機(jī)床制造行業(yè)把卡盤作為機(jī)床的附件，卡盤（即通常稱三爪卡盤，見圖1，或四爪卡盤）是所有機(jī)床構(gòu)造中使用頻率最多零部件，卡盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體剛度要能夠滿足機(jī)床整機(jī)的組裝精度要求，關(guān)鍵性能必須要滿足機(jī)床正常變速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其夾緊度與夾持力的穩(wěn)定性。外觀形狀看似不太復(fù)雜的卡盤，實(shí)際上鑄造起來卻有相當(dāng)難度，因?yàn)榭ūP屬于高速旋轉(zhuǎn)件，一定要保證足夠的剛度和強(qiáng)度，符合技術(shù)要求的強(qiáng)度取決于鑄件本身的致密度，這就是說鑄件不能存在任何的氣孔、砂眼、夾渣和裂紋等缺陷。加之卡盤的所有內(nèi)外圓、端面、孔和槽都要進(jìn)行機(jī)械加工，任何存在于鑄件表面及內(nèi)在的缺陷都是不能存在的。

　　 圖1

過去通常是由鑄造車間以傳統(tǒng)砂型鑄造來完成鑄件的毛坯制作。雖然后來人們采用樹脂砂和覆膜砂熱芯盒來制作型芯，較普通砂型鑄造有長足的進(jìn)步，也取得很好的效果。但是，這些鑄造原材料往往是不可再生或者再生砂的利用率較低，加之對(duì)鑄造操作技能要求高，卡盤其內(nèi)腔的形成必須要下砂芯，為了保證外端面的表面質(zhì)量，而且許多工廠都采用吊芯，即把內(nèi)腔成形的砂芯幾乎完全要懸空固定在分型面的上箱。這樣就很難避免在合箱時(shí)出現(xiàn)掉砂，以及型芯配合不當(dāng)而造成的擠砂、掉砂缺陷。另外，由于砂芯在合箱后一般要等待澆注，也很容易吸潮，所以用砂型鑄造的鑄件以砂眼、氣孔缺陷較多，成品率僅70%左右。因此，鑄造車間一般不愿意接受這種完全機(jī)械加工（俗稱“全扒皮”）的鑄件。在這樣綜合背景影響下，考慮到消失模鑄造不需要下芯、合箱，工序上相對(duì)比較簡單，生產(chǎn)機(jī)床附件的企業(yè)才考慮用消失模鑄造機(jī)床附件卡盤毛坯。

　   １. 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    （1）對(duì)卡盤鑄件特征的分析。圖2所示為三爪卡盤泡塑模樣，圖3所示為三爪卡盤鑄件實(shí)物。將內(nèi)腔圓朝上放置，這與傳統(tǒng)砂型鑄造的吊芯同為一個(gè)道理，即鑄件的重要部位在鑄型中應(yīng)盡量位于下部的凝固原則。實(shí)踐證明，這樣使得卡盤的大端面機(jī)加工后幾乎不存在任何缺陷，但不能套搬砂型鑄造工藝?？ūP鑄件雖然壁厚基本均勻，但由于設(shè)置有卡盤槽，由三等份或四等份把卡盤均分，所以在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)必須讓其能等量均衡充型，三爪卡盤的內(nèi)澆道設(shè)計(jì)為3個(gè)，四爪卡盤的內(nèi)澆道則設(shè)計(jì)為4個(gè)，依此均等分布在內(nèi)圓的上部。上部設(shè)計(jì)的圓環(huán)形狀的冒口，也是依照鑄件的等份結(jié)構(gòu)，冒口頸依然分別設(shè)置是3個(gè)（三爪卡盤）或4個(gè)（四爪卡盤）。設(shè)計(jì)直澆道時(shí)考慮消失模鑄造的特殊性，必須讓泡塑模樣的氣化產(chǎn)物完全進(jìn)入冒口里，因此靜壓頭就不能小，在直澆道截面積不變的情況下，就得把直澆道的高度適當(dāng)加高。為了避免澆注時(shí)間過長，選用半開放式澆注系統(tǒng)，使流道截面積足夠大，使?jié)沧r(shí)整個(gè)過充型程時(shí)間較短，獲得了較為理想的鑄件。

　　 圖2                  

　　 圖3

（2）卡盤泡塑模樣用料的取舍?？紤]到卡盤鑄件技術(shù)要求高，內(nèi)外表面機(jī)加工后不允許有夾渣、氣孔，以及因碳缺陷而產(chǎn)生的任何表面缺陷。雖然共聚料成形后的表面脆性大，而且澆注開始的瞬間發(fā)氣量也大，在與普通EPS價(jià)位相比是3：1情況下，我們分析兩者的利弊之后，為了解決鑄件夾渣、氣孔、皺皮和增碳等缺陷，就得用氣化快、熱解過程存留渣少的STMMA（即共聚料）。生產(chǎn)實(shí)踐證明，我們這樣選取是完全正確的。凡是用STMMA（共聚料）壓制成型的模樣，澆注后的鑄件機(jī)加工后此類缺陷幾乎不存在。在起初安裝調(diào)試模具時(shí)，由于要對(duì)模具進(jìn)行試驗(yàn)，我們曾用普通EPS模料壓制成形過幾個(gè)卡盤模樣，把這幾個(gè)仍然按與共聚料模樣一樣的澆注系統(tǒng)和工藝，但澆注后的卡盤鑄件機(jī)加工后幾乎全部因碳缺陷和夾渣而報(bào)廢。

