人造花崗巖材料的制備工藝及其性能分析*

喬雪濤 趙惠英 趙則祥 吳 隆

（中原工學(xué)院，湖南鄭州 450007）

床身是影響機床精度及其尺寸穩(wěn)定性、動靜態(tài)穩(wěn) 定性和熱穩(wěn)定性等方面性能的極其重要的基礎(chǔ)件之一，起著支承工件和聯(lián)接工作臺等關(guān)鍵零部件的作用，其性能的好壞直接影響到機床的加工精度和工件表面粗糙度，關(guān)系到機床的安全可靠性及使用壽命。國外對人造花崗巖床身制造技術(shù)的研究已有40多年的歷史，已有成熟產(chǎn)品。我國個別廠家雖然能夠生產(chǎn)，但是技術(shù)急需進(jìn)一步提高，特別是材料制備工藝及性能上與國外差距較大［1－6］。因此，本文在國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和前期研究的基礎(chǔ)上，對自行研制的人造花崗巖床身材料的配方、制備工藝及性能方面進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 人造花崗巖材料配方的研究

1.1 人造花崗巖材料組成

人造花崗巖是以環(huán)氧樹脂、固化劑、稀釋劑等作為粘結(jié)劑，將不同粒度的天然花崗巖或河砂等骨料及填料充分混合、成型、固化而成的一種新型復(fù)合材料。經(jīng)過對人造花崗巖材料的各組成部分及其比例進(jìn)行了大量實驗，得出如下材料組成情況:

（1）骨料 是人造花崗巖材料的主要組成部分之一，其粒度選擇比例將對人造花崗巖性能有直接影響。我們將骨料粒徑分為8級，粒徑在2.5 mm以上的稱為粗骨料，粒徑在2.5 mm以下的稱為細(xì)骨料。在細(xì)骨料中分為0～0.1 mm、0.1～0.2 mm、0.2～0.5 mm、0.5～1.25 mm、1.25～2.5 mm五個等級，其作用是填充粗骨料框架縫隙以保證人造花崗巖的密實度;粗骨料中分為2.5～5 mm、5～10 mm、10～15 mm 三個等級，其作用為與粘結(jié)劑結(jié)合形成混凝土框架。利用泰波理論得出了粗細(xì)骨料的合適比例為1∶1。

（2）填料 人造花崗巖材料除上述骨料外，還需加入適量的填料，以改善人造花崗巖工作性能、熱膨脹系數(shù)及收縮率，增加其機械強度和尺寸穩(wěn)定性，以消除固化過程中的成型應(yīng)力、孔穴和裂紋。常用的填料有石英粉、碳酸鈣粉、云母粉和滑石粉等。

（3）粘結(jié)劑 粘結(jié)材料主要考慮技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、對人體和環(huán)境無害性等，并具有最佳處理時間、聚合物粘度要低、良好的硬化、固化變形小及價格低等特性。參考已有技術(shù)，并經(jīng)過大量對比試驗，最后選用E－44環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂作為其固化劑。為了保證固化體系具有合適的性能，在實際操作中，添加的固化劑用量可根據(jù)計算值作適當(dāng)調(diào)整。

（4）稀釋劑 作用是降低樹脂的粘度，使攪拌過程中有較好的滲透力，以達(dá)到固化時不產(chǎn)生氣泡的作用，如甲苯是常用的稀釋劑之一。在實際應(yīng)用過程中，稀釋劑的添加比例根據(jù)室溫、振動參數(shù)、零件尺寸可做一定調(diào)整，一般比例為10%左右。

1.2 人造花崗巖材料配方

各組分在人造花崗巖中所占不同比例將直接影響材料的整體性能。在試驗中發(fā)現(xiàn)材料中粘結(jié)劑、骨料和填料三者充分接觸且形成一種能量最小的結(jié)合面是保證人造花崗巖材料性能的前提。本文利用泰波理論對環(huán)氧樹脂混凝土材料組分進(jìn)行了分析，即最大密度曲線n冪公式［7］:

