0 引言

液態(tài)成形綜合實(shí)驗(yàn)中的振動(dòng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)、消失模鑄造實(shí)驗(yàn)是該校材料成型及控制工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)比較重要的實(shí)驗(yàn)，屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程材料成型理論基礎(chǔ)液態(tài)成形原理內(nèi)容。材料成型理論基礎(chǔ)課程由固態(tài)成形原理、液態(tài)成形原理和連接成形原理三部分教學(xué)內(nèi)容組成。

在液態(tài)成形原理教學(xué)中，振動(dòng)結(jié)晶在液態(tài)成形結(jié)晶理論篇幅中占有很重要的位置，主要因?yàn)榻饘俚哪淌且粋€(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及傳熱、傳質(zhì)和相變等多個(gè)方面[。在振動(dòng)條件下，金屬液態(tài)凝固過程中，鑄件可以得到細(xì)小的晶粒組織；反之，僅在重力場(chǎng)作用下，結(jié)晶晶粒粗大[2-3]。振動(dòng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)?zāi)苤庇^地展示在振動(dòng)條件下金屬液體凝固過程中的晶粒細(xì)化、組織均勻等現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生深入掌握凝固機(jī)理，驗(yàn)證課本中的基本理論，將增強(qiáng)流動(dòng)性、提高形核率、促進(jìn)晶粒細(xì)化等抽象概念銘記于心。

消失模鑄造實(shí)驗(yàn)屬于專業(yè)核心理論課程材料成型裝備及自動(dòng)化、材料加工工程教學(xué)內(nèi)容。消失模鑄造是一種新型液態(tài)成形工藝，消失模鑄造工藝技術(shù)適合于單件、快速制造條件下生產(chǎn)，在模具制造和模具前期開發(fā)上具有優(yōu)越性，近年來被廣泛應(yīng)用于模具生產(chǎn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

綜上所述，在材料成型原理教學(xué)活動(dòng)中，開設(shè)振動(dòng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)和消失模鑄造實(shí)驗(yàn)十分必要，并且這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)要用到相同的振動(dòng)臺(tái)設(shè)備。高校實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)共同特點(diǎn)是可提供使用的面積不大，要求設(shè)備在滿足使用功能的前提下體積越小越好，并且操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性和可靠性高。顯然，在市場(chǎng)上要購買到符合上述要求的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)不是一件容易的事。因此，自制一臺(tái)適用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的振動(dòng)臺(tái)勢(shì)在必行。

1振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)

1. 1 指導(dǎo)思想

依據(jù)華中科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處關(guān)于實(shí)驗(yàn)技術(shù)改造和實(shí)驗(yàn)設(shè)備研發(fā)的文件精神，自制設(shè)備應(yīng)遵循創(chuàng)新性、實(shí)用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和通用性，符合一臺(tái)設(shè)備多用途、多學(xué)科交叉融合等原則，達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和質(zhì)量的目的。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)結(jié)構(gòu)是振動(dòng)工作臺(tái)的重要組成部分，負(fù)責(zé)支撐整個(gè)工作臺(tái)并傳遞振動(dòng)能量。在設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮其剛度、阻尼和在共振頻率下抗疲勞失效等因素，以確保振動(dòng)能量能夠有效地傳遞到服役對(duì)象上，從而達(dá)到振動(dòng)最佳效果[4]。振動(dòng)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了其振動(dòng)性能和使用效果。

因此，設(shè)計(jì)良好的振動(dòng)臺(tái)必須慎重考慮如下幾個(gè)主要問題。

1.2.1 底座

作為振動(dòng)臺(tái)的支撐部分，底座需要具有足夠的強(qiáng)度、剛度，能夠承受工作條件下的振動(dòng)和沖擊力。在設(shè)計(jì)底座時(shí)，還應(yīng)考慮到設(shè)備的整體穩(wěn)定性和平衡性。

1.2.2 支撐桿

支撐桿的數(shù)量和布局應(yīng)根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的使用要求和負(fù)載運(yùn)行狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)。合理的支撐桿布局可以確保振動(dòng)臺(tái)在工作過程中的穩(wěn)定性和平衡性，減少振動(dòng)過程中的晃動(dòng)和偏移。

1.2.3 工作臺(tái)面

工作臺(tái)面是振動(dòng)臺(tái)上承載實(shí)驗(yàn)載貨的重要部分，一般采用高剛度和耐磨的材料制作。工作臺(tái)面的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮實(shí)驗(yàn)物品的形狀、大小和重量以及方便夾具固定，以確保其在振動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和安全性。

