【优秀毕业论文】钢纤维聚合物混凝土材料优化及其机床床身的研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 钢纤维聚合物混凝土材料优化及其机床床身的研究 姓名 崔剑 申请学位级别 硕士 专业 机械制造及其自动化 指导教师 徐平 20031201 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n o i 摘要 钢纤维聚合物混凝土是一种能提高机床静 动态性能的新型工 程材料 选用纤维外观形状 表面处理方式 长径比 纤维含量均 与以往不同的钢纤维聚合物混凝土进行材料优化 得出适于做机床 基础件的钢纤维聚合物混凝土材料配比 以车床床身为例 研究了 该材料做机床床身的制造工艺规程 对研制出的钢纤维聚合物混凝 土机床床身动态性能进行了实验检测和有限元模态分析 进一步证 明了用该种材料做机床基础件制造工艺的合理性和优越性 为钢纤 维聚合物混凝土作为提高机床静 动态性能的新型材料提供了最优 的材料配比和合理的生产工艺规程 以此推广钢纤维聚合物混凝土 在机械行业中的应用 关键词 钢纤维聚合物混凝土阻尼静 动态性能减振降噪制造 工艺规程 辽宁工程技术大学硕士学位论文n o i i a b s t r a c t a san e we n g i n e e rm a t e r i a l s t e e l f i b e rp o l y m e rc o n c r e t eh a sb e e n s t u d i e d i n t h e t e x t w h i c h c a n i m p r o v e s t a t i c a n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n e b e d t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o n o f s t e e l f i b e rp o l y m e rc o n c r e t ew i t hd i f f e r e n ts h a p e f a c e t h r e a t l o n g p a t hr a t i o c o n t r a i nf r o mt h el a s t w ec o n c l u d et h eo p t i m u md es i g n s h e m eo fs t e e l f i b e rp o l y m e rc o n c r e t ea sf o u n d a t i o np a r to fm a c h i n e t 0 0 1 f o re x a m p l el a t h e w es t u d i e dt h em a n u f a c t u r ee r a f tr u l e so ft h e m a c h i n ew i t ht h em a t e r i a l s d i dam a c h i n eb e dw h o s e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sb e e na n a l y s i s e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d e x p e r i m e n t t h r o u g ht h et h e s i s w es u p p l yt h eo p t i m u mp l a na n dc r a f t r u l e so fs t e e l f i b e rp o l y m e rc o n c r e t ew h i c hi ss e e na san e wm a t e r i a l s t oi m p r o v et h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n e w h i c h h a st h em e a n i n go ft h e o r ya n dr e a l i t yf o rm a n u f a c t u r e k e y w o r d s s t e e i f i b e rp o l y m e rc o n c r e t ed a m p s t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s d a m p i n g a n dn o i s e r e d u c i n g m a n u f a c t u r ec r a f t r u l e s 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n o 1 1 绪论 在市场多元化的今天 机床行业面临着高精度 高速度 高效率和被切 削材料多样化的要求 对零件的加工质量的要求也越来越高 现代机械工业 两个主要发展方向是超精密加工和高自动化生产 为了满足这些要求 必须 提高机床的静 动态性能 1 j 传统的机床结构材料 钢和铸铁 具有良好的切削性能 可以铸成复杂 的形状 且易加工 加工精度高 加工质量好 但他们的生产周期长 废品 率高 其阻尼特性不突出 同铸铁相比 