型砂检测装置

材料成型装备及自动化课程设计
题目：型砂智能化综合性能检测装置的设计
姓名：张杰
学号：26
班级:机电院12级材控01班
指导老师：吴和保老师
目录
1 绪论 (3)
1.1课程设计基本情况 (3)
1.2装置的总体设想与基本工作原理 (3)
2 试样制备与检测机构设计 (4)
2.1型砂性能检测的主要内容及其原理 (4)
2.2湿型砂的取样 (5)
2.3标准试样的制作 (5)
2.4湿型砂的力学性能检测 (5)
3 透气性检测机构设计 (7)
3.1型砂性能检测与控制的研究现状 (7)
3.2湿型砂的物理性能检测 (7)
4 夹具等部件的设计与校核 (9)
5 液压系统的设计与计算 (9)
5.1液压缸的设计计算与校核 (9)
6 图纸设计 (11)
7 小结 (19)
1 绪论
1.1课程设计基本情况
目前，粘土依旧是应用最为广泛的铸造方法。

在粘土砂湿性铸造生产过程中，型砂的性能对铸件质量和废品率有很大影响，据资料统计，铸造车间的废品率有45%~55%是由型砂的成分变化和质量波动所引起的。

日益加剧的市场竞争要求现代化的铸造企业必须生产出质量更好、可靠性更高、壁厚更薄、价格更低的近终形铸件。

要想实现上述要求，必须严格控制砂型质量。

而铸造用粘土砂的强度及粘弹性、塑韧性的检测对造型过程、铸型尺寸精度及质量的控制有很大影响。

对型砂强度的检测，多年来一直用手动杠杆式万能测试仪，它的加载速率不平稳，仪器测量精度低。

近年来出现了液压驱动万能强度测试仪，用压力表读数或压力传感器及电测数码显示系统来测定砂样的强度，随着铸造生产的发展和现代科学的进步，一些传统的型砂性能概念和检测方法已不能满足当今铸造生产的需要。

随着计算机技术和自动控制技术引入到铸造生产线上，大幅度提高了铸造车间的机械化和自动化程度。

各种高效造型生产线的应用，大大提高了造型效率，要求混砂机的混砂效率相应的提高，对型砂性能和质量也提出了更加严格的要求。

由于型砂的性能和铸件的质量密切相关，在铸造生产过程中的铸造缺陷大部分是由型砂质量的原因造成的。

它直接影响着铸造过程中铸型的质量、型腔的尺寸精度等，进而对铸件质量产生重要影响。

型砂性能质量差，轻者降低铸件质量，重者直接导致铸件报废。

型砂性能检测及控制是保证铸件质量的重要工艺手段之一。

稳定了型砂性能，就为获得良好的铸件成品了提供了保障。

这就使得型砂检测与控制环节在铸造生产中占有重要地位，一直受到铸造工作者的重视。

而型砂质量控制在很大程度上取决于检测方法的先进性、科学性。

迄今为止，人们已研制出了许多测试型砂性能的仪器，如测量型砂强度的万能强度测试仪；测量湿型砂抗拉强度用的热湿拉强度测试仪、SQL湿拉强度测试仪；测试型砂韧性的SRQ 型落球式破碎指数测验仪等。

这些仪器均在一定程度上对型砂性能测控发挥了一定的作用，促进了铸造生产的发展。

但本身都或多或少地存在着一些问题。

有的测试值单一，不能全面衡量型砂性能的优劣；有的手动加载不平稳，是测试结果产生较大的误差；还有的测试方法不科学，不能反映型砂本质特征等。

总之，为了满足铸造业对优质铸件的要求，型砂质量控制必不可少，而型砂检测是关键目前，尽管我国已经在型砂性能检测机控制方面进行了不少研究，研制出了一批砂型性能检测和控制仪器及相关软件，但总体上仪器精度不够，测试和控制方面稳定性不够，需制定出更高的砂型性能检测系统来满足型砂铸造现代化生产需要。

