數（shù）控機床

   
       摘要：為應（yīng）用新型空心立銑刀解決無模鑄造砂型切削加（jiā）工過程中的排屑問題，實現無模砂型的高效加工，對空心（xīn）立銑刀的氣動排砂工藝進（jìn）行了研究。基於氣力（lì）輸送原理，得到氣動排砂臨界風速為3．3“s。仿真表（biǎo）明，在空心立銑刀加工砂型時，在型腔內部，氣體平均壓力從底部到頂部逐漸（jiàn）增大，氣體（tǐ）流速逐漸減小；型腔出口平均風速大於排砂臨界風（fēng）速時，就能將砂屑及時排（pái）除。仿真、實（shí）驗和應用表明，可以根據砂型加工深度對空心立銑刀的供給氣體壓力進行調節，既能保證排（pái）砂效果，又能避（bì）免（miǎn）氣體資源浪（làng）費。
 
       關鍵詞：空（kōng）心立銑刀；無模鑄（zhù）造；無模砂型
 

       隨著市場全球化，鑄造產品市場也日益全球化鑄（zhù）造（zào）行業競爭不斷加劇，鑄件更新換代的速度不斷加快，短周（zhōu）期的、小批量的（de）、可定製的和成本低（dī）的鑄造（zào）產品成為鑄造行業（yè）發展的趨勢。此外，為建設資源節約型、環境友（yǒu）好型社會，就必然要求在鑄造過程中降低能源消耗、減少汙染、提高鑄件質量（liàng）、降低廢品率。砂（shā）型鑄造是產量最多的鑄造方式，但是傳統砂型鑄造，采用模具，翻砂造型，成本高，新產品、新工藝開發周期（qī）長，隻有在大批量生產（chǎn）中才具（jù）有優勢。因此，國內外先（xiān）後開發了無（wú）模砂型製（zhì）造技術，製作砂型無需模具，縮短了鑄造流程。其（qí）中（zhōng），基於增材製造的（de）無模砂型（xíng）製造技術，雖然能（néng）夠製造任意結構砂（shā）型（xíng），但是（shì）存在速度慢、精度低、成本高的特點，導致（zhì）其應用受阻。而基於減材製造的無模砂型切（qiē）削製造技術（shù），具有綠（lǜ）色、速度（dù）快、精度高和成（chéng）本低的特點 。
 
        無（wú）模砂型切削加工采用幹式切削方式，沒有切削液輔助排屑。大部分鑄型加工屬於型腔銑削加工，能不能及時將加（jiā）工（gōng）過程中的切削廢砂排走不僅直接影響刀具壽（shòu）命，而且影響鑄型質量 。如（rú）何解決無模鑄造砂型切削加工過程中的排屑問（wèn）題，對促（cù）進無模砂型切削加（jiā）工（gōng）技術的應用具有重要意義。因（yīn）此，機械科學研究（jiū）總院開發了一（yī）種氣動排砂空（kōng）心立銑刀M，而關於無模砂型切削加工的氣動排屑工藝研究較（jiào）少。
 
        為了實現無模鑄造砂型的高效加工，對空心立銑刀（dāo）的氣動排砂工藝進行了研究。首先，介紹了空心立銑刀的氣動排砂原理（lǐ）。接著，基於氣力輸送原（yuán）理對氣動排（pái）砂臨（lín）界風速進行研究。然後，通過仿真對空心立銑刀（dāo）加工砂型型腔時的氣體流場（chǎng）進行了仿真分（fèn）析。最後，進行實驗驗證和典型件（jiàn）應用。
 
        1 、空心立銑刀的氣動排砂（shā）原理
 
        空心立銑刀的氣動排砂原理如圖1所（suǒ）示，空氣壓縮機將（jiāng）高壓（yā）氣體輸送到密封腔內（nèi）部，高壓（yā）氣體先進人轉換（huàn）刀柄的十（shí）字交叉孑L，然後進入轉換刀柄與（yǔ）立銑刀相連（lián）的一端通孔，接著進入立銑刀內部，從立銑刀（dāo）的切削刃附近（jìn）的（de）小孑L噴出，噴出的高壓氣體將刀具周圍的廢砂吹開或排出型腔（qiāng）M。

  
        
  
                                圖l 空心立銑（xǐ）刀的（de）氣動排屑原理

        1．轉換川柄2．密封腔3．螺母4．空心的立銑川5．密封靜環 6．密封動環7．砂型工件

                           圖2型腔內的砂粒受力（lì）分析

      式(1)一(4)中，廓為砂粒直徑（jìng），p。為砂粒密度（dù），p溈氣體密度（dù），M溈（wéi）流體瞬時速度，‰為砂粒瞬時速度，譬為重力加速度，P為氣體壓（yā）力，z為距（jù）型腔底部距離（lí），c。為Stokes阻力係數。
 
       由牛頓第二（èr）定律可知，砂粒在臨界狀態下（xià），所（suǒ）受合力為0，即：

  
      
   
        在氣動排砂時（shí），忽略壓力（lì）梯度力對砂粒的影響，皆0。因（yīn）此，理（lǐ）想條件下，銑削砂型時的臨界排（pái）砂風速為：
   
        

