在自制的剪應力測試儀器上，對消失模鑄造干砂緊實特性進行了試驗研究。著重研究了振幅、頻率、振動時間、砂箱大小、形狀以及干砂粒形和粒度等7個因素對干砂緊實特性的影響，并運用正交設計，找到諸因素對緊實特性影響作用大小順序。  
關鍵詞：緊實特性；消失模鑄造；影響因素  
中圖分類號：TG249.6　　文獻標識碼：A  
文章編號：1000-8365(2000)02-0042-04  
Experimental Study on Compaction Properties of Dry Sand in Expendable Pattern Casting  
YANG Mao-sheng，BAO Yin1，  
(Inner Mongolia Polytechnic University，Inner Mongolia 010062，China)  
LIU Hong-zhi  
(Changchun Passenger Train Plant，Changchun 130062，China)  
Abstract:In this paper，a experimental study was made on compaction properties of dry sand in the EPC with the

 self-made testing device.In detail，the effects of sand box shape,dry sand granularity，amplitude，vibrating time and vibrating frequency on compaction properties of dry sand were 

investigated.The relative order of effects was found by experimental design.  
Key Words:Compaction properties；Expendable pattern casting； Influencing element；  
消失模鑄造因其獨特的工藝性和在成本及環保上的優勢，一經出現就受到鑄造工作者的重視并得到了迅速地發展〔1〕。干砂的振動充填與緊實是消失模鑄造工藝的關鍵技術之一，它不僅要求砂子快速到達模型周圍形成足夠的緊實度，而且在緊實過程中應使模型變形較小，以保證澆注后形成輪廓清晰、尺寸精確的鑄件〔2、3〕。干砂在振動狀態下的充填緊實過程，是1個極其復雜的散粒體動力學過程〔4〕。砂粒在振動過程中必須克服砂粒間的內摩擦力，砂粒―模型以及砂粒―砂箱壁間的外摩擦力以及砂粒本身的重力，才能充滿模型的外型與內腔。可見，干砂緊實特性不僅與砂粒所受的緊實力有關，而且還與砂子本身的特性以及砂箱形狀、大小有關〔5、6〕。基于這1點，本研究通過理論分析并通過實驗測定影響消失模干砂緊實程度的各種因素的作用規律。并利用正交試驗找出各因素對干砂緊實的作用大小以及較好的工藝條件。  
1　干砂緊實機理  
干砂緊實實質是通過振動臺振動使砂箱內砂粒產生微運動，從而使砂粒體獲得沖量并克服相鄰部位砂粒間的內摩擦阻力而使干砂得到緊實的。在振動臺1個振動周期中砂粒發生不同的運動形態。當振動臺向上運動時，砂粒克服阻力而得到緊實；當振動臺向下運動時，砂粒間的滑移面是該面的剪應力τ與正應力σ的比值達到最大值的平面。當(τ/σ)max＞tg?J=f(式中：?J――摩擦角 內摩擦系數)，干砂相鄰部位發生移動。本文以微元體作為研究對象。  
在干砂中選取，如圖1所示的ABC微元體(dS)。并確定振動周期的1/2作為研究的時間段。設干砂單元體初始動量為Mt，Δt后動量為Mt+Δt。同時認為，1部分干砂經AB邊流入微元體(動量增量為ΔM2，流入速度為U1)，另1部分經AC邊流出微元體((動量增量為ΔM1，流出速度為U2)。設干砂微元體只發生移動不發生轉動，即相對剪力數值相等，即如下式：  
τxy=τyx  
根據質點系動量定理有下式存在  
                      
t時刻質點系動量  
       
式中  
      
式中　ρ――干砂緊實度，kg/cm3；  
u――為微元體的瞬時速度，m/s；  
Δt――為作用時間，s；  
τ――干砂剪應力，kpa；  
S――微元體的截面積；  
θ――滑移面與Y軸的夾角；  
LAB、LBC、LAC――為AB、BC、AC邊的長度；  
σ――滑移面的正應力，kPa。  
由上式可知，影響干砂剪應力的因素有作用時間與干砂緊實速度以及緊實度。而作用時間與振動頻率密切相關；干砂緊實速度決定于振動頻率與振幅以及砂箱固定方式；緊實度與干砂內摩擦系數則與干砂粒度、形狀以及砂箱大小、形狀有關。本研究只研究1/2振動周期的砂粒運動情況，若振動時間t延長，隨之砂粒所獲得緊實沖量的次數增加(t/Δt)。從而使砂粒進一步得到緊實。以上這些影響因素集中體現在干砂剪應力的變化之上，因此本研究以干砂剪應力作為干砂緊實效果的衡量標準，通過測定剪應力，以揭示工藝因素的影響規律。  
    
圖1　微元體  
Fig.1　A Tiny Object  
2　實驗原理與方法  
2.1　實驗原理  
據此設計的干砂剪力測試原理，如圖2所示。具體測試方法如下：把干砂均勻地倒入砂箱內，下砂箱固定于振動臺上，在上箱施加剪切力T使干砂Ⅰ―Ⅰ斷面在水平方向移動。發生移動時單位面積的剪力即為干砂的剪應力。  
        
圖2　干砂剪應力測試原理圖  
Fig.2　Dragram of test apparatus principle upon shear stress  
2.2　實驗裝置  
實驗裝置，如圖3所示。它由砂箱、ZS-30J振動試驗臺、壓力傳感器和六筆記錄儀構成。其中振動試驗臺性能參數為：頻率范圍：20～80 Hz；振幅范圍：(0±2) mm。  
        
圖3　實驗裝置圖  
Fig.3　The experimental apparatus  
2.3　實驗步驟  
采用干砂剪切力測試裝置，對不同粒度干砂；砂箱形狀大小；不同振幅和頻率；以及不同振動時間的干砂剪切力進行測定，具體測試時，采用不同法向壓力N，多次測定剪力T的大小。通過線性回歸，求出干砂剪應力τ的關系式：  
τ’=σ.tgφ  
式中　τ――由于壓重而產生的剪應力，N/m2；  
σ――壓重引起的正應力，N/m2；  
f――摩擦角。  
τ’=τ??總-τf-τ  
式中　τf――上下砂箱間摩擦阻力，N/m2；  
τ總――所測定的剪應力。  
若σ=0 τ=τ??總-τf即儀器測定總的剪應力τ總減去所測定的砂箱間摩擦阻力τf(數值，見表1)，即為干砂的剪應力τ。  
表1　砂箱間的摩擦阻力系數(砂箱壁厚：8 mm)  
Tab.1　Frictional resistance coefficient between boxes