六西格玛分析工具在型砂抗压检测中的应用

型砂的性能直接影响到铸造过程中模具的质量、型腔的尺寸精度和铸件的质量，因此检测和评价型砂的性能具有重要的现实意义。除了型砂的化学检测外，评价型砂性能最简单的物理检测方法是抗压、抗拉、抗剪性能的测定，但在铸造厂做一套完整的强度试验意义不大。大多数情况下，压力试验最能代表型砂的真实受力情况。然而，由于压力试验对设备的要求很高，很难精确测量。手动液压设备噪音大，操作困难，日常控制型砂质量检验不可行。因此，拉伸试验常被用来代表型砂的力学性能检验。但抗拉强度测试普遍存在的问题是波动比较大。随着型砂强度智能测试仪技术的发展，压力测试简便、准确，为铸造生产中更好的型砂测试创造了条件。1995年，作者将粘土砂改为呋喃树脂砂，型砂的检测方法一直沿用拉伸试验方法。然而，多年的经验表明，拉伸试验数据的不稳定性对型砂的实际质量没有真正的反应，这往往会导致误导。此外，最重要的原因是拉伸试验不能完全代表模具(型芯)的真实受力情况。鉴于目前的情况，我们所在单位急需改变现场型砂检测方法。

一、理论基础

在铸造中，我们通常会关注砂的抗压强度，因为型砂在铸造和凝固过程中主要承受压力，而在图1a中，模具承受压力。在图1b中，砂芯受到弯曲力，而在图1c中，砂芯仍然受到压力。

1.浇注过程中的应力

悬浮在铁水中的砂芯会受到铁水的浮力，其大小与金属材料有关，也与砂芯的重量成正比，如公式(1)所示。悬浮在铁水中的砂芯在浮力作用下不会移动，直到被芯头定位。在这个过程中，作用在砂芯上的浮力会转化为作用在芯头上的压力，这个压力不能超过砂芯上的最大压力。如果压力过高，可以通过增加堆芯面积或使用堆芯支撑来解决。

F芯=fxW

（公式1）

式中:F芯为铁水对砂芯的浮力；f是与材料类别相关的系数；w是砂芯的重量，kg。

浇注时对模具的压力来自静压和浇注时的冲击力。静压可以精确计算，但浇注时的冲击力很难计算。一般模具压力表为静压加50%静压，见公式(2)，压力过程如图2所示。

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.凝固过程中的应力

铸铁凝固阶段石墨析出的过程就是膨胀过程，石墨化膨胀对模具产生很大的压力，特别是球墨铸铁对模具的刚度和强度有很高的要求。图3显示了铸铁石墨化膨胀对模具的压力。从前面的理论分析可以得出，无论是在浇注过程中还是在金属凝固过程中，压力都是模具(型芯)的主要作用力，因此模具(型芯)的抗压能力是铸造中关注的重点。

二、测试的发展

抗压强度是单向区域被单向压力破坏时的极限强度载荷。为了使应力更加稳定，等径高是最理想的抗压试块。目前国内树脂砂型砂试验多采用“拉伸试验”，粘土砂采用“压缩试验”，测试粘土砂抗压强度的标准试块尺寸为p50mmx50mm。粘土砂的抗压强度在1MPa以内。试验前，作者用现场生产用的树脂砂制作了一个标准尺寸(p50 mm×50m mm)的抗压试块，送到型砂检测仪厂家进行测试。目前市面上所有的型砂检测器都无法碾压P50 mm× 50 mm的树脂砂抗压试块，经过与厂家多次核算和测试，最终我公司适用于呋喃树脂砂的型砂抗压试验试块为p40mm×40mm，并专门制作了SAZ标准样机所用的p40mm。

试样制备:采用三锤压实法制作标准砂样，然后将制备好的砂样夹在XQY-ⅱ型智能型砂试验机检测系统的卡盘之间，抗压强度为试样加压至断裂时显示的数据。

试验中，在同一台混砂机上同时取拉伸试样和压缩试样，共测得80组数据。

三.测试数据分析

使用六西格玛工具分别分析拉伸和压缩数据的正态分布，两者的P值均大于0.05，如图4和图5所示。测试得到的数据都是正态分布，所以基于这两组数据的其他分析是有效的。

用6o工具对两组数据进行回归分析得到的回归方程和其他参数为:压缩平均y=-0.233+4.33拉伸平均X，

认为由线性方程导出的线性回归方程是有效的，可用于压缩标准计算。

四.抗压标准的确定

根据公司现有的拉伸标准和上述线性方程，相应的压缩标准见表1。

五、压缩试验代替拉伸试验

制定压缩标准后，公司16台混砂机采用双标准运行，对一台混砂机的53组数据进行了分析。结果如图6和7所示。

使用六西格玛工具对数据进行分析，可以看出现场型砂测试的抗压数据比抗拉数据更集中在标准范围内，说明抗压标准是可行的，抗压测试可以替代抗拉测试。

六、结束语

通过抗压试验，建立了型砂内控检测标准，将3月份开始的树脂砂抗拉强度检测改为抗压强度检测。改变测试方法后，避免了拉伸试块对缺陷的敏感性带来的误导，型砂质量导致的铸件质量问题下降了70%。