机床件消失模铸造技术 有相对优势

机床制造行业把卡盘作为机床的附件，卡盘（即通常称三爪卡盘，见图1，或四爪卡盘）是所有机床构造中使用频率最多零部件，卡盘的结构强度和整体刚度要能够满足机床整机的组装精度要求，关键性能必须要满足机床正常变速运转时其夹紧度与夹持力的稳定性。外观形状看似不太复杂的卡盘，实际上铸造起来却有相当难度，因为卡盘属于高速旋转件，一定要保证足够的刚度和强度，符合技术要求的强度取决于铸件本身的致密度，这就是说铸件不能存在任何的气孔、砂眼、夹渣和裂纹等缺陷。加之卡盘的所有内外圆、端面、孔和槽都要进行机械加工，任何存在于铸件表面及内在的缺陷都是不能存在的。

图1

过去通常是由铸造车间以传统砂型铸造来完成铸件的毛坯制作。虽然后来人们采用树脂砂和覆膜砂热芯盒来制作型芯，较普通砂型铸造有长足的进步，也取得很好的效果。但是，这些铸造原材料往往是不可再生或者再生砂的利用率较低，加之对铸造操作技能要求高，卡盘其内腔的形成必须要下砂芯，为了保证外端面的表面质量，而且许多工厂都采用吊芯，即把内腔成形的砂芯几乎完全要悬空固定在分型面的上箱。这样就很难避免在合箱时出现掉砂，以及型芯配合不当而造成的挤砂、掉砂缺陷。另外，由于砂芯在合箱后一般要等待浇注，也很容易吸潮，所以用砂型铸造的铸件以砂眼、气孔缺陷较多，成品率仅70%左右。因此，铸造车间一般不愿意接受这种完全机械加工（俗称“全扒皮”）的铸件。在这样综合背景影响下，考虑到消失模铸造不需要下芯、合箱，工序上相对比较简单，生产机床附件的企业才考虑用消失模铸造机床附件卡盘毛坯。

１. 浇注系统的设计

（1）对卡盘铸件特征的分析。图2所示为三爪卡盘泡塑模样，图3所示为三爪卡盘铸件实物。将内腔圆朝上放置，这与传统砂型铸造的吊芯同为一个道理，即铸件的重要部位在铸型中应尽量位于下部的凝固原则。实践证明，这样使得卡盘的大端面机加工后几乎不存在任何缺陷，但不能套搬砂型铸造工艺。卡盘铸件虽然壁厚基本均匀，但由于设置有卡盘槽，由三等份或四等份把卡盘均分，所以在设计浇注系统时必须让其能等量均衡充型，三爪卡盘的内浇道设计为3个，四爪卡盘的内浇道则设计为4个，依此均等分布在内圆的上部。上部设计的圆环形状的冒口，也是依照铸件的等份结构，冒口颈依然分别设置是3个（三爪卡盘）或4个（四爪卡盘）。设计直浇道时考虑消失模铸造的特殊性，必须让泡塑模样的气化产物完全进入冒口里，因此静压头就不能小，在直浇道截面积不变的情况下，就得把直浇道的高度适当加高。为了避免浇注时间过长，选用半开放式浇注系统，使流道截面积足够大，使浇注时整个过充型程时间较短，获得了较为理想的铸件。

图2

图3

（2）卡盘泡塑模样用料的取舍。考虑到卡盘铸件技术要求高，内外表面机加工后不允许有夹渣、气孔，以及因碳缺陷而产生的任何表面缺陷。虽然共聚料成形后的表面脆性大，而且浇注开始的瞬间发气量也大，在与普通EPS价位相比是3：1情况下，我们分析两者的利弊之后，为了解决铸件夹渣、气孔、皱皮和增碳等缺陷，就得用气化快、热解过程存留渣少的STMMA（即共聚料）。生产实践证明，我们这样选取是完全正确的。凡是用STMMA（共聚料）压制成型的模样，浇注后的铸件机加工后此类缺陷几乎不存在。在起初安装调试模具时，由于要对模具进行试验，我们曾用普通EPS模料压制成形过几个卡盘模样，把这几个仍然按与共聚料模样一样的浇注系统和工艺，但浇注后的卡盘铸件机加工后几乎全部因碳缺陷和夹渣而报废。

（3）在策划浇注系统时，考虑到卡盘的等分结构，我们设计的内浇道、横浇道也与卡盘的等份完全一致，这样就保证了充型过程的均衡性，给铸件均衡凝固人为地创造了条件，在机加工过程也反映出铸件的硬度非常一致，没有如其他铸件所出现的硬度差较大的问题。对于冒口系统的设置，冒口颈也与卡盘的等份完全一致，冒口颈上部设置相连接的圆环（圆的内外径和卡盘基本相同）形状冒口体，足以存储先头流经型腔因熔解、气化模样而逐渐降温的铁液进入圆环冒口体内（图4所示为组装并粘结系统后的卡盘模样），当然设计的主要意图是要收集储存消失模铸造所用的泡沫塑料模样（即白件）热解物以及未气化的残渣。浇注后我们把圆环冒口体横向切割后研磨，观察其截面，发现有很明显的积碳物和渣质，这就证明达到了我们设计时集渣的预期目的。当时，我们设计浇冒系统的目的，对消失模铸造而言要为热解产物、未气化的残渣“给出路”，要让这些有害的东西有地方去，还能存储起来，只有铸件的型腔排除了残渣，才能铸造出内在无缺陷、表面完美的高质量铸件。

