专利名称：一种大中型砂型的数字化加工方法及其设备的制作方法
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竞 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，单件、 小批量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迸 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 会产生大量的废砂需要及时清理，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。
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，采用该方法可以完全不用模具，制造出各种形状的铸件砂型，提高加工范围，縮短生产周期，解决普通数控机床切削铸型的排砂问题。
发明内容
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，为解决砂型制造问题提供 了更加先进、更加灵活的手段，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CAD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坯；
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) 加工产生的废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。
本发明还提供了一种实施上述方法的设备，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废砂收集装置(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)。
所述的大中型砂型的数字化加工方法中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。
所述的大中型砂型的数字化加工方法中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；
所述的大中型砂型的数字化加工方法中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。
所述的大中型砂型的数字化加工方法中的砂坯可以是帯箱砂坯也可以是脱箱砂坯，砂 坯尺寸在350X400X100mtf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。
所述的大中型砂型的数字化加工方法中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。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。
所述的大中型砂型的数字化加工设备中的加工平台可以加工出用于安装装夹工具的定 位孔，加工平台下有废砂收集装置，废砂收集装置下可以安装小轮，以方便废砂排出。加 工平台下方由开口漏斗使废砂从漏斗进入下方废砂收集小车中，漏斗斜面与加工台面大于 30°即可使砂沿斜面顺利滑下。
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。
所述的大中型砂型的数字化加工设备中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。刀具通过ER系列弹簧夹头与加 工主轴相连。
所述的大中型砂型的数字化加工设备中的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. 充分考虑废砂排除。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废砂，充分考虑了运动部件防护。
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。
具体实施例方式
下面结合附图l、 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CAD模型进行加工刀具选择和刀具路径规划；
(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；
(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；
(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；
(5) 加工产生的废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
体的废砂收集装置(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)。
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CAD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坯；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)加工产生的废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. —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废砂收集装置(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)。
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。
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，所述的砂坯 可以是帯箱砂坯也可以是脱箱砂坯。
5. 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。
6. 根据权利要求2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 的加工平台可以加工出用于安装装夹工具的定位孔，加工平台下方有废砂收集装置，废砂 收集装置上可以安装小轮，以方便废砂的排出。
7. 根据权利要求2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2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 的加工平台下有废砂收集装置，废砂通过加工平台网状空格进入废砂收集箱。
9. 根据权利要求2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2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。
全文摘要
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。本发明方法的步骤为先将铸型的三维CAD模型直接转化为数控代码，将制好的砂坯置于空心网格状的加工平台上进行数字化铣削加工，加工产生的废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。设备所有轴的运动部件均置于加工砂坯的上方以防废砂污染。与现有的传统铸型加工方法相比，本发明加工方法省去模具制造环节，减少了加工工序，缩短了生产周期，降低了生产成本。本发明方法特别适用于大中型砂型的单件小批量的加工制造。
文档编号B22C9/02GK101444828SQ20081024675
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者丰 刘, 单忠德, 丽 战, 李新亚, 王祥磊, 董晓丽 申请人:机械科学研究总院先进制造技术研究中心