聚合物混凝土具有较强的抗化学腐蚀性 特别是其高阻尼 特性 将其应用在机床的基础件上可以明显的提高机床的动态特性 从而提 高零件的加工质量 刀具耐用度和机床的使用寿命 但是由于聚合物混凝土 与铸铁相比抗压强度低 弹性模量小 在相同静刚度下易产生较大变形 因 此考虑向普通聚合物混凝土中填加玻璃纤维 钢纤维 碳纤维等强度增强材 料 来提高聚合物混凝土的强度 刚度 韧性及其耐磨性 由于碳纤维和玻 璃纤维的造价太高 而钢的强度高 硬性好 生产量大 价格便宜 因此本 文研究钢纤维聚合物混凝土在机械行业中的应用 1 1 国外发展状况 在机械制造业中 用混凝土做机床构件已有很长的历史 1 9 7 1 年 德 国的s c h l e s i n g e r 首先提倡在车床床身上采用钢筋混凝土 整个床身包 括导轨面都由混凝土制成 由于在切屑和油液的喷溅下导轨面急剧破坏 因 此未能付诸使用 瑞士斯图特公司自研制成第一台外圆磨床的床身和主轴后 8 0 年代初 又制成了 3 0 到 5 0 数控外圆磨床的床身 如今该产品以形成系列化 该公 司有1 0 0 0 平方米的专业车间 配有德国产的r e s p e s t a 牌的连续浇注设备 目前已实现聚合物混凝土材料和机床构件的商品化 并对该技术实行转让 在c i m t 9 3 展览会上瑞士斯图特公司展出的s 3 0 1 高精度外圆磨床 其 床身使用g r a n i t ns 1 0 0 0 聚合物混凝土制造 导轨摩擦面的结构与传统的 结构形式不同 它同工作台导轨的配合为5 m m 规则排列的圆柱状的凸台 突 出高度为0 1 m m 凹下部分所占面积较大 存油多 润滑良好 该公司 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n o 2 3 0 7 0 系列高精度外圆磨床产品全部采用聚合物混凝 床身 获得了良好 的刚性 吸振性和热稳定性 目前 国际上主要将聚合物混凝土用于生产机床床身和立柱等支承件 或者用于生产床头箱 对这种材料的研究以及在机械制造中的应用还属起步 阶段 但正日趋成熟 1 1 2 国内发展情况 我国于五十年代末就提出用非金属材料制造机床支承件 一些机麻厂以 钢筋混凝土或聚合物混凝土作为结构材料 生产中小型机床 缩短生产周期 降低成本 但是 由于防腐等关键问题没解决 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 上海机床厂和北京机床研究所先后着手进 行这项技术的研究 同济大学进行这项研究的历史是最长的 该校凭借着与 德国t h d a r m s t a d t 工业大学建立技术合作与交流优势 在这个领域取得 了很大成就吲 与北京第二机床厂合作 对聚合物混凝土在较宽的工作温度 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机械性能均达 到了国际同类产品的水平 我校于1 9 9 8 年开始了钢纤维聚合物混凝土材料在机床制造业的研究 2 0 0 0 年得至4 了辽宁省教育厅科研项目基金资助 并于2 0 0 1 年得到我校科研 项目基金资助 在前期的研究中主要针对纤维直径为o 1 2 m m 表面粗糙未 经过任何处理的钢纤维聚合物混凝土力学性能进行了试验 从理论上研究了 钢纤维聚合物混凝土的界面应力传递 损伤机理 及其钢纤维聚合物混凝土 中钢纤维的乱向 不连续分布理论模式 确定了这种钢纤维聚合物混凝土的 材料配比 并对这种材料做机床基础件进行了仿真研究 以此证明该材料做 机床基础件的优越性能 1 3 本文所要研究的主要内容 1 对纤维外观形状 表面处理方式 长径比和含量均与以往不同的 钢纤维聚合物混凝土进行抗压强度实验 使该材料性能达到优化 以寻求可 使机床静 动态性能得到提高的材料配比 2 采用国家标准对这种配比的钢纤维聚合物混凝土进行物理性能 辽宁工程技术大学硕士学位论文n o 3 抗老化性能 耐化学腐蚀性能实验 并与铸铁相比较 得出这种材料做机床 基础件的可行性和经济性 3 对优化后的钢纤维聚合物混凝土阻尼进行机理分析和实验测试 研究影响其阻尼性能的因素 从而得出钢纤维聚合物混凝土的高阻尼性 为 钢纤维聚合物混凝土做机床基础件减轻振动 降低噪声提供了理论依据 4 以车床床身为例 研究该材料做机床床身的生产制造工艺规程 对研制出的钢纤维聚合物混凝土机床床身进行了导轨几何精度保持性检测 用有限元法和激振实验法对钢纤维聚合物混凝土机床床身进行模态分析和 动态性能检测 并与铸铁机床相比较 进一步证明该材料应用于机床行业的 合理性和优越性 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 钢纤维聚合物混凝土材料的优化 通常我们所说的钢纤维聚合物混凝土是由环氧树脂 骨料 填料和钢纤 维共同组成 固化以后 填料和环氧树脂构成固化树脂 将骨料与钢纤维联 结为一整体构成混杂复合材料1 4 1 本章主要研究了外观形状 表面处理方式 长径比 纤维含量与前期所用钢纤维均不同时的材料配比 2 1 钢纤维聚合物混凝土的组成成分 2 1 1 骨料 骨料是钢纤维聚合物混凝土材料的主要组成部分之一 对钢纤维聚合物 混凝土 s f p c 所用骨料应满足以下条件 1 强度应尽量高 2 应具备空隙率最小的颗粒级配 形状 3 不含对聚合物固化反应产生有害影响的杂质 本文所用的骨料由天然花岗岩粉碎制得 因为骨料的粒度选择比例对钢 纤维聚合物混凝土的强度有直接的影响 如果比例失调 