數控加工工藝在對開式砂芯盒中的應用

孫 慧，曹戰龍，郭新玲

(1. 陜西工業職業技術學院 材料工程學院，陜西 咸陽 712000；2. 寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002)

0 引言

鑄造用砂芯盒，沿最大截面采用對開式結構比較常見，一般多采用手工制模，其缺點是生產效率低，工人的勞動強度大，芯盒圓弧面的圓度受操作人員技術水平的影響較大，常常出現砂芯不圓問題，造成鑄件的質量不高。

開式芯盒按照圓弧面形狀特點可分為： 直圓芯盒、斜圓芯盒、臺階圓芯盒、橢圓形芯盒、環形圓芯盒。本文結合傳統手工制芯、簡單機器制芯(包括填砂、緊實、起模、合箱等)以及數控機床的精準性和穩定性[1-2]，對上述5種類型的對開式芯盒采用數控加工工藝，提高了加工質量和工作效率，降低了工人勞動強度，有效擴大了數控加工技術在砂芯盒中的應用范圍。

1 直圓芯盒的傳統加工

1.1 直圓芯盒

直圓芯盒截面直徑為150～400 mm，當其長度小于200 mm時，將芯盒軸線豎直放置，先手工鋸割圓弧面(可留有1～2 mm的加工余量)，再用內圓磨床磨削成型，或采用合適的手工內圓刨進行刨削成型；當長度為200～500 mm時，采用分層制作，加工完成后進行膠結即可；當長度大于500 mm時，將芯盒軸線水平放置，依次調整移動靠板圓盤鋸的靠板距離和鋸片Z軸高度，先進行去余量加工，如圖1所示，盡量加工出較多的鋸路，以減少后續手工刨削的加工余量，芯盒圓弧面的圓度也容易得到保證。

圖1 圓盤鋸去余量加工三維模型

當直徑小于150 mm時，由于加工空間小，鋸床不易鋸割，多采用手工鏟削成型。

當直徑大于400 mm時，多采用筒條結構制作，如圖2所示[3]。

圖2 筒條結構制作的木模芯盒

1.2 斜圓芯盒

當圓芯盒有少許斜度(一般斜度小于30°)時，操作過程和直芯盒相同，只需在鋸割和磨削時將工作臺調整到合適角度進行鋸割、磨削。

由于制作過程中手工操作過多，受操作者技術水平的影響，常會出現芯盒圓度超差過大，造成砂芯不圓，直接影響鑄件質量。

2 芯盒的數控加工工藝

2.1 直圓芯盒的加工

當直圓芯盒長度較短時(一般長度小于200 mm)，由于圓弧面長度較小，將芯盒軸線豎直放置，采用立銑方式加工，如圖3所示，可以大大簡化加工程序。本文以西門子840Dsl系統為例，簡要說明工件的加工方法。

圖3 對開式直圓木模芯盒

方法一： 子程序調用LxP40(子程序調用40遍)

子程序： G91 G01 Z-5；(z向下刀5 mm)

B360；(工件繞圓心旋轉360°)

RET；

方法二： G91 G01 Z-200 B28800；(z向下刀200 mm，伴隨著工件繞圓心旋轉28 800°)

當直圓芯盒長度較長(長度大于200 mm)時，采用平放加工，由于圓弧面長度較長，機床的Z軸加工空間有限，因此，需將芯盒軸線水平放置，采用臥銑方式加工，如圖4所示。以Φ200 mm、長度1 000 mm為例，介紹其加工程序。

(a) 直圓木模芯盒的走刀模型

(b) 直圓木模芯盒的臥銑裝夾和加工件圖4 直圓木模芯盒的臥銑加工

方法一：條件編程，分別從左右向中間進行直線加工，

R1=0；

MA1： R2=SQRT(10000-R1*R1)；

R1=R1+1；

R3=SQRT(10000-R1*R1)；

R4=R3-R2；(每次下刀1 mm，y向變化量，如圖5所示)

圖5 y向變化量示意

G91 G01 Y=R4 F100；

Z-1；(下刀1 mm)

X1000 F1600；

R1=R1+1；

R5=SQRT；(10000-R1*R1)

R6=R5-R3；(每次下刀1 mm，y向變化量)

Y=R6 F100；

Z-1；(下刀1 mm)

X-1000 F1600；

IF R1<100 GOTOB MA1；(如果R1小于100，返回執行MA1如果R1不小于100，程序結束)

方法二，子程序調用LxP250(子程序調用250遍)

子程序： G91 G02 Y-200 Z0 CR=100 F1600；(順時針走圓弧)

G01 X2 F100；(x向進給2 mm)

G03 Y200 Z0 CR=100 F1600；(逆時針走圓弧)

G01 X2 F100；(x向進給2 mm)

