消失模鑄造機(jī)床附件卡盤的工藝設(shè)計

　　袁 東 洲12 車順強(qiáng)1

　　摘要：文章介紹采用消失模鑄造方法生產(chǎn)機(jī)床附件卡盤的工藝設(shè)計及材質(zhì)控制等鑄造技術(shù)。消失模鑄造與傳統(tǒng)的砂型鑄造工藝相對比，其生產(chǎn)過程簡單，不用下砂芯、合箱，而且鑄件單體重量減輕12%，鑄件精度尺寸達(dá)到了CT8級，鑄件重量精度也達(dá)到 MT7級，致密度高氣孔、夾渣缺陷很少。與傳統(tǒng)的砂型鑄件相比機(jī)加過程廢品率降低20%。充分顯示了消失模鑄造的優(yōu)越性。

　　關(guān)鍵詞：消失模鑄造; 機(jī)床卡盤; 工藝設(shè)計

　　機(jī)床制造行業(yè)把卡盤做為機(jī)床的附件(圖1)，卡盤(即通常稱三爪卡盤和四爪卡盤)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)度和整體剛性要能夠滿足機(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)時其夾緊度與夾持力的穩(wěn)定性(圖2)。

　　外觀形狀看似不太復(fù)雜的卡盤，實際上鑄造起來卻有相當(dāng)難度，因為卡盤屬于高速旋轉(zhuǎn)件，一定要保證足夠的剛性和強(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。加之卡盤是所有內(nèi)外圓及端面、孔和槽都要完全機(jī)械加工的，任何存在于鑄件表面的缺陷都是不能有的，否則只要一加工就會暴露無疑。

　　過去通常是由鑄造車間以傳統(tǒng)砂型鑄造去完成鑄件的毛坯制作。雖然以后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，從事鑄造生產(chǎn)有高超技能的老師傅越來越少，年輕的工人除了從事鑄造生產(chǎn)時間短掌握技術(shù)上的欠缺，主動愿意鉆研鑄造技術(shù)掌握鑄造技能技巧的局面仍未真正改變;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)腔成型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出現(xiàn)掉砂以及型芯配合不當(dāng)而造成的擠砂缺陷;加上砂芯在合箱后要等待澆注時間也很容易吸潮，所以用砂型鑄造的鑄件以砂眼和氣孔缺陷較多，就我們接觸的幾個用砂型生產(chǎn)卡盤的鑄造車間，他們好的情況下鑄件的成品率也就是70%左右。所以，鑄造車間一般不愿意接受這種完全機(jī)械加工(工人師傅他們俗話叫全扒皮)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

　　分析卡盤鑄件的特征，把內(nèi)腔圓朝上放置，這個和傳統(tǒng)砂型鑄造的吊芯同為一個道理，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。實踐證明了這樣使得卡盤的大端面機(jī)加工后幾乎不存在任何缺陷。卡盤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鑄件均分，所以在設(shè)計澆注系統(tǒng)時必須讓其能等量均衡充型，三爪卡盤的內(nèi)澆道設(shè)計為3個，四爪卡盤的內(nèi)澆道則設(shè)計為4個，依此均勻分布在內(nèi)圓的上部。上部的圓環(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(三爪卡盤)或4個(四爪卡盤);設(shè)計直澆道時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，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整個過程充型時間較短，獲得了較為理想的鑄件。

　　卡盤泡沫模樣(圖3)材料的選取，考慮到技術(shù)要求如此高，就得用氣化快、熱解過程存留渣少的原始珠粒，我們決定用：STMMA(即共聚料)。后來的生產(chǎn)實踐證明，我們這樣選取是完全正確的。因為在工藝試驗的中途，由于要試驗?zāi)＞呶覀冊?jīng)用普通EPS料制作成型過幾個卡盤泡沫模樣，把這幾個仍然按照和共聚料模樣一樣的工藝和澆注系統(tǒng)，但是，澆注后的鑄件幾乎全部因碳缺陷和夾渣而報廢。

　　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，包括其中使用過一串二和一串三，結(jié)果都是成品率很低，最后放棄了。我們在思考，可能和我們澆注系統(tǒng)仍然用普通EPS料制作有決定性關(guān)系。這樣情況下，第二或第三當(dāng)充型的時候第一或第二個系統(tǒng)的EPS材料沒有完全氣化完的渣就會進(jìn)入上面哪個型腔里，結(jié)果是導(dǎo)致上層哪個形成雙重?zé)峤庠鼩饣煌?，在附壁效?yīng)的作用下粘附在型腔壁上，最后就是鑄件的表面出現(xiàn)很多的夾渣、積碳缺陷。我們觀察也是如此，基本是最底層的鑄件比第二個缺陷少甚至最底層的沒有缺陷，一串三的第二個明顯比第三個缺陷就少。

