矿物复合材料及其在机床上的应用.pdf

2 0 1 3年 1 0月 第 4 l卷 第 1 9期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I CS Oc t ． 2 0 1 3 Vo l _ 4 1 No ． 1 9 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 9 ． 0 4 5 矿物复合材料及其在机床上的应用 李鹏 ，季忠 ，刘韧 ， 刘毅 1 ．山_ 东大学材料科学与工程学院，山东济南 2 5 0 0 6 1 ； 2 ．山东美克新材料科技有限公 司，山东济南 2 5 0 1 1 9 摘要矿物复合材料是以矿物颗粒为骨料并配以环氧树脂等胶结料所形成的一种新型复合材料 ，其制品称为矿物铸 件。介绍矿物复合材料的特点 、与铸铁等传统材料的性能对比优势以及矿物复合材料的国内外研究现状；总结了组分及其 与材料性能之间关系的研究成果 ，并给出了多种配方。对矿物铸件的成型工艺、模具和其在机床上的应用做了详细阐述， 归纳了矿物复合材料的发展方向。 关键词矿物复合材料；矿物铸件 ；机床床身；阻尼性 中图分类号 T G 5 0 2 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 91 5 9 5 M i n e r a l Co mp o s i t e M a t e r i a l a nd I t s Ap pl i c a t i o n o n M a c hi ne To o l s L I P e n g ，J I Z h o n g ，L I U R e n ，L I U Yi 1 ． S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ，S h a n d o n g U n i v e r s i t y ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 6 1 ，C h i n a ； 2 ． S h a n d o n g Mi c a A d v a n c e d Ma t e ri a l s C o ． ， L t d ． ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 1 1 9，C h i n a Ab s t r a c t Mi n e r a l c o mp o s i t e ma t e ria l i s a n e w c o mp o s i t e ma t e r i al wi t h mi n e r a l p a r t i c l e s a s i t s a g g r e g a t e t o g e t h e r w i t h e p o x y r e s i n o r o t h e r a d h e s i v e s a s i t s b i n d e r ．T h e p a rt s ma d e f r o m mi n e r al c o mp o s i t e ma t e ria l h a v e b e e n k n o wn a s mi n e r al c a s t i n g s ．T h e s t a t e o f t h e a r t ，t h e c h a r a c t e ri s t i c s a n d p e r f o r ma n c e a d v a n t a g e s o f mi n e r a l c o mp o s i t e i n c o n t r a s t t o c a s t i r o n we r e i n t r o d u c e d，t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e c o mp o s i t i o n o f t h e ma t e r i a l an d t h e ma t e ri a l p e rf o rm a n c e wa s s u mma ri z e d ，a v a ri e t y o f f o rm u l a t i o n s w e r e p r o v i d e d ．