王 熠 徐世文

（①燕山大學(xué)信息學(xué)院計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，河北秦皇島 066004;②戴卡輪轂有限公司開(kāi)發(fā)部，河北秦皇島 066004）

鋁合金輪轂制造屬于單件小批量生產(chǎn)，數(shù)控加工在其零件制造中的應(yīng)用極其廣泛。與大批量生產(chǎn)方式相比，鑄型模具數(shù)字化制造工藝較為簡(jiǎn)略，其主要內(nèi)容為:輪轂?zāi)＞弑诤裨O(shè)計(jì)、冷卻設(shè)計(jì)、輪轂排氣設(shè)計(jì)以及在鑄型時(shí)數(shù)控切削過(guò)程中如何補(bǔ)償缺陷等。鑄型模具零件的數(shù)控加工工藝是指介于其制造工藝及數(shù)控編程之間的工藝策劃工作。本文將結(jié)合實(shí)例對(duì)輪轂?zāi)＞邤?shù)控加工工藝設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 輪轂?zāi)＞弑诤裨O(shè)計(jì)計(jì)算的理論與實(shí)踐

需要根據(jù)鋁合金車(chē)輪鑄件的造型特點(diǎn)，以順序凝固為前提，在保證輪輞鑄件梯度的情況下合理設(shè)計(jì)鑄型壁厚對(duì)鑄造的生產(chǎn)節(jié)拍和鑄件性能都大有裨益。

鋁合金在金屬鑄型內(nèi)自然冷卻情況下所需要的鑄型厚度為鑄件厚度的3倍。根據(jù)鑄件局部熱解的位置和順序凝固及補(bǔ)縮的需要調(diào)整頂、底、邊模的厚度，以期達(dá)到在最短鑄造周期內(nèi)生產(chǎn)出高性能、高品質(zhì)的鑄件。

輪輞處頂模、邊模壁厚:為輪輞壁厚的3倍，建議30～36 mm為宜。輪輞的冷卻主要是通過(guò)鑄型對(duì)鑄件的熱傳導(dǎo)方式對(duì)鑄件降溫的過(guò)程。根據(jù)輪輞造型特點(diǎn)，在內(nèi)輪緣處鑄型過(guò)冷，在輪井處稍過(guò)熱，再輔以輪輞自身的厚度梯度，便可以形成在壓力下結(jié)晶，鑄型冷卻的方式完成鑄件的凝固補(bǔ)縮。

輪輻處頂模壁厚:為輪輞壁厚的2倍，建議20～25 mm為宜。根據(jù)鋁液流動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)縮需要，需提高該處的模具溫度制造補(bǔ)縮通道和順序凝固的環(huán)境。

底模壁厚:為輪輻根部厚度的1．5倍，建議15～25 mm為宜，可以根據(jù)輪輻寬度和厚度的差異及窗口冷鐵的大小決定底模厚度。一般情況下細(xì)小輪輻的壁厚需要小些，寬大輪輻的壁厚稍大些，且需要挖取相應(yīng)的隨形窩保證鋁液流動(dòng)順暢和消除局部熱節(jié)和冷卻不均的弊端。

對(duì)于輪輻厚度較薄或輪輻較窄（窗口凸臺(tái)較高）的產(chǎn)品，盡量采用設(shè)計(jì)隨形窩的形式，這樣既可以消除底模窗口凸臺(tái)的厚大冷鐵作用，同時(shí)也延緩了鋁液流動(dòng)補(bǔ)縮時(shí)溫度的降低速度，為輪輞提供壓力補(bǔ)縮通道的同時(shí)，也消除了輪輻壁厚不均勻帶來(lái)的鑄件冷卻過(guò)程中的局部過(guò)冷造成的裂紋和顯微縮松。當(dāng)然，對(duì)于輪輻厚度均勻且造型簡(jiǎn)單的鑄件就沒(méi)有必要增加這一環(huán)節(jié)。但是，對(duì)于輪輻正面質(zhì)量要求高的產(chǎn)品，如拋光和精車(chē)輪最好使用此方法。

