機(jī)床用鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)性能研究.pdf

1、近年來，我國在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)開發(fā)方面日趨成熟，但機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件大多仍然是由鑄鐵鑄造或鋼材焊接結(jié)構(gòu)制成。雖然鑄鐵或鋼的加工工藝成熟、可加工性良好，但生產(chǎn)過程對環(huán)境污染比較嚴(yán)重，制備周期較長，不符合綠色制造的發(fā)展趨勢，并且其阻尼減振性能接近極值，在動態(tài)性能及熱穩(wěn)定性方面已不能滿足高速、高精密加工技術(shù)要求。因此，研究開發(fā)阻尼減振性能優(yōu)良的新型機(jī)床構(gòu)件材料已迫在眉睫。
　　人造花崗石復(fù)合材料是以天然花崗石等無機(jī)礦物為骨料，以有機(jī)樹脂

2、作為粘合劑，通過聚合反應(yīng)固化成型的一種新型聚合物基多相體材料，其突出特點(diǎn)是阻尼減振性好、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕，主要用于制造高速和高精密加工機(jī)床、激光、電子、醫(yī)療等設(shè)備的基礎(chǔ)構(gòu)件。
　　但人造花崗石復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于灰鑄鐵等金屬材料，在一定程度上限制了其大量推廣和廣泛應(yīng)用。本文以鉬纖維作為增強(qiáng)相制備了鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，以鉬纖維-環(huán)氧樹脂基體復(fù)合材料為研究體系，以提高

3、人造花崗石復(fù)合材料抗壓、抗彎強(qiáng)度為研究目標(biāo)，系統(tǒng)研究了復(fù)合材料在不同受力狀態(tài)下的界面應(yīng)力傳遞及分布機(jī)制，深入分析了基體性能、纖維性能、纖維細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征等對復(fù)合材料細(xì)觀及宏觀力學(xué)性能的影響，研究開發(fā)出性能優(yōu)良的鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料。并以精密雕銑機(jī)床床身為例進(jìn)行有限元模擬，對比研究人造花崗石復(fù)合材料床身和鑄鐵床身的靜、動態(tài)性能，驗(yàn)證了采用人造花崗石復(fù)合材料制造機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件的優(yōu)越性以及取代鑄鐵材料的可行性。
　　(1)基于經(jīng)典剪

4、滯理論建立鉬纖維在埋置狀態(tài)和拉拔狀態(tài)下的細(xì)觀力學(xué)模型，推導(dǎo)出復(fù)合材料在不同受力狀態(tài)時纖維軸向應(yīng)力以及界面剪應(yīng)力的計算公式;探討鉬纖維細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對材料軸向彈性模量的影響;系統(tǒng)分析了完全粘結(jié)狀態(tài)下纖維埋置長度、纖維體積率和局部脫粘狀態(tài)下纖維脫粘長度對纖維軸向平均應(yīng)力和界面剪應(yīng)力分布規(guī)律的影響。結(jié)果表明，軸向彈性模量隨纖維體積率的增大顯著增加;隨纖維長徑比的增大先迅速增加，然后再緩慢增加至某一定值。拉拔狀態(tài)下界面剪應(yīng)力隨著纖維埋置長度的增大

5、而減小;纖維軸向平均應(yīng)力隨著纖維體積率的增加而增加，當(dāng)體積率增大到一定程度時，界面的脫粘破壞發(fā)生在纖維的埋置端而不是拔出端。纖維脫粘長度越大，脫粘界面尖端所承受的剪應(yīng)力越小，界面越容易發(fā)生脫粘擴(kuò)展現(xiàn)象。
　　(2)制備樹脂澆注體標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣研究環(huán)氧樹脂固化劑不同質(zhì)量配比時固化物的力學(xué)性能，分析不同的質(zhì)量配比對鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度、潤濕性能以及人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的影響;基于潤濕理論建立界面粘結(jié)強(qiáng)度與粘附功的關(guān)系;實(shí)驗(yàn)測試