Th e c a s t i n g p r o c e s s ，c a s t i n g mo l d an d t h e a p p l i c a t i o n o n t h e ma c h i n e t o o l s we r e e l a b o r a t e d ．T h e t r e n d o f t h i s ma t e ria l wa s g e n e r ali z e d ． Ke y wo r d s Mi n e r a l c o mp o s i t e ma t e ria l ；Mi n e r a l c a s t i n g；Ma c h i n e t o o l b e d；Da mp i n g 矿物复合材料是以花岗岩等矿物颗粒为骨料 、以 改性环氧树脂等材料为胶结料 ，并经增强纤维或微纳 米颗粒强化，形成的一种新型复合材料。工业领域的 矿物复合材料俗称聚合物混凝土、树脂混凝土、人造 花岗石等 ，其制品常称为矿物铸件。矿物复合材料以 其高的振动阻尼性 、高的耐蚀性和抗磁性、高的尺寸 稳定性、成型时的形状完整性等优势u ，成为取代 铸铁、铸钢等传统金属或天然花岗石 ，制造精密机床 床身 的理想 材料 。 矿物复合材料的研究已有很久 的历史 ，自 1 9 2 3 年 C R E S S O N 获得了关于聚合物混凝土的第一个专 利，不同国家对矿物复合材料进行了大量的研究并迅 速投入应用 。美 国在 2 O世纪 5 0年代开始 了聚合 物混 凝土的商业应用 ，至今市场上已有相当多的矿物铸件 产品 。我国关于矿物复合材料及矿物铸件的研究始 于 2 O世纪 7 0年代 ，此后便基本和国际同步，随着矿 物铸件由研究阶段进入应用阶段 ，有关矿物复合材 料的研究和开发成果显著。目前关于矿物铸件的研究 主要集中在 1 材料组分研究。 。 ，即通过胶结 料、骨料、增强材料等各基础组分的适当配比，来达 到更好的材料性能； 2 矿物铸件结构设计及成型 工艺研究，借助于有限元等方法，实现矿物铸件的结 构优化 ，通过适当的室温浇铸工艺 ，实现材料 的少、无缺陷浇铸成型u ； 3 矿物复合材料的基 础科学研究，如本构关系 、连接可靠性分析 等。这些研究推动了矿物铸件的工程应用。目前市场 上矿物铸件的主要应用包括建筑业的地下结构件、电 缆沟等 ，机械和能源等行业的设备基座和支撑结构、 机床床身等 ，其中尤以在机械行业的大型精密机床 构件 中的应用最为突出。 1 矿物复合材料的性能特点 矿物复合材料的生产厂家根据其产品给出了该种 材料与铸铁的性能对比，如表 1 所示。 收稿 日期 2 0 1 20 9 0 7 基金项目山大 一天 桥联合基金资 助项 目 3 1 3 7 0 0 5 6 4 3 1 2 1 2 ；山东省新兴 产业 和重点行业发展专项资金资助项 E t 2 1 5 0 2 9 9 作者简介李鹏 1 9 8 9 一 ，男 ，硕士研究生，主要研究缓冲材料及结构。通信作者 季忠，E ma i l j i z h o n g s d u ． e d u ． c n 。 1 6 0 机床与液压 第4 1 卷 矿物铸件 0 ． 0 2～ o ． 0 3 l O 0～1 2 0 2 8 3 0 1 5～ 2 0 1 ． 5～2 铸铁0 ． 0 0 3 6 0 0～1 0 0 0 1 0 0～3 0 0 1 5 0 3 8 0 4 8 1 ． 2 0 ． 4 8 4045 2． 3～2． 4 5 0． 25～0． 3 8 01 2 0 7 ． 1 5 0 ． 2 ～0 ． 