RET；

2.2 斜圓芯盒的加工

如圖6所示： 以圓弧面兩端直徑分別為Φ200 mm， Φ220 mm，長度為1 000 mm的斜圓芯盒為例，介紹其數控加工程序。

圖6 長斜圓木模芯盒

R1=100；

MA1： G91 G01 Y0.02 F100；(y向0.02 mm)

X2；

R1=R1+0.02；(半徑增加0.02 mm)

G02 Y=-R1-R1 Z0 CR=R1 F1600；(直徑增加0.04 mm，順時針走半圓弧)

G01 Y-0.02 F100；

X2；

R1=R1+0.02；(半徑增加0.02 mm)

G03 Y=R1+R1 Z0 CR=R1 F1600；(直徑增加0.04 mm，逆時針走半圓弧)

IF R1<110 GOTOB MA1；(半徑小于110返回MA1，半徑不小于110程序停止)

2.3 臺階圓芯盒的加工

當臺階圓芯盒圓弧面的長度小于200 mm時，采用立銑方式加工，直徑只要超過刀具直徑即可完成加工；當長度大于200 mm時，受機床Z軸加工空間的限制，只能將芯盒軸線水平放置，采臥銑方式加工，如圖7所示。由于臺階的阻擋，為防止刀具的碰撞，無論芯盒是否帶有斜度，一般多采用G02， G03的循環模式加工。

(a) 臺階圓木模芯盒的臥銑走刀模型

2.4 橢圓形芯盒的加工

2.4.1 橢圓形芯盒

直橢圓形芯盒的加工和直圓芯盒的加工，同樣可采用直線方式，也可采用G02， G03的循環模式，只是由直圓芯盒圓弧面一個半徑的加工，變為直橢圓形芯盒圓弧面的兩個半徑相切的加工，如圖8所示。

(a) 直橢圓形木模芯盒的臥銑走刀模型

(b) 直橢圓形木模芯盒的臥銑加工件圖8 直橢圓形木模芯盒的加工

2.4.2 斜橢圓形芯盒

斜橢圓形芯盒圓弧面的加工工藝，采用條件編程，分別從左右向中間進行直線加工： 先加工兩邊的小圓弧，再加工中間的大圓弧。

2.4.3 圓形和橢圓形組成的芯盒

加工一邊為圓形一邊為橢圓形的芯盒時，按橢圓圓弧的切點，把圓也分為3部分，指定每次Z軸的下刀量，計算Y軸的變化，再進行X方向的進給，如圖9所示。

(a) 由圓至橢圓漸變的對開木模芯盒

(b) 由圓至橢圓漸變的對開半模芯盒圖9 圓形和橢圓形組成的木模芯盒

2.5 環形圓芯盒的加工

2.5.1 管狀芯盒

對于管狀芯盒的圓弧面加工，首先將圓環軸線的中心與旋轉工作臺的中心重合，把環形芯盒看成是由數個半圓累加而成的，如圖10所示。圓環拐角處的1/4圓可設定為由90個圓組成，刀具按G02走刀，工件旋轉1°，再按G03走刀，工件再旋轉1°，直至加工完成。

圖10 對開式管狀芯盒

子程序：

G91 G02 Y-100 Z0 CR=50 F1000；(順時針走R50半圓弧)

G01 B1 F100；(工件繞圓心旋轉1°)

G03 Y100 Z0 CR=50 F1000；(逆時針走R50半圓弧)

G01 B1 F100；(工件繞圓心旋轉1°)

RET；

2.5.2 直徑漸變的環形圓芯盒

當圓環直徑沿軸線漸變時，只需每走一刀對半徑按條件進行增減即可，旋轉范圍也可根據要求設定，如圖11所示。

(a) 漸變圓環氣化模芯盒的三維模型

(b) 漸變圓環氣化模芯盒的裝夾和走刀圖11 漸變圓環氣化模芯盒的加工

3 加工工藝對比

經對比，直圓、斜圓、臺階圓、橢圓形對開式芯盒的制造可以采用傳統手工制芯，但工序較多，制造周期較長且工人勞動強度大；由于環形圓芯盒采用手工制模時，漸變圓弧多點須手工連線，精度無法保證，建議采用數控加工工藝制模，成型快速、精度高。5種不同類型對開式芯盒的加工工藝比較如表1所示。

表1 不同類型芯盒的傳統手工制模與數控加工工藝對比

4 結論

(1) 采用數控銑床加工對開式砂芯盒，直圓芯盒、斜圓芯盒和臺階圓芯盒的制芯時間由原來的8 h縮短至4 h，工作效率提高了50%。

(2) 省去了橢圓形芯盒和漸變圓環芯盒傳統加工中的模型工畫線過程，簡化了工作流程，提高了工作效率。

(3) 芯盒圓弧面的圓度得到了保證，省去了傳統加工工藝中去余量的加工過程，降低了生產成本，且芯盒加工實現了機器化和自動化，確保了員工的人身安全、減輕了員工的勞動強度，這一優勢在泡沫型材的加工方面尤為明顯[4]。