楊浩秦 單忠德 劉 豐 王怡飛

1.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京，2100162.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京，100044 3.先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083

0 引言

冷凍砂型的高精高效制備過程是通過數(shù)字化無(wú)模冷凍鑄造成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)基于砂型三維CAD模型驅(qū)動(dòng)，采用數(shù)控加工去除成形原理直接對(duì)冷凍砂型進(jìn)行數(shù)字化切削加工，省去了實(shí)體原型或模具制造環(huán)節(jié)，避免了制模/翻模過程造成的砂型精度損失現(xiàn)象，縮短鑄造流程，實(shí)現(xiàn)了單件、小批量、復(fù)雜金屬件的快速制造[1-3]。

冷凍砂型的制備技術(shù)采用水做黏結(jié)劑，各種型砂顆粒(硅砂、鋯英砂等)作為耐火骨料?；煊羞m量水分的型砂顆粒在低溫環(huán)境下凍結(jié)制備冷凍砂坯后，通過基于切削成形原理的數(shù)字化無(wú)模鑄造成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)冷凍砂型的快速成形，澆注獲得合格鑄件[4]。在傳統(tǒng)鑄造行業(yè)中，木模/金屬模翻模制備鑄型制造周期長(zhǎng)、尺寸精度低、污染排放大，難以滿足航空航天、國(guó)防軍工等復(fù)雜薄壁、高端鑄件的快速響應(yīng)需求[5]。同時(shí)鑄造企業(yè)在砂型造型和制芯環(huán)節(jié)普遍采用黏土黏結(jié)劑、酚醛樹脂、呋喃樹脂和水玻璃黏結(jié)劑等作為砂型鑄造用黏結(jié)劑。這類黏結(jié)劑的使用嚴(yán)重影響鑄造車間的空氣質(zhì)量和廢砂后續(xù)處理過程，亟需鑄造技術(shù)的數(shù)字化和綠色化變革[6]。本課題組創(chuàng)新性地提出數(shù)字化無(wú)模冷凍鑄造成形技術(shù)，該技術(shù)具有綠色化、數(shù)字化、精密化、柔性化和快速制造的特點(diǎn)，促進(jìn)了鑄造行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)[7-9]。數(shù)字化無(wú)模冷凍鑄造成形技術(shù)是一種新型的綠色鑄造技術(shù)，澆注時(shí)冷凍砂型中的水分可以迅速蒸發(fā)，并能在金屬液凝固之前迅速逸出，不易產(chǎn)生氣孔等鑄造缺陷，澆注后冷凍砂型自行潰散，落砂非常簡(jiǎn)單。同時(shí)，冷凍鑄造鋁合金輪轂件尺寸精度可達(dá)CT8級(jí)，冷凍鑄造試樣抗拉強(qiáng)度較樹脂砂型鑄造提高約11.2%，斷裂延伸率提高約26%[10]。

冷凍砂型的切削加工工藝參數(shù)對(duì)其尺寸精度和局域瞬態(tài)熱場(chǎng)的影響至關(guān)重要，同時(shí)局域瞬態(tài)熱場(chǎng)的精準(zhǔn)調(diào)控是冷凍砂型長(zhǎng)時(shí)、低溫制備工藝的重要技術(shù)。本文通過尺寸精度控制和局部瞬態(tài)熱場(chǎng)分析對(duì)冷凍砂型切削加工工藝參數(shù)(包括進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及切削寬度)進(jìn)行聯(lián)合約束，優(yōu)化得到適于冷凍砂型的持續(xù)低溫高精高效加工工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)冷凍砂型的高精高效成形及高、中、低溫合金的快速綠色制造，推動(dòng)數(shù)字化無(wú)模冷凍鑄造技術(shù)從基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所測(cè)試的冷凍砂坯是預(yù)混質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%水的100目硅砂顆粒在-20 ℃下凍結(jié)后制備的，冷凍砂型的抗拉強(qiáng)度約為1.1 MPa，抗壓強(qiáng)度約為2.2 MPa，圖1所示為100目硅砂的粒徑分布，粒徑呈正態(tài)分布，主要集中在140 μm左右。銑削刀具采用數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形機(jī)配套的專用平頭銑刀，刀具直徑為16 mm，懸伸長(zhǎng)度為200 mm。

圖1 100目硅砂粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of 100 meshsilica sand