那么单位体积中的 树脂用量不易控制 从而削减了钢纤维聚合物混凝土的强度 我国j g j 5 3 9 2 对碎石 大理石等固体颗粒级配作了详细的规定 选用连续的级配在配制钢 纤维聚合物混凝土时可以用较少的树脂胶粘剂来填充孔隙和表面 有利于降 低树脂混凝土的用量及成本 便于配制较密实的钢纤维聚合物混凝土 所以 我们将骨料粒径分为7 级 粒径在2 5 m m 以上的称为粗骨料 粒径在2 5 m m 以下称为细骨料 5 1 在细骨料中我们又分为5 个等级 0 0 1 6 m m 0 1 6 0 3 1 m m 0 3 1 0 6 3 m m 0 6 3 1 2 5 m m 1 2 5 2 5 r a m 它的作用是 与胶结剂结合形成混凝土框架 粗骨料中分为2 5 5m m 5 1 0 r a m 两个等级 其作用为填充粗骨料框架缝隙以保证聚合物混凝土的密实度 根据前期实验 所得结果 其中粗细骨料比例为6 3 3 7 最佳 5 1 2 1 2 填料 聚合物混凝土材料除了含有上述大量石料外 还要加入适当的填料 以 改善钢纤维聚合物混凝土的工作性能 热膨胀系数及收缩率 增加机械强度 提高尺寸稳定性 消除固化中的成型应力 避免发生孔穴 裂纹 以增长使 用寿命和改善流动性1 6 1 辽宁工程技术大学硕士学位论文 g o 5 加入填料应考虑以下因素 1 控制一定的粘度 2 保证达到固化的机械物理性能 3 不含对聚合物固化反应有害的杂质 填料还起到调节胶层厚度作用 当胶层变厚 粘结界面内应力和因膨胀 系数不同而产生的热应力增加 并且产生流动和蠕变的几率增大 产生疏松 和气泡的几率增加 粘结强度降低 本文所用填料为粉煤灰 系由火电厂除尘设备收集 灰黑色粉末 较为 干燥 2 1 3 粘结剂 粘结材料主要是有机聚合物 应把满足技术性 经济性 对人体和环境 无害性作为选择聚合物的总体标准 具体的要求 1 最佳处理时问 为制作混凝土构件 从混合物搅拌 浇注 直到 振动密实 都需要充足的时间 在理论上 聚合物的固化时间应能满足连续 生产构件的需要 硬化时间要容易调整 2 聚合物粘度要低 粘度越低 则骨料越易被湿润 聚合物用量越 少 成本越低 3 良好的硬化 当掺入固化剂和促进剂后 能硬化至固态 获得一 定的强度和化学稳定性 4 固化变形小 聚合物在固化时发生化学反应 导致密度的增加和 体积减小 构件要产生变形 若与其它不同性能的材料联合使用 则产生残 余应力 5 价格低 作为铸铁和钢的代用材料 应尽可能降低其成本 要有 较高的热稳定性 由于环氧树脂的持久性范围 临界值 高于其他树脂 所以本课题选用 环氧树脂 所用的环氧树脂为两种 牌号为e 一4 4 和e 5 l e 4 4 为黄色粘稠 状液体 e 一5 1 为白色较稀些的液体 7 1 2 1 4 固化剂 在常温下和加热条件下 环氧树脂中的环氧基等官能团一般本身不会发 辽宁工程技术大学硕士学位论文n o 6 生化学反应 必须固化后才能发挥其作用 选用固化剂时 应根据粘度 反 应速度 固化产物的性能等因素合理选用 其中胺类主要有乙二胺 二乙稀 三胺 多乙烯多胺等 胺与环氧树脂中的环氧基反应是通过氨基上活泼氢 理论上氨基氮原子上每一个活泼氢原子都可以是一个环氧基打开 固化剂过 量 会终止反应时链的增长 导致固化体系分子量降低 从而 使固化后的 硬化物性能变脆 固化剂不足 则不能保证树脂完全固化1 8 1 本课题采用的 固化剂为t 3 1 它是一种改性胺脂复合固化剂 棕褐色液体 为了保证固化 体系具有合适的性能和操作性能 在实际操作中 添加的固化剂用量可根据 计算值作适当调整 2 1 5 增韧剂 为了改善环氧树脂产物的脆性 从而提高聚合物复合材料抗冲击强度和 抗弯强度 需要在环氧树脂中加入适量的增韧剂 增韧剂是一种单官能或多 官能的化合物 能与环氧树脂系统起反应成为固化体系的一部分 在本实验 中采用邻苯二甲酸二丁酯 d b p 作增韧剂进行试验 2 1 6 钢纤维 钢纤维在聚合物混凝土中的作用是限制在外力作用下基体中裂缝的扩 展 在受荷 拉 弯 初期 基体与钢纤维共同承受外力 而前者是外力的 主要承受者 基体开裂后 横跨裂缝的钢纤维成为外力的主要承受者 在钢纤维的选用上 其外观形状 表面处理方式 长径比 纤维含量均 于前期不同 前期课题组选用的钢纤维为河南新乡钢纤维厂提供的 钢纤维 直径为0 1 2 r a m 表面粗糙 没经过任何处理 本实验选用的钢纤维是鞍山 钢铁厂提供的 微波浪型的不锈钢镀铜钢纤维 正火态熔抽型 直径比为 o 2 2 m m 鉴于钢纤维过长会形成结团现象 影响其强度 钢纤维过短 会 降低压力作用下的阻裂效应 同时也考虑到钢纤维的长度与骨料粒径界面的 作用影响 因此在实验中 我们选用不同长径比的钢纤维 长径比分别为 4 0 6 0 7 0 8 0 1 0 0 2 2 聚合物混凝土材料的配比 由于胶粘剂 骨料 填料三者结合的前提是三者能够润湿且可以形成一 种能量最小的结合面 借鉴前期的研究成果 我们取钢纤维聚合物混凝土中 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n o 7 中胶结剂 骨料 填料三者最佳比例为1 8 1 9 胶结剂中e 4 4 e 5 1 t 3 1 d b p 3 0 7 0 2 5 1 4 2 3 钢纤维聚合物混凝土的配制及试件制作 考虑到不同长径比的钢纤维对聚合物混凝土的力学性能有不同的影响 就钢纤维的含量而言 也会对钢纤维聚合物混凝土有不同的作用 我们对每 一种长径比的钢纤维做成含量为1 6 