第1章 緒論 

1.1 課題研究的目的與意義 
隨著新技術(shù)新材料的快速發(fā)展，裝備制造業(yè)市場(chǎng)新的增長空間逐漸擴(kuò)大，鑄造的整個(gè)行業(yè)鏈開始了新一輪的競(jìng)爭(zhēng)。盡管對(duì)于鑄造行業(yè)來說發(fā)展較早，但它也務(wù)必將受到全新的影響，迎來新一輪嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 盡管鑄造行業(yè)發(fā)展迅速，但是由于材料等因素的局限性，砂型鑄造將長期處于鑄造行業(yè)比重極大的重要地位。型砂性能的有效控制和檢測(cè)必然是鑄造加工整個(gè)生產(chǎn)過程中不可或缺的重要部分。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，因?yàn)樾蜕熬C合性能以及型砂組分變化的原因造成的鑄件廢品有近 40 %~70 %[1-3]。型砂性能的檢測(cè)及有效控制是保證鑄件產(chǎn)品擁有良好質(zhì)量的重要工藝手段[4]，其中發(fā)氣性是衡量鑄造過程中鑄型好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，例如在粘土砂造型中，型砂在達(dá)到造型要求的同時(shí)可以通過對(duì)型砂發(fā)氣量的測(cè)量來確定煤粉、膨潤土、水的最優(yōu)配比。所以對(duì)發(fā)氣性進(jìn)行測(cè)量并有效的調(diào)節(jié)和控制是提高鑄件產(chǎn)品合格率的必要措施之一[5-6]。 發(fā)氣性是型砂極為重要的綜合性能指標(biāo)之一，是指型(芯)砂在加熱的過程中析出氣體的能力，常用發(fā)氣量以及發(fā)氣速度來評(píng)價(jià)衡量。發(fā)氣速度通常是指發(fā)氣量隨時(shí)間變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化的動(dòng)態(tài)規(guī)律。鑄造生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)澆入經(jīng)過熔煉的金屬后，型（芯）砂將會(huì)發(fā)出大量的氣體。發(fā)氣量大的砂型，最容易造成的鑄造缺陷就是侵入性氣孔[7]，侵入性氣孔是氣體從鑄件外部侵入液態(tài)金屬中，因不能及時(shí)排出而形成的影響鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的氣孔。鑄件在生產(chǎn)過程中，侵入性氣孔通常隨機(jī)產(chǎn)生的可能性要比反應(yīng)性氣孔（析出性氣孔）大。
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1.2 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀及分析 
澆注后在溫度極高的液態(tài)金屬作用下，鑄型和型芯將會(huì)發(fā)出大量氣體，這通常成為了鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷的重要原因[12]。純凈而干燥的砂子是不會(huì)產(chǎn)生氣體的，但對(duì)于鑄造來說，沒有任何實(shí)用意義，無法制成鑄造過程中的鑄型和型芯。除采用負(fù)壓造型和聚苯乙烯氣化模造型的特殊造型方法外，如果要想使鑄型和型芯保持十分復(fù)雜的形狀和較高的硬度，在型（芯）砂配比時(shí)，必須加入一定量的粘結(jié)劑，對(duì)型砂產(chǎn)生粘結(jié)作用[13]。 大部分的型砂粘結(jié)劑，如粘土、水玻璃、紙漿廢液、油類及各種樹脂，在高溫作用下都會(huì)發(fā)生各種物化反應(yīng)，或多或少的產(chǎn)生氣體。除此之外，配制粘土型砂時(shí)，，必備的輔料如煤粉、重油也是產(chǎn)生氣體的來源之一。如：由水分生成的氣體是濕型砂鑄造時(shí)氣孔產(chǎn)生的主要原因，所以濕型鑄造應(yīng)根據(jù)粘土的用量及型砂的具體情況嚴(yán)格控制型（芯）砂的水分；樹脂砂中樹脂的燃燒是樹脂砂鑄造時(shí)氣體的主要來源。所以在型砂的配比過程中盡量減少樹脂的用量[14]。 我國的很多鑄造企業(yè)在測(cè)定型砂中有效煤粉含量時(shí)，通常都會(huì)采用分別測(cè)量型砂和煤粉發(fā)氣量的方法[15-16]。測(cè)定時(shí)，將準(zhǔn)備好的待測(cè)砂樣稱重出 1  g 后，平均的鋪在已經(jīng)預(yù)熱且冷卻干燥過的陶瓷舟（或不銹鋼舟）中，在生產(chǎn)鑄造要求的溫度下使用型砂發(fā)氣性測(cè)試儀測(cè)定出該砂樣的發(fā)氣量。后用同樣的方法測(cè)出 1 g  粘土和 0.1 g  煤粉的發(fā)氣量。目前國內(nèi)外型砂發(fā)氣性的測(cè)量方法通常采用壓力測(cè)量法和體積測(cè)量法兩種。 壓力測(cè)量法測(cè)定結(jié)果比較準(zhǔn)確、測(cè)溫范圍較大，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需沖入惰性氣體標(biāo)定，方法繁瑣，測(cè)時(shí)較長，維護(hù)難。基于該方法設(shè)計(jì)的儀器有瑞士的PGD 型型砂發(fā)氣性測(cè)定儀[17]、美國 Dietert 公司的 NO.628 型型砂發(fā)氣性測(cè)定儀[18]等。 體積測(cè)量法測(cè)試時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的壓力必須與大氣壓保持平衡，一般需要兩人操作，操作麻煩、準(zhǔn)確度差，不易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，且很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 
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第2章 型砂發(fā)氣性測(cè)試儀基本原理及硬件構(gòu)成

