樹脂混凝土機床基礎(chǔ)件研究現(xiàn)狀

王燁 羅士軍

摘要：優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)和使用新型材料是提高機床性能的兩個主要方法，其中使用性能優(yōu)異的新型材料，可以直接有效地解決這個問題。樹脂混凝土是由天然礦石和環(huán)氧樹脂為主要成分的復(fù)合材料，是近年來國內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注和研究的機床新型材料。它具有較高的動態(tài)性能和阻尼比、很好的熱穩(wěn)定性、較強的抗腐蝕能力。采用這種材料來制造機床基礎(chǔ)件，還可以減少鋼鐵的消耗，對于環(huán)保有重大的意義。

Abstract： Optimizing the structure of the machine tool and using new materials are two main methods to improve the performance of the machine tool. The use of new materials with excellent properties can solve the problem directly and effectively. Resin concrete is a composite material mainly composed of natural ore and epoxy resin. It is a new type of machine tool material that scholars paid close attention to recent years. It has high dynamic performance and damping ratio， thermal stability and strong corrosion resistance. In addition， the use of this material to manufacture machine tool base parts can also reduce the consumption of steel， which is of great significance for environmental protection.

關(guān)鍵詞：樹脂混凝土;機床性能;新型材料;環(huán)保

Key words： polymer concrete;machine performance;new materials;environmental protection

0? 引言

隨著機械加工逐步向著高速度、高精度和高自動化程度方向發(fā)展，機床需要有更高的靜、動和熱態(tài)性能。樹脂混凝土是近年來國內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注和研究的機床新型材料。運用纖維增強樹脂混凝土材料制造機床基礎(chǔ)件的研究主要經(jīng)歷了普通混凝土階段、樹脂混凝土階段和纖維增強樹脂混凝土階段的發(fā)展歷程[1]。

1? 混凝土機床基礎(chǔ)件國外研究現(xiàn)狀

自混凝土材料問世，就在機床基礎(chǔ)件的制造方面得到了較快的發(fā)展。二十世紀(jì)八十年代，意大利的San Rocco公司推出了帶有鋼筋增強的混凝土機床基礎(chǔ)件和纖維增強的樹脂混凝土機床基礎(chǔ)件的產(chǎn)品。日本的機械工業(yè)協(xié)會的技術(shù)研究所研制開發(fā)了樹脂混凝土材料的數(shù)控磨床床身，并且將聚合物樹脂混凝土的材料應(yīng)用在高速車床的床身上[2]。

為了更好地把樹脂混凝土材料應(yīng)用于機床基礎(chǔ)件的制造中，以滿足近年來機床產(chǎn)業(yè)的高速高精發(fā)展的需求。國外的研究者先后將鋼纖維和玻璃纖維等加入到樹脂混凝土，以提高混凝土材料的性能。將這種混凝土材料應(yīng)用在機床基礎(chǔ)件的制造中，并嘗試采用傳統(tǒng)金屬材料與聚合物混凝土相結(jié)合的方式來設(shè)計制造機床基礎(chǔ)件[3]。1995年，美國的M.Rahman等經(jīng)過實驗研究，把鋼纖維增強樹脂混凝土應(yīng)用于PSG52DX機床的制造，然后對它的靜動態(tài)性能進行了試驗分析，證明了鋼纖維增強樹脂混凝土材料使用于機床制造的合理性和優(yōu)越性。憑借鋼纖維增強樹脂混凝土阻尼特性方面的優(yōu)越性，在2001年，M. Rahman又將這種材料應(yīng)用到數(shù)控機床上。2008年，韓國的Jung Do Suh團隊把聚合物混凝土材料的框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用在龍門銑床的底座上，并且取得了很好的效果[4]。2011年，韓國的學(xué)者Sung Kyum Cho等人把樹脂混凝土應(yīng)用在小型機床的結(jié)構(gòu)制造中，來減輕其結(jié)構(gòu)的重量，同時提高了該結(jié)構(gòu)的剛度。2012年，Header Haddad等對于樹脂混凝土的各種力學(xué)性能和參數(shù)進行了實驗測試，得到了具有優(yōu)良力學(xué)性能的混凝土材料，并將其應(yīng)用于精密機床的基礎(chǔ)件的制造中。

