礦物鑄件的蠕變性能測試研究

余丕亮，唐明松，謝京錦

（1.東莞市寶科精密機械有限公司，廣東 東莞 523000；2.深圳市帝馬數字機器有限公司，廣東 深圳 518000；3.深圳市創世紀機械有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

礦物鑄件是一種面向未來的非金屬節能環保材料，以其性能的優勢在某些應用領域可以替代傳統的鑄鐵材料，特別是機床領域。振動是影響精密機床加工精度重要因素，產生振動的激振源有很多，無法全部消除振源，可以通過改進零部件材料、提高系統剛性及降低系統固有頻率、加載減振裝置、隔離激振源等措施來削弱振動[1]。礦物鑄件阻尼值是鑄鐵5～6倍，是一種減震性能優良的材料[2]，可應用于精密機床的底座、床身、橫梁等基礎零部件。

作為機器設備的基礎結構件，要求保證零件的幾何尺寸及精度，達到足夠的強度和剛度，對材料的性能如抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、阻尼特性、蠕變特性等提出要求。由于礦物鑄件是采用樹脂和砂石做基礎材料，在長期載荷作用下會產生蠕變[3，4]。將礦物鑄件用在對精度要求很高的設備上也可能會對機器性能產生影響，如數控機床底座等基礎零部件。機床設備使用年限一般超過10年，精度的保持性尤為重要。為了優選礦物鑄件配方，需進行大量骨料配比實驗，使得抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、阻尼特性、蠕變特性等達到要求[5]。礦物鑄件的原材料環氧樹脂受熱會產生相變，在常溫下穩定性較佳[6]。本試驗測試了不同配方的礦物鑄件試塊在常溫下的蠕變性能，為礦物鑄件配方提供依據。

1 試驗準備

因工業上實際應用的鑄件成品不易試驗，需制作試樣試塊。測試使用長方形試塊。試塊分為ABCD共4個系列，每個系列含3種不同配方的試塊。A系列為A公司樹脂原材料和固化劑，1為大粒徑砂石組分，2為中粒徑砂石組分，3為小粒徑砂石組分。同理，B～D系列分別為不同公司樹脂和固化劑原材料及砂石組分。試塊為長方形，其尺寸為100 mm×150 mm×800 mm。如圖1和圖2所示。

圖1 單個試塊

圖2 試塊及截面

試塊編號及施加載荷如表1所示。不同編號的試塊其配方和存放養護方式不一樣。

表1 試塊編號

2 試驗設備

自制試驗設備，為鋼制框架結構，共4臺。每臺放置3條試塊，按4個系列分別疊加放置。如圖3所示。

圖3 試驗設備

3 載荷施加試驗

蠕變試驗是在單向拉伸條件下進行的，各試塊施加的載荷如表1所示。壓力施加在試塊上面，受力位置位于試塊的1/3位置處。安裝時，將試塊澆鑄時的底面向下，始終使其處于拉伸區域。由于3塊試塊疊加，第2塊和第3塊所受載荷依次增大。不同試塊密度不同，質量也不相同，故疊加后計算施加到不同試塊上的載荷有所不同。

試驗分為2個階段。第1階段通過位移感應器測量試塊中心部位的彎曲變形量，試驗時間14天。第2階段用機械千分表測量，如圖4所示，試驗時間為7.5個月。

圖4 彎曲變形量的測量

4 蠕變平均值

記錄各時間段蠕變值，并計算ABCD各系列試塊蠕變平均值，見表2。

表2 不同時間階段的蠕變平均值（單位mm）

5 抗彎強度及負荷率

在8個月的負荷期結束時，對每個試塊進行抗彎強度試驗。負荷同蠕變試驗時一樣，在長度的三分之一處進行。抗彎強度試驗結果如表3所示。負荷率為施加壓強與抗彎強度的百分比值。

由表3計算可知，A系列平均負荷率為49%，B系列平均負荷率為47%，C系列平均負荷率為39%，D系列平均負荷率為42%。

表3 抗彎強度試驗結果

6 第1階段蠕變試驗結果

ABCD系列各試塊彎曲變形量結果，如圖5～8所示。

圖5 A系列試塊7日彎曲變形量(單位mm)

圖6 B系列試塊7日彎曲變形量（單位mm）

圖7 C系列試塊7日彎曲變形量（單位mm）

圖8 D系列試塊7日彎曲變形量（單位mm）

7 彎曲量和蠕變量試驗

彎曲量和蠕變量試驗結果見表4～7。

表4 A系列試塊彎曲量和蠕變量（單位mm）

表5 B系列試塊彎曲量和蠕變量（單位mm）

表6 C系列試塊彎曲量和蠕變量（單位mm）

表7 D系列試塊彎曲量和蠕變量（單位mm）

8 結果分析

在第1階段，即前14天，礦物鑄件測試塊的變形量逐步增大。在第2階段，共8個月時間，礦物鑄件測試塊的變形量和蠕變量增大速率變慢，而且8個月后試塊彎曲量與蠕變量值保持恒定。

9 結論

為了測試蠕變對機床設備精度保持性的影響而進行的礦物鑄件蠕變性能測試實驗結論如下：

（1）A系列彎曲變形量0.11 mm，蠕變量0.13 mm。對比A、B、C、D各系列各配方試塊，A系列平均變形量和蠕變量最小，可作為最優配方之一。

（2）在5個月后A系列和B系列試塊蠕變平均值分別保持在0.2 mm和0.22 mm，在6個月后C系列和D系列試塊蠕變平均值分別保持在0.6 mm和0.91 mm，在7個月后所有礦物鑄件試塊彎曲量與蠕變量已經不再顯著變化。表明采用礦物鑄件作為機床設備基礎零部件在長時間使用后不會因為蠕變而產生精度變化，在保證機床的精度保持性方面可行。

此外，影響礦物鑄件物理性能的因素很多，僅進行了長時間蠕變試驗，測試了彎曲變形量和抗拉強度，此次測試可作為優選礦物鑄件配方的依據。其他物理性能如彈性模量、熱膨脹系數、抗壓強度等仍需另外進一步開展測試研究。