砂型數(shù)控加工銑削機理分析

饒江華 梁小文

摘要： 砂型是由微小的砂粒經(jīng)粘結(jié)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)粘結(jié)而成的，屬于典型的脆性材質(zhì)，其銑削機理完全不同金屬材質(zhì)。本文以覆膜砂砂型為研究對象，以不同銑削深度加工，通過SEM掃描電鏡觀察數(shù)控銑削砂型表面微觀形貌，分析銑削機理。

關(guān)鍵詞： 覆膜砂;銑削機理;微觀形貌

引言

砂型數(shù)控銑削技術(shù)作為新型加工技術(shù)，把鑄造行業(yè)和先進(jìn)制造技術(shù)有機結(jié)合，是對傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的重大改革，具有加工周期短、綠色環(huán)保、精密度高、相應(yīng)快等特點，有利于提高鑄造行業(yè)競爭力，促進(jìn)鑄造行業(yè)的快速發(fā)展，砂型數(shù)控銑削技術(shù)在未來具有廣闊的市場前景。

然而砂坯是由硬度較高的原砂顆粒粘結(jié)而成，存在結(jié)構(gòu)不均勻性、脆性高、韌性差等特性，在銑削加工過程中造成加工表面粗糙凹凸不平等問題，本文針對上述存在的問題，通過SEM掃描電鏡觀察斷裂形貌，分析其銑削機理。

砂型銑削基本特征

在數(shù)控銑削中，砂型受到高速運轉(zhuǎn)刀具擠壓碰撞中，首先破壞的是砂粒間的“粘結(jié)橋”而不是砂粒本身。通過SEM掃描電鏡觀察加工后的砂型的表面結(jié)構(gòu)，可清晰觀察到砂粒之間“粘結(jié)橋”斷裂。

砂型銑削機理模型

均勻材質(zhì)在銑削加工中，受到刀具擠壓，主要表現(xiàn)為彈性變形和塑性變形，而砂型為非均勻材質(zhì)，具有較高的脆性，比較符合典型的脆性材料加工，加工的銑削力遠(yuǎn)小于金屬銑削力，所以砂型的銑削加工斷裂機理完全不同于金屬銑削加工。實質(zhì)上是砂型在高速轉(zhuǎn)動的刀具的切削和擠壓作用下，砂粒間內(nèi)部“粘結(jié)橋”斷裂，刀具移動使裂紋進(jìn)而擴展，砂粒分離的過程。砂型為非均勻材質(zhì)，斷裂機理與銑削力有較大聯(lián)系，而銑削力主要表現(xiàn)在隨著銑削深度加大而增加。因此，提出如圖1所示的兩種不同深度銑削的砂型銑削機理模型。

當(dāng)銑削深度比較小時，如圖1（1），砂型受到刀具多方面擠壓，粘結(jié)橋發(fā)生剪切斷裂并與砂型母體脫離而形成準(zhǔn)連續(xù)切屑為主的斷裂方式，表現(xiàn)出顆粒粉末砂屑狀態(tài)。如圖2（1）。主要原因是在銑削深度較小時，刀具刃口半徑在加工材料表面運動，幾乎不存在應(yīng)力集中，砂粒間粘結(jié)橋幾乎都斷裂，表現(xiàn)為以準(zhǔn)連續(xù)切屑為主，從而產(chǎn)生顆粒粉末狀為主的砂屑。

隨著加工深度增加，且增加到一定深度時，銑削加工區(qū)域?qū)⒅饕憩F(xiàn)為應(yīng)力集中，砂型將出現(xiàn)脆性斷裂，由于為非均勻材質(zhì)，裂紋不同于均勻材質(zhì)的金屬材質(zhì)，在轉(zhuǎn)動刀具擠壓下，切削刃前馬上產(chǎn)生裂紋并向下延伸，由于刀具的不斷轉(zhuǎn)動，裂紋繼續(xù)向前下方延伸，最終延伸到加工表面，從而出現(xiàn)塊狀的斷裂塊屑。如圖2（2），使得銑削加工后砂型表面存在著較多凹坑，加工后表面凹凸不平，且無規(guī)律性。

砂型數(shù)控加工銑削機理分析

數(shù)控加工的對象大部分是是金屬材料，具有基體是連續(xù)均勻介質(zhì)的，被切削工件受到運轉(zhuǎn)刀具的前刀面作用擠壓下，會產(chǎn)生彈性形變、塑性變形和剪切滑移，運動的刀具進(jìn)而使切削層金屬與母體材料分離。砂型的數(shù)控加工機理則不同于金屬材質(zhì)，主要表現(xiàn)為脆性斷裂，一方面，當(dāng)裂紋向上擴展，刀具底面行走路徑近乎平行，加工出的表面較為平整;裂紋深入砂型加工亞表面時，表現(xiàn)出凹坑的脆性斷裂面。另一方面，砂粒間的“粘結(jié)橋”不可能都在加工表面層上，砂粒本身硬度高，運動的刀具與砂粒相遇時，不會直接將砂粒切割，而是破壞粘結(jié)橋，從而迫使砂粒脫離母體，留下大小不同的凹坑，這些斷裂凹坑具有不均勻且無規(guī)則性，因此砂型加工后的表面是一種無規(guī)律分布、大小不同的凹坑組成。

結(jié)論

通過使用SEM掃描電鏡觀察加工后的砂型表面微觀形狀，發(fā)現(xiàn)凹坑數(shù)目與銑削深度的有密切的關(guān)系;由于砂型銑削為脆性斷裂，隨著銑削深度加大，出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋延伸，銑削深度比較淺時，主要以粉末為主;銑削深度比較深時，主要以塊狀為主。銑削隨著深度增加，它的粉末由準(zhǔn)連續(xù)粉向塊狀的轉(zhuǎn)變。

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