眾所周知，我國機床行業在近十幾年來已有舉足輕重的發展，生產機床與工具的企業有4000餘家。各類型的切削加工機床產量已超過100萬臺，機床鑄件達350萬t，居世界第一位。其差距是高端的數控機床擋不住進口，以美國、日本為首的工業發達國家對我國中、高端的數控機床的進行封鎖。“2007年6月，美國開始實施的《對華高科技產品出口管制條例》中，增加了高精度轉檯、五軸精密加工中心、高仿真系統等軍工及高技術產業專用裝備的出口限制。日本經濟產業省（原通產省）限制向中國出口高精度、複合加工 、五軸聯動以上的高性能數控機床和五軸聯動高檔數控系統等 產品。 ”
為了生產出高端的數控機床的精度與精度保持性，機床行業在北京建立了超精密機床工程技術研究中心。在成都成立了精密工具工程技術研究中心。在湖南建立了超硬材料及製品工程技術研究中心。在瀋陽建立了高檔數控工程研究中心。並進行了多科目的科學研究與攻關。如“納米級加工技術及設備”，“機床工藝造型設計技術”，“虛擬軸機床技術”，“磁懸浮軸承高速主軸單元”等。
佔機床重量80%以上且對機床性能有重要影響的機床鑄件，與冷加工的研究相比，有較大差距。去年，國家下達了“精密數控機床鑄件尺寸精度穩定性的課題”，以提高數控機床鑄件的質量。
值得提出來的是，目前在金屬切削機床灰鑄鐵件技術條件中規定，以機械性能為驗收的依據，化學成分不作為驗收依據。如用戶需要可在合同中另訂。長期以來，這項規定在我國不少機床鑄件生產廠造成認識上的誤區：既然以力學性能為驗收標準，而化學成分不作為驗收標準，那麼，以降低碳當量的措施達到高強度，則是最易實現的。長期以來由於我國機床鑄件的高強度是在低碳當量下取得的，它對機床性能的負面影響是很大的。 低碳當量、高強度產生的問題是：
收縮大，導致縮孔、縮松傾向增加；
殘餘應力大，導致尺寸精度穩定性差，開裂傾向增大；
流動性差，限制了鑄件薄壁化；
加工性能差，導致切削速度的降低與力具壽命的下降；
減震性差，導致加工精度與精度穩定性的降低；
質量穩定性差，這是因為低碳當量導致的上述問題在生產中反覆出現，此長彼消，質量難以穩定。在2014年中對國內具有代表性的機床生產企業調查表明，用戶反饋意見中佔第一位是質量不穩定。
一、高端數控機床的發展與機床鑄件質量的提高；
近50年來，機床的精度已提高了100倍，已進入亞微米級及納米級超精加工時代。高精度與精度的保持性是數控機床質量的首要指標。
1、機床精度與機床鑄件的剛性及減震性；
精度是指被加工零件能達到的加工精度。因為目前高檔數控機床已進入航空航天、兵器、核工業、電子技術、船舶等軍工領域。重型、超重型數控機床已進入大型電站設備、石化冶金設備、汽車製造等。這些高精度、高速切削、強力切削的數控機床對機床鑄件的剛度與減震性提出了更高的要求：航天航空、核工業、兵器、發電設備所需各種、特種性能的合金材料。加工時又“粘”又“硬”，故要求機床與機床鑄件具有足夠的抗變形能力，即使在高速、強力切削下仍能保持高精度。從使用角度上看，機床鑄件的剛性比強度更為重要：實踐與計算表明，即使最大的切削力，機床鑄件的強度仍有較大的安全係數，但卻會出現由於剛性差、抗變形的能力及減震性差而失去加工精度。因此高端數控精密機床在高速切削、強力切削下，機床鑄件必須具有較高的剛性與優良的減震性。
現代數控機床中主要受力的機床件，往往不是按強度設計的，大部分是按剛性設計的。提高機床鑄件剛性的措施來自兩個方面：一個是提高鑄件的結構剛性，這就是機床件向雙層壁、多層壁結構發展。形成機床件薄壁化，結構日益複雜的重要原因。另一項措施是提高機床鑄件的材質剛性，即彈性模量，而彈性模量的高低主要取決於抗拉強度，見表-1.因此現代的高端數控機床鑄件皆採用了高強度灰鑄鐵HT300、HT350及高強度、高剛度球墨鑄鐵材質。
表-1 鑄鐵的強度與彈性模量
類別
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
抗拉強度
(MPa)
155
185
215
265
310
355
400
400-650
彈性模量
（GPa）
103.5
111.7
120.0
129.7
137.9
141.4
144.8
160-180
保持加工時高精度的另一因素是機床鑄件必須具備優良的減震性。值得提出的是，在減震性能中，灰鑄鐵的減震性優於球墨鑄鐵，而灰鑄鐵中，碳當量高的減震性又優於低碳當量者。
圖-1 減震與強度
由圖可知，高碳當量、低強度灰鑄鐵吸震率高，其次是低碳當量、高強度灰鑄鐵、球墨鑄鐵次於灰鑄鐵。碳鋼最低，這也是機床件大部分是灰鑄鐵的原因。
