機床基礎件應用人造花崗巖的發(fā)展和現(xiàn)狀*

趙惠英 于賀春 趙則祥 胡果明 仇文全 何鴻強

（①中原工學院，河南鄭州450007;②北京微納精密機械有限公司，北京101300;③北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

人造花崗巖（又稱樹脂混凝土、反應樹脂混凝土、聚合物混凝土、礦物鑄件）是以熱固性樹脂（環(huán)氧樹脂、甲丙烯酸甲脂等）作粘接劑，天然石料（花崗巖、輝綠巖等）為填料加入其他添加劑，通過聚合反應固化而成，是一種高充填的復合材料。與金屬材料相比，它有許多明顯的特性。

1 人造花崗巖國內外發(fā)展的狀況

1．1 人造花崗巖國外發(fā)展的狀況

由于戰(zhàn)爭年代的困難和生鐵缺乏，1917年，德國的Schlesinger首先采用鋼筋混凝土制造車床床身。由于導軌也采用混凝土，產(chǎn)生的摩擦力很大，又缺乏潤滑，導致導軌很快損壞，使這一大膽嘗試失敗了。經(jīng)過進一步研究，上世紀30年代后期，采用鋼筋混凝土制作小型圓形鐵板剪床和小型滾銑床支承件獲得了成功。1940年發(fā)展了一種專用車床，鋼筋混凝土得到了較大規(guī)模應用，制造了1 000多臺。經(jīng)過大約20年的停滯，60年代初期，蘇聯(lián)為了節(jié)約鋼鐵和降低制造成本，在大型車床和龍門銑床的基礎件上應用鋼筋混凝土。其他國家，如瑞士、英國和美國等也開始產(chǎn)生了對混凝土的興趣。

在鋼筋混凝土的發(fā)展中，同時伴隨著樹脂混凝土——人造花崗巖的發(fā)展。這種人造花崗巖有很多好的性能，因此激起了機床制造者的興趣。他們對這種材料寄予很大期望，都企圖用人造花崗巖代替鋼筋混凝土［1］。

上世紀70年代，瑞士、德國和意大利的一些公司推出了采用鋼筋混凝土和人造花崗巖基礎件的機床產(chǎn)品，應用的目的則由降低成本轉向提高機床性能，主要用于高精度機床和自動化機床。瑞士的斯圖特（Studer）公司第一個將人造花崗巖床身用在RA5磨床產(chǎn)品上。解決了鋼筋混凝土強度低、尺寸穩(wěn)定性差、耐腐蝕性能低等缺點，并在1979年歐洲國際機床展覽會上展出。

此后的十幾年間，人造花崗巖在機床基礎件上應用的研究得到了快速發(fā)展，世界上有十幾個國家，120多家公司進行有關的工作，如德國、日本、英國和原蘇聯(lián)等的機床制造廠、大學及研究機構開展了人造花崗巖的基礎和應用研究［2］，主要研究內容為原材料（包括粒料和粘接劑）的性能及選擇，成份配比，基礎件的成型技術及專用設備等，逐漸積累起制造技術方面的知識。采用人造花崗巖基礎件的機床也越來越多，在第三屆中國國際機床展覽會上就有9個廠家推出了采用人造花崗巖基礎件的機床，不同型號達到20多個，產(chǎn)品整機 11 臺［3］。

目前，人造花崗巖基礎件已進入了商品化生產(chǎn)階段。有許多機床制造廠建造了自己的人造花崗巖基礎件生產(chǎn)車間。首先在德國和瑞士有了人造花崗巖基礎件的專業(yè)化生產(chǎn)工廠。2007瑞士的施耐博格（SCHNEEBERGER）公司和德國的藍浦（RAMPF）公司在中國建立生產(chǎn)基地從事亞洲市場人造花崗巖基礎件的生產(chǎn)和銷售。

1．2 人造花崗巖國內發(fā)展的情況

20世紀80年代，上海磨床研究所、同濟大學、北京第二機床廠等單位對在機床上應用人造花崗巖基礎件進行了研究，成功地制造出樣機進行試用。但是都沒有批量生產(chǎn)，也未能商品化。

同期，北京機床研究所用了6年時間對人造花崗巖基礎件在機床上的應用作了系統(tǒng)研究。研究出的人造花崗巖復合材料的性能優(yōu)良，各項物理、力學性能指標已達到瑞士、德國等發(fā)達國家的水平。對人造花崗巖基礎件及其模具的設計特點、要求和成型工藝中的技術也進行了研究和優(yōu)化。成功地制造出MPM150平面磨床床身，并做了大量基礎性能對比試驗［2］。為各精度等級的超精密機床配套而生產(chǎn)的超精加工機床床身和激光加工機床床身使用至今，性能一直穩(wěn)定。

20世紀90年代初，濟南東星精密量儀有限公司逐步涉足人造花崗巖基礎件的試制和生產(chǎn)，經(jīng)過近20年的發(fā)展，建立了專業(yè)生產(chǎn)人造花崗巖基礎件的納諾精密鑄造公司，可向國內外用戶供貨，但未能形成較大的批量。

目前，北京微納精密機械有限公司利用北京機床研究所的研究成果，在人造花崗巖基礎件制造技術的國內外信息收集、基礎理論、關鍵技術、工程化、產(chǎn)業(yè)化等方面開展了研究和實踐工作。