（3）在策劃澆注系統(tǒng)時(shí)，考慮到卡盤的等分結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計(jì)的內(nèi)澆道、橫澆道也與卡盤的等份完全一致，這樣就保證了充型過程的均衡性，給鑄件均衡凝固人為地創(chuàng)造了條件，在機(jī)加工過程也反映出鑄件的硬度非常一致，沒有如其他鑄件所出現(xiàn)的硬度差較大的問題。對(duì)于冒口系統(tǒng)的設(shè)置，冒口頸也與卡盤的等份完全一致，冒口頸上部設(shè)置相連接的圓環(huán)（圓的內(nèi)外徑和卡盤基本相同）形狀冒口體，足以存儲(chǔ)先頭流經(jīng)型腔因熔解、氣化模樣而逐漸降溫的鐵液進(jìn)入圓環(huán)冒口體內(nèi)（圖4所示為組裝并粘結(jié)系統(tǒng)后的卡盤模樣），當(dāng)然設(shè)計(jì)的主要意圖是要收集儲(chǔ)存消失模鑄造所用的泡沫塑料模樣（即白件）熱解物以及未氣化的殘?jiān)?。澆注后我們把圓環(huán)冒口體橫向切割后研磨，觀察其截面，發(fā)現(xiàn)有很明顯的積碳物和渣質(zhì)，這就證明達(dá)到了我們設(shè)計(jì)時(shí)集渣的預(yù)期目的。當(dāng)時(shí)，我們設(shè)計(jì)澆冒系統(tǒng)的目的，對(duì)消失模鑄造而言要為熱解產(chǎn)物、未氣化的殘?jiān)敖o出路”，要讓這些有害的東西有地方去，還能存儲(chǔ)起來，只有鑄件的型腔排除了殘?jiān)?，才能鑄造出內(nèi)在無缺陷、表面完美的高質(zhì)量鑄件。

　　圖4

　?。?）為了提高工藝出品率，我們曾經(jīng)用串鑄的澆注工藝做過試驗(yàn)，包括其中使用過“一串二”和“一串三”，結(jié)果成品率均很低，這與澆注系統(tǒng)仍然用普通EPS料制作冒口有決定性關(guān)系。這樣情況下，當(dāng)?shù)诙虻谌颓怀湫偷臅r(shí)候，第一或第二個(gè)澆冒口系統(tǒng)的EPS材料沒有完全氣化的渣和熱解產(chǎn)物就會(huì)進(jìn)入上面的型腔里，結(jié)果是導(dǎo)致上層模樣型腔形成雙重?zé)峤庠茈y氣化完全，在附壁效應(yīng)的作用下粘附在型腔壁上，另外就是鑄件的表面出現(xiàn)很多的積碳、夾渣缺陷。我們的觀察也是如此，基本是最底層的鑄件比上層的第二個(gè)鑄件缺陷少，甚至沒有缺陷， “一串三”的情況也是如此。

?。?卡盤鑄件的材質(zhì)控制

（1）機(jī)床附件卡盤的材質(zhì)要求是HT300，就此我們?yōu)榱诉_(dá)到并符合機(jī)床制造企業(yè)的技術(shù)條件，在工藝設(shè)計(jì)的同時(shí)我們也注意到卡盤材質(zhì)的技術(shù)控制。首先，利用好熔化設(shè)備是中頻感應(yīng)電爐的有利條件，在材質(zhì)配料上，我們堅(jiān)持常規(guī)五大元素化學(xué)成分符合規(guī)范要求，這樣才是能夠獲得符合力學(xué)性能的基礎(chǔ)；其次，不能忽略一些合金元素和有害元素在其中所起的作用。如原生鐵Ti的影響，因生鐵使用量的多少會(huì)直接影響材料中Ti的含量，對(duì)材料力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。同樣廢鋼是許多合金元素的來源，因此廢鋼用量對(duì)鑄鐵的力學(xué)性能的影響是很直接的。在電爐投入使用的初期，我們沿用了沖天爐的爐料配比（生鐵：25～35%，廢鋼：30～35%，其余為回爐鐵），結(jié)果材料的力學(xué)性能較低。當(dāng)我們及時(shí)調(diào)整了廢鋼的用量后，問題很快得到了解決，因此廢鋼在熔化過程中是一項(xiàng)非常重要的控制參數(shù)。爐料配比對(duì)鑄鐵材料的力學(xué)性能有著直接的影響，這就是熔煉控制的重點(diǎn)。

