趙國(guó)強(qiáng)，段文超，劉慶義,2，倪允強(qiáng)，孫玉成,2

（1.濰柴動(dòng)力股份有限公司 工藝研究院，山東 濰坊261061；2.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊261061）

0 引言

面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和日益增長(zhǎng)的客戶個(gè)性化定制需求，無(wú)模鑄造技術(shù)以其快速、高精、高效、低耗的特點(diǎn)在眾多企業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中得到大量的應(yīng)用。其中，樹(shù)脂砂鑄型數(shù)控銑削技術(shù)作為一種近年來(lái)快速發(fā)展的無(wú)模鑄造技術(shù)，其利用成熟的數(shù)控加工技術(shù)對(duì)適宜高效銑削的樹(shù)脂砂材料直接加工得到大型復(fù)雜鑄型[1]。從目前已有的文獻(xiàn)資料來(lái)看，對(duì)于數(shù)控銑削樹(shù)脂砂的加工參數(shù)尚無(wú)具體研究[2]，亟待確定相應(yīng)的樹(shù)脂砂鑄型高精銑削參數(shù)方案，優(yōu)選切削用量，以保證鑄型加工質(zhì)量。

本文以4個(gè)切削參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削寬度、切削深度）作為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)方法，研究不同切削參數(shù)對(duì)加工精度的影響，迅速有效地找到最優(yōu)參數(shù)組合，從而為后續(xù)樹(shù)脂砂鑄型的高精、高效加工提供有益的工藝數(shù)據(jù)參考。

1 樹(shù)脂砂鑄型銑削加工機(jī)理簡(jiǎn)介

樹(shù)脂砂鑄型是由型砂通過(guò)粘結(jié)劑與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成，從本質(zhì)上講它也是由一個(gè)個(gè)微小的型砂相互連接形成的離散體。鑄型銑削的加工過(guò)程大致分為以下兩個(gè)部分：首先是刀具與砂型的擠壓，破壞砂粒間的粘結(jié)橋；然后刀具推動(dòng)分散開(kāi)的砂粒高速運(yùn)動(dòng)從型砂分離出去。型砂模型和鑄型銑削如圖1所示[3]。

圖1 型砂模型和銑削示意圖

2 切削試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)材料

切削試驗(yàn)所用的工件材料是堿性酚醛樹(shù)脂砂型，原砂目數(shù)為70/140，樹(shù)脂（占砂）加入量為1.5%，樹(shù)脂中固化劑加入量為15%，24 h抗拉強(qiáng)度為0.9 MPa.樹(shù)脂砂材料粘度低、強(qiáng)度高，易于硬化，成型性好，透氣性好，是一種適宜高精切削的鑄型材料。

刀具對(duì)砂型不斷地銑削，類似于刀具在砂輪上不斷磨削，不同之處在于砂型的整體強(qiáng)度要低于磨削用的砂輪[4]。為解決上述砂性材料在加工過(guò)程中不斷地對(duì)切削刀具的碰撞、滑擦及磨削，試驗(yàn)采用具有高硬度和良好的耐磨性、熱導(dǎo)性特性的聚晶PCD金剛石材質(zhì)刀具：規(guī)格為2齒φ10直柄立銑刀（刀柄為硬質(zhì)合金材質(zhì)，焊接刀片為PCD材質(zhì)），全長(zhǎng)150 mm，其中有效切削長(zhǎng)度為100 mm，其優(yōu)異的韌性和高耐磨性能夠滿足高速銑削的要求。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及用具

試驗(yàn)設(shè)備采用機(jī)械科學(xué)總院的CAMTC-SMM 2000S數(shù)控設(shè)備；砂型切削精度檢測(cè)采用HandySCAN 3D激光掃描儀：測(cè)量精度0.03 mm，分辨率0.05 mm，可快速地完成準(zhǔn)確、高分辨率的鑄型掃描。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為研究不同切削參數(shù)對(duì)樹(shù)脂砂型加工精度的影響，并結(jié)合實(shí)際加工情況，以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削寬度、切削深度作為切削試驗(yàn)的四個(gè)因素，分別設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)和多因素正交試驗(yàn)：在數(shù)控設(shè)備上，利用PCD金剛石刀具采用不同的切削參數(shù)對(duì)樹(shù)脂砂型進(jìn)行銑削（圖2），用三維掃描儀測(cè)量方槽X、Y軸方向的尺寸，并與理論模型進(jìn)行比對(duì)（圖3），進(jìn)而研究砂型加工精度與各個(gè)切削參數(shù)之間的關(guān)系。