2 4 3 2 4 0 4 8 5 6 6 4 k g m 3 多组试 件 每组3 个 在钢纤维聚合物混凝土制备过程中 影响材料质量的最重要因素是称量 的准确性 以及树脂和固化剂在拌合物内的均匀性 由于本实验中所用的钢纤维聚合物混凝土用料少 所以只要用手工搅拌 就可以 但是钢纤维聚合物混凝土的粘度较高 为避免混合不均匀 搅拌时 要迅速 否则发生硬化反应就无法混合均匀 先将骨料和填料投入到搅拌容 器中 然后投入混合好的环氧树脂 最后将不同含量的钢纤维加入到混合均 匀的聚合物混凝土中 搅拌均匀后 在加入胶结剂等物质 搅拌均匀即可成 型 0 搅拌过程中 温度以常温为宜 由于钢纤维聚合物混凝土构件表面为模具内表面的精确复制品 因此为 了获得有光泽表面的制品 模具的选择要有一定的规定 模具内必须进行相 应的加工 在本课题中我们使用的是铸铁模 四周壁厚均为l c m 内腔尺寸 为5 0 5 0 5 0 c m 内表面做磨光处理 为了避免损坏模具 在实际操作过 程中 我们用丙酮 c h 一c c h 和二氯甲烷 c h 一c l 清洗模具并采 用适当的脱模技术和脱模剂 将钢纤维聚合物混凝土添满整个立方形模具 特别是四个边角 添满后 用捣实机捣实 由于钢纤维聚合物混凝土粘度大 振实一段时间后 继续添 入钢纤维聚合物混凝土 然后捣实 直至材料与模具等齐 最后我们要进行养护处理 养护分自然养护和加热养护 自然养护在常 温下即可达到硬化 成本低 硬化收缩小 适于现场浇注 大型构件或形状 较复杂制品的养护 只是易受气温等环境条件的影响 质量难以准确控制 加热养护则不受环境条件的影响 质量容易控制 可以批量生产 但需配备 加热装置 增加成本 构件硬化收缩大 易发生变形或收缩裂纹 鉴于以上 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n o 8 原因 我们采用自然养护 将搅拌均匀的混凝土逐层的加入到模具之中 振 捣密实后放于室温养护7 天 再进行各种性能测试 钢纤维聚合物混凝土的制各工艺如图 图2 1 钢纤维聚合物混凝土制备工艺 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n o 9 3 钢纤维聚合物混凝土性能测试与结果分析 材料的强度及变形特征是材料的基本力学性能 它关系到材料在宴际中 的可应用性0 1 1 由于本文选用的钢纤维在外观形状和表面处理方式上较前 期有很大的优越性 理论上所承受的抗压强度数值要大 其强度和变形特征 的认识直接关系到钢纤维聚合物混凝土材料的优化性和结构设计的合理性 因此在本章中对其强度进行测试 3 1 性能测试 3 1 1 抗压实验方法 本实验采用的设备是w e 3 0 型液压式万能试验机 将不同长径比 不 同含量的钢纤维聚合物混凝土试件依次放到载物平台上 匀速加载 依次测 出各试件承受的最大载荷值 根据公式求出抗压强度 p f a p 一一抗压强度 m p a f 一一所受力的大小 k n a 受力面积 c m2 1 试样侧壁2 试样 图3 1 抗压试样及加载 2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 1 2 实验结果 表3 1 不同钢纤维含量和长径比的s p m c 抗压强度 由上面的数值我们画出钢纤维聚合物混凝土不同长径比 不同含量抗压 强度曲线图 如图3 2 所示 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图3 2 钢纤维聚合物混凝土抗压强度图 3 2 结果分析 从以上实验中可以看出 加入钢纤维可以明显的提高聚合物混凝土的抗 压强度 在没加入钢纤维前 这种配比的聚合物混凝土试件的最高抗压强度 为4 6 7 m p a 加入钢纤维后 聚合物混凝土的最高抗压强度可达到8 4 8 m p a 可见 钢纤维外观形状 表面处理方式 长径比 纤维含量的不同 对聚合 物混凝土抗压强度的提高都具有一定的作用 通过优化寻找出最好的钢纤维 配比 当钢纤维的长径比为7 0 含量为4 8 k g m3 时抗压强度最高 达到 8 4 8 m p a 前期实验结果所得抗压强度为6 3 8 m p a 3 2 1 钢纤维聚合物混凝土抗压强度增强的机理分析 钢纤维聚合物混凝土在承受载荷之前和之后存在十分复杂的微观应力 场 1 2 l 在硬化过程中由于环氧树脂收缩 而骨料基本不发生收缩 故使粗 骨料受压 而固化环氧树脂受拉 局部的收缩应力值很大时 将可能形成微 裂纹 由于线膨胀系数的差别 也可能产生微观热应力场 当结构承受外力 作用时 即使局部混凝土的宏观应力均匀 也会因为粗骨料的不规则排列 固化环氧树腊的不规则形状 两者的弹性模量和抗拉 抗压强度的差别以及 粗骨料周围的支承和接触状况的不同等原因而存在着不均匀的微观应力场 辽宁工程技术大学硕士学位论文 不仅主要截面 其它任何方向截面上的应力分布都不均匀 通过对实验结果及其曲线图的分析 我们得出钢纤维聚合物混凝土中由 于纤维的加入导致其强度增加的机理 当外加载荷作用在普通的聚合物混凝 土上时 直接由骨料和树脂承担 外加载荷继续增加 超过了骨料和树脂所 能承受的最大载荷时 试样发生破坏 在聚合物混凝土中加入钢纤维后 钢 纤维是均匀分散在基体中 呈三维乱向分布 1 3 1 受到外力作用时 先是树 脂和骨料共同承担载荷 力通过树脂传递给钢纤维 同时在内部出现裂纹 传递的力受到了横贯在裂纹处的钢纤维的阻碍 推迟和限制了裂纹的扩展 当载荷继续增加时 