矿物铸件在PCB机械钻机中的应用

陈百强，翟学涛，黎勇军

(深圳市大族数控科技有限公司，广东深圳518052)

矿物铸件在PCB机械钻机中的应用

陈百强，翟学涛，黎勇军

(深圳市大族数控科技有限公司，广东深圳518052)

阐述了矿物铸件的基本情况，将矿物铸件与铸铁和天然花岗石进行详细对比，采用设计、仿真、测试相结合的方法，获得本次所用矿物铸件的材料参数，设计并制造出满足性能要求的六轴PCB机械钻机的矿物铸件机架，借助电子水平仪、平尺、振动测试仪、激光干涉仪、孔位测量机等完成机床精度测试，确认精度与使用天然花岗石机架量产机的精度相当。成功将矿物铸件应用至高精密机床领域。

矿物铸件；PCB机械钻孔机；仿真与测试

伴随着经济的发展，人们对环境问题越来越重视。制造业为社会创造丰富物质财富的同时会消耗大量的资源，还会造成环境污染。在制造业实施绿色制造技术，贯彻可持续发展战略已势在必行。机床是制造业的基础，也是一个国家硬实力的代表。高速和高精度是现代数控机床的主要特征。高性能数控机床的总体目标是大幅度提高生产效率和产品质量，节能减排，保护环境和操作者健康，而不仅是追求高性能的指标。从整个机床生命周期内审视，如何减少对环境冲击的机床成为当前研究的热点。

机架是机床的主要组成部分之一，是消耗材料最多的部分。机床的机架通常采用的材料有：铸铁、钢板焊接件、天然花岗石、人造石等。目前在国内用量最大的材料是铸铁，但是铁矿石、焦炭等炼钢原辅材料都是不可再生的自然资源，制造过程会消耗很多资源和带来不同程度污染。天然花岗石多用在高档精密机床上，近些年出于保护环境和保护珍贵材料的目的，产量有限，特别是大尺寸的材料显得稀缺。因此铁制和天然花岗石机架不利于环境也不利于机床的长期发展，而矿物铸件作为一种面向未来的环保材料，以其价格和性能的优势不断替代传统的相关结构件。

1 矿物铸件

1.1 组成、特点及厂家

树脂混凝土（或称人造石、矿物铸造）是一种用各种天然矿石、石英砂、玄武岩等原料颗粒为骨料，加入环氧树脂为辅料，并经增强纤维或纳米颗粒强化，经过混合搅拌、振动密实而形成的一种新型环保复合材料。工业领域的矿物复合材料俗称人造石、聚合物混凝土、树脂混凝土、超高性能混凝土等，其制品则称为矿物铸件[1，2]。见图1所示。

图1 矿物铸造

矿物铸件是一种可以用来替换传统金属或天然石材用于制造精密机床的理想材料，其密度小（约是铸铁的1/3），吸震性好（是铸铁的10倍，有较高阻尼），精度高（直线度、平面度、平行度可达3～5 μm/m），不易变形（常温浇铸，稳定性极好），成型能力和整合能力好（丰富的自由度，实现复杂的外形），耐蚀性和热阻隔性好（比铸铁铸钢等金属材料高），吸湿性低（比天然花岗石低），热稳定性好，抗磁性好，节能环保（常温浇铸，基本无污染，废旧材料可回收利用）。

世界范围内，机床矿物铸件制造厂家很多，但规模都不大，主要三家是：加拿大EG、德国施耐博格SCHNEEBERGER、德国蓝浦RAMPF等。目前进入中国的外商主要有两家：施耐博格和蓝浦，分别在常州和太仓建厂。而国内主要有济南的东星、森华、济南纳诺精密、德国蓝浦（太仓）、德国施耐博格（常州）、深圳科蓝、上海申克等，还属于刚刚起步阶段。国内的厂商主要以优质的天然“济南青花岗石”为主料，然后加微量元素和结合剂，经过特殊工艺装入模具后震动成型。

1.2 材料对比

1.2.1 矿物铸件与灰铸铁比较

灰铸铁因其具有流动性好、体收缩和线收缩小、综合力学性能低、抗压强度比抗拉强度高3～4倍、吸振性良好等优良性能，经过适当的热处理而作为数控机床机架材料。矿物铸件的减振效果、热稳定性比铸铁高，且阻尼几乎是灰铸铁材料的10倍。通过合理的布局结构，能大大提高静态刚度，减小热变形，降低整机的振动。矿物铸件与灰铸铁性能对比见表1所示。

1.2.2 矿物铸件与天然花岗石比较

从材料属性来看，天然石（以青岛济南青为例）的弹性模量为矿物铸件的3倍，密度是矿物铸件的1.3倍，相比而言，天然石具有更高的比刚度，为矿物铸件的2.3倍；矿物铸件具有很高的阻尼值，为0.02～0.035，是天然石的10多倍。作为结构材料，天然石材料具有良好的结构特性，而矿物铸件则具有良好的能量耗散机制以保证结构的稳定性。

表1 矿物铸件与灰铸铁性能对比[3]

