí)實(shí)質(zhì)是通過(guò)振動(dòng)臺振動(dòng)使砂箱內砂粒產(chǎn)生微運動(dòng)，從而使砂粒體獲得沖量并克服相鄰部位砂粒間的內摩擦阻力而使干砂得到緊實(shí)的。在振動(dòng)臺1個(gè)振動(dòng)周期中砂粒發(fā)生不同的運動(dòng)形態(tài)。當振動(dòng)臺向上運動(dòng)時(shí)，砂?？朔枇Χ玫骄o實(shí)；當振動(dòng)臺向下運動(dòng)時(shí)，砂粒間的滑移面是該面的剪應力τ與正應力σ的比值達到最大值的平面。當(τ/σ)max＞tg?J=f(式中：?J――摩擦角 內摩擦系數)，干砂相鄰部位發(fā)生移動(dòng)。本文以微元體作為研究對象。  
在干砂中選取，如圖1所示的ABC微元體(dS)。并確定振動(dòng)周期的1/2作為研究的時(shí)間段。設干砂單元體初始動(dòng)量為Mt，Δt后動(dòng)量為Mt+Δt。同時(shí)認為，1部分干砂經(jīng)AB邊流入微元體(動(dòng)量增量為ΔM2，流入速度為U1)，另1部分經(jīng)AC邊流出微元體((動(dòng)量增量為ΔM1，流出速度為U2)。設干砂微元體只發(fā)生移動(dòng)不發(fā)生轉動(dòng)，即相對剪力數值相等，即如下式：  
τxy=τyx  
根據質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量定理有下式存在  
                      
t時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量  
       
式中  
      
式中　ρ――干砂緊實(shí)度，kg/cm3；  
u――為微元體的瞬時(shí)速度，m/s；  
Δt――為作用時(shí)間，s；  
τ――干砂剪應力，kpa；  
S――微元體的截面積；  
θ――滑移面與Y軸的夾角；  
LAB、LBC、LAC――為AB、BC、AC邊的長(cháng)度；  
σ――滑移面的正應力，kPa。  
由上式可知，影響干砂剪應力的因素有作用時(shí)間與干砂緊實(shí)速度以及緊實(shí)度。而作用時(shí)間與振動(dòng)頻率密切相關(guān)；干砂緊實(shí)速度決定于振動(dòng)頻率與振幅以及砂箱固定方式；緊實(shí)度與干砂內摩擦系數則與干砂粒度、形狀以及砂箱大小、形狀有關(guān)。本研究只研究1/2振動(dòng)周期的砂粒運動(dòng)情況，若振動(dòng)時(shí)間t延長(cháng)，隨之砂粒所獲得緊實(shí)沖量的次數增加(t/Δt)。從而使砂粒進(jìn)一步得到緊實(shí)。以上這些影響因素集中體現在干砂剪應力的變化之上，因此本研究以干砂剪應力作為干砂緊實(shí)效果的衡量標準，通過(guò)測定剪應力，以揭示工藝因素的影響規律。  
    
圖1　微元體  
Fig.1　A Tiny Object  
2　實(shí)驗原理與方法  
2.1　實(shí)驗原理  
據此設計的干砂剪力測試原理，如圖2所示。具體測試方法如下：把干砂均勻地倒入砂箱內，下砂箱固定于振動(dòng)臺上，在上箱施加剪切力T使干砂Ⅰ―Ⅰ斷面在水平方向移動(dòng)。發(fā)生移動(dòng)時(shí)單位面積的剪力即為干砂的剪應力。  
        
圖2　干砂剪應力測試原理圖  
Fig.2　Dragram of test apparatus principle upon shear stress  
2.2　實(shí)驗裝置  
實(shí)驗裝置，如圖3所示。它由砂箱、ZS-30J振動(dòng)試驗臺、壓力傳感器和六筆記錄儀構成。其中振動(dòng)試驗臺性能參數為：頻率范圍：20～80 Hz；振幅范圍：(0±2) mm。  
        
圖3　實(shí)驗裝置圖  
Fig.3　The experimental apparatus  
2.3　實(shí)驗步驟  
采用干砂剪切力測試裝置，對不同粒度干砂；砂箱形狀大??；不同振幅和頻率；以及不同振動(dòng)時(shí)間的干砂剪切力進(jìn)行測定，具體測試時(shí)，采用不同法向壓力N，多次測定剪力T的大小。通過(guò)線(xiàn)性回歸，求出干砂剪應力τ的關(guān)系式：  
τ’=σ.tgφ  
式中　τ――由于壓重而產(chǎn)生的剪應力，N/m2；  
σ――壓重引起的正應力，N/m2；  
f――摩擦角。  
τ’=τ??總-τf-τ  
式中　τf――上下砂箱間摩擦阻力，N/m2；  
τ總――所測定的剪應力。  
若σ=0 τ=τ??總-τf即儀器測定總的剪應力τ總減去所測定的砂箱間摩擦阻力τf(數值，見(jiàn)表1)，即為干砂的剪應力τ。  
表1　砂箱間的摩擦阻力系數(砂箱壁厚：8 mm)  
Tab.1　Frictional resistance coefficient between boxes