3 矿物复合材料的性能及应用优势主要体现在以下 几个方面 1 采用合适 的骨料级配和胶结料 ，可使抗压 强度达到 1 2 0 M P a ，压缩 弹性 模量可 达 4 0 G P a以上 ， 力学性能完全能够达到大多数机床床身等结构件的要 求 ； 2 减震性约是铸铁 的 1 O倍 ，如图 1 所示 。 机床的动态稳定性高，利于提高加工精度和速度，延 长工作寿命。文献 [ 1 4 ]通过 A N S Y S对机械加工设 备床身动态性能进行仿真模拟，也证明了矿物铸件动 态性能均优于铸铁材料 ； 目 趟 口 时间， 1 0 s a 频 率／ k Hz b 图 1 矿物铸件与铸铁 的振动衰减 曲线对 比 3 矿物铸件 内部没有吸放水的孔结构 ，几乎 没有吸湿性；尺寸稳定性好 ，抗老化、抗冻融性也很 好；耐蚀性和耐化学介质性均比铸铁铸钢等金属材料 高 ，热传导率低，热阻隔性高，比热容量大，热稳定 性好 ； 4 紧固件 、管路、线缆等可以预埋在结构中， 直接浇铸成最终 的制品 。 2 矿物复合材料组份与性能 矿物复合材料 的组份一般包括骨料 、填料和胶结 料 三部分 ，此外还经常添加适 当的增强材料 ，如增强 纤 维等 0 。 2 ． 1 骨料 骨料又称集料 ，是矿物复合材料的基础组分 ，通 常选择花岗岩或玄武岩等碎石颗粒作为矿物复合材料 的骨料 。按粒 径 的大小 ，骨料 可分 为粗 骨料 d5 m m和细骨料 d 5 m m ，粗骨料的最大粒径很大 程度上决定了矿物铸件的性能 。 。 。一般来讲，最 大粒径越大 ，矿物铸件的细骨料 、填 料和外 加剂的用 量就会越少 ，但最大粒径过大容易使铸件离析，强度 不能得到保证 ，一般要求骨料的最大粒径尺寸不能超 过矿物铸件厚度的 1 ／ 3 。在矿物复合材料中，骨料 含量基本都在 8 0 ％ 以上，因此骨料 自身 的特性和配 比对铸件的性能影响很大 。选用时骨料应满足 如下要求 基本不含水分，对树脂 固化无不利影响， 强度尽可能高 ，适当的颗粒形状和配比，以使致密度 最大。 2 ． 2 填料 矿物复合材料中，通常需要加入适当填料，以减 少树脂用量来降低成本 ，改善热膨胀系数和收缩率 ， 提高尺寸稳定性，消除固化中的成型应力，避免发生 空穴 、裂纹 ，增强机械强度 ，增加使用寿命和改善 流 动性等 。填料本身应基本不含水分 ，对树脂 或单体 以 及其他液体组分吸收量少，对聚合反应和固化反应没 有 有害影 响等 。常用 的填 料有 粉煤 灰 、硅 和煤 渣 等工业废料，以及 A 1 0 ，和 C a O粉末等材料 。 硅灰石和蛭石具有室温下传热较慢、高温时传热系数 较高 的特点 ，可 以改善矿物铸件 的热特性 。 2 ． 3 胶 结料 在矿物复合材料中，树脂系统除了有机树脂作为 主要的胶结料外 ，还包括固化剂、稀释剂、增韧剂等 辅助材料 。有机树脂分 为热 固性树脂 和热塑性树脂两 种类 型 ，热固性树 脂包括 环 氧树脂 E P 和不 饱 和 聚酯树脂 U P ；热塑性树脂主要是聚 甲基 丙烯酸 甲 酯 P MMA 。辅助材料 的性能对 铸件 成 品的质 量 有很大 的影 响 ，固化剂用 于促进 和调 节环氧树脂的 固 化 反应 ，是产 生 固化胶 结所必需的原料 。稀释剂 的作 用是降低环氧树脂的黏度 ，增加环氧树脂 的流动性 ， 使得环氧树脂在浇铸时更好地渗透到骨料和填料的内 部 ，延长 固化 时间 ，达 到更 好 的胶结 效 果 增 韧 剂用来提高环氧树脂的韧性，防止环氧树脂在承受冲 击时 因脆性较大而容易发生开裂 ，增韧剂会破坏环 氧 树脂 的力 学 性 能 和 耐 热 性 等 ，因 此 要 严 格 控 制 用 量 。有研究结果表明 ，当使用环氧树脂作为胶 结料时，各组分问的最佳 配比为W F A 4 环氧树脂 A 环氧树脂 B W 固化剂 W D B P 增 韧剂 3 0 7 0 2 5 1 4 。 铁 哈／ 二 ； 铸 聚 ～ ～ 第 1 9期 李鹏 等 矿物复合材料及其在机床上的应用 1 6 1 胶结料 的加入，会 降低 矿物复合 材料的强度、 徐变性能等 ，但对于纤维增强的材料，由于提高了内 部各组分之 间的黏结强度 ，使整体强度得到提升， 材料 的抗压强度增 大 ，同时可 以提高材料 的阻尼 比 ，对吸水率 、抗渗性、耐磨性能等也都有 明显 的改善 。 