CN107902957B - 一种高性能矿物铸造机床机架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高性能矿物铸造机床机架及其制备方法，属于矿物铸造技术领域。本发明中的机床机架包括以下重量份数的组分：花岗岩砂100份，β‑SiC 25‑38份，高岭土5‑7份，环氧树脂22‑27份，SEPS颗粒20‑25份，固化剂13‑21份，改性玻璃纤维18‑29份。本发明在制得的机床机架具有优异的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度，并且导热性能好，抗震性能优异，具有较高的光泽度，使用寿命长。

Description

一种高性能矿物铸造机床机架及其制备方法

技术领域

本发明属于矿物铸造技术领域，涉及一种高性能矿物铸造机床机架及其制备方法。

背景技术

矿物铸件是以天然石料为骨料、热固性树脂为胶黏剂，经过混合搅拌、振动密实、聚合反应固化而制成的一种高充填的新型复合材料。矿物铸件材料的振动阻尼能力是铸铁的6-8倍，比钢铁的振动阻尼高大约9-10倍，因为材料的阻尼性能越高，其加工精度越高，所以采用矿物铸件床身的机床具有良好的加工性能。由于矿物铸件材料的比热较高，但热传导系数很低，因此材料具有良好的热稳定性。矿物铸件还有密度小、耐腐蚀、尺寸稳定性好，生产周期短、成本低(低于铸铁)、材料来源广泛等优势，因此在实际制造工业中，可以替代铸铁等传统金属材料，能够减少大气污染、降低材料成本。

但是现有技术中的矿物铸件的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度较低，在使用过程中容易造成开裂、断裂等问题。如中国专利申请(CN201610069783.8)公开了一种基于鹅卵石的复材机床床身矿物铸件及其制备方法，以鹅卵石和石英砂为主料，以耐高温环氧树脂为粘结剂，以碳纤维和稀有金属为填料，然而其强度仍有待提高，并且传统的热固性环氧树脂本身交联密度很高，主链段在加热时运动困难，在固化成型后脆性大、韧性小，抗剥离强度极差，因此导致制得的矿物铸件易开裂，强度提高有限。但是碳纤维的阻尼性能不足，玻璃纤维的阻尼性能虽然较碳纤维高，但是对矿物铸件阻尼性能的提高有限，原因在于如果玻璃纤维用量过多，容易绞结成团，造成矿物铸件强度的下降。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种强度高、导热性能好、抗震性能优异、外观好的高性能矿物铸造机床机架。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种高性能矿物铸造机床机架，所述机床机架包括以下重量份数的组分：

花岗岩砂100份，

β-SiC 25-38份，

高岭土 5-7份，

环氧树脂 22-27份，

SEPS颗粒 20-25份，

固化剂 13-21份，

改性玻璃纤维 18-29份。

本发明的高性能矿物铸造机床机架以花岗岩砂和为β-SiC主料，其中β-SiC能够提高矿物铸件的强度和韧性，并能提高矿物铸件的耐热、耐腐蚀和耐候性，降低其热膨胀系数，而且β-SiC导热系数较高，能够改善矿物铸件的导热散热性能，而常规的矿物铸件导热性能差，用于制作外壳使用时，内部产生的热量难以通过传导释放，不利于机械设备的长期使用。添加的高岭土一方面可以作为填料增加矿物铸件的强度，另一方面能够赋予矿物铸件良好的光泽度，提高矿物铸件的外观性能；并且能够提高本发明主料与环氧树脂、SEPS的结合性能，从而提高矿物铸件的整体性能。本发明中添加的SEPS，能够提高矿物铸件的韧性和抗冲击性能，进一步提高其防震性能，并能降低环氧树脂的脆性，避免了矿物铸件容易开裂的问题。玻璃纤维具有较好的阻尼性能，能够提高矿物铸件的阻尼性能，并能提高矿物铸件的强度和韧性等力学性能。

作为优选，所述花岗岩砂包括第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂，第一级花岗岩砂的粒径为500-800μm，第二级花岗岩砂的粒径为80-150μm，所述β-SiC的粒径为1-10μm。