1.2 試驗(yàn)方法

數(shù)字化無(wú)模冷凍鑄造成形工藝參數(shù)的選擇顯著影響冷凍砂型的成形尺寸精度和加工效率[11]。試驗(yàn)過程中，假定各個(gè)切削加工工藝參數(shù)對(duì)冷凍砂型尺寸精度的影響規(guī)律相互獨(dú)立，不存在耦合關(guān)系。將制備的冷凍砂坯在不同工藝參數(shù)(進(jìn)給速度在40～140 mm/s范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速在3000～8000 r/min范圍內(nèi)，切削深度在1～6 mm范圍內(nèi)，切削寬度在1.6～14.4 mm范圍內(nèi))下進(jìn)行切削加工。為了測(cè)量冷凍砂型在不同切削加工工藝參數(shù)下的尺寸誤差，試驗(yàn)中冷凍砂型的尺寸選擇為100 mm×100 mm×20 mm的立方塊。將不同切削加工工藝參數(shù)下加工的冷凍砂型采用藍(lán)光掃描儀對(duì)其表面輪廓進(jìn)行掃描并與三維模型進(jìn)行對(duì)比，使用Geomigic軟件對(duì)冷凍砂型的加工誤差進(jìn)行分析，優(yōu)化出合適的切削加工參數(shù)控制范圍，圖2所示為試驗(yàn)用冷凍砂型精度測(cè)試藍(lán)光掃描儀。

圖2 冷凍砂型精度測(cè)試藍(lán)光掃描儀Fig.2 Blu-ray scanner for precision test of frozensand mold

在基于尺寸精度優(yōu)化的冷凍砂型低溫制備的切削加工工藝參數(shù)控制范圍的基礎(chǔ)上，采用Flir紅外熱成像儀對(duì)各切削參數(shù)下冷凍砂型的局域瞬態(tài)熱場(chǎng)進(jìn)行分析，該熱成像儀熱靈敏度小于0.10 ℃，測(cè)溫范圍為-40～650 ℃。在獲得多種切削參數(shù)區(qū)域瞬態(tài)溫度的基礎(chǔ)上，利用正交試驗(yàn)法獲得各參數(shù)下區(qū)域瞬態(tài)熱場(chǎng)的溫度及切削參數(shù)影響顯著值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 切削參數(shù)對(duì)冷凍砂型尺寸精度的影響

圖3所示為不同切削加工工藝參數(shù)下冷凍砂型尺寸精度變化規(guī)律。冷凍砂型的尺寸精度隨著刀具進(jìn)給速度的變化呈現(xiàn)波浪式變化規(guī)律，進(jìn)給速度過高時(shí)，切削過程易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致冷凍砂坯出現(xiàn)微裂紋，表現(xiàn)為包裹有多顆型砂顆粒的團(tuán)狀型砂顆粒被切出，精度損失嚴(yán)重，如圖3a所示。因此兼顧砂型成形效率和加工尺寸精度的同時(shí)，選用銑削刀具最優(yōu)進(jìn)給速度為100～120 mm/s。當(dāng)切削刀具主軸轉(zhuǎn)速過大時(shí)，刀具切削刃回彈力增大，后刀面對(duì)冷凍砂型的擠壓速度增大，影響切削穩(wěn)定性，導(dǎo)致砂型尺寸精度變低[12]，如圖3b所示，因此選用銑削刀具的最優(yōu)主軸轉(zhuǎn)速為4000～6000 r/min。當(dāng)切削刀具的切削深度過大時(shí)，較大的切削深度導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展到砂型自由表面的速度加快，切削過程中易出現(xiàn)裂紋和崩角現(xiàn)象，型砂顆粒出現(xiàn)“團(tuán)聚”的脫離模式，造成冷凍砂型尺寸精度顯著下降[13]，因此選用銑削刀具的最優(yōu)切削深度為2～4 mm，如圖3c所示。當(dāng)切削寬度大于8 mm時(shí)，冷凍砂型尺寸精度提高，因此選用銑削刀具的最優(yōu)切削寬度為11.2～14.4 mm，即每次切削寬度約為刀具直徑的70%～90%，如圖3d所示。

(a)進(jìn)給速度

2.2 冷凍砂型切削區(qū)域瞬態(tài)熱場(chǎng)分析

冷凍砂型切削過程中產(chǎn)生的切削熱導(dǎo)致的切削區(qū)域溫度顯著升高是切削過程中存在的一個(gè)重要問題。區(qū)別于金屬領(lǐng)域切削基體為連續(xù)均勻介質(zhì)的金屬，冷凍砂型是多孔介質(zhì)的離散體系，其切削機(jī)理是切削加工過程中，刀具與離散型砂顆粒之間產(chǎn)生相互擠壓與碰撞作用，使型砂顆粒獲得足夠的初始速度和動(dòng)能，脫離冰晶黏結(jié)橋的黏附作用而與周圍冷凍砂型分離。因此在冷凍砂型的型砂顆粒與切削刀具接觸瞬間，銑削刀具會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)熱量并顯著影響冷凍砂型的局部溫度場(chǎng)，進(jìn)而顯著影響冷凍砂型的尺寸精度和表面質(zhì)量，增加刀具的磨損程度并縮短刀具的使用壽命。本文在基于砂型尺寸精度優(yōu)化出的加工參數(shù)的控制范圍基礎(chǔ)上，通過切削過程中的切削區(qū)域瞬態(tài)熱場(chǎng)分析進(jìn)一步優(yōu)化切削參數(shù)的變化范圍。

