基于无模铸造精密成形技术的型砂切削性能研究.pdf

Dec．2016V01．65 NO．12 垂篙帅冀 ·1167·p‘-、●u■，、●‘■^●u■，k“、●4■^●o叫{新材料·新m艺}基于无模铸造精密成形技术的型砂切削性能研究刘丽敏，单忠德，兰盾，刘 丰(机械科学研究总院先进成形技术与装备国家重点实验室，北京100083)摘要：基于无模铸造精密成形技术的复合铸型工艺可为复杂铸件高质量铸造提供解决方案。本文通过对复合铸型工艺用各种型砂(包括硅砂、宝珠砂、铬铁矿砂、锆英砂以及钢丸混砂等)的力学性能及切削性能进行深入研究，得知：型砂的抗拉强度随着树脂和固化剂含量的增加而增大，达到一定值后下降；砂型切削力与型砂抗拉强度呈正比关系，砂型表面尺寸相对误差随着抗拉强度的增加呈现先减小后增大的趋势，抗拉强度值在0．8～1．5 MPa时其切削性能较好。同时，研究获得了复合铸型用型砂最优配比范围。本文研究成果可为复杂金属件高质量铸造提供技术保障。关键词：无模铸造精密成形技术；复合铸型工艺；力学性能；切削性能；抗拉强度中图分类号：TG249．5 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2016)12—1 167—05Research of Cutting Properties of Mold Sand Based on thePrecision FOrming Technology Without PatternLIU Li—min，SHAN Zhong—de，LAN Dun，LIU Feng(State Key Laboratory ofAdvanced Forming Technology and Equipment，Beijing 100083，China)Abstract：The compound mold process，based on the digital precision forming technology without pattemcasting,provides a solution of complex castings’manufacturing with high quality．By researching the cuttingproperties of compound mold process mold sand,including silica sand,ceramic foundry sand,iron ore sand,zircon sand,steel shot sand,etc．the results have been obtained as follows．The tensile strength of sand moldincreases firstly,and then decreases．with the increasing ofthe resin and the hardener content．The cutting forceof sand mold iS proportional to its tensile strength．The surface dimensional relative error increases firstly,andthen decreases．with the increasing ofthe tensile strength．When the value ofthe tensile strength of sand mold is0．8．1．5 MPa,its cutting property iS good．The optimal ratio ofmold sand in compound mold has been gotten．Theresults will provide the technical support ofcomplex castings’manufacturing with high quality．