常规矿物铸件主料粒径一般为数十毫米，本发明改变传统，将主料制成微米级别粒径的颗粒，显著提高了矿物铸件的强度和韧性；同时本发明将主料花岗岩砂制成两种粒径的颗粒，较大粒径的第一级花岗岩砂作为骨料，较小粒径的第二级花岗岩砂和高岭土作为填料，第二级花岗岩砂和β-SiC搭配使用，形成级配关系，进一步提高矿物铸件的密度和力学性能。β-SiC粒径保持在1-10μm内还有助于其在矿物铸件中形成有效的导热网络，提高矿物铸件在高温时的导热散热功能，而粒径过大，容易在矿物铸件中形成“孤岛”，难以发挥导热性能。

作为优选，所述第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂的重量比例为(68-75):(25-32)。

作为优选，所述固化剂为聚醚胺和芳香胺中的至少一种。

作为优选，所述改性玻璃纤维的长度为1-10mm，直径为5-25μm。

玻璃纤维的长径比和含量对矿物铸件的强度和阻尼影响很大，过短或含量过少都起不到增强效果，过长或过多则容易绞结成团，导致矿物铸件强度下降。

作为优选，所述改性玻璃纤维为表面接枝有聚氨酯的玻璃纤维。

矿物铸件的阻尼比随玻璃纤维含量的增加一直增大，在玻璃纤维含量较多时，成团的玻璃纤维增加了矿物铸件内部的空隙，有助于提高阻尼比，但是成团的玻璃纤维会导致矿物铸件强度的下降。为了在不降低矿物铸件强度的同时进一步提高其阻尼性能，

本发明在玻璃纤维表面接枝聚氨酯(TPU)，在玻璃纤维表面形成一层弹性体层，当含有该改性玻璃纤维的矿物铸件在收到外力作用时，该弹性体层能够起到缓冲作用，从而提高矿物铸件的阻尼性能。

本发明的另一目的在于提供一种高性能矿物铸造机床机架的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

S1、采用等离子体引发接枝聚合的方法在玻璃纤维表面接枝聚氨酯，制得改性玻璃纤维；

S2、对花岗岩砂进行清洗和干燥，然后与其他原料在真空环境下混合搅拌制得混合料；

S3、将混合料浇注制得铸件，然后再对铸件进行热处理，即制得机床机架成品。

本发明采用等离子体引发接枝聚合的方法进行接枝，首先在纳米玻璃纤维表面生成活性基团，然后再与聚氨酯单体进行接触，利用活性基团引发聚氨酯单体在玻璃纤维内表面进行接枝聚合反应，接枝后聚氨酯包裹在玻璃纤维表面，与玻璃纤维表面结合紧密，形成的聚氨酯表层性能优良、密实、没有针孔。本发明对花岗岩砂进行清洗和干燥，能够去除在破碎制备过程中掺杂的大量尘土和其他杂质，避免对材料本身强度和粘结剂粘结能力的负面影响。在搅拌过程中采用真空环境，能够去除原料中的水分和产生的气泡，增加铸件的密实度。

作为优选，所述步骤S2中混合搅拌时间为10-26min，搅拌速度为50-80rmp。

搅拌时间太短，混合物就不能充分混合均匀，导致不能成型浇铸；如果转动搅拌时间太长，超过了环氧树脂的凝胶时间，混合物在还没有浇铸就已经固化成型，导致固化物流动性大大降低，无法成型。

作为优选，所述步骤S3中浇注制得铸件的过程为，将混合料浇注在模具中，然后在115-150℃处理10-20min，再在50-60℃的真空环境下加压固化10-18h，制得铸件，所述加压固化时的压力为25-55MPa。

混合料在115-150℃下处理10-20min的目的在于使SEPS颗粒熔化，在真空环境下加压固化能够提高铸件的生产效率，并进一步提高铸件的密实度，减少其内部缩孔的可能性，减少铸件形变，提高铸件的精密度。

作为优选，所述步骤S3中热处理为将铸件在25-33℃保温3-4h，然后降至室温放置15-20h。

本发明在铸件制成后在25-33℃保温3-4h能够释放铸件应力，在室温放置15-20h，能够使铸件性能达到最佳。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过合理配伍机床机架的原料组分，并通过特定的制备方法制成，使得机床机架具有优异的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度，并且导热性能好，抗震性能优异，具有较高的光泽度，使用寿命长。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

