專利名稱：一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法及其設(shè)備，屬于鑄造和數(shù)控加工的交叉技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鑄造可以制造出復(fù)雜零件，是金屬成形的一種最主要加工方法。隨著市場全球化以及競 爭的不斷加劇，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷加快，單件、小批量鑄件的需求越來越多，單件、 小批量尤其是大型鑄件的砂型制造工藝生產(chǎn)要求生產(chǎn)周期短，制造成本低。然而我國絕大部 分廠家仍沿用傳統(tǒng)的木模翻砂工藝，不僅制造周期長，生產(chǎn)成本高，而且資源消耗大。為了 解決這一問題，提出了一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法及其設(shè)備。
目前，鑄型的生產(chǎn)方式有三種傳統(tǒng)砂型制造、快速成形砂型制造和基于普通數(shù)控機床 的砂型加工。傳統(tǒng)砂型制造需要根據(jù)鑄件加工木模，再進(jìn)行砂箱翻砂得到鑄造砂型?？焖俪?形砂型制造應(yīng)用的是基于離散-堆積成形原理，其基本過程如下首先將砂型的數(shù)字模型按Z 向分層形成一系列的層片；再根據(jù)層片輪廓信息，每鋪一層型砂選擇性的噴射黏結(jié)劑或者迸 行激光燒結(jié)；層層堆積，形成三維砂型。基于普通數(shù)控機床的砂型加工就是采用數(shù)控機床 根據(jù)NC編程進(jìn)行砂塊的數(shù)控切削并最終得到砂型。
傳統(tǒng)木模砂型制造適于大批量鑄件的生產(chǎn)，由于木模加工周期長、成本高，難以制造出 高精度、表面質(zhì)量好的鑄型，不能滿足單件、小批量的加工要求。利用快速成形技術(shù)制造砂 型存在以下不足逐層加工，加工效率低，不適于大型鑄型的加工；粘結(jié)劑或激光燒結(jié)將砂 粒粘結(jié)在一起形成內(nèi)表面密實的鑄型，透氣性差，鑄件容易產(chǎn)生缺陷；分層加工，在加工一 些復(fù)雜面時會產(chǎn)生臺階效應(yīng)。采用普通數(shù)控機床進(jìn)行砂型切削存在以下不足砂型切削加工 會產(chǎn)生大量的廢砂需要及時清理，而普通機床不具清砂設(shè)備；對于大型鑄件，需要采用大型 數(shù)控加工機床，增加了設(shè)備成本；切削加工過程中產(chǎn)生飛砂，普通機床置于加工砂坯下方或 附近的部分導(dǎo)軌、絲杠等精密運動部件需嚴(yán)密保護(hù)。
針對現(xiàn)有鑄型制造技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法及其設(shè) 備，采用該方法可以完全不用模具，制造出各種形狀的鑄件砂型，提高加工范圍，縮短生產(chǎn)周期，解決普通數(shù)控機床切削鑄型的排砂問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法及其設(shè)備，為解決砂型制造問題提供 了更加先進(jìn)、更加靈活的手段，尤其適用于單件、小批量、大中型鑄件的砂型制造。 本發(fā)明是一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法，該方法包括如下步驟
a) 根據(jù)鑄型的三維CAD模型進(jìn)行加工刀具選擇和刀具路徑規(guī)劃；
b) 根據(jù)加工零件大小和尺寸精度要求，通過路徑優(yōu)化刪除掉加工路徑中的小距離短線； C)根據(jù)規(guī)劃的路徑結(jié)合加工參數(shù)生成加工設(shè)備可接受的加工代碼；
d) 根據(jù)鑄造工藝要求，選擇合適的型砂和粘結(jié)劑制造用于數(shù)控加工的砂坯；
e) 將砂坯置于空心網(wǎng)格狀的加工平臺上進(jìn)行數(shù)字化銑削加工；
f) 加工產(chǎn)生的廢砂被刀具附近的噴嘴吹出的高壓氣體帶走并經(jīng)加工平臺上的網(wǎng)孔進(jìn)入 加工平臺下的收集裝置中；
g) 對加工完成的砂型進(jìn)行后處理。
