测量砂芯强度的试验包括砂芯抗压强度试验、抗拉强度试验、抗弯强度试验等 。考虑到在实际铸造过程中，砂芯主要承受力为径向力，因此选择以径向加载为主的三点抗弯试验测试砂芯强度，砂芯尺寸与三点抗弯试验分别见图2、图3 。
图2 砂芯尺寸
图3 三点抗弯试验
根据三点抗弯试验受力方式，对金属芯骨进行拓扑优化设计，其初始条件抽象见图4，在迭代优化57步后，其优化结果趋向稳定，结果见图5 。根据拓扑优化结果，绘制金属芯骨的3D打印模型，见图6 。选择361L不锈钢并打印出金属芯骨实体，见图7 。
砂芯材料选择50-100目硅砂，无机粘结剂JNY-F61与固化剂JNY-30，型砂与粘结剂质量比为100:3，粘结剂与固化剂质量比为100:18 。制作砂芯时，分别在砂芯中不添加芯骨，添加优化前芯骨，添加优化后芯骨，起模放置24h后进行抗弯试验 。
图4 金属芯骨优化前
图5 金属芯骨优化结果
图6 金属芯骨3D打印模型
(a)优化前金属芯骨 (b)优化后金属芯骨
图7 金属芯骨拓扑优化前后对比
2.2 试验结果与分析
本次试验共制作无芯骨砂芯、优化前芯骨砂芯、优化后芯骨砂芯试样各20枚，除去人为因素导致强度下降较多的试样后，每种砂芯随机选择10枚试样的测试结果为最终试验结果，见图8~图10 。图11为3种砂芯的抗弯强度 。可以看出添加芯骨后砂芯强度有明显的提升，其中普通芯骨平均抗弯强度达到1.07MPa，提高了35.44%，但优化后芯骨平均抗弯强度仅有0.93 MPa，提高了17.72%，相对于普通芯骨而言强度有所下降 。
图8 无芯骨砂芯抗弯强度
图9 优化前芯骨砂芯抗弯强度
图10 优化后芯骨砂芯抗弯强度
图11 抗弯强度平均值比较
通过反复试验并对试验过程进行观察，发现试样加载后断裂多发生在芯骨端面处，所以推测优化后强度的下降可能是优化后金属芯骨端面不平整导致的 。故将优化后金属芯骨端面圆滑处理，处理前和处理后的金属芯骨分别见图12a和图12b 。随后再次进行试验，其试验结果见图13 。
图14 为圆滑处理后砂芯抗弯强度平均值 。可以看出，对优化结果圆滑处理后，其砂芯平均抗弯强度得到明显提高，从圆滑处理前的0.93MPa提升至1.08 MPa，相比强度提升16.13%，且比普通芯骨强度1.07 MPa略高 。即普通芯骨可以满足的砂芯抗弯强度，优化后砂芯一样可以满足 。由此推断出对优化结果圆滑处理后的芯骨，可以满足砂芯的性能需求，且优化前芯骨质量为9.62g，优化后质量为3.85g，相比下降59.98%，优化效果明显 。
(a) 圆滑处理前金属芯骨 (b)圆滑处理后金属芯骨
图12 金属芯骨圆滑处理前后对比
图13 圆滑处理后抗弯强度对比
【拓扑优化！一种砂型铸造金属芯骨结构优化新方法】图14 圆滑处理后抗弯强度平均值
3 结论
（1）采用拓扑优化方法对金属芯骨进行优化，优化后金属芯骨先比优化前体积减少59.9%，优化效果明显 。
（2）通过金属芯骨优化前后砂芯强度对比，砂芯强度变化不大，从而验证了芯骨拓扑优化方法的可行性 。
（3）拓扑优化后金属芯骨端面不平整，在砂芯内产生力的集中导致砂芯强度降低，可通过对端面圆滑处理解决这一问题 。
文献引用：王圣，殷亚军，周建新，等. 基于拓扑优化的砂型铸造金属芯骨结构优化方法[J].特种铸造及有色合金，2021,41（7）：853-857.
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