礦物鑄件底座對新設(shè)備制造之利弊分析

作為結(jié)構(gòu)材料,礦物鑄件在機(jī)床行業(yè)被廣泛接受已經(jīng)30多年了。據(jù)統(tǒng)計(jì),在歐洲,每10臺機(jī)床就有一臺使用礦 物鑄件做床身。然而,使用不當(dāng)?shù)慕?jīng)歷、不完整或錯(cuò)誤的信息都會導(dǎo)致對礦物鑄件的懷疑和偏見。因此,在制作設(shè)備時(shí),分析礦物鑄件的利弊并與其他材料相比較,是十分必要的。工程機(jī)械類的底座一 般分鑄鐵、 礦物鑄件(聚合物和/或活性樹脂混凝土)、鋼/焊接結(jié)構(gòu) (灌漿/非灌漿)和天然石頭(如花崗巖)四種。各種材質(zhì)均各具特點(diǎn),并不存在的結(jié)構(gòu)材料。只有根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)要求考察材料的優(yōu)缺點(diǎn),才能挑選出理想的結(jié)構(gòu)材料。結(jié)構(gòu)材料的兩個(gè)重要功能一 保證部件的幾何尺寸、位置和吸收能量, 對材料分別提出了性能要求(靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和熱性能)、功能/結(jié)構(gòu)要求(精度、量、壁厚、易于導(dǎo)軌安裝、介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、物流)和成本要求(價(jià)格、數(shù)量、實(shí)用性、 系統(tǒng)特性)。對結(jié)構(gòu)材料的性能要求1.靜態(tài)特性衡量底座靜態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)通常是材料的剛性一承載 下的小形變,而不是高強(qiáng)度。對于靜態(tài)彈性變形,可以把礦物鑄件看作是符合胡克定律的各向同性的均質(zhì)材料。礦物鑄件密度和彈性模 量分別是鑄鐵的1/3 ,既然礦物鑄件和鑄鐵有相同的比剛度,因此同等重量下,在不考形狀影響時(shí)鑄鐵件與礦物鑄件的剛度是相同的。很多時(shí)候,礦物鑄件的設(shè)計(jì)壁厚通常是鑄鐵件的3倍,這種設(shè)計(jì)無論是在產(chǎn)品的力學(xué)性能上還是在澆鑄成型上都不會產(chǎn)生任何問題。礦物鑄件適臺在承載壓力的靜態(tài)環(huán)境下工作(如床身、支架、立柱) , 不適合作為薄壁和/或小型機(jī)架(如工作臺、托盤、換刀裝置、拖板、主軸支架)。結(jié)構(gòu)件的重量通常是受礦物鑄件廠家的設(shè)備限制, 15噸以上的礦物鑄件產(chǎn)品一般較為少見。2. 動(dòng)態(tài)特性軸的旋轉(zhuǎn)速度和/或加速度越大,機(jī)器的動(dòng)態(tài)性能就越顯重要?？焖俣ㄎ弧⒌毒呖焖僦脫Q、高速進(jìn)給對機(jī)器結(jié)構(gòu)件不斷地強(qiáng)化機(jī)械共振和動(dòng)態(tài)激勵(lì)。除了部件的尺寸設(shè)計(jì), 部件的撓曲性、質(zhì)量分布、動(dòng)態(tài)剛性都很大程度上受材料阻尼特性的影響。礦物鑄件的使用為這些問題提供了-一個(gè)良好的解決方案。因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)鑄鐵的吸振性能好10倍,能大幅降低振幅和固有頻率。在諸如機(jī)械切削加工中,可以帶來更高的精度、更好的表面質(zhì)量、更長的工具使用壽命。同時(shí),在噪音影響方面,通過對大型發(fā)動(dòng)機(jī)和離心機(jī)不同材質(zhì)的底座、傳動(dòng)鑄件以及附件的比較驗(yàn)證,礦物鑄件也同樣表現(xiàn)上佳。依據(jù)撞擊聲分析,礦物鑄件可以實(shí)現(xiàn)聲玉級別局部減弱20%的功效。3. 熱性能據(jù)估計(jì),在機(jī)床產(chǎn)生的偏差中約有80%由熱影響引起。內(nèi)部或外部熱源、預(yù)熱、更換工件等加工中斷都是導(dǎo)致熱變形的原因。為能挑選出材料,很有必要明確材料的要求。高比熱和低熱傳導(dǎo)率使得礦物鑄件對短暫的溫度影響(如更換工件)和周邊溫度波動(dòng)有良好的熱慣性。如需像金屬床身一樣需 要快速預(yù)熱或禁止床身升溫，可在礦物鑄件中直接鑄入加熱或冷卻裝置以控制溫度。使用這種溫度補(bǔ)償裝置,能夠減少因溫度影響引起的變形,有助于在合理成本下實(shí)現(xiàn)精度的提升。功能和結(jié)構(gòu)要求整合性是礦物鑄件不同于其他材料的一一個(gè)顯著特點(diǎn)。礦物鑄件的澆鑄溫度是45°C ,再配以高精度的模具和工裝,可使零部件和礦物鑄件澆鑄在一起。在礦物鑄件的毛坯件上還可以使用的再次澆鑄技術(shù),從而得到精密的安裝表面和導(dǎo)軌表面,并無需機(jī)加工。和其他的底座材料-樣,礦物鑄件也受到具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則的限制。壁厚、承載附件、羅紋插件、裝卸方式等在-定程度上皆和其他材料有所差異,需要在設(shè)計(jì)時(shí)就預(yù)先考慮。成本要求從技術(shù)的角度進(jìn)行考慮固然重要,而性價(jià)比也日漸顯示出其重要地位。使用礦物鑄件可使工程人員節(jié)省大量的生產(chǎn)和運(yùn)作成本。除了節(jié)省機(jī)加工成本,澆鑄、終裝配、與日俱增的物流費(fèi)用(倉儲和運(yùn)輸)等成本都相應(yīng)得以降低?？紤]到礦物鑄件的高層次功能,應(yīng)將其當(dāng)成一個(gè)整體項(xiàng)目來看。實(shí)際上,在底座安裝或預(yù)安裝時(shí)再作價(jià)格比較才是較為合理的一種做法。相對而言比較高的初期成本是礦物鑄件模具和工裝費(fèi)用,但該費(fèi)用可在長期使用中被攤薄( 500~ 1000件/鋼模)，每年的用量大約是10~15件。使用范圍作為結(jié)構(gòu)材料,礦物鑄件正在不斷替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料,而其得到快速發(fā)展的關(guān)鍵在于礦物澆鑄、模具、穩(wěn)定的粘結(jié)結(jié)構(gòu)。目前,礦物鑄件已在磨床、高速加工等多個(gè)機(jī)床領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。磨床制造商一直 是機(jī)床領(lǐng)域使用礦物鑄件做床身的先行者。如世界知名企業(yè)ABA z&b、Bahm ler、Jung、 Mikrosa、 SchaudtStude等一直得益于礦 物鑄件的阻尼性、熱慣性和整合性 ,在磨削過程中獲得高精度和極好的表面質(zhì)量。隨著不斷增大的動(dòng)態(tài)載荷,礦物鑄件在I具磨床領(lǐng)域也不斷得到世界公司的青睞。礦物鑄件床身有極好的剛性,能很好地消除因直線電機(jī)加速度引起的力。與此同時(shí),良好的吸振性能與直線電機(jī)的有機(jī)組合,還能大幅提高工件的表面質(zhì)量和砂輪的使用壽命。