下面通过具体实施例对本发明中的作进一步解释。

实施例1

本实施例中的高性能矿物铸造机床机架包括以下重量份数的组分：

花岗岩砂 100份，

β-SiC 25份，

高岭土 5份，

环氧树脂 22份，

SEPS颗粒 20份，

固化剂聚醚胺 13份，

改性玻璃纤维 18份。

其中，花岗岩砂包括第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂，第一级花岗岩砂的粒径为500-600μm，第二级花岗岩砂的粒径为80-100μm，所述β-SiC的粒径为1-5μm，第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂的重量比例为68:32。

改性玻璃纤维为表面接枝有聚氨酯TPU的玻璃纤维，长度为1-5mm，直径为5-10μm。

实施例2

本实施例中的高性能矿物铸造机床机架包括以下重量份数的组分：

花岗岩砂 100份，

β-SiC 29份，

高岭土 6份，

环氧树脂 23份，

SEPS颗粒 22份，

固化剂芳香胺 15份，

改性玻璃纤维 22份。

其中，花岗岩砂包括第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂，第一级花岗岩砂的粒径为550-650μm，第二级花岗岩砂的粒径为100-120μm，所述β-SiC的粒径为3-8μm，第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂的重量比例为70:30。

改性玻璃纤维为表面接枝有聚氨酯TPU的玻璃纤维，长度为3-8mm，直径为10-15μm。

实施例3

本实施例中的高性能矿物铸造机床机架包括以下重量份数的组分：

花岗岩砂 100份，

β-SiC 32份，

高岭土 6份，

环氧树脂 25份，

SEPS颗粒 23份，

固化剂芳香胺 18份，

改性玻璃纤维 26份。

其中，花岗岩砂包括第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂，第一级花岗岩砂的粒径为600-700μm，第二级花岗岩砂的粒径为120-140μm，所述β-SiC的粒径为5-9μm，第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂的重量比例为72:28。

改性玻璃纤维为表面接枝有聚氨酯TPU的玻璃纤维，长度为5-9mm，直径为15-20μm。

固化剂为聚醚胺和芳香胺中的至少一种。

实施例4

本实施例中的高性能矿物铸造机床机架包括以下重量份数的组分：

花岗岩砂 100份，

β-SiC 38份，

高岭土 7份，

环氧树脂 27份，

SEPS颗粒 25份，

固化剂聚醚胺 21份，

改性玻璃纤维 29份。

其中，花岗岩砂包括第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂，第一级花岗岩砂的粒径为700-800μm，第二级花岗岩砂的粒径为130-150μm，所述β-SiC的粒径为6-10μm，第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂的重量比例为75:25。

