礦物鑄件的蠕變性能測試研究

余丕亮，唐明松，謝京錦

（1.東莞市寶科精密機(jī)械有限公司，廣東 東莞 523000；2.深圳市帝馬數(shù)字機(jī)器有限公司，廣東 深圳 518000；3.深圳市創(chuàng)世紀(jì)機(jī)械有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

礦物鑄件是一種面向未來的非金屬節(jié)能環(huán)保材料，以其性能的優(yōu)勢(shì)在某些應(yīng)用領(lǐng)域可以替代傳統(tǒng)的鑄鐵材料，特別是機(jī)床領(lǐng)域。振動(dòng)是影響精密機(jī)床加工精度重要因素，產(chǎn)生振動(dòng)的激振源有很多，無法全部消除振源，可以通過改進(jìn)零部件材料、提高系統(tǒng)剛性及降低系統(tǒng)固有頻率、加載減振裝置、隔離激振源等措施來削弱振動(dòng)[1]。礦物鑄件阻尼值是鑄鐵5～6倍，是一種減震性能優(yōu)良的材料[2]，可應(yīng)用于精密機(jī)床的底座、床身、橫梁等基礎(chǔ)零部件。

作為機(jī)器設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件，要求保證零件的幾何尺寸及精度，達(dá)到足夠的強(qiáng)度和剛度，對(duì)材料的性能如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、阻尼特性、蠕變特性等提出要求。由于礦物鑄件是采用樹脂和砂石做基礎(chǔ)材料，在長期載荷作用下會(huì)產(chǎn)生蠕變[3，4]。將礦物鑄件用在對(duì)精度要求很高的設(shè)備上也可能會(huì)對(duì)機(jī)器性能產(chǎn)生影響，如數(shù)控機(jī)床底座等基礎(chǔ)零部件。機(jī)床設(shè)備使用年限一般超過10年，精度的保持性尤為重要。為了優(yōu)選礦物鑄件配方，需進(jìn)行大量骨料配比實(shí)驗(yàn)，使得抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、阻尼特性、蠕變特性等達(dá)到要求[5]。礦物鑄件的原材料環(huán)氧樹脂受熱會(huì)產(chǎn)生相變，在常溫下穩(wěn)定性較佳[6]。本試驗(yàn)測試了不同配方的礦物鑄件試塊在常溫下的蠕變性能，為礦物鑄件配方提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

因工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的鑄件成品不易試驗(yàn)，需制作試樣試塊。測試使用長方形試塊。試塊分為ABCD共4個(gè)系列，每個(gè)系列含3種不同配方的試塊。A系列為A公司樹脂原材料和固化劑，1為大粒徑砂石組分，2為中粒徑砂石組分，3為小粒徑砂石組分。同理，B～D系列分別為不同公司樹脂和固化劑原材料及砂石組分。試塊為長方形，其尺寸為100 mm×150 mm×800 mm。如圖1和圖2所示。

圖1 單個(gè)試塊

圖2 試塊及截面

試塊編號(hào)及施加載荷如表1所示。不同編號(hào)的試塊其配方和存放養(yǎng)護(hù)方式不一樣。

表1 試塊編號(hào)

2 試驗(yàn)設(shè)備

自制試驗(yàn)設(shè)備，為鋼制框架結(jié)構(gòu)，共4臺(tái)。每臺(tái)放置3條試塊，按4個(gè)系列分別疊加放置。如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備

3 載荷施加試驗(yàn)

蠕變?cè)囼?yàn)是在單向拉伸條件下進(jìn)行的，各試塊施加的載荷如表1所示。壓力施加在試塊上面，受力位置位于試塊的1/3位置處。安裝時(shí)，將試塊澆鑄時(shí)的底面向下，始終使其處于拉伸區(qū)域。由于3塊試塊疊加，第2塊和第3塊所受載荷依次增大。不同試塊密度不同，質(zhì)量也不相同，故疊加后計(jì)算施加到不同試塊上的載荷有所不同。

試驗(yàn)分為2個(gè)階段。第1階段通過位移感應(yīng)器測量試塊中心部位的彎曲變形量，試驗(yàn)時(shí)間14天。第2階段用機(jī)械千分表測量，如圖4所示，試驗(yàn)時(shí)間為7.5個(gè)月。

圖4 彎曲變形量的測量

4 蠕變平均值

記錄各時(shí)間段蠕變值，并計(jì)算ABCD各系列試塊蠕變平均值，見表2。

表2 不同時(shí)間階段的蠕變平均值（單位mm）

5 抗彎強(qiáng)度及負(fù)荷率

在8個(gè)月的負(fù)荷期結(jié)束時(shí)，對(duì)每個(gè)試塊進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)。負(fù)荷同蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)一樣，在長度的三分之一處進(jìn)行?？箯潖?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。負(fù)荷率為施加壓強(qiáng)與抗彎強(qiáng)度的百分比值。

由表3計(jì)算可知，A系列平均負(fù)荷率為49%，B系列平均負(fù)荷率為47%，C系列平均負(fù)荷率為39%，D系列平均負(fù)荷率為42%。

表3 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

6 第1階段蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

ABCD系列各試塊彎曲變形量結(jié)果，如圖5～8所示。

圖5 A系列試塊7日彎曲變形量(單位mm)

圖6 B系列試塊7日彎曲變形量（單位mm）

圖7 C系列試塊7日彎曲變形量（單位mm）

圖8 D系列試塊7日彎曲變形量（單位mm）

7 彎曲量和蠕變量試驗(yàn)

彎曲量和蠕變量試驗(yàn)結(jié)果見表4～7。

表4 A系列試塊彎曲量和蠕變量（單位mm）

表5 B系列試塊彎曲量和蠕變量（單位mm）

表6 C系列試塊彎曲量和蠕變量（單位mm）

表7 D系列試塊彎曲量和蠕變量（單位mm）

8 結(jié)果分析

在第1階段，即前14天，礦物鑄件測試塊的變形量逐步增大。在第2階段，共8個(gè)月時(shí)間，礦物鑄件測試塊的變形量和蠕變量增大速率變慢，而且8個(gè)月后試塊彎曲量與蠕變量值保持恒定。

9 結(jié)論

為了測試蠕變對(duì)機(jī)床設(shè)備精度保持性的影響而進(jìn)行的礦物鑄件蠕變性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

（1）A系列彎曲變形量0.11 mm，蠕變量0.13 mm。對(duì)比A、B、C、D各系列各配方試塊，A系列平均變形量和蠕變量最小，可作為最優(yōu)配方之一。

（2）在5個(gè)月后A系列和B系列試塊蠕變平均值分別保持在0.2 mm和0.22 mm，在6個(gè)月后C系列和D系列試塊蠕變平均值分別保持在0.6 mm和0.91 mm，在7個(gè)月后所有礦物鑄件試塊彎曲量與蠕變量已經(jīng)不再顯著變化。表明采用礦物鑄件作為機(jī)床設(shè)備基礎(chǔ)零部件在長時(shí)間使用后不會(huì)因?yàn)槿渥兌a(chǎn)生精度變化，在保證機(jī)床的精度保持性方面可行。

此外，影響礦物鑄件物理性能的因素很多，僅進(jìn)行了長時(shí)間蠕變?cè)囼?yàn)，測試了彎曲變形量和抗拉強(qiáng)度，此次測試可作為優(yōu)選礦物鑄件配方的依據(jù)。其他物理性能如彈性模量、熱膨脹系數(shù)、抗壓強(qiáng)度等仍需另外進(jìn)一步開展測試研究。