2 人造花崗巖機床基礎件的應用

對人造花崗巖復合材料的機械性能和物理性能進行過大量的研究和檢測，由于成分配方的優(yōu)化，同初期相比，其物理、機械性能有了較大提高，性能指標已完全能滿足制造機床基礎件的要求。與機床基礎件使用的傳統(tǒng)材料灰鑄鐵相比，人造花崗巖復合材料有非常好的吸振性和熱穩(wěn)定性，其阻尼比是灰鑄鐵的6倍以上。采用人造花崗巖復合材料床身后，機床主要部件上的絕對振動速度和振動幅值都有所降低，整機的動態(tài)特性有明顯改善。熱容量是灰鑄鐵的2倍，熱傳導率是灰鑄鐵的1/20以下，在遇到短時內外界溫度變化時，溫度恒定時間要長3倍，而溫度影響的反應振幅只有1/3。與天然花崗巖相比，人造花崗巖復合材料可以做成任何形狀，有很好的成型性。因此，人造花崗巖復合材料主要用于制作超精密加工機床、精密機床、加工中心機床、高速車床和其他對動態(tài)性能和熱穩(wěn)定性要求較高機床床身、基座、立柱和工作臺等基礎件。

此外由于人造花崗巖復合材料有很強的抗老化和抗化學腐蝕的能力，因此也可在印刷機械、食品機械和造紙機械中應用。

磨床制造商一直是機床領域使用人造花崗巖基礎件的先行者。應用最成功的是瑞士的斯圖特公司，目前該公司的所有高精度外圓磨床都采用Granitan S103人造花崗巖床身，導軌應用S200耐磨涂層，獲得了良好的剛性、吸振性和熱穩(wěn)定性。圖2是斯圖特公司高精度外圓磨床人造花崗巖床身［4］。

圖3是2011年新投入生產(chǎn)的數(shù)控萬能外圓磨床S41。磨削高度225/275 mm，磨削長度1 000/1 600 mm，最大工件重量250 kg，X和Z軸速度0.001～20 000 mm/min，刀架磨削主軸直接驅動且分辨率為0.000 05°，全套加工可達4個砂輪。

與斯圖特公司同屬斯來福臨 （Schleifring）集團的肖特（SCHAUDT）公司和米克羅莎（MIKROSA）公司的磨床產(chǎn)品也都采用了人造花崗巖床身。其產(chǎn)品已在世界各地使用，受到用戶的好評［5］。

德國艾布爾－希里夫（ELB－schliff）公司從1979年開始在WSN系列平面磨床上試用人造花崗巖復合材料床身，1986年形成商品，向世界各地出售。圖4為艾布爾－希里夫公司生產(chǎn)的WSN系列平面磨床及人造花崗巖復合材料床身［6］。

圖5是美國哈挺（HARDINGE）生產(chǎn)的CONQUEST系列高速車床和床身。左圖為該機床的外形，采用的是45°斜床身，右圖是利用專用支架在床身上安裝導軌等部件的情況［7］。

許多世界知名企業(yè)也都在不同機床產(chǎn)品上批量采用了人造花崗巖基礎件。圖6至圖12是部份實例。

除上述實例外，在其他不同類型的機床和其它機械制造行業(yè)都在大量應用人造花崗巖基礎件。據(jù)統(tǒng)計，目前在歐洲每生產(chǎn)10臺機床就有1臺使用人造花崗巖基礎件。人造花崗巖復合材料已經(jīng)成為制造高檔機床基礎件的材料之一。

3 結語

在國外，人造花崗巖復合材料用于機床基礎件已有30多年了，這種材料有非常好的吸振性和熱穩(wěn)定性，很強的抗老化和抗化學腐蝕的能力，已經(jīng)成為制造高檔機床基礎件的材料之一。已批量用于制造超精加工機床、精密機床、加工中心、高速車床和其他對動態(tài)性能和熱穩(wěn)定性要求較高機床床身、基座、立柱和工作臺等基礎件，改善了機床的動態(tài)性能，國內的應用才剛起步。

隨著我國數(shù)控機床制造向精密、高速方向發(fā)展，對機床基礎件的精度及其穩(wěn)定性、動靜態(tài)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均提出了較高的要求，用人造花崗巖復合材料制造機床基礎件的技術將會受到有關部門的重視并得到快速發(fā)展。

用人造花崗巖復合材料替代灰鑄鐵制造機床基礎件，減少了熔化金屬帶來的大氣污染，能大幅度節(jié)約能源和金屬材料，屬于低碳經(jīng)濟和綠色制造技術的范疇，符合國家發(fā)展低碳經(jīng)濟政策，這必將大大推動和加速人造花崗巖復合材料制造機床基礎件研究和產(chǎn)業(yè)化的步伐。

［1］樹脂混凝土可以代替鑄鐵和焊接床身（德文）［J］．Industvie Anzeiger，1981（85）:24－ 29．

［2］北京機床研究所．樹脂混凝土成份配方和性能的研究［R］．1992，12．

［3］胡果明．從CIMT’93看樹脂混凝土基礎零件的應用［J］．機床，1993（8）:4－5．

［4］斯來褔臨集團．瑞士斯圖特機床新產(chǎn)品與徑典產(chǎn)品縱覽［Z］．2012．

［5］http://www．studer．com/［OL］．

［6］艾布爾－希里夫公司．ELB Advanced Grinding Technologies［Z］．

［7］哈挺公司．美國哈挺精密CONQUEST 42車床［Z］．

［8］喬治－菲舍公司．產(chǎn)品樣本［Z］．

［9］中蘇合作項目交流資料．開發(fā)和應用機床新材料（包括人造花崗巖）［R］．1990．

［10］昂科公司．靈活性和速度兼具的數(shù)控磨床［Z］．

［11］http://www．rampf－ group．com．cn［OL］．

［12］http://www．schneeberger．com［OL］．

［13］段京虎．樹脂混凝土構件的動態(tài)特性研究及其在大型數(shù)控龍門式平面磨床上的應用［D］．杭州:浙江工業(yè)大學，2008．

［14］季威罕．樹脂混凝土機床床身的應用［J］．WMEM，2008（2）:100－102．