Key words：precision forming technology without pattern；compound mold process；mechanical property；cutting property；tensile strength复杂金属零件的铸造对于砂型质量有着较高的要求，而砂型质量是由型砂种类和型砂配方决定的。基于无模铸造精密成形技术(砂型切削加工而成)的砂型质量可由型砂铸造工艺性能、型砂切削性能以及型砂力学性能等共同表征，且后两者对砂型质量影响尤为重要。如砂型强度较低则导致加工复杂薄壁砂型时容易出现塌型、砂型尺寸精度以及表面质量较差等现象“-2]。另外，传统铸造工艺条件下，复杂铸件往往会因结构设计不合理以及局部导热系数、界面换热系数、收缩率等的不同而导致铸件出现废品，而基于无模铸造精密成形技术的复合铸型工艺可通过对各铸型单元设置不同的型砂材料以及收缩率等措施解决这一难题【3]。为实现复杂金属件高质量制造，必须从生产实际出发，针对每种铸件的结构特点，结合各类铸造常用型砂(图1)的铸造工艺性能【4]，合理地选择型砂种类、正确的粘结剂及固化剂配比，使整个复合铸型能够适应金属件凝固过程，减少缩孔、疏松、裂纹等缺陷，提升铸型设计的灵活性和可操作性，使传统上不易达到的造型方案成为可能，最终铸造出复杂、高性能及高质量铸件。1型砂力学性能型砂力学性能主要指型砂的抗拉强度，是型砂最基本的工艺性能。基于无模精密成形技术的砂型切削基金项目：国家杰出青年科学基金(51525503)。收稿日期：2016—07—18收到初稿，2016—08—10收到修订稿。作者简介：刘丽敏(1976一)，女，硕士，高级工程师，主要从事无模快速铸造复合成形工艺、机械结构设计与优化等方面的相关工作。电话010．82755510，E—mail：liu_limin05@163．com。通讯作者：单忠德，男，博士，研究员，博士研究生导师，E—mail：shanzd@cam．tom．cn万方数据·1168· FOUNDRYDec．2016VOI．65 N0．12(a)硅砂 (b)宝珠砂 (c)钢丸与硅砂混合(d)钌’i英砂 (e)铬铁矿砂『冬Il 几种不同犁眇的砂J例表…)I[=7’；：㈦教镜照片Fig．1 The optical microscope photos ofsand mold surface with several different sands工艺，其切削过程主要破坏的是砂粒间的粘结桥，而不是砂粒本身，即粘结剂的内聚力和附着力被破坏，此机理可用型砂抗拉强度进行表征t51。因此，必须对各类型砂的抗拉强度进行研究。当型砂抗拉强度不符合铸造工艺要求时，会造成涨砂、粘砂以及砂眼等缺陷的产生。本研究型砂种类为：硅砂、宝珠砂、铬铁矿砂、锆英砂以及钢丸硅砂混合料；树脂含量为原砂重量的1．5％～3．5％，固化剂含量为树脂重量的15％～35％；原砂粒度均采用70／140号筛的三筛砂(以下所有实验用型砂、树脂及固化剂配比同上)。1．1 树脂及固化剂对硅砂抗拉强度的影响图2和图3分别是树脂及固化剂对普通硅砂抗拉强度的影响，结果表明：型砂的抗拉强度随着树脂和固化剂含量的增加而变大，到达最大值(树脂为2．5％，固化剂为树脂加入量的25％)后下降。原因在于随着酚醛树脂和固化剂加入量的增多，砂粒与砂粒之间粘结桥的数量增加且尺寸在逐渐增大，故而型砂抗拉强度随之增大[61。但当树脂和固化剂加入过量时，会降低树脂与固化剂的反应效率，所以抗拉强度会逐渐下降。1．2特种砂抗拉强度图4和图5分别是固化剂含量和树脂含量对特种砂抗拉强度的影响，由图4和图5可知，特种砂抗拉强度随着树脂含量和固化剂含量的增加而增大，在固化剂含量超过树脂量的25％以后，锆英砂和铬铁矿砂抗拉强度随固化剂增加而减小。锆英砂形状不规则，角形系数大，呈长条形且有碎小颗粒，存在明显镶嵌现象，故而锆英砂抗拉强度上升趋势平缓【7]。