顧兆現(xiàn)，楊立寧，姜二彪，董曉麗

（1.北京機(jī)科國(guó)創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司，北京 100083；2.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

1 引言

數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形是一種典型的節(jié)能節(jié)材、綠色智能制造技術(shù)，該技術(shù)改變了傳統(tǒng)鑄造模具翻砂造型，實(shí)現(xiàn)了砂型無(wú)模成形，大幅度縮短了砂型生產(chǎn)周期，提高了復(fù)雜鑄件制造精度，推動(dòng)了鑄造技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了大型、復(fù)雜、高精度、壁厚懸殊鑄件的短周期、高精度、高質(zhì)量、低成本制造，為企業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、小批量生產(chǎn)提供了新方法，是鑄造業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向［1-5］。

為進(jìn)一步提高砂型制造效率和復(fù)合成形精度、減少型砂切削量、降低型砂材料浪費(fèi)、提升制件品質(zhì)，尤其是解決高性能、大型特大型、復(fù)雜鑄件的快速精密制造問(wèn)題，機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在前期數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形技術(shù)研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出一種砂型數(shù)字化擠壓切削一體化復(fù)合成形方法。該成形方法是將砂型數(shù)字化柔性擠壓成形技術(shù)［6-10］與數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形技術(shù)配套使用，可實(shí)現(xiàn)鑄造砂型的數(shù)字化無(wú)模快速制造，明顯減少型砂切削量，縮短砂型的制造時(shí)間，滿足鑄造企業(yè)在變批量、多品種、低成本鑄件制造的迫切需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

但是，在具有復(fù)雜曲面砂型預(yù)制體的柔性擠壓成形過(guò)程中，砂箱底部矩陣排布擠壓頭之間的高度差距較大，采用簡(jiǎn)單的擠壓方式所成形砂型往往存在緊實(shí)度分布不均勻的問(wèn)題，從而影響其進(jìn)一步使用。這里基于這一問(wèn)題，首先研究了砂箱內(nèi)擠壓頭高度對(duì)砂型緊實(shí)度分布的影響，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)所開(kāi)發(fā)的砂型數(shù)字化柔性擠壓成形設(shè)備，進(jìn)行了擠壓砂型緊實(shí)度均勻化方法研究，通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法的可行性，為進(jìn)一步優(yōu)化砂型預(yù)制體柔性擠壓成形技術(shù)及裝備提供可靠的研究基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用型砂混制材料規(guī)格，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的具體規(guī)格Tab.1 Specific Specifications of Experimental Materials

采用樹(shù)脂砂混砂機(jī)進(jìn)行混砂，混砂參數(shù)，如表2所示。

表2 混砂參數(shù)Tab.2 Mixing Parameters

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司所開(kāi)發(fā)的砂型數(shù)字化柔性擠壓成形設(shè)備，該設(shè)備共包含900個(gè)擠壓頭，單個(gè)擠壓頭的上表面尺寸為（50×50）mm，使用該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)最大尺寸為（1500×1500×300）mm 砂型預(yù)制體的數(shù)字化柔性擠壓近凈成形，如圖1所示。

圖1 砂型數(shù)字化柔性擠壓成形設(shè)備Fig.1 Sand Mold Digital Flexible Extrusion Molding Equipment

采用該設(shè)備所形成的砂型擠壓成形砂箱，如圖2所示。

圖2 砂型擠壓成形砂箱Fig.2 Sand Mold Extrusion Box

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先通過(guò)控制砂箱四周16個(gè)擠壓頭的升高來(lái)形成砂箱外壁；然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別調(diào)整砂箱內(nèi)部9個(gè)擠壓頭的高度來(lái)形成砂箱內(nèi)腔；砂箱定型后，將混好的堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂均勻鋪放入砂箱內(nèi)；然后根據(jù)擠壓實(shí)驗(yàn)參數(shù)，采用砂型上壓板和整砂箱內(nèi)部9個(gè)擠壓頭對(duì)砂箱內(nèi)自硬砂進(jìn)行壓實(shí)；再經(jīng)過(guò)預(yù)定時(shí)間的固化后變得到預(yù)制砂型；最后對(duì)所制備砂型的緊實(shí)度進(jìn)行分區(qū)域測(cè)量及對(duì)比分析。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

3.1 擠壓頭高度對(duì)砂型緊實(shí)度影響實(shí)驗(yàn)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用砂型數(shù)字化柔性擠壓成形設(shè)備形成3 個(gè)內(nèi)腔尺寸為150mm（長(zhǎng)）×150mm（寬）×200mm（高）的砂箱，并分別控制3個(gè)砂箱內(nèi)中間位置的單個(gè)擠壓頭#1 的升起高度為40mm、80mm、120mm，從而形成三個(gè)具有不同中間擠壓頭高度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)用砂箱，如圖2所示。

