（机械设计及理论专业论文）复合材料机床床身特性分析与试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 传统钢铁材料批量生产的产品能否采用非金属或复合材料制造，是近几年国内外研 究的热点。本文以降低机床成本为主要目的，以大连机床集团生产的c w 6 1 6 3 c 普通车床 为原型，研究了钢纤维混凝土复合材料作为机床支撑件的设计和制造方法以及材料与机 床的特性。 论文首先根据床身的使用条件确定材料组分配比，按照钢纤维混凝土试验方法 进行了试件抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和抗折弹性模量试验，研究钢纤维混凝 土复合材料的力学性能，有关试验结果为钢纤维混凝土床身设计提供依据。然后，根据 机床床身加工工艺特点和工作要求，通过数值模拟优化复合材料机床床身结构并进行多 种方案设计和参数比较，确定了一种强度、刚度、固有频率等均符合要求的框架式复合 材料床身结构，并对该床身结构进行了经济性分析；按照复合材料机床床身结构，设计 制造床身预埋件及模具，浇注了同比例复合材料床身样机。最后，进行了床身加载试验， 与使用a n s y s 计算同工况下结果进行比较，结果符合情况良好，验证了使用a n s y s 进行 分析的可行性；进行了普通试件和加钢件试件的徐变试验，并进行结果对比，研究机床 在长期载荷下的尺寸稳定性。 数值模拟和试验结果表明，根据钢纤维混凝土复合材料性能和机床工作特点设计制 造的框架式复合材料机床床身，各项性能满足机床使用条件，制造成本较铸铁床身有大 幅降低；模具设计及同比例样机浇注，为复合材料机床床身制造提供了思路和方法；床 身加载试验验证了有限元软件计算可行性；徐变试验表明框架式混凝土结构较普通结构 能大幅降低徐变，保证机床的长期稳定性。 关键词：复合材料；机床床身；钢纤维混凝土；性能试验 复合材料机床床身特性分析与试验研究 p r o p e r t ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nm a c h i n et o o lb e dm a d eb y c o m p o s i t em a t e r i a l a b s t r a c t b a t c hp r o d u c t i o nu s i n gs u i t a b l en o n m e t a l l i co rc o m p o s i t em a t e r i a l si n s t e a do ft h e t r a d i t i o n a ls t e e lm a t e r i a li sah o tr e s e a r c hi s s u ei nr e c e n ty e a r s t oa c h i e v et h ep u r p o s eo ft h e m a c h i n et o o lc o s tr e d u c t i o n , t h i ss t u d yr e s e a r c h e st h em e t h o do fm a k i n gm a c h i n et o o lb e db y s t e e lf i b e rc o n c r e t ec o m p o s i t e ，t e s t st h ep r o p e r t yo ft h em a t e r i a la n dt h em a c h i n e ，b a s i n go n t h ep r o t o t y p eo f c w 6 1 6 3 cl a t h em a d eb yd a l i a nm a c h i n et o o lg r o u p f i r s t l y ，t h ea p p r o p r i a t em a t e r i a lr a t i oo fs t e e lf i b e rc o n c r e t eb a s e do nt h eu s ec o n d i t i o n s o fm a c h i n et o o lb e di sg i v e n a c c o r d i n gt o “s t e e lf i b e rc o n c r e t et e s tm e t h o d ，t h e c o m p r e s s i o ns t r e n g t ht e s t ，s p l i t t i n gs t r e n g t ht e s t , f l e x u r a ls t r e n g t ht e s ta n db e n d i n ge l a s t i c m o d u l u st e s ta r em a d et os t u d yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l t h et e s t r e s u l t s p r o v i d ee v i d e n c ef o rt h ed e s i