镁合金铸件用砂芯的清理设备及方法

  黄  映  樊自田  刘富初  刘鑫旺  蒋文明

（华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室）

; 摘要为解决镁合金复杂薄壁铸件砂芯清理困难的问题，设计开发了一套可用于砂芯高效清理的设备。该清理设备综合了化学溶解、振动破碎和超声波清理的作用，可快速地清理砂芯。采用该砂芯清理设备，试验研究了溶解振动清理、溶解超声波清理、溶解振动和超声波复合清理3种工艺的砂芯清理效果及其影响因素。结果表明，采用溶解振动和超声波复合清理工艺清理砂芯效果较好。较优的清理方案为：NaOH溶液浓度为5%，偏心块夹角为2/18π，超声波功率为600 W。采用优化的清理方案进行镁合金铸件清理，能够完全清理出砂芯。

; 随着航空航天和汽车工业等产业的快速发展，铸件越来越向薄壁化、轻量化、复杂化方向发展。镁合金以其密度小、比强度高、稳定性好等优点而广泛应用于航空航天和汽车等行业，特别是薄壁复杂镁合金铸件，需求量越来越大。薄壁复杂镁合金铸件常带有内腔或细长弯孔，砂芯结构复杂。目前镁合金铸造用砂芯多为树脂砂芯，而镁合金浇注温度低、热容量小、砂芯很难受热溃散，导致清理工作困难、清理周期长，从而降低薄壁复杂镁合金铸件的生产效率。目前大部分铸造厂采用击芯和抛丸来清理复杂薄壁轻金属铸件，但轻金属铸件常会因撞击力度过大造成难以恢复的损伤，并且钢丸难以触及复杂的内腔，导致清理效果不佳。因此，镁合金铸造用复杂砂芯的高效清理方法的研究有着积极意义。

; 本研究采用化学溶解、振动破碎和超声波处理来清理镁合金铸造用树脂砂芯。研究测试了溶解、振动和超声波复合作用下树脂砂芯的清理效果及其影响因素。

1  试验设备及方法

1.1  试验原材料与设备

; 原砂采用大林擦洗砂，粒度为50／100目；粘结剂为sQG700呋喃树脂；固化剂为GC09。表1是树脂和固化剂的粘度和密度参数。

; 试验采用自行设计和研制的砂芯清理设备，该清理设备综合了化学溶解、振动破碎和超声波处理，其包含铸件压紧部件、机械振动组件和超声波清理组件。清理时，将铸件放人清洗槽内固定，加入清洗液浸没砂芯，砂芯在清洗液的作用下溶解软化，同时利用机械振动或超声波清理或两者复合作用清理砂芯，图1是设备示意图。

; 采用壁厚为1 mm的φ8mm×100 mm的细长空心钢管制备树脂砂芯；其他仪器包括：JA5003N型电子天平，精度为0.001 g；马弗炉；SHY叶片混砂机等。

1.2试验方法

; 试样制备：称取一定量的大林砂放入混砂机中，加入一定量的固化剂搅拌30 s，然后加入一定量的树脂搅拌60 s出砂，采用手工紧实的方法填入细长空心钢管，在空气中硬化24 h后待用。树脂加入量为砂子质量的1. 5%，固化剂的加入量占树脂加入量的30%。

清理工艺：采用了3种不同的清理工艺，见表2。

; 落砂率测试：清理前砂芯和钢管初始质量为m。、清理后砂芯和钢管烘干质量为mi，细长钢管质量为m2，则落砂率p=[（mo-m1）／（mo- m2）]×100%。每个试验点做5次试验，去掉最大值和最小值后取平均值。

2  试验结果与分析

2.1  溶解十振动清理试验结果分析与讨论

2.1.1NaOH浓度和激振力对清理效果的影响

; 图2为砂芯受热温度为300℃时，不同的NaOH溶液浓度和激振力（以振动电机偏心块的夹角来表征j对溶解振动清理落砂率的影响曲线。

; 由图2可知，砂芯的落砂率随着NaOH浓度的增加而增大。当NaOH浓度为2.5%和5.0%时，落砂率随着激振力的增大先增大，在3／l8π处达到最大后开始降低；不含NaOH时，不存在NaOH与硅砂的化学反应，落砂率极低，此时激振力的大小对试样落砂率的影响不明显。

; 溶解十振动清理工艺中，NaOH溶液的作用是软化砂芯，降低其残留强度。砂芯浸泡在NaOH溶液中，硅砂和NaOH发生化学反应之后体积缩小，脱离粘结桥的束缚，从而降低了砂芯的残留强度。随着NaOH浓度的增大，反应速率加快，硅砂体积减小加快，砂芯残留强度降低越多，落砂率也随之增大。

