矿物铸件的蠕变性能测试研究

余丕亮，唐明松，谢京锦

（1.东莞市宝科精密机械有限公司，广东 东莞 523000；2.深圳市帝马数字机器有限公司，广东 深圳 518000；3.深圳市创世纪机械有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

矿物铸件是一种面向未来的非金属节能环保材料，以其性能的优势在某些应用领域可以替代传统的铸铁材料，特别是机床领域。振动是影响精密机床加工精度重要因素，产生振动的激振源有很多，无法全部消除振源，可以通过改进零部件材料、提高系统刚性及降低系统固有频率、加载减振装置、隔离激振源等措施来削弱振动[1]。矿物铸件阻尼值是铸铁5～6倍，是一种减震性能优良的材料[2]，可应用于精密机床的底座、床身、横梁等基础零部件。

作为机器设备的基础结构件，要求保证零件的几何尺寸及精度，达到足够的强度和刚度，对材料的性能如抗拉强度、抗压强度、弹性模量、阻尼特性、蠕变特性等提出要求。由于矿物铸件是采用树脂和砂石做基础材料，在长期载荷作用下会产生蠕变[3，4]。将矿物铸件用在对精度要求很高的设备上也可能会对机器性能产生影响，如数控机床底座等基础零部件。机床设备使用年限一般超过10年，精度的保持性尤为重要。为了优选矿物铸件配方，需进行大量骨料配比实验，使得抗拉强度、抗压强度、弹性模量、阻尼特性、蠕变特性等达到要求[5]。矿物铸件的原材料环氧树脂受热会产生相变，在常温下稳定性较佳[6]。本试验测试了不同配方的矿物铸件试块在常温下的蠕变性能，为矿物铸件配方提供依据。

1 试验准备

因工业上实际应用的铸件成品不易试验，需制作试样试块。测试使用长方形试块。试块分为ABCD共4个系列，每个系列含3种不同配方的试块。A系列为A公司树脂原材料和固化剂，1为大粒径砂石组分，2为中粒径砂石组分，3为小粒径砂石组分。同理，B～D系列分别为不同公司树脂和固化剂原材料及砂石组分。试块为长方形，其尺寸为100 mm×150 mm×800 mm。如图1和图2所示。

图1 单个试块

图2 试块及截面

试块编号及施加载荷如表1所示。不同编号的试块其配方和存放养护方式不一样。

表1 试块编号

2 试验设备

自制试验设备，为钢制框架结构，共4台。每台放置3条试块，按4个系列分别叠加放置。如图3所示。

图3 试验设备

3 载荷施加试验

蠕变试验是在单向拉伸条件下进行的，各试块施加的载荷如表1所示。压力施加在试块上面，受力位置位于试块的1/3位置处。安装时，将试块浇铸时的底面向下，始终使其处于拉伸区域。由于3块试块叠加，第2块和第3块所受载荷依次增大。不同试块密度不同，质量也不相同，故叠加后计算施加到不同试块上的载荷有所不同。

试验分为2个阶段。第1阶段通过位移感应器测量试块中心部位的弯曲变形量，试验时间14天。第2阶段用机械千分表测量，如图4所示，试验时间为7.5个月。

图4 弯曲变形量的测量

4 蠕变平均值

记录各时间段蠕变值，并计算ABCD各系列试块蠕变平均值，见表2。

表2 不同时间阶段的蠕变平均值（单位mm）

5 抗弯强度及负荷率

在8个月的负荷期结束时，对每个试块进行抗弯强度试验。负荷同蠕变试验时一样，在长度的三分之一处进行。抗弯强度试验结果如表3所示。负荷率为施加压强与抗弯强度的百分比值。

由表3计算可知，A系列平均负荷率为49%，B系列平均负荷率为47%，C系列平均负荷率为39%，D系列平均负荷率为42%。

表3 抗弯强度试验结果

6 第1阶段蠕变试验结果

ABCD系列各试块弯曲变形量结果，如图5～8所示。

图5 A系列试块7日弯曲变形量(单位mm)

图6 B系列试块7日弯曲变形量（单位mm）

图7 C系列试块7日弯曲变形量（单位mm）

图8 D系列试块7日弯曲变形量（单位mm）

7 弯曲量和蠕变量试验

弯曲量和蠕变量试验结果见表4～7。

表4 A系列试块弯曲量和蠕变量（单位mm）

表5 B系列试块弯曲量和蠕变量（单位mm）

表6 C系列试块弯曲量和蠕变量（单位mm）

表7 D系列试块弯曲量和蠕变量（单位mm）

8 结果分析

在第1阶段，即前14天，矿物铸件测试块的变形量逐步增大。在第2阶段，共8个月时间，矿物铸件测试块的变形量和蠕变量增大速率变慢，而且8个月后试块弯曲量与蠕变量值保持恒定。

9 结论

为了测试蠕变对机床设备精度保持性的影响而进行的矿物铸件蠕变性能测试实验结论如下：

（1）A系列弯曲变形量0.11 mm，蠕变量0.13 mm。对比A、B、C、D各系列各配方试块，A系列平均变形量和蠕变量最小，可作为最优配方之一。

（2）在5个月后A系列和B系列试块蠕变平均值分别保持在0.2 mm和0.22 mm，在6个月后C系列和D系列试块蠕变平均值分别保持在0.6 mm和0.91 mm，在7个月后所有矿物铸件试块弯曲量与蠕变量已经不再显著变化。表明采用矿物铸件作为机床设备基础零部件在长时间使用后不会因为蠕变而产生精度变化，在保证机床的精度保持性方面可行。

此外，影响矿物铸件物理性能的因素很多，仅进行了长时间蠕变试验，测试了弯曲变形量和抗拉强度，此次测试可作为优选矿物铸件配方的依据。其他物理性能如弹性模量、热膨胀系数、抗压强度等仍需另外进一步开展测试研究。