然后將混好的堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂分別填裝入3個(gè)砂箱內(nèi)，為了觀察砂箱內(nèi)擠壓頭四周及深凹處型砂的移動(dòng)情況，在往砂箱內(nèi)填裝型砂的過(guò)程中，在擠壓頭高度及以下，每填裝40mm高的型砂，在型砂上表面均勻撒上一層薄薄的黃色玉米粉，保證三個(gè)砂箱內(nèi)每個(gè)擠壓頭上均有一層玉米粉。最后使用上壓板將3個(gè)砂箱內(nèi)的型砂由上端向下擠壓40mm。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)固化后所得砂型的剖面照片，如圖3所示。并將3個(gè)砂型分別用字母A、B、C表示。

圖3 不同擠壓頭高度條件下所得砂型剖面照片F(xiàn)ig.3 Profile Photos of Sand Molds Obtained Under Different Extrusion Head Height Conditions

由圖3可以看出：隨著中間凸起擠壓頭高度降低，擠壓前凸起擠壓頭頂部砂柱高度相應(yīng)增加，使得擠壓過(guò)程中凸起擠壓頭頂部砂柱更容易移動(dòng)到四周深凹處，因此表現(xiàn)為凸起擠壓頭處玉米粉界面下降明顯。同時(shí)由C砂型可以看出，砂型深凹處最底端C1上面的玉米粉界面幾乎無(wú)下降，此處型砂最不容易被緊實(shí)，且容易在此處形成鑄造缺陷。對(duì)圖3所示三個(gè)不同中間擠壓頭凸起高度條件下所得砂型深凹處A1、B1、C1的緊實(shí)度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果分別為δ（A1）=1.65g/cm3、δ（B1）=1.58g/cm3、δ（C1）=1.53g/cm3。分析可知：隨著中間擠壓頭高度的升高，砂型深凹處底部型砂越不容易被緊實(shí)，因此砂型最底端型砂的緊實(shí)度也越小。

三個(gè)砂型中，中間擠壓頭頂部區(qū)域（A3、B3、C3）及其四周區(qū)域（A2、A4、B2、B4、C2、C4）緊實(shí)度的分布情況對(duì)比，如圖4所示。

圖4 中間擠壓頭頂部和四周區(qū)域緊實(shí)度分布情況Fig.4 The Compactness Distribution of the Top and Surrounding Areas of the Middle Extrusion Head

由圖4可以看出：在上壓板擠壓距離相同的條件下，隨著中間擠壓頭高度的升高，中間擠壓頭頂部區(qū)域A3、B3、C3內(nèi)砂柱的相對(duì)壓縮量增大，因此這三個(gè)區(qū)域內(nèi)型砂的緊實(shí)度對(duì)比情況為δ（A3）＜δ（B3）＜δ（C3）；由于中間擠壓頭四周區(qū)域A2、A4、B2、B4、C2、C4內(nèi)砂柱的相對(duì)壓縮量比區(qū)域A3、B3、C3要小，因此四周區(qū)域內(nèi)型砂的緊實(shí)度也要小于中間區(qū)域內(nèi)型砂的緊實(shí)度，即δ（A2）≈δ（A4）＜δ（A3）；同時(shí)，隨著中間擠壓頭高度的降低，擠壓過(guò)程中擠壓頭頂部砂柱更容易移動(dòng)到四周深凹處，使得四周型砂緊實(shí)度進(jìn)一步增大，減小了與中間擠壓頭頂部型砂緊實(shí)度的差距。

3.2 擠壓砂型緊實(shí)度均勻化實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)數(shù)字化柔性擠壓成形設(shè)備所擠壓成形的砂型，當(dāng)擠壓頭脫模后，再經(jīng)過(guò)后續(xù)的切削加工以得到目標(biāo)砂型。由于后續(xù)切削加工以及澆注過(guò)程中所受金屬液沖擊、沖刷、靜壓、金屬凝固膨脹壓等，都是作用于砂型的型腔內(nèi)表面，也就是擠壓頭附近，因此需要擠壓頭附近的砂型具有足夠的強(qiáng)度，以保證鑄件的表面質(zhì)量、尺寸精度等。但通過(guò)以上分析和實(shí)驗(yàn)得出：在擠壓過(guò)程中，中間凸起擠壓頭四周深凹處型砂的壓縮量較小，因此所得砂型在凸起擠壓頭四周深凹處的緊實(shí)度最低，強(qiáng)度也最差。本研究采用的上下對(duì)壓擠壓法，如圖5所示。來(lái)進(jìn)一步提高凸起擠壓頭四周深凹處砂型的緊實(shí)度，實(shí)現(xiàn)凸起擠壓頭四周及其頂部砂型緊實(shí)度的均勻化。上述對(duì)壓擠壓法首先是根據(jù)預(yù)制砂型的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整中間擠壓頭#1的高度，如圖5（a）所示。然后進(jìn)行填砂并采用上壓板對(duì)砂箱內(nèi)型砂進(jìn)行第一步上端擠壓，如圖5（c）所示。最后采用擠壓頭#2和擠壓頭#3對(duì)擠壓頭#1四周處的型砂進(jìn)行第二步下端壓實(shí)。采用上述兩部擠壓法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擠壓頭#1四周處型砂的二次壓實(shí)，提高了四周型砂的壓縮量以及最終砂型的強(qiáng)度，有利于砂型緊實(shí)度分布的均勻化。

