陳少凱，單忠德，劉 豐，程正偉

（機械科學研究總院先進制造技術研究中心，先進成形技術與裝備國家重點實驗室，北京 100083）

傳統(tǒng)鑄造必須首先把模樣制造出來，根據(jù)模樣來制造砂型，最后澆注得到鑄件。無論是普通加工還是數(shù)控加工，模樣的制造周期都比較長。對于大中型鑄件來說，鑄型的制造周期一般以月為單位計算。只有高精度的模樣才能澆注出高質(zhì)量的鑄件。但是復雜模樣制作費時費力且質(zhì)量不高，而且在新產(chǎn)品的研發(fā)中零件需要反復修改試驗，模樣的修改技術遠遠跟不上新零件研發(fā)需要。這種情況一直困擾著鑄造新產(chǎn)品的研發(fā)制造［1］。

為了徹底改變這種被動局面，無模鑄型數(shù)控加工制造技術可根據(jù)鑄件模型設計出鑄型的三維CAD模型；結合加工工藝參數(shù)進行砂型切削路徑規(guī)劃，生成加工代碼；對規(guī)劃好的切削路徑在計算機中進行加工過程的模擬仿真；將已經(jīng)固化好的砂坯置于加工平臺上，使用專用設備進行切削加工；最后得到要加工的鑄型，與型芯裝配后澆注，得到鑄件［2～4］。

1 無?；T型數(shù)控加工制造技術

機械科學研究總院先進制造技術研究中心從2007年開始研究該項技術，經(jīng)過兩年多的努力獲得成功，在工藝試驗、快速加工設備上取得突破，并設計制造了全國第一臺CAMTC-Smm1000型無模鑄型數(shù)控加工制造設備，并開發(fā)出相關軟件控制系統(tǒng)。鑄型數(shù)控加工成形機設備整機包括機架床身、直線運動平臺、切削刀具系統(tǒng)、操作臺軟硬件控制系統(tǒng)、輔助排砂收集系統(tǒng)、防護系統(tǒng)等。在該技術的研究和設備開發(fā)過程中解決了多項技術難題，申請專利12項。

目前該技術已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了廣泛應用，該設備也已經(jīng)商品化、產(chǎn)業(yè)化，是鑄型制造技術方面的重大創(chuàng)新。下圖1是鑄型數(shù)控加工設備在車間里的照片，圖2是鑄型加工專用數(shù)控軟件管理系統(tǒng)的操作界面，表1是該設備主要技術參數(shù)。

表1 鑄型數(shù)控加工成形機主要參數(shù)

無模鑄型數(shù)控加工制造技術不僅使鑄造過程高度自動化、敏捷化，降低工人勞動強度，而且在技術上突破了傳統(tǒng)工藝的許多障礙，使設計、制造的約束條件大大減少。

2 金屬件鑄型數(shù)控加工制造技術應用

以某汽車公司的車門檢測模具為例，說明鑄型制造過程的工藝路線。該零件CAD模型圖如圖3所示。

2.1 零件CAD模型處理

首先用UG軟件的模具功能，得到該零件的整體鑄型的模型。

圖3 某汽車公司車門模具零件正反面視圖

經(jīng)測量該零件尺寸 860×450×240（mm），在設備的加工范圍內(nèi)，對其進行分塊處理，將鑄型模型分解成大小合適的砂塊。分析后將該鑄型分成了四塊，上下模各兩塊。

分模過程中發(fā)現(xiàn)零件中間部分形狀極其復雜，有內(nèi)腔面的存在，需要單獨切削處理，故將這部分單獨做成一個砂塊。對其進行分模技術處理后，得到了五個鑄型模型，如圖4所示。

圖4 某汽車公司車門模具的鑄型分模型

在鑄型模型分成五部分時，考慮到這五個砂塊在后期的裝配，在砂塊上設計了凹凸臺，以及孔、柱等配合結構，便于分塊加工完成后五個砂塊裝配起來是一個整體。該鑄型一共設置了6個凹孔，6個圓柱，4對凹凸臺結構。這些結構都會在鑄型數(shù)控加工時同時加工出來，負責砂塊之間的定位。

為了使加工代碼生成順利，為每一個砂塊部件加入虛擬邊框。該邊框不參與切削，但是能有效地保證代碼的順利生成［3］。

2.2 CAM生成加工代碼

該過程用UG軟件的加工仿真功能進行，形成加工代碼。并可進行加工過程的模擬仿真，校驗刀軌，確保不會發(fā)生刀具干涉和砂型過切。如圖5所示。

2.3 鑄型加工

制備大小合適的砂塊：由于該零件精度要求較高，選用目數(shù)較細的70/140鑄造水洗砂，粘接劑為水玻璃，固化時間8 h。

工件夾緊，定位，用切平面程序?qū)⑸皦K切平到工件的實際高度。設定刀具轉(zhuǎn)速5400r/min，用加工代碼驅(qū)動鑄型數(shù)控加工成形機進行加工。該鑄型的加工時長為30h10min，鑄型誤差最大值為0.1mm。制造的鑄型如圖6所示。

圖5 刀軌校驗

圖6 鑄型實物照片

3 結 論

無模鑄造數(shù)控加工制造技術能準確按照設計圖紙進行制造，去掉了制造模樣的時間和費用，降低產(chǎn)品開發(fā)的成本。加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度，有利于開發(fā)個性化產(chǎn)品。整個工藝過程綠色化，不產(chǎn)生廢料。切削下來的砂屑由于未經(jīng)澆注，回收便捷，可以循環(huán)使用。該技術具有柔性化、數(shù)字化、無模化等特點，為單件、小批量金屬件的快速制造提供新的技術，是傳統(tǒng)鑄造技術的革命。

［1］中國機械工程學會鑄造分會，鑄造手冊-鑄造工藝分冊［J］.北京：機械工業(yè)出版社500-503.

［2］董曉麗.鑄型數(shù)控加工技術應用基礎研究［D］.北京：機械科學研究總院，2009.6：15-16.

［3］劉豐.鑄型數(shù)字化加工技術應用研究［D］.北京：機械科學研究總院，2009.12.

［4］Zhongde Shan，F(xiàn)eng Liu，Li Zhan，Zhilin Lin. Research on Patternless Casting CNC Manufacturing Technology and Developmentof the Equipment［J］.Advanced Materials Research Vols.2010,101:4036-4041.

［5］單忠德，戰(zhàn)麗，董曉麗.無模鑄型的數(shù)字化快速鑄造技術新進展［C］.2007年中國機械工程學會論文集，2007：89-91.