礦物鑄件底座對新設備制造之利弊分析

作為結構材料,礦物鑄件在機床行業被廣泛接受已經30多年了。據統計,在歐洲,每10臺機床就有一臺使用礦 物鑄件做床身。然而,使用不當的經歷、不完整或錯誤的信息都會導致對礦物鑄件的懷疑和偏見。因此,在制作設備時,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/焊接結構 (灌漿/非灌漿)和天然石頭(如花崗巖)四種。各種材質均各具特點,并不存在的結構材料。只有根據具體的結構要求考察材料的優缺點,才能挑選出理想的結構材料。結構材料的兩個重要功能一 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、動態和熱性能)、功能/結構要求(精度、量、壁厚、易于導軌安裝、介質循環系統、物流)和成本要求(價格、數量、實用性、 系統特性)。對結構材料的性能要求1.靜態特性衡量底座靜態特性的標準通常是材料的剛性一承載 下的小形變,而不是高強度。對于靜態彈性變形,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,在不考形狀影響時鑄鐵件與礦物鑄件的剛度是相同的。很多時候,礦物鑄件的設計壁厚通常是鑄鐵件的3倍,這種設計無論是在產品的力學性能上還是在澆鑄成型上都不會產生任何問題。礦物鑄件適臺在承載壓力的靜態環境下工作(如床身、支架、立柱) , 不適合作為薄壁和/或小型機架(如工作臺、托盤、換刀裝置、拖板、主軸支架)。結構件的重量通常是受礦物鑄件廠家的設備限制, 15噸以上的礦物鑄件產品一般較為少見。2. 動態特性軸的旋轉速度和/或加速度越大,機器的動態性能就越顯重要。快速定位、刀具快速置換、高速進給對機器結構件不斷地強化機械共振和動態激勵。除了部件的尺寸設計, 部件的撓曲性、質量分布、動態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-一個良好的解決方案。因為它比傳統鑄鐵的吸振性能好10倍,能大幅降低振幅和固有頻率。在諸如機械切削加工中,可以帶來更高的精度、更好的表面質量、更長的工具使用壽命。同時,在噪音影響方面,通過對大型發動機和離心機不同材質的底座、傳動鑄件以及附件的比較驗證,礦物鑄件也同樣表現上佳。依據撞擊聲分析,礦物鑄件可以實現聲玉級別局部減弱20%的功效。3. 熱性能據估計,在機床產生的偏差中約有80%由熱影響引起。內部或外部熱源、預熱、更換工件等加工中斷都是導致熱變形的原因。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)和周邊溫度波動有良好的熱慣性。如需像金屬床身一樣需 要快速預熱或禁止床身升溫，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現精度的提升。功能和結構要求整合性是礦物鑄件不同于其他材料的一一個顯著特點。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,從而得到精密的安裝表面和導軌表面,并無需機加工。和其他的底座材料-樣,礦物鑄件也受到具體的結構設計規則的限制。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,需要在設計時就預先考慮。成本要求從技術的角度進行考慮固然重要,而性價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省大量的生產和運作成本。除了節省機加工成本,澆鑄、終裝配、與日俱增的物流費用(倉儲和運輸)等成本都相應得以降低。考慮到礦物鑄件的高層次功能,應將其當成一個整體項目來看。實際上,在底座安裝或預安裝時再作價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用,但該費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。使用范圍作為結構材料,礦物鑄件正在不斷替代傳統的結構材料,而其得到快速發展的關鍵在于礦物澆鑄、模具、穩定的粘結結構。目前,礦物鑄件已在磨床、高速加工等多個機床領域得到了廣泛應用。磨床制造商一直 是機床領域使用礦物鑄件做床身的先行者。如世界知名企業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量。隨著不斷增大的動態載荷,礦物鑄件在I具磨床領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加速度引起的力。與此同時,良好的吸振性能與直線電機的有機組合,還能大幅提高工件的表面質量和砂輪的使用壽命。