1.2.4 振動(dòng)器

振動(dòng)器是振動(dòng)臺(tái)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)部件，其選用和安裝位置需根據(jù)振動(dòng)臺(tái)面結(jié)構(gòu)尺寸和被振動(dòng)具體情形來確定[5-6]。常見的振動(dòng)器種類很多，各有特點(diǎn)。根據(jù)振動(dòng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)和消失模鑄造實(shí)驗(yàn)的實(shí)際要求和便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)等特點(diǎn)要求，本振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)器選取電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器，其產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)理是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪產(chǎn)生振動(dòng)，具有振動(dòng)頻率范圍廣、振幅可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 振動(dòng)電機(jī)的選取

正確選擇振動(dòng)電機(jī)是決定振動(dòng)臺(tái)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一，良好振動(dòng)電機(jī)的選取要考慮的因素較多，重點(diǎn)考慮因素如下。

1.3.1 額定激振力

根據(jù)工作臺(tái)服役時(shí)所有運(yùn)動(dòng)載貨的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，基于牛頓第二定律初步計(jì)算出在靜態(tài)狀況下所需的總推力；由于振動(dòng)臺(tái)工作是在動(dòng)態(tài)狀況下，為了確保運(yùn)行安全、可靠，在算出的總推力情況下需加權(quán)安全系數(shù)來確定最終所需的推力[7-8]。

1.3.2 振動(dòng)頻率

改變振動(dòng)電機(jī)的頻率是目前最常用、最成熟的有效做法。通過變頻器頻率的改變促使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率改變，驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻率的變化迫使振動(dòng)臺(tái)頻率改變[9]。變頻器驅(qū)動(dòng)能夠使振動(dòng)臺(tái)面得到較好的正弦推力和隨機(jī)推動(dòng)力。

1.3.3 振幅

調(diào)整電機(jī)振動(dòng)器的振幅最常見的辦法有兩種：第一種是調(diào)整偏心塊位置，偏心塊等效質(zhì)點(diǎn)位置越靠近電機(jī)中心軸線振幅越小；偏心塊等效質(zhì)點(diǎn)位置越遠(yuǎn)離中心軸線振幅越大[7-8]。第二種是改變振動(dòng)電機(jī)偏心塊的重量。在重力場(chǎng)的作用下，偏心塊重量增加時(shí)振幅增大，偏心塊重量減少時(shí)振幅減小。

1.3.4振動(dòng)臺(tái)維度的選取

振動(dòng)按照振動(dòng)方向來分，可分為一維、二維、三維振動(dòng)。自制振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要服役于材料成型及控制工程專業(yè)材料形成原理中液態(tài)成形綜合實(shí)驗(yàn)中的振動(dòng)結(jié)晶、消失模鑄造實(shí)驗(yàn)課，同時(shí)兼顧大學(xué)科創(chuàng)和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。因此，從實(shí)驗(yàn)要求綜合考慮，振動(dòng)維度選擇二維振動(dòng)就足夠。如果實(shí)驗(yàn)空間允許選擇三維振動(dòng)設(shè)計(jì)效果或更好，因?yàn)樗塬@得振動(dòng)幅度稍大、頻率變化靈活的振動(dòng)效果特點(diǎn)。

通過以上整體考慮，本振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)電機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓： 380V ；額定功率：0.25kW；電機(jī)級(jí)數(shù)：2；額定頻率： 50Hz ；防護(hù)等級(jí)：IP55；允許環(huán)境溫度： -20～40°C ；工作方式制：連續(xù)。

1.4 隔振措施

為了減少振動(dòng)對(duì)工作臺(tái)周圍環(huán)境的影響，需要采取隔振措施。常見的隔振措施包括安裝隔振墊和使用隔振彈簧等，該振動(dòng)臺(tái)擬采用塑料橡膠隔振墊。

1.5 控制機(jī)制的選取

控制機(jī)制是決定振動(dòng)臺(tái)性能優(yōu)劣的因素之一。用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的振動(dòng)臺(tái)目前采用開環(huán)運(yùn)行機(jī)制。所謂開環(huán)運(yùn)行機(jī)制，就是先按實(shí)驗(yàn)要求在變頻器上設(shè)定一個(gè)振動(dòng)臺(tái)頻率，振動(dòng)電機(jī)得到一個(gè)驅(qū)動(dòng)電信令后，振動(dòng)臺(tái)開始運(yùn)行工作；振動(dòng)臺(tái)實(shí)際運(yùn)行工作的頻率與變頻器開始設(shè)置的頻率是否一致難以保證，但可以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)加以校正。設(shè)計(jì)自制振動(dòng)臺(tái)的初衷是使其主要服役于液態(tài)成形綜合實(shí)驗(yàn)中的振動(dòng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)和消失模鑄造實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課上，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路數(shù)據(jù)予以校核，開環(huán)控制機(jī)制完全可以滿足上述要求。

