274 工程科学学报，第43卷，第2期 casting,the technology of sand-mold near-net forming with digital flexible extrusion effectively shortens the development cycle of castings.The basic research on sand mold efficiently achieves high-quality and near-net forming of sand molds with digital flexible extrusion.The research improves the digital level,eco-friendliness,and efficiency level of pattern-less casting technology. KEY WORDS digital flexible forming;pattern-less casting;milling process;resin sand;sand surface properties 基于去除加工原理的砂型无模铸造精密成形 圆柱形砂型试样夹在旋转试验仪上旋转，用钢丝 技术-，是一种直接铸型快速、绿色制造方法，通 针布刷在旋转的砂型试样表面进行刷磨，旋转30S 过现代数控加工技术和传统铸造技术之间的融 后称量被磨下的砂粒质量，即为砂型的表面安定 合，快速制造出所需砂型60实现了铸件生产的 性，其测试原理如图1所示.由于表面性能试验的 数字化、精密化、柔性化、自动化、绿色化- 试样在筛上易出现不规则的颠簸翻滚，从而使掉 据统计，由于型砂质量问题引起的铸件废品 落的砂量波动较大，所以本实验选用表面安定性 占所有废品总数的60%~70%5-20砂型表面质量 来表征砂型表面质量 是砂型质量的重要要素之一，其直接影响到铸件 Needle brush 的表面质量，甚至影响铸件的性能及质量.传统砂 型的表面质量可以由砂型抗拉强度间接表征.数 Load weight 字化柔性挤压成形的砂型表面受到切削刀具的刮 削2-2，容易使的砂型表面产生细小裂纹，导致砂 Rotation axis Sample 型表面出现松散、易脱落、表面质量降低；而且铣 图1表面性能测试原理 削后的砂型表面存在着大量硬而微小的砂屑，如 Fig.I Diagram of the surface property test 果直接用点触法测量，触头接触砂型表面，相当于 1.2实验材料 触头在砂轮上移动，极易损坏测量设备：这时砂型 试验材料：砂型材质为树脂砂，型砂选取硅砂、 的表面质量不能由砂型抗拉强度来表征.表面粗 宝珠砂和铬铁矿砂，粘结材料选用碱性酚醛树脂 糙度也不能反映出砂型表面的松散程度及砂型 和固化剂.试验用仪器及设备：CAMTC-SMM3000S 的表面质量.本文采用表面性能来表征数字化柔 型号砂型数字化无模铸造精密成形机，表面性能 性挤压砂型的表面质量，旨在为高效率、高精度、 试验仪，SHY叶片式树脂砂混砂机碗型混砂机，百 低成本的数字化柔性挤压成形技术提供一些理论 分之一电子天平.试验条件：砂温(20吐2)℃：室温 基础 (25±2)℃；相对湿度(50吐5)%.混制的砂型在数字 1实验设计 化精确成形机上切削出砂型安定试样，如图2所示. 11表面质量的测定方法 传统的砂型表面质量表征是表面安定性27 传统黏土砂表面安定性的试样无法从砂型中取 得，而自制的表面性能及表面安定性试样不能真 实表征传统砂型的表面质量.用抗拉强度间接表 示表面性的也不多，不是通行做法.数字化柔性挤 压成形技术可以对砂型进行切削，可直接从砂型 中切取表面性能及表面安定性试样，从而使表面 图2试样加工 性能及表面安定性能真实表征数字化柔性挤压砂 Fig.2 Sample processing 型的表面质量. 2 砂型粘结颗粒模型 砂型的表面性能以试验前后试样质量的变化 来表示：将2个圆柱形标准试样，试样尺寸Φ50mm× 砂型的强度失效在微观上为型砂间粘结材料 50mm,并列放置于滚筒筛中，圆筒转动30s后停 的粘结桥的断裂，宏观上可认为是与岩石类似的 止旋转，称量从筛孔中掉下的砂粒质量，与原试样 脆性力学行为28-2树脂砂型由原砂和粘结剂经 质量的比值为砂型的表面性能.