長期以來，機床件的高剛度、高強度與要求優良的減震性的要求難以統一。前者為低碳當量，後者為高碳當量，因此高端精密機床的精度要求其機床件，既要有強有力的抗變形能力的材質剛性，又要有優良的減震性，這就要求碳當量與高強度、高剛度在一個新的高度上達到平衡。即在高碳當量下達到高強度、高剛度，才能滿足高剛度、高減振性的要求。
2、機床精度保持性與機床鑄件的殘餘應力：
機床精度保持性是高端數控機床的最重要的質量指標，目前我國與國外還有相當大的差距。國內數控機床的精度保持性約為一年，而國外可達五年。這是我國數控機床進口量為世界第一的主要原因之一。
鑄件中的殘餘應力對鑄件的尺寸精度穩定性的影響是很大的。在高精度的機床在加工中，引起塑性的，不可逆的變形有三個因素：工作負荷、材料剛度、殘餘應力。這三者中殘餘應力最為危險，因為其應力往往大於工作負荷，且它是持續的，不間斷的。圖-2中a)為未時效的機床鑄件，殘餘應力較大，鑄件變形大。圖-2中b)為熱時效後的機床鑄件，殘餘應力較小，鑄件變形較小。
圖-2 a)為未熱時效鑄件
b)為經熱時效消除殘餘應力60%的鑄件
在灰鑄件中，殘餘應力是與其強度及碳當量有著密切的關係，它隨碳當量的降低而增大，見圖-3。隨抗拉強度的增大而增大。見圖-4
圖-3 碳當量對鑄造應力的影響
圖-4 抗拉強度對鑄造應力的影響
因此，在相當長的一段時間，我國機床件的低碳當量、高強度所帶來較高的高殘餘應力一直未能得到很好的解決。一些國外用戶購買我國機床鑄件後往往堆放半年或一年後再用，進行自然時效，降低與釋放殘餘應力。因此，既要高剛度，又要低應力，則高碳當量、高強度是實現其最主要的途徑。
3、機床鑄件的高強度與加工性能
高精度的機床鑄件，大部分都是用數控加工中心機床進行加工的。目前主軸轉速從每分鐘幾千轉，到幾萬轉，甚至達十幾萬轉。切削速度大幅度提高，每臺數控中心皆有幾百把刀具，換刀速度從十幾秒到十秒、三秒，甚至達一秒。因此要求機床鑄件有優良的切削性能，而現在的問題是低碳當量，不僅帶來了鑄鐵的高強度，還帶來了高硬度，見表-2。導致了加工性能的惡化，見表-3.
表-2 灰鑄鐵的強度與硬度
抗拉強度
（MPa）
200
240
350
380
硬度
（HBW）
163
207
255
315
加工性能與硬度的關係，見表-3。
表-3 硬度與灰鑄鐵的加工性能
硬度（HBW）
160-190
190-220
220-240
＞240
切削性能
易切削
切削順利
可加工
加工困難
德國企業中，常用試棒上抗拉強度與硬度之比的m值來初步表徵切削性能的優劣，在同樣的強度下，m位越高，加工性能優良，見表-4.
表-4 灰鑄鐵切削性能的表徵（m=
）(德國)
鑄鐵牌號
GG20
GG25
GG30
GG35
加工性能指標
（m=
）
0.95-1.18
1.04-1.39
1.15-1.50
1.25-1.67
注：在實際生產中，強度值的控制以在兩級中間為宜，不必超過高一級的指標。
在灰鑄鐵的冶金指標中，硬化度(HG)就是衡量加工性能優劣的一個指標：
由公式可知，共晶度Sc越高，硬度越低，因此在保持高強度的同時採取措施提高碳當量，才能降低硬度，即只有在高強度、高碳當量下才能較好的改善加工性能。
4、機床鑄件的碳當量與鑄件薄壁化及縮松缺陷；
在達到HT300力學性能下，其所含的碳當量不同，其鑄造性能中的鐵液流動性與鑄鐵的收縮相差甚大。表-5為灰鑄鐵碳當量與流動及殘餘應力。表-6為不同碳當量下的收縮性，因機床鑄件一般皆為亞共晶鑄鐵，因此碳當量越低，流動性越差，收縮越大,殘餘應力越大。
表-5 灰鑄鐵碳當量與流動及殘餘應力
碳當量CE（%）
流動性（1400℃）
螺旋線長度(mm)
4.05
4.08
4.02
3.76
995
965
947
703
表-6 灰鑄鐵碳當量與鑄鐵的凝固收縮及殘餘應力
碳當量CE（%）
縮松相對容積（%）
體收縮率（%）
殘餘應力（MPa）
4.05
0.57
2.80
51.0
4.08
0.64
3.22
52.0
4.02
0.64
2.98
50.0
3.76
0.76
3.33
70.7
表-7 灰鑄鐵 碳當量與鑄鐵的固態收縮（鑄件壁厚20mm）
碳當量CE（%）
3.50
3.56
3.70
3.73
3.9
自由收縮率（%）
1.35
1.30
1.25
1.20
1.15
由表可知，要機床鑄件薄壁化，減少縮松，縮孔缺陷必須在高強度下提高碳當量。目前國外的機床比我國機床重量輕8%-10%。中型機床壁厚已達14-20mm。小型機床件壁厚已達8-12mm。低碳當量、高強度灰鑄件已是實現薄壁化的嚴重障礙及造成縮松的重要原因。
綜合上述充分表明高碳當量、高強度、高剛度、低應力是高端數控機床鑄件的核心要求。
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