鎂合金鑄件用砂芯的清理設備及方法
黃 映 樊自田 劉富初 劉鑫旺 蔣文明
（華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室）
; 摘要為解決鎂合金復雜薄壁鑄件砂芯清理困難的問題，設計開發(fā)了一套可用于砂芯高效清理的設備。該清理設備綜合了化學溶解、振動破碎和超聲波清理的作用，可快速地清理砂芯。采用該砂芯清理設備，試驗研究了溶解振動清理、溶解超聲波清理、溶解振動和超聲波復合清理3種工藝的砂芯清理效果及其影響因素。結果表明，采用溶解振動和超聲波復合清理工藝清理砂芯效果較好。較優(yōu)的清理方案為：NaOH溶液濃度為5%，偏心塊夾角為2/18π，超聲波功率為600 W。采用優(yōu)化的清理方案進行鎂合金鑄件清理，能夠完全清理出砂芯。
; 隨著航空航天和汽車工業(yè)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鑄件越來越向薄壁化、輕量化、復雜化方向發(fā)展。鎂合金以其密度小、比強度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點而廣泛應用于航空航天和汽車等行業(yè)，特別是薄壁復雜鎂合金鑄件，需求量越來越大。薄壁復雜鎂合金鑄件常帶有內(nèi)腔或細長彎孔，砂芯結構復雜。目前鎂合金鑄造用砂芯多為樹脂砂芯，而鎂合金澆注溫度低、熱容量小、砂芯很難受熱潰散，導致清理工作困難、清理周期長，從而降低薄壁復雜鎂合金鑄件的生產(chǎn)效率。目前大部分鑄造廠采用擊芯和拋丸來清理復雜薄壁輕金屬鑄件，但輕金屬鑄件常會因撞擊力度過大造成難以恢復的損傷，并且鋼丸難以觸及復雜的內(nèi)腔，導致清理效果不佳。因此，鎂合金鑄造用復雜砂芯的高效清理方法的研究有著積極意義。
; 本研究采用化學溶解、振動破碎和超聲波處理來清理鎂合金鑄造用樹脂砂芯。研究測試了溶解、振動和超聲波復合作用下樹脂砂芯的清理效果及其影響因素。
1 試驗設備及方法
1.1 試驗原材料與設備
; 原砂采用大林擦洗砂，粒度為50／100目；粘結劑為sQG700呋喃樹脂；固化劑為GC09。表1是樹脂和固化劑的粘度和密度參數(shù)。
; 試驗采用自行設計和研制的砂芯清理設備，該清理設備綜合了化學溶解、振動破碎和超聲波處理，其包含鑄件壓緊部件、機械振動組件和超聲波清理組件。清理時，將鑄件放人清洗槽內(nèi)固定，加入清洗液浸沒砂芯，砂芯在清洗液的作用下溶解軟化，同時利用機械振動或超聲波清理或兩者復合作用清理砂芯，圖1是設備示意圖。
; 采用壁厚為1 mm的φ8mm×100 mm的細長空心鋼管制備樹脂砂芯；其他儀器包括：JA5003N型電子天平，精度為0.001 g；馬弗爐；SHY葉片混砂機等。
1.2試驗方法
; 試樣制備：稱取一定量的大林砂放入混砂機中，加入一定量的固化劑攪拌30 s，然后加入一定量的樹脂攪拌60 s出砂，采用手工緊實的方法填入細長空心鋼管，在空氣中硬化24 h后待用。樹脂加入量為砂子質(zhì)量的1. 5%，固化劑的加入量占樹脂加入量的30%。
清理工藝：采用了3種不同的清理工藝，見表2。
; 落砂率測試：清理前砂芯和鋼管初始質(zhì)量為m。、清理后砂芯和鋼管烘干質(zhì)量為mi，細長鋼管質(zhì)量為m2，則落砂率p=[（mo-m1）／（mo- m2）]×100%。每個試驗點做5次試驗，去掉最大值和最小值后取平均值。
2 試驗結果與分析
2.1 溶解十振動清理試驗結果分析與討論
2.1.1NaOH濃度和激振力對清理效果的影響
; 圖2為砂芯受熱溫度為300℃時，不同的NaOH溶液濃度和激振力（以振動電機偏心塊的夾角來表征j對溶解振動清理落砂率的影響曲線。
; 由圖2可知，砂芯的落砂率隨著NaOH濃度的增加而增大。當NaOH濃度為2.5%和5.0%時，落砂率隨著激振力的增大先增大，在3／l8π處達到最大后開始降低；不含NaOH時，不存在NaOH與硅砂的化學反應，落砂率極低，此時激振力的大小對試樣落砂率的影響不明顯。
; 溶解十振動清理工藝中，NaOH溶液的作用是軟化砂芯，降低其殘留強度。砂芯浸泡在NaOH溶液中，硅砂和NaOH發(fā)生化學反應之后體積縮小，脫離粘結橋的束縛，從而降低了砂芯的殘留強度。隨著NaOH濃度的增大，反應速率加快，硅砂體積減小加快，砂芯殘留強度降低越多，落砂率也隨之增大。
