矿物铸件作为精密机床底架的材料

底架材料概述

在精密工程中，底架对机器精度的重要性往往被低估。机床底座定义了驱动系统、测量系统或加工设备等子系统之间的位置，通常是定位机床中最昂贵的单个部件。其目的是实现低成本、高度集成的底架。

在超精密测量和加工中，底架必须保证所有子系统的稳定位置，并具有高刚性，以应对静态和动态变化的热载荷以及机械力和扭矩。对于高速加工，机器底座应提供高阻尼和稳定性。对于精密应用，结构的热稳定性和长期稳定性变得非常重要。

底架常用的材料有天然石材、铸铁、钢和陶瓷。这些材料的替代品是矿物复合材料，由矿物复合材料制成的机器底架称为矿物铸件。

矿物复合材料的组成

矿物复合材料是以改性环氧树脂为胶粘剂，矿物颗粒为骨料颗粒，并添加填料而形成的一种新型复合材料。机械性能的结果来自矿物填料接触面的高密度网络，如图 1 所示草图。

图 1.具有不同骨料尺寸的填充网络草图

矿物复合材料的性能

矿物复合材料具有较好的振动阻尼性能、较低的热膨胀率以及热传导速度，以其代替传统的铸铁、铸钢等材料作为精密机床构件，可以在很大程度上提高机床的加工精度。但矿物复合材料也存在着力学性能不足等缺陷，制约着其应用的广泛性。

表征矿物铸件存在许多困难：骨料的选择、骨料颗粒级配、胶粘剂的物理性能等都会影响矿物铸件的力学性能及热性能。

山东纳诺矿物铸件选取物理性能最好的天然花岗石为骨料（图2），通过专业的破碎机破碎之后，相互之间接触角小于90度，延展面积相较于表面光滑的鹅卵石大很多，同时采用力学性能最好的环氧树脂作为胶粘剂，大大改善了矿物复合材料的力学性能。

图2：单一的天然花岗石骨料

矿物铸件的热性能对机器的精度和性能也有重大影响，最重要的是导热系数、比热容和热膨胀系数的值（图3）。此外，热性能也会影响机床的机械性能。

图3：亚琛工大提供的德国矿物铸件材料热性能参数表

在对比国内外测试结果后（图4、图5），发现纳诺矿物铸件材料的力学性能是最高的，体积密度最高可以达到2.8g/cm3，能更好地满足精密机械设计的需求。

图4：伊尔梅瑙工业大学机械工程学院测试结果

图5：纳诺矿物铸件物理特性表（该数据由亚琛工大测试报告提供）

总结：矿物铸件的兴起相较于铸铁漫长的发展历史，目前还处于初期发展阶段，全球都还没有形成统一的标准和认识，导致很多用户对矿物铸件的好坏无从判断。而市场对高速加工和精密应用的需求又在日益增加，如何在高端市场占据一席之地，这一主题驱动着众多有志之士想要对矿物铸件有更深入的了解。

山东纳诺新材料作为国内最早一批自主研究并投入生产的矿物铸件专业厂商，最早一直以出口欧美市场为主，在行业内积累了丰富的经验，无论是原料的选取、配方还是工艺的形成和落实都有自己独特的解决之道。在此希望传播知识，帮助民族企业提升自己。