改性玻璃纤维为表面接枝有聚氨酯TPU的玻璃纤维，长度为6-10mm，直径为20-25μm。

实施例5

本实施例中高性能矿物铸造机床机架的制备方法包括以下步骤：

(1)、采用实施例3中的原料，采用等离子体引发接枝聚合的方法在玻璃纤维表面接枝聚氨酯，制得改性玻璃纤维；

(2)、对花岗岩砂进行清洗和干燥，然后与其他原料在真空环境下以50rmp的转速混合搅拌26min制得混合料；

(3)、将混合料浇注在模具中，然后在115℃处理20min，再在50℃的真空环境下加压固化18h，制得铸件，加压固化时的压力为25MPa；

(4)、将铸件在25℃保温4h，然后降至室温放置15h，即制得机床机架成品。

实施例6

本实施例中高性能矿物铸造机床机架的制备方法包括以下步骤：

(1)、采用实施例3中的原料，采用等离子体引发接枝聚合的方法在玻璃纤维表面接枝聚氨酯，制得改性玻璃纤维；

(2)、对花岗岩砂进行清洗和干燥，然后与其他原料在真空环境下以60rmp的转速混合搅拌20min制得混合料；

(3)、将混合料浇注在模具中，然后在123℃处理17min，再在53℃的真空环境下加压固化15h，制得铸件，所述加压固化时的压力为35MPa；

(4)、将铸件在28℃保温3.5h，然后降至室温放置16h，即制得机床机架成品。

实施例7

本实施例中高性能矿物铸造机床机架的制备方法包括以下步骤：

(1)、采用实施例3中的原料，采用等离子体引发接枝聚合的方法在玻璃纤维表面接枝聚氨酯，制得改性玻璃纤维；

(2)、对花岗岩砂进行清洗和干燥，然后与其他原料在真空环境下以70rmp的转速混合搅拌15min制得混合料；

(3)、将混合料浇注在模具中，然后在136℃处理13min，再在56℃的真空环境下加压固化13h，制得铸件，所述加压固化时的压力为45MPa；

(4)、将铸件在30℃保温3.5h，然后降至室温放置18h，即制得机床机架成品。

实施例8

本实施例中高性能矿物铸造机床机架的制备方法包括以下步骤：

(1)、采用实施例3中的原料，采用等离子体引发接枝聚合的方法在玻璃纤维表面接枝聚氨酯，制得改性玻璃纤维；

(2)、对花岗岩砂进行清洗和干燥，然后与其他原料在真空环境下以80rmp的转速混合搅拌10min制得混合料；

(3)、将混合料浇注在模具中，然后在150℃处理10min，再在60℃的真空环境下加压固化10h，制得铸件，加压固化时的压力为55MPa；

(4)、将铸件在33℃保温3h，然后降至室温放置20h，即制得机床机架成品。

实施例9-11

分别采用实施例1、2、4中的原料，按照实施例7的制备方法进行机床机架的制备。

对比例1

采用常规玻璃纤维为增强剂，其他与实施例7相同。

对比例2

原料中未添加β-SiC，其他与实施例7相同。

对比例3

原料中未添加高岭土，其他与实施例7相同。

对比例4

原料中未添加SEPS颗粒，其他与实施例7相同。

对比例5

花岗岩砂和β-SiC采用常规尺寸即第一级花岗岩砂的粒径为10-30mm，第二级花岗岩砂和β-SiC的粒径为1-3mm，其他与实施例7相同。

对比例6

市售常规矿物铸件制得的机床机架。

将本发明实施例5-11、对比例1-6中制得的机床机架的性能进行比较，比较结果如表1所示。

表1：实施例5-11、对比例1-6中制得的机床机架的性能

综上所述，本发明通过合理配伍机床机架的原料组分，在原料中添加了β-SiC、高岭土和SEPS颗粒，使用经过改性的玻璃纤维，并通过特定的制备方法，在制备过程中采用在真空环境下混料的方法，以及加压固化、浇注后进行热处理，使得矿物铸造机床机架具有优异的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度，并且导热性能好，抗震性能优异，具有较高的光泽度，使用寿命长。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种高性能矿物铸造机床机架，其特征在于，所述机床机架包括以下重量份数的组分：

花岗岩砂 100份，

β-SiC 25-38份，

高岭土 5-7份，

环氧树脂 22-27份，

SEPS颗粒 20-25份，

固化剂 13-21份，

改性玻璃纤维 18-29份；

所述花岗岩砂包括第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂，第一级花岗岩砂的粒径为500-800μm，第二级花岗岩砂的粒径为80-150μm，所述第一级花岗岩砂和第二级花岗岩砂的重量比例为（68-75）:（25-32），所述β-SiC的粒径为1-10μm，

所述改性玻璃纤维的长度为1-10mm，直径为5-25μm，所述改性玻璃纤维为表面接枝有聚氨酯的玻璃纤维。

2.根据权利要求1所述的高性能矿物铸造机床机架，其特征在于，所述固化剂为聚醚胺和芳香胺中的至少一种。

3.一种如权利要求1-2任一权利要求所述高性能矿物铸造机床机架的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：

S1、采用等离子体引发接枝聚合的方法在玻璃纤维表面接枝聚氨酯，制得改性玻璃纤维；

S2、对花岗岩砂进行清洗和干燥，然后与其他原料在真空环境下混合搅拌制得混合料；

S3、将混合料浇注制得铸件，然后再对铸件进行热处理，即制得机床机架成品。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中混合搅拌时间为10-26min，搅拌速度为50-80rmp。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中浇注制得铸件的过程为，将混合料浇注在模具中，然后在115-150℃处理10-20min，再在50-60℃的真空环境下加压固化10-18h，制得铸件，所述加压固化时的压力为25-55MPa。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中热处理为将铸件在25-33℃保温3-4h，然后降至室温放置15-20h。