这就要求开发出一种手段先进、功能完善、能全面衡量型砂性能的全新检测设备。

基于这种需要和现实要求，进行智能化型砂综合性能检测系统的研究的开发具有一定的学术价值及广阔的应用前景。

本文的主要研究内容是通过了解型砂紧实性、透气性、湿压强度等性能对型砂质量的影响，着重对型砂性能检测装置及其关键技术进行分析研究，设计一整套检测型砂紧实率、透气性、湿压强度等型砂性能的检测装置。

1.2装置的总体设想与基本工作原理
多年来，在自动化造型生产线上的工作人员以控制型砂的物理性能为主，如型砂水分、紧实率、透气性、含泥量及有效膨润土含量和旧砂温度、旧砂水分等。

这次研究的总体设想是设计出一套自动化的检测装置，以满足现代企业生产线高质量、高效率的要求。

该装置分为六个方面的设计，即工作台阶的设计、透气性检测机构的设计、试样制备与检测机构的设计、夹具的设计、液压系统的设计、电驱动系统的设计，这六个方面形成一个统一的整体，以形成型砂综合性能检测的自动化。

其工作原理是通过上横梁安装的液压系统和电驱动系统，让紧实冲头压制100mm试样桶试样型砂，制成标准试样，检测其紧实率，然后将试样桶连带制备好的试样从紧实座上取出，将其倒安装在透气性检测装置上。

其次，将造气桶上部的通气阀打开，提起钟罩，让钟罩内冲入一定的气体，放下钟罩，钟罩和透气性检测装置用软管连接，气体通过软管导入透气性检测装置中，通过测定一定时间内通过试样的气体量来表示其透气性。

再将试样桶取出，用装置将试样小心顶出，检测其湿压强度。

整个系统形成一套检测型砂紧实率、透气性、拉压强度的综合智能化装置。

2 试样制备与检测机构设计
2.1型砂性能检测的主要内容及其原理
一般来说，型砂性能可以分为型砂物理性能及机械性能。

型砂物理性能的检测主要包括型砂透气性、砂温、含水量和紧实率等，型砂机械性能以前通常指型砂的各种湿强度、韧性的检测。

其中，紧实率和湿压强度是最有代表性的型砂性能指标，而紧实率反映型砂混碾揉和程度和回性优劣，必须将它严格控制在工艺规范要求的范围内。

湿型砂的紧实率是和水分、强度、造型材料配比等指标均相关的一个综合参数。

通过检测检测紧实率可以调整型砂中的加水量，把紧实率控制在一定的范围内即可保证水分的相对稳定性，同时可使型砂获得一定的湿压强度，韧性和流动性等综合性能。

目前国外普遍采用三锤制样机配合相应量具测定型砂紧实率，采用型砂硬度计测定型砂表面硬度，来间接表征铸件内部紧实度。

国外多家铸造公司推出的紧实率在线检测仪，它们的测量原理和结构相似。

瑞士GF-DISA公司的型砂多功能控制仪的前置环节是一台可快速测量紧实率和砂样强度的性能检测仪，通常安装在混砂机一侧，奔腾微机及相关软件构成主控单元，PLC控制的执行元件则依据控制信号调节水分和黏土的加入量，型砂多功能控制仪对比实测值与目标值，并考虑整碾砂的重量后，计算出水和黏土的加入量，从而实现有效控制，比传统筛选法水分控制仪具有更好的实用价值，并能进行全自动控制和检测，适用于·批量生产的间歇或连续混砂系统，但对混砂量、旧砂温度、旧砂湿度以及旧砂性能均要求具有相对稳定的状况。

型砂的紧实率是反映型砂紧实前后体积变化率的一个参数，被认为是能够反映型砂性能的综合性能指标。

型砂紧实率除人工手握和观察颜色外，其最简便的方法就是采用“冲击试验法”。

冲击试验法包括取样、过筛、定量、冲击、测量、计算等繁琐步骤。

整个测量过程大约需要几分钟到十几分钟。

这中间，远距离取样、过筛、测量、计算几个环节在测量过程中费时最多，占整个测量时间的90%以上、耗时过长和步骤繁琐严重阻碍了其在生产中的应用。

型砂紧实率快速测试仪是在对上述方法进行分析、改进的基础上提出并实现的。

其原理是：测量开始时，取待测散沙装满试筒并刮平，然后通过液压和电动系统对冲头垂直施加压力，当压力达到某一定值P1时（P1>P2），砂样高度为h2，此时即按着如下公式计算得到紧实率η：
上述过程中，由于试筒的几何形状与尺寸保持不变，因此P1一定，就是作用在砂样上的压强一定，也就是型砂试样的初始密度一定，因而省却了以往的过筛工序。

