精密砂型數(shù)控銑削加工工藝優(yōu)化研究

張紅梅　張靜科　王得平　李志鵬　彭 文

摘要：現(xiàn)代鑄件以其整體化和薄壁化的特點，在加大鑄件制造難度和延長加工周期的同時提高了對鑄件技術(shù)水平的要求。如今，無?；瘮?shù)控銑削砂型技術(shù)憑借其效率高、成本低、精度高、污染小等優(yōu)點，已經(jīng)成為現(xiàn)代高端制造領(lǐng)域較為熱點的應(yīng)用技術(shù)之一，但銑削砂坯的制備及數(shù)控銑削加工還存在諸多缺陷?，F(xiàn)就影響精密砂型數(shù)控銑削加工的相關(guān)因素及工藝進行研究，以期提高該技術(shù)的應(yīng)用效益。

關(guān)鍵詞：銑削砂型;數(shù)控銑削加工;鑄造;表面質(zhì)量

0? ? 引言

自2000年以來，我國的鑄造量已經(jīng)位居世界首位，且產(chǎn)量是德國、日本、美國3國的總和[1]，但我國鑄造行業(yè)整體耗能嚴(yán)重、加工周期長，高端鑄件占比較小[2]。同時，現(xiàn)代制造業(yè)中零部件趨于復(fù)雜化和薄壁化，產(chǎn)品需要的開發(fā)周期和技術(shù)難度也隨之加大。傳統(tǒng)采用木模制造的砂型鑄造已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的要求，尤其是在關(guān)鍵部件的加工中已經(jīng)明顯落伍[3]。因此，需要開發(fā)與之相適應(yīng)的高質(zhì)鑄件的制造成型技術(shù)。

數(shù)控銑削加工技術(shù)借助于數(shù)控加工技術(shù)的進步已經(jīng)可以實現(xiàn)快速、高質(zhì)量地制作砂型、砂芯[4]。數(shù)控銑削加工砂型技術(shù)是在“CAD模型”的驅(qū)動下，直接銑削加工安置于數(shù)控銑削中心的砂坯。數(shù)控銑削砂型技術(shù)在加工過程中會出現(xiàn)塌型、鑄型表面粗糙、尺寸精度差等現(xiàn)象[5]。因此，為了改善數(shù)控銑削砂型技術(shù)的適應(yīng)性，提高我國鑄造行業(yè)的整體技術(shù)水平以及整個行業(yè)的加工能力，本文著重研究了銑削工藝參數(shù)對砂型表面質(zhì)量的影響，以優(yōu)化精密砂型數(shù)控銑削加工工藝，提高產(chǎn)品加工的效率和質(zhì)量。

1? ? 影響砂型表面質(zhì)量的因素

砂型表面的完整性、粗糙度、尺寸精度是衡量砂型表面質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)。砂型表面質(zhì)量的影響來源及具體因素如表1所示。

2? ? 砂型表面質(zhì)量影響因素分析

在數(shù)控銑削加工過程中，砂型材料性質(zhì)和銑削工藝參數(shù)是決定砂型表面質(zhì)量的主要因素，主要原因歸納如下：

2.1? ? 砂型材料性質(zhì)

由于砂型材料內(nèi)部具有較多的顯微裂縫，當(dāng)?shù)毒吒咚僮饔糜谏芭鲿r，會擴展砂型材料顯微裂縫長度，大量的裂紋累積后會增加砂型的粗糙度和誤差，出現(xiàn)崩角、鋸齒邊、裂紋現(xiàn)象，使得材料表面出現(xiàn)明顯缺陷，甚至導(dǎo)致整個砂型加工失敗。

為了有效避免這種情況，在加工過程中可以采用覆膜砂砂粒替代常用的多角形砂，該類型砂砂粒之間不會出現(xiàn)相互嵌合的情況，因此在銑削的過程中不會因為砂礫之間的內(nèi)聚力導(dǎo)致砂粒大面積剝落，繼而出現(xiàn)崩角或裂紋的情況。

2.2? ? 銑削工藝參數(shù)

砂坯作為一種結(jié)構(gòu)不均勻材質(zhì)，若銑削工藝參數(shù)選擇不合理，在銑削加工中會產(chǎn)生應(yīng)力的過度集中導(dǎo)致其出現(xiàn)裂紋的情況。主要原因是：在銑削過程中，高速運轉(zhuǎn)的刀具銑削力不斷變化，銑削的砂粒一般都在加工面以上，砂粒與砂粒之間的作用力較小。刀具切割砂粒只是破壞砂粒與砂粒之間的粘結(jié)力，無法達到破壞砂礫本身強度的力度。銑削參數(shù)的不同會改變砂粒間的斷裂位置，加工后的產(chǎn)品可能出現(xiàn)崩角、裂紋、鋸齒邊等明顯缺陷，甚至?xí)斐缮靶捅砻娲植诘那闆r。