钢纤维通过界面粘结力贯穿裂纹传递内力 钢纤维仍能 继续承担载荷 但裂纹随载荷增加而逐渐扩展 此时为钢纤维增强聚合物混 凝土在出现裂纹后的强度增长阶段 既裂纹要扩展必须消耗在基体中的拔出 功 当载荷达到钢纤维与树脂之间粘结力强度极限时 纤维从裂纹处的部分 依次拔出 此时 钢纤维增强聚合物混凝土的载荷能力逐渐减小直至试样破 坏 3 2 2 不同含量的钢纤维对聚合物混凝土抗压强度的影响 由表3 1 和图3 2 可以看出 在钢纤维加入量很少时 其抗压强度随钢 纤维含量的增加而增加 因为钢纤维在聚合物混凝土中是呈乱向分布的 数 量越多与胶粘剂形成的界面就越多 粘结力就越大 阻碍裂纹扩展时的作用 就越强 当抗压强度达到峰值时 钢纤维的作用效果最佳 再增加钢纤维的 含量 其抗压强度就会降低 这是因为 钢纤维的含量过多 容易搅拌不开 而形成结团现象 在团的内部 填充不完全 出现孔隙 这些孔隙在受力时 成为裂纹源 进行裂纹扩展 最后导致试件破坏 3 2 1 3 不同长径比钢纤维对聚合物混凝土抗压强度的影响 从图3 2 中可以看出 当钢纤维的长径比为7 0 时 对聚合物混凝土试 件的增强效果明显 这是因为钢纤维在试件中是三维乱向分布的 长径比为 8 0 1 0 0 的钢纤维长度相对较大 容易结团 长径比为4 0 6 0 的相对较短 钢纤维沿粗骨料界面分布起不到阻裂作用 而长径比为7 0 的钢纤维聚合物 混凝土中有一定数量的钢纤维与胶合骨料界面相交 一旦初始微裂纹缝有发 展的趋势 这部分钢纤维就很好地阻止其发展 推迟了初始裂缝的产生 有 辽宁工程技术大学硕士学位论文 效的提高了聚合物混凝土的抗压强度 因此 长径比为7 0 的钢纤维聚合物 混凝土有高的抗压强度 3 3 物理 化学性能 由于材料的物理 化学性能直接影响到该材料的实际应用性能 我们对 这种抗压强度高的钢纤维聚合物混凝土配比材料进行物理 抗老化性能 耐 化学腐蚀性能的研究 以此来证明钢纤维聚合物混凝土材料的优化性能 为 钢纤维聚合物混凝土做机床基础件提供实用依据 3 3 1 容重 钢纤维聚合物混凝土的容重与粒料级配 浇注工艺 石料密度有关 其 容重的计算公式为 o m v 3 1 式中p r n v 分别代表试样的容重 质量 体积 见表3 2 表3 2 钢纤维聚合物混凝土容重实验数值 试件1试件2试件3 m k g o 3 1 00 3 1 3o 3 1 5 v m3 0 0 0 0 1 2 50 0 0 0 1 2 50 0 0 0 1 2 5 p k g m3 2 4 8 1 0 2 5 1 0 2 5 2 l o 5 试验结果 其容重为2 5 1 03 k g m3 而不加钢纤维的聚合物混凝土的 容重为2 7 1 03 z g m3 鉴于此 使用钢纤维聚合物混凝土做一些机床基础 件可以节省大量原材料 减少成本 3 3 2 吸水率 将3 个试样分别在水中浸泡一定时间 1 小时 后 根据浸泡前后试样 的质量 按照下列式子进行计算 3 3 w g 9 01 0 0 g o 式中w g g 分别代表吸水率 浸泡前质量 浸泡后质量 实验结果见表 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表3 3 钢纤维聚合物混凝土吸水率实验数值 试件1试件2试件3 g k g o 3 1 0o 3 1 3o 3 1 5 go k g 0 3 0 90 3 1 2 9 o 3 1 4 w0 0 0 2 5 5 0 0 0 2 4 0 0 0 2 3 5 试验结果表明 钢纤维聚合物混凝土试样的吸水率为0 0 0 2 4 具有良好 的吸水性 3 3 3 抗老化性能 由于钢纤维聚合物混凝土是一种高分子材料 尝试用其做机床基础件 必须考虑实际工作中一些外部因素对该材料的老化破坏作用 按照国家标准 g b 9 3 4 4 9 6 老化实验 把试样浸泡在机械油中反复加热的方法 观察试验抗 压 抗弯强度的变化 以说明其老化程度 实验测试结果见表3 4 表3 4 钢纤维聚合物混凝土抗老化实验数值 种类 组别 第一组 第二组第三组 钢纤维聚合物混凝土 8 4 68 4 88 4 7 处理后的钢纤维聚合物混凝土 8 4 7 8 4 68 4 6 国家标准规定强度变化值在o 5 之间说明其抗老化性能好 从表3 4 中 我们能看出钢纤维聚合物混凝土具有明显的抗老化性能 将其长期浸泡在机 械油中 抗压强度近视保持不变 因此用钢纤维聚合物混凝土做机床基础件 加工机械零件时 耐用性能强 有一定的经济可观性 3 3 4 耐乳化液试验 根据国家标准g b 9 3 4 9 7 将抗压 抗弯试样浸泡在乳化液中 经不同时 间后测量试样的强度 我们分别对三个试件进行实验 取其平均值列于表 3 5 中 辽宁工程技术大学硕士学位论文 国家标准规定强度变化值在o 5 之间说明其抗乳化化性能好 从实验结 果看 钢纤维聚合物混凝土浸泡在乳化液中几个小时后 强度保持不变 说 明钢纤维聚合物混凝土具有高的耐乳化性能 表3 5 钢纤维聚合物混凝土耐乳化液实验数值 种类 时间第一第二第三第四第五 小时小时小时小时小时 钢纤维聚合物混凝土 8 4 88 4 88 4 88 4 88 4 8 处理后的钢纤维聚合物混凝土8 4 88 4 88 4 88 4 78 4 7 3 3 5 耐腐蚀性能 根据国家标准g b 9 3 4 4 9 8 将试样分别浸泡在丙酮 酒精 煤油等液体 中 经一个月以上的时间 没观察到试样表面有被腐蚀的现象 从实验中我 们得出表面镀铜的钢纤维聚合物混凝土具有高的防腐蚀性能 