砂型數控加工銑削機理分析

饒江華 梁小文

摘要： 砂型是由微小的砂粒經粘結劑發生化學反應粘結而成的，屬于典型的脆性材質，其銑削機理完全不同金屬材質。本文以覆膜砂砂型為研究對象，以不同銑削深度加工，通過SEM掃描電鏡觀察數控銑削砂型表面微觀形貌，分析銑削機理。

關鍵詞： 覆膜砂;銑削機理;微觀形貌

引言

砂型數控銑削技術作為新型加工技術，把鑄造行業和先進制造技術有機結合，是對傳統鑄造技術的重大改革，具有加工周期短、綠色環保、精密度高、相應快等特點，有利于提高鑄造行業競爭力，促進鑄造行業的快速發展，砂型數控銑削技術在未來具有廣闊的市場前景。

然而砂坯是由硬度較高的原砂顆粒粘結而成，存在結構不均勻性、脆性高、韌性差等特性，在銑削加工過程中造成加工表面粗糙凹凸不平等問題，本文針對上述存在的問題，通過SEM掃描電鏡觀察斷裂形貌，分析其銑削機理。

砂型銑削基本特征

在數控銑削中，砂型受到高速運轉刀具擠壓碰撞中，首先破壞的是砂粒間的“粘結橋”而不是砂粒本身。通過SEM掃描電鏡觀察加工后的砂型的表面結構，可清晰觀察到砂粒之間“粘結橋”斷裂。

砂型銑削機理模型

均勻材質在銑削加工中，受到刀具擠壓，主要表現為彈性變形和塑性變形，而砂型為非均勻材質，具有較高的脆性，比較符合典型的脆性材料加工，加工的銑削力遠小于金屬銑削力，所以砂型的銑削加工斷裂機理完全不同于金屬銑削加工。實質上是砂型在高速轉動的刀具的切削和擠壓作用下，砂粒間內部“粘結橋”斷裂，刀具移動使裂紋進而擴展，砂粒分離的過程。砂型為非均勻材質，斷裂機理與銑削力有較大聯系，而銑削力主要表現在隨著銑削深度加大而增加。因此，提出如圖1所示的兩種不同深度銑削的砂型銑削機理模型。

當銑削深度比較小時，如圖1（1），砂型受到刀具多方面擠壓，粘結橋發生剪切斷裂并與砂型母體脫離而形成準連續切屑為主的斷裂方式，表現出顆粒粉末砂屑狀態。如圖2（1）。主要原因是在銑削深度較小時，刀具刃口半徑在加工材料表面運動，幾乎不存在應力集中，砂粒間粘結橋幾乎都斷裂，表現為以準連續切屑為主，從而產生顆粒粉末狀為主的砂屑。

隨著加工深度增加，且增加到一定深度時，銑削加工區域將主要表現為應力集中，砂型將出現脆性斷裂，由于為非均勻材質，裂紋不同于均勻材質的金屬材質，在轉動刀具擠壓下，切削刃前馬上產生裂紋并向下延伸，由于刀具的不斷轉動，裂紋繼續向前下方延伸，最終延伸到加工表面，從而出現塊狀的斷裂塊屑。如圖2（2），使得銑削加工后砂型表面存在著較多凹坑，加工后表面凹凸不平，且無規律性。

砂型數控加工銑削機理分析

數控加工的對象大部分是是金屬材料，具有基體是連續均勻介質的，被切削工件受到運轉刀具的前刀面作用擠壓下，會產生彈性形變、塑性變形和剪切滑移，運動的刀具進而使切削層金屬與母體材料分離。砂型的數控加工機理則不同于金屬材質，主要表現為脆性斷裂，一方面，當裂紋向上擴展，刀具底面行走路徑近乎平行，加工出的表面較為平整;裂紋深入砂型加工亞表面時，表現出凹坑的脆性斷裂面。另一方面，砂粒間的“粘結橋”不可能都在加工表面層上，砂粒本身硬度高，運動的刀具與砂粒相遇時，不會直接將砂粒切割，而是破壞粘結橋，從而迫使砂粒脫離母體，留下大小不同的凹坑，這些斷裂凹坑具有不均勻且無規則性，因此砂型加工后的表面是一種無規律分布、大小不同的凹坑組成。

結論

通過使用SEM掃描電鏡觀察加工后的砂型表面微觀形狀，發現凹坑數目與銑削深度的有密切的關系;由于砂型銑削為脆性斷裂，隨著銑削深度加大，出現應力集中，裂紋延伸，銑削深度比較淺時，主要以粉末為主;銑削深度比較深時，主要以塊狀為主。銑削隨著深度增加，它的粉末由準連續粉向塊狀的轉變。

參考文獻

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