宝珠砂和铬铁矿砂粒形因素好，近似真球形，相对比表面积小，更有利于形成完整的粘结膜和粘结桥，故此其抗拉强度变化趋势最为明显。钢丸混砂是70％的钢丸和30％的硅砂混制而成，类似于宝珠砂，粒形好，较圆，相对比表面积小，具有较高的抗拉强度M。树脂含量／％图2树脂含量对型砂抗拉强度的影响Fig 2 The influence ofresin content on the tensile strength of sand㈨化，刊等㈨ci图3 固化剂含量对型砂抗拉强度的影响Fig．3 The influence ofcuring agent content on the tensile strength ofsand2型砂切削性能基于无模化砂型切削技术，切削过程中极易发生薄壁砂型坍塌以及砂粒剥离引起的加工精度低、表面万方数据铸造 刘丽敏等：基于无模铸造精密成形技术的型砂切削性能研究 ·1169·粗糙等问题。究其原因，主要是由于原砂颗粒大小、形状及抗拉强度无法满足薄壁铸型切削加工工艺而造成。另外，特种砂由于含有的化学成分不同，每种砂的硬度也会不同，势必会对其切削性能产生一定程度影响。固化剂含量，％图4固化剂含量对特种砂抗拉强度的影响Fig．4 The influence ofcuring agent content on the tensilestrength of special sand树脂含量，％图5树脂含量对特种砂抗拉强度的影响Fig．5 The influence ofresin content on the tensile strength ofspecial sand2．1砂型切削力砂型加工过程中，刀具与型砂相互间的碰撞作用(切削力)使砂粒脱离粘结作用与周围型砂分离，刀具破坏的是砂粒问的粘结桥，即附着力和内聚力(由抗拉强度表征)受到破坏，而不是砂粒本体。图6是切削后光学显微镜下的砂粒形貌。图6 切削肝砂，伽f[=。亨：显微镜照片Fig．6 The optical microscope photos ofcut sand mold(1)型砂抗拉强度对切削力影响理论研究。砂型材料中的石英砂颗粒的堆积可近似为面心立方结构紧密堆积，假设石英砂颗粒粒径一致，颗粒之间充满粘结剂，即此颗粒密排堆积模型的间隙即为粘结剂。选取代表性体积单元为研究对象，其体积代表单元单胞模型如图7所示。对砂型切削过程中，产生的切削力进行建模，研究砂刭切削力的理论公式：图7微观颗粒紧密堆积单胞模型Fig．7 The unit cell model ofclosely packed microscopic particles将颗粒的剪切强度下作为孔隙率占的函数，考虑库伦摩擦方程、颗粒堆积模型假设以及切削砂型过程中垂直压力可以忽略等，则有面心立方结构砂型颗粒堆积模型的剪切强度计算公式[1q：，． 、2丁=29．49×———LL二曼土一×J』}J×G (1)(V 2‰) o啷1式中：磊为颗粒直径，脚为颗粒体内摩擦系数，r。为砂型颗粒的间隙半径，ct为砂型的抗拉强度。参考金属的二维正交切削力模型，可建立砂型切削过程的二维正交切削力模型：，，—一 、 229．49a，“Ⅵ可．J佤一旦孕D№噌)．『了rn]F-—————————上————』——』———二生二一C。(2) sin(-孚一辨d)机sin(詈一甜0【)cos(罟一甜d)l·(、／丁嘞)式中：“为前刀面角，函为剪切角，弘为砂型砂粒与刀具前刀面之间的摩擦系数，％为切削宽度，％为切削深度。D为铣刀直径。由该式可知：当型砂固定，加工成形制造条件确定，抗拉强度ct与切削力助线性正比关系。(2)型砂抗拉强度对切削力影响实验研究。本次研究采用三向压电铣削测力仪对硅砂及特种砂不同抗拉强度值0．65～1．85 MPa条件下砂型的切削力进行测试，如图8所示。运用matlab软件对测量数据进行处理并最终提取得到切削力数据如图9所示。图8三向压电铣削测力仪测试过程Fig．8 The test process ofthree·way piezoelectric milling dynamometer飑留万方数据·1170· FOUNDRYDeC．