矿物铸件材料在机床的应用及前景
2019-11-7 来源： 成都普瑞斯数控机床有限公司 作者：李 青
公司展出的VMC60B 立式加工中心、大连科德数控股份有限公司展出的KMC400S U 五轴铣车复合立式加工中心等机床，广泛采用一种新型节能、环保的高强度人造花岗石矿物铸件材料，用以替代传统的铸铁材料制造机床，受到机床制造行业和机床用户的关注。
这种新型材料具有高阻尼性、高耐磨和耐腐蚀性、高精度和高稳定性等特点，可替代传统铸铁、铸钢、天然花岗石等传统材料。可广泛应用于机床、电子、医疗、航空、印刷等行业，用以提高设备的精度和速度，增加工作稳定性，延长工模使用寿命。
这种矿物铸件制造技术来源于德国。经过不断发展，现在国内很多制造企业已基本掌握该铸造技术，并具有相关自主知识产权。如山东克莱泽新材料科技有限公司、苏州凯尔曼新材料科技有限公司、山东纳诺新材料科技有限公司、大连光洋铸石床身有限公司等企业已掌握相关的制造技术，同时也初步形成一定的市场规模。该技术与产品已被广泛应用于很多数控设备及其他工业领域，并因其良好的节能性能和经济特性，正受到越来越多的用户青睐。
矿物材料铸件的制造技术
1.矿物材料铸件的成型原理
矿物材料铸件也称人造大理石或树脂混凝土，是一种新型复合节能环保材料铸件。该矿物材料是以改性环氧树脂和固化剂为胶结剂，以花岗岩和石英砂颗粒为集料，采用科学级配比并加入一定的辅助剂，经多道工艺复合而成的一种铸件。在常温下浇铸而成，成型精度高，尺寸稳定。通过特殊的粘接剂实现了复杂外形的铸造，所以便于用来制造机床的结构铸件。
2.矿物材料铸件的主要特点
矿物材料铸件是一种相当环保的材料铸件。相对于传统的铸铁材料铸件，有其天然的独特优势，主要体现在:
（1）良好的减振性
矿物材料铸件由于内部颗粒结合密度小、分布均匀，其常温复合成型的方式与铸铁材料采用高温制造成型有着本质区别，所以可以获得极好的减振性，其阻尼特性是铸铁材料的10 倍左右（见图1 矿物铸件材料与铸铁材料阻尼特性对比），从而可大大减小机床加工时，机床振动对机床加工精度所造成的影响。
图1 矿物铸件材料与铸铁材料阻尼特性对比
（2）极佳的热稳定性
矿物材料铸件是在常温下合成，其固化反应放热量低而且成型时收缩变形小，其内部残余应力集中小，成型精度高。矿物铸件的热传导率数一般为:1~3W/mK, 而铸铁铸件的热传导率数一般为40~50W/mK，因此，矿物铸件对加工环境所产生的热量及高温不敏感，从而有利于保证机床的精度。
（3）成型能力强、周期短且精度高
矿物材料铸件具有很好的成型能力，可以把线管、液压管、钢件等其他嵌件预埋在铸件中并一次成型，且由于矿物材料的低粘度和固化成型时的低收缩率，从而使矿物铸件获得较好的精度及表面粗糙度，进一步降低了机械加工的成本，同时，也使铸件的交货周期从几个月缩短为十几天。极大地节约了时间和生产成本，也提高了用户的生产效率并能获得极好的经济效益。
（4）耐腐蚀性强
矿物材料铸件具有极好的耐化学品性能，能抵抗酸碱性溶液、冷却液、切削液等化学品的腐蚀。而铸铁铸件由于其原材料为铸铁，往往对酸碱性溶液、冷却液、切削液的耐腐蚀性差，容易生锈。矿物材料铸件因其电绝缘、不导磁、耐腐蚀，具有极好的物理化学惰性，耐用时间长。
（5）降低加工、装配成本，设计包容性好。