1.6 振動(dòng)時(shí)間的控制

在開展振動(dòng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)時(shí)，常常需要控制振動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短。為了方便、快速、準(zhǔn)確地控制振動(dòng)時(shí)間，在控制電路基礎(chǔ)之上，采取串接時(shí)間繼電器控制變頻器輸出的方式。

振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖中的材料如下。

臺(tái)面材料：45#熱軋鋼板（GB/T711— 2017）；臺(tái)面支撐框：熱軋普通槽鋼（GB/T706一 2008；彈簧：（GB/T23935—2009）；底座支柱： 鋼棒，冷拉圓柱鋼棒（GB/T699—2015）；底座支 撐框：熱軋普通槽鋼（GB/T706—2008）。

2 振動(dòng)設(shè)備調(diào)試

振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)完畢后，需畫出加工圖紙進(jìn)行機(jī)械加工，加工完成之后按照結(jié)構(gòu)示意圖安裝振動(dòng)臺(tái)，然后進(jìn)行如下的必要工作。

2.1 空載調(diào)試

在振動(dòng)臺(tái)安裝完成后，首先要對(duì)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行空載調(diào)試。啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)并觀察其運(yùn)行狀態(tài)，振動(dòng)頻率設(shè)置采取先小后大的原則，偏心塊的位置從里向外進(jìn)行調(diào)試。仔細(xì)檢查是否有異常聲響、振動(dòng)過大或溫度過高等問題。

2.2 加載調(diào)試

在空載調(diào)試正常后，進(jìn)行加載調(diào)試。加載調(diào)試遵循先小后大、再由大逐步卸去負(fù)載的原則，觀察其運(yùn)行穩(wěn)定性和輸出能力是否滿足要求。

2.3振動(dòng)參數(shù)調(diào)整

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求調(diào)整振動(dòng)參數(shù)，如振幅、頻率等。在不同運(yùn)行頻率下，通過改變載貨和偏心塊質(zhì)量與偏心塊距離振動(dòng)電機(jī)中心軸位置測(cè)試相對(duì)應(yīng)的曲線，從而讓振動(dòng)臺(tái)達(dá)到實(shí)際工作時(shí)的最佳運(yùn)行效果。振動(dòng)臺(tái)如圖2所示。

2.4振動(dòng)臺(tái)技術(shù)參數(shù)

振動(dòng)額定載荷： 500N ；振動(dòng)頻率： 0～2800 次/分；變頻范圍： 0～50Hz; 振幅調(diào)節(jié)范圍： 0～4 mm；外觀尺寸： 480mm×480mm×520mm ；振動(dòng)臺(tái)總重量：約 100kg 。

3振動(dòng)臺(tái)在振動(dòng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1振動(dòng)臺(tái)在振動(dòng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)中的作用機(jī)理

一方面，金屬液態(tài)凝固過程中施加外力振動(dòng)，振動(dòng)的能量強(qiáng)化液態(tài)金屬的對(duì)流，對(duì)正在生長(zhǎng)的晶體有沖刷作用，形成液相與固相間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使枝晶斷裂并游離到凝固鑄件的中心位置，從而增加液相中的晶核數(shù)量，細(xì)化晶粒，有利于獲得較多的等軸晶；另一方面，由于振動(dòng)力的作用，鑄件頂部較早形成的晶體往底部下落，類似“結(jié)晶雨”的形成，“結(jié)晶雨”下落到鑄件的中心位置，相當(dāng)于增加液相中的晶核數(shù)量，得到細(xì)化晶粒；此外，振動(dòng)還可以引起局部的溫度起伏，熱量的遷移使得大的樹狀晶粒熔斷、增殖，從而增加液相中的晶核數(shù)量，細(xì)化晶粒。

3.2 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材包括：自制小型振動(dòng)臺(tái)，井式電阻熔化爐，純鋁金屬塊，覆膜砂或樹脂砂樣杯，電動(dòng)帶鋸切割機(jī)，手持便攜式測(cè)溫儀，預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)，腐蝕劑，澆注工具和爐前輔助工具。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）在井式電阻熔化爐內(nèi)置入焙燒干透的石墨增蝸，加入適量的純鋁金屬塊，蓋好加熱爐爐蓋；2）將加熱爐溫控器目標(biāo)溫度設(shè)置為 800°C 然后啟動(dòng)主控回路電源，升溫使之熔化；3）當(dāng)溫度達(dá)到溫控器目標(biāo)溫度時(shí)，揭開加熱爐蓋，用輔助工具清除熔體表面氧化物；4）用手持便攜式測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，當(dāng)溫度達(dá)到 720^°C 時(shí)，將加熱爐溫控器目標(biāo)溫度再設(shè)置為 720°C 保溫；5）將圓柱形的覆膜砂或樹脂砂型取樣杯如圖3所示固定在振動(dòng)臺(tái)上；

