高精樹脂砂鑄型數控切削參數試驗研究

趙國強，段文超，劉慶義,2，倪允強，孫玉成,2

（1.濰柴動力股份有限公司 工藝研究院，山東 濰坊261061；2.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊261061）

0 引言

面對激烈的市場競爭和日益增長的客戶個性化定制需求，無模鑄造技術以其快速、高精、高效、低耗的特點在眾多企業新產品開發中得到大量的應用。其中，樹脂砂鑄型數控銑削技術作為一種近年來快速發展的無模鑄造技術，其利用成熟的數控加工技術對適宜高效銑削的樹脂砂材料直接加工得到大型復雜鑄型[1]。從目前已有的文獻資料來看，對于數控銑削樹脂砂的加工參數尚無具體研究[2]，亟待確定相應的樹脂砂鑄型高精銑削參數方案，優選切削用量，以保證鑄型加工質量。

本文以4個切削參數（主軸轉速、進給速度、切削寬度、切削深度）作為研究對象，通過試驗方法，研究不同切削參數對加工精度的影響，迅速有效地找到最優參數組合，從而為后續樹脂砂鑄型的高精、高效加工提供有益的工藝數據參考。

1 樹脂砂鑄型銑削加工機理簡介

樹脂砂鑄型是由型砂通過粘結劑與固化劑發生化學反應而生成，從本質上講它也是由一個個微小的型砂相互連接形成的離散體。鑄型銑削的加工過程大致分為以下兩個部分：首先是刀具與砂型的擠壓，破壞砂粒間的粘結橋；然后刀具推動分散開的砂粒高速運動從型砂分離出去。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 切削試驗條件

2.1 試驗材料

切削試驗所用的工件材料是堿性酚醛樹脂砂型，原砂目數為70/140，樹脂（占砂）加入量為1.5%，樹脂中固化劑加入量為15%，24 h抗拉強度為0.9 MPa.樹脂砂材料粘度低、強度高，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度要低于磨削用的砂輪[4]。為解決上述砂性材料在加工過程中不斷地對切削刀具的碰撞、滑擦及磨削，試驗采用具有高硬度和良好的耐磨性、熱導性特性的聚晶PCD金剛石材質刀具：規格為2齒φ10直柄立銑刀（刀柄為硬質合金材質，焊接刀片為PCD材質），全長150 mm，其中有效切削長度為100 mm，其優異的韌性和高耐磨性能夠滿足高速銑削的要求。

2.2 試驗設備及用具

試驗設備采用機械科學總院的CAMTC-SMM 2000S數控設備；砂型切削精度檢測采用HandySCAN 3D激光掃描儀：測量精度0.03 mm，分辨率0.05 mm，可快速地完成準確、高分辨率的鑄型掃描。

3 試驗方案設計

為研究不同切削參數對樹脂砂型加工精度的影響，并結合實際加工情況，以主軸轉速、進給速度、切削寬度、切削深度作為切削試驗的四個因素，分別設計了單因素試驗和多因素正交試驗：在數控設備上，利用PCD金剛石刀具采用不同的切削參數對樹脂砂型進行銑削（圖2），用三維掃描儀測量方槽X、Y軸方向的尺寸，并與理論模型進行比對（圖3），進而研究砂型加工精度與各個切削參數之間的關系。

圖2 切削加工的樹脂砂鑄型

圖3 切削后的樹脂砂鑄型檢測示意

3.1 單因素方案設計及分析

為研究不同切削參數與樹脂砂鑄型加工精度之間的關系，采用單一變量實驗法，分別進行4次切削試驗，固定每次試驗的3個切削參數，試驗方案見表1。

表1 單因素切削試驗變量方案

按照表1的切削參數，加工樹脂砂型，測量加工尺寸并與理論尺寸相比對，試驗結果見表2。由結果可知，在只改變1個切削變量參數的前提下，在相同的精度偏差值下，增加主軸轉速、切削深度會顯著增加切削精度的偏差值。

表2 單因素切削試驗結果

3.2 多因素正交方案設計及分析

3.2.1 正交試驗設計

為得到不同切削參數對樹脂砂鑄型加工精度的影響數據，根據單因素切削試驗結果并結合實際加工情況，設計了4因素3水平正交切削試驗方案：主軸轉速分別取 5 200 r/min、5 500 r/min、5 800 r/min；進給速度分別取 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組合來加工樹脂砂型，每組重復實驗2次，測量加工尺寸并與理論尺寸相比較。試驗因素水平及結果詳見表3。

表3 正交試驗設計及結果

3.2.2 方差分析

對上述切削試驗結果進行田口分析和方差分析，分別得到表4、表5和表6。分析3個表中數據可知：對于X方向的精度，主軸轉速、進給速度、切削寬度、切削深度等4因素都對該指標有顯著性影響，且四因素的影響大小依次為主軸轉速＞切削深度＞進給速度＞切削寬度，且最優的工藝參數為：主軸轉速為5 200 r/min、切削深度為3.5 mm、進給速度為120 mm/s、切削寬度為5 mm；對于Y方向的精度，主軸轉速、進給速度、切削寬度、切削深度等4因素均對該指標有顯著性影響，且四因素的影響大小同樣依次為主軸轉速＞切削深度＞進給速度＞切削寬度，且最優的工藝參數為：主軸轉速為5 200 r/min、切削深度為3.5 mm、進給速度為120 mm/s、切削寬度為5 mm。

表4 切削精度誤差均值響應

表5 切削精度X方向方差分析

4 試驗驗證

基于正交試驗的切削參數優選方法要求必須對最優參數組合進行試驗驗證，以保證優選的參數組合能夠保證加工精度要求。本文最優參數組合為：主軸轉速為5 200 r/min、切削深度為3.5 mm、進給速度為120 mm/s、切削寬度為5 mm，以此參數進行了某大型薄壁油底殼的砂芯加工（圖4所示）。采用樹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，完全滿足所需鑄型精度要求（公差±0.3 mm）。

圖4 銑削試驗驗證

表6 切削精度Y方向方差分析

5 結論

（1）本文對樹脂砂鑄型數控銑削中的切削參數進行了具體研究：以主軸轉速、進給速度、切削寬度、切削深度等4個切削參數作為研究對象，通過運用單因素及多因素正交試驗的方法，得出在數控設備上使用PCD金剛石刀具加工樹脂砂鑄型的最優參數組合，即主軸轉速為5 200 r/min、切削深度為3.5 mm、進給速度為120 mm/s、切削寬度為5 mm。

（2）經過現場切削試驗驗證，試驗得出的最優參數組合能夠較好地控制加工精度，證明本文提出的試驗方案和試驗方法是有效的，進一步驗證了運用正交試驗的方法來分析多因素多水平的問題也是可行的。

（3）利用試驗得出的最優切削參數可以為后續樹脂砂鑄型高精條件下的高效加工提供有益的數據參考，并為后續的加工參數持續優化提供了研究思路。