6、人造花崗石復(fù)合材料試樣上典型測點(diǎn)在任意載荷作用下的應(yīng)變值，并通過有限元分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。隨著樹脂固化劑配比r的增大，固化物表面自由能先增大后減小，而鉬纖維-基體接觸角先減小后增大，當(dāng)r=4時樹脂對鉬纖維的潤濕性能最優(yōu)。樹脂基體的拉伸強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度下應(yīng)變以及拉伸斷裂應(yīng)力隨著配比r的增大先逐漸增大，在r=4時達(dá)到最大值;隨后逐漸降低，在r=7時達(dá)到最小值。鉬纖維-基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度和人造花崗石復(fù)合材料的抗壓、抗彎強(qiáng)度隨著配比r的增大

7、都是先增大后減小，當(dāng)r=4時力學(xué)性能最優(yōu)。
　　(3)基于不同的纖維表面處理工藝，對比分析表面改性鉬纖維結(jié)構(gòu)和性能的變化及差異;系統(tǒng)研究纖維表面粗糙度、纖維表面性能對鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度、界面潤濕性能以及人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的影響;建立了界面粘結(jié)強(qiáng)度與粘附功的關(guān)系方程，二者可用Boltzmann分布函數(shù)進(jìn)行定量表征;通過數(shù)值模擬對比分析新、舊鉬纖維在強(qiáng)界面和弱界面結(jié)合狀態(tài)下對樹脂基體的增強(qiáng)效果。相對于新鉬纖維，表面改性后

8、的鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度、纖維表面自由能以及對人造花崗石復(fù)合材料的增強(qiáng)效果均有不同程度的提高。其中，經(jīng)復(fù)合處理（酸化+氣相氧化+偶聯(lián)）的鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料綜合力學(xué)性能最優(yōu)。舊鉬纖維與樹脂基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度比新鉬纖維平均提高了16.7％。有限元分析結(jié)果表明，相同界面結(jié)合狀態(tài)下舊鉬纖維抵抗基體變形和承受載荷的能力優(yōu)于新鉬纖維;同樣的纖維表面狀態(tài)下強(qiáng)界面結(jié)合時基體性能優(yōu)于弱界面結(jié)合。
　　(4)基于異形鉬纖維的受力特點(diǎn)構(gòu)建其

9、拉拔理論模型，推導(dǎo)出各種字母形異形纖維最大拉拔載荷的通用計算公式;通過單纖維拉拔實(shí)驗(yàn)獲取纖維外形對鉬纖維-樹脂基體界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律，根據(jù)輸出的拉拔載荷-位移曲線對普通直線形纖維與異形纖維的拉拔脫粘過程進(jìn)行分析和比較;系統(tǒng)研究纖維含量、纖維形狀對人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的影響，并通過有限元仿真對比分析異形纖維對樹脂基體的增強(qiáng)作用。結(jié)果表明，異形鉬纖維與樹脂基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度明顯高于普通直線形鉬纖維，其對人造花崗石復(fù)合材料的增強(qiáng)效果

10、優(yōu)劣排序?yàn)?M形＞N形＞U形＞V形。隨著纖維含量的增加，鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料的抗壓和抗彎強(qiáng)度都是先增大后減小，當(dāng)纖維含量為1.2％時強(qiáng)度達(dá)到最大值。有限元分析結(jié)果驗(yàn)證了M形纖維抵抗基體變形和承受載荷的能力最優(yōu)。
　　(5)根據(jù)精密雕銑機(jī)床的實(shí)際工況完成床身設(shè)計和受力分析;基于建立的鑄鐵與人造花崗石復(fù)合材料床身有限元模型，分析獲得兩種材料床身的變形和等效應(yīng)力分布;基于靜力學(xué)仿真結(jié)果對人造花崗石復(fù)合材料床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化;

11、通過有限元分析獲得對應(yīng)床身的模態(tài)振型、固有頻率及幅頻響應(yīng)曲線，并根據(jù)動態(tài)特性分析結(jié)果研究床身避免共振的方法。結(jié)果表明，在相同載荷、相同約束條件下，優(yōu)化后的人造花崗石復(fù)合材料床身在X、Y、Z方向的變形以及總變形量都明顯低于鑄鐵床身，具有更好的靜態(tài)性能。優(yōu)化后人造花崗石復(fù)合材料床身前八階固有頻率比鑄鐵床身平均提高了約57.5％，其中一階和二階振型對精密雕銑機(jī)床床身的動態(tài)特性影響較大，應(yīng)有針對性地對床身前端部位進(jìn)行局部強(qiáng)化。優(yōu)化后人造花崗石復(fù)