本發(fā)明還提供了一種實施上述方法的設(shè)備，其特征在于該設(shè)備包括一鏤空網(wǎng)格狀的 加工平臺(1)，置于加工平臺下方且與加工平臺密封成一體的廢砂收集裝置(2)，固定于
床身上方的X軸(3)， X軸(3)上有可以沿X方向滑動的滑塊(4)，固定于X軸滑塊(4) 上的Y軸(5)， Y軸(5)上有可沿Y方向滑動的滑塊(6)，固定于Y軸滑塊(6)上的Z軸
(7)， Z軸(7)上有可沿Z方向滑動的滑塊(8),固定與滑塊(8)上的電主軸(9)，裝夾 在電主軸(9)上的刀具(10)，固定于Z軸(7)上且置于刀頭附近的噴嘴(11)，與噴嘴
(11)相連的氣管(12)，與氣管(12)相連控制氣體開斷的電磁閥(13)以及通過氣管與 電磁閥相連的氣源(14)。
所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法中刀具路徑規(guī)劃是指加工大型砂型分為粗加工和 精加工兩個步驟粗加工選擇直徑在8mm以上的立銑刀進(jìn)行層優(yōu)先的切削加工，加工余量 為0.5-2mm，層厚在l-4mm;精加工選擇直徑在8mm以下的球頭刀進(jìn)行深度優(yōu)先的輪廓和 曲面加工，層厚在0.5mm以下。
所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法中刀具路徑優(yōu)化是指根據(jù)加工零件尺寸大小和可 接受的精度，通過路徑合并刪除長度在l-2mm以下的短線或者兩點間距離在l-2mm以下的 優(yōu)??；
所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法中加工參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、切削速度和切深，主軸轉(zhuǎn)速在2000-20000轉(zhuǎn)/分鐘，切削速度在200mm/s以內(nèi)，切深在10mm以內(nèi)。
所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法中的砂坯可以是帯箱砂坯也可以是脫箱砂坯，砂 坯尺寸在350X400X100mtf以上。根據(jù)鑄造工藝的要求，所用砂坯可以是樹脂砂、水玻璃 砂，也可以是覆膜砂。以水玻璃砂為例，根據(jù)澆注鑄件的類型、大小不同，選用不同目數(shù) 的型砂，如50/100、 70/140、 40/70等，粘結(jié)劑是酯硬化水玻璃，固化劑是有機酯固化劑。
所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法中的將砂坯置于空心網(wǎng)格狀的加工平臺上進(jìn)行數(shù) 字化銑削加工，是指根據(jù)砂坯重量和切削力大小，可以將砂坯置于加工平臺上直接進(jìn)行加 工，也可以通過裝夾工具固定后進(jìn)行加工。砂型切削力一般在100N以內(nèi)，所以砂坯重量在 20kg以上就可以直接置于平臺加工而不需要裝夾。
所述的大中型砂型的數(shù)字化加工設(shè)備中的加工平臺可以加工出用于安裝裝夾工具的定 位孔，加工平臺下有廢砂收集裝置，廢砂收集裝置下可以安裝小輪，以方便廢砂排出。加 工平臺下方由開口漏斗使廢砂從漏斗進(jìn)入下方廢砂收集小車中，漏斗斜面與加工臺面大于 30°即可使砂沿斜面順利滑下。
所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法的設(shè)備，其特征在于，所述的Z向運動，既可以 將Z軸固定在Y軸滑塊上，電主軸在Z軸滑塊上沿Z向運動，又可以將Z軸滑塊和Y軸 滑塊固結(jié)在一起，使Z軸與電主軸固定為一體沿Z向運動。
所述的大中型砂型的數(shù)字化加工設(shè)備中的加工刀具為陶瓷銑刀、金剛石銑刀、鑲片金 剛石銑刀、表面金剛石鍍層銑刀、表面鍍層硬質(zhì)合金銑刀。刀具通過ER系列彈簧夾頭與加 工主軸相連。
所述的大中型砂型的數(shù)字化加工設(shè)備中的X軸、Y軸可以是絲杠傳動也可以是同步帶 或者其他裝置傳動。X軸采用絲桿傳動，采用機床兩側(cè)均為主動軸，通過控制實現(xiàn)同步運動。