从成形工艺来看，天然石属去除成型，矿物铸件属堆积成型，因而其工艺制程是不同的。去除成型的工艺特点，制约了天然石结构的设计空间，难以加工出复杂的表面形状；而矿物铸件则可以铸出复杂的表面形状，甚至可以将结构设计成内部空腔的形式，而天然石则无法做到这一点。此外，天然花岗石易断裂，难加工，矿物铸件采用断裂延伸率较高、韧性较好的树脂作为基体材料，容易加工，且不易断裂。总的来说，矿物铸件具有高阻尼性、良好的热稳定性、良好的化学及机械稳定性、生产周期短、设计制造灵活、成本低以及生态环保及回收可循环等优点。常用结构材料的属性见表2所示，其性能见表3。

2 PCB机械钻机矿物铸件机架的设计仿真

2.1 PCB机械钻机

印制线路板（Printed Circuit Board）简称PCB，是在绝缘基材上，根据电路功能需要按预定设计布置，用一定的类似于图案印刷的特殊工艺手段形成的印制线路、印制元件或二者组合而成的导电图形称为印制电路。而在绝缘基材上用作连通分立电器元器件的导电图形，称为印制线路。这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板，亦称印制电路板[4]。印制线路板的生产过程是一个复杂的过程。在整个工序中钻孔是十分重要的工序，孔的位置精度和孔壁质量直接影响制线路板的加工质量和加工成本。

表2 常用结构材料的属性

表3 矿物铸件与天然花岗石

PCB机械钻孔机是一为PCB板钻取通孔或盲孔的光机电一体化产品，业界主要以配有6个主轴为主流机型。PCB机械钻孔机主要由机架、伺服驱动装置、数控装置、检测反馈装置及其它辅助装置等几大部分组成[5]，见图2，三轴的复合运动形成钻孔的动作。床身上有一约360 kg的工作台前后Y向运动。横梁前端挂载约300 kg的负载左右X向运动。X向和Y向的运动速度为85 m/min、加速度为1.2 m/s2。当横梁前端负载上的6个Z向运动体（每个约12 kg）以速度35 m/min、加速度4.0 m/s2上下运行并撞击工作台时，将会产生高能激励源，而且在工作过程中，运动体源源不断地持续冲击。在机器大尺寸和高速度运动要求下，还要保证高精度的要求，机架的性能显得尤为重要，它是整机装配的基础和精度保证。目前在日本和中国台湾地区由于资源有限，多采用铸铁材料，欧洲地区化工水平高，多采用矿物铸件，而国内普遍采用天然花岗石。

2.2 设计仿真

根据机床的性能要求，建立矿物铸件机架三维模型，其中横梁3 920 mm×460 mm×490 mm，底296 mm×460 mm×275 mm，床身39 20 mm×1 650 mm×480 mm，如图3所示。

图2 PCB机械钻孔机

图3 矿物铸件机架

人造石材料作为悬浮型颗粒复合材料，在实际工况载荷下其整体宏观性能所表现的力学行为为小应变，仍属线弹性范畴，因此仿真模型中的静力及模态分析计算基于线弹性材料特征完成。通过仿真与测试相结合的方法多次逼近样件性能，获得材料属性参数为：密度2 450 kg/m3，弹性模量3.8e10 Pa，泊松比 0.28。

将所有负载施加至机架，进行静力学分析，见图4，最大综合变形位于横梁中部，大小为37.5 μm，主要表现为上下方向。

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，分析这些模态参数的过程称为模态分析[6]。同样的对机架展 开模态分析，获取前六阶模态频率和振型，如图5。

3 PCB机械钻机矿物铸件机架的验证测试

通过设计与仿真反复确认结构性能满足要求后，铸造矿物铸件机架，并将横梁和床身装配到位后展开机架的变形测试、模态测试以及装机后的整机精度测试，以下测试均处于恒温下进行。

3.1 机架变形测试

3.1.1 床身变形测试

采用电子水平仪对床身4条导轨安装面展开单条导轨的直线度测试以及导轨间的平行度测试。测试采用两个电子水平仪，一个作为相对基准。4根导轨由左至右顺序分别命名导轨为导轨1至4，相对应导轨面为导轨面1至4。电子水平仪采用节距法进行测量，测量步长为电子水平仪桥板长度140 mm，然后采用两端连线法评定直线度，见图6。使用大理石平尺桥接需要测量的两个面，将电子水平仪放置在平尺上，进行导轨间平行度测量，见图7。4条导轨面直线度以及导轨间平行度测量见图8。

经过反复多次测试，直线度以及平行度的波动均在±3 μm以内，说明床身稳定性非常好，设计和加工均达到要求。

3.1.2 横梁变形测试

借助一根花岗石高精度平尺和千分表进行横梁变形测试，因为前后方向变形会影响机器精度，因此测试主要针对导轨面的前后方向变形。测试时，将平尺放至于床身导轨精度面上，千分表监控导轨两端点变形，反复调整平尺位置使两端点读数一致，然后保持平尺位置不动，同时置两端点千分表读数为零，最后检测整条横梁导轨面的前后方向变形，见图9。横梁恒温在20℃的变形情况见表4。

