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(diǎn)，在加大鑄件制造難度和延長(zhǎng)加工周期的同時(shí)提高了對(duì)鑄件技術(shù)水平的要求。如今，無(wú)?；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(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代高端制造領(lǐng)域較為熱點(diǎn)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(jìn)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(lái)，我國(guó)的鑄造量已經(jīng)位居世界首位，且產(chǎn)量是德國(guó)、日本、美國(guó)3國(guó)的總和[1]，但我國(guó)鑄造行業(yè)整體耗能?chē)?yán)重、加工周期長(zhǎng)，高端鑄件占比較小[2]。同時(shí)，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(kāi)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(wú)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(kāi)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(jìn)步已經(jīng)可以實(shí)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(dòng)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(guò)程中會(huì)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(guó)鑄造行業(yè)的整體技術(shù)水平以及整個(gè)行業(yè)的加工能力，本文著重研究了銑削工藝參數(shù)對(duì)砂型表面質(zhì)量的影響，以?xún)?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(lái)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(guò)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(shí)，會(huì)擴(kuò)展砂型材料顯微裂縫長(zhǎng)度，大量的裂紋累積后會(huì)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(gè)砂型加工失敗。

為了有效避免這種情況，在加工過(guò)程中可以采用覆膜砂砂粒替代常用的多角形砂，該類(lèi)型砂砂粒之間不會(huì)出現(xiàn)相互嵌合的情況，因此在銑削的過(guò)程中不會(huì)因?yàn)樯暗[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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力的過(guò)度集中導(dǎo)致其出現(xiàn)裂紋的情況。主要原因是：在銑削過(guò)程中，高速運(yùn)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(wú)法達(dá)到破壞砂礫本身強(qiáng)度的力度。銑削參數(shù)的不同會(huì)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(duì)砂型表面的影響

3.1? ? 進(jìn)給速度

銑削砂型的進(jìn)給速度會(huì)直接影響到砂型表面的質(zhì)量。當(dāng)銑刀的速度較小時(shí)，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(jìn)行切割，銑削不會(huì)對(duì)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(jìn)給速度的增大會(huì)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(zhǎng)斷裂的裂縫，無(wú)法保證加工后砂型表面的質(zhì)量。

如圖1所示，設(shè)定進(jìn)給速度達(dá)到3 500 mm/min時(shí)，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(huì)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(huì)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(guò)增加砂粒的動(dòng)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(shí)刀具對(duì)砂型工件的沖擊力也較小。銑削后會(huì)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(huì)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(shí)，剪切并剝離砂型的材料較少，此時(shí)一般不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)度集中現(xiàn)象，但會(huì)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(jìn)給時(shí)，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(huì)出現(xiàn)大量凹坑，加工表面會(huì)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(huì)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(huì)出現(xiàn)裂紋，當(dāng)?shù)毒咄七M(jìn)時(shí)，在刀具的進(jìn)給方向砂型上的裂紋會(huì)隨之?dāng)U散。當(dāng)銑削寬度較小時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生較為集中的應(yīng)力，加工后會(huì)產(chǎn)生顆粒粉末狀的砂屑;增大銑削的寬度，裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)散到工件的下表面，塊狀的砂屑會(huì)隨之增多，繼而影響砂型表面粗糙程度。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

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(guò)合理地減小或提高相關(guān)參數(shù)來(lái)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。

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