2 輪轂?zāi)＞呃鋮s的設(shè)計(jì)原則和方法

低壓鑄造模具的冷卻手段多種多樣，有風(fēng)冷、水冷、風(fēng)水并用冷卻和水霧冷卻等。無(wú)論使用哪種冷卻手段，其目的都是加快鑄件凝固速度、消除局部熱節(jié)和提高表面質(zhì)量這3個(gè)方面。在鋁輪轂低壓鑄造中采用順序凝固的原則，最后完成充型的部位率先冷卻，最先充型的部位最后冷卻，形成澆冒口合一的低壓澆注、補(bǔ)縮方式。那么，在最后凝固的部位就需要采用特殊手段延緩該部位鑄件的結(jié)晶凝固速度，保證鋁液補(bǔ)縮通道暢通。推遲冷卻的方法有多種，比如依次加厚最后凝固部位的鑄件厚度，減薄最后凝固部位的鑄型壁厚，提高其溫度，延緩凝固速度。還有一種方式是加工熱阻孔和熱阻槽的方式，在鑄型壁厚、內(nèi)澆道口和澆口處設(shè)置該熱阻槽或孔，即到達(dá)減薄鑄型壁厚的要求，又置換了鑄型的導(dǎo)熱介質(zhì)，提高了該部位的溫度，推遲該處鑄件的凝固速度，達(dá)到順序凝固的目的。

3 輪轂?zāi)＞吲艢獾脑O(shè)計(jì)原則和方法

在金屬型低壓鑄造中，鑄型的排氣問(wèn)題一直是關(guān)鍵。金屬型鑄造需要通過(guò)分型面（邊模接縫、頂?shù)啄ｉg隙等）頂桿、排氣塞等手段來(lái)進(jìn)行排氣。低壓鑄造過(guò)程中，鋁液充型進(jìn)入型腔內(nèi)，如果型內(nèi)氣體不能迅速順暢地排出，則會(huì)隨著型腔空間的不斷減小和型內(nèi)氣體受熱膨脹，形成阻礙充型的型內(nèi)反壓。如果反壓過(guò)大，氣體還會(huì)擠入鋁液內(nèi)部，造成鑄件的氣孔、澆鑄不足等缺陷，尤其是輪輞和輪心背腔處。故在分型面上開(kāi)設(shè)三角形或片狀縫隙排氣槽，在鑄型上部或易憋氣的地方安裝排氣塞。

根據(jù)鋁合金輪轂低壓鑄造的特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)呐艢獠课缓团艢庑蝿?shì)，在頂模中心處應(yīng)設(shè)置頂桿、排氣塞和排氣三角形環(huán)槽，通過(guò)排氣塞和頂桿孔的間隙排除氣體;隨著充型過(guò)程的繼續(xù)，輪輻充滿(mǎn)后將主要通過(guò)邊模接縫進(jìn)行排氣，并形成邊充型邊排氣的效果，于此同時(shí)可以在邊模設(shè)置排氣環(huán)槽將型內(nèi)氣體導(dǎo)入邊模接縫排出，在頂模型內(nèi)設(shè)置排氣豎槽，將氣體引致頂模與邊模的分型面處排出;最后在內(nèi)輪緣部位通過(guò)設(shè)置的頂桿、排氣塞、排氣環(huán)槽來(lái)將剩余氣體全部排出。但是在某些情況下該處的氣體不能夠及時(shí)排出，主要由于充型速度過(guò)快，或是排氣孔道未形成擴(kuò)張。

4 低壓鑄造輪轂缺陷的種類(lèi)及原因分析

縮松與縮孔:鑄件在凝固過(guò)程中，由于鋁合金液態(tài)收縮和凝固收縮，在鑄件最后凝固的部位出現(xiàn)孔洞，容積大而集中的孔洞是縮孔，細(xì)小而分散的孔洞為縮松?？s松在鑄態(tài)時(shí)斷口為灰色、淺黃色，經(jīng)熱處理后為灰白、淺黃或灰黑色，在X光底片上呈云霧狀，嚴(yán)重的呈絲網(wǎng)狀。縮松可通過(guò)X光、滲透、低倍、斷口等檢查方法發(fā)現(xiàn)。縮松形成的原因:鑄型溫度分布不合理，未形成有效的順序凝固梯度;鑄件未在壓力下凝固結(jié)晶。