本發(fā)明所述的一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法及其設(shè)備與現(xiàn)有鑄型傳統(tǒng)制造方法、 快速成形制造方法和普通數(shù)控機床銑削方法相比具有以下優(yōu)點
1. 高效、快速，與傳統(tǒng)工藝相比，本方法省去了木模制造環(huán)節(jié)；與快速成形機相比， 可以實現(xiàn)高速切削。
2. 加工出的鑄型鑄造性能良好。與快速成形相比，加工過程中不存在選擇性粘結(jié)或燒 結(jié)造成的局部過于密實的問題。
3. 充分考慮廢砂排除。與基于普通機床的砂型銑削加工方法相比，本發(fā)明加工方法采用氣動輔助排砂結(jié)合鏤空加工平臺下方的收集裝置收集廢砂，充分考慮了運動部件防護(hù)。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1、 2為一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法及其設(shè)備的加工示意圖。 圖3為一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法及其設(shè)備的加工流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖l、 2、 3對本發(fā)明做詳細(xì)說明，但不作為對本發(fā)明的限定。
具體步驟如下
(1) 根據(jù)鑄型的三維CAD模型進(jìn)行加工刀具選擇和刀具路徑規(guī)劃；
(2) 根據(jù)規(guī)劃的路徑結(jié)合加工參數(shù)生成加工設(shè)備可接受的加工代碼；
(3) 根據(jù)鑄造工藝要求，選擇合適的型砂和粘結(jié)劑制造用于數(shù)控加工的砂坯；
(4) 將砂坯置于空心網(wǎng)格狀的加工平臺上進(jìn)行數(shù)字化切削加工；
(5) 加工產(chǎn)生的廢砂被刀具附近噴嘴吹出的高壓氣體帶走并經(jīng)加工平臺上的網(wǎng)孔進(jìn) 入加工平臺下的收集裝置中；
(6) 對加工完的砂型進(jìn)行后處理。
該設(shè)備包括一鏤空網(wǎng)格狀的加工平臺(1)，置于加工平臺下方且與加工平臺密封成一
體的廢砂收集裝置(2)，固定于床身上方的X軸(3)， X軸(3)上有可以沿X方向滑動的 滑塊(4)，固定于X軸滑塊(4)上的Y軸(5)， Y軸(5)上有可沿Y方向滑動的滑塊(6)， 固定于Y軸滑塊(6)上的Z軸(7)， Z軸(7)上有可沿Z方向滑動的滑塊(8)，固定與滑 塊(8)上的電主軸(9)，裝夾在電主軸(9)上的刀具(10)，固定于Z軸(7)上且置于 刀頭附近的噴嘴(11)，與噴嘴(11)相連的氣管(12)，與氣管(12)相連控制氣體開斷 的電磁閥(13)以及通過氣管與電磁閥(13)相連的氣源(14)。
權(quán)利要求
1. 一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法，其特征在于，該方法包括如下步驟a)根據(jù)鑄型的三維CAD模型進(jìn)行加工刀具選擇和刀具路徑規(guī)劃；b)根據(jù)加工零件大小和尺寸精度要求，通過路徑優(yōu)化刪除加工路徑中的小距離短線。c)根據(jù)規(guī)劃的路徑結(jié)合加工參數(shù)生成加工設(shè)備可接受的加工代碼；d)根據(jù)鑄造工藝要求，選擇合適的型砂和粘結(jié)劑制造用于數(shù)控加工的砂坯；e)將砂坯置于空心網(wǎng)格狀的加工平臺上進(jìn)行數(shù)字化銑削加工；f)加工產(chǎn)生的廢砂被刀頭附件噴嘴吹出的高壓氣體帶走并經(jīng)加工平臺上的網(wǎng)孔進(jìn)入加工平臺下的收集裝置中；g)對加工完的砂型進(jìn)行后處理。