2.1 測(cè)試儀總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及基本原理 
在綜合考慮到測(cè)試儀的成本控制、精度要求、操作方便等因素后，改進(jìn)的新型型砂發(fā)氣性測(cè)試儀的總體結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。發(fā)氣部分由高溫分解爐（石英管、瓷舟、送舟鉗）、電子天平、烘箱、溫度控制系統(tǒng)、氣體導(dǎo)向軟管和緩沖室等組成，可以完成測(cè)試中對(duì)型砂樣本的測(cè)量取樣加砂，保證發(fā)氣過程的精確性，為測(cè)試做好準(zhǔn)備。信號(hào)綜合處理部分由壓力傳感器、熱電偶、24 V 穩(wěn)壓直流電源、計(jì)算機(jī)、PCI 數(shù)據(jù)采集板卡等組成，可以完成信號(hào)監(jiān)測(cè)、采集以及綜合處理過程，從而獲得發(fā)氣性的測(cè)試結(jié)果。發(fā)氣量的測(cè)定結(jié)果通常以一定溫度下單位重量砂樣發(fā)出氣體的總體積來表示[33]。氣體壓強(qiáng)是大量無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的氣體分子持續(xù)不斷的與器壁碰撞的結(jié)果。設(shè)在一個(gè)密閉的體積為 V 的容器中有一定量的理想氣體。每個(gè)分子質(zhì)量為 m，總分子數(shù)為 N。
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2.2 高溫分解爐和電子天平
對(duì)于高溫分解爐，選用了帶有可拆卸石英管的分解爐，保證了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)瓷舟可以快速方便的送入和取出，同時(shí)便于清理石英管內(nèi)部殘留砂樣。另外，當(dāng)石英管出現(xiàn)漏氣、炸裂等問題時(shí)也可以及時(shí)更換。經(jīng)試驗(yàn)，高溫分解爐可以達(dá)到國標(biāo)要求的 850  ℃的高溫且升溫速度快，爐體較輕，長時(shí)間高溫狀態(tài)時(shí)爐體外表溫度低。熱電偶測(cè)溫較準(zhǔn)確，控溫精度在±1 ℃。滿足測(cè)試需要。高溫分解爐實(shí)物圖如圖 2-3 所示�？紤]到砂樣稱量的精確性，選用了高分辨率的電子天平。電子天平稱量原理是利用電磁力和待稱量物體的重力相平衡。電子天平的選用一般從準(zhǔn)確度級(jí)別、分度值、量程、來考慮。本測(cè)試儀選用上海上平儀器有限公司生產(chǎn)的 JA1003電子天平，該電子天平最小稱量 20 mg，最大稱量 100 g，最小精度 0.001 g，安裝有五面玻璃防風(fēng)罩 ，使用時(shí)只需注意去皮的問題即可滿足測(cè)試儀高精度的工作要求。 
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第 3 章型砂發(fā)氣性測(cè)試儀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .... 20 
3.1  系統(tǒng)編程語言 ......... 20 
3.1.1 VB 6.0 語言簡(jiǎn)介 ........ 20 
3.1.2  程序采用的主要 VB 控件介紹 ........... 21 
3.2  系統(tǒng)管理界面設(shè)計(jì) .......... 23 
3.3  數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計(jì) ........ 25 
3.3.1  數(shù)據(jù)采集流程圖 ....... 25 
3.3.2  數(shù)據(jù)采集板卡命令語法及其含義 ....... 27 
3.3.3  數(shù)據(jù)采集程序關(guān)鍵代碼 ..... 27 
3.4  本章小結(jié) ........ 29 
第 4 章改進(jìn)的型砂發(fā)氣性測(cè)試儀應(yīng)用試驗(yàn) ......... 30 
4.1  改進(jìn)后測(cè)試儀發(fā)氣量求解模型的建立 ...... 30
4.2  粘土砂發(fā)氣性測(cè)試對(duì)比試驗(yàn) .... 32 
4.3  樹脂砂發(fā)氣性測(cè)試對(duì)比試驗(yàn) .... 35 
4.4  改進(jìn)測(cè)試儀的重復(fù)性試驗(yàn) ........ 36 
4.5  本章小結(jié) ........ 38 

