浅谈砂箱断面尺寸对砂箱刚性的影响

王晓静，孙鹏程，姜 芊

（1.河北省铸造机械技术创新中心，河北保定 071052；2.保定维尔铸造机械股份有限公司，河北保定 071052）

静压造型是国内外近年来大力发展的铸造工艺之一，而砂箱是静压造型中主要的工艺设备，因而要合理地设计砂箱的结构，使之必须具有足够的强度和刚度，以满足生产需要[1]。而断面尺寸不仅会影响到砂箱的刚度，还会使砂箱重量不同，产生的生产成本不同。本文使用Inventor 软件，分析比较砂箱断面尺寸和砂箱刚度，砂箱重量的关系，得出形变和重量最优化的结构参数，为砂箱设计提供参考依据。

1 分析对象

分析的砂箱是1 000 mm×800 mm×350 mm 的上砂箱体，材质为HT250，选用双壁砂箱结构。根据造型线工艺尺寸要求，对砂箱外形尺寸要求见图1.

图1 砂箱外形

为了简化计算，特作如下设定：

1）砂箱是在高压压实时受力变形最大，因此选择使用Inventor 软件进行静应力分析。

2）砂箱四壁上所受的水平压强都相等，其大小为压实比压（p）的0.6 倍，既pH=0.6 p[2]，p 为压实比压。目前多数采用的静压造型压实比压可达到1.2×106N/m2[3]，可得出pH=7.2×105N/m2.

3）对不同断面的砂箱，施加相同的约束和载荷，见图2.

图2 砂箱的约束和载荷

约束为：1）两销孔位置为固定铰接；2）上下箱面滚注/滑杆[4].

静载荷为：砂箱内壁施加压力，垂直于所选面，7.2×105N/m2；

2 分析比较

根据各国铸造工作者的经验和Inventor 的静应力分析，砂箱长边中点的变形量为最大，因此通过改变此处断面的形状、壁厚尺寸等，分别进行分析。

对两种断面形状进行分析比较，断面形状见图3.区别在于断面二下部有一直段，高度h，而断面一无此高度尺寸h.

图3 两种砂箱断面形状

按照“断面-壁厚t1-腹板厚t2-宽度L-高度h”的规律给分析的各个砂箱断面进行命名，比如断面二砂箱，壁厚t1=12 mm，腹板厚度t2=12 mm，宽度L=180 mm，高度h=85 mm 的砂箱，名称为2-12-12-180-85.当断面二h 高度到120 mm 时，就是断面一的形状。

对以下各个砂箱进行受力分析后，都会得到图4 所示的结果，只是数值不同。

图4 砂箱受力变形结果

2.1 对相同断面形状，不同壁厚的分析

将砂箱断面做成两种形状，宽度L=180 mm，腹板厚度t2=12 mm，断面二的h=62.5 mm，分别改变上下箱面的壁厚尺寸t1，如图5 所示，得出的结果见表1.

图5 不同断面形状改变壁厚t1 尺寸

通过对表1 的分析，砂箱壁厚尺寸t1 越大，砂箱最大变形量会越小，砂箱重量会越大。随着砂箱壁厚尺寸t1 的不断增大，砂箱的最大变形量不再有明显变化，而砂箱重量按线性比例加大。相同的砂箱壁厚，断面一比断面二，变形量要小，砂箱重量也轻。

表1 不同断面形状改变壁厚t1 尺寸得到的结果

2.2 对相同断面形状，不同腹板厚度的分析

将砂箱断面做成两种形状，宽度L=180 mm，壁厚t1=12 mm，断面二的h=62.5 mm，分别改变砂箱中间腹板的厚度尺寸t2，得到的结果见表2.

通过对表2 进行分析，砂箱腹板厚度t2 越大，砂箱变形量会越小，砂箱重量会越大。随着砂箱腹板厚度t2 的不断增大，砂箱的最大变形量也不再有明显变化，而砂箱重量按线性比例加大。相同的砂箱腹板厚度，断面一比断面二变形量要小，砂箱重量也轻。

表2 相同断面形状，不同腹板厚度t2 的结果

2.3 对断面一形状的分析

不同的砂箱壁厚尺寸t1，改变断面一的宽度尺寸L，如图7 所示，得到的结果见表3.

表3 断面一形状，改变宽度尺寸L 的结果

相同砂箱壁厚，砂箱断面尺寸L 越大，砂箱变形量越小，砂箱重量越大。相同砂箱壁厚下，随着砂箱断面尺寸L 的不断增大，砂箱的最大变形量也不再有明显变化，而砂箱重量按线性比例加大。

2.4 对断面二形状的分析

改变截面二外侧直边的高度尺寸h，如图6 所示，结果见表4.

图6 断面二形状，改变高度尺寸h

表4 断面二形状，改变高度尺寸h 的结果

相同砂箱壁厚，砂箱直边高度尺寸h 越大，砂箱变形量越小，砂箱越轻。而当h 大到一定程度时，砂箱变形量不再有明显变化，而砂箱重量会越来越轻。

3 结论

通过分析比较，相同重量下，砂箱采用断面一的形状比断面二的形状更能获得小的砂箱变形量。加大砂箱断面宽度尺寸L 能获得更好的砂箱刚性。在实际生产中，砂箱的具体结构还要具体分析，综合考虑重量和刚度。