g n o ft h ec o m p o s i t em a c h i n et o o lb e d s e c o n d l y ， a c c o r d i n gt op r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dw o r kd e m a n d so ft h el a t h eb e d ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t st h eo p t i m i z a t i o no ft h em a c h i n et o o lb e ds t r u c t u r eb yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ， a n dc o n f i r m st h eo p t i m a lf r a m e - t y p es t r u c t u r ew h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t si ns t r e n g t h , s t i f f n e s sa n di n h e r e n tf r e q u e n c i e so ft h el a t h e e c o n o m i c a la n a l y s i so ft h el a t h ei sa l s og i v e n t h ee m b e d d e dp a r t sa n dm o u l da r ed e s i g n e d ，a n dt h es a m er a t em o d e lm a c h i n ei sc a s t l a s t l y ， t h el o a d i n gt e s to ft h ec o m p o s i t el a t h eb e di sc a r r i e do u t ，a n dt h er e s u l t sm e e t sv e r yw e l lw i t h t h a tc a l c u l a t e db ya n s y si nt h es a m ec o n d i t i o n , w h i c hv e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h er e s u l tt h a t a c q u i r e db yt h es o f t w a r e t h ec r e e pt e s ti sc a r r i e do u tt oa n a l y s i st h el o n gt e r ms t a b i l i t yo ft h e c o m p o s i t el a t h eb e d r e s u l t so fb o t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ef l a m e t y p e c o m p o s i t el a t h eb e d ，w h i c hd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h em a t e r i a lp r o p e r t ya n dt h ew o r ks i t u a t i o n ， m e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ec o s to ft h es t e e l f i b e rc o n c r e t el a t h eb e dd r a m a t i c a l l y r e d u c e s t h ed e s i g no fm o u l da n dt h ec a s to ff u l l s c a l em a c h i n ep r o v i d et h em a n u n c m r e m e t h o do ft h ec o m p o s i t el a t h eb e d t h er e s u l t so ff e ma n a l y s i sa r ev a l i d a t e db yt h el o a d i n gt e s to f t h el a t h eb e d t h ec r e e pt e s ts h o w st h a tt h ef r a m es t r u c t u r ec a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ec r e e po f s t e e lf i b e rc o n c r e t e ，a n dk e e pt h el o n gt e r ms t a b i l i t yo ft h ec o m p o s i t em a c h i