2. —種實施如權(quán)利要求1所述方法的設(shè)備，其特征在于該設(shè)備包括一鏤空網(wǎng)格狀的 加工平臺(1)，置于加工平臺下方且與加工平臺密封成一體的廢砂收集裝置(2)，固定于床身上方的X軸(3)， X軸(3)上有可以沿X方向滑動的滑塊(4)，固定于X軸滑塊(4) 上的Y軸(5)， Y軸(5)上有可沿Y方向滑動的滑塊(6)，固定于Y軸滑塊(6)上的Z軸(7)， Z軸(7)上有可沿Z方向滑動的滑塊(8)，固定與滑塊(8)上的電主軸(9)，裝夾 在電主軸(9)上的刀具(10)，固定于Z軸(7)上且置于刀頭附近的噴嘴(11)，與噴嘴(11)相連的氣管(12)，與氣管(12)相連控制氣體開斷的電磁閥(13)以及通過氣管與 電磁閥相連的氣源(14)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法，其特征在于，所述的加工 參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、切削速度和切深，主軸轉(zhuǎn)速在2000-20000轉(zhuǎn)/分鐘，切削速度在200mm/s 以內(nèi)，切深在10mm以內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法，其特征在于，所述的砂坯 可以是帯箱砂坯也可以是脫箱砂坯。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法，其特征在于，所述的將砂 坯置于空心網(wǎng)格狀的加工平臺上進(jìn)行數(shù)字化銑削加工是指根據(jù)砂坯重量和切削力大小可以 將砂坯置于加工平臺上直接進(jìn)行加工也可以通過裝夾工具固定后進(jìn)行加工。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法的設(shè)備，其特征在于，所述 的加工平臺可以加工出用于安裝裝夾工具的定位孔，加工平臺下方有廢砂收集裝置，廢砂 收集裝置上可以安裝小輪，以方便廢砂的排出。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法的設(shè)備，其特征在于，所述 的Z向運動，既可以將Z軸固定在Y軸滑塊上，電主軸在Z軸滑塊上沿Z向運動，又可以 將Z軸滑塊和Y軸滑塊固結(jié)在一起，使Z軸與電主軸固定為一體沿Z向運動。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法的設(shè)備，其特征在于，所述 的加工平臺下有廢砂收集裝置，廢砂通過加工平臺網(wǎng)狀空格進(jìn)入廢砂收集箱。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法的設(shè)備，其特征在于，所述 的加工刀具為陶瓷銑刀、金剛石銑刀、鑲片金剛石銑刀、表面金剛石鍍層銑刀、表面鍍層 硬質(zhì)合金銑刀。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的大中型砂型的數(shù)字化加工方法的設(shè)備，其特征在于，所述 的X軸、Y軸可以是絲杠傳動也可以是同步帶傳動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大中型砂型的數(shù)字化加工方法及其設(shè)備，屬于鑄造和數(shù)控加工的交叉技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法的步驟為先將鑄型的三維CAD模型直接轉(zhuǎn)化為數(shù)控代碼，將制好的砂坯置于空心網(wǎng)格狀的加工平臺上進(jìn)行數(shù)字化銑削加工，加工產(chǎn)生的廢砂被刀具附近的噴嘴吹出的高壓氣體帶走并經(jīng)加工平臺上的網(wǎng)孔進(jìn)入加工平臺下的收集裝置中。設(shè)備所有軸的運動部件均置于加工砂坯的上方以防廢砂污染。與現(xiàn)有的傳統(tǒng)鑄型加工方法相比，本發(fā)明加工方法省去模具制造環(huán)節(jié)，減少了加工工序，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明方法特別適用于大中型砂型的單件小批量的加工制造。
文檔編號B22C9/02GK101444828SQ20081024675
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者豐 劉, 單忠德, 麗 戰(zhàn), 李新亞, 王祥磊, 董曉麗 申請人:機械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心