图4

（4）为了提高工艺出品率，我们曾经用串铸的浇注工艺做过试验，包括其中使用过“一串二”和“一串三”，结果成品率均很低，这与浇注系统仍然用普通EPS料制作冒口有决定性关系。这样情况下，当第二或第三型腔充型的时候，第一或第二个浇冒口系统的EPS材料没有完全气化的渣和热解产物就会进入上面的型腔里，结果是导致上层模样型腔形成双重热解渣很难气化完全，在附壁效应的作用下粘附在型腔壁上，另外就是铸件的表面出现很多的积碳、夹渣缺陷。我们的观察也是如此，基本是最底层的铸件比上层的第二个铸件缺陷少，甚至没有缺陷， “一串三”的情况也是如此。

２.卡盘铸件的材质控制

（1）机床附件卡盘的材质要求是HT300，就此我们为了达到并符合机床制造企业的技术条件，在工艺设计的同时我们也注意到卡盘材质的技术控制。首先，利用好熔化设备是中频感应电炉的有利条件，在材质配料上，我们坚持常规五大元素化学成分符合规范要求，这样才是能够获得符合力学性能的基础；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。如原生铁Ti的影响，因生铁使用量的多少会直接影响材料中Ti的含量，对材料力学性能会产生很大的影响。同样废钢是许多合金元素的来源，因此废钢用量对铸铁的力学性能的影响是很直接的。在电炉投入使用的初期，我们沿用了冲天炉的炉料配比（生铁：25～35%，废钢：30～35%，其余为回炉铁），结果材料的力学性能较低。当我们及时调整了废钢的用量后，问题很快得到了解决，因此废钢在熔化过程中是一项非常重要的控制参数。炉料配比对铸铁材料的力学性能有着直接的影响，这就是熔炼控制的重点。

（2）为了得到高强度的灰铸铁，保证其铸件的抗拉强度在300MPa以上，从提高强度方面来讲，我们采取的方法：一是改变炉料的组成，增大废钢的加入量，从而降低碳当量并进行包内和后孕育处理；二是加入少量合金元素与孕育相结合的措施。第一种方法方法由于降低了碳、硅含量，其碳当量较低，减少了石墨数量，细化了石墨，增加了初析奥氏体枝晶量，从而提高了铸铁的强度。但需注意的是，碳当量的降低会导致铸件性能的降低，铸件断面敏感性增大，铸件内应力增加，硬度上升，造成加工困难等问题。第二种方法是利用在炉前加入少量合金元素，适当促进和强烈稳定铸件内部珠光体的形成，并部分细化珠光体，强化铁素体，形成适量的碳化物，同时应使原铁液保持较高的碳当量，使其白口倾向减少，铸造性能好，不易产生缩孔、缩松缺陷，符合了机床附件企业的机械加工技术要求。

（3）在液态铸铁中加入孕育剂，可以形成大量亚显微核心，促使共晶团在液相中生成。接近共晶凝固温度时，生核处首先形成细小的石墨片，并由此成长为共晶团。每一个共晶团的形成，都会向周围的液相释放少量的热，形成的共晶团越多，铸铁的凝固速率就越低。凝固速率的降低，就有助于按铁－石墨稳定系统凝固，而且能得到较多的A型石墨组织，保证了基体组织符合技术条件。

考虑到电炉出铁时用75SiFe进行孕育处理，孕育效果会很快随时间的推移而衰退，孕育后6～8min，作用的衰退可在50％以上，经大约15min后，孕育作用可能会大部或全部消失。为确保卡盘铸件的质量，我们要求浇注工必须做到孕育后10min内浇注完毕。另外，铁液注入铸型时，在浇包嘴处再次加入不同添加剂进行多元化微量孕育，这种后孕育的效果非常显著。孕育前后由炉前工分别检测三角试块白口宽度，孕育前控制为5～7mm,孕育后控制在1～2mm。在材质控制上所做的努力同样是提高卡盘成品率非常重要的技术措施。

（4）为了确保卡盘铸件内在质量及切削性能的稳定，铸造车间加强生产现场的工艺管理。对熔炼工部要求所用的原材料必须严格控制，做好炉料管理，分类堆放，入炉时准确称量。尤其是对要加入的废钢，坚持精挑细选，防止Cr、Te、V等阻碍石墨化元素含量高的废钢加入，减少对切削加工的影响。对清理工部严格控制铸件出箱时间，防止因为翻箱出活过早、冷却过快而导致铸件表面硬度超标。消失模铸造的工序过程控制更应从严细化，每个环节都严格把关，才能保证产品质量稳定。

结语

对机床附件卡盘采用消失模铸造时，既吸收传统砂型铸造工艺的长处，把大端面朝下放置，又利用消失模铸造的特性，设置圆环形集渣、补缩冒口，以及等量均衡充型的浇注系统。与传统的普通砂型铸件相比，满足了产品的技术要求，铸件各项质量指标均高于砂型铸造铸件，单体重量减轻12%，铸件尺寸精度达到了CT8级，重量精度也达到MT7级，机械加工的废品率降低20%左右。另外，采用消失模铸造，原材料消耗减少，生产车间的环境明显改善，作业工人的劳动强度有所降低，充分显示了消失模铸造的优越性。

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