表面安定性是把 混合后固化而成，型砂之间的微观接触形式可分casting, the technology of sand-mold near-net forming with digital flexible extrusion effectively shortens the development cycle of castings. The basic research on sand mold efficiently achieves high-quality and near-net forming of sand molds with digital flexible extrusion. The research improves the digital level, eco-friendliness, and efficiency level of pattern-less casting technology. KEY WORDS    digital flexible forming；pattern-less casting；milling process；resin sand；sand surface properties 基于去除加工原理的砂型无模铸造精密成形 技术[1−5] ，是一种直接铸型快速、绿色制造方法，通 过现代数控加工技术和传统铸造技术之间的融 合，快速制造出所需砂型[6−10] . 实现了铸件生产的 数字化、精密化、柔性化、自动化、绿色化[11−15] . 据统计, 由于型砂质量问题引起的铸件废品 占所有废品总数的 60%～70% [15−20] . 砂型表面质量 是砂型质量的重要要素之一，其直接影响到铸件 的表面质量，甚至影响铸件的性能及质量. 传统砂 型的表面质量可以由砂型抗拉强度间接表征. 数 字化柔性挤压成形的砂型表面受到切削刀具的刮 削[21−26] ，容易使的砂型表面产生细小裂纹，导致砂 型表面出现松散、易脱落、表面质量降低；而且铣 削后的砂型表面存在着大量硬而微小的砂屑，如 果直接用点触法测量，触头接触砂型表面，相当于 触头在砂轮上移动，极易损坏测量设备；这时砂型 的表面质量不能由砂型抗拉强度来表征. 表面粗 糙度也不能反映出砂型表面的松散程度及砂型 的表面质量. 本文采用表面性能来表征数字化柔 性挤压砂型的表面质量，旨在为高效率、高精度、 低成本的数字化柔性挤压成形技术提供一些理论 基础. 1    实验设计 1.1    表面质量的测定方法 传统的砂型表面质量表征是表面安定性[27] . 传统黏土砂表面安定性的试样无法从砂型中取 得，而自制的表面性能及表面安定性试样不能真 实表征传统砂型的表面质量. 用抗拉强度间接表 示表面性的也不多，不是通行做法. 数字化柔性挤 压成形技术可以对砂型进行切削，可直接从砂型 中切取表面性能及表面安定性试样，从而使表面 性能及表面安定性能真实表征数字化柔性挤压砂 型的表面质量. 砂型的表面性能以试验前后试样质量的变化 来表示：将 2 个圆柱形标准试样，试样尺寸 ϕ50 mm× 50 mm，并列放置于滚筒筛中，圆筒转动 30 s 后停 止旋转，称量从筛孔中掉下的砂粒质量，与原试样 质量的比值为砂型的表面性能. 表面安定性是把 圆柱形砂型试样夹在旋转试验仪上旋转，用钢丝 针布刷在旋转的砂型试样表面进行刷磨，旋转 30 s 后称量被磨下的砂粒质量，即为砂型的表面安定 性，其测试原理如图 1 所示. 由于表面性能试验的 试样在筛上易出现不规则的颠簸翻滚，从而使掉 落的砂量波动较大，所以本实验选用表面安定性 来表征砂型表面质量. Needle brush Rotation axis Sample Load weight O2 图 1 表面性能测试原理 Fig.1 Diagram of the surface property test 1.2    实验材料 试验材料：砂型材质为树脂砂，型砂选取硅砂、 宝珠砂和铬铁矿砂，粘结材料选用碱性酚醛树脂 和固化剂. 试验用仪器及设备：CAMTC-SMM3000S 型号砂型数字化无模铸造精密成形机，表面性能 试验仪，SHY 叶片式树脂砂混砂机碗型混砂机，百 分之一电子天平. 试验条件：砂温（20±2） ℃；室温 （25±2） ℃；相对湿度（50±5）%. 混制的砂型在数字 化精确成形机上切削出砂型安定试样，如图 2 所示. 图 2 试样加工 Fig.2 Sample processing 2    砂型粘结颗粒模型 砂型的强度失效在微观上为型砂间粘结材料 的粘结桥的断裂，宏观上可认为是与岩石类似的 脆性力学行为[28−29] . 树脂砂型由原砂和粘结剂经 混合后固化而成，型砂之间的微观接触形式可分 · 274 · 工程科学学报，第 43 卷，第 2 期