式中:P為人造花崗巖各級粒徑的通過率，%;d為人造花崗巖各級粒徑，mm;D為人造花崗巖的最大粒徑，mm;n為實驗指數(shù)。

實驗指數(shù)n的合適范圍為0.3～0.7。當(dāng)n=0.5時，人造花崗巖具有最大的密實度，計算得到的級配為理論配比。

在上述理論分析和試驗的基礎(chǔ)上，我們?nèi)∪嗽旎◢弾r中粘結(jié)劑、骨料、填料3者比例為1.2∶8∶0.8，其中粘結(jié)劑中粘結(jié)劑、固化劑和稀釋劑的比例大致按100∶70∶10。

2 人造花崗巖試件制備工藝試驗及分析

2．1 制備工藝試驗

在人造花崗巖試件制備過程中，我們結(jié)合現(xiàn)有國內(nèi)外資料對同一種材料配方分別采用以下不同的工藝方法，以獲得性能穩(wěn)定、可靠的試件。

（1）手工攪拌振實:按預(yù)定配方分別稱重、采用手工攪拌方式，調(diào)整振動臺參數(shù)進(jìn)行振動，使其結(jié)構(gòu)密實。試件如圖1所示。

（2）自動攪拌振實:按預(yù)定配方分別稱重、采用攪拌機自動攪拌均勻，調(diào)整振動臺參數(shù)進(jìn)行振動使其結(jié)構(gòu)密實。試件如圖2所示。

（3）自動攪拌搗實:按預(yù)定配方分別稱重、采用攪拌機自動攪拌均勻，充填模具同時人工將骨料搗勻，調(diào)整振動臺參數(shù)進(jìn)行振動使其結(jié)構(gòu)密實。試件如圖3所示。

（4）自動攪拌壓實:按預(yù)定配方分別稱重、采用攪拌機自動攪拌均勻，充填模具采用輔助夾緊裝置將骨料壓入模具內(nèi)，調(diào)整振動臺參數(shù)進(jìn)行振動使其結(jié)構(gòu)密實。試件如圖4所示。

2．2 制備工藝性能分析

配方相同、工藝不同，則結(jié)果明顯不同。

手工攪拌振實工藝方法操作隨機性強，存在攪拌不均勻、骨料之間空隙較大等缺陷，導(dǎo)致部分骨料粘結(jié)不牢固和固化效果不佳等現(xiàn)象;

自動攪拌振實工藝則受粘結(jié)劑粘度的影響，固化效果與材料配方、振動臺參數(shù)關(guān)系較大，仍存在骨料充填不滿的現(xiàn)象;

自動攪拌搗實方式因固化前對混合材料進(jìn)行人工搗實，使其充滿型腔，因此固化效果不錯，但是存在搗實力度把握不準(zhǔn)和增加勞動強度等問題，不適合批量生產(chǎn);

自動攪拌壓實工藝由于借助了輔助夾緊裝置，控制合適大小的壓力使骨料均勻充滿模具，在低頻振動下使其完成固化反應(yīng)，因此，這種工藝方法固化效果較好，適合規(guī)模生產(chǎn)。

3 人造花崗巖性能測試

依據(jù)GB/T 50081－2002，選擇自動攪拌振實工藝成型效果較好的試件進(jìn)行了力學(xué)性能測試，如圖5所示。從實驗結(jié)果來看，與理想力學(xué)性能還有一定差距，需從人造花崗巖配方和制作工藝上進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語與展望

我們通過對人造花崗巖各種組成成分進(jìn)行了大量的試驗，初步得出了適合床身性能要求的人造花崗巖配方及制備工藝，從性能上，采用自動攪拌振動壓實的工藝方法有利于試件力學(xué)性能的實現(xiàn)。

國外已經(jīng)普遍采用人造花崗巖作為機床基礎(chǔ)件材料，以改善機床整體性能。國內(nèi)雖然開展相關(guān)技術(shù)研究多年，但是距真正意義上的工程化應(yīng)用還有一定距離，還需開展大量的基礎(chǔ)性研究工作，如采用實驗研究、理論分析和有限元模擬等相結(jié)合的方法，通過對試件進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能試驗、機床床身試件的動靜態(tài)性能、熱穩(wěn)定性分析及試驗、粘結(jié)劑的配方、工藝性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行研究，以獲取適合于不同種類機床床身用的高性能人造花崗巖材料的具體組分及其配方、各材料組分及其比例對人造花崗巖性能的影響，相應(yīng)的床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和制造，進(jìn)而為實現(xiàn)性能優(yōu)良的人造花崗巖機床床身提供可靠的理論依據(jù)。

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