有利于该材料 做机床基础件的耐用持久性 3 4 结论 由以上实验我们知道 钢纤维聚合物混凝土和聚合物混凝土 在相同的 载荷下 钢纤维聚合物混凝土 抗压强度高 同铸铁相比 钢纤维聚合物混 凝土重量轻 具有明显的抗老化性能和耐腐蚀性能 用其做机床基础件 经 久耐用 经济性可观 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 钢纤维聚合物混凝土的阻尼测试及其机理分析 钢纤维聚合物混凝土是以热固性树脂为粘结剂 将钢纤维与骨料 天然 石料 石英岩 花岗岩 粘结在一起 通过聚合物反映成型构成一种高填充 复合材料 1 4 1 由于它的组成成分中有树脂 我们能知道其具有一定的阻尼 性能 下面通过实验来证明钢纤维聚合物混凝土的高阻尼性能 4 1 阻尼测试实验 本论文所讲的阻尼是指材料的阻尼 又指材料的内摩擦 它是材料分子 运动中相互摩擦损耗能量产生的舻1 从原则上讲 直接测定阻尼的方法并 不是总能实现 因此 用阻尼的特征值对其作出评价 作为阻尼的特征值 必须有三个条件 即 能反映阻尼耗损机械振动能 量的物理性质 和阻尼所表现的各种现象有密切联系 它的量值是可以测定 的 其误差在工程上是可以接受的 描述阻尼性能的物理量为对数衰减率 损耗因子彳 阻尼比占 叩 值 越大 表示阻尼越大 振幅衰减越快 4 1 1 阻尼测试原理及结果 测量阻尼的方法有多种 如自由振动法 频率响应法等n 6 我们采用 频率响应法中的半功率法来测量钢纤维聚合物混凝土的阻尼特性 半功率法又称频带宽法 它属于频域分析法 即在激振力的作用下 使 系统产生振动 这种方法是建立在稳态简谐振动的基础上 设结构在简谐力 p s i n a t 稳态简谐振动 其位移幅值a 随干扰力的频率国而变 频率 为激振的共振频率 即固有频率 所对应的幅值最大 记为a 一 当振幅为击a 一时 根据图线可以确定其对应的频率值分别为q 国 我们称之为半功率点 利用半功率点的距离来求衰减系数的方法称之为半功 率点法 我们这里所说的半功率法测阻尼比实际是指振幅幅值为最大幅值去时 的两点频率之差与固有频率的比值的1 2 即公式为 芒 竺二生 4 1 2 0 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 本实验使用重庆大学研制的虚拟式振动测量仪 其实验框图如图4 1 图4 1 实验框图 实验步骤如下 1 用软弹簧把试样悬吊在实验台边 再把加速度传感器用5 0 2 胶粘 在试样块上 其输出端接电荷放大器 2 用脉冲锤敲击试样块 使系统产生振动 3 调节激振频率 在曲线图中找出幅值最大时对应的频率点国 即 系统的固有频率 4 根据仪器中的半功率软件得到对称于 的两个半功率频率点q 和脚 代入公式得出钢纤维聚合物混凝土的阻尼比 按如上步骤所得的钢纤维聚合物混凝土和聚合物混凝土幅频特性曲 线如图4 2 4 3 所示 辽 r 了程技术大学硕士学位论文 图4 2 聚合物混凝十幅频响麻曲线 图4 3 钢纤维聚合物混凝士幅频响应曲线 钢纤维聚合物混凝土和聚合物混凝土固有频率和半功率列于表4 1 中 表4 1 两种材料的频率值 聚合物混凝土钢纤维聚合物混凝土 固有频率 h z 4 1 0 24 1 4 1 半功率点 h z l 4 0 5 1 4 3 7 94 0 5 8 4 3 9 8 将表4 1 给出的值代入到公式4 一l 中得出钢纤维聚合物混凝土和聚合物 混凝土的阻尼比 表4 2 为各种材料的阻尼比值 表4 2 不同材料的阻尼比 材料 阻尼比 f 铸铁 0 0 0 4 0 0 0 9 前期钢纤维聚合物混凝土0 0 3 7 聚合物混凝 0 0 4 钢纤维聚合物混凝土 0 0 4 l 4 2 钢纤维聚合物混凝土阻尼机理的分析 钢纤维聚合物混凝土是粘弹性材料 属于高分子聚合物 从微观上看 这种材料的分子与分子之间依靠化学键或物理键相互链接 构成二维分子 网 高分子聚合物的分子之间很容易产生相对运动 分子内部的化学单元也 能自由旋转 1 7 1 因此受到外力时 曲折状的分子链会产生拉伸 扭曲等变 形 分子之间的链段会产生相对滑移 扭转 当外力除去后 变形的分子链 要恢复原位 分子之间的相对运动会部分复原 释放外力所作的功 这一部 辽宁工程技术大学硕士学位论文 分功转变为热能被耗散 这就是钢纤维聚合物混凝土具有阻尼性的机理分 析 4 3 阻尼影响因素分析 4 3 1 温度影响 钢纤维聚合物混凝土在特定温度范围内有较高的阻尼性能 图4 3 是钢 纤维聚合物混凝土阻尼性能随温度变化的曲线 根据性能的不同 可以划分 为3 个温度区 温度较低时 表现为玻璃态区 钢纤维聚合物混凝土在这一 区模量g 很高 分子几乎不能运动 因此也就不能散发机械能 而将能量 作为位能贮存 并不耗损转变成热能 此时 模量高而损耗因子小 在橡胶 态区时 钢纤维聚合物混凝土分子运动很容易 不需要吸收足够的机械能 此时模量较低且损耗因子较大 在过渡区 钢纤维聚合物混凝土的模量大幅 度下降 并伴随明显的力学阻尼特性 这时 聚合物混凝土具有足够高的损 耗因子 能够大量的吸收振动能量 混凝土分子基具有一定的自由度 能运 动 即转动 把一部分机械能转变成热能而耗散 在过渡区内 其损耗因 子最大 阻尼性能明显 1 8 1 实际应用中 机床基础件的工作温度常常在过渡 区间内 因此用钢纤维聚合物混凝土做机床基础件进行机械加工时具有明显 的阻尼性能 4 3 2 频率影响 钢纤维聚合物混凝土的阻尼性能随着频率有规律的变化 但是 这种变 