2 ． 4其他 增 强材料 增强材料一般是指为增强强 度而加入 的增强纤维 和微纳米颗粒等，其中在矿物复合材料 中加入增强纤 维是 目前普 遍 采 用 的方 法 。在 关 于矿 物铸 件 的研 究 中，使用 的纤维类 型一般 分为 3种 钢纤维 、玻璃纤 维和碳纤维，还有一些研究中使用了甘蔗、椰子等植 物纤维 ” 。玻璃纤维和碳纤维的阻尼性能都优于 环氧树脂和骨料 ，因此加入后都能提高矿物复合材料 的阻尼性 ，玻璃纤维 的阻尼性能 略优 于碳 纤维 ，因此 其复合物的阻尼性能也略好。玻璃纤维和碳纤维都能 提高矿物复合材料的强度和韧性，且碳纤维的增强效 果更 明显 弼 。钢纤维对 阻尼 的提 高主要是通过本 身 的扭 曲变形 复位消耗 能量 引起 的 ，由于钢纤维本身 的 阻尼性能较矿物复合材料基体要 差 ，因此钢纤维对 阻 尼性能的提高没有其他两种纤维那么显著 。 增强纤维 的长径 比和含量对矿物铸件的强度和阻 尼影响很大，纤维过短或含量过少都起不到增强效 果，过长或过多则容易绞结成团，强度下降。矿物复 合材料的阻尼比随纤维含量的增加一直增大 ，因为在 纤维含量较多时，成团的纤维增加了矿物铸件内部的 空隙，有助于提高阻尼比 。 2 ． 5 配 比 采用不同的配比方案，可使矿物铸件表现出不同 的工 作性能 。众多研究 工作 者 根据 不 同原料 和性 能 要求 ，配制出了多种矿物复合材料配方 ，如表 2所 示 。 表 2 不同配方下的矿物复合材料的性能表现 注 G F为玻璃纤维，s F为钢纤维 ，C F为碳纤维 ，A R为粉状纤维素，P M F为棕榈纤维，B F为合成纤维 3 矿物铸件的成型技术及模具 矿物铸件的结构设计 ，参照一般铸件的设计 原 则 ，除要满足机器设备本身的要求和机械加工的工艺 性要求外 ，还应 遵循 的原则有 1 合理设 计铸 件壁厚 ，壁厚要均 匀 ，厚 壁与薄 壁 间采用 逐渐 过渡 ， 防止突变 ； 2 尽量使用平面为分型面，大平面铸 件采用合理加强筋 ； 3 保证 良好的受力状态，防 止应力集中； 4 便利模具制作 ，起模方向要有一 定的斜度，便于脱模。 设计好矿物铸件的结构 ，根据使用条件和性能要 求，选择骨料、填料、树脂类型和增强材料配合 比， 采用一定的生产工艺来完成浇铸。矿物铸件的成型工 艺如图2所示 。 表 面处 理 养护 混 合 浇 铸 工 成 型 脱模 成 品 图2 矿物铸件的成型工艺流程图 薰 1 6 2 机床与液压 第 4 1卷 矿物铸件是在常温下浇铸完成的，它不同于铸铁 铸钢等的浇铸方法，不需要温度控制和额外的加热措 施，再加上拌合物本身的热稳定性较好，使得成型过 程 中热 收缩性小 通常 只有 0 ． 1～ 0 ． 3 m m ／ m ，提高 了矿物铸件的尺寸精度。可以浇铸结构复杂的零件 ， 采用一步到位的浇铸方法，铸件产品只需要一次浇铸 就可以得到，通常不需二次加工，但对超高精度的工 作面 ，也可进行铣削、磨削或研磨，因此生产周期比 铸铁和铸钢要短。浇铸时紧固件、管路、线缆等可以 预埋到结 构 中，嵌 件材料 包括 金属、陶瓷、塑料 等 。矿物铸件成型前的拌合物较黏稠，流动性差， 不易充满模具的整个型腔，在浇铸过程中应不断振动 搅拌，来减少空隙、排除气泡 ，以提高制品的密实 度 ，浇铸完成后在 开模前要 经过特殊 的养 护处理 。 矿物铸件浇铸采用的模具为钢模或铸铁模 ，有时 候还会用到木模 ，模具表面进行磨光处理，以提高产 品的精度。清洗干净后 ，要在模具内壁涂上一层脱模 剂以有利于脱模 。因矿物铸件对冲击力 比较敏感 ， 其加工性能较差 ，在后期加工 中一般通过磨削来实 现，因此矿物铸件对浇铸模具的精度要求较高，模具 的结构也都比较复杂 ，制作成本较高 ，模具设计是限 制矿物铸件发展的一个重要因素。 4矿物铸件的应用 矿物铸件 已经在制造、电子等行业获得广泛应 用 如表 3所示 ，用于制造精密设备 ，如磨床床 身等 如图 3 。