; 振動的作用是使鑄件上下拋落與清洗槽底板產(chǎn)生碰撞，在慣性力的作用下破碎脫除砂芯。當鑄件和清洗槽底板碰撞的相對速度最大時，落砂效果最好。當振動電機的偏心塊夾角為3／l8π時，主軸每轉一周，落砂機同鑄件撞擊一次，兩次撞擊的時間間隔與落砂機的振動周期相同，清砂效果最好。
2.1.2 砂芯受熱溫度對清理效果的影響
; 圖3為NaOH濃度為2.5%時，不同的砂芯受熱溫度和激振力對溶解十振動清理落砂率的影響。
; 由圖3可知，落砂率隨著砂芯受熱溫度的升高而增大。砂芯受熱溫度的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：樹脂砂芯隨著受熱溫度的升高，粘結橋和包覆砂子的粘結劑膜燒損越嚴重，砂芯殘留強度隨著溫度的升高而降低；粘結劑膜的燒損越嚴重，砂子與NaOH溶液的接觸面積越大，越有利于化學反應的進行。因此，砂芯受熱溫度對其清理具有較大的影響。
2.2 溶解十超聲波清理試驗結果分析與討論
; 圖4為砂芯受熱溫度為300℃時，不同的NaOH濃度和超聲波功率對清理效果的影響。由圖4可知，隨超聲波功率的增加，砂樣的落砂率逐漸增大；試樣的落砂率隨著NaOH含量的增加而增大。超聲清理的主要機理是超聲波在液體中的空化效應。當超聲波在液體中傳播時，液體中的空化核在聲波的作用下迅速膨脹，然后突然閉合，氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，使介質(zhì)產(chǎn)生局部高溫高壓。高壓的沖擊作用可以斷裂砂芯粘結橋，脫除砂芯；此外局部高溫還可以加快硅砂和NaOH的化學反應速率，有利于砂芯的脫除。超聲波功率增大時，聲強增加，空化強度增大，從而有利于砂芯的清理。NaOH含量對超聲波清理效果的影響原理上同NaOH含量對溶解振動清理效果的影響是一致的。
; 圖5為NaOH濃度為2.5%時，不同的砂芯受熱溫度和超聲波功率對清理效果的影響。
; 由圖5可知，超聲波清理的落砂率隨著砂芯受熱溫度的升高而顯著增大。砂芯受熱溫度對超聲波清理效果的影響原理上同砂芯受熱溫度對溶解振動清理效果的影響。
2.3 溶解十振動和超聲波復合清理試驗結果
; 振動作用可以破碎砂芯，使砂芯產(chǎn)生裂紋有利于砂芯的超聲波清理；超聲波的空化攪拌作用可以加快NaOH溶液在砂芯內(nèi)部的擴散滲透，還可以加快硅砂和NaOH的化學反應從而降低砂芯的強度，反過來又有利于砂芯的振動破碎。為此，分別選取不同NaOH濃度、超聲波功率大小、激振力大小和砂芯受熱溫度進行正交試驗設計，測試砂芯落砂率。正交試驗結果見表3。
; 從直觀分析中可以看出，4個因子的顯著性從大到小依次為ADCB，即NaOH濃度對清理效果影響最大，超聲波功率的影響最小。由于鑄件澆注時砂芯受熱溫度很復雜，用于鑄件清理時可以忽略因子D。直觀分析可以得出較優(yōu)的清理方案是：5.0%的NaOH溶液十激振力為2／l8π+超聲波功率為600 W。
2.4鎂合金鑄件清理試驗
; 為檢測設備的清理效果，設計了一個擁有細長彎管內(nèi)腔的薄壁鑄件。該零件采用A291D鎂合金澆注，澆注溫度為750℃。澆注后采用5.0%的NaOH溶液+2／l8π的激振力+600 W的超聲波進行清理，鑄件內(nèi)腔結構和鑄件清理后剖開示意圖見圖6。結果表明，采用優(yōu)化的清理方案可完全清理出鎂合金鑄件內(nèi)腔中的砂芯，其中1號砂芯用時45 min、2號砂芯用時40 min、3號砂芯用時60 min，3種砂芯均可在60 min內(nèi)完全清理；而采用傳統(tǒng)方法清理砂芯時，清理時間很長且拐角處殘留砂芯難以清理干凈。
3 結 論
; (1)溶解振動和溶解超聲清理工藝中，砂芯落砂率隨著NaOH溶液濃度增加而增大；隨著激振力的增大落砂率先增加后減��；加著超聲波功率的增大而增大；隨著砂芯的受熱溫度升高而增大。
; (2)溶解十振動和超聲波復合清理方式清理效果較好。正交試驗結果表明，NaOH溶液濃度對砂芯清理效果的影響最大，激振力次之，超聲波功率最小；較佳的清理工藝方案為：5.0%的NaOH溶液十偏心塊夾角為2／18π+600 W的超聲波功率。
; (3)采用優(yōu)化方案清理復雜內(nèi)腔結構的鎂合金鑄件，可完全清理出鎂合金鑄件內(nèi)腔中的砂芯，其中2號砂芯所需清理時間最短，其次是1號砂芯，3號砂芯具有較大的彎曲弧度，因而清理時間最長，3種砂芯均可在60 min內(nèi)完全清理。
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