WO2010075716A1 - 一种大中型砂型的数字化加工方法及其设备 - Google Patents

Description

一种大中型砂型的数字化加工方法及其设备 本申请要求于 2008 年 12 月 30 日提交中国专利局、 申请号为 200810246752.0、 发明名称为 "一种大中型 、型的数字化加工方法及其设 备"的中国专利申请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。 技术领域

本发明涉及一种大中型砂型的数字化加工方法及其设备， 属于铸造和 数控加工的交叉技术领域。 背景技术

铸造可以制造出复杂零件， 是金属成形的一种最主要加工方法。 随着 市场全球化以及竟争的不断加剧， 产品更新换代的速度不断加快， 单件、 小批量铸件的需求越来越多， 尤其是大型铸件的砂型制造工艺生产要求生 产周期短， 制造成本低。 然而， 我国绝大部分厂家仍沿用传统的木模翻砂 工艺， 不仅制造周期长， 生产成本高， 而且资源消耗大。 为了解决这一问 题， 提出了一种大中型砂型的数字化加工方法及其设备。

目前， 铸型的生产方式有三种： 传统砂型制造、 快速成形砂型制造和 基于普通数控机床的砂型加工。 传统砂型制造需要根据铸件加工木模， 再 进行砂箱翻砂得到铸造砂型。快速成形砂型制造应用的是基于离散-堆积成 形原理， 其基本过程如下： 首先将砂型的数字模型按 Z向分层形成一系列 的层片； 再根据层片轮廓信息， 每铺一层型砂选择性的喷射黏结剂或者进 行激光烧结； 层层堆积， 形成三维砂型。 基于普通数控机床的砂型加工就 是采用数控机床根据 NC编程进行砂块的数控切削并最终得到砂型。

传统木模砂型制造适于大批量铸件的生产， 由于木模加工周期长、 成 本高， 难以制造出高精度、 表面质量好的铸型， 不能满足单件、 小批量的 加工要求。 利用快速成形技术制造砂型存在以下不足： 逐层加工， 加工效 率低， 不适于大型铸型的加工； 粘结剂或激光烧结将砂粒粘结在一起形成 内表面密实的铸型， 透气性差， 铸件容易产生缺陷； 分层加工， 在加工一 些复杂面时会产生台阶效应。 采用普通数控机床进行砂型切削存在以下不 足： 砂型切削加工会产生大量的廈砂需要及时清理， 而普通机床不具清砂 设备； 对于大型铸件， 需要采用大型数控加工机床， 增加了设备成本； 切 削加工过程中产生飞砂， 普通机床置于加工砂坯下方或附近的部分导轨、 丝杠等精密运动部件需严密保护。 发明内容

针对现有铸型制造技术的不足， 本发明提出了一种大中型砂型的数字 化加工方法及其设备， 其采用更加先进、 更加灵活的手段， 可以完全不用 模具， 制造出各种形状的铸件砂型， 提高加工范围， 缩短生产周期， 解决 普通数控机床切削铸型的排砂问题。 尤其适用于单件、 小批量、 大中型铸 件的砂型制造。

本发明是一种大中型砂型的数字化加工方法， 该方法包括如下步骤： a) 根据铸型的三维 C AD模型进行加工刀具选择和刀具路径规划； b) 根据加工零件大小和尺寸精度要求， 通过路径优化删除掉加工路径 中的小距离短线；

c) 根据规划的路径结合加工参数生成加工设备可接受的加工代码； d) 根据铸造工艺要求， 选择合适的型砂和粘结剂制造用于数控加工的 砂 ;

e) 将砂坯置于空心网格状的加工平台上进行数字化铣削加工； f) 加工产生的廈砂被刀具附近的喷嘴吹出的高压气体带走并经加工平 台上的网孔进入加工平台下的收集装置中；

g) 对加工完成的砂型进行后处理。

优选地， 所述刀具路径规划是指加工大型 -型分为粗加工和精加工两 个步骤：粗加工选择直径在 8mm以上的立铣刀进行层优先的切削加工，加 工余量为 0.5-2mm, 层厚在 l-4mm; 精加工选择直径在 8mm以下的球头 刀进行深度优先的轮廓和曲面加工， 层厚在 0.5mm以下。

