機(jī)床基礎(chǔ)件應(yīng)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(qiáng)

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

人造花崗巖（又稱樹脂混凝土、反應(yīng)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(yīng)固化而成，是一種高充填的復(fù)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(guó)內(nèi)外發(fā)展的狀況

1．1 人造花崗巖國(guó)外發(fā)展的狀況

由于戰(zhàn)爭(zhēng)年代的困難和生鐵缺乏，1917年，德國(guó)的Schlesinger首先采用鋼筋混凝土制造車床床身。由于導(dǎo)軌也采用混凝土，產(chǎn)生的摩擦力很大，又缺乏潤(rùn)滑，導(dǎo)致導(dǎo)軌很快損壞，使這一大膽嘗試失敗了。經(jīng)過進(jìn)一步研究，上世紀(jì)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(yīng)用，制造了1 000多臺(tái)。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(chǔ)件上應(yīng)用鋼筋混凝土。其他國(guó)家，如瑞士、英國(guó)和美國(guó)等也開始產(chǎn)生了對(duì)混凝土的興趣。

在鋼筋混凝土的發(fā)展中，同時(shí)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(jī)床制造者的興趣。他們對(duì)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(jì)70年代，瑞士、德國(guó)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(chǔ)件的機(jī)床產(chǎn)品，應(yīng)用的目的則由降低成本轉(zhuǎn)向提高機(jī)床性能，主要用于高精度機(jī)床和自動(dòng)化機(jī)床。瑞士的斯圖特（Studer）公司第一個(gè)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(qiáng)度低、尺寸穩(wěn)定性差、耐腐蝕性能低等缺點(diǎn)，并在1979年歐洲國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上展出。

此后的十幾年間，人造花崗巖在機(jī)床基礎(chǔ)件上應(yīng)用的研究得到了快速發(fā)展，世界上有十幾個(gè)國(guó)家，120多家公司進(jìn)行有關(guān)的工作，如德國(guó)、日本、英國(guó)和原蘇聯(lián)等的機(jī)床制造廠、大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)開展了人造花崗巖的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究［2］，主要研究?jī)?nèi)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(chǔ)件的成型技術(shù)及專用設(shè)備等，逐漸積累起制造技術(shù)方面的知識(shí)。采用人造花崗巖基礎(chǔ)件的機(jī)床也越來越多，在第三屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上就有9個(gè)廠家推出了采用人造花崗巖基礎(chǔ)件的機(jī)床，不同型號(hào)達(dá)到20多個(gè)，產(chǎn)品整機(jī) 11 臺(tái)［3］。

目前，人造花崗巖基礎(chǔ)件已進(jìn)入了商品化生產(chǎn)階段。有許多機(jī)床制造廠建造了自己的人造花崗巖基礎(chǔ)件生產(chǎn)車間。首先在德國(guó)和瑞士有了人造花崗巖基礎(chǔ)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(guó)的藍(lán)浦（RAMPF）公司在中國(guó)建立生產(chǎn)基地從事亞洲市場(chǎng)人造花崗巖基礎(chǔ)件的生產(chǎn)和銷售。

1．2 人造花崗巖國(guó)內(nèi)發(fā)展的情況

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

同期，北京機(jī)床研究所用了6年時(shí)間對(duì)人造花崗巖基礎(chǔ)件在機(jī)床上的應(yīng)用作了系統(tǒng)研究。研究出的人造花崗巖復(fù)合材料的性能優(yōu)良，各項(xiàng)物理、力學(xué)性能指標(biāo)已達(dá)到瑞士、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。對(duì)人造花崗巖基礎(chǔ)件及其模具的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、要求和成型工藝中的技術(shù)也進(jìn)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(chǔ)性能對(duì)比試驗(yàn)［2］。為各精度等級(jí)的超精密機(jī)床配套而生產(chǎn)的超精加工機(jī)床床身和激光加工機(jī)床床身使用至今，性能一直穩(wěn)定。

20世紀(jì)90年代初，濟(jì)南東星精密量?jī)x有限公司逐步涉足人造花崗巖基礎(chǔ)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(chǔ)件的納諾精密鑄造公司，可向國(guó)內(nèi)外用戶供貨，但未能形成較大的批量。

目前，北京微納精密機(jī)械有限公司利用北京機(jī)床研究所的研究成果，在人造花崗巖基礎(chǔ)件制造技術(shù)的國(guó)內(nèi)外信息收集、基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、工程化、產(chǎn)業(yè)化等方面開展了研究和實(shí)踐工作。