; 振动的作用是使铸件上下抛落与清洗槽底板产生碰撞，在惯性力的作用下破碎脱除砂芯。当铸件和清洗槽底板碰撞的相对速度最大时，落砂效果最好。当振动电机的偏心块夹角为3／l8π时，主轴每转一周，落砂机同铸件撞击一次，两次撞击的时间间隔与落砂机的振动周期相同，清砂效果最好。

2.1.2  砂芯受热温度对清理效果的影响

; 图3为NaOH浓度为2.5%时，不同的砂芯受热温度和激振力对溶解十振动清理落砂率的影响。

; 由图3可知，落砂率随着砂芯受热温度的升高而增大。砂芯受热温度的影响主要表现在两个方面：树脂砂芯随着受热温度的升高，粘结桥和包覆砂子的粘结剂膜烧损越严重，砂芯残留强度随着温度的升高而降低；粘结剂膜的烧损越严重，砂子与NaOH溶液的接触面积越大，越有利于化学反应的进行。因此，砂芯受热温度对其清理具有较大的影响。

2.2  溶解十超声波清理试验结果分析与讨论

; 图4为砂芯受热温度为300℃时，不同的NaOH浓度和超声波功率对清理效果的影响。由图4可知，随超声波功率的增加，砂样的落砂率逐渐增大；试样的落砂率随着NaOH含量的增加而增大。超声清理的主要机理是超声波在液体中的空化效应。当超声波在液体中传播时，液体中的空化核在声波的作用下迅速膨胀，然后突然闭合，气泡闭合时产生冲击波，使介质产生局部高温高压。高压的冲击作用可以断裂砂芯粘结桥，脱除砂芯；此外局部高温还可以加快硅砂和NaOH的化学反应速率，有利于砂芯的脱除。超声波功率增大时，声强增加，空化强度增大，从而有利于砂芯的清理。NaOH含量对超声波清理效果的影响原理上同NaOH含量对溶解振动清理效果的影响是一致的。

; 图5为NaOH浓度为2.5%时，不同的砂芯受热温度和超声波功率对清理效果的影响。

; 由图5可知，超声波清理的落砂率随着砂芯受热温度的升高而显著增大。砂芯受热温度对超声波清理效果的影响原理上同砂芯受热温度对溶解振动清理效果的影响。

2.3  溶解十振动和超声波复合清理试验结果

; 振动作用可以破碎砂芯，使砂芯产生裂纹有利于砂芯的超声波清理；超声波的空化搅拌作用可以加快NaOH溶液在砂芯内部的扩散渗透，还可以加快硅砂和NaOH的化学反应从而降低砂芯的强度，反过来又有利于砂芯的振动破碎。为此，分别选取不同NaOH浓度、超声波功率大小、激振力大小和砂芯受热温度进行正交试验设计，测试砂芯落砂率。正交试验结果见表3。

; 从直观分析中可以看出，4个因子的显著性从大到小依次为ADCB，即NaOH浓度对清理效果影响最大，超声波功率的影响最小。由于铸件浇注时砂芯受热温度很复杂，用于铸件清理时可以忽略因子D。直观分析可以得出较优的清理方案是：5.0%的NaOH溶液十激振力为2／l8π+超声波功率为600 W。

2.4镁合金铸件清理试验

; 为检测设备的清理效果，设计了一个拥有细长弯管内腔的薄壁铸件。该零件采用A291D镁合金浇注，浇注温度为750℃。浇注后采用5.0%的NaOH溶液+2／l8π的激振力+600 W的超声波进行清理，铸件内腔结构和铸件清理后剖开示意图见图6。结果表明，采用优化的清理方案可完全清理出镁合金铸件内腔中的砂芯，其中1号砂芯用时45 min、2号砂芯用时40 min、3号砂芯用时60 min，3种砂芯均可在60 min内完全清理；而采用传统方法清理砂芯时，清理时间很长且拐角处残留砂芯难以清理干净。

3  结  论

; (1)溶解振动和溶解超声清理工艺中，砂芯落砂率随着NaOH溶液浓度增加而增大；随着激振力的增大落砂率先增加后减小；加着超声波功率的增大而增大；随着砂芯的受热温度升高而增大。

; (2)溶解十振动和超声波复合清理方式清理效果较好。正交试验结果表明，NaOH溶液浓度对砂芯清理效果的影响最大，激振力次之，超声波功率最小；较佳的清理工艺方案为：5.0%的NaOH溶液十偏心块夹角为2／18π+600 W的超声波功率。

; (3)采用优化方案清理复杂内腔结构的镁合金铸件，可完全清理出镁合金铸件内腔中的砂芯，其中2号砂芯所需清理时间最短，其次是1号砂芯，3号砂芯具有较大的弯曲弧度，因而清理时间最长，3种砂芯均可在60 min内完全清理。