优选地， 所述刀具路径优化是指根据加工零件尺寸大小和可接受的精 度，通过路径合并删除长度在 l-2mm以下的短线或者两点间距离在 l-2mm 以下的优弧；

优选地， 所述加工参数包括主轴转速、 切削速度和切深， 主轴转速在 2000-20000转 /分钟， 切削速度在 200mm/s以内， 切深在 10mm以内。 优选地，所述砂坯可以是带箱砂坯也可以是脱箱砂坯，砂坯尺寸在 350 400 100mm³以上。 根据铸造工艺的要求， 所用砂坯可以是树脂砂、 水 玻璃砂， 也可以是覆膜砂。 以水玻璃砂为例， 根据浇注铸件的类型、 大小 不同， 选用不同目数的型砂， 如 50/100、 70/140、 40/70等， 粘结剂是酯硬 化水玻璃， 固化剂是有机酯固化剂。

优选地， 所述将砂坯置于空心网格状的加工平台上进行数字化铣削加 工， 是指根据砂坯重量和切削力大小， 可以将砂坯置于加工平台上直接进 行加工， 也可以通过装夹工具固定后进行加工。 砂型切削力一般在 100N 以内， 所以砂坯重量在 20kg以上就可以直接置于平台加工而不需要装夹。

本发明还提供了一种实施上述方法的设备， 包括一镂空网格状的加工 平台， 置于加工平台下方且与加工平台密封成一体的廈砂收集装置， 固定 于床身上方的 X轴， X轴上有可以沿 X方向滑动的滑块， 固定于 X轴滑 块上的 Y轴， Y轴上有可沿 Y方向滑动的滑块， 固定于 Y轴滑块上的 Z 轴， Z轴上有可沿 Z方向滑动的滑块， 固定与滑块上的电主轴， 装夹在电 主轴上的刀具， 固定于 Z轴上且置于刀头附近的喷嘴，与喷嘴相连的气管， 与气管相连控制气体开断的电磁阀以及通过气管与电磁阀相连的气源。 平台下有廈砂收集装置，廈砂收集装置下可以安装小轮， 以方便廈砂排出。 加工平台下方由开口漏斗使廈砂从漏斗进入下方廈砂收集小车中， 漏斗斜 面与加工台面大于 30。 即可使砂沿斜面顺利滑下。

优选地， 所述 Z向运动， 既可以将 Z轴固定在 Y轴滑块上， 电主轴在 Z轴滑块上沿 Z向运动， 又可以将 Z轴滑块和 Y轴滑块固结在一起， 使 Z 轴与电主轴固定为一体沿 Z向运动。

优选地， 所述加工刀具为陶瓷铣刀、 金刚石铣刀、 镶片金刚石铣刀、 表面金刚石镀层铣刀、 表面镀层硬质合金铣刀。 刀具通过 ER 系列弹簧夹 头与加工主轴相连。

优选地， 所述 X轴、 Y轴可以是丝杠传动也可以是同步带或者其他装 置传动。 X轴采用丝杆传动， 采用机床两侧均为主动轴， 通过控制实现同 步运动。 本发明所述的一种大中型砂型的数字化加工方法及其设备与现有铸型 传统制造方法、 快速成形制造方法和普通数控机床铣削方法相比具有以下 优点：

1. 高效、 快速， 与传统工艺相比， 本方法省去了木模制造环节； 与快 速成形机相比， 可以实现高速切削。

2. 加工出的铸型铸造性能良好。 与快速成形相比， 加工过程中不存在 选择性粘结或烧结造成的局部过于密实的问题。

3. 充分考虑廈砂排除。 与基于普通机床的砂型铣削加工方法相比， 本 发明加工方法采用气动辅助排砂结合镂空加工平台下方的收集装置收集廈 砂， 充分考虑了运动部件防护。 附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图 1、 2为一种大中型砂型的数字化加工方法及其设备的加工示意图。 图 3为一种大中型砂型的数字化加工方法及其设备的加工流程图。 具体实施方式

