铸造砂箱柔性加工精度与效率提升工艺研究

刘民宪，高景明，李 健，张兆瑞

（国机铸锻机械有限公司，山东 济南 250306）

摘要：针对传统砂箱加工方式存在的加工效率低、质量稳定性差及同批次尺寸一致性难以保证等问题，本研究开发并实践了一套砂箱自动柔性加工机组解决方案。通过优化柔性加工线的工艺流程，并对关键环节的夹具、刀具及数控程序进行系统性改进与创新，显著提升了加工系统的稳定性与智能化水平。实践结果表明：该工艺使砂箱加工的一次交检合格率提升至99.39%，生产效率提升至98.60%，有效保证了砂箱的高精度、高一致性与高效生产，为铸造行业提供了可靠的工艺示范。

关键词：砂箱加工；柔性制造系统；夹具优化；刀具创新；数控编程；加工精度

中图分类号：TG2 文献标识码：A

Research on Improving Precision and Efficiency of Flexible Machining Process for Foundry Sand Box

LIU Minxian,GAO Jingming, LI Jian, ZHANG Zhaorui

(Sinomach Foundry and Metal Forming Co., Ltd., Jinan 250306, Shandong)

Abstract: To address the issues of low processing efficiency, poor quality stability, and difficulty in ensuring dimensional consistency within batches in traditional sand box machining, this study developed and implemented an automated flexible machining cell solution for sand boxes. By optimizing the process flow of the flexible machining line and systematically improving and innovating key aspects such as fixtures, cutting tools, and CNC programs, the stability and intelligence of the machining system were significantly enhanced. Practical results show that this process increased the first-pass yield of sand box machining to 99.39% and production efficiency to 98.60%, effectively ensuring high precision, high consistency, and high-efficiency production of sand boxes, providing a reliable process demonstration for the foundry industry.

Keywords: Sand Box Machining; Flexible Manufacturing System (FMS); Fixture Optimization; Tool Innovation; CNC Programming; Machining Accuracy。

0 引言

砂箱是静压造型线及整个铸造装备中的关键工艺装备，其主要功能在于成型铸型，便于型砂填充与压实、砂型翻转搬运，并承受金属液冲刷作用力。砂箱的加工精度与质量直接决定了铸件的尺寸精度与表面质量，进而影响整个铸造生产线的效率与稳定性。

传统的砂箱加工普遍依赖通用机床进行单件、多工序加工，存在生产周期长、占地面积大、多次装夹引入误差、以及严重依赖操作人员技术水平等问题，导致加工精度与效率难以满足现代高效铸造生产的需求。为解决上述痛点，本研究基于柔性制造系统理念，自主设计研发了砂箱柔性加工机组，并围绕加工流程、夹具、刀具及控制程序等核心环节进行了系列工艺创新与优化，旨在实现砂箱加工精度与效率的同步提升。

1 砂箱柔性加工系统构成与工艺流程

本研究构建的砂箱柔性加工线主要由桁架机器人、数控卧式双面加工中心、数控卧式双面铣床、在线检测装置等单元集成而成，其核心工艺流程如图1所示。

图1.1 桁架机械手	图1.2双面加工中心	图1.3双面铣床（2台）	图1.4双面加工中心

[图1 砂箱柔性加工线工艺流程示意图]
1.1上料与输送：采用龙门式桁架机器人，具备X、Z向运动能力，负责砂箱毛坯在各加工工位与机床工作台之间的精准抓取、输送与放置。

1.2核心加工工序：

工序一（OP1）：在首台数控卧式双面加工中心上，完成砂箱基准面（30mm宽平面）及两个定位孔（φ55H7）的加工，为后续工序提供精基准。

工序二（OP2）：在数控卧式双面铣床上，以OP1加工的基准面和定位孔进行定位夹紧，铣削砂箱长度方向的两个侧立面。

工序三（OP3）：在另一台数控卧式立轴双面铣床上，同样以OP1的基准定位，铣削砂箱两侧边的上、下表面（铣削宽度50mm，加工余量5mm）。

工序四（OP4）：在末台数控卧式双面加工中心上，完成其余各类孔系、端面等特征的精密加工。

1.3在线检测与反馈：在关键工序（如OP1后）设置接触式测头，用于检测并补偿砂箱因毛坯差异或装夹产生的定位误差，实现加工坐标系的自动修正，形成精度控制的闭环。

1.4下线装配：完成所有加工工序的砂箱经由桁架机器人送至下线工位，进行后续清理、检验与装配工作。

该流水线布局实现了砂箱从毛坯到成品的连续自动化加工，减少了中间转运与重复装夹时间，为提升整体效率奠定了基础。

2 关键工艺技术改进与创新

2.1 夹具系统的优化

桁架机器人卡爪是保证砂箱在输送过程中定位精度的关键。针对砂箱夹持面为铸造毛坯面（非理想平面）且带有拔模斜度的问题，对卡爪进行了两项关键改进：

2.1.1接触面优化：将卡爪与砂箱的接触面设计为十字形分割式结构（图2a, 2b）。该设计能自适应毛坯面的不平度，有效避开高点，增大实际接触面积，从而显著提高摩擦力，防止砂箱在垂直输送过程中发生滑移。

图2.a	图2.b
图2.c	图2.d

[图2 卡爪结构改进示意图 (a)改进前 (b)改进后 (c)旋转防滑原理 (d)输送防滑原理]