第4章 改進(jìn)的型砂發(fā)氣性測(cè)試儀應(yīng)用試驗(yàn) 

為了檢測(cè)改進(jìn)后測(cè)試儀的可用性和精準(zhǔn)度，我們用其分別對(duì)樹脂砂和粘土砂進(jìn)行了發(fā)氣量的測(cè)量。并同時(shí)使用 WSP-CET-2000 型發(fā)氣量測(cè)試儀對(duì)相同的砂樣進(jìn)行了同類型的測(cè)量。 

4.1 改進(jìn)后測(cè)試儀發(fā)氣量求解模型的建立 

這里采取用標(biāo)準(zhǔn)注射器注入氣體模擬型砂發(fā)氣性的方法，即每隔一定的步長（即注入不同的氣體量），用注射器向已經(jīng)預(yù)熱的分解石英管內(nèi)注射氣體�？紤]到常用的型砂發(fā)氣量一般在 20 m L 左右。因此，暫定在 0-30 m L 范圍內(nèi)，步長為 2 m L。同時(shí)通過測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)其輸出電壓值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，得到一系列的注入氣體量和壓力信號(hào)輸出電壓的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，如表 4-1 所示。由 Origin 軟件得到的公式（4-2）的相關(guān)系數(shù) R2為 0.99977，十分接近 1，表明該模型準(zhǔn)確性較高。 然而，在試驗(yàn)過程中，不同的試驗(yàn)條件和周圍環(huán)境的不穩(wěn)定性，會(huì)造成計(jì)算機(jī)測(cè)得的發(fā)氣量Q 與真實(shí)發(fā)氣量Q真之間的數(shù)值偏離，為此，引入校正系數(shù) K，通過修正 K 值保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。即，在一定的周期內(nèi)（每隔一定的時(shí)間或不同的環(huán)境條件），需要對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行校正，修正程序中的校正系數(shù)。 校正系數(shù)的求解方法如下： 在達(dá)到預(yù)定分解溫度時(shí)，通過 20 m L 的注射器分別每次注入固定量的（如2  m L）標(biāo)準(zhǔn)氣體 Q真，同時(shí)用型砂發(fā)氣檢測(cè)儀根據(jù)式（4-2）測(cè)得發(fā)氣量Q ，然后通過計(jì)算，求得一個(gè) K 值，使得Q真= KQ 。從而保證測(cè)試儀器的準(zhǔn)確性。 本試驗(yàn)中，由于獲得發(fā)氣性求解模型的環(huán)境與測(cè)試粘土砂和樹脂砂發(fā)氣性的環(huán)境一致，故無需對(duì) K 值進(jìn)行校正，默認(rèn)為 K=1。若環(huán)境改變，則需要重新校正。 

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結(jié)論 

本文通過對(duì)型砂發(fā)氣性測(cè)試儀進(jìn)行改進(jìn)研制，并對(duì)其進(jìn)行初步對(duì)比試驗(yàn)，得出以下結(jié)論： 
1.  改進(jìn)后的測(cè)試儀主要由高溫分解爐、烘箱、緩沖氣室、壓力傳感器、電子天平、控溫儀表、PCI-8360V 數(shù)據(jù)采集板卡和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。在計(jì)算機(jī)控制下，采用高溫分解爐對(duì)砂樣進(jìn)行國標(biāo)要求的溫度下分解，克服了傳統(tǒng)發(fā)氣性測(cè)試儀操作麻煩、精確度差、不易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄的缺點(diǎn)。
2.  采用 VB 編制了測(cè)試儀的軟件系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)試后，可以對(duì)型砂發(fā)氣性進(jìn)行測(cè)試；且測(cè)試儀的讀數(shù)直觀方便，可實(shí)時(shí)顯示發(fā)氣性參數(shù)值，自動(dòng)繪制發(fā)氣性-時(shí)間變化曲線。 
3.  采用標(biāo)準(zhǔn)注射器模擬型砂發(fā)氣性的方法，獲得了求解型砂發(fā)氣性的數(shù)學(xué)模型，并采用校正系數(shù)來定期修正求解模型的準(zhǔn)確性。 
4.  與 WSP-CET-2000 型發(fā)氣性測(cè)試儀的對(duì)比測(cè)試結(jié)果相比，無論是粘土砂還是樹脂砂，其準(zhǔn)確性都較好，測(cè)量誤差均小于 2  %。改進(jìn)后測(cè)試儀重復(fù)測(cè)量10 次的試驗(yàn)結(jié)果表明，變異系數(shù)分別為 1.29 %和 2.51 %，具有較好的重復(fù)性。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：196218