圖2 切削加工的樹(shù)脂砂鑄型

圖3 切削后的樹(shù)脂砂鑄型檢測(cè)示意

3.1 單因素方案設(shè)計(jì)及分析

為研究不同切削參數(shù)與樹(shù)脂砂鑄型加工精度之間的關(guān)系，采用單一變量實(shí)驗(yàn)法，分別進(jìn)行4次切削試驗(yàn)，固定每次試驗(yàn)的3個(gè)切削參數(shù)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 單因素切削試驗(yàn)變量方案

按照表1的切削參數(shù)，加工樹(shù)脂砂型，測(cè)量加工尺寸并與理論尺寸相比對(duì)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由結(jié)果可知，在只改變1個(gè)切削變量參數(shù)的前提下，在相同的精度偏差值下，增加主軸轉(zhuǎn)速、切削深度會(huì)顯著增加切削精度的偏差值。

表2 單因素切削試驗(yàn)結(jié)果

3.2 多因素正交方案設(shè)計(jì)及分析

3.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為得到不同切削參數(shù)對(duì)樹(shù)脂砂鑄型加工精度的影響數(shù)據(jù)，根據(jù)單因素切削試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合實(shí)際加工情況，設(shè)計(jì)了4因素3水平正交切削試驗(yàn)方案：主軸轉(zhuǎn)速分別取 5 200 r/min、5 500 r/min、5 800 r/min；進(jìn)給速度分別取 100 mm/s、110 mm/s、120 mm/s；切削寬度分別取4 mm、4.5 mm、5 mm；切削深度分別取3 mm、3.5 mm、4 mm。采用上述不同的切削參數(shù)組合來(lái)加工樹(shù)脂砂型，每組重復(fù)實(shí)驗(yàn)2次，測(cè)量加工尺寸并與理論尺寸相比較。試驗(yàn)因素水平及結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3.2.2 方差分析

對(duì)上述切削試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行田口分析和方差分析，分別得到表4、表5和表6。分析3個(gè)表中數(shù)據(jù)可知：對(duì)于X方向的精度，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削寬度、切削深度等4因素都對(duì)該指標(biāo)有顯著性影響，且四因素的影響大小依次為主軸轉(zhuǎn)速＞切削深度＞進(jìn)給速度＞切削寬度，且最優(yōu)的工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為5 200 r/min、切削深度為3.5 mm、進(jìn)給速度為120 mm/s、切削寬度為5 mm；對(duì)于Y方向的精度，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削寬度、切削深度等4因素均對(duì)該指標(biāo)有顯著性影響，且四因素的影響大小同樣依次為主軸轉(zhuǎn)速＞切削深度＞進(jìn)給速度＞切削寬度，且最優(yōu)的工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為5 200 r/min、切削深度為3.5 mm、進(jìn)給速度為120 mm/s、切削寬度為5 mm。

表4 切削精度誤差均值響應(yīng)

表5 切削精度X方向方差分析

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于正交試驗(yàn)的切削參數(shù)優(yōu)選方法要求必須對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以保證優(yōu)選的參數(shù)組合能夠保證加工精度要求。本文最優(yōu)參數(shù)組合為：主軸轉(zhuǎn)速為5 200 r/min、切削深度為3.5 mm、進(jìn)給速度為120 mm/s、切削寬度為5 mm，以此參數(shù)進(jìn)行了某大型薄壁油底殼的砂芯加工（圖4所示）。采用樹(shù)脂砂鑄型直接加工只需20 h，且加工精度控制在±0.1 mm以內(nèi)，完全滿足所需鑄型精度要求（公差±0.3 mm）。

圖4 銑削試驗(yàn)驗(yàn)證

表6 切削精度Y方向方差分析

5 結(jié)論

（1）本文對(duì)樹(shù)脂砂鑄型數(shù)控銑削中的切削參數(shù)進(jìn)行了具體研究：以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削寬度、切削深度等4個(gè)切削參數(shù)作為研究對(duì)象，通過(guò)運(yùn)用單因素及多因素正交試驗(yàn)的方法，得出在數(shù)控設(shè)備上使用PCD金剛石刀具加工樹(shù)脂砂鑄型的最優(yōu)參數(shù)組合，即主軸轉(zhuǎn)速為5 200 r/min、切削深度為3.5 mm、進(jìn)給速度為120 mm/s、切削寬度為5 mm。

（2）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)切削試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)得出的最優(yōu)參數(shù)組合能夠較好地控制加工精度，證明本文提出的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)方法是有效的，進(jìn)一步驗(yàn)證了運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法來(lái)分析多因素多水平的問(wèn)題也是可行的。

（3）利用試驗(yàn)得出的最優(yōu)切削參數(shù)可以為后續(xù)樹(shù)脂砂鑄型高精條件下的高效加工提供有益的數(shù)據(jù)參考，并為后續(xù)的加工參數(shù)持續(xù)優(yōu)化提供了研究思路。