钢纤维聚合物混凝土机床基础件的热性能

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　　文章编号:167325196(2008)0320037203

钢纤维聚合物混凝土机床基础件的热性能

于英华1,王明旭2,徐　平1

(1.辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新　123000;2.南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京　210016)

摘要:基于钢纤维聚合物混凝土(SFPC)在机床基础件中的应用,分析影响SFPC热变形的因素,对SFPC热态性能参数———热变形系数进行测试,在此基础上对SFPC机床基础件与传统铸铁机床基础件的热性能进行分析比较.

结果表明SFPC机床基础件优于传统铸铁机床基础件,证明用钢纤维聚合物混凝土制造机床基础件可使机床具有更好的热稳定性,从而满足科技发展对机床高加工精度的要求.

关键词:机床基础件;钢纤维聚合物混凝土;热变形系数;热态性能

中图分类号:T H14　　文献标识码:A

Thermal property of machine tool structural elements

made of steel2f iber polymer concrete

YU Y ing2hua1,WAN G Ming2xu2,XU Ping1

(1.College of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin　123000,China;2.College of Aerospace and Engineering,Nan2 jing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing　210016,China)

Abstract:In order to use t he steel2fiber polymer concrete(SFPC)in machine tool st ruct ural element s,t he factors influencing on t hermal properties of steel2fibre polymer concrete were analyzed and t he t hermal dis2 tortion coefficient of t he SFPC as it s t hermal characteristic parameter was tested.The t hermal p roperties of machine tool st ruct ural element wit h SFPC were compared to t hose wit h conventional cast iron.The re2 sult showed t hat t he former was superior to t he latter,so t hat it was verified t hat a better t hermal stability of machine tool struct ural element s co uld be achieved by using steel2fibre polymer concrete and high machi2 ning accuracy required by t he technical develop ment wo uld be realized t hereby.

K ey w ords:machine tool struct ural element s;steel2fibre polymer concrete;t hermal distortion coefficient; t hermal properties

　　机械加工中,工艺系统在各种热源(摩擦热、切削热、环境温度、辐射热)的作用下会产生温升,造成工件和刀具之间的相对位移,影响加工精度.根据调查表明:在精密加工中,仅热变形带来的误差占总制造误差的40%～70%[1].日本东京大学的佐田登志夫教授把机床热变形看作是由于温度变化引起的机床结构刚度不足,提出了“热刚度”概念,将机床的静刚度、动刚度、热刚度有机结合在一起进行研究[2～5].为了提高加工精度,不仅要从改善机床的制造结构,还应寻找其他更好的抗振、抗热性能的机床基础件新型材料.根据前期研究[6,7],钢聚合物混凝

　　收稿日期:2007210215

　　基金项目:辽宁省高等学校科学技术研究基金(2004F030)

　　作者简介:于英华(19652),女,吉林吉林人,博士,教授.土制造机床基础件具有优良的动态性能(阻尼比约为铸铁的7倍)和良好的静态性能(与聚合物混凝土相比:其弹性模量为78.96GPa,约为聚合物混凝土的2.5倍;抗压84.80M Pa,约为聚合物混凝土的1.83倍).在此基础之上,本文通过实验和理论分析研究钢聚合物混凝土制造机床基础件的热态性能,以证明用该材料制造机床基础件在热态性能方面的优越性,以期为钢纤维聚合物混凝土在机床制造业乃至其他工程领域中的应用提供理论依据.

1　产生热变形的因素

1.1　影响材料抗热变形性能的因素

影响钢纤维聚合物混凝土抗热变形性能的因素主要有:1)骨料颗粒的大小及配比;2)胶合剂、固

第34卷第3期2008年6月

兰　州　理　工　大　学　学　报

Journal of Lanzhou University of Technology

Vol.34No.3

J un.2008

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化剂的黏性指标及用量;3)钢纤维的长径比、直径和质量浓度;4)称量钢纤维聚合物混凝土各成分的准确性,树脂、固化剂、骨料、钢纤维在混合物中的均匀性;5)在制作机床基础件过程中材料的致密性,即在捣实过程中的压力;6)含水量和干密度.起始含水量越小,干密度越大,变形量越大;反之亦然.

1.2　机床基础件发生热变形的热源

引起机床基础件发生热变形的热源产生主要有以下几方面[8]:1)加工过程中工件和机床床身产生压力、摩擦将使床身产生热源;2)在加工过程中由于加工工件本身的质量,对基础件将产生压力,即外部压力;3)在加工过程中,刀具和工件之间产生大量的热量,将辐射传递给机床基础件;4)加工过程中各种运动副如主轴部件的滚动轴承、工作台和导轨、丝杠和螺母之间的摩擦,电机本身和液压系统的发热也是机床基础件的热源;5)辐射及其他外界热源等都是使机床基础件产生热、动态变形的热源.

2　材料热变形系数的测试

2.1　试件制备

根据前期试验及文献[7,9,10]的研究结果,钢纤维采用鞍山钢铁集团公司提供的不锈钢、镀铜、正态熔抽型钢纤维,直径为0.22mm,长径比为70,钢纤维质量浓度为48kg/m,制备的钢聚合物混凝土材料的整体密度为2.48×103kg/m3.制造尺寸为40mm×40mm×160mm的4个试样.具体制备工艺流程见文献[7].

2.2　测试原理

表征材料受热时体积、形状发生变化程度的热变形系数是材料重要的物理性能之一,在温度变化条件下使用的结构材料,其热变形系数是进行结构设计的关键参数.热变形系数定义为试件几何尺寸在单位温度变化时的尺寸变化率[8],即

ε

t1,t2=

x2-x1

x0(t2-t1)

=

Δx

x0Δt

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