在机械工程行业内，由于对加工精 度和速度的要求越来越高，对机床本身的性能提出了 更高的要求，矿物铸件做的机器台座和机架由于具有 较好的减震性，以及耐油耐冷却液浸渍的性质很好地 满足了这一要求 。这类机床具有动态性能好、加工 精度高的特点，相较于传统机床具有相当大的优势。 表 3 矿物铸件 的应用 制造业 电子业 医疗 业 测量业 能源业 轻工业 铣床，磨床，钻床，切割机，数控加工 自动装配机，P C B钻机 ，检测设备 ，显影设备 C T和 x光，核磁共振，牙科手术 三坐标测量机，平衡机 电动机 ，发 电机 ，汽轮机 ，泵 铝塑包装设备，纺织设备，木工机械 图 3 导轨磨床床身和机床立柱 图片来 自美克新材料科技有限公司网站 5展 望 矿物铸件在机床上 的应用 ，大大提高了机床 的 静、动态稳定性，热特性以及阻尼性能等，是提高机 床加工精度和速度的有效途径。以矿物复合材料代替 铸铁等传统材料作为制造精密机床构件的研究仍然处 于发展阶段 ，其研究热点主要体现在 1 进一步优化矿物复合材料的成分配 比，开 发出力学性能和减震阻尼综合性能优 良的矿物铸件， 增加矿物复合材料的弹性模量、弯曲和拉伸强度等， 提高矿物铸件的使用性能。 2 改进 已有矿物复合材料配方，在满足使用 性能要求 的前 提下，减 少矿物复合材 料 的制备 成 本 ，提高矿物铸件的经济性。如胶结料价格与骨料 填料相 比较昂贵，在使用时应使胶结料的用量达到 最低 。 3 增加对矿物铸件内部组分作用机制的基础 研究，应用相关的力学原理建立矿物复合材料内部各 组分的数学模型和材料的本构模型。 4 改进矿物铸件的成型工艺，实现材料的少、 无缺陷浇铸成型 ；加强对矿物铸件浇铸模具的研究， 特别是对于高精度模具的研究。 参考文献 【 1 】E R B E T o r s t e n ， K R O L J 6 z s e f ， T H E S K A R e n 6 ．D e s i g n Gu i d e l i n e s f o r Mi n e r al C a s t i n g a s a Ma t e r i al for B a s e F r a me s o f P r e c i s i o n - Ma c h i n e s [ P ] ． D e r R e k t o r d e r T e c h - n i s c h e n U n i v e r s i t i i t I l me n a u ， 2 0 0 8 ． 【 2 】彭世银． 聚合物混凝土性能研究 [ J ] ． 试验与研究， 2 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o f S h o rt Gl a s s F i b e r Re i nfo r c e d a n d F u n c t i o n a l i z e d Ru b b e r ．- T o u g h -- e n e d P E T B l e n d s [ J ] ． P o l y m e r T e s t i n g ， 2 0 0 6 ， 2 5 9 2 3 9 31． 【 2 6 】 买淑芳． 混凝土聚合物复合材料及其应用[ M] ． 北京 科学技术文献出版社 ， 1 9 9 6 ． 【 2 7 ] A B D E L F A T I A H H ， E L H A WA R Y M ． C o n s t r u c t i o n B u i l d [ J ] ． Ma t e ri al a n d D e s i gn， 1 9 9 9， 1 3 2 5 3 2 6 2 ． 【 2 8 】 V A R U G H E S E K T ， C H A T U R V E D I B K ． F l y A s h a s F i n e A g g r e g a t e i n P o l y e s t e r B a s e d P o l y me r C o n c r e t e [ J j ． c e me n t Co nc r e t e Co mpo s i t e， 1 99 6， 1 8 1 051 08． 