3? ? 工藝參數(shù)對砂型表面的影響

3.1? ? 進給速度

銑削砂型的進給速度會直接影響到砂型表面的質(zhì)量。當(dāng)銑刀的速度較小時，最大的銑削厚度較小，刀具與砂型之間的摩擦面積也較小，銑刀多以連續(xù)和擠壓砂粒切屑的方式進行切割，銑削不會對砂屑的形成產(chǎn)生太大影響，多數(shù)砂屑呈細(xì)小粉末狀。進給速度的增大會加厚銑刀單齒的銑削厚度，增大刀具作用在砂型表面的力度，繼而加深且加長斷裂的裂縫，無法保證加工后砂型表面的質(zhì)量。

如圖1所示，設(shè)定進給速度達到3 500 mm/min時，主軸轉(zhuǎn)速1 800 r/min，銑削深度2.4 mm，銑削寬度3.5 mm，銑削砂型會出現(xiàn)崩角的情況。

3.2? ? 主軸轉(zhuǎn)速

從微觀上看，砂型材料的內(nèi)部連接不會像金屬原子間的連接一樣緊密，而是存有大量的空隙。本質(zhì)上，砂型銑削是利用刀具通過增加砂粒的動能將砂粒之間的連接力破壞后，將砂型分離。一般而言，砂型的表面粗糙度與主軸轉(zhuǎn)速的大小呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，主要是主軸的轉(zhuǎn)速和刀具的沖擊力成正比，主軸轉(zhuǎn)速較小時刀具對砂型工件的沖擊力也較小。銑削后會在工件的表面產(chǎn)生大顆粒的砂屑以及裂紋和凹坑。主軸轉(zhuǎn)速的增加會導(dǎo)致工件表面的裂縫增多，可以形成小塊的斷裂砂型，提高工件表面的質(zhì)量。

3.3? ? 銑削厚度

銑削厚度也是影響砂型表面質(zhì)量的主要原因之一，如圖2（a）所示，當(dāng)?shù)毒叩你娤魃疃容^小時，剪切并剝離砂型的材料較少，此時一般不會出現(xiàn)應(yīng)力過度集中現(xiàn)象，但會產(chǎn)生粉末狀的砂屑，如圖3（a）所示，加工后可以得到光滑的表面。

隨著銑削深度的逐漸增大，如圖2（b）所示，在銑削的區(qū)域形成的應(yīng)力高度集中，銑削的表面以上的應(yīng)力較低。當(dāng)旋轉(zhuǎn)刀具以較高的速度進給時，銑削的表面有可能出現(xiàn)凹坑、裂紋等情況。如圖3（b）所示，當(dāng)以較大的銑削深度銑削加工后，砂型表面會出現(xiàn)大量凹坑，加工表面會出現(xiàn)較大的塊狀砂屑，加工表面十分粗糙。

3.4? ? 銑削寬度

銑削寬度也是影響砂型表面質(zhì)量的因素之一，銑削寬度的增大會逐漸加大加工表面的粗糙程度。當(dāng)?shù)毒咦饔糜谏靶秃?，在首先接觸的地方砂型會出現(xiàn)裂紋，當(dāng)?shù)毒咄七M時，在刀具的進給方向砂型上的裂紋會隨之?dāng)U散。當(dāng)銑削寬度較小時，不會產(chǎn)生較為集中的應(yīng)力，加工后會產(chǎn)生顆粒粉末狀的砂屑;增大銑削的寬度，裂紋會逐漸擴散到工件的下表面，塊狀的砂屑會隨之增多，繼而影響砂型表面粗糙程度。

4? ? 結(jié)語

本文分析了砂型表面質(zhì)量的主要影響因素，并著重研究了工藝參數(shù)影響砂型表面質(zhì)量的原因。銑削工藝參數(shù)的選擇直接決定了砂型表面的質(zhì)量，一般而言，工程人員可以通過合理地減小或提高相關(guān)參數(shù)來提高砂型加工表面的質(zhì)量。本文可為砂型銑削的加工和生產(chǎn)中相關(guān)工藝參數(shù)的選取提供一定的參考和借鑒。

[參考文獻]

[1] 張金娟.淺談我國鑄造業(yè)與發(fā)達國家的差距[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（13）：63.

[2] 謝云龍，徐志鋒，張永才，等.精密砂型數(shù)控銑削加工技術(shù)研究進展[J].鑄造，2014，63（8）：795-800.

[3] 王素玉，馬淋淋，楊文杰.高效切削樹脂砂鑄型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代制造工程，2013（8）：134-138.

[4] 單忠德，趙洪鋒，劉豐，等.無模砂型高效加工空心立銑刀模塊化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2015（8）：193-196.

[5] 黃天佑，劉小剛，康進武，等.我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].鑄造，2007（9）：899-904.