解決縮松的方法:合理布局冷卻工藝，尤其是局部有熱節(jié)處的模具降溫，制作順序凝固的溫度要求;適當(dāng)放緩鋁液充型速度，增加鑄件過(guò)冷度，減輕后續(xù)補(bǔ)縮負(fù)擔(dān);準(zhǔn)確找到增壓最佳時(shí)機(jī)，提高保壓壓力，讓鑄件在壓力下結(jié)晶，提高鑄件自身內(nèi)部組織致密度。

縮孔孔洞較大，且表面較為粗糙?？s孔形成的原因:鑄件順序凝固的梯度未有效建立;鑄件自身厚度在局部出現(xiàn)較大變化，如輪輻與輪輞的交界處，還有模具上凸點(diǎn)的位置過(guò)熱（如內(nèi)輪緣在邊模處的R角）都易于形成縮孔。解決縮孔的方法:基本與結(jié)晶縮松的方法類(lèi)似，適當(dāng)增加排氣措施，快速增壓，或適當(dāng)?shù)販p小模具凸點(diǎn)位置的突出程度，即增大R角或局部降溫。

目前檢測(cè)食品中真菌毒素的方法有很多，主要包括薄層色譜法（TLC）、高效液相色譜法（HPLC）、酶聯(lián)免疫吸附法（ELISA） 等[3-4]。但是，這些方法存在著一定缺陷。如薄層色譜法、酶聯(lián)免疫法只是半定量方法，液相色譜法定量較為準(zhǔn)確，但其選擇性較差、定性能力不足、靈敏度較低，而且這些方法都只能檢測(cè)某一種或者某一類(lèi)最多4種真菌毒素，涉及多成分同時(shí)檢測(cè)的方法甚少。隨著HPLC-MS/MS儀器的成功應(yīng)用，利用其專(zhuān)屬性強(qiáng)、選擇性好、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單省時(shí)等優(yōu)勢(shì)，可彌補(bǔ)前述方法的不足，對(duì)多組分同時(shí)進(jìn)行定性和定量分析，使該技術(shù)在分析檢驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用[5-6]。

氣孔呈圓形或橢圓形，具有光滑的表面，一般是發(fā)亮的氧化皮，有時(shí)會(huì)呈油黃色常伴有夾渣缺陷一起出現(xiàn)。氣孔形成的原因:鋁液凈化不夠，含氣量過(guò)高、夾渣物過(guò)多;鑄型排氣不暢，氣體卷入鋁液內(nèi)部;充型紊亂，造成液面氧化皮卷入鋁液內(nèi)部。

解決氣孔的方法:提高鋁液的凈化效率，適當(dāng)降低鋁液溫度;合理設(shè)計(jì)充型加壓曲線(xiàn)，鋁液平穩(wěn)充型，快速增壓，使得液體內(nèi)氣體來(lái)不及析出;提高鑄型的排氣能力。

澆不足是指鑄件成形不完整，或局部有欠鑄的現(xiàn)象，常發(fā)生在內(nèi)輪緣和正面窗口處。

澆不足形成的原因:模具溫度過(guò)低，鑄型排氣不暢。

解決澆不足的方法:增加排氣手段，合理排氣，是當(dāng)?shù)卦黾泳植课恢玫哪＞邷囟龋纳畦T件壁厚過(guò)薄處的排氣和充型補(bǔ)縮通道的暢通。

5 基于數(shù)控切削加工原理的鑄型制造

個(gè)別模具的窗口打傷缺陷持續(xù)困擾機(jī)加工序，造成噴涂后序的生產(chǎn)滯漲。機(jī)加工序也持續(xù)做出改進(jìn):包括增大乳化液沖水量、增加切削遍數(shù)、減小吃刀量、降低轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率，從一定程度上也減少了缺陷的產(chǎn)生。打傷缺陷產(chǎn)生的最根本原因是毛坯窗口封層厚且邊緣不規(guī)則翹起，切削過(guò)程產(chǎn)生的殘留碎片撞擊鑄造表面所致。在現(xiàn)有工藝的前提下，如何利用數(shù)控加工中走刀來(lái)補(bǔ)償鑄造的加工缺陷呢?