n et o o lb e d k e yw o r d s ：c o m p o s i t em a t e r i a l ；m a c h i n et o o lb e d ；s t e e lf i b e rc o n c r e t e ；p r o p e r t yt e s t 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体己经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 作者签名： 起鲞蕊 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：呈翌墨年生月j 立日 日期：迦鑫年上月j 坠日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究背景 在现代机械制造工业中，加工机器零件的方法有多种，如铸造、锻造、焊接、切削 加工和各种特种加工等。在加工精密零件时，主要还是依靠切削加工来达到所需要的加 工精度和表面质量。因此，金属切削机床是加工机器零件的主要设备。它所担负的工作 量，约占机器总制造量的4 0 0 5 0 。机床的技术水平直接影响机械制造工业的产品质 量和劳动生产率【l j 。 多年来，灰铸铁材料一直作为制造机床的主要材料，因其具有作为机床结构的典型 优势，它的流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。在铸造中加入少 量合金元素可提高耐磨性能。铸铁的切削性能好，加工精度高。加工工艺成熟等。经过 人们不断的探索研究，灰铸铁的各种特性几乎发挥到了极致 2 1 。近年来，铸铁材料床身 暴露了一些不足，不能很好的满足控制加工成本或者特殊加工的要求，而且随着人们环 境保护意识的提高，绿色制造日益成为人们的共识，对于传统钢铁材料批量生产的产品 能否可以采用非金属材料或复合材料制造，已成为国内外研究的热点 3 1 。 制造机床结构件的材料，需要具有如下特点： ( 1 ) 可制造成一定形状，适合结构需要； ( 2 ) 满足刚度、强度及稳定性要求； ( 3 ) 具有良好的耐磨性和耐腐蚀性； ( 4 ) 具有良好的热稳定性和尺寸稳定性。 目前国内外对对新型材料做机床床身进行的研究多倾向于提高机床性能，以高成本 为代价来获得高精度机床，而以降低机床成本和环境保护为主要目的研究较少，特别是 当前钢铁材料大幅涨价，更加剧了国内机床企业的竞争压力。寻求一种价格较为低廉且 性能与铸铁相差无几甚至高于铸铁的新型材料代替铸铁制造机床床身，已成为制造企业 谋求提高机床质量和企业利润的出口【4 5 j 。 纤维增强混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体，以金属纤维、无机非金属纤维、 合成纤维或天然有机纤维为增强材料组成的复合材料。其在土木工程中的研究和应用已 经比较成熟，但用于机械领域方面的研究却很少。钢纤维混凝土原材料易得且价格便宜， 施工简单技术成熟，抗振性能优于铸铁，但钢纤维混凝土存在抗拉强度、弹性模量低于 铸铁的问题，且钢纤维混凝土存在徐变，因此如何克服钢纤维混凝土的弱点，是应用钢 纤维混凝土制造机床床身的关键【6 j 。 复合材料机床床身特性分析与试验研究 1 2 钢纤维混凝土的研究 1 8 2 4 年j a s p d i n 发明波特兰水泥，混凝土材料在1 8 0 多年的历史中，有了突飞猛进 的发展，它在建筑等诸多方面得到了广泛应用。1 9 世纪中叶，随着钢铁工业的发展， 随之出现了钢筋混凝土这种新型复合材料，其中钢筋承受拉力，混凝土承受压力，发挥 各自的优势，初步克服了混凝土抗拉强度低、用途受限制的弱点。2 0 世纪3 0 年代开始 出现预应力混凝土，其结构的抗裂性能、刚度和承载能力，大大超过了钢筋混凝土结构， 从而显著的扩大了混凝土的应用范围，拓展了许多新的领域。在当代五大工程材料( 混 凝土、砌体、钢材、木材、合成材料) 中，混凝土的用量最大、应用范围最广。其原因 在于：原材料容易获得，耗能和成本相对较低，成型和施工方便。尽管混凝土的发展应 用取得了长足的进步，但是混凝土材料本身抗拉强度低、韧性差等固有弱点却仍然限制 着它优势的发挥，而且随着混凝土强度的不断提高，这一弱点也愈益突出。为克服混凝 土的弱点，人们不断探索改善混凝土性能的各种方法和途径。采用纤维增强混凝土就是 近年来研究和应用最广的重要途径之一【7 】。 纤维增强混凝土简称纤维混凝土，它是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体，以金属纤 维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维为增强材料组成的复合材料。 在纤维混凝土中，纤维对基体的作用概括起来主要有三种：阻裂、增强、增韧。纤 维混凝土与普通混凝土相比各种物理力学性能的改善，都和这三种作用有关。阻裂作用， 指纤维对新拌混凝土早期性收缩裂缝和硬化后的收缩裂缝产生和扩展的阻碍作用。纤维 对基体的增强作用，主要为对抗拉强度的提高，相应地，以主拉应力为控制破坏的，如 弯拉强度、抗剪强度等也随之提高。