淺談砂箱斷面尺寸對砂箱剛性的影響

王曉靜，孫鵬程，姜 芊

（1.河北省鑄造機械技術創新中心，河北保定 071052；2.保定維爾鑄造機械股份有限公司，河北保定 071052）

靜壓造型是國內外近年來大力發展的鑄造工藝之一，而砂箱是靜壓造型中主要的工藝設備，因而要合理地設計砂箱的結構，使之必須具有足夠的強度和剛度，以滿足生產需要[1]。而斷面尺寸不僅會影響到砂箱的剛度，還會使砂箱重量不同，產生的生產成本不同。本文使用Inventor 軟件，分析比較砂箱斷面尺寸和砂箱剛度，砂箱重量的關系，得出形變和重量最優化的結構參數，為砂箱設計提供參考依據。

1 分析對象

分析的砂箱是1 000 mm×800 mm×350 mm 的上砂箱體，材質為HT250，選用雙壁砂箱結構。根據造型線工藝尺寸要求，對砂箱外形尺寸要求見圖1.

圖1 砂箱外形

為了簡化計算，特作如下設定：

1）砂箱是在高壓壓實時受力變形最大，因此選擇使用Inventor 軟件進行靜應力分析。

2）砂箱四壁上所受的水平壓強都相等，其大小為壓實比壓（p）的0.6 倍，既pH=0.6 p[2]，p 為壓實比壓。目前多數采用的靜壓造型壓實比壓可達到1.2×106N/m2[3]，可得出pH=7.2×105N/m2.

3）對不同斷面的砂箱，施加相同的約束和載荷，見圖2.

圖2 砂箱的約束和載荷

約束為：1）兩銷孔位置為固定鉸接；2）上下箱面滾注/滑桿[4].

靜載荷為：砂箱內壁施加壓力，垂直于所選面，7.2×105N/m2；

2 分析比較

根據各國鑄造工作者的經驗和Inventor 的靜應力分析，砂箱長邊中點的變形量為最大，因此通過改變此處斷面的形狀、壁厚尺寸等，分別進行分析。

對兩種斷面形狀進行分析比較，斷面形狀見圖3.區別在于斷面二下部有一直段，高度h，而斷面一無此高度尺寸h.

圖3 兩種砂箱斷面形狀

按照“斷面-壁厚t1-腹板厚t2-寬度L-高度h”的規律給分析的各個砂箱斷面進行命名，比如斷面二砂箱，壁厚t1=12 mm，腹板厚度t2=12 mm，寬度L=180 mm，高度h=85 mm 的砂箱，名稱為2-12-12-180-85.當斷面二h 高度到120 mm 時，就是斷面一的形狀。

對以下各個砂箱進行受力分析后，都會得到圖4 所示的結果，只是數值不同。

圖4 砂箱受力變形結果

2.1 對相同斷面形狀，不同壁厚的分析

將砂箱斷面做成兩種形狀，寬度L=180 mm，腹板厚度t2=12 mm，斷面二的h=62.5 mm，分別改變上下箱面的壁厚尺寸t1，如圖5 所示，得出的結果見表1.

圖5 不同斷面形狀改變壁厚t1 尺寸

通過對表1 的分析，砂箱壁厚尺寸t1 越大，砂箱最大變形量會越小，砂箱重量會越大。隨著砂箱壁厚尺寸t1 的不斷增大，砂箱的最大變形量不再有明顯變化，而砂箱重量按線性比例加大。相同的砂箱壁厚，斷面一比斷面二，變形量要小，砂箱重量也輕。

表1 不同斷面形狀改變壁厚t1 尺寸得到的結果

2.2 對相同斷面形狀，不同腹板厚度的分析

將砂箱斷面做成兩種形狀，寬度L=180 mm，壁厚t1=12 mm，斷面二的h=62.5 mm，分別改變砂箱中間腹板的厚度尺寸t2，得到的結果見表2.

通過對表2 進行分析，砂箱腹板厚度t2 越大，砂箱變形量會越小，砂箱重量會越大。隨著砂箱腹板厚度t2 的不斷增大，砂箱的最大變形量也不再有明顯變化，而砂箱重量按線性比例加大。相同的砂箱腹板厚度，斷面一比斷面二變形量要小，砂箱重量也輕。

表2 相同斷面形狀，不同腹板厚度t2 的結果

2.3 對斷面一形狀的分析

不同的砂箱壁厚尺寸t1，改變斷面一的寬度尺寸L，如圖7 所示，得到的結果見表3.

表3 斷面一形狀，改變寬度尺寸L 的結果

相同砂箱壁厚，砂箱斷面尺寸L 越大，砂箱變形量越小，砂箱重量越大。相同砂箱壁厚下，隨著砂箱斷面尺寸L 的不斷增大，砂箱的最大變形量也不再有明顯變化，而砂箱重量按線性比例加大。

2.4 對斷面二形狀的分析

改變截面二外側直邊的高度尺寸h，如圖6 所示，結果見表4.

圖6 斷面二形狀，改變高度尺寸h

表4 斷面二形狀，改變高度尺寸h 的結果

相同砂箱壁厚，砂箱直邊高度尺寸h 越大，砂箱變形量越小，砂箱越輕。而當h 大到一定程度時，砂箱變形量不再有明顯變化，而砂箱重量會越來越輕。

3 結論

通過分析比較，相同重量下，砂箱采用斷面一的形狀比斷面二的形狀更能獲得小的砂箱變形量。加大砂箱斷面寬度尺寸L 能獲得更好的砂箱剛性。在實際生產中，砂箱的具體結構還要具體分析，綜合考慮重量和剛度。