在此基础上继续施加压力使之达到P2，则型砂试样的高度由h1变化到了h2，亦即型砂试样在压力P2-P1的作用下从初始高度h1变化到了h2，高度相对变化量为（h2-h1）/h1。

2.2湿型砂的取样
旧砂的取样可以从混砂机的进料口，型砂的取样地点应有两处：混砂机中或出砂皮带，以及造型机处的适当位置。

前者可以及时发现性能有无异常，以便立即采取纠正措施。

从混砂机运送到造型机是湿型砂含水量和紧实率都有一些降低（夏天差距更大），型砂的湿压强度和透气性提高。

为了满足造型和浇注的要求，以及铸件表面品质的需要，应以造型机处型砂性能为控制基准。

取样时应注意取样的均匀性和代表性，避免从砂堆表层收集已经失去部分水分的混合料，也不可去团块状的和混有异物的型砂。

2.3标准试样的制作
用压制的方法在试样筒（内径50mm，高度100mm）内将待测型砂制成高度50mm 标准紧实程度的试样，用来测定型砂的紧实率、透气性、型砂的各种强度等。

制备标准样时，用取出的试样填满试样筒，通过电动和液压系统使紧实冲头以一定的速度和作用力对型砂进行压实，即可完成型砂试样的紧实过程。

2.4湿型砂的力学性能检测
（1）型砂紧实率的检测
对于粘土砂而言，型砂中的水分是影响型砂性能和质量的最重要的因素之一，紧实率是表示型砂中粘土与调匀水的比例是否适当并且适宜于造型的一种综合性指标。

与水分有关，与其它成分也有着间接的联系。

一般认为：紧实率反映型砂的可紧实性、韧性和水分的敏感性，即反映了型砂的调性程度，是湿型砂最重要的指标之一。

实验证明，通过检测紧实率可以调整型砂中的加水量，把紧实率控制在一定的范围内即可保证水分的相对稳定性，同时可使型砂获得一定的湿压强度、韧性和流动性等最佳综合性能。

所谓型砂紧实率,就是受力面积保持不变时一定初始密度的型砂试样在一定的压力作用之下,紧实距离对紧实前高度的
百分比。

型砂紧实率是代表型砂性能的综合技术指标，但型砂紧实率的现有测试方法中，除了人工手握和观察颜色之外。

其最简便的测试方法就是“冲击实验法”。

其中，紧实率是用型砂试样被紧实的前后其高度变化的百分比来度量的其方法，测定紧实率时，首先到生产现场对混碾完毕的型砂进行取样，然后回到试验室中通过漏斗型筛子（筛孔面积约5×5mm2〉在一定高度自由落满型砂试验用的试筒，此时筒内的型砂十分松散，其密度称之为堆积密度，然后刮去筒顶多余型砂后，通过紧实冲头的压力压紧，使砂样高度从最初的H1变化为H2，最后测量出试筒中型砂高度的变形量。

（2）型砂拉压强度的检测
湿压强度是表示物体在饱水状态下，抵抗外部压力能力的物理量，以试样受外力作用破坏时的应力值来表示。

型砂湿压强度是一个单独的性能项目，而且是最重要的一个性能项目。

湿压强度的测定方法：测定湿压强度时，将制备好的湿压试样，置于预先装置强度试验机上的抗压夹具上，然后转动手轮，逐渐加载于试样上，直至试样破裂，其强度值可直接从压力表中读出。

测试抗拉强度时，同样将制备好的8字型试样置于型砂强度试验机上的抗拉夹具上，转动手轮，逐渐加载拉力于试样上，直至试样断裂，其强度值可直接从压力表中读出，即大致测出湿型砂的拉压强度。