5．1 環(huán)切

鑄型數(shù)控加工技術(shù)為單件小批量金屬工件在數(shù)控加工中，環(huán)切是典型的走刀路線(xiàn)。環(huán)切加工是利用已有精加工刀補(bǔ)程序，通過(guò)修改刀具半徑補(bǔ)償值的方式，控制刀具從內(nèi)向外或從外向內(nèi)，一層一層去除工件余量，直至完成工件加工。

編寫(xiě)環(huán)切加工程序，需解決3個(gè)問(wèn)題:

（1）環(huán)切刀具半徑補(bǔ)償值的計(jì)算;

（3）如何在環(huán)切程序中簡(jiǎn)化走刀路線(xiàn)，縮短空刀距離。

5．2 環(huán)切刀具半徑補(bǔ)償值的計(jì)算

確定環(huán)切刀具半徑補(bǔ)償值可按如下步驟進(jìn)行:

①確定刀具直徑、走刀步距和精加工余量;

②確定半精加工和精加工刀補(bǔ)值;

③確定環(huán)切第一刀的刀具中心相對(duì)工件輪廓的位置（第一刀刀補(bǔ)值）;

④根據(jù)步距確定中間各刀刀補(bǔ)值。

示例:用環(huán)切方案加工圖1工件內(nèi)槽，環(huán)切路線(xiàn)為從內(nèi)向外。

環(huán)切刀補(bǔ)值確定過(guò)程如下:

①根據(jù)內(nèi)槽圓角半徑R6，選取φ12 mm鍵槽銑刀，精加工余量為0.5 mm，走刀步距取10 mm;

②由刀具半徑6 mm，可知精加工和半精加工的刀補(bǔ)半徑分別為6 mm和6．5 mm;

③如圖所示，為保證第一刀的左右兩條軌跡按步距要求重疊，則兩軌跡間距離等于步距，則該刀刀補(bǔ)值=30－10/2=25 mm;

④根據(jù)步距確定中間各刀刀補(bǔ)值，

第二刀刀補(bǔ)值=25－10=15 mm

第三刀刀補(bǔ)值=15－10=5 mm，該值小于半精加工刀補(bǔ)值，說(shuō)明此刀不需要。

由上述過(guò)程可知，環(huán)切共需4刀，刀補(bǔ)值分別為25 mm、15 mm、6．5 mm、6 mm。

5．3 環(huán)切刀補(bǔ)程序工步起點(diǎn)（下刀點(diǎn)）的確定

對(duì)于封閉輪廓的刀補(bǔ)加工程序來(lái)說(shuō)，一般選擇輪廓上凸出的角作為切削起點(diǎn)。對(duì)內(nèi)輪廓，如沒(méi)有這樣的點(diǎn)，也可以選取圓弧與直線(xiàn)的相切點(diǎn)，以避免在輪廓上留下接刀痕。在確定切削起點(diǎn)后，再在該點(diǎn)附近確定一個(gè)合適的點(diǎn)，來(lái)完成刀補(bǔ)的建立與撤消，這個(gè)專(zhuān)用于刀補(bǔ)建立與撤消的點(diǎn)就是刀補(bǔ)程序的工步起點(diǎn)，一般情況下也是刀補(bǔ)程序的下刀點(diǎn)。

