機床制造行業把卡盤作為機床的附件，卡盤（即通常稱三爪卡盤，見圖1，或四爪卡盤）是所有機床構造中使用頻率最多零部件，卡盤的結構強度和整體剛度要能夠滿足機床整機的組裝精度要求，關鍵性能必須要滿足機床正常變速運轉時其夾緊度與夾持力的穩定性。外觀形狀看似不太復雜的卡盤，實際上鑄造起來卻有相當難度，因為卡盤屬于高速旋轉件，一定要保證足夠的剛度和強度，符合技術要求的強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。加之卡盤的所有內外圓、端面、孔和槽都要進行機械加工，任何存在于鑄件表面及內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，加之對鑄造操作技能要求高，卡盤其內腔的形成必須要下砂芯，為了保證外端面的表面質量，而且許多工廠都采用吊芯，即把內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出現掉砂，以及型芯配合不當而造成的擠砂、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，工序上相對比較簡單，生產機床附件的企業才考慮用消失模鑄造機床附件卡盤毛坯。

　   １. 澆注系統的設計

    （1）對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物。將內腔圓朝上放置，這與傳統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盡量位于下部的凝固原則。實踐證明，這樣使得卡盤的大端面機加工后幾乎不存在任何缺陷，但不能套搬砂型鑄造工藝。卡盤鑄件雖然壁厚基本均勻，但由于設置有卡盤槽，由三等份或四等份把卡盤均分，所以在設計澆注系統時必須讓其能等量均衡充型，三爪卡盤的內澆道設計為3個，四爪卡盤的內澆道則設計為4個，依此均等分布在內圓的上部。上部設計的圓環形狀的冒口，也是依照鑄件的等份結構，冒口頸依然分別設置是3個（三爪卡盤）或4個（四爪卡盤）。設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物完全進入冒口里，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加高。為了避免澆注時間過長，選用半開放式澆注系統，使流道截面積足夠大，使澆注時整個過充型程時間較短，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。考慮到卡盤鑄件技術要求高，內外表面機加工后不允許有夾渣、氣孔，以及因碳缺陷而產生的任何表面缺陷。雖然共聚料成形后的表面脆性大，而且澆注開始的瞬間發氣量也大，在與普通EPS價位相比是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）。生產實踐證明，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，澆注后的鑄件機加工后此類缺陷幾乎不存在。在起初安裝調試模具時，由于要對模具進行試驗，我們曾用普通EPS模料壓制成形過幾個卡盤模樣，把這幾個仍然按與共聚料模樣一樣的澆注系統和工藝，但澆注后的卡盤鑄件機加工后幾乎全部因碳缺陷和夾渣而報廢。

（3）在策劃澆注系統時，考慮到卡盤的等分結構，我們設計的內澆道、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造了條件，在機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的硬度差較大的問題。對于冒口系統的設置，冒口頸也與卡盤的等份完全一致，冒口頸上部設置相連接的圓環（圓的內外徑和卡盤基本相同）形狀冒口體，足以存儲先頭流經型腔因熔解、氣化模樣而逐漸降溫的鐵液進入圓環冒口體內（圖4所示為組裝并粘結系統后的卡盤模樣），當然設計的主要意圖是要收集儲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渣。澆注后我們把圓環冒口體橫向切割后研磨，觀察其截面，發現有很明顯的積碳物和渣質，這就證明達到了我們設計時集渣的預期目的。當時，我們設計澆冒系統的目的，對消失模鑄造而言要為熱解產物、未氣化的殘渣“給出路”，要讓這些有害的東西有地方去，還能存儲起來，只有鑄件的型腔排除了殘渣，才能鑄造出內在無缺陷、表面完美的高質量鑄件。

　　圖4

　　（4）為了提高工藝出品率，我們曾經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”，結果成品率均很低，這與澆注系統仍然用普通EPS料制作冒口有決定性關系。這樣情況下，當第二或第三型腔充型的時候，第一或第二個澆冒口系統的EPS材料沒有完全氣化的渣和熱解產物就會進入上面的型腔里，結果是導致上層模樣型腔形成雙重熱解渣很難氣化完全，在附壁效應的作用下粘附在型腔壁上，另外就是鑄件的表面出現很多的積碳、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鑄件缺陷少，甚至沒有缺陷， “一串三”的情況也是如此。