当高弹性模量纤维含量较高时，纤维混凝土的抗压 强度也明显提高。材料的韧性通常指材料在各种受力状态下进入塑性阶段保持一定抗力 的变形能力。纤维混凝土的最大特点就在于韧性的显著改善【8 j 。 对于钢纤维混凝土的增强机理主要有两种基本理论：一种是运用复合力学理论( 混 合率法则) ，另种是建立在断裂力学基础上的纤维间距理论。最先将复合力学理论用 于钢纤维混凝土的有：英国的r n s w a m y 、p s m a n g a t ，美国的a e n a a m a n 、d c h a n n a n t ； 纤维间距理论的代表有j p r o m u a l d i 、j b b a t s o n 和j a m a n d e l 。所有其它理论均可认为 是以这两种理论为基础综合完善而发展起来的【9 j 。 ( 1 ) 复合力学理论 将这一理论用于分析纤维增强或其它复合材料时大多是将复合材料视为多相体系： 对钢纤维混凝土的简化是以纤维为一相，以混凝土为一相的两相复合材料。复合材料的 性能为各项性能的加和值。应用混合定律估算复合材料的性能时，应满足以下假定：复 大连理工大学硕士学位论文 合材料在宏观上是匀质的，不存在内力；纤维与基体材料本身是匀质的各向同性( 或正 交各向异性) 线弹性材料；纤维完全粘结于基体，即纤维一基体界面没有任何相对滑动 l l o o 若纤维在混凝土中沿受力方向均匀平行排列时，根据复合力学理论及以上假定可以 推出： o r f c = o r f p f + o r m p m = o r f p f + o r m ( 1 - p f ) ( 1 1 ) e f c = e f p f + e 。p m = e f p f + e m ( 1 一p f ) ( 1 2 ) 其中，盯亿钢纤维混凝土的应力； 盯，一纤维的应力； 仃m 一混凝土的应力； p ，钢纤维的体积率； p m 一混凝土的体积率； e 托钢纤维混凝土的弹性模量； e f 钥纤维的弹性模量； e 。、混凝土的弹性模量。 若钢纤维沿受力方向平行均匀分布，但纤维不连续的，考虑某一个截面的受力状态， 这时纤维的拉力与粘结力平衡： 万d f ，7 ，l l f * = o r f 三d ； ( 1 3 ) 仃f = 7 7 ，孚f( 1 4 )仃f27 7 ，fi - l 其中，z ，钢纤维长度5 d ，钢纤维直径； f 钥纤维与混凝土间的粘结应力平均值； 刁，一有效粘结长度系数。 由式( 1 1 ) 和式( 1 4 ) 可得： 7 盯f c = 盯。( 1 一p f ) + 7 7 ，皇l 妒f ( 1 5 ) 当考虑钢纤维的三维乱向分布及均匀性时，在钢纤维混凝土开裂前的应力可用下列 公式表达： 复合材料机床床身特性分析与试验研究 仃f c = 仃。( 1 一p f ) + ，7 一r p 仃f p f ( 1 6 ) 混凝开裂以后，则有 ， 盯f c = k o m ( 1 - p f ) + 刁口r p r ，手p f ( 1 7 ) “f 其中，七考虑基体开裂后强度下降的系数，k 1 0 ； 一纤维方向有效系数； 一纤维分散度影响系数。 ( 2 ) 纤维间距理论 该理论建立在线弹性断裂力学的基础上，认为混凝土内部有尺度不同的微裂缝、空 隙和缺陷，在施加外力时，孔、缝部位产生大的应力集中，引起裂缝的扩展，最终导致 混凝土破坏。因此，在脆性基体中掺入钢纤维后，在复合材料结构形成和受力破坏的过 程中，有效地提高了复合材料受力前后阻止裂缝引发与扩展的能力，达到纤维对混凝土 增强与增韧的目的。对顺向连续纤维增强混凝土，假定纤维沿拉力方向以棋盘状均匀分 布于基体中，裂缝发生在四根纤维所围成的区域中心。在拉力作用下，粘结力对裂缝尖 端产生一个反向的应力场，从而降低裂缝尖端的应力集中程度，纤维对裂缝的扩展起约 束作用。此时，裂缝尖端产生一个与基体裂缝尖端相反的应力强度因子，总应力强度因 子降低为 k 7 = k 盯一k f ( 1 8 ) 一厂一 或 k r = 三型旦( 仃缸一f ) k 。( 1 9 ) 刀 其中，k ，一复合材料实际应力强度因子； k 矿k ，一外力作用下无纤维时应力强度因子，因纤维掺入产生相反的应力强度因子； k 。一临界应力强度因子； a 一裂缝半宽； 仃靠一沿纤维方向施加的均匀拉应力； f 一纤维对混凝土裂后附加应变的阻力在纤维基体界面上产生的最大剪应力。 当k 丁k ，。时，材料发生断裂破坏，根据这一理论，r o m u a l d i 等提出纤维间距s 对混凝土抗拉强度有显著影响的观点。若设2 a = s 2 ，则纤维混凝土抗拉强度凡的计 算公式为 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 舻蔫= 0 84 嘉= 忑k ( 1 1 0 ) 其中，k 。钥纤维混凝土临界应力强度因子； 】r 一与裂缝形状有关的常数； k 一与k 。、】，有关的常数； j 一定向纤维平均间距。 小林辅根据钢纤维混凝土试验结果，进一步提出了基于纤维间距理论的抗拉强度 计算公式： 厂f 。= k ( 一丰- ) + 凡 ( 1 1 1 ) 5 q sc 其中，s 钥纤维混凝土增强效果的纤维间距上限值； k 一主要由纤维粘结强度决定的常数，对于钢丝切断的直纤维，k = 4 5 ；对于薄 板剪切钢纤维，k = 5 7 ； 厶一混凝土基体抗拉强度。 