现代铸件日趋复杂化、薄壁化和整体化,并对高质量铸件的制造水平提出更高的要求,这些趋势都加大了铸件制造难度和延长了制备周期。而无模化数控铣削砂型技术是将现代先进数控技术和传统铸造技术相结合在一起的一种全新的制造方法,具有制造速度快、成本低、加工精度高及污染小等优点,尤其适合于单件、小批量的各类复杂砂型的快速制造,对于提升航空、航天及汽车等领域关键零件的制造能力和水平有着重要的作用。国内外对无模化砂型数控铣削技术进行了一定的研究,并已将数控铣削的砂型成功应用于复杂零件的制造,但目前在铣削砂坯的制备及数控铣削加工工艺等仍有一些关键技术性难题亟待解决,其具体表现在砂型数控铣削加工中还存在容易崩角、锯齿边、裂纹,及砂型表面凹凸、粗糙不平等缺陷。针对这些问题,本文从适合于数控铣削加工的砂坯制备和数控铣削加工工艺入手,采用了角形系数≤1.1的宝珠砂作为原砂,重点分析了不同粒径的砂粒级配对砂坯性能的影响,进行了树脂含量和固化剂的含量单因素的改变对呋喃树脂自硬砂性能的影响实验,并与覆膜砂砂坯进行对比;另外,还着重研究了铣削工艺参数(主轴转速、进给速度、铣削深度及铣削宽度)对加工砂型表面粗糙度的影响规律,并揭示了砂型铣削机理。研究发现:采用近球形的宝珠砂作为原砂,砂粒表面光滑,砂粒之间不存在相互嵌合,同时,原砂选用粒度级配140/270目的宝珠砂,相比于70/140、100/200目的粒度级配更适合于数控铣削,其主要原因是砂粒排列更紧凑,细砂填充到粗颗粒间较充分,小颗粒紧密有序的分布在大颗粒之间,使砂粒间的“粘结桥”数目增多,“粘结桥”尺寸减少,砂坯显微缺陷减少。树脂砂中的呋喃树脂的含量对砂坯强度有着显著的影响,随着粘结剂含量的增加,砂坯的强度和发气量呈现上升趋势,当加入量达到3%时,砂坯抗拉强度达到1.20MPa,发气量达到18ml/g;而固化剂的含量大于50%后对砂坯的强度的影响不显著,反而增加了发气量。而2%树脂含量的覆膜砂砂坯抗拉强度≥3MPa以上,发气量仅为10ml/g,结合数控铣削和铸造的特点,覆膜砂砂坯运用于数控铣削具有明显的优势。覆膜砂砂坯数控铣削工艺实验的结果表明:铣削工艺参数对加工的砂型质量有较大的影响,其砂型表面粗糙度随着进给速度和铣削深度增加而增加,随着主轴转速的增加反而减少,而铣削宽度影响不大,影响程度大小顺序为:铣削深度>进给速度>主轴转速>铣削宽度;其中在铣削层厚大于2mm时,砂型表面质量急剧下降。因此,降低铣削深度和进给速度,提高主轴转速可提高砂型加工表面质量。在最优铣削工艺参数为n=2000r/min,v=300mm/min,pa=1mm,ea=2mm条件下,采用铣削覆膜砂砂型浇注的铝合金铸件表面粗糙度为8.6μm,明显优于同条件下的自硬砂的21.3μm。铣削砂型表面的SEM扫描电镜表明,砂粒本身完全没有受到破坏,断口明显为砂粒粒之间的“粘结桥”处断裂。进一步观察砂屑及表面微观形貌发现,铣削层厚较大的砂型表面凹坑数量明显多于铣削层厚较浅的砂型表面。随着铣削深度的增加,砂型铣削产生的砂屑由准连续粉末为主的切屑逐渐向断裂块为主的砂屑转变,致使铣削加工砂型自由平面砂粒随着块状砂屑而出,形成铣削表面出现不同深度的裂纹及凹坑,这是形成砂型表面粗糙的根本原因。在上述研究结果基础上,进行了典型复杂叶片砂型的制备,制定和优化了适合叶片砂型数控铣削的粗加工、半精加工和精加工的编程策略、加工参数和加工刀具,能够在9小时短时间内完成了该复杂砂型的制备,相比于其激光烧结减少了51小时,同时还提高了砂型的加工精度和表面粗糙度,实现了精密砂型的快速铣削。