下面结合附图 1、 2、 3对本发明做详细说明， 但不作为对本发明的限 定。

具体步骤如下：

( 1 ) 根据铸型的三维 C AD模型进行加工刀具选择和刀具路径规划； 所述刀具路径规划是指加工大型砂型分为粗加工和精加工两个步骤： 粗加 工选择直径在 8mm 以上的立铣刀进行层优先的切削加工， 加工余量为 0.5-2mm, 层厚在 l-4mm; 精加工选择直径在 8mm以下的球头刀进行深度 优先的轮廓和曲面加工， 层厚在 0.5mm以下。

( 2 ) 根据规划的路径结合加工参数生成加工设备可接受的加工代码； 所述刀具路径优化是指根据加工零件尺寸大小和可接受的精度， 通过路径 合并删除长度在 l-2mm以下的短线或者两点间距离在 l-2mm以下的优弧； 所述加工参数包括主轴转速、 切削速度和切深， 主轴转速在 2000-20000转 /分钟， 切削速度在 200mm/s以内， 切深在 10mm以内；

( 3 ) 根据铸造工艺要求，选择合适的型砂和粘结剂制造用于数控加工 的砂坯； 所述砂坯可以是带箱砂坯也可以是脱箱砂坯， 砂坯尺寸在 350 X 400 X 100mm³以上。 根据铸造工艺的要求， 所用砂坯可以是树脂砂、 水玻 璃砂， 也可以是覆膜砂。 以水玻璃砂为例， 根据浇注铸件的类型、 大小不 同， 选用不同目数的型砂， 如 50/100、 70/140、 40/70等， 粘结剂是酯硬化 水玻璃， 固化剂是有机酯固化剂。

( 4 ) 将砂坯置于空心网格状的加工平台上进行数字化切削加工；具体 地， 根据砂坯重量和切削力大小， 可以将砂坯置于加工平台上直接进行加 工， 也可以通过装夹工具固定后进行加工。 ^^型切削力一般在 100N以内， 所以砂坯重量在 20kg以上就可以直接置于平台加工而不需要装夹。

( 5 ) 加工产生的廈砂被刀具附近喷嘴吹出的高压气体带走并经加工 平台上的网孔进入加工平台下的收集装置中；

( 6 ) 对加工完的砂型进行后处理。

该设备包括一镂空网格状的加工平台 1 , 置于加工平台下方且与加工 平台密封成一体的廈砂收集装置 2, 固定于床身上方的 X轴 3 , X轴 3上 有可以沿 X方向滑动的滑块 4, 固定于 X轴滑块 4上的 Y轴 5 , Y轴 5上 有可沿 Y方向滑动的滑块 6, 固定于 Y轴滑块 6上的 Z轴 7 , Z轴 7上有 可沿 Z方向滑动的滑块 8, 固定与滑块 8上的电主轴 9, 装夹在电主轴 9 上的刀具 10, 固定于 Z轴 7上且置于刀头附近的喷嘴 11 , 与喷嘴 11相连 的气管 12, 与气管 12相连控制气体开断的电磁阀 13以及通过气管与电磁 阀 13相连的气源 14。 该加工平台 1可以加工出用于安装装夹工具的定位 孔， 加工平台 1下有廈砂收集装置 2, 廈砂收集装置 2下可以安装小轮， 以方便廈砂排出。 加工平台下方由开口漏斗使廈砂从漏斗进入下方廈砂收 集小车中， 漏斗斜面与加工台面大于 30。 即可使砂沿斜面顺利滑下。

具体地， 所述 Z向运动， 既可以将 Z轴固定在 Y轴滑块上， 电主轴在 Z轴滑块上沿 Z向运动， 又可以将 Z轴滑块和 Y轴滑块固结在一起， 使 Z 轴与电主轴固定为一体沿 Z向运动。