化取决于他们的工作温度范围 其模量在恒定温度下 总是随着频率的增加 而增加f 1 9 然而 其损耗因子随着频率的变化却取决于一定的温度范围 这就是说根据材料的物理状态不同而异 当该材料处于玻璃态区时 其损耗 因子随着频率的降低而增高 但是 在橡胶态区时 其损耗因子却随着频率 的降低而降低 当处于过渡区时 材料的损耗因子随着频率的改变而变化的 情况并不显著 因此 频率对钢纤维聚合物混凝土的阻尼影响虽是重要因素 但它与温度因素的影响来相比属于第二位 尽管温度与频率是性质完全不同 的物理参数 可是他们对钢纤维聚合物混凝土材料弹性模量和损耗因子的影 响 在一定意义下是等效的 即 高温相当于低频 低温相当于高频 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n o 2 0 l 窖6 垃帮 图4 3 g 和n 随温度变化图 图4 4g 和n 随频率变化图 4 3 3 纤维体积影响 聚合物混凝土本身是一种粘弹性材料 其阻尼大 而对于钢纤维聚合物 混凝土材料来说 将钢纤维加入到聚合物混凝土中 其强度明显高于聚合物 混凝土 可是钢的阻尼小 钢纤维的加入必然会对材料整体的阻尼有所影响 当钢纤维体积含量较小时 增加纤维用量可以增加材料的阻尼性能 但继续 加入钢纤维后 阻尼损耗因子变化幅度不大 其原因在于 一方面 钢纤维 的增多 使得复合材料中的界面增加 有助于界面滑移的产生 同时也使得 材料中包容的钢纤维的尖端增多 在这些地方受到应力时 引发大量的裂缝 消耗部分能量幽 由此导致材料阻尼性能的增加 另一方面 复合材料中的 树脂的阻尼损耗因子比纤维大的多 纤维增加的同时 树脂的比例不断减少 阻尼损耗因子下降 阻尼变小 两种因素叠加 导致钢纤维聚合物混凝土阻 尼较聚合物混凝土阻尼变化不大 其值与聚合物混凝土阻尼值近视相等 4 3 4 界面影响 对于钢纤维聚合物混凝土 由于钢纤维与基体内部分子结构之间的差 异 纤维周围沿纤维轴向产生界面粘结力 在纤维端部的高剪应力易导致界 面剪切脱粘而产生滑移 界面分子运动要克服阻力 需要一定的时间 形变 往往滞后于应力的变化 而这种滞后的形变运动意味着要克服很大的阻力 消耗部分能量 由此导致材料阻尼性能的增加 但与纤维体积对材料的影响 相比较 其作用效果不大 4 4 结论 由于所选用钢纤维的外观形状 表面处理方式 长径比和含量各项参数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 与前期均不同 使得钢纤维聚合物混凝土的阻尼性能较前期实验结果相比有 很大的提高 由于钢纤维的加入 使得纤维与基体的界面增多 导致翎纤维 聚合物混凝土的阻尼比值与聚合物混凝土相比有所提高 但幅度不大 仍为 制造机床的传统材料铸铁的6 1 0 倍 从而进一步证明了该种配比的翎纤维 聚合物混凝土具有明显的高阻尼性能 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n o 2 2 5 钢纤维聚合物混凝土机床床身制造工艺的研究 通过以上实验我们得出钢纤维聚合物混凝土有良好的阻尼性 吸振性和 减振性 抗腐蚀性强 与铸铁相比 同体积条件下 质量低 成本低 构件 热变形小心 现以车床床身为例 我们尝试用钢纤维聚合物混凝土做一个 机床基础件 研究合理的机床床身的制备工艺规程 为将该材料推广应用到 其他机床基础件乃至机械部件提供合理的理论依据 5 1 钢纤维聚合物混凝土机床床身的设计和制备工艺 5 1 1 钢纤维聚合物混凝土机床床身的设计 机床结构设计的主要问题是在满足机床性能和具有较好的工艺性的前 提下 如何提高机床的静刚度 抗振性和接触度以及减小热变形 尽量减小 基础件的质量和制造工作量 用钢纤维聚合物混凝土做床身可分为3 种形式瞰 1 整体结构该结构除了一些金属预埋件外 其余部分均为钢纤维聚 合物混凝土材料 这种结构适用于形状简单的中小型机床床身 其中导轨部 分也可以为这种材料 也可为耐磨的金属型材料制成 2 框架结构这种结构特点是周边框为金属型材焊接而成 其内浇注 钢纤维聚合物混凝土材料 这是因为钢纤维聚合物混凝土材料较脆 可以防 止边角受到冲撞而破坏 它适用于结构简单的大中型机床床身 3 分块结构对于结构形状较复杂的大型床身构件 可以把它分为几 个形状简单 便于浇注的部分 分别浇铸后 再用粘结剂或其它形状联系起 来 这样使得浇注模具结构简化 在本文设计中 对于机床床身我们采用整体结构制造 机床床身是机床 的基础构件 其上连接导轨 且床身与导轨用预埋件相连接 总体设计如附 图1 2 所示 5 1 2 钢纤维聚合物混凝土机床床身预埋件的设计 钢纤维聚合物混凝土床身和其他机床基础件的连接一般是通过金属预 埋件的机械连接来实现的 多块金属预埋件经过加工后 通过一定的连接方 式来连接和固定其他机床基础件1 2 2 1 如导轨等 预埋件的形式按其用途可分为如图5 1 所示几种 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n o 2 3 可黟 眵旨 罔魈 睦爱剧娃竖剜 d 险国 国险 图5 1 预埋件幽 图5 1 a 是用于和其它零部件连接的预埋件 其结构尺寸主要依据被连 接件的安装尺寸 如螺纹直径 旋合长度等 图5 1 b 是用于床身构件起吊 搬运的预埋件 对于中小型床身 当重 量较轻时 可采用起吊钩或搬运手柄 对于大型床身 重量较重时 必须设 置起吊孔 如图5 l e 起吊孔预埋件一般采用塑料管或薄壁金属管 其次 