金属件铸型数控加工制造技术应用研究

陈少凯，单忠德，刘 丰，程正伟

（机械科学研究总院先进制造技术研究中心，先进成形技术与装备国家重点实验室，北京 100083）

传统铸造必须首先把模样制造出来，根据模样来制造砂型，最后浇注得到铸件。无论是普通加工还是数控加工，模样的制造周期都比较长。对于大中型铸件来说，铸型的制造周期一般以月为单位计算。只有高精度的模样才能浇注出高质量的铸件。但是复杂模样制作费时费力且质量不高，而且在新产品的研发中零件需要反复修改试验，模样的修改技术远远跟不上新零件研发需要。这种情况一直困扰着铸造新产品的研发制造［1］。

为了彻底改变这种被动局面，无模铸型数控加工制造技术可根据铸件模型设计出铸型的三维CAD模型；结合加工工艺参数进行砂型切削路径规划，生成加工代码；对规划好的切削路径在计算机中进行加工过程的模拟仿真；将已经固化好的砂坯置于加工平台上，使用专用设备进行切削加工；最后得到要加工的铸型，与型芯装配后浇注，得到铸件［2～4］。

1 无模化铸型数控加工制造技术

机械科学研究总院先进制造技术研究中心从2007年开始研究该项技术，经过两年多的努力获得成功，在工艺试验、快速加工设备上取得突破，并设计制造了全国第一台CAMTC-Smm1000型无模铸型数控加工制造设备，并开发出相关软件控制系统。铸型数控加工成形机设备整机包括机架床身、直线运动平台、切削刀具系统、操作台软硬件控制系统、辅助排砂收集系统、防护系统等。在该技术的研究和设备开发过程中解决了多项技术难题，申请专利12项。

目前该技术已经在生产中得到了广泛应用，该设备也已经商品化、产业化，是铸型制造技术方面的重大创新。下图1是铸型数控加工设备在车间里的照片，图2是铸型加工专用数控软件管理系统的操作界面，表1是该设备主要技术参数。

表1 铸型数控加工成形机主要参数

无模铸型数控加工制造技术不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化，降低工人劳动强度，而且在技术上突破了传统工艺的许多障碍，使设计、制造的约束条件大大减少。

2 金属件铸型数控加工制造技术应用

以某汽车公司的车门检测模具为例，说明铸型制造过程的工艺路线。该零件CAD模型图如图3所示。

2.1 零件CAD模型处理

首先用UG软件的模具功能，得到该零件的整体铸型的模型。

图3 某汽车公司车门模具零件正反面视图

经测量该零件尺寸 860×450×240（mm），在设备的加工范围内，对其进行分块处理，将铸型模型分解成大小合适的砂块。分析后将该铸型分成了四块，上下模各两块。

分模过程中发现零件中间部分形状极其复杂，有内腔面的存在，需要单独切削处理，故将这部分单独做成一个砂块。对其进行分模技术处理后，得到了五个铸型模型，如图4所示。

图4 某汽车公司车门模具的铸型分模型

在铸型模型分成五部分时，考虑到这五个砂块在后期的装配，在砂块上设计了凹凸台，以及孔、柱等配合结构，便于分块加工完成后五个砂块装配起来是一个整体。该铸型一共设置了6个凹孔，6个圆柱，4对凹凸台结构。这些结构都会在铸型数控加工时同时加工出来，负责砂块之间的定位。

为了使加工代码生成顺利，为每一个砂块部件加入虚拟边框。该边框不参与切削，但是能有效地保证代码的顺利生成［3］。

2.2 CAM生成加工代码

该过程用UG软件的加工仿真功能进行，形成加工代码。并可进行加工过程的模拟仿真，校验刀轨，确保不会发生刀具干涉和砂型过切。如图5所示。

2.3 铸型加工

制备大小合适的砂块：由于该零件精度要求较高，选用目数较细的70/140铸造水洗砂，粘接剂为水玻璃，固化时间8 h。

工件夹紧，定位，用切平面程序将砂块切平到工件的实际高度。设定刀具转速5400r/min，用加工代码驱动铸型数控加工成形机进行加工。该铸型的加工时长为30h10min，铸型误差最大值为0.1mm。制造的铸型如图6所示。

图5 刀轨校验

图6 铸型实物照片

3 结 论

无模铸造数控加工制造技术能准确按照设计图纸进行制造，去掉了制造模样的时间和费用，降低产品开发的成本。加快新产品的开发速度，有利于开发个性化产品。整个工艺过程绿色化，不产生废料。切削下来的砂屑由于未经浇注，回收便捷，可以循环使用。该技术具有柔性化、数字化、无模化等特点，为单件、小批量金属件的快速制造提供新的技术，是传统铸造技术的革命。

［1］中国机械工程学会铸造分会，铸造手册-铸造工艺分册［J］.北京：机械工业出版社500-503.

［2］董晓丽.铸型数控加工技术应用基础研究［D］.北京：机械科学研究总院，2009.6：15-16.

［3］刘丰.铸型数字化加工技术应用研究［D］.北京：机械科学研究总院，2009.12.

［4］Zhongde Shan，Feng 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］单忠德，战丽，董晓丽.无模铸型的数字化快速铸造技术新进展［C］.2007年中国机械工程学会论文集，2007：89-91.