    （2）為了得到高強(qiáng)度的灰鑄鐵，保證其鑄件的抗拉強(qiáng)度在300MPa以上，從提高強(qiáng)度方面來講，我們采取的方法：一是改變爐料的組成，增大廢鋼的加入量，從而降低碳當(dāng)量并進(jìn)行包內(nèi)和后孕育處理；二是加入少量合金元素與孕育相結(jié)合的措施。第一種方法方法由于降低了碳、硅含量，其碳當(dāng)量較低，減少了石墨數(shù)量，細(xì)化了石墨，增加了初析奧氏體枝晶量，從而提高了鑄鐵的強(qiáng)度。但需注意的是，碳當(dāng)量的降低會(huì)導(dǎo)致鑄件性能的降低，鑄件斷面敏感性增大，鑄件內(nèi)應(yīng)力增加，硬度上升，造成加工困難等問題。第二種方法是利用在爐前加入少量合金元素，適當(dāng)促進(jìn)和強(qiáng)烈穩(wěn)定鑄件內(nèi)部珠光體的形成，并部分細(xì)化珠光體，強(qiáng)化鐵素體，形成適量的碳化物，同時(shí)應(yīng)使原鐵液保持較高的碳當(dāng)量，使其白口傾向減少，鑄造性能好，不易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，符合了機(jī)床附件企業(yè)的機(jī)械加工技術(shù)要求。

（3）在液態(tài)鑄鐵中加入孕育劑，可以形成大量亞顯微核心，促使共晶團(tuán)在液相中生成。接近共晶凝固溫度時(shí)，生核處首先形成細(xì)小的石墨片，并由此成長為共晶團(tuán)。每一個(gè)共晶團(tuán)的形成，都會(huì)向周圍的液相釋放少量的熱，形成的共晶團(tuán)越多，鑄鐵的凝固速率就越低。凝固速率的降低，就有助于按鐵－石墨穩(wěn)定系統(tǒng)凝固，而且能得到較多的A型石墨組織，保證了基體組織符合技術(shù)條件。 

考慮到電爐出鐵時(shí)用75SiFe進(jìn)行孕育處理，孕育效果會(huì)很快隨時(shí)間的推移而衰退，孕育后6～8min，作用的衰退可在50％以上，經(jīng)大約15min后，孕育作用可能會(huì)大部或全部消失。為確?？ūP鑄件的質(zhì)量，我們要求澆注工必須做到孕育后10min內(nèi)澆注完畢。另外，鐵液注入鑄型時(shí)，在澆包嘴處再次加入不同添加劑進(jìn)行多元化微量孕育，這種后孕育的效果非常顯著。孕育前后由爐前工分別檢測三角試塊白口寬度，孕育前控制為5～7mm,孕育后控制在1～2mm。在材質(zhì)控制上所做的努力同樣是提高卡盤成品率非常重要的技術(shù)措施。

（4）為了確?？ūP鑄件內(nèi)在質(zhì)量及切削性能的穩(wěn)定，鑄造車間加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝管理。對(duì)熔煉工部要求所用的原材料必須嚴(yán)格控制，做好爐料管理，分類堆放，入爐時(shí)準(zhǔn)確稱量。尤其是對(duì)要加入的廢鋼，堅(jiān)持精挑細(xì)選，防止Cr、Te、V等阻礙石墨化元素含量高的廢鋼加入，減少對(duì)切削加工的影響。對(duì)清理工部嚴(yán)格控制鑄件出箱時(shí)間，防止因?yàn)榉涑龌钸^早、冷卻過快而導(dǎo)致鑄件表面硬度超標(biāo)。消失模鑄造的工序過程控制更應(yīng)從嚴(yán)細(xì)化，每個(gè)環(huán)節(jié)都嚴(yán)格把關(guān)，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。  

對(duì)機(jī)床附件卡盤采用消失模鑄造時(shí)，既吸收傳統(tǒng)砂型鑄造工藝的長處，把大端面朝下放置，又利用消失模鑄造的特性，設(shè)置圓環(huán)形集渣、補(bǔ)縮冒口，以及等量均衡充型的澆注系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的普通砂型鑄件相比，滿足了產(chǎn)品的技術(shù)要求，鑄件各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均高于砂型鑄造鑄件，單體重量減輕12%，鑄件尺寸精度達(dá)到了CT8級(jí)，重量精度也達(dá)到MT7級(jí)，機(jī)械加工的廢品率降低20%左右。另外，采用消失模鑄造，原材料消耗減少，生產(chǎn)車間的環(huán)境明顯改善，作業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度有所降低，充分顯示了消失模鑄造的優(yōu)越性。