6）將熔化好的鋁液澆入上述砂樣杯中，讓其完全凝固;

7）重復(fù)步驟5，設(shè)定好振動(dòng)時(shí)間（參考時(shí)間為 0～120 秒，根據(jù)振動(dòng)結(jié)晶凝固狀態(tài)可加減振動(dòng)時(shí)間）和振動(dòng)參數(shù)（頻率、振幅），啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)按鈕，使其金屬熔體在不同的頻率和振幅下凝固；

8）取出凝固的樣品投入水中使其冷卻，然后將圓柱形的樣品沿軸線方向從中間鋸開；

9）將鋸開的半個(gè)樣品在預(yù)磨機(jī)上磨平，并拋光

10）在拋光后樣品的表面上涂擦腐蝕劑，仔細(xì)觀察樣品的宏觀晶粒組織形態(tài)；

11）分別記錄繪制實(shí)驗(yàn)在動(dòng)態(tài)條件下和靜止條件下，澆注樣品的宏觀組織中從半圓柱試樣表面到中心的晶體形態(tài)，如圖4所示。

4振動(dòng)臺(tái)在消失模鑄造實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

4.1振動(dòng)臺(tái)在消失模鑄造實(shí)驗(yàn)中的作用

消失模鑄造是利用可發(fā)性塑料珠粒制造出泡沫塑料模樣，根據(jù)不同金屬液體流動(dòng)性的特點(diǎn)，粘接拼出復(fù)雜的泡沫模樣或模樣組，并在其表面涂裝涂料并干燥。將表面處理完成后的泡沫塑料模樣放入裝有無粘接劑干砂砂箱內(nèi)，在振動(dòng)力作用下使覆蓋、包裹在處理后的泡沫塑料模樣周圍的干砂變得緊實(shí)。然后，用塑料膜覆蓋在泡沫塑料模樣上面并抽真空，將熔化的金屬液澆鑄到塑料模樣上，高溫的金屬液促使泡沫塑料分解、氣化排出，金屬液取代塑料模樣的位置，待冷卻凝固后得到所需的鑄件[10-11]

可以看出，振動(dòng)臺(tái)的作用是造型時(shí)讓石英砂緊實(shí)表面處理過的泡沫塑料模樣。

4.2 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材包括：自制小型振動(dòng)臺(tái)，真空系統(tǒng)設(shè)備，井式電阻熔化爐，102鋁合金，消失模鑄造專用砂箱，干燥潔凈石英砂20目至40目；手持便攜式測(cè)溫儀，手工橡膠錘子，澆注工具和爐前輔助工具。

4.3實(shí)驗(yàn)步驟

1）102鋁合金熔化同振動(dòng)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)，熔化后精煉、除氣、靜置；

2）用手持便攜式測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，當(dāng)溫度達(dá)到 720°C 時(shí)，將加熱爐溫控器目標(biāo)溫度再設(shè)置為 720^°C 保溫；

3）打開真空泵水閥，開啟真空泵控制按鈕，觀察真空表指針到 -0.08～-0.1MP; a位置，進(jìn)行保壓；

4）在砂箱底部添加干燥石英砂，使其高度約40～80mm ，將表面處理好的泡沫塑料模樣放入砂箱內(nèi)擺放，模樣周圍用干燥石英砂進(jìn)行充填；

5）啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，一邊調(diào)節(jié)頻率旋鈕，一邊用橡膠錘子敲打砂箱四周，用手指壓按砂箱表面直至在振動(dòng)力作用下將處理后的泡沫塑料模樣覆蓋、包裹緊實(shí)為止;

6）停止振動(dòng)臺(tái)按鈕，切割超出砂箱面直澆道，在砂箱石英砂表面加蓋一層塑料薄膜，開啟真空閥門抽氣；

7）對(duì)準(zhǔn)切割直澆道塑料膜表面處，放上澆口杯進(jìn)行澆注，待鑄件凝固冷卻后方可取出鑄件。圖5從右到左依次是泡沫塑料模樣、處理后的泡沫塑料模樣和生產(chǎn)出來的鑄件。

5 結(jié)論

在從市場(chǎng)上難以購買到材料成型及控制工程專業(yè)液態(tài)成形綜合實(shí)驗(yàn)課所需振動(dòng)臺(tái)的情況下，筆者查閱大量相關(guān)資料，結(jié)合自身特長(zhǎng)，自力更生，制作出一臺(tái)小型振動(dòng)臺(tái)，并應(yīng)用于理論課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)果表明，自制小型振動(dòng)臺(tái)解決了理論難以與實(shí)踐相結(jié)合的問題，對(duì)提升理論課教學(xué)質(zhì)量起到較大的推動(dòng)作用。經(jīng)過十幾年的反復(fù)使用證明，該設(shè)備操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。

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