矿物铸件对结构材料的性能要求

　　作为结构材料，矿物铸件在机床行业被广泛接受已经30多年了。据统计，在欧洲，每10台机床就有一台使用矿物铸件做床身。然而，使用不当的经历、不完整或错误的信息都会导致对矿物铸件的怀疑和偏见。因此，在制作新型设备时，分析矿物铸件的利弊并与其他材料相比较，是十分必要的。

　　工程机械类的底座一般分铸铁、矿物铸件(聚合物和/或活性树脂混凝土)、钢/焊接结构(灌浆/非灌浆)和天然石头(如花岗岩)四种。各种材质均各具特点，并不存在结构材料。只有根据具体的结构要求考察材料的优缺点，才能挑选出理想的结构材料。

　　结构材料的两个重要功能—─保证部件的几何尺寸、位置和吸收能量，对材料分别提出了性能要求(静态、动态和热性能)、功能/结构要求(精度、重量、壁厚、易于导轨安装、介质循环系统、物流)和成本要求(价格、数量、实用性、系统特性)。

　　对结构材料的性能要求

　　1. 静态特性

　　衡量底座静态特性的标准通常是材料的刚性—─承载下的最小形变，而不是高强度。对于静态弹性变形，可以把矿物铸件看作是符合胡克定律的各向同性的均质材料。

　　矿物铸件密度和弹性模量分别是铸铁的1/3，既然矿物铸件和铸铁有相同的比刚度，因此同等重量下，在不考虑形状影响时铸铁件与矿物铸件的刚度是相同的。很多时候，矿物铸件的设计壁厚通常是铸铁件的3-5倍，这种设计无论是在产品的力学性能上还是在浇铸成型上都不会产生任何问题。矿物铸件适合在承载压力的静态环境下工作(如床身、支架、立柱)，不适合作为薄壁和/或小型机架(如工作台、托盘、换刀装置、拖板、主轴支架)。结构件的重量通常是受矿物铸件厂家的设备限制，15吨以上的矿物铸件产品一般较为少见。

　　2. 动态特性

　　轴的旋转速度和/或加速度越大，机器的动态性能就越显重要。快速定位、刀具快速置换、高速进给对机器结构件不断地强化机械共振和动态激励。除了部件的尺寸设计，部件的挠曲性、质量分布、动态刚性都很大程度上受材料阻尼特性的影响。

　　矿物铸件的使用为这些问题提供了一个良好的解决方案。因为它比传统铸铁的吸振性能好10倍，能大幅降低振幅和固有频率。在诸如机械切削加工中，可以带来更高的精度、更好的表面质量、更长的工具使用寿命。同时，在噪音影响方面，通过对大型发动机和离心机不同材质的底座、传动铸件以及附件的比较验证，矿物铸件也同样表现上佳。依据撞击声分析，矿物铸件可以实现声压级别局部减弱20%的功效。

　　3. 热性能

　　据专家估计，在机床产生的偏差中约有80%由热影响引起。内部或外部热源、预热、更换工件等加工中断都是导致热变形的原因。为能挑选出最佳材料，很有必要明确材料的要求。高比热和低热传导率使得矿物铸件对短暂的温度影响(如更换工件)和周边温度波动有良好的热惯性。如需像金属床身一样需要快速预热或禁止床身升温，可在矿物铸件中直接铸入加热或冷却装置以控制温度。使用这种温度补偿装置，能够减少因温度影响引起的变形，有助于在合理成本下实现精度的提升。

　　功能和结构要求

　　整合性是矿物铸件不同于其他材料的一个显著特点。矿物铸件的最高浇铸温度是45℃，再配以高精度的模具和工装，可使零部件和矿物铸件浇铸在一起。

　　在矿物铸件的毛坯件上还可以使用先进的再次浇铸技术，从而得到精密的安装表面和导轨表面，并无需机加工。和其他的底座材料一样，矿物铸件也受到具体的结构设计规则的限制。壁厚、承载附件、罗纹插件、装卸方式等在一定程度上皆和其他材料有所差异，需要在设计时就预先考虑。

　　成本要求

　　从技术的角度进行考虑固然重要，而性价比也日渐显示出其重要地位。使用矿物铸件可使工程人员节省大量的生产和运作成本。除了节省机加工成本，浇铸、最终装配、与日俱增的物流费用(仓储和运输)等成本都相应得以降低。考虑到矿物铸件的高层次功能，应将其当成一个整体项目来看。实际上，在底座安装或预安装时再作价格比较才是较为合理的一种做法。相对而言比较高的初期成本是矿物铸件模具和工装费用，但该费用可在长期使用中被摊薄(500～1000件/钢模)。

　　使用范围

　　作为结构材料，矿物铸件正在不断替代传统的结构材料，而其得到快速发展的关键在于矿物浇铸、模具、稳定的粘结结构。目前，矿物铸件已在磨床、高速加工等多个机床领域得到了广泛应用。 如著名企业ABA z*b、 Bahm ler、Jung、Mikrosa、Schaudt、Stude 等一直得益于矿物铸件的阻尼性、热惯性和整合性，在磨削过程中获得高精度和很好的表面质量。

　　随着不断增大的动态载荷，矿物铸件在工具磨床领域也不断得到诸多公司的青睐。矿物铸件床身有很好的刚性，能很好地消除因直线电机加速度引起的力。与此同时，良好的吸振性能与直线电机的有机组合，还能大幅提高工件的表面质量和砂轮的使用寿命。