2016VOI．65 No．12由图9可知，砂型切削力随着型砂抗拉强度增加而增加。究其原因是砂型切削过程是破坏树脂粘结桥的过程，高强度砂型中粘结桥数量较多、尺寸较大，相应地单位面积内刀具切削时需要同时破坏更多的粘结桥，则其切削力值就较大【“l。另外，加工坚硬材料如型砂时，较大的切削力会使刀具磨损加剧，进而缩短刀具寿命。在保证切削精度条件下，选择相对较低的切削力，能有效地降低成形设备的能耗，同时也可延长刀具寿命。因此在满足砂型的铸造工艺要求下，应该尽可能选择较低抗拉强度的型砂。由上述研究结果可知，砂型强度在1．5 MPa以后切削力急剧上升，故后期配方选取应避免大于1．5 MPa抗拉强度值。2．2砂型切削尺寸精度砂型尺寸精度是衡量其切削性能的重要参数，本文通过研究切削过程中抗拉强度对砂型尺寸精度的影504540乏35墨30最基252015105图9型砂抗拉强度对切削力的影响Fig．9 The influence ofsand tensile strength Oil cutting force响规律，得出砂型切削性能最为优良时的抗拉强度值，为后期获得高质量及高尺寸精度铸型提供技术参考。混制不同抗拉强度的砂型，然后切削成给定尺寸砂块，用三维扫描仪测试砂块上表面精度，如图10所示。图11是抗拉强度对砂型尺寸精度的影响。表1砂型加工尺寸精度Table 1 The dimensional accuracy of sand mold processing墨。k ?；一， 嚣一 。i j，n 00融 0 0 O，¨图10砂型上表面尺寸扫描Fig．1 0 Dimension scanning on the surface ofsand mold图儿抗拉强度对砂型尺0‘精度的影响Fig．1 1 The influence ofsand tensile strength on size accuracy由表l和图1l可知，在相同的加工参数条件下，随着砂型抗拉强度的增加，砂型表面尺寸相对误差呈现先减小后增大的趋势，全部相对误差值皆在0．1 II'lIrn范围内，且相对误差在抗拉强度为1．3 MPa左右达到最小，此时表面相对误差值为0．024，尺寸精度最高。这是因为抗拉强度比较低时，型砂表面砂型粘附状态较差，在铣削的过程中砂粒容易脱落造成加工尺寸精度较差。而型砂抗拉强度较高时，型砂粘接紧密，不同砂粒间粘结桥尺寸不同，易造成崩砂，导致加工尺寸精度也较差[12】。综上，型砂的抗拉强度值在0．8～1．5 MPa范围时其切削性能较好。3基于无模铸造精密成形技术复合铸型用型砂配方根据复杂金属件复合铸型工艺，分析铸件工艺特征，综合考虑型砂的性能参数，合理选择型砂种类及粘结剂的配比。在保证切削精度条件下，选择相对较低的切削力，即具有较低抗拉强度，以有效降低成形设备的能耗，同时延长刀具寿命。对于薄壁铸型的加工，需考虑用适宜的抗拉强度以防止坍塌现象发生，并需获得良好的铸型加工精度和表面粗糙度。考虑各型砂(硅砂、宝珠砂、铬铁矿砂、锆英砂以及钢丸混砂等)的切削性能，得出基于无模铸造精密成形技术复合铸型用各型砂的最优配比范围，如表2所示。■—■_嚣爹■■—■--●撕船啊酶肾础珊万方数据铸造 刘丽敏等：基于无模铸造精密成形技术的型砂切削性能研究 ·1171·表2复合铸型用型砂最优配比范围Table 2 The composite mold optimal ratio of sands科目 硅砂 宝珠砂铬铁矿砂锆英砂钢丸混砂钢丸混砂(树Jil 1．5％～2％，固化剂20％～25％)。参考文献：[1]Li Xinya，Shah Zhongde，Liu Feng，et a1．Rapid pattemless casting(1)型砂的抗拉强度随着树脂和固化剂含量的增加而增大，到达一定值(树脂为2．5％，固化剂为树脂量的25％)后下降。特种砂抗拉强度随着树脂含量和固化剂含量的增加而增大，在固化剂含量超过25％以后，锆英砂和铬铁矿砂抗拉强度随固化剂增加而减小。