继r o m u a l d i 之后，更多的人则是基于纤维间距理论的基本思路，结合复合力学的 基本原理，运用断裂和损伤力学的观点，各取所长、互补其短，使钢纤维混凝土的增强 理论与实际情况更加符合，并将其拓宽应用于各种以韧性纤维增强脆性基体的水泥基复 合材料中。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 钢纤维混凝土应用现状 由于钢纤维能有效地提高混凝土的韧性与强度，并能成批生产，价格也便宜，施工 比较方便，故受到工程界的普遍关注。钢纤维混凝土是目前作为工程结构材料用途最广， 用量也较大的一种纤维混凝土。我国在2 0 世纪7 0 年代开始了钢纤维混凝土的研究和应 用，自1 9 8 6 年第一届全国性纤维混凝土学术会议召开，到目前已进行了十一届。1 9 8 9 年、1 9 9 2 年分别颁布了“钢纤维混凝土试验方法c e c s l 3 ：8 9 和“钢纤维混凝土结构设 计与施工规程c e c s 3 8 ：9 2 。目前国内已有年产万吨以上较大规模的钢纤维厂三家，中 小企业几十家，估计钢纤维混凝土年用量3 0 万m 3 左右。随着钢纤维混凝土的不断发展， 它的应用领域将越来越广泛。美国、欧洲等发达国家已研制出一种高强度高含量钢纤维 混凝土，它的抗压强度可达2 5 0 m p a ，抗拉强度可达3 8 m p a ，弯拉强度可达8 4 m p a 。现 在混凝土的应用在向着高抗压、高抗拉、大流动度方向发展 1 10 1 3 j 。 复合材料机床床身特性分析与试验研究 钢纤维混凝土主要应用领域有悄j ： 公路路面、桥面、机场道面、码头铺面和工业建筑地面，用以提高这些面板结构的 抗裂性、弯拉强度、弯曲韧性、耐冲击、耐疲劳性能等。 房屋和桥梁结构、水工结构、特种结构中，用于梁和叠合梁的裂缝控制和抗剪性能 的增强；复杂应力区如悬挑结构、闸门门槽、大坝孔口等部位的增强；抗震节点、牛腿、 剪力墙连梁等的抗剪增强；筒仓的裂缝控制；桩基承台的抗剪、抗冲击增强等等。 交通隧道、输水隧道、沟堑等钢纤维喷射混凝土初砌、支护。 防水、防渗结构：如刚性防水屋面，地下室刚性防水层，储水池、输水沟渠、波槽、 管道。 预制构件：预制桩的桩尖、桩顶，大管桩、铁路轨枕、道路井盖等。 军事工程：主要用其抗暴、抗侵彻的优良性能，如掩体、防空洞、防护门等等。 修补加固工程，如大坝坝面修补，路面局部修补或罩面，梁、板、柱、墩的加固。 目前钢纤维混凝土正广泛应用于各种工程中。 1 3 2 国外机床新材料研究现状 对于机床床身的材料，很多机构与公司都进行过研究。将混凝土用作机床结构材料 的试验，正式的研究，是德国的s c h r e g i n g e r 博士于1 9 1 7 年提出了车床床身采用钢筋混 凝土的报告，当时，由于导轨面上是裸露的水泥混凝土，因此，导轨面遭到切屑和油的 剧烈损伤，达不到实际使用要求。但是，这一研究充分显示了混凝土作为机床结构材料 是有利用价值的。同时还证实了混凝土的衰减能力减震与铸铁相比相当高，又能大幅降 低成本。 德国的b o e h r i n g e r 公司在四十年代大量生产了实用的混凝土车床。这种车床使用螺 栓将铸造的床头箱、床身、尾架禁锢在混凝土底座上，主要目的是节约钢材。 六十年代，美国和苏联也相继开始实际应用混凝土结构。应用的实例都是较大型的 车床及龙门铣床，体验了节约钢铁材料和降低成本的益处。 1 9 7 5 年，瑞士的g e o r g ef i s h e r 公司对n c 车床的床身，联邦德国的d e c k e l 公司对 加工中心的底座，都分别采用了钢筋混凝土结构，并投入商品化生产。1 9 7 7 年，s t u d e r 公司又报道了新高分子混凝土床身的外圆磨床的情况【1 4 1 。 在1 9 7 9 年欧洲国际机床博览会上，出现了大量的铸铁以外的新型材料机床构件展 品，其中有普通混凝土床身与立柱、钢筋混凝土床身、人造花岗岩床身与导轨面等，如 图1 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 囊l 1 9 7 9 年曩琢机寐博盟全( e m o ) 上曩翻的雍疆培枘机廉 厂纛 1 舀聪 ；靓店l送豫零件 瓣盘 ； 主要警躬 图1 11 9 7 9 年国际机床博览会展出混凝土机床 f i g 1 1 c o n c r e t em a c h i n et o o l se x h i b i t e da te m oi n19 7 9 上世纪8 0 年代，日本陶瓷公司k y o c e r a 与日本小型精密机床制造公司e f u r o 共同合 作，在1 9 8 4 年东京机床展览会上展出了一台c n c 车床，名为c e r a e o m ，其主要零件均 由热压陶瓷制成。 目前，国际上主要将人造花岗岩材料用于生产机床床身和立柱等支承件，或者用于 生产床头箱或减速箱的箱体，对这种材料的研究以及它在机械制造中的应用正日趋成 熟。陶瓷材料弹性模量大，硬度高，热膨胀系数低，符合机床构件要求，但是价格昂贵， 机床全部采用陶瓷制造很难推广，多用于制造精度要求高的机床零件【i5 1 。