树脂混凝土机床基础件研究现状

王烨 罗士军

摘要：优化机床结构和使用新型材料是提高机床性能的两个主要方法，其中使用性能優异的新型材料，可以直接有效地解决这个问题。树脂混凝土是由天然矿石和环氧树脂为主要成分的复合材料，是近年来国内外学者普遍关注和研究的机床新型材料。它具有较高的动态性能和阻尼比、很好的热稳定性、较强的抗腐蚀能力。采用这种材料来制造机床基础件，还可以减少钢铁的消耗，对于环保有重大的意义。

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.

关键词：树脂混凝土;机床性能;新型材料;环保

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

0  引言

随着机械加工逐步向着高速度、高精度和高自动化程度方向发展，机床需要有更高的静、动和热态性能。树脂混凝土是近年来国内外学者普遍关注和研究的机床新型材料。运用纤维增强树脂混凝土材料制造机床基础件的研究主要经历了普通混凝土阶段、树脂混凝土阶段和纤维增强树脂混凝土阶段的发展历程[1]。

1  混凝土机床基础件国外研究现状

自混凝土材料问世，就在机床基础件的制造方面得到了较快的发展。二十世纪八十年代，意大利的San Rocco公司推出了带有钢筋增强的混凝土机床基础件和纤维增强的树脂混凝土机床基础件的产品。日本的机械工业协会的技术研究所研制开发了树脂混凝土材料的数控磨床床身，并且将聚合物树脂混凝土的材料应用在高速车床的床身上[2]。

为了更好地把树脂混凝土材料应用于机床基础件的制造中，以满足近年来机床产业的高速高精发展的需求。国外的研究者先后将钢纤维和玻璃纤维等加入到树脂混凝土，以提高混凝土材料的性能。将这种混凝土材料应用在机床基础件的制造中，并尝试采用传统金属材料与聚合物混凝土相结合的方式来设计制造机床基础件[3]。1995年，美国的M.Rahman等经过实验研究，把钢纤维增强树脂混凝土应用于PSG52DX机床的制造，然后对它的静动态性能进行了试验分析，证明了钢纤维增强树脂混凝土材料使用于机床制造的合理性和优越性。凭借钢纤维增强树脂混凝土阻尼特性方面的优越性，在2001年，M. Rahman又将这种材料应用到数控机床上。2008年，韩国的Jung Do Suh团队把聚合物混凝土材料的框架结构应用在龙门铣床的底座上，并且取得了很好的效果[4]。2011年，韩国的学者Sung Kyum Cho等人把树脂混凝土应用在小型机床的结构制造中，来减轻其结构的重量，同时提高了该结构的刚度。2012年，Header Haddad等对于树脂混凝土的各种力学性能和参数进行了实验测试，得到了具有优良力学性能的混凝土材料，并将其应用于精密机床的基础件的制造中。

2  混凝土机床基础件国内研究现状

自二十世纪五十年代起，非金属材料就应用于各种机床的制造中，上海机床厂、北京机床研究所、沈阳机床厂、天津大学等企业和高校的研究所都自主研发或者采取技术交流的形式进行了非金属材料机床支撑件的研究，将钢筋混凝土材料和聚合物混凝土材料等应用在了机床基础件的制造上[5]。但是由于种种原因，这种机床基础件并没有得到的批量生产。在那以后，国内的多所高校和企业开展了树脂混凝土材料应用于机床基础件制造的研究。辽宁工程技术大学的徐平教授从材料机理层面上定量的分析了钢纤维树脂混凝土的力学性能和阻尼性能的本质，并通过制造试件以及测试钢纤维树脂混凝土的机床床身，来验证这种材料应用于机床基础件制造方面的合理性和优越性[6]。大连理工大学的王德伦教授团队进行了钢纤维树脂混凝土机床床身的热特性分析和试验研究，且分别从静态与动态性能方面分析了钢纤维树脂混凝土用于制造床身的可行性和优越性，研究结果表明：钢纤维树脂混凝土材料所制成的机床床身在其刚度、强度以及固有频率等方面都能满足机床床身的要求[7]。

辽宁工程技术大学的于英华教授团队对玄武岩纤维树脂混凝土（BFPC）应用于机床基础件进行了研究。石瑞瑞对BFPC材料的切削性能进行了研究，证明BFPC在切削性能方面适合应用于机床基础件的制造[8]。徐平，于英华，刘敬福等人对填料对聚合物混凝土的性能的影响进行了实验研究，对水泥、碳化硼、粉煤灰、蒙脱土、氧化锌和有机蒙脱土等6种填料的PMC进行了抗折强度、抗压强度以及耐腐蚀性的实验研究。实验结果表明，填料的性能对PMC材料的抗折和抗压强度的贡献由小到小大依次为氧化锌、碳化硼、水泥、粉煤灰、蒙脱土、有机化蒙脱土。粉煤灰和蒙脱土作为填料的PMC材料强度较高，在切削加工中强度保持的率分别为94%和89%，应用于机床基础件的制造中具有一定优势，适合在机床基础件中推广使用[9]。张文龙，梁宇分别对BFPC机床基础件和成型模具进行了研究，证明了BFPC用于机床基础件制造的优越性[10] [11]。王烨利用等刚度理论设计BFPC材料机床立柱，并用ANSYS对BFPC立柱及原型立柱进行静态性能、动态性能、热态性能的有限元仿真分析，结果表明，结构设计合理的BFPC立柱各项性能优于传统材料机床立柱[12]。吴荣发对BFPC材料数控车床床身进行了优化设计[13]。

3  總结

目前，国内外学者对于树脂混凝土材料应用于机床来改善机床性能的研究取得了丰硕的成果，研究结果表明，树脂混凝土材料的各项性能优于传统的钢和铸铁材料，树脂混凝土材料应用于机床基础件的制造是可行的。

参考文献：

[1]季威罕.树脂混凝土机床床身的应用[J].世界制造技术与装备市场，2008，2：100-102.

[2]Xu Ping， Yu Ying-hua. Research on Steel-fibber Polymer Concrete machine tool structure[J].JOURNAL OF COAL SCIENCE & ENGINEERING （CHINA），2008，14（4）：689-692.

[3]褚开宇.21世纪数控机床材料的进展[J].机床与液压，2011，14：117-123.

[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）的发展现状[J].吉林建材，1995，4：8.

[6]徐平，肖振，谈海南，盖巍巍.钢纤维树脂混凝土填充结构机床基础件研究[J].机械设计，2013，5：52-55.

[7]吕妍菲.数控机床热特性分析计算及试验研究[D].辽宁：大连理工大学，2012.

[8]石瑞瑞.玄武岩纤维树脂混凝土切削性能研究[D].辽宁：辽宁工程技术大学，2016.

[9]刘敬福，徐平，于英华，李智超.填料对聚合物矿物混凝土性能影响的实验研究[J].非金属矿，2014，2：36-39.

[10]张文龙.玄武岩纤维树脂混凝土机床基础件相关研究[D].辽宁：辽宁工程技术大学，2014.

[11]梁宇.BFPC机床基础件材料、结构及其成型模具设计[D].辽宁：辽宁工程技术大学，2015.

[12]王烨.BFPC填充结构机床立柱设计及其性能分析[D].辽宁：辽宁工程技术大学，2017.

[13]吴荣发.BFPC数控车床床身设计优化及其性能分析[D].辽宁：辽宁工程技术大学，2017.