数控加工工艺在对开式砂芯盒中的应用

孙 慧，曹战龙，郭新玲

(1. 陕西工业职业技术学院 材料工程学院，陕西 咸阳 712000；2. 宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002)

0 引言

铸造用砂芯盒，沿最大截面采用对开式结构比较常见，一般多采用手工制模，其缺点是生产效率低，工人的劳动强度大，芯盒圆弧面的圆度受操作人员技术水平的影响较大，常常出现砂芯不圆问题，造成铸件的质量不高。

开式芯盒按照圆弧面形状特点可分为： 直圆芯盒、斜圆芯盒、台阶圆芯盒、椭圆形芯盒、环形圆芯盒。本文结合传统手工制芯、简单机器制芯(包括填砂、紧实、起模、合箱等)以及数控机床的精准性和稳定性[1-2]，对上述5种类型的对开式芯盒采用数控加工工艺，提高了加工质量和工作效率，降低了工人劳动强度，有效扩大了数控加工技术在砂芯盒中的应用范围。

1 直圆芯盒的传统加工

1.1 直圆芯盒

直圆芯盒截面直径为150～400 mm，当其长度小于200 mm时，将芯盒轴线竖直放置，先手工锯割圆弧面(可留有1～2 mm的加工余量)，再用内圆磨床磨削成型，或采用合适的手工内圆刨进行刨削成型；当长度为200～500 mm时，采用分层制作，加工完成后进行胶结即可；当长度大于500 mm时，将芯盒轴线水平放置，依次调整移动靠板圆盘锯的靠板距离和锯片Z轴高度，先进行去余量加工，如图1所示，尽量加工出较多的锯路，以减少后续手工刨削的加工余量，芯盒圆弧面的圆度也容易得到保证。

图1 圆盘锯去余量加工三维模型

当直径小于150 mm时，由于加工空间小，锯床不易锯割，多采用手工铲削成型。

当直径大于400 mm时，多采用筒条结构制作，如图2所示[3]。

图2 筒条结构制作的木模芯盒

1.2 斜圆芯盒

当圆芯盒有少许斜度(一般斜度小于30°)时，操作过程和直芯盒相同，只需在锯割和磨削时将工作台调整到合适角度进行锯割、磨削。

由于制作过程中手工操作过多，受操作者技术水平的影响，常会出现芯盒圆度超差过大，造成砂芯不圆，直接影响铸件质量。

2 芯盒的数控加工工艺

2.1 直圆芯盒的加工

当直圆芯盒长度较短时(一般长度小于200 mm)，由于圆弧面长度较小，将芯盒轴线竖直放置，采用立铣方式加工，如图3所示，可以大大简化加工程序。本文以西门子840Dsl系统为例，简要说明工件的加工方法。

图3 对开式直圆木模芯盒

方法一： 子程序调用LxP40(子程序调用40遍)

子程序： G91 G01 Z-5；(z向下刀5 mm)

B360；(工件绕圆心旋转360°)

RET；

方法二： G91 G01 Z-200 B28800；(z向下刀200 mm，伴随着工件绕圆心旋转28 800°)

当直圆芯盒长度较长(长度大于200 mm)时，采用平放加工，由于圆弧面长度较长，机床的Z轴加工空间有限，因此，需将芯盒轴线水平放置，采用卧铣方式加工，如图4所示。以Φ200 mm、长度1 000 mm为例，介绍其加工程序。

(a) 直圆木模芯盒的走刀模型

(b) 直圆木模芯盒的卧铣装夹和加工件图4 直圆木模芯盒的卧铣加工

方法一：条件编程，分别从左右向中间进行直线加工，

R1=0；

MA1： R2=SQRT(10000-R1*R1)；

R1=R1+1；

R3=SQRT(10000-R1*R1)；

R4=R3-R2；(每次下刀1 mm，y向变化量，如图5所示)

图5 y向变化量示意

G91 G01 Y=R4 F100；

Z-1；(下刀1 mm)

X1000 F1600；

R1=R1+1；

R5=SQRT；(10000-R1*R1)

R6=R5-R3；(每次下刀1 mm，y向变化量)

Y=R6 F100；

Z-1；(下刀1 mm)

X-1000 F1600；

IF R1<100 GOTOB MA1；(如果R1小于100，返回执行MA1如果R1不小于100，程序结束)

方法二，子程序调用LxP250(子程序调用250遍)

子程序： G91 G02 Y-200 Z0 CR=100 F1600；(顺时针走圆弧)

G01 X2 F100；(x向进给2 mm)

G03 Y200 Z0 CR=100 F1600；(逆时针走圆弧)

G01 X2 F100；(x向进给2 mm)