具体地， 所述加工刀具为陶瓷铣刀、 金刚石铣刀、 镶片金刚石铣刀、 表面金刚石镀层铣刀、 表面镀层硬质合金铣刀。 刀具通过 ER 系列弹簧夹 头与加工主轴相连。 具体地， 所述 X轴、 Y轴可以是丝杠传动也可以是同步带或者其他装 置传动。 X轴采用丝杆传动， 采用机床两侧均为主动轴， 通过控制实现同 步运动。

Claims

权 利 要 求

1.一种大中型砂型的数字化加工方法， 其特征在于， 该方法包括如下 步骤：

a) 根据铸型的三维 C AD模型进行加工刀具选择和刀具路径规划； b) 根据加工零件大小和尺寸精度要求， 通过路径优化删除加工路径中 的小距离短线。

c) 根据规划的路径结合加工参数生成加工设备可接受的加工代码； d) 根据铸造工艺要求， 选择合适的型砂和粘结剂制造用于数控加工的 砂 ;

e) 将砂坯置于空心网格状的加工平台上进行数字化铣削加工； f) 加工产生的廈砂被刀头附件喷嘴吹出的高压气体带走并经加工平台 上的网孔进入加工平台下的收集装置中；

g) 对加工完的砂型进行后处理。

2. 根据权利要求 1中所述的大中型砂型的数字化加工方法， 其特征在 于， 所述的加工参数包括主轴转速、 切削速度和切深， 主轴转速在

2000-20000转 /分钟， 切削速度在 200mm/s以内， 切深在 10mm以内。

3. 根据权利要求 1中所述的大中型砂型的数字化加工方法， 其特征在

4. 根据权利要求 1中所述的大中型砂型的数字化加工方法， 其特征在 于， 所述的将砂坯置于空心网格状的加工平台上进行数字化铣削加工是指 根据砂坯重量和切削力大小可以将砂坯置于加工平台上直接进行加工也可 以通过装夹工具固定后进行加工。

5.—种实施如权利要求 1所述方法的设备， 其特征在于： 该设备包括 一镂空网格状的加工平台 （1 ), 置于加工平台下方且与加工平台密封成一 体的廈砂收集装置（2 ), 固定于床身上方的 X轴（3 ), X轴（3 )上有可 以沿 X方向滑动的滑块（4 ), 固定于 X轴滑块（4 )上的 Y轴（5 ), Y轴 ( 5 )上有可沿 Y方向滑动的滑块（ 6 ), 固定于 Y轴滑块（ 6 )上的 Z轴（ 7 ), Z轴 （7 )上有可沿 Z方向滑动的滑块（8 ), 固定与滑块（8 )上的电主轴 ( 9 ), 装夹在电主轴（9 )上的刀具（10 ), 固定于 Z轴 （7 )上且置于刀 头附近的喷嘴（11 ), 与喷嘴（11 )相连的气管 （12 ), 与气管 （12 )相连 控制气体开断的电磁阀 （13 ) 以及通过气管与电磁阀相连的气源 （14 )。

6. 根据权利要求 5中所述的大中型砂型的数字化加工方法的设备，其 平台下方有廈砂收集装置， 廈砂收集装置上可以安装小轮， 以方便廈砂的 排出。

7. 根据权利要求 5中所述的大中型砂型的数字化加工方法的设备， 其 特征在于， 所述的 Z向运动， 既可以将 Z轴固定在 Y轴滑块上， 电主轴在 Z轴滑块上沿 Z向运动， 又可以将 Z轴滑块和 Y轴滑块固结在一起， 使 Z 轴与电主轴固定为一体沿 Z向运动。

8. 根据权利要求 5中所述的大中型砂型的数字化加工方法的设备， 其 特征在于， 所述的加工平台下有廈砂收集装置， 廈砂通过加工平台网状空 格进入廈砂收集箱。

9. 根据权利要求 5中所述的大中型砂型的数字化加工方法的设备， 其 特征在于， 所述的加工刀具为陶瓷铣刀、 金刚石铣刀、 镶片金刚石铣刀、 表面金刚石镀层铣刀、 表面镀层硬质合金铣刀。

10. 根据权利要求 5 中所述的大中型砂型的数字化加工方法的设备， 其特征在于， 所述的 X轴、 Y轴可以是丝杠传动也可以是同步带传动。