预埋件可以提供液压润滑管路或孔 并能大幅度减轻床身的重量 图5 1 d 是用于安装地脚螺栓的预埋件 它一般有两种结构 一种是钢 板焊接件 用于单件小批生产 另一种是铸铁件 用于批量生产 图5 1 e 是预埋件上拉钩的形式 固性 有时在预埋件上设置一定数量 可以采取其他的结构形式 为了增强预埋件和床身材料的粘结牢 一定形状的拉钩来满足要求 拉钩也 由于钢纤维聚合物混凝土材料较硬 难以加工 因此必须在将与其它零 部件相联接的部位 预先埋置金属件 待浇注后这些预埋件就留在床身上 可以在其上加工平面 钻孔 攻丝等 然后通过螺栓联接安装其它零部件 本机床设计中采用a 图所示结构 将矩形铸铁块预埋在钢纤维聚合物混凝土 中 又因为钢纤维聚合物混凝土与铸铁的热膨胀系数不同 用整体铸铁预埋 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n 0 2 4 件会影响钢纤维聚合物混凝土的收缩性 进而影响其制造精度 因此我们采 用分块式铸铁预埋件结构来安装导轨 如附图3 4 所示 在这里需要特别指出的是 在浇注钢纤维聚合物混凝土时 为了防止 振捣时产生的力使预埋件发生偏移 影响安装精度 我们在铸铁块上钻孔 用螺钉将铁块固定在模具底板 但所钻的螺纹孔要小于连接导轨时的孔径 如图5 2 5 3 所示 厂 w b h 5 h 一罩1 0 i 珲1 添 j 0 图5 2 矩形预埋件图5 3 三角形预埋件 5 1 3 钢纤维聚合物混凝土机床导轨的设计 导轨的功用是导向和承载 在导轨副 例如工作台和床身导轨 中 运 动的一方 如工作台导轨 叫做动导轨 不动的一方 如床身导轨 叫做支 承导轨 动导轨相对于支承导轨的运动 通常是直线运动或是回转运动 2 3 导轨应满足的要求 1 导轨的导向精度 导轨在空载运动和切削条件下运动时 都应具有足够的导向精度 保证 动导轨运动的准确度 是保证导轨工作质量的前提 影响导向精度的主要因 素有 导轨的结构型式 导轨的几何精度和接触精度 导轨和基础件的刚度 辽宁工程技术大学硕士学位论文 导轨的油膜厚度和油膜刚度 导轨和基础件的热变形等 2 3 1 2 精度保持性 精度保持性主要是由导轨的耐磨性决定的 它与导轨的摩擦性质 导轨 材料 工艺方法以及受力情况等有关 另外 导轨和基础件的残余应力 也 会使导轨发生蠕变而影响导轨的精度保持性 3 结构简单 工艺性好 设计时要注意使导轨的制造和维护方便 刮研量少 导轨的材料 导轨的材料有铸铁 钢 有色金属和塑料等 由于同钢纤维聚合物混凝 土相比 铸铁的耐磨性好 工艺性好 且易于铸造和切削加工 所以本机床 床身设计中采用铸铁材料做导轨 导轨的结构 本文所设计的钢纤维聚合物混凝土机床床身采用三角形和矩形导轨的 组合 它兼有以下优点 1 需用镶条调整间隙 导向精度高 2 加工和装配都比较简单 3 三角形导轨能承受水平和垂直方向的载荷 导向精度高 4 用矩形导轨能承受较大的颠覆力矩产生的压力 5 温度变化不会改变导轨面的接触情况 但一些变形会使移动部件 水平偏移 6 广泛应用于车床 磨床 龙门刨床 龙门铣床 坐标镗床床身导 轨 滚齿机床立柱及床身导轨等 按照如附图5 6 所示做出导轨后 用磨削的方法精加工导轨面来保证 高的几何精度和小的表面粗糙度 5 1 4 模具设计 本课题中钢纤维聚合物混凝土是浇注成型的 因此模具设计 生产是极 其重要的环节 模具表面光洁 尺寸精度高 在设计时要注意以下几点1 2 2 1 1 满足产品设计的精度要求 包括尺寸精度和形位精度 要求模具 表面光整 因为模具表面质量直接影响钢纤维聚合物混凝士构件的表面质 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n o 2 6 量 2 要有足够的强度和刚度 防止生产过程中外力对模具的破坏 延 长模具的使用寿命 3 易脱模 脱模难易是评定模具设计的重要指标 一般大型构件多 采用拼装模 4 造价便宜 材料易得 对模具材料的选用考虑两方面的因素 一个是保证质量 另一个是经 济可靠 模具的经济效果不仅要从模具本身的造价考虑 而且要从使用周 期来折算 用作钢纤维聚合物混凝土材料构件的模具一般为木模或钢模 木材要求质均 无节 不易收缩变形等 木模容易制造 生产周期短 比 较轻便 但木模较易产生变形 精度较低 使用寿命短 适用于小批量生 产的产品 钢模经久耐用 不变形 精度高 但加工复杂 成本高 制造 周期长 适用于大批量生产的高精度定型产品 精度高的地方优先选用钢 模 次要的地方用木模 这样既能保证产品的质量要求又能降低成本 缩 短研制周期 由于钢纤维聚合物混凝土粘度高 强度大 所以本实验选用钢模 为了 脱模方便 不至于损坏钢纤维聚合物混凝土机床床身 我们采用为分块式模 具设计 如附图7 1 4 所示 按照模具设计图 采用4 5 号钢作出要求尺寸的1 个底板 1 个上板 6 个测板 1 2 个铸铁预埋件和1 个铸铁型芯 把底板放置在铣床上对各个槽 进行加工 在其铣削过程中要保证底板的平面度和相接触板间的配合精度 在其上板上焊接出8 个凸出肋板 以防止由于受力不均引起的变形 5 2 钢纤维聚合物混凝土各组成材料的配比计算 根据上面章节所介绍 我们得出当采用长径比为7 0 含量为4 8k g m3 的 钢纤维时 钢纤维聚合物混凝土具有最高的抗压强度 且其他力学性能和物 理化学性能也很好 因此 在制作钢纤维聚合物混凝土机床床身时 在聚合 物混凝土中掺入这种钢纤维 按照设计的图纸我们求出该模拟机床的实心体积为 v 5 0 0 x 2