　　在策劃澆注系統(tǒng)時，考慮到卡盤的等分結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計的內(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的創(chuàng)造了條件，在機(jī)加工過程也反映出鑄件的硬度非常的一致，沒有象其它鑄件所出現(xiàn)的硬度差問題。設(shè)置的冒口系統(tǒng)，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，足以存貯先頭流經(jīng)型腔逐漸降溫的鐵液而進(jìn)入圓環(huán)冒口體內(nèi)，當(dāng)然設(shè)計的主要意圖是要收集貯存消失模鑄造所用的泡沫塑料模樣(即白件)熱解物、未氣化完的殘渣。澆注后我們把圓環(huán)冒口體切割，觀察其截面發(fā)現(xiàn)有很明顯的積碳和渣質(zhì)，這就證明達(dá)到了我們設(shè)計時集渣的預(yù)期目的(圖4)。

　　當(dāng)時，我們設(shè)計澆注系統(tǒng)的總工程師形象的說，對消失模鑄造而言要給熱解產(chǎn)物、未氣化完的殘渣“給出路”，要讓這些有害的東西有地方去，還要能存貯起來，只有鑄件的型腔排除了殘渣，才能鑄造出內(nèi)在質(zhì)量無缺陷表面完美無缺的高質(zhì)量鑄件。

　　2. 卡盤鑄件的材質(zhì)控制

　　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)計的同時我們也注意到卡盤材質(zhì)的技術(shù)控制，首先利用好我們?nèi)刍O(shè)備是中頻感應(yīng)電爐是有利條件，在材質(zhì)配料上我們堅持常規(guī)五大元素化學(xué)成分首先符合規(guī)范要求，這樣才是能夠獲得符合標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械性能的基礎(chǔ);但是，也沒有忽略一些合金元素和有害元素在其中所起的作用。如原生鐵Ti的影響，因生鐵使用量的多少會直接影響材料中Ti的含量，對材料機(jī)械性能產(chǎn)生很大的影響。同樣廢鋼是許多合金元素的來源，因此廢鋼用量對鑄鐵的機(jī)械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)果材料的機(jī)械性能(抗拉強(qiáng)度)比較低，當(dāng)我們意識到廢鋼的使用量會對鑄鐵的性能有影響時及時調(diào)整了廢鋼的用量后，問題很快得到了解決，因此廢鋼在熔化控制過程中是一項非常重要的控制參數(shù)。爐料配比對鑄鐵材料的機(jī)械性能有著直接的影響，這就是熔煉控制的重點。

　　為了得到高強(qiáng)度的灰鑄鐵，保證其鑄件的抗拉強(qiáng)度在300N/mm2以上，從提高強(qiáng)度方面來講，我們采取的方法是：一：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。其二是：加入少量合金元素與孕育相結(jié)合的措施。方法一由于降低了碳、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。但同時碳當(dāng)量的降低會導(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。方法二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、縮松現(xiàn)象，符合了機(jī)床附件企業(yè)的機(jī)械加工技術(shù)要求。

　　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，生核處首先形成細(xì)小的石墨片，并由此成長為共晶團(tuán)。每一個共晶團(tuán)的形成，都會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。

　　考慮到電爐出鐵時用75硅鐵進(jìn)行孕育處理，孕育效果會很快地隨時間的推移而衰退，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，再則是鐵液澆包注入鑄型時在澆包嘴再次進(jìn)行不同添加劑多元化微量孕育，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。

　　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，入爐時準(zhǔn)確稱量;尤其是對要加入的廢鋼堅持精挑細(xì)選，防止Cr、Te、V等阻礙石墨化元素含量高的廢鋼加入，而影響切削加工。對清理工部嚴(yán)格控制鑄件出箱時間，防止因為翻箱出活過早，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，每個環(huán)節(jié)都嚴(yán)格把關(guān)，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

　　3. 結(jié) 語

　　對機(jī)床附件卡盤采用消失模鑄造時，既吸收傳統(tǒng)砂型鑄造工藝的長足之處，把大端面朝下放置;又利用消失模鑄造的特性，設(shè)置的圓環(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，鑄件各項質(zhì)量指標(biāo)均高于砂型鑄造鑄件，單體重量減輕12%，鑄件精度尺寸達(dá)到了CT8級，鑄件重量精度也達(dá)到MT7級。把消失模鑄造與傳統(tǒng)的普通砂型鑄造二者相比，機(jī)械加工的廢品率降低20%左右。而且，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)工人的勞動強(qiáng)度有所降低，以上這些充分顯示了消失模鑄造的優(yōu)越性。