一般而言，當(dāng)選擇輪廓上凸出的角作為切削起點(diǎn)時(shí)，刀補(bǔ)程序的下刀點(diǎn)應(yīng)在該角的角平分線(xiàn)上（45°方向），當(dāng)選取圓弧與直線(xiàn)的相切點(diǎn)或某水平/垂直直線(xiàn)上的點(diǎn)作為切削起點(diǎn)時(shí)，刀補(bǔ)程序的下刀點(diǎn)與切削起點(diǎn)的連線(xiàn)應(yīng)與直線(xiàn)部分垂直。在一般的刀補(bǔ)程序中，為縮短空刀距離，下刀點(diǎn)與切削起點(diǎn)的距離比刀具半徑略大一點(diǎn)，下刀時(shí)刀具與工件不發(fā)生干涉即可。但在環(huán)切刀補(bǔ)程序中，下刀點(diǎn)與切削起點(diǎn)的距離應(yīng)大于在上一步驟中確定的最大刀具半徑補(bǔ)償值，以避免產(chǎn)生刀具干涉報(bào)警。如對(duì)圖1零件，取R30 mm圓弧圓心為編程零點(diǎn)，取R30 mm圓弧右側(cè)端點(diǎn)作為切削起點(diǎn)，如刀補(bǔ)程序僅用于精加工，下刀點(diǎn)取在（22，0）即可，該點(diǎn)至切削起點(diǎn)距離為8 mm。但在環(huán)切時(shí)，由于前兩刀的刀具半徑補(bǔ)償值大于8 mm，建立刀補(bǔ)時(shí)，刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向是向左，而程序中指定的運(yùn)動(dòng)方向是向右，撤消刀補(bǔ)時(shí)與此類(lèi)似，此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生刀具干涉報(bào)警。因此合理的下刀點(diǎn)應(yīng)在編程零點(diǎn)（0，0）。

5．4 環(huán)切宏程序

當(dāng)使用刀具半徑補(bǔ)償來(lái)完成環(huán)切時(shí)，不管我們采用何種方式修改刀具半徑補(bǔ)償值，由于受刀補(bǔ)建、撤的限制，它們都存在走刀路線(xiàn)不夠簡(jiǎn)潔，空刀距離較長(zhǎng)的問(wèn)題。對(duì)于象圖1所示的輪廓，其刀具中心軌跡很好計(jì)算，此時(shí)如用宏程序直接計(jì)算中心軌跡路線(xiàn)，則可簡(jiǎn)化走刀路線(xiàn)，縮短空刀距離。

示例:完全使用宏程序的環(huán)切加工，如圖1所示，用#1、#2表示輪廓左右和上邊界尺寸，編程零點(diǎn)在R30 mm圓心，加工起始點(diǎn)放在輪廓右上角（可削除接刀痕）

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用研究表明，鑄型數(shù)字化加工制造是傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的技術(shù)革命，是一種全新的鑄件制造方法，具有數(shù)字化、柔性化、精密化、快速化等特點(diǎn)，可以提高鑄造精度、生產(chǎn)效率及鑄件質(zhì)量，降低鑄造過(guò)程中的資源消耗。鑄件成形方法研究將為單件、小批量鑄件的快速制造提供解決方案，在汽車(chē)、工程機(jī)械、機(jī)床、船舶、礦山和航空航天等方面都可推廣應(yīng)用。

總之，輕量化、精確化、高效化、清潔化將是鑄造技術(shù)的重要發(fā)展方向，因而要求鑄造成型制造向更輕、更薄、更精、更強(qiáng)、更韌、成本低、流程短、質(zhì)量高的方向發(fā)展。數(shù)控鑄型制造技術(shù)因制造時(shí)間短、一體化造型、無(wú)拔模斜度、可制造含自由曲面（曲線(xiàn)）的鑄型和鑄型CAD/CAE/CAM一體化，是實(shí)現(xiàn)鑄造過(guò)程中的自動(dòng)化、柔性化、敏捷化的重要途經(jīng)。數(shù)字化鑄型的快速數(shù)字化制造方法是一種適于單件、小批量、品種多樣鑄件、模具生產(chǎn)的技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］張明揚(yáng)，李輝．基于三維實(shí)體設(shè)計(jì)下的FMC全型面加工［J］．模具工業(yè)，2007（3）．

［2］陳養(yǎng)元．高速數(shù)控切削要素的優(yōu)化［J］．機(jī)電技術(shù)，2006（2）．

［3］向雄方．鑄造模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造［J］．鑄造技術(shù)，2003（6）．

［4］劉豐．鑄型數(shù)字化加工應(yīng)用技術(shù)研究［D］．北京:機(jī)械科學(xué)研究總院，2009．