2.1.2旋转防滑移设计：针对机械手带动砂箱旋转时易发生位移的风险，将卡爪的横向夹持角度适度增加，使远离旋转中心的夹持部分先接触工件，增大力臂（图2c, 2d）。这一改进有效提升了旋转时的防滑能力，确保了姿态变换过程中的定位稳定性。

2.2 专用刀具的开发与应用

针对砂箱内部挂箱勾销轴安装孔端面（图3a）加工可达性差、传统刀具无法有效加工的难题，研制了专用固定式粗镗刀（图3b）。

图3a	图3b

[图3 (a) 销轴安装内孔端面示意图 (b) 定制固定式粗镗刀结构图]

2.2.1结构特点：刀头直径（Φ50mm）略小于通过孔（Φ55mm），刀杆直径（Φ32mm）显著减小。

2.2.2工作原理：刀头通过Φ55mm孔后，利用刀杆与孔壁间的间隙（半径方向活动空间达11.5mm），使刀头能在端面范围内进行铣削运动，最终可将端面加工至接近Φ73mm。

2.3.3优势：采用标准机夹刀片，刀具寿命长、更换便捷；支持两轴联动编程，加工平稳性好；相比原有人工磨制高速钢刀具的加工方式，加工效率提升约3倍，且表面质量显著改善。

2.3 数控程序的优化与双通道控制

为充分发挥柔性加工机组效能，对数控系统（以西门子840D为例）程序进行了深度优化：

2.3.1.夹紧力智能控制：通过编程设定夹紧力检测阈值（如电机扭矩的15%），并使其在输送指令（如G90G1X1=-630F500）中生效，确保夹持可靠且不过载。

FXS[X1]=0; // 取消夹紧力检测

FXST[X1]=15; // 设定检测阈值为15%

FXSW[X1]=100; // 设定最大夹紧力为100%

FXS[X1]=1; // 使能夹紧力检测

G90 G1 X1=-630 F500; // 执行移动

2.3.2.智能上下料逻辑：利用系统变量（如$A_DBB[n]）构建条件判断语句，实现加工单元与桁架机器人之间的协同调度，确保上下料动作准确、有序。

IF (($A_DBB[5]==1) AND ($A_DBB[1000]==1)) GOTO N100; // OP1-1就绪判断

2.3.3.双通道同步/异步加工技术：利用双通道数控系统的“抓轴（GETD）”、“联动（TRAILON）”、“释放（RELEASE）”等指令，实现两台加工中心既可同步加工相同工序以提高效率，也可异步执行不同工序以增加柔性，并通过“等待”机制协调双方动作，最大限度减少空闲时间。

GETD(Y2,Z2,S2); // 通道2抓取Y2,Z2,S2轴

TRAILON(Y2,Y1,1); // 使Y2轴与Y1轴联动

… // 执行同步加工

TRAILOF(Y2,Y1); // 解除联动

RELEASE(Y2,Z2,S2); // 通道2释放轴

3 加工质量与生产效率分析

3.1 质量保证体系

引入进口Leica激光跟踪仪进行在线与最终检测（图4），对砂箱的关键尺寸、位置度、形状公差进行μm级精密测量。检测数据实时反馈至加工中心，用于刀具补偿或工艺参数优化，形成全闭环质量控制，确保了整条静压造型线所用大量砂箱（168至486组不等）均具备完全互换性。

图4a	图4b

[图4 Leica激光跟踪仪进行 (a)加工件检测 (b)装配精度检测]

3.2 生产效率评估

采用台时定额法对生产效率进行量化评估。设定tpi为砂箱i在机组j加工的台时定额，ni为砂箱i的年计划产量，tij为机组j加工砂箱i的单位产品台时定额，N为砂箱年总产量，则总平均台时定额Tp计算公式为： Tp = Σ(n_i / N) * tij

通过对比工艺改进前后连续一年的生产数据（表1），结果表明：

[表1 工艺改进前后关键指标对比]

指标	改进前	改进后
生产效率	~92%	98.60%
一次交检合格率	~96%	99.39%

4 结论

本研究通过构建砂箱柔性自动化加工线，并实施以夹具优化、专用刀具创新和智能数控编程为核心的一系列工艺改进措施，成功解决了传统砂箱加工中的精度、效率与一致性难题。经过生产实践验证：

4.1.砂箱加工质量显著提升，一次交检合格率达到99.39%，实现了μm级精度控制与完全互换。

4.2生产线运行效率高达98.60%，生产节拍紧凑，自动化程度高。

4.3该工艺系统具有较强的工程应用价值和推广意义，不仅提升了企业自身的核心竞争力，也为国内外用户静压造型线的高效稳定运行提供了坚实保障，创造了显著的经济与社会效益。

未来的研究方向包括进一步集成刀具寿命预测、设备健康管理等智能运维功能，以持续提升该柔性加工系统的智能化水平与可靠性。

参考文献

[1] 张春林. 机械创新设计[M]. 北京：机械工业出版社，2018.
[2] 任红兴, 杨保. 精加工铸件三维检测技术的应用[J]. 中国铸造装备与技术，2014(3):65-66.
[3] SIEMENS WinCC手册[M]. 西门子（中国）有限公司，2014.
[4] 李伟，王建国. 柔性制造系统及其应用[M]. 北京：国防工业出版社，2015.

作者简介：刘民宪 19790517 男 山东济南 汉 本科 工程师 国机铸锻机械有限公司 研究方向:铸锻设备机械设计及工艺

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