本研究采用光熱輻射法對(duì)多參數(shù)切削過程中的冷凍砂型局部瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。為了揭示不同的進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和切削寬度對(duì)冷凍砂型切削過程瞬態(tài)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，在根據(jù)砂型尺寸精度優(yōu)化出的切削參數(shù)取值范圍中選用主軸轉(zhuǎn)速分別為4000 r/min、5000 r/min、6000 r/min，進(jìn)給速度為100 mm/s、110 mm/s、120 mm/s，切削深度為2 mm、3 mm、4 mm，切削寬度為11.2 mm、12.8 mm、14.4 mm，對(duì)冷凍砂型進(jìn)行加工，并對(duì)切削過程局部瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，獲得局部瞬態(tài)溫度。為了減少試驗(yàn)次數(shù)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行四因素三水平的瞬態(tài)熱場(chǎng)正交試驗(yàn)分析，表1為L(zhǎng)(34)正交因素水平表。

表1 L(34)正交因素水平表

圖4所示分別為實(shí)測(cè)第7組、第9組和第3組(表2)的切削區(qū)域局部瞬態(tài)溫度場(chǎng)，在采集過程中對(duì)每個(gè)切削參數(shù)下進(jìn)行持續(xù)3 min左右切削區(qū)域的溫度場(chǎng)采集，對(duì)采集的溫度結(jié)果進(jìn)行平均獲得該參數(shù)下的局部瞬態(tài)溫度場(chǎng)最終值。表2為L(zhǎng)(34)試驗(yàn)結(jié)果正交分析表，從中可以看出，不同的切削工藝參數(shù)下冷凍砂型局部溫度的變化范圍很大，最高可達(dá)-7.6 ℃(影響最大)，最低為-16 ℃(影響最小)。通過9組切削工藝試驗(yàn)溫度值的極差分析可知，冷凍砂型切削過程的最優(yōu)加工工藝參數(shù)為A1B1C3D2，即在主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min、進(jìn)給速度為100 mm/s、切削深度為4 mm、切削寬度為12.8 mm條件下進(jìn)行切削加工,參數(shù)對(duì)冷凍砂型區(qū)域瞬態(tài)熱場(chǎng)影響最小，冷凍砂型尺寸精度較高。冷凍砂型切削區(qū)域熱場(chǎng)分析的正交試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)給速度的變化對(duì)冷凍砂型切削過程局部瞬態(tài)熱場(chǎng)的影響顯著，其次是主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和切削寬度。

(a)第7組試驗(yàn)

進(jìn)給速度對(duì)冷凍砂型局部瞬態(tài)溫度場(chǎng)的影響比較顯著。這是因?yàn)楫?dāng)銑削刀具沿著型砂顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，型砂顆粒與銑削刀具的表層發(fā)生劇烈的摩擦作用而產(chǎn)生大量的切削熱，由于進(jìn)給速度很高，型砂顆粒中的熱量不能及時(shí)沿著凍結(jié)砂坯或銑削刀具傳出，導(dǎo)致切削部位的溫度顯著升高。另外隨著主軸進(jìn)給速度的提高以及切削深度的增加，單位時(shí)間內(nèi)銑削刀具接觸的冰晶黏結(jié)橋目數(shù)也增多，消耗的動(dòng)能增大，產(chǎn)生的熱量也增多，導(dǎo)致冷凍砂型局部溫度顯著上升。

表2 L(34)試驗(yàn)結(jié)果正交分析表

當(dāng)冷凍砂型切削深度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)切削的冷凍砂型砂屑量增大，刀具局部產(chǎn)生的切削熱和切削溫度也隨之上升。然而，從正交表的極差分析結(jié)果可看出，冷凍砂型局部的切削溫度隨切削深度的增大而增大的幅度較進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速的幅度小，這是因?yàn)殡S著切削深度增加，每道次產(chǎn)生的型砂顆粒數(shù)量顯著增加，總體型砂顆粒的熱容量也增加，因此切削區(qū)域的溫度上升較進(jìn)給速度上升的幅度小。在冷凍砂型的長(zhǎng)時(shí)間切削加工過程中，隨著切削過程熱量累積，冷凍砂型的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，顯著影響其尺寸精度，當(dāng)冷凍砂型的抗拉強(qiáng)度低于0.8 MPa時(shí)，其切削精度逐漸變差。因此，在切削加工過程中，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min、進(jìn)給速度為100 mm/s、切削深度為4 mm、切削寬度為12.8 mm時(shí)，冷凍砂型局域瞬態(tài)溫度較低，對(duì)冷凍砂型的強(qiáng)度影響較小，其切削尺寸精度較高。