【 2 9 】 谭娜 ， 李赫亮， 李智超． 增强材料对聚合物混凝土性能 的影响[ J ] ． 混凝土， 2 0 0 2 2 3 1 3 2 ． 【 3 0 】 C E R N Y R ， P O D I B R A D S K A J ， T O T O V A M， e t a 1 ． H y g r o - t h e r ma l P r o p e r t i e s o f Gl a s s F i b e r Re i nfo r c e d C e me n t s S u b j e c t e d t o E l e v a t e d T e m p e r a t u r e [ J ] ． S c i e n t i fi c R e p o ， 2 0 0 4 ， 3 7 9 5 9 7 6 0 7 ． 【 3 1 】 夏文干． 胶粘剂和胶结技术[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ． 1 9 8 0 ． 【 3 2 】 M U K H E K E E A ， A R WI K A R S J ． P e rf o rma n c e o f E x t e rn a l l y B o n d e d GF RP S h e e t s o n C o n c r e t e i n T r o p i c al E n v i r o n m e n t s ． P a rt I S t r u c t u r al s c a l e t e s t s [ J ] ． C o m p o s i t e S t r u c t u r e s ， 2 0 0 7 ， 8 1 1 2 1 3 2 ． 【 3 3 】 郑重远， 黄乃炯． 树脂锚杆及锚固剂[ M] ． 北京 煤炭工 业 出版社 ， 1 9 8 3 ． 【 3 4 】 姚秉华 ， 李德信， 应锦春． 人造花岗岩复合材料的研究 及其应用[ J ] ． 机械工程材料， 1 9 9 3 ， 1 7 4 3 7 3 9 ． 【 3 5 】陈兴华． 用于结构减震的聚合物混凝土试验研究[ D ] ． 重庆 重庆大学， 2 0 1 0 ． 【 3 6 】R E I S J M L ． F r a c t u r e a n d F l e x u r a l C h a r a c t e ri z a t i o n o f N a t u r a l F i b e r - R e i n f o r c e d P o l y m e r C o n c r e t e 『 J ] ． C o n s t r u c ． t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 6 2 6 7 3 6 7 8 ． 【 3 7 】 R A O K ， P R A S A D A ， B A B U M， e t a1 ． T e n s i l e P r o p e r t i e s o f E l e p h a n t G r a s s F i b e r R e i n f o r c e d P o l y e s t e r C o n c r e t e [ J ] ． Ma t e r S c i ， 2 0 0 7 ， 4 2 9 3 2 6 63 2 7 2 ． 【 3 8 】白文峰， 张建华， 汪心立， 等． 玻璃纤维增强聚合物混凝 土阻尼 比的试 验研究 [ J ] ． 制造 技术与机 床， 2 0 0 7 1 0 7 l 一 7 3 ． 【 3 9 】 段丽丽， 申朝峰． 铸件结构设计要点 [ J ] ． 汽车齿轮， 2 0 0 7 1 1 8