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(jī)床精度及其尺寸穩(wěn)定性、動(dòng)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(tái)等關(guān)鍵零部件的作用，其性能的好壞直接影響到機(jī)床的加工精度和工件表面粗糙度，關(guān)系到機(jī)床的安全可靠性及使用壽命。國(guó)外對(duì)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(guó)個(gè)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(guó)外差距較大［1－6］。因此，本文在國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)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(shù)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(guò)對(duì)人造花崗巖材料的各組成部分及其比例進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，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(duì)人造花崗巖性能有直接影響。我們將骨料粒徑分為8級(jí)，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(gè)等級(jí)，其作用是填充粗骨料框架縫隙以保證人造花崗巖的密實(shí)度;粗骨料中分為2.5～5 mm、5～10 mm、10～15 mm 三個(gè)等級(jí)，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(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，以消除固化過(guò)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(duì)人體和環(huán)境無(wú)害性等，并具有最佳處理時(shí)間、聚合物粘度要低、良好的硬化、固化變形小及價(jià)格低等特性。參考已有技術(shù)，并經(jīng)過(guò)大量對(duì)比試驗(yàn)，最后選用E－44環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰胺樹(shù)脂作為其固化劑。為了保證固化體系具有合適的性能，在實(shí)際操作中，添加的固化劑用量可根據(jù)計(jì)算值作適當(dāng)調(diào)整。

（4）稀釋劑 作用是降低樹(shù)脂的粘度，使攪拌過(guò)程中有較好的滲透力，以達(dá)到固化時(shí)不產(chǎn)生氣泡的作用，如甲苯是常用的稀釋劑之一。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，稀釋劑的添加比例根據(jù)室溫、振動(dòng)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(yàn)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(duì)環(huán)氧樹(shù)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(jí)粒徑的通過(guò)率，%;d為人造花崗巖各級(jí)粒徑，mm;D為人造花崗巖的最大粒徑，mm;n為實(shí)驗(yàn)指數(shù)。

實(shí)驗(yàn)指數(shù)n的合適范圍為0.3～0.7。當(dāng)n=0.5時(shí)，人造花崗巖具有最大的密實(shí)度，計(jì)算得到的級(jí)配為理論配比。

在上述理論分析和試驗(yàn)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(yàn)及分析

2．1 制備工藝試驗(yàn)

在人造花崗巖試件制備過(guò)程中，我們結(jié)合現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外資料對(duì)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(shí):按預(yù)定配方分別稱重、采用手工攪拌方式，調(diào)整振動(dòng)臺(tái)參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)，使其結(jié)構(gòu)密實(shí)。試件如圖1所示。

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

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

（4）自動(dòng)攪拌壓實(shí):按預(yù)定配方分別稱重、采用攪拌機(jī)自動(dòng)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(dòng)臺(tái)參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)使其結(jié)構(gòu)密實(shí)。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(shí)工藝方法操作隨機(jī)性強(qiáng)，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(dòng)攪拌振實(shí)工藝則受粘結(jié)劑粘度的影響，固化效果與材料配方、振動(dòng)臺(tái)參數(shù)關(guān)系較大，仍存在骨料充填不滿的現(xiàn)象;

自動(dòng)攪拌搗實(shí)方式因固化前對(duì)混合材料進(jìn)行人工搗實(shí)，使其充滿型腔，因此固化效果不錯(cuò)，但是存在搗實(shí)力度把握不準(zhǔn)和增加勞動(dòng)強(qiáng)度等問(wèn)題，不適合批量生產(chǎn);

自動(dòng)攪拌壓實(shí)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(dòng)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(cè)試

依據(jù)GB/T 50081－2002，選擇自動(dòng)攪拌振實(shí)工藝成型效果較好的試件進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，如圖5所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)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(yǔ)與展望

我們通過(guò)對(duì)人造花崗巖各種組成成分進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，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(dòng)攪拌振動(dòng)壓實(shí)的工藝方法有利于試件力學(xué)性能的實(shí)現(xiàn)。

國(guó)外已經(jīng)普遍采用人造花崗巖作為機(jī)床基礎(chǔ)件材料，以改善機(jī)床整體性能。國(guó)內(nèi)雖然開(kāi)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(kāi)展大量的基礎(chǔ)性研究工作，如采用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和有限元模擬等相結(jié)合的方法，通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)、機(jī)床床身試件的動(dòng)靜態(tài)性能、熱穩(wěn)定性分析及試驗(yàn)、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(jī)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(duì)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(jì)和制造，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的人造花崗巖機(jī)床床身提供可靠的理論依據(jù)。

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