  
        3、空心立銑刀加工無模砂型時的氣（qì）體流場仿真
     
       為保證空心立銑刀加工砂型時，型腔內的氣體風速能夠大於等於臨界排砂（shā）風速，采用ANSYSwORKBENCH對加工過程中的氣體流場進行仿真分析，為空心立銑（xǐ）刀的氣體供給壓力（lì）設置提供參考。假設空心立銑刀加（jiā）工的砂型型（xíng）腔直徑為100 mm，深度為100 mm，刀刃剛好處於型（xíng）腔底部，刀具軸心剛（gāng）好位於型（xíng）腔（qiāng）中心，主軸轉速為（wéi）6 000 rpm，空心立銑刀的密封（fēng）腔入口壓力為（wéi）0．5 MPa(表壓（yā）)，型腔頂部出口壓力為0 MPa(表（biǎo）壓)，進行仿真分析睜101。仿（fǎng）真得到的型腔內部氣體流場分布見圖3，在型腔（qiāng）內部，氣體（tǐ）壓力從底部到頂部逐漸減小，氣體流速從大逐漸減小，並且型腔出口風速及流場平均風（fēng）速大於3．3州s。在此壓力供給調節（jiē）下，將會浪費（fèi）氣體資源。當型腔出口（kǒu）平均風速大於（yú）等於3．3州s時，就能保（bǎo）證型（xíng）腔內的氣體風速達到氣動排砂的要（yào）求，而不必供給過高壓力的氣體。
     

                                    圖3型腔內部氣體流場分布
     
      為（wéi）了避免壓力設置過高，造成資源浪費和風蝕（shí），應根據（jù）需要進行供給氣體壓力調節。因此，對不同的孔深設置不同的壓力，如表1所示，其他工藝參（cān）數不變，進行仿真。仿真結（jié）果表明，不同深度型腔（qiāng）出口平均風速均大於3．3 lIl／s，表l的壓（yā）力設置能夠滿足氣動排砂要（yào）求。
   
                                     表1 孔的參（cān）數（shù）及壓力
 

      4、實驗
 
      4．1 實驗設備及方法
 
      為了驗（yàn）證（zhèng）臨界排砂風速和仿真的準確性，采用機（jī）械科學研究總院先進製造技術研究中心開發的數字化無模鑄造精密成形機(圖4)進行無模砂型加工實驗，通過氣動二聯件對空心立銑刀的氣體供給壓力進行調節和控製。同時，將砂型型腔加工完成後殘餘砂屑（xiè）質量作為排屑效果的測（cè）量指標，進行排砂（shā）效果對比。兩種刀具（jù）采用相同的工藝參數，加（jiā）工相同直徑但深度不同（tóng）的圓孔(表1)。同時，空心（xīn）立（lì）銑（xǐ）刀的人口壓力按照表1進（jìn）行提供，隨著孑L的深度增加而逐漸增高空心立銑刀的氣（qì）體供給壓力。

     
     
  
                         圖4 數子化尢模精蟹成彤機
   

      4．2 實驗結（jié）果（guǒ）與分析
 
      采用普通立銑刀加工圓孑L的過程如圖（tú）5所（suǒ）示，采用（yòng）時時氣（qì）動排砂（shā）的空心立銑刀加工圓孑L的過程（chéng），如圖6所示。在保證氣體壓力的條件下，空心立銑刀排屑效果非常好。隨（suí）著加工深度（dù）的增加，型腔（qiāng）中的砂屑並沒有不斷累積。在普通立銑刀與空心立銑刀完（wán）成孔加工（gōng）之後，殘餘砂屑對比如圖7所（suǒ）示（shì），隨著加工深度的增加，砂屑在普通立銑刀加工的型腔內逐漸（jiàn）積累，以（yǐ）致100 Hun深的孔無法完成加工。

                            圖5  普通立（lì）銑（xǐ）刀的排砂效（xiào）果
  
  

      
  
                            圖6  空心立銑（xǐ）刀的排砂效果
   
      5、典型件應用
   
      具有（yǒu）薄（báo）壁和小（xiǎo）直徑圓柱結構的鑄件，其對（duì）應的鑄型型腔較窄、圓孑L小，采用數字化無模（mó）成形機加工時，存在砂屑不（bú）易排除問題。因此，選擇（zé）具有這樣結構的鑄（zhù）件，對空心立（lì）銑刀進行無（wú）模砂型鑄造驗證。采用空心立銑刀的（de）無模砂型（xíng）鑄造過程（chéng）如圖8所示。為了保證排砂風（fēng）速和節約氣體，根據仿真和實驗結果，利用空心立銑刀（dāo）加工（gōng）砂（shā）型時（shí）(圖8d)，供給氣體壓力采用（yòng）逐漸增高的方式進行調節。加工後的砂型如圖8e所示，得到的鑄件如圖8晰示。
   

                                         圖7 殘餘砂屑對比（bǐ）
  

     
  
                       圖8 基於空心（xīn）立銑刀的無模砂型鑄造過程（chéng）
 
       6、結論
   
      (1)無模砂型切削加工時，氣動排屑（xiè）的I臨界風（fēng）速為3．3州s。
      (2)通過仿真，得到了空心立銑刀切削（xuē）砂（shā）型（xíng）時，型腔內的（de）氣體流場分布規律：在型腔內部，離型腔底（dǐ）部越（yuè）遠，壓力越小，風速越小。
      (3)當型腔出口氣體風速大（dà）於臨界風速時，就能保證砂屑及時（shí）被排出（chū）砂（shā）型型腔；與普通立銑刀相比，在保證供給氣體壓力的條件下，空心立（lì）銑刀的排屑效果非常好。
      (4)應用表明（míng），利用空心立銑刀加工無模砂（shā）型時，可以根據加工（gōng）深度，對供給氣體壓力進行調節。這樣既可保證排砂風速足（zú）夠大，又可節約氣體資源。