数控铣削用磷酸二氢铝砂坯的制备及其铣削工艺研究

摘要

无模化数控铣削加工砂型因制造速度快、成本低、加工精度高、材料浪费少、污染小等优点，特别适合于各类复杂精密砂型的单件、小批量快速制造，对于提升航空、航天及汽车工业等领域关键零件的快速响应制造能力和制造水平有着重要的作用。目前应用于数控铣削加工用的砂坯仍是沿用原有传统砂型/芯的常用配方和制备方法，因砂型脆性大、韧性差、一致性差，且砂坯组成中的原砂颗粒硬，在铣削加工过程中仍易产生崩角（边）、裂纹、断裂、及表面凹凸、粗糙不平等缺陷。
　　本文结合铣削加工和铸造成型的二者特点，从制备适合于数控铣削加工的砂坯角度入手，采用了原砂为角形系数≤1.10的70-270目的球形宝珠砂，进行了适合于数控铣削用的热硬性、自硬性磷酸二氢铝砂坯的制备研究，研究了原砂粒径、固化温度、粘结剂含量及固化剂含量等对磷酸二氢铝砂坯强度的影响；进行了磷酸二氢铝的热硬性、自硬性砂坯铣削工艺研究，并与覆膜砂砂坯进行对比，着重研究了铣削工艺参数（进给速度、切削深度、切削宽度、主轴转速）对上述三种砂坯切削力的影响规律，并建立了相应的切削力公式，还进一步探讨了砂坯数控铣削过程中磷酸二氢铝砂型断裂机理。
　　研究发现：热硬性和自硬性砂坯中磷酸二氢铝含量对砂坯的强度有着显著影响，随着磷酸二氢铝溶液含量的增加，砂坯的强度明显增大；砂坯中砂粒粒径越细，热硬性和自硬性砂坯的拉伸强度反而越大，其中砂粒粒度为200/270目的自硬性和热硬性砂坯的初强度分别达到了3.31MPa和3.47MPa，比70/140目的砂坯强度分别提高了67.95％和50.87%。
　　热硬性砂随着焙烧温度的提升，其抗拉强度逐步增大，其中磷酸二氢铝含量20%的热硬性砂在800℃时强度达到最大值3.35Mpa；而磷酸二氢铝含量20%的自硬砂固化剂加入量为粘结剂含量的20%时，磷酸二氢铝自硬性砂强度在室温下达到最大值，为1.89Mpa；磷酸盐砂的发气量均小于7ml/g，为实现低发气量精密砂型铸造提供了有利的条件。
　　三种砂坯的切削力的实验结果表明：热硬性和自硬性砂坯的切削力较覆膜砂要大，且三种砂型在Z轴方向都呈现切削力最大，分别为48N、35N，覆膜砂最小为20N，且远大于在X、Y轴方向上的力；主轴转速、进给速度、切削宽度及切削深度对砂坯铣削力的影响差异明显，其中，在主轴转速小于980（r/min），三种砂坯Z轴方向上的最大切削力较平稳，主轴转速大于980（r/min），覆膜砂砂坯和磷酸二氢铝自硬性砂坯切削力稍有下降，而热硬性砂坯切削力缓慢提高；切削宽度、进给速度对砂型的切削力影响较小，而切削深度对砂坯的铣削力影响最大，其随切削深度的增加，切削力呈直线大幅上升；通过线性回归方程拟合得到三种砂坯切削过程中的切削力经验公式，并对该公式进行了显著性检验及相关系数的修正和优化。同样的铣削加工参数下，磷酸二氢铝的热硬性、自硬性砂坯铣削砂型表面粗糙度较覆膜砂砂坯铣削表面更为光滑，其中，在主轴转速1000r/min、吃刀量1mm、进给速度1000mm/min、铣削宽度1mm工艺参数下，热硬性砂性、自硬性砂砂型表面粗糙度分别为5.3μm、4.7μm，均好于覆膜砂砂坯的6.3μm。
　　观察覆膜砂、热硬性砂和自硬性砂铣削试样的断口形貌发现，微观上表现为砂粒与砂粒之间“粘结桥”即砂粒表面粘结膜的断裂；宏观上表现为砂型拐角处断裂、崩角，三种砂坯铣削加工断裂方式均为典型的脆性断裂。采用较高的主轴转速、较小的进给速度、吃刀量及铣削宽度，并在加工有较薄的腔壁型腔时预留较大的加工余量等方法和工艺，可减小砂型铣削崩角、裂纹及断裂，提高砂型的加工效率和表面质量。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 数控铣削砂型成形加工技术特点及原理

1.3 砂型制造技术对比分析

1.4 国内外数控铣削用砂型(芯)的研究现状

1.5 研究目的、研究内容和意义

第二章 实验材料、设备与实验方案

2.1 实验材料

2.2 实验条件及测试仪器

2.3 实验方案

第三章 适合于数控铣削用Al(H2PO4)3砂坯制备及性能研究

3.1 砂坯的制备多组分配比

3.2 磷酸二氢铝砂坯的组成成分配比

3.3 Al(H2PO4)3粘结剂对砂坯性能的影响

3.4 Al(H2PO4)3砂坯拉伸断裂机理分析

3.5 本章小结

第四章 数控铣削砂型切削加工工艺及切削力的分析

4.1 磷酸二氢铝砂坯的特性

4.2 砂型（芯）铣削切削力模型建立

4.3 铣削工艺参数对砂型切削力的影响

4.3 铣削砂型切削力经验公式的建立

4.5 磷酸盐热硬砂、自硬砂、覆膜砂加工质量的对比

4.6 本章小结

第五章 砂型铣削加工过程中断裂机理研究

5.1 砂型铣削机理

5.2 砂型（芯）铣削断裂形成机理

5.3 砂型铣削表面断裂分析及控制

5.4 复杂砂型（芯）数控铣削应用实例

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和参与科研项目

致谢

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