普通混凝土和 钢筋混凝土材料由于蠕变较大，尺寸精度受环境影响大等缺点，也未见有大规模生产。 1 3 3 国内机床新材料研究现状 上世纪5 0 年代末，我国一些机床厂曾尝试用钢筋混凝土制作机床，降低了成本， 缩短了生产周期，但由于防腐、徐变等关键问题没有解决，这些机床基本上无法正常使 用，这项研究也就停止了。 自1 9 8 5 年以来，同济大学、上海机床厂、北京机床研究所先后着手进行人造花岗 岩机床技术研究。同济大学凭借与联邦德国t hd a r m s t a d t 工业大学建立技术合作和交流 的优势，在这个领域取得了很大的成就。选定的材料配方使得人造花岗岩在较宽的工作 温度和工作频率范围内具有高的强度、阻尼以及较好的耐腐蚀性和较短的固化时间，收 缩、蠕变和热变形等均满足要求，材料的物理力学性能和机械性能达到了国外同类产品 的水平。在对材料性能进行研究的基础上试制成功了m g l 4 2 0 外圆磨床的上滑鞍，在首 届北京机床博览会上展示了该产品，打破了国外用人造花岗岩材料制造支承件的常规， 首先将该材料用于制造运动部件i l 5 。 自上世纪九十年代起辽宁工程技术大学进行新型材料一钢纤维聚合物混凝土的研 究，其中李志超教授取得较大成果。机械工程学院的于英华教授与徐平教授将新型材料 复台材料机床珠身特性分析与试骑研究 在机床床身的、i h 4 方【( i i 进行n 叶究 振、抗爪、动力学性能进行试验测试 白1 9 9 8 年开始，对钢纤维聚合物混凝十材料的抗 对其试件静态性能进行理论分析。按3 ：1 的比 例作了x 6 1 4 0 普车简化模型的钢纤维树脂混凝上床身，安装了钢制导轨如图i2 所示 并对其进行力和热膨胀系数等的理论分析，取得了一定的成果【”】。 图12 31 昔车简化模型混凝土床身( 峒研h 片) f i g l2 3 1s i m p l i f i e d m o d e l m rc o m m o n l n h eb e d ( a l l i n v e s t i g a t i o np i c t u r e ) 2 0 0 5 年山东大学与济南鲁洋科技有限公司共刚发表文章，讲述了对聚酯人造花岗岩 复合材料的研究及试验情况 1 7 38 1 。2 0 0 7 年济南鲁洋科技有限公司与济南第凹机床，共同 台作研发并制作了人造花岗岩床身外圆磨床。如图13 所示： hl3 人造花岗岩床身外嘲磨殊( 调研图片) f i gi 3 c y l i n d r i c a lg r i n d e rm a d ei na r t i f i c i a lg r a n i t e ( a ni n v e s t i g a t i o np i c t u r e 大连理工大学硕士学位论文 我国在机床材料的研究中已取得了不错的成果，目前国内人造花岗岩机床构件的生 产正在逐年增加。人造花岗岩机床构件的生产工序少，机械加工量低，特别是使用大型 机床的加工工时减少，材料利用率高，废品率低，但在国内由于环氧树脂等化工原料售 价较高，而铸铁价格又相对较低，而且生产工艺不够成熟，所以人造花岗岩材料的经济 优势并不明显，推广速度较慢【1 9 】。 1 4 本文研究主要内容 根据机床床身的使用和受力特点，研究钢纤维混凝土材料作为机床结构件的设计和 制造方法。主要的研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 钢纤维混凝土材料特性试验分析与原材料选择； ( 2 ) 复合材料机床床身的结构设计优化及数值模拟； ( 3 ) 复合材料机床床身样机制造和加载试验； ( 4 ) 复合材料机床床身长期载荷下的变形分析。 复台材； = f 机床床身特性分析t o 试验研究 2 复合材料配比与力学性能试验 21 混凝土材料选取与配比 211 混凝土材料选取 钢纤维混凝土的原材料主要有钢纤维、水泥、砂、石料、水和外加剂，如图2l 所 示。制造机床床身选用原材料，普通钢纤维混凝上选料规则基本一致，主要是根据床身 使用条件确定钢纤维混凝土强度等级，按照床身形状、几何尺寸等确定台适的骨科粒径、 纤维长度及长径比等。 水水泥钢纤维 石子砂 减水剂 图21 钢纤维混凝土原材料组成 f i 9 21 s t e e l f i b e r c o f l c r e t e m w m a t e r i a l s ( 1 1 钢纤维 对于钢纤维的选择，考虑到床身几何尺寸限制以及钢纤维混凝土和易性的影响，选 h j 的钢纤维长度应在3 0 4 0 r a m ，长径比应该在4 0 6 0 左右。本试验采j ： i 的钢纤维为上 海贝乍尔特公司生产的z p 3 0 5 ，长度为3 0 m m ，直径为o5 5 m m 长径比为5 5 ，钢纤维 为两端带弯钩的圆钢纤维，属于冷拉钢丝切断型。 f 2 1 水泥 水泥在钢纤维混凝上中是种胶结材料，与水拌合成水泥浆，具自很高的粘结力， 它把砂、石和制纤维胶结成一整体，经凝结硬化，形成具有一定强度的钢纤维混凝十。 因此水泥是制纤维混凝土的重要组成村料。本试验栗j j 的水泥为人连小野田水泥有限公 司生产的p 1 1 5 25 r 硅酸盐水泥。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 砂 砂常称细骨料，用于填充粗骨料的空隙并共同组成钢纤维混凝土的骨架。