　２.卡盤鑄件的材質控制

（1）機床附件卡盤的材質要求是HT300，就此我們為了達到并符合機床制造企業的技術條件，在工藝設計的同時我們也注意到卡盤材質的技術控制。首先，利用好熔化設備是中頻感應電爐的有利條件，在材質配料上，我們堅持常規五大元素化學成分符合規范要求，這樣才是能夠獲得符合力學性能的基礎；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直接影響材料中Ti的含量，對材料力學性能會產生很大的影響。同樣廢鋼是許多合金元素的來源，因此廢鋼用量對鑄鐵的力學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），結果材料的力學性能較低。當我們及時調整了廢鋼的用量后，問題很快得到了解決，因此廢鋼在熔化過程中是一項非常重要的控制參數。爐料配比對鑄鐵材料的力學性能有著直接的影響，這就是熔煉控制的重點。

    （2）為了得到高強度的灰鑄鐵，保證其鑄件的抗拉強度在300MPa以上，從提高強度方面來講，我們采取的方法：一是改變爐料的組成，增大廢鋼的加入量，從而降低碳當量并進行包內和后孕育處理；二是加入少量合金元素與孕育相結合的措施。第一種方法方法由于降低了碳、硅含量，其碳當量較低，減少了石墨數量，細化了石墨，增加了初析奧氏體枝晶量，從而提高了鑄鐵的強度。但需注意的是，碳當量的降低會導致鑄件性能的降低，鑄件斷面敏感性增大，鑄件內應力增加，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，適當促進和強烈穩定鑄件內部珠光體的形成，并部分細化珠光體，強化鐵素體，形成適量的碳化物，同時應使原鐵液保持較高的碳當量，使其白口傾向減少，鑄造性能好，不易產生縮孔、縮松缺陷，符合了機床附件企業的機械加工技術要求。

（3）在液態鑄鐵中加入孕育劑，可以形成大量亞顯微核心，促使共晶團在液相中生成。接近共晶凝固溫度時，生核處首先形成細小的石墨片，并由此成長為共晶團。每一個共晶團的形成，都會向周圍的液相釋放少量的熱，形成的共晶團越多，鑄鐵的凝固速率就越低。凝固速率的降低，就有助于按鐵－石墨穩定系統凝固，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條件。 

考慮到電爐出鐵時用75SiFe進行孕育處理，孕育效果會很快隨時間的推移而衰退，孕育后6～8min，作用的衰退可在50％以上，經大約15min后，孕育作用可能會大部或全部消失。為確保卡盤鑄件的質量，我們要求澆注工必須做到孕育后10min內澆注完畢。另外，鐵液注入鑄型時，在澆包嘴處再次加入不同添加劑進行多元化微量孕育，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措施。

（4）為了確保卡盤鑄件內在質量及切削性能的穩定，鑄造車間加強生產現場的工藝管理。對熔煉工部要求所用的原材料必須嚴格控制，做好爐料管理，分類堆放，入爐時準確稱量。尤其是對要加入的廢鋼，堅持精挑細選，防止Cr、Te、V等阻礙石墨化元素含量高的廢鋼加入，減少對切削加工的影響。對清理工部嚴格控制鑄件出箱時間，防止因為翻箱出活過早、冷卻過快而導致鑄件表面硬度超標。消失模鑄造的工序過程控制更應從嚴細化，每個環節都嚴格把關，才能保證產品質量穩定。  

對機床附件卡盤采用消失模鑄造時，既吸收傳統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，設置圓環形集渣、補縮冒口，以及等量均衡充型的澆注系統。與傳統的普通砂型鑄件相比，滿足了產品的技術要求，鑄件各項質量指標均高于砂型鑄造鑄件，單體重量減輕12%，鑄件尺寸精度達到了CT8級，重量精度也達到MT7級，機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，生產車間的環境明顯改善，作業工人的勞動強度有所降低，充分顯示了消失模鑄造的優越性。