2 人造花崗巖機(jī)床基礎(chǔ)件的應(yīng)用

對(duì)人造花崗巖復(fù)合材料的機(jī)械性能和物理性能進(jìn)行過大量的研究和檢測(cè)，由于成分配方的優(yōu)化，同初期相比，其物理、機(jī)械性能有了較大提高，性能指標(biāo)已完全能滿足制造機(jī)床基礎(chǔ)件的要求。與機(jī)床基礎(chǔ)件使用的傳統(tǒng)材料灰鑄鐵相比，人造花崗巖復(fù)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(fù)合材料床身后，機(jī)床主要部件上的絕對(duì)振動(dòng)速度和振動(dòng)幅值都有所降低，整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性有明顯改善。熱容量是灰鑄鐵的2倍，熱傳導(dǎo)率是灰鑄鐵的1/20以下，在遇到短時(shí)內(nèi)外界溫度變化時(shí)，溫度恒定時(shí)間要長(zhǎng)3倍，而溫度影響的反應(yīng)振幅只有1/3。與天然花崗巖相比，人造花崗巖復(fù)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(fù)合材料主要用于制作超精密加工機(jī)床、精密機(jī)床、加工中心機(jī)床、高速車床和其他對(duì)動(dòng)態(tài)性能和熱穩(wěn)定性要求較高機(jī)床床身、基座、立柱和工作臺(tái)等基礎(chǔ)件。

此外由于人造花崗巖復(fù)合材料有很強(qiáng)的抗老化和抗化學(xué)腐蝕的能力，因此也可在印刷機(jī)械、食品機(jī)械和造紙機(jī)械中應(yīng)用。

磨床制造商一直是機(jī)床領(lǐng)域使用人造花崗巖基礎(chǔ)件的先行者。應(yīng)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(dǎo)軌應(yīng)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(zhǎng)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(qū)動(dòng)且分辨率為0.000 05°，全套加工可達(dá)4個(gè)砂輪。

與斯圖特公司同屬斯來福臨 （Schleifring）集團(tuán)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(píng)［5］。

德國(guó)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(fù)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(fù)合材料床身［6］。

圖5是美國(guó)哈挺（HARDINGE）生產(chǎn)的CONQUEST系列高速車床和床身。左圖為該機(jī)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(dǎo)軌等部件的情況［7］。

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

除上述實(shí)例外，在其他不同類型的機(jī)床和其它機(jī)械制造行業(yè)都在大量應(yīng)用人造花崗巖基礎(chǔ)件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前在歐洲每生產(chǎn)10臺(tái)機(jī)床就有1臺(tái)使用人造花崗巖基礎(chǔ)件。人造花崗巖復(fù)合材料已經(jīng)成為制造高檔機(jī)床基礎(chǔ)件的材料之一。

3 結(jié)語

在國(guó)外，人造花崗巖復(fù)合材料用于機(jī)床基礎(chǔ)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(qiáng)的抗老化和抗化學(xué)腐蝕的能力，已經(jīng)成為制造高檔機(jī)床基礎(chǔ)件的材料之一。已批量用于制造超精加工機(jī)床、精密機(jī)床、加工中心、高速車床和其他對(duì)動(dòng)態(tài)性能和熱穩(wěn)定性要求較高機(jī)床床身、基座、立柱和工作臺(tái)等基礎(chǔ)件，改善了機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用才剛起步。

隨著我國(guó)數(shù)控機(jī)床制造向精密、高速方向發(fā)展，對(duì)機(jī)床基礎(chǔ)件的精度及其穩(wěn)定性、動(dòng)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(fù)合材料制造機(jī)床基礎(chǔ)件的技術(shù)將會(huì)受到有關(guān)部門的重視并得到快速發(fā)展。

用人造花崗巖復(fù)合材料替代灰鑄鐵制造機(jī)床基礎(chǔ)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(jì)和綠色制造技術(shù)的范疇，符合國(guó)家發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)政策，這必將大大推動(dòng)和加速人造花崗巖復(fù)合材料制造機(jī)床基礎(chǔ)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(jī)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(chǔ)零件的應(yīng)用［J］．機(jī)床，1993（8）:4－5．

［4］斯來褔臨集團(tuán)．瑞士斯圖特機(jī)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(guó)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(xiàng)目交流資料．開發(fā)和應(yīng)用機(jī)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(gòu)件的動(dòng)態(tài)特性研究及其在大型數(shù)控龍門式平面磨床上的應(yīng)用［D］．杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2008．

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