图8 4条导轨面直线度以及导轨间平行度测量（测试温度：20.8℃）

经过反复多次测试，在20℃左右，整条横梁前后方向表现为拱形中间凸起的状态，中间处变形最大，基本维持在23～27 μm，说明横梁稳定性很好，只要不发生大变形都可以经过精修使精度达到性能要求，因此整体来说设计和加工均达到要求。

表4 横梁恒温在20℃的变形情况

3.2 机架模态测试

使用振动测试仪进行固定锤击点移动传感器的方式进行模态测试。测试时只对横梁进行锤击模态测试，属于局部模态测试，得到的为横梁的模态振型，但测试结果已经包含床身及相应边界条件的影响，见图10。横梁恒温在20℃的变形情况见图11。

图10 机架模态测试

图11 横梁恒温在20℃的变形情况

从测试结果看，振型均与仿真的结果一致，而且频率值也接近，说明逼近的材料参数以及仿真设计的结构是可靠的。

3.3 整机精度测试

在机架基础上，完成整机水气电各方面的安装，展开整机精度测试。

3.3.1 定位精度与重复定位精度

采用激光干涉仪对横梁运动体和工作台运动体展开定位精度和重复定位精度的测试。结合ISO230-2-1997标准，测得横梁运动体定位精度为4.0 μm 和重复定位精度 3.4 μm，见图 12，工作台运动体定位精度3.4 μm和重复定位精度3.1 μm，见图13，两者均达到设计要求指标。

3.3.2 钻孔偏差精度测试

CPK制程能力指数是用于工程评估表示制程能力的一类指标。制程能力是过程性能的允许最大变化范围与过程的正常偏差的比值，CPK值越大表示品质越佳。工业上一般要求CPK值≥1.33，为A级，最低不能低于1.00[7]。钻孔过程采用两片一叠，钻机数量约1万孔，采用Hole_AOI孔位测量机对测试板进行CPK检测，见图14和表5，经过多次测试，无论面板还是底板6个轴的CPK值均大于1.33，品质良好。

图12 横梁运动体定位精度和重复定位精度

图13 工作台运动体定位精度和重复定位精度

图14 钻精度板及CPK检测

表5 精度板CPK检测情况

4 结 论

本文阐述了矿物铸件的基本情况，将矿物铸件与铸铁和天然花岗石进行详细对比，采用设计、仿真、测试相结合的方法，设计并制造出满足性能要求的六轴PCB机械钻机的矿物铸件机架，将矿物铸件成功应用至高精密机床。通过以上研究，得出以下结论：

（1）矿物铸件是一种可用于制造精密机床床身的理想材料，有密度小，吸震性好，精度高，不易变形，成型能力和整合能力好，耐蚀性和热阻隔性好，吸湿性低，热稳定性好，抗磁性好，节能环保等特点。

（2）利用仿真与测试相结合的方法，获得本次所用矿物铸件的材料参数，密度2450 kg/m3，弹性模量3.8e10 Pa。

（3）借助电子水平仪和平尺检测床身和横梁变形，振动测试仪检测机架的模态振型和频率，激光干涉仪检测横梁运动体和床身运动体定位和重复定位精度，孔位测量机检测实际钻孔下的制程能力，完成整套检测流程，确认整机精度与使用天然花岗石机架量产机的精度相当。

[1]向飞.矿铸件材料在装备制造业中的应用[J].机电工程技术，2011，40(7)：159-161.

[2]陈隆德，福令.机械精度设计与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]加拿大EG公司内部资料[Z].

[4]陈百强.高速高精多轴级联PCB钻机切削力的测试与分析[D].深圳：深圳大学，2007.

[5]黎勇军.多轴级联PCB钻孔机动力学仿真分析研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[6]沃德·海伦，斯蒂芬·拉门兹，波尔·萨斯.模态分析理论与试验[M].白化同、郭继忠译.北京：北京理工大学出版社，2001.

[7]李宁.PCB制造关键装备及其控制系统研发与应用示范[R].深圳：深圳市大族数控科技有限公司，2012.

个人简介：

陈百强（1989-），男，广东省深圳市人，工程师，硕士，现从事PCB设备研制工作。

Application of Mineral Casting in PCB Mechanical Drilling Machine

CHEN Baiqiang，ZHAI Xuetao，LI Yongjun

(Han's CNC Technology Co.，Ltd，Shenzhen 518052，China)

This paper states the elementary knowledge of mineral casting，and a detailed comparison of mineral casting with cast iron and natural granite is made.By means of combining design，simulation and test，the material parameters of mineral casting were obtained，and the mineral casting frame for a six-axis PCB mechanical drilling machine that meets performance requirements is designed and manufactured.With the help of electronic level instrument，leveling ruler，vibration tester，laser interferometer and hole measuring machine，the research also completes machine accuracy test，and makes sure that its accuracy is similar to it of production machine frame using natural granite.Finally，mineral casting is successfully applied to the field of precision machine.

Mineral casting；PCB mechanical drilling machine；Simulation and Test

TG251

B

1004-4507(2017)06-0061-09

2017-10-14