矿物材料铸件是可以常用的线管、液压管、叉车槽、冷却水管、排屑槽、钢件等预先整合在铸件中。从而使设计和生产达到最优化，节省了加工及装配时间，也降低了机加工、机械和电气装配以及物流转运等多方面的生产成本，所以，矿物材料铸件的生产总成本比焊接结构或者灰铸铁铸件低。同时，铸件整体外形美观，结构紧凑，特别适合机床床身的制作，包容性较好（见图2）。
图2 矿物铸件的设计包容性
3.矿物材料铸件的制造工艺流程
虽然不同用途的矿物材料铸件，其制造工艺流程会有差别，但就总体而言，其制造工艺流程大致相同，具体可以分为: 原材料配比、混合搅拌、模具制作、部件装配、浇铸、夯实铸件，最后成型（见图3）。
图3 矿物材料铸件的制造工艺流程图
（1）原材料配比
矿物铸件是由砂石、填充料、树脂胶黏剂、固化剂、缓凝剂等原材料按照一定的百分比调配而成的。其原材料的比率多少往往对矿物铸件有较大影响，另外，砂石的种类、硬度、粒度大小、形状和含水率都会对矿物铸件的强度等有比较大的影响，所以，只有不断研发、试验、优化原材料比率，才能铸造出更好的矿物铸件。
（2）混合搅拌
通过搅拌机或者数控化式连续式搅拌机让各类砂石、填充料、胶黏剂和添加剂均匀分布和充分混合的过程。搅拌时间不能过短，否则混料不充分; 同时需要搅拌均匀、使砂石填料充分润湿，否则会影响浇铸后的产品的性能。
（3）模具制作及部件装配
预先制作相应的专用模具，并将其他环节的线管、液压管、叉车槽、冷却水管、排屑槽、钢件等图1 矿物铸件材料与铸铁材料阻尼特性对比图2 矿物铸件的设计包容性预先整合在模具中，便于铸件的整体浇注成型。
（4）浇注
将充分搅拌的原材料浇灌入预先做好的模具中。与普通铸铁浇注类似，该过程要尽可能快速的完成。同时还要通过机械振动的方式，减少气泡，让原料快速、紧密的结合。与铸铁材料浇注相比，浇注是在常温下完成，其能耗较低，符合低碳节能环保的要求。
（5）固化成型
在常温下即可固化形成矿物铸件。而铸铁铸件往往需要较长的制造周期，且过程复杂，而矿物铸件其制造周期一般为10~15 天左右，所以矿物铸件大大缩短了生产周期。降低了生产成本。
矿物材料铸件的主要技术参数
矿物铸件由于材料不同，与铸铁铸件相比，关键技术参数指标（如: 抗压强度、弯曲强度等）比铸铁铸件要逊色一些。为解决此难题，一般矿物铸件其铸造壁厚设计为铸铁的3~4 倍，以满足其结构的强度要求。然而，其优势是密度小、比重低，热传导率低，成型快，精度高，具体对比见表1。
表1 矿物铸件技术参数与铸铁铸件对比
另外，矿物材料铸件其热变形小，成型精度高，加工余量一般较少，所以相应减少了加工成本。
矿物材料铸件的应用前景
矿物铸件经过不断地开发及应用，现已经在一些领域广泛使用，与传统的铸铁铸件相比，具有很多独特的特点和优势，已越来越受众多工业企业的青睐（见图4）。
图4 矿物材料铸件应用
随着矿物铸件树脂配方体系的不断开发和完善，集料种类的选择和级配的不断优化，以及矿物材料铸件产品力学性能测试的不断提升，从而可生产出更加高品质的矿物材料铸件产品，以获得更多用户的认可和青睐。
随着我国工业水平的不断发展，以及对环境保护的要求越来越高，将会有越来越多的铸造行业企业进行转型升级，越来越多的企业将会采用这种新型材料制造设备，以减少使用传统铸铁材料所产生的工业废水、废渣、废气所带来的环境污染。
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