在保证钢 纤维混凝土强度相同时，粗砂需要的水泥用量较细砂少。显然，当水泥用量相同时，用 粗砂配置成的钢纤维混凝土强度要比用细砂配置的钢纤维混凝土强度为高。此外，当钢 纤维混凝土的拌合料和易性相同时，细砂混凝土的拌合料需要水量较多，但如用过粗的 砂拌制容易产生离析和沁水现象；若用过细的砂拌制，虽不产生离析和沁水现象，却需 要较多的水泥浆才能包裹砂的表面，水泥用量大。为此，配置钢纤维混凝土的砂宜选用 中粗砂。本试验采用的是大连产优质河砂，中砂，粒径为o 1 5 5 m m 。 ( 4 ) 石料 碎石或砾石是组成钢纤维混凝土的骨架材料，常称粗骨料。钢纤维混凝土所用石料， 通常选用碎石。因碎石的颗粒表面较粗糙，富有棱角，能产生良好的机械嵌锁作用，与 水泥浆有较强的粘结力。因此，在同样条件下用碎石比用砾石所配置的钢纤维混凝土强 度要高，但需要水泥浆较多。钢纤维混凝土所用石料粒径，不宜大于钢纤维长度的2 3 ， 一般为5 2 0 m m ，最大粒径不宜大于2 0 m m ，如果石料粒径过大，削弱了钢纤维的增强 作用，并易于集中在大石料周围，不便于钢纤维的分散。本试验采用的碎石取自大连香 炉礁，碎石粒径为5 - 2 0 m m 。 ( 5 ) 水 凡能引用的水和洁净的天然水均可用于钢纤维混凝土，因海水对钢纤维有锈蚀作 用，一般不允许用海水拌制钢纤维混凝土。本试验采用的水为自来水。 ( 6 ) 外加剂 是指在混凝土和易性及水泥用量不变条件下，能减少拌合用水量、提高混凝土强度； 或在和易性及强度不变条件下，节约水泥用量的外加剂 2 0 1 。为了改善和易性、减少水泥 用量或提高强度，可掺入一定量的外加剂。本试验采用的外加剂为减水剂，是大连西卡 建筑材料有限公司生产的s i k a - i i i 型减水剂。 2 1 2 混凝土材料配比 配制的钢纤维混凝土应满足下列要求：满足使用所需要的强度和耐久性；配制成的 钢纤维混凝土拌合料的和易性应满足施工要求；经济合理。混凝土的试配工作主要由土 木系完成。 本试验钢纤维混凝土设计强度为c 6 0 ，属于高强混凝土，此种标号的钢纤维混凝土 已能满足钢纤维混凝土机床床身的设计强度要求，且在施工中较易操作；如选用标号低 的钢纤维混凝土则床身的质量无法得到保证；选用更高标号的钢纤维混凝土，混凝土的 复合材料机床床身特性分析与试验研究 和易性就会受到影响，施工质量不易控制，因此选用c 6 0 标号的钢纤维混凝土。由于机 床床身截面尺寸的限制以及对混凝土和易性的考虑，同时为了保证钢纤维的增强效果， 决定将钢纤维体积掺量定为1 5 。通过钢纤维混凝土适配试验，确定了水泥标号，单 位用水量，水灰比，砂率等参数，具体配合比见表2 1 。 表2 1 钢纤维混凝土配合比 t a b 2 1s t e e lf i b e rc o n c r e t em i x p r o p o r t i o n 2 2 钢纤维混凝土力学性能试验 对钢纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗折强度进行试验。按照上节配比浇注混 凝土试件，每组力学性能试验以三个试件为一组进行测试，取其测值的算术平均值为该 组试件的最终结果。 2 2 1钢纤维混凝土立方体抗压强度试验 根据钢纤维混凝土试验方法中的规定，采用边长1 5 0 m m 的立方体为标准试件。 在压力试验机上作抗压强度试验，将试件成形时的侧面作为承压面，安放时试件轴心对 准试验机下压板中心。浇注采用的混凝土标号为6 0 ，即抗压强度为6 0 m p a ，加荷速度 取o 5 0 8 m p a s 。当试件临近破坏、变形速度增快时，停止调整试验机油门，直至试件 破坏。 本试验采用2 0 0 t 的液压伺服机，等速加载控制，加载速度为0 6 m p a m i n 。试验装 置和试件如图2 2 和图2 3 所示。 记录最大荷载，并根据式2 1 计算抗压强度。 钢纤维混凝土立方体时间的抗压强度计算公式t f 厶，曲= 等 ( 2 1 ) n ， 其中，斥，m ，钢纤维混凝土立方体抗压强度( m p a ) ，一，最大载荷( n ) a ，试件承压面积( m m 2 ) 大连理工夫学硕士学位论文 圈23 抗压强度试验试件破裂图 f i g2 3r u p t u r ed i a g r a mo f s p e c i m e n a f t e rc o m p r e s s i o ns n n 昏h l e s t 试验结果如表2 2 所示 表22 钢纤维混凝土立方体试件的抗压强度 t a b2 2 c o m p r e s s i o ns t r e n g t ho f t h es t e e l f i b e rc 0 1 2 c l e t es p e c i m e n 本组试件的抗压强度为6 78 m p a ，标号为c 6 0 的普通混凝土抗压强度为6 0m p a 左 右，钢纤维混凝土较普通混凝土抗压强度提l 岛约l3 。 复台材料机床床身特性分析与试验研究 222 钢纤维混凝土劈裂抗拉强度试验 川劈裂抗拉强度来检验混凝上的抗拉性能。近年来基丁塑件理论j 弹塑性理论求得 的劈裂抗拉强度计算公式的结粜均与弹性理论公式的结果接近，说明目阿普遍采用的弹 性理论的劈裂抗拉强度训算公式能较好的反映塑性特征较强的钢纤维混凝土的抗拉强 度。