機床用鉬纖維增強人造花崗石復(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礦物為骨料，以有機樹脂

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)強度遠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相制備了鉬纖維增強人造花崗石復(fù)合材料，采用理論分析、實驗研究及數(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)力傳遞及分布機制，深入分析了基體性能、纖維性能、纖維細觀結(jié)構(gòu)特征等對復(fù)合材料細觀及宏觀力學(xué)性能的影響，研究開發(fā)出性能優(yōu)良的鉬纖維增強人造花崗石復(fù)合材料。并以精密雕銑機床床身為例進行有限元模擬，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，驗證了采用人造花崗石復(fù)合材料制造機床基礎(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)強度、潤濕性能以及人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)強度的影響;基于潤濕理論建立界面粘結(jié)強度與粘附功的關(guān)系;實驗測試

6、人造花崗石復(fù)合材料試樣上典型測點在任意載荷作用下的應(yīng)變值，并通過有限元分析驗證實驗結(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)。樹脂基體的拉伸強度、拉伸強度下應(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時達到最大值;隨后逐漸降低，在r=7時達到最小值。鉬纖維-基體的界面粘結(jié)強度和人造花崗石復(fù)合材料的抗壓、抗彎強度隨著配比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)強度、界面潤濕性能以及人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)強度的影響;建立了界面粘結(jié)強度與粘附功的關(guān)系方程，二者可用Boltzmann分布函數(shù)進行定量表征;通過數(shù)值模擬對比分析新、舊鉬纖維在強界面和弱界面結(jié)合狀態(tài)下對樹脂基體的增強效果。相對于新鉬纖維，表面改性后

8、的鉬纖維-基體界面粘結(jié)強度、纖維表面自由能以及對人造花崗石復(fù)合材料的增強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;通過單纖維拉拔實驗獲取纖維外形對鉬纖維-樹脂基體界面粘結(jié)強度的影響規(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作用。結(jié)果表明，異形鉬纖維與樹脂基體的界面粘結(jié)強度明顯高于普通直線形鉬纖維，其對人造花崗石復(fù)合材料的增強效果

10、優(yōu)劣排序為:M形＞N形＞U形＞V形。隨著纖維含量的增加，鉬纖維增強人造花崗石復(fù)合材料的抗壓和抗彎強度都是先增大后減小，當(dāng)纖維含量為1.2％時強度達到最大值。有限元分析結(jié)果驗證了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)精密雕銑機床的實際工況完成床身設(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)合材料床身進行結(jié)構(gòu)改進和優(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行局部強化。優(yōu)化后人造花崗石復(fù)