3 透气性检测机构设计
3.1型砂性能检测与控制的研究现状
多年来，在自动化造型生产线上的工作人员以控制型砂的物理性能为主，如型砂水分、紧实率、透气性、含泥量及有效膨润土含量和旧砂温度、旧砂水分等。

关于型砂力学性能的检测，如湿压强度、湿拉强度、抗剪强度等以实验室检测为主。

确定合适的型砂各项性能指标、控制参数和控制方法，严格型砂混制工艺过程，才能保证自动造型生产的正常进行。

现代企业的自动化造型生产线上，型砂性能的稳定性非常重要。

一般的铸造企业设有专业的型砂性能实验室，测量从生产现场采取的型砂紧实率、抗压强度、透气性、水分等性能参数，进而对混砂中所需的水、粘土、煤粉、新砂等的加入量进行调整和控制。

但该方法有严重的滞后性，无法满足自动化生产的及时需要，因此急需人们开发现代化的智能型砂性
能在线检测系统。

3.2湿型砂的物理性能检测
3.3.1 透气性：紧实的型砂能让气体通过而逸出的能力称为透气性。

透气性的高低主要受砂粒的大小、粒度分布、粒形、含泥量、粘结剂种类、加入量和混砂时粘结剂在砂粒上的分布状况以及型砂紧实度的影响。

对于湿型的单一砂和面砂而言，透气性不但要有下限，而且必须严格规定其上限。

3.3.2 砂型透气性检测原理：图示为透气性测定仪它是测出气钟内的空气在压力下通过试样的时间来计算透气性。

3.3.3 透气性检测的过程
(1)测定原理由流体力学可知，通过试样的空气量Q(cm3)与通气时间t(min)、试样截面积A(mm2)以及试样两端的气压差P(cmH2O)成正比。

其比例关系为：Q=K·t·P·A/H 式中，K－为比例系数，代表透气性；H－为试样高度，这里H=50mm。

可见，K=Q·H/t·P·A 故K可定义为：在1gf/cm2的压力下，每分钟通过面积为1cm2、高度为1cm 的试样的气体量(cm3)。

虽然K有量纲，但一般把它作为无量纲量。

(2)测定步骤
1）标准测定法①打开阀帽6，取出阻流孔等附件。

②调节调平脚14，使仪器处于水平位置。

③向水筒4内注入1%～2%的重铬酸钾水溶液，使钟罩3上的“0”刻度线正对水筒4上沿。

④把旋钮9转向“吸、放气”位置，提起钟罩3，然后将旋钮9转向“关”的位置。

这时，钟罩内已经充满2000cm3的空气。

⑤将制好的标准试样连同试样筒一起放在试样座8上，并封闭好。

⑥将旋钮9转到“工作”位置，此时钟罩内的气体在钟罩自重的作用下，施于气体10g/cm2的压力。

在此压力下气体将通过试样。

记录下2000cm3气体全部通过试样所需要的时间及从微压表11上读出的压力值。

⑦将测得的时间和压力值带入公式计算出透气性K。

2）快速测定法与标准法不同，在试样座8上，附加一阻流小孔，孔的大小有ø1.5mm和ø0.5mm两种，当透气性小于50时用小孔。

阻流小孔也与试样一样对气体的通过其阻流作用。

测定时，以微压表11上读出的压力值代表到达
试样前的气体压力，压力大小与阻流孔和试样对气体通过的阻力大小有关。

当阻流孔的尺寸一定时，其压力只随试样对气体通过的阻力大小而变化，即只随透气性而变化。

压力越低，说明透气性越好。

依次与标准法对照，通过大量实验，得出压力和透气性的换算关系，并将此关系以透气性的数值直接刻在微压表11的相应位置。

测定时，可直接从微压表11上读出透气性，而不必等2000cm3的空气全部通过试样。

快速法的测定步骤与标准法基本相同，只要注意阻流孔的正确使用。

4 夹具等部件设计与校核（略）
5 液压系统的设计与计算（一部分）
5.1 液压缸的设计计算与校核
I 、负载分析
由所给的数据选择：工作负载F w =9000N ；液压缸工作压力P=1.5MPa ；液压
缸回油腔背压P b =0.4MPa;冲头下降运动速度v=10mm/s ；机械效率取ηm =0.9；惯
II 、确定液压缸的主要参数
为使液压缸快进与快退速度相等，选用单出杆活塞缸差动连接的方式，设液压缸两有效面积为A 1和A 2，且A 1=A 2，即d=0.707D 。