【司叫劈拉试验记过的变异性小，试验方法简单，能与普通混凝土试验方法衔接，所 得结果接近材料的轴拉强度，故用劈拉强度表征钢纤维混凝土的抗拉强度 1 i - 7 2 l 。 根据钢纤维混凝土试验方法规定，采用边长15 0 m m 的立打体为标准试件。在 压力试验机上作劈裂抗拉强度试验，在试件的上j - 曲面放置弧形垫条，试件的轴心席对 “e 试验机下压板的中心，单条垂直于试件成形时的顶面。利用放置于中心平面的挚条施 加两个大小相等方向相反的玉力，当压力增力到一定程度时，试件沿平面劈裂破坏测 得的强度为劈裂抗拉强度。 本试验采用l o o t 的液压伺服机，等速位移控制，加载速度为o2 r a m r a i n ，选用精度 为1 0 - 3 m m 的夹式0 伸仪和l o t 的荷载传感器，夹式引伸仪与简载传感器采集到的位移、 倚载信号均由动态采集系统和电脑相连输出。试验装置和试件如图2 4 和图2 5 所示。 图24 立力体劈拉强度试验装置图 i z i 9 24 e q u i p m e n td i a g r a mo fs p l i t t i n gs t r e n g t h t e s t 大连理工大学颐士学位论文 凹25 抗劈拉强度试验试件锻裂幽 f i g 2 5 r u p t u r ed i a g r a mo f s p e c i m e na t t e rs p l i t t i n gs t r e n g t h t e s t 钢纤维混凝土立方体时间的劈裂抗拉强度计算公式： = 等= 0 6 3 7 等 其中，j 一，钢纤维混凝十立方体劈裂抗拉强度( m p a ) 一，最大载荷( n ) a 试件承压面u , ( m m 2 1 试验结果如表2 3 所示： 表2 3 钢纤维混凝土立方体试件的抗劈拉强度 t a b23 s p l i t t i n gs t r e n g t ho f t h es t e e lf i b r o u sc o n c r e t es p e c i m e n 本组试件的劈裂抗拉强度为6 6 2 m p a ，c 6 0 普通混凝土劈拉强度大约为4 m p a 左右 钢纤维混凝士比普通混凝土劈拉强度提高约6 5 。 223 钢纤维混凝土抗折强度试验 用混凝土小梁弯折试验测得的抗折强度本质上是混凝土材料的弯曲抗拉强度。根据 钢纤维混擞土试验方法) ：! i ! 定，试验采用1 0 0 m m 1 0 0 m m x 4 0 0 m m 的非标准试件。 复合材料机床床身特性分析t o 试验研究 加荷方式有单点加荷和三分点加荷两种，本试验采川三分点加荷方式，加荷简图如图2 6 所示： si岂 图26 抗折试验加精简圈 f i g 2 6 l o a d i n g d i a g r a mo f f l e x u r a ls t r e n g t h t e s t 根据试验方法规定，将试件成形时的侧面作为承荷面，安放在支架上。对试件连续 加载，加荷速度取o0 5 o0 8 m p a ，当试件临近破坏、变形速度增快时，停止油门，直 趸破坏。记录晟大荷载和破坏位置，精确至0 0 1 m p a 。 本试验采用1 0 0 t 的液压伺服机，等速加载控制，加载速度为o0 6 m p a m i n 。试验装 置和试件如图2 7 和图2 8 所示。 图27 立方体抗折强度试验装置图 f i g27e q u i p m e n td i a g r a mo f f l e x u m ls t r e n g t h t e s t 大连理l 大学硕士学位论文 图28 抗折强度试验试件破裂蚓 f i g2 8r u p t u r ed i a g r a mo f s p e c l m e na f t e r f l e x u r a ls t r e n g t h t e s t 钢纤维混凝土试件的抗折强度按下式计算： = 簪 其中，j m ，钢纤维混凝土立方体抗折强度( m p a ) ，最大载荷( n ) 1 ，支座间距( 咖) b ，试件截面宽度( 咖) h ，试件截面高度( m m ) 按照标准，采用1 0 0 m i n x1 0 0 r a m x 4 0 0 m m 的试件时 08 2 。 试验结果如表24 所示： 2 3 ) 测得的抗折强度值应乘以 袁2 4 锅纤维混凝土立方体试件的抗折强度 t a b24f l e x u r a ls t r e n g t ho f t h es t e e lf i b r o u sc o l l c r e t es p e c i m e n 两组试件的抗折强度为78 2 m p a ，c 6 0 普通混凝_ 十抗折强度大约为5 m p a 左右，钢 纤维混凝上比普通混凝土抗折强度提高约5 6 。 复台材料机床床身特性分析与试验研究 224 钢纤维混凝土抗折弹一| 生模量试验 根据钢纤维混凝土试验方法中的规定，测定的钢纤维混凝土抗折弹性模量是指 试件最大弯曲成力为抗折强度5 0 时的加荷割线模量。抗折弹性模量试验所用试件与抗 折强度试验一致，采用1 0 0 r n m x1