(2)砂型切削力与型砂抗拉强度呈正比关系，在保证切削精度条件下，应选择抗拉强度低于1．5 MPa，以有效降低成形设备的能耗，延长刀具寿命。在相同加工参数条件下，随着抗拉强度的增加，砂型表面尺寸相对误差呈现先减小后增大的趋势，且相对误差在抗拉强度为1．3 MPa左右达到最小。型砂的抗拉强度值在0．8～1．5]、vlPa范围时其切削性能较好。(3)得到基于无模铸造精密成形技术复合铸型用各型砂的最优配比范围：硅砂(树Jill．5％～2．5％，固化剂15％～20％)，宝珠砂(树脂1．5％～2％，固化剂20％25％)，铬铁矿砂(树脂1．5％～2％，固化剂20％～30％)，锆英砂(树脂2．5％～3％，固化剂20％～30％)，technology on CNC manufacturing(C]／／Proceedings of 69th WorldFoundry Congress，2010，10：16-20．单忠德，徐先宜，陈文刚．复杂铸件数字化无模铸造技术及装备应用研究[M】．铸造行业商务年鉴，2011—2012．2012：226—228．机械科学研究总院先进制造技术研究中心．一种铸件的自适应铸型制造方法[P]．中国，发明专利，ZL200910162301．3，2013．01．09．[4]中国机械工程学会铸造分会．铸造手册·第4卷：造型材料[M]．北京：机械工业出版社，2002．[5]宋祥宇．复杂砂型高速切削加工基础研究[D]．机械科学研究总院，2013．[6】张启勋，汪宝堂．树脂膜厚度与树脂砂强度的关系[J]铸造技术，1999(4)：44—47．【7]朱玉龙，蔡震升，胡汉起．硅砂镶嵌作用对树脂砂强度影响的理论计算【J】铸造，1999(4)：18—21．【8]游民，郑小玲．原砂粒度对树脂砂强度影响的理论分析[J】铸造，1999(2)：40—44．[9]刘卫东，曹文．型砂级配对树脂砂抗拉强度的影响[J]．铸造，2012(4)：422—424．[10]刘丰．铸型数字化加工技术应用研究[D]．机械科学研究总院，2009，12．[1 1]马淋淋，王素玉，姜斌．高速钢刀具铣削树脂砂铸型时刀具磨损行为研究[J]．铸造技术，2013(3)：263—265．[12]兰盾．无模铸造自适应铸型工艺型砂特性研究[D】．机械科学研究总院，2015．(编辑：刘冬梅，ldm@foundryworld．com)ASK建设新工厂供应墨西哥铸造厂ASK化工集团的j‘EXACTCAST”冒口套是有专利权的，不含纤维，由冷芯盒粘结剂或者硅粘结剂粘结耐火材料组成，该冒口套尺寸精度高、强度高、发气量低，化学成分均匀。ASK化工集团证实将计划在墨西哥蒙特雷(Monterrey，Mexico)建设一家新工厂为该地区的铸造厂生产铸造用砂粘结剂、耐火涂料和冒口套。ASKS-未透漏详细的资本投资数额。计划预期在2017年第4季度完成建设和开始生产。墨西哥是砂型铸造业和压铸业正在增长的地区，许多铸造机构都在墨西哥投资新的或者现有的铸造厂，特别是那些生产汽车铸件的工厂。{ AsK化工集团在其投资气候报告中称墨西哥是一+++个正在增长的优质铸造消耗品的市场。ASK引证LMC汽车(LMC Automotive，一家知名汽车市场、销售和动力系统预测以及汽车市场情报机构)的预测，至112023年原始制造商的墨西哥工厂将生产500万辆轻量化汽车。ASK化工集团新工厂将生产冷芯盒和自硬砂粘结剂，估计产能为3万吨／年。该厂还将生产铸型涂料，产能1万吨／年，新工厂还将有数台冒口套生产设备，初始产能冒口套为500万件／年。该集团还指出将在同一地方建设其研发实验室以便使产品开发和客户服务更接近墨西哥市场。新的墨西哥工厂对其美国生产厂家是一个补 i充，会将其产品供应临近墨西哥的铸造厂 }(刘金城根据Foundrymag．c。m Oct 5，201 6编译) {tt+}．+．—+一十．+．+。+．+．+．+．+．+．+．+．+．+-+-+．+．+．+。+．+．+．+。+．+．+．／万方数据