由工进工况下液压缸的平衡力平衡方程P 1A 1=P 2A 2+F,可得
A 1=F/(P 1-0.5P 2)=[11000/(1.5×106-0.5×0.4×106)]cm 2≈
85cm 2
液压缸内径D 就为D=√（4A 1/π）=√（4×85/π）cm=10.40cm
对D 圆整取D=100mm ，由d=0.707D ，经圆整得d=70mm
计算出液压缸的有效工作面积A 1=79cm 2,A 2=40.06cm 2
液压缸的缸筒长度l 由最大工作行程决定，故其取l=200mm
流量q+VA 2=VA 1 得q=V(A 1-A 2)=2.3364L/min
活塞杆取180mm
III、校验
A）强度校核
1，缸筒壁厚
∵p=1.5MPa<16MPa 故Py=1.5P
缸筒材料选用45号钢则抗拉强度σ
b
=580N/mm2
安全系数n取5
∴壁厚σ≧√｛P
y
D/(π[σ])｝=√｛4×9000×1.4/(π×580×106)｝=5.3mm , 2，活塞杆直径d
活塞杆的直径d按照d≧√（4F/π[σ]）进行校核
d=70mm>√（4F/π[σ]）=5.3mm成立
3，固定螺栓直径d
s
液压缸固定螺栓直径d
s
≧√（5.2kF/2π[σ]） (Q235)
其中取F=11000N Z=8 k取1.2 [σ]=σ
s
/(1.2~2.5)=117.5MPa ds≧√｛5.2×1.2×11000/(π×2×117.5×106)｝=9.6mm
B）稳定性校核
依F=F
K /n
k
进行校核
查表4-7和表4-8得Φ
1=110 Φ
2
=0.25 f=250MPa ɑ=1/9000
则 r
k
=√(J/A )=d/4=70/4=17.5mm 活塞杆细长比l/k=380/17.5=21
而Φ
1√Φ
2
=110×√（1/4）=55
∴l/k<Φ
1√Φ
2
且Φ
1
√Φ
2
=55 则
F
K =｛fA/(1+ɑ/Φ
2
×(1/r
k
）2)｝=93.9×106N
取n
k =4 有 F
k
/4=93.9×106/4=23.5×106
故稳定性良好
6 图纸设计
6.1 型砂综合性能检测装置的三维实体图
总图
零件图：
上横梁
紧实座：
造气桶
工作台架
试样桶
紧实冲头
上夹具
立柱
透气性装置
7、小结
型砂主要指标是紧实率，透气性，含水量，抗压强度，干拉强度等；本次装置的主要目的是测量透气性，抗压强度，干拉强度，其中透气性测量是借鉴的，但也让我们了解了一些基本原理；本组主要是负责三维图的绘制以及液压缸的初步计算；我的主要工作是绘制试样桶，紧实座，夹具等零件的三维图，以及为最后的装配做了一些必要的准备工作，在绘制三维图同时，我也对液压缸的缸筒直径，活塞杆直径，缸筒壁厚的校核做了一些初步的计算，需要说明的是这些工作是在我们一起讨论合作中实现的，最后才完成了液压系统的设计以及零件图的绘制，团队的精诚合作才最终使这次任务的顺利完成。

在这此课程设计过程中，我们各组员分工明确，对遇到的问题积极思考，动手实践，查阅资料，运用以前所学绘图和液压传动、机械设计等课程对课程设计的基本思路、原理予以分析、综合，结合各方面意见才给出了大体思路，最终汇集各家之长，终成此次文档，在此我要十分感谢吴和保老师的指导和各位队员配合！。