RET；

2.2 斜圆芯盒的加工

如图6所示： 以圆弧面两端直径分别为Φ200 mm， Φ220 mm，长度为1 000 mm的斜圆芯盒为例，介绍其数控加工程序。

图6 长斜圆木模芯盒

R1=100；

MA1： G91 G01 Y0.02 F100；(y向0.02 mm)

X2；

R1=R1+0.02；(半径增加0.02 mm)

G02 Y=-R1-R1 Z0 CR=R1 F1600；(直径增加0.04 mm，顺时针走半圆弧)

G01 Y-0.02 F100；

X2；

R1=R1+0.02；(半径增加0.02 mm)

G03 Y=R1+R1 Z0 CR=R1 F1600；(直径增加0.04 mm，逆时针走半圆弧)

IF R1<110 GOTOB MA1；(半径小于110返回MA1，半径不小于110程序停止)

2.3 台阶圆芯盒的加工

当台阶圆芯盒圆弧面的长度小于200 mm时，采用立铣方式加工，直径只要超过刀具直径即可完成加工；当长度大于200 mm时，受机床Z轴加工空间的限制，只能将芯盒轴线水平放置，采卧铣方式加工，如图7所示。由于台阶的阻挡，为防止刀具的碰撞，无论芯盒是否带有斜度，一般多采用G02， G03的循环模式加工。

(a) 台阶圆木模芯盒的卧铣走刀模型

2.4 椭圆形芯盒的加工

2.4.1 椭圆形芯盒

直椭圆形芯盒的加工和直圆芯盒的加工，同样可采用直线方式，也可采用G02， G03的循环模式，只是由直圆芯盒圆弧面一个半径的加工，变为直椭圆形芯盒圆弧面的两个半径相切的加工，如图8所示。

(a) 直椭圆形木模芯盒的卧铣走刀模型

(b) 直椭圆形木模芯盒的卧铣加工件图8 直椭圆形木模芯盒的加工

2.4.2 斜椭圆形芯盒

斜椭圆形芯盒圆弧面的加工工艺，采用条件编程，分别从左右向中间进行直线加工： 先加工两边的小圆弧，再加工中间的大圆弧。

2.4.3 圆形和椭圆形组成的芯盒

加工一边为圆形一边为椭圆形的芯盒时，按椭圆圆弧的切点，把圆也分为3部分，指定每次Z轴的下刀量，计算Y轴的变化，再进行X方向的进给，如图9所示。

(a) 由圆至椭圆渐变的对开木模芯盒

(b) 由圆至椭圆渐变的对开半模芯盒图9 圆形和椭圆形组成的木模芯盒

2.5 环形圆芯盒的加工

2.5.1 管状芯盒

对于管状芯盒的圆弧面加工，首先将圆环轴线的中心与旋转工作台的中心重合，把环形芯盒看成是由数个半圆累加而成的，如图10所示。圆环拐角处的1/4圆可设定为由90个圆组成，刀具按G02走刀，工件旋转1°，再按G03走刀，工件再旋转1°，直至加工完成。

图10 对开式管状芯盒

子程序：

G91 G02 Y-100 Z0 CR=50 F1000；(顺时针走R50半圆弧)

G01 B1 F100；(工件绕圆心旋转1°)

G03 Y100 Z0 CR=50 F1000；(逆时针走R50半圆弧)

G01 B1 F100；(工件绕圆心旋转1°)

RET；

2.5.2 直径渐变的环形圆芯盒

当圆环直径沿轴线渐变时，只需每走一刀对半径按条件进行增减即可，旋转范围也可根据要求设定，如图11所示。

(a) 渐变圆环气化模芯盒的三维模型

(b) 渐变圆环气化模芯盒的装夹和走刀图11 渐变圆环气化模芯盒的加工

3 加工工艺对比

经对比，直圆、斜圆、台阶圆、椭圆形对开式芯盒的制造可以采用传统手工制芯，但工序较多，制造周期较长且工人劳动强度大；由于环形圆芯盒采用手工制模时，渐变圆弧多点须手工连线，精度无法保证，建议采用数控加工工艺制模，成型快速、精度高。5种不同类型对开式芯盒的加工工艺比较如表1所示。

表1 不同类型芯盒的传统手工制模与数控加工工艺对比

4 结论

(1) 采用数控铣床加工对开式砂芯盒，直圆芯盒、斜圆芯盒和台阶圆芯盒的制芯时间由原来的8 h缩短至4 h，工作效率提高了50%。

(2) 省去了椭圆形芯盒和渐变圆环芯盒传统加工中的模型工画线过程，简化了工作流程，提高了工作效率。

(3) 芯盒圆弧面的圆度得到了保证，省去了传统加工工艺中去余量的加工过程，降低了生产成本，且芯盒加工实现了机器化和自动化，确保了员工的人身安全、减轻了员工的劳动强度，这一优势在泡沫型材的加工方面尤为明显[4]。