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六西格玛分析工具在型砂抗压检测中的应用2021-06-04 11:39:47

型砂的性能直接影响着铸造过程中铸型的质量、型腔的尺寸精度及铸件的质量,因而对型砂性能的检测与评定具有重要的现实意义,除了对型砂进行的化学检测外,最简单的评定型砂性能的物理检测办法就是抗压、抗拉、抗剪性能的测定,但在铸造厂日常做整套强度试验意义不大。大多数情况下,压力试验最能代表型砂的真实受力情况,但是由于压力试验对设备要求比较高,要准确地测量是比较困难的,手动液压设备试验时噪声很大,操作难,日常控制型砂质量检测不可行,因此多以抗拉试验来代表型砂的力学性能检测。但抗拉强度检测普遍存在的问题就是波动比较大。随着型砂强度智能型检测仪技术的发展,进行压力试验操作简单、方便且数据准确,这为铸造生产中更好地进行型砂试验创造了条件。笔者所在公司在1995年将粘土砂改为呋喃树脂砂造型,其型砂的检测方法也一直沿用抗拉检测方法,但是多年来的经验表明,抗拉检测数据的不稳定性对型砂实际的质量状况缺乏真实的反应,往往会产生误导;另外最重要的一个原因就是抗拉检测并不能完全代表铸型(芯)的真实受力情况。鉴于目前这种状况,改变现场型砂检测方法是笔者所在单位的当务之急。

一、理论基础

在铸造中,通常注重的应该是砂子的抗压强度,因为型砂在铸件浇注和凝固过程中主要会受到压力,在图1a中铸型受到压力。在图1b中砂芯受到弯曲力,图1c的情况芯子受到的依然是压力。

型芯受力情况.jpg

1.在浇注过程中的受力

悬空在铁液中的砂芯会受到铁液的浮力,其大小与金属材料有关,也与砂芯的重量成正比关系,见公式(1)。悬空在铁液中的砂芯要通过芯头定位才不至于在浮力下运动,在这个过程中作用在砂芯上的浮力就转化为芯头受到的压力,而且这个压力不能超过砂芯所承受的最大压力。如果这个压力太大的话,可通过增大芯头面积或使用芯撑来解决。

F芯=fxW

(公式1)

式中:F芯为砂芯受铁液的浮力;f为与材料类别有关的系数;W为砂芯重量,kg。

浇注过程中铸型受到的压力来自于静压力和浇注过程中的冲击力,静压力可以进行准确的计算,但是浇注过程中的冲击力很难计算,一般情况下铸型压力计算是静压力再加上50%的静压力,见公式(2),受到的压力过程见图2。

浇注过程中铸型的受力.jpg

F=(1.5×A×H×d)/1 000

(公式2)

式中:F为铸型受到的压力;A为面积,cm2;H为静压 高度,cm;d为金属液密度,g/cm3。

2.在凝固过程中的受力

铸铁在凝固阶段析出石墨的过程即是膨胀过程,石墨化膨胀对铸型产生较大的压力,尤其是球墨铸铁对铸型刚度、强度要求非常高。图3是铸铁石墨化膨胀对铸型产生的压力情况。

六西格玛分析工具:石墨化膨胀对铸型产生的压力.jpg

从前面的理论分析得出:铸型(芯)无论在浇注过程中,还是在金属凝固过程中,所承受的力均以压力为主,所以铸型(芯)抵抗压力的能力是铸造中关注的重点。

二、试验的开展

抗压强度是在单向受压力作用破坏时,单向面积上所承受的极限强度载荷。为使受力更加稳定,抗压试块以等径高最为理想。目前国内树脂砂的型砂检测大多采用“抗拉检测”,粘土砂采用“抗压检测”,检测粘土砂抗压强度的标准试块尺寸是p50mmx50mm。粘土砂的抗压强度在1MPa以内。在开展试验之前笔者用现场生产用树脂砂制好标准尺寸(p50mm×50mm)的抗压试块发给型砂检测仪生产厂家进行试验,目前市场上的型砂仪都压不碎p50mmx50mm的树脂砂抗压试块,经过与厂家多次核算并试验,最终确定的适合本企业呋喃树脂砂的型砂抗压检测试块为p40mm×40mm,并专门制作SAZ标准制样机使用的p40mm×40 mm模具。

试验制样用三锤紧实的方法制成标准砂样,然后将制好的砂样装夹于XQY-Ⅱ智能型砂试验机检测系统的夹头间,加压直至试样破裂时显示的数据即为抗压强度。

试验在同一台混砂机上同时取抗拉试样和抗压试样,共测得80组数据。

六西格玛分析工具:型砂抗压检测数据正态分布分析.jpg

三、试验数据分析

利用六西格玛工具分别对抗拉与抗压数据进行正态分布分析,二者的P值均大于0.05,见图4、5,试验所得的数据均为正态分布,所以根据这两组数据进行的其他分析有效。

六西格玛分析工具:型砂抗压检测数据正态分布分析.jpg

对两组数据利用6o工具进行回归分析,得出的回归方程及其他参数为:抗压平均y=-0.233+4.33抗拉平均x,

六西格玛分析工具:型砂抗压抗拉检测数据分析.jpg

分析认为,线性方程得出的线性回归方程有效,可利用此方程进行抗压标准计算。

四、抗压标准的确定

根据公司内部已有的抗拉标准,依据上述线性方程得出对应的抗压标准见表1。

公司内部抗拉抗压标准对照表.jpg

五、抗压检测替代抗拉检测

在制定好抗压标准后,对公司的16台混砂机进行双标准运行,并对一台混砂机的53组数据分析,结果见图6、7。

六西格玛分析工具:型砂抗压检测中的数据过程能力分析.jpg

利用六西格玛工具对数据分析可以看出,现场型砂检测的抗压数据比起抗拉数据更集中于标准范围内,由此可见抗压标准是可行的,抗压检测可以替代抗拉检测。

六西格玛分析工具:型砂抗拉检测中的数据过程能力分析.jpg

六、结束语

通过抗压试验,制定了企业内控的型砂检测标准,将3月份开始运行的树脂砂抗拉强度检测全部改为抗压强度检测。改变检测方式后,避免了由抗拉试块对缺陷敏感性带来的误导,由于型砂质量导致的铸件质量问题下降了70%。