2.3 冷凍砂型低溫制備熱場(chǎng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

根據(jù)冷凍砂型切削區(qū)域的瞬態(tài)熱場(chǎng)分析優(yōu)化的切削數(shù)據(jù)，即在主軸轉(zhuǎn)速5000 r/min、進(jìn)給速度100 mm/s、切削深度4 mm、切削寬度12.8 mm條件下，對(duì)冷凍砂型進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間切削加工過程溫度場(chǎng)采集。所采用的冷凍砂型的尺寸為350 mm×350 mm×200 mm的立方塊，并且是在-35 ℃的低溫環(huán)境下凍結(jié)而成(-20 ℃無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)制備)。在冷凍砂型的芯部選定測(cè)試點(diǎn)A，對(duì)冷凍砂型切削過程中的A處區(qū)域瞬態(tài)溫度進(jìn)行采集，圖5所示為測(cè)試點(diǎn)A的位置。冷凍砂型切削過程溫度采集的時(shí)間間隔為0.5 s，最后對(duì)約10 000個(gè)數(shù)據(jù)的溫度采集值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

圖5 冷凍砂型切削過程溫度測(cè)試位置Fig.5 Temperature test position in the cutting processof frozen sand mold

圖6 A點(diǎn)瞬態(tài)溫度試驗(yàn)值Fig.6 Transient temperature experiment value ofpoint A

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，在5000 s的較長(zhǎng)切削加工時(shí)間內(nèi)，一般利用數(shù)據(jù)的置信區(qū)間對(duì)這個(gè)樣本的總體參數(shù)進(jìn)行區(qū)間估計(jì)，置信區(qū)間表示的是被估計(jì)參數(shù)的真實(shí)值在一定概率下落在所測(cè)量結(jié)果附近的程度。對(duì)位置A處的溫度采集值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)溫度采集值平均值的95%的置信區(qū)間為[-29.1380，-29.0113]，表明有95%的概率，最終測(cè)試的溫度值將落入最低-29.1380 ℃、最高-29.0113 ℃的區(qū)間內(nèi)。因此，冷凍砂坯的預(yù)凍結(jié)溫度為-35 ℃時(shí)，基于瞬態(tài)熱場(chǎng)分析優(yōu)化的切削參數(shù)加工的冷凍砂型局域溫度可保持在-29.1 ℃左右，此時(shí)可以保證冷凍砂型具備足夠的表面硬度和強(qiáng)度，刀具切削過程累積的熱量不會(huì)對(duì)冷凍砂型的整體切削精度產(chǎn)生影響，可以實(shí)現(xiàn)冷凍砂型長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的高精高效制造。同時(shí)，當(dāng)冷凍砂型的含水量為4%、冷凍溫度低于-20 ℃時(shí)，冷凍砂型抗拉強(qiáng)度高于1.1 MPa,表面硬度高于70 g/mm2,透氣性高于68，冷凍砂型滿足鑄造用砂型性能需求，采用優(yōu)化的切削加工工藝參數(shù)制備冷凍砂型(芯)并進(jìn)行組裝，澆注獲得尺寸精度可達(dá)CT8級(jí)的鑄件，可實(shí)現(xiàn)高、中、低溫合金的快速綠色制造[4]。

3 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)冷凍砂型無(wú)模成形的高精高效制造，采用冷凍砂型尺寸精度控制和局域瞬態(tài)熱場(chǎng)分析對(duì)冷凍砂型的加工成形參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合約束。冷凍砂型切削區(qū)域熱場(chǎng)分析的正交試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)給速度的變化對(duì)冷凍砂型切削過程局部瞬態(tài)熱場(chǎng)的影響顯著，其次是主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和切削寬度。在切削刀具進(jìn)給速度為100 mm/s、主軸轉(zhuǎn)速4000 r/min、切削深度4 mm、切削寬度12.8 mm條件下，通過數(shù)字化無(wú)模成形技術(shù)制備出的冷凍砂型尺寸精度較高。采用優(yōu)化參數(shù)對(duì)預(yù)冷溫度為-35 ℃的凍結(jié)砂坯進(jìn)行5000 s的長(zhǎng)時(shí)切削加工，溫度采集值的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，其平均值的95%的置信區(qū)間為[-29.1380，-29.0113]，冷凍砂型具備較高的強(qiáng)度和表面硬度，可實(shí)現(xiàn)冷凍砂型的高精高效低溫制備過程。