郭莉军等：型砂材质与挤压成形工艺对砂型表面性能的影响 275 为并联和串联的接触形式.理想的砂型颗粒的并 0.7 联和串联接触模型是将砂粒简化为理想的球体， 0.6 砂粒之间的粘结桥其形状简化为球形凹端的短圆 柱体.如图3所示，其中R、R,和1分别表示砂粒 直径、粘结桥圆柱体直径及两砂粒表面距离.当 >0时，接触模型为串联接触；当0时，接触模型 0.3 为并联接触 03 1th 2th 3th 4th 5th Times of grinding 图4砂粒质量与磨削次数的关系 Fig.4 Relationship between the sand quality and grinding time 工时刀具对砂型进行刮切，导致砂型表面的砂粒 间会产生裂纹，降低了砂型的表面性能 3.2型砂种类对砂型表面性能的影响 选择宝珠砂、硅砂与铬铁矿砂分别按照型砂、 碱性酚醛树脂和固化剂质量比为1000：20：5，使 用SHY叶片式碗型树脂砂混砂机混砂，混合时长 为15、，将混好的树脂砂装入砂箱内，砂箱尺寸为 150mm×150mm×100mm,树脂砂固化12h后，将 国3砂粒接触模型 砂块放置在数字化无模铸造精密成形上加工成表 Fig.3 Sand contact model 面性能试样，试样尺寸Φ50mm×50mm,然后对所 得砂型试样表面性能进行测量.不同种类型砂的 3实验结果及分析 表面性能测量结果如表2所示. 3.1砂型表面性能分析 表2不同种类型砂的表面性能 表面性能试样在耐磨测试仪上，测量不同的 Table2 Surface properties of different types of sand 磨削次数.每测量一次，旋转轴旋转30圈.分别测 Type of sand Surface properties/g 量三个表面性能试样，按磨削次数取平均值，实验 Ceramsite 0.09 结果表1所示 Silica sand 0.15 表1不同磨削次序型砂的表面性能 Chromite sand 0.28 Table 1 Surface properties of sand under different grinding times Times of grinding Surface properties/g 从表2可见宝珠砂的性能最好，铬铁矿砂的表 First time 0.7075 面性能最差.这是由于型砂的角系数造成的.原砂 Second time 0.4025 的形状一般分为圆形、多角形和尖角形四宝珠 Third time 0.3675 砂、硅砂与铬铁矿砂的颗粒形貌如图5所示.铬铁 Fourth time 0.3525 矿砂的砂粒为尖角形，其砂型的粘结桥容易形成 Fifth time 0.275 压力集中.在无模切削过程中，切削表面很容易产 生裂纹并且裂纹的延伸较深，导致其砂型表面容 根据表1绘制磨削砂粒质量与磨削次数的曲 易脱落及形成表面疏松，所以其表面性能较差.宝 线关系图，如图4所示 珠砂的砂粒形状为圆形，其砂型的粘结桥受力较 实验结果如图所示，可看出，第一次磨削的砂 均匀，砂型表面不容易产生裂纹，所以其表面性能 粒质量大于后面几次的磨削质量，后面几次的磨 较好.而硅砂的砂粒形状介于两者之间，其表面性 削质量变化较小.结果说明砂型外部的表面性能 能也介于两者之间 与砂型内部的表面性能存在差异，无模砂型的抗 3.3挤压压力对砂型表面性能的影响 拉强度不能够真实反映砂型的表面质量.砂型加 选用硅砂，在型砂、碱性酚醛树脂和固化剂质为并联和串联的接触形式. 理想的砂型颗粒的并 联和串联接触模型是将砂粒简化为理想的球体， 砂粒之间的粘结桥其形状简化为球形凹端的短圆 柱体. 如图 3 所示，其中 Rs、Rb 和 t 分别表示砂粒 直径、粘结桥圆柱体直径及两砂粒表面距离．当 t>0 时，接触模型为串联接触；当 t=0 时，接触模型 为并联接触. Rs Rs Rs Rs Rb Rb t=0 t 图 3 砂粒接触模型 Fig.3 Sand contact model 3    实验结果及分析 3.1    砂型表面性能分析 表面性能试样在耐磨测试仪上，测量不同的 磨削次数. 每测量一次，旋转轴旋转 30 圈. 分别测 量三个表面性能试样，按磨削次数取平均值，实验 结果表 1 所示. 表 1 不同磨削次序型砂的表面性能 Table 1 Surface properties of sand under different grinding times Times of grinding Surface properties/g First time 0.7075 Second time 0.4025 Third time 0.3675 Fourth time 0.3525 Fifth time 0.275 根据表 1 绘制磨削砂粒质量与磨削次数的曲 线关系图，如图 4 所示. 实验结果如图所示，可看出，第一次磨削的砂 粒质量大于后面几次的磨削质量，后面几次的磨 削质量变化较小. 结果说明砂型外部的表面性能 与砂型内部的表面性能存在差异，无模砂型的抗 拉强度不能够真实反映砂型的表面质量. 砂型加 工时刀具对砂型进行刮切，导致砂型表面的砂粒 间会产生裂纹，降低了砂型的表面性能. 3.2    型砂种类对砂型表面性能的影响 选择宝珠砂、硅砂与铬铁矿砂分别按照型砂、 碱性酚醛树脂和固化剂质量比为 1000∶20∶5，使 用 SHY 叶片式碗型树脂砂混砂机混砂，混合时长 为 15 s，将混好的树脂砂装入砂箱内，砂箱尺寸为 150 mm×150 mm×100 mm，树脂砂固化 12 h 后，将 砂块放置在数字化无模铸造精密成形上加工成表 面性能试样，试样尺寸 ϕ50 mm×50 mm，然后对所 得砂型试样表面性能进行测量. 不同种类型砂的 表面性能测量结果如表 2 所示. 表 2 不同种类型砂的表面性能 Table 2 Surface properties of different types of sand Type of sand Surface properties/g Ceramsite 0.09 Silica sand 0.15 Chromite sand 0.28 从表 2 可见宝珠砂的性能最好，铬铁矿砂的表 面性能最差. 这是由于型砂的角系数造成的. 原砂 的形状一般分为圆形、多角形和尖角形[2] . 宝珠 砂、硅砂与铬铁矿砂的颗粒形貌如图 5 所示. 铬铁 矿砂的砂粒为尖角形，其砂型的粘结桥容易形成 压力集中. 在无模切削过程中，切削表面很容易产 生裂纹并且裂纹的延伸较深，导致其砂型表面容 易脱落及形成表面疏松，所以其表面性能较差. 宝 珠砂的砂粒形状为圆形，其砂型的粘结桥受力较 均匀，砂型表面不容易产生裂纹，所以其表面性能 较好. 而硅砂的砂粒形状介于两者之间，其表面性 能也介于两者之间. 3.3    挤压压力对砂型表面性能的影响 选用硅砂，在型砂、碱性酚醛树脂和固化剂质 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Sand weight/g Times of grinding 1th 2th 3th 4th 5th 图 4 砂粒质量与磨削次数的关系 Fig.4 Relationship between the sand quality and grinding time 郭莉军等： 型砂材质与挤压成形工艺对砂型表面性能的影响 · 275 ·