2? 混凝土機床基礎(chǔ)件國內(nèi)研究現(xiàn)狀

自二十世紀(jì)五十年代起，非金屬材料就應(yīng)用于各種機床的制造中，上海機床廠、北京機床研究所、沈陽機床廠、天津大學(xué)等企業(yè)和高校的研究所都自主研發(fā)或者采取技術(shù)交流的形式進行了非金屬材料機床支撐件的研究，將鋼筋混凝土材料和聚合物混凝土材料等應(yīng)用在了機床基礎(chǔ)件的制造上[5]。但是由于種種原因，這種機床基礎(chǔ)件并沒有得到的批量生產(chǎn)。在那以后，國內(nèi)的多所高校和企業(yè)開展了樹脂混凝土材料應(yīng)用于機床基礎(chǔ)件制造的研究。遼寧工程技術(shù)大學(xué)的徐平教授從材料機理層面上定量的分析了鋼纖維樹脂混凝土的力學(xué)性能和阻尼性能的本質(zhì)，并通過制造試件以及測試鋼纖維樹脂混凝土的機床床身，來驗證這種材料應(yīng)用于機床基礎(chǔ)件制造方面的合理性和優(yōu)越性[6]。大連理工大學(xué)的王德倫教授團隊進行了鋼纖維樹脂混凝土機床床身的熱特性分析和試驗研究，且分別從靜態(tài)與動態(tài)性能方面分析了鋼纖維樹脂混凝土用于制造床身的可行性和優(yōu)越性，研究結(jié)果表明：鋼纖維樹脂混凝土材料所制成的機床床身在其剛度、強度以及固有頻率等方面都能滿足機床床身的要求[7]。

遼寧工程技術(shù)大學(xué)的于英華教授團隊對玄武巖纖維樹脂混凝土（BFPC）應(yīng)用于機床基礎(chǔ)件進行了研究。石瑞瑞對BFPC材料的切削性能進行了研究，證明BFPC在切削性能方面適合應(yīng)用于機床基礎(chǔ)件的制造[8]。徐平，于英華，劉敬福等人對填料對聚合物混凝土的性能的影響進行了實驗研究，對水泥、碳化硼、粉煤灰、蒙脫土、氧化鋅和有機蒙脫土等6種填料的PMC進行了抗折強度、抗壓強度以及耐腐蝕性的實驗研究。實驗結(jié)果表明，填料的性能對PMC材料的抗折和抗壓強度的貢獻由小到小大依次為氧化鋅、碳化硼、水泥、粉煤灰、蒙脫土、有機化蒙脫土。粉煤灰和蒙脫土作為填料的PMC材料強度較高，在切削加工中強度保持的率分別為94%和89%，應(yīng)用于機床基礎(chǔ)件的制造中具有一定優(yōu)勢，適合在機床基礎(chǔ)件中推廣使用[9]。張文龍，梁宇分別對BFPC機床基礎(chǔ)件和成型模具進行了研究，證明了BFPC用于機床基礎(chǔ)件制造的優(yōu)越性[10] [11]。王燁利用等剛度理論設(shè)計BFPC材料機床立柱，并用ANSYS對BFPC立柱及原型立柱進行靜態(tài)性能、動態(tài)性能、熱態(tài)性能的有限元仿真分析，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的BFPC立柱各項性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料機床立柱[12]。吳榮發(fā)對BFPC材料數(shù)控車床床身進行了優(yōu)化設(shè)計[13]。

3? 總結(jié)

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于樹脂混凝土材料應(yīng)用于機床來改善機床性能的研究取得了豐碩的成果，研究結(jié)果表明，樹脂混凝土材料的各項性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼和鑄鐵材料，樹脂混凝土材料應(yīng)用于機床基礎(chǔ)件的制造是可行的。

參考文獻：

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[4]Jung Do Suh， Dai Gil Lee. Design and manufacture of hybrid polymer concrete bed? for high-speed CNC milling machine[J]. Int J Mech Mater Des （2008） 4：113-121.

[5]肖力光.聚合物混凝土（PC）的發(fā)展現(xiàn)狀[J].吉林建材，1995，4：8.

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[7]呂妍菲.數(shù)控機床熱特性分析計算及試驗研究[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2012.

[8]石瑞瑞.玄武巖纖維樹脂混凝土切削性能研究[D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2016.

[9]劉敬福，徐平，于英華，李智超.填料對聚合物礦物混凝土性能影響的實驗研究[J].非金屬礦，2014，2：36-39.

[10]張文龍.玄武巖纖維樹脂混凝土機床基礎(chǔ)件相關(guān)研究[D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2014.

[11]梁宇.BFPC機床基礎(chǔ)件材料、結(jié)構(gòu)及其成型模具設(shè)計[D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2015.

[12]王燁.BFPC填充結(jié)構(gòu)機床立柱設(shè)計及其性能分析[D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2017.

[13]吳榮發(fā).BFPC數(shù)控車床床身設(shè)計優(yōu)化及其性能分析[D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2017.