消失模铸造机床附件卡盘的工艺设计
袁 东 洲12 车顺强1
摘要：文章介绍采用消失模铸造方法生产机床附件卡盘的工艺设计及材质控制等铸造技术。消失模铸造与传统的砂型铸造工艺相对比，其生产过程简单，不用下砂芯、合箱，而且铸件单体重量减轻12%，铸件精度尺寸达到了CT8级，铸件重量精度也达到 MT7级，致密度高气孔、夹渣缺陷很少。与传统的砂型铸件相比机加过程废品率降低20%。充分显示了消失模铸造的优越性。
关键词：消失模铸造; 机床卡盘; 工艺设计
机床制造行业把卡盘做为机床的附件(图1)，卡盘(即通常称三爪卡盘和四爪卡盘)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性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(图2)。
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性和强度，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。加之卡盘是所有内外圆及端面、孔和槽都要完全机械加工的，任何存在于铸件表面的缺陷都是不能有的，否则只要一加工就会暴露无疑。
过去通常是由铸造车间以传统砂型铸造去完成铸件的毛坯制作。虽然以后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，从事铸造生产有高超技能的老师傅越来越少，年轻的工人除了从事铸造生产时间短掌握技术上的欠缺，主动愿意钻研铸造技术掌握铸造技能技巧的局面仍未真正改变;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，即把内腔成型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缺陷;加上砂芯在合箱后要等待浇注时间也很容易吸潮，所以用砂型铸造的铸件以砂眼和气孔缺陷较多，就我们接触的几个用砂型生产卡盘的铸造车间，他们好的情况下铸件的成品率也就是70%左右。所以，铸造车间一般不愿意接受这种完全机械加工(工人师傅他们俗话叫全扒皮)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
分析卡盘铸件的特征，把内腔圆朝上放置，这个和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。实践证明了这样使得卡盘的大端面机加工后几乎不存在任何缺陷。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铸件均分，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，依此均匀分布在内圆的上部。上部的圆环形状的冒口，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，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，使浇注时整个过程充型时间较短，获得了较为理想的铸件。
卡盘泡沫模样(图3)材料的选取，考虑到技术要求如此高，就得用气化快、热解过程存留渣少的原始珠粒，我们决定用：STMMA(即共聚料)。后来的生产实践证明，我们这样选取是完全正确的。因为在工艺试验的中途，由于要试验模具我们曾经用普通EPS料制作成型过几个卡盘泡沫模样，把这几个仍然按照和共聚料模样一样的工艺和浇注系统，但是，浇注后的铸件几乎全部因碳缺陷和夹渣而报废。
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，结果都是成品率很低，最后放弃了。我们在思考，可能和我们浇注系统仍然用普通EPS料制作有决定性关系。这样情况下，第二或第三当充型的时候第一或第二个系统的EPS材料没有完全气化完的渣就会进入上面哪个型腔里，结果是导致上层哪个形成双重热解渣气化不完，在附壁效应的作用下粘附在型腔壁上，最后就是铸件的表面出现很多的夹渣、积碳缺陷。我们观察也是如此，基本是最底层的铸件比第二个缺陷少甚至最底层的没有缺陷，一串三的第二个明显比第三个缺陷就少。
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的创造了条件，在机加工过程也反映出铸件的硬度非常的一致，没有象其它铸件所出现的硬度差问题。设置的冒口系统，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，足以存贮先头流经型腔逐渐降温的铁液而进入圆环冒口体内，当然设计的主要意图是要收集贮存消失模铸造所用的泡沫塑料模样(即白件)热解物、未气化完的残渣。浇注后我们把圆环冒口体切割，观察其截面发现有很明显的积碳和渣质，这就证明达到了我们设计时集渣的预期目的(图4)。
当时，我们设计浇注系统的总工程师形象的说，对消失模铸造而言要给热解产物、未气化完的残渣“给出路”，要让这些有害的东西有地方去，还要能存贮起来，只有铸件的型腔排除了残渣，才能铸造出内在质量无缺陷表面完美无缺的高质量铸件。
2. 卡盘铸件的材质控制
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，首先利用好我们熔化设备是中频感应电炉是有利条件，在材质配料上我们坚持常规五大元素化学成分首先符合规范要求，这样才是能够获得符合标准机械性能的基础;但是，也没有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，对材料机械性能产生很大的影响。同样废钢是许多合金元素的来源，因此废钢用量对铸铁的机械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)结果材料的机械性能(抗拉强度)比较低，当我们意识到废钢的使用量会对铸铁的性能有影响时及时调整了废钢的用量后，问题很快得到了解决，因此废钢在熔化控制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机械性能有着直接的影响，这就是熔炼控制的重点。
为了得到高强度的灰铸铁，保证其铸件的抗拉强度在300N/mm2以上，从提高强度方面来讲，我们采取的方法是：一：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。其二是：加入少量合金元素与孕育相结合的措施。方法一由于降低了碳、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。但同时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。方法二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、缩松现象，符合了机床附件企业的机械加工技术要求。
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75硅铁进行孕育处理，孕育效果会很快地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，再则是铁液浇包注入铸型时在浇包嘴再次进行不同添加剂多元化微量孕育，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。
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，而影响切削加工。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。
3. 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足之处，把大端面朝下放置;又利用消失模铸造的特性，设置的圆环形集渣、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%，铸件精度尺寸达到了CT8级，铸件重量精度也达到MT7级。把消失模铸造与传统的普通砂型铸造二者相比，机械加工的废品率降低20%左右。而且，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，以上这些充分显示了消失模铸造的优越性。