圖5 上下對(duì)壓擠壓法示意圖Fig.5 Schematic Diagram of the Upper and Lower Pressure Extrusion Method

為了驗(yàn)證上述兩步對(duì)壓擠壓法對(duì)砂型緊實(shí)度均勻化所起到的作用，本研究采用砂型數(shù)字化柔性擠壓成形設(shè)備形成3個(gè)尺寸為150mm（長(zhǎng)）×150mm（寬）×200mm（高）的砂箱，并控制3個(gè)砂箱內(nèi)中間位置的單個(gè)擠壓頭#1（如圖2 所示）的升起高度均為80mm，然后將混好的堿性酚醛樹(shù)脂自硬砂分別填裝入3個(gè)砂箱內(nèi)。為了觀察砂箱內(nèi)擠壓頭#1四周及深凹處型砂的移動(dòng)情況，同上述研究，在填砂高度為40mm和80mm處均勻撒上一層薄薄的黃色玉米粉。填砂完成后，首先使用上壓板將3 個(gè)砂箱內(nèi)的型砂由上端向下擠壓40mm，然后分別控制3個(gè)砂箱內(nèi)四周位置的8 個(gè)擠壓頭#2 的擠壓距離為10mm、20mm、30mm，如圖2 所示。最后經(jīng)固化后所得砂型的剖面照片，如圖6 所示。并將3個(gè)砂型分別用字母D、E、F表示。由圖6 可以明顯看出：在上端壓板擠壓距離相同的條件下，隨著砂箱內(nèi)四周位置8個(gè)擠壓頭#2擠壓距離的增大，砂型在填砂高度為40mm 和80mm 處的黃色玉米粉層逐漸上移，同時(shí)四周型砂的壓縮比、緊實(shí)度和強(qiáng)度也會(huì)被進(jìn)一步提高。

圖6 不同下端擠壓距離條件下所得砂型剖面照片F(xiàn)ig.6 Photographs of Sand Profile Profiles Obtained Under Different Lower End Extrusion Distances

本研究對(duì)四個(gè)不同下端擠壓距離條件所得砂型深凹處B1、D1、E1、F1的緊實(shí)度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果分別為δ（B1）=1.58g/cm3、δ（D1）=1.796g/cm3、δ（E1）=1.878g/cm3、δ（F1）=1.936g/cm3，如圖6 所示?？梢?jiàn)，隨著下端擠壓距離的增加，砂箱內(nèi)深凹處型砂的被壓縮程度增大，砂型的緊實(shí)度得到提高。

四個(gè)砂型中擠壓頭#1 頂部區(qū)域（B3、D3、E3、F3）和四周區(qū)域（B2、B4、D2、D4、E2、E4、F2、F4）緊實(shí)度的分布情況對(duì)比，如圖7 所示。由圖7可以看出：在上端壓板擠壓距離相同的條件下，隨著砂箱內(nèi)四周位置8 個(gè)擠壓頭#2 由下端擠壓距離的增大，一方面擠壓頭#1頂部區(qū)域砂型的緊實(shí)度增大；另一方面擠壓頭#1頂部區(qū)域3和四周區(qū)域2和4內(nèi)砂型的緊實(shí)度差距減小，并逐漸趨于均勻化。

圖7 中間擠壓頭頂部和四周區(qū)域緊實(shí)度分布情況Fig.7 The Compactness Distribution of the Top and Surrounding Areas of the Middle Extrusion Head

4 結(jié)論

（1）在上壓板擠壓距離相同的條件下，隨著中間擠壓頭高度的升高，砂型深凹處底部型砂越不容易被緊實(shí)，同時(shí)擠壓頭頂部區(qū)域內(nèi)型砂的相對(duì)壓縮量增大，緊實(shí)度增長(zhǎng)相比擠壓頭四周區(qū)域更為明顯。

（2）采用在中間擠壓頭四周深凹處預(yù)留下端擠壓余量，并結(jié)合上下對(duì)壓擠壓法的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擠壓頭四周及深凹處型砂的進(jìn)一步緊實(shí)，有利于砂型緊實(shí)度分布均勻化，并提高砂型鑄造性能。