礦物鑄件底座對新設(shè)備制造之利弊簡析

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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(tái)機(jī)床就有一臺(tái)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(huì)導(dǎo)致對礦物鑄件的懷疑和偏見。因此，在制作新型設(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。 
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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)，并不存在完美的結(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—─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、重量、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）。 
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對結(jié)構(gòu)材料的性能要求 

1. 靜態(tài)特性 
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衡量底座靜態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)通常是材料的剛性—─承載下的最小形變，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。 3 h  ]2 E& Z& E3 V& j  N

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，在不考慮形狀影響時(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3-5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(huì)產(chǎn)生任何問題。礦物鑄件適合在承載壓力的靜態(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(tái)、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 
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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。快速定位、刀具快速置換、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。 
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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)聲壓級(jí)別局部減弱20%的功效。 
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3. 熱性能 
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據(jù)專家估計(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。為能挑選出最佳材料，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個(gè)顯著特點(diǎn)。礦物鑄件的最高澆鑄溫度是45℃，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先進(jìn)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。和其他的底座材料一樣，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、裝卸方式等在一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 ' a4 ?, p1 M" D
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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、最終裝配、與日俱增的物流費(fèi)用（倉儲(chǔ)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?。?00～1000件/鋼模）。 

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、Schaudt、Stude 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。 ( ?4 o, F& 5 q' w4 c& W. N
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隨著不斷增大的動(dòng)態(tài)載荷，礦物鑄件在工具磨床領(lǐng)域也不斷得到世界一流公司的青睞。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。