机床用钼纤维增强人造花岗石复合材料力学性能研究

摘要

近年来，我国在机床结构设计和控制系统开发方面日趋成熟，但机床基础构件大多仍然是由铸铁铸造或钢材焊接结构制成。虽然铸铁或钢的加工工艺成熟、可加工性良好，但生产过程对环境污染比较严重，制备周期较长，不符合绿色制造的发展趋势，并且其阻尼减振性能接近极值，在动态性能及热稳定性方面已不能满足高速、高精密加工技术要求。因此，研究开发阻尼减振性能优良的新型机床构件材料已迫在眉睫。
　　人造花岗石复合材料是以天然花岗石等无机矿物为骨料，以有机树脂作为粘合剂，通过聚合反应固化成型的一种新型聚合物基多相体材料，其突出特点是阻尼减振性好、热膨胀系数小、耐腐蚀，主要用于制造高速和高精密加工机床、激光、电子、医疗等设备的基础构件。
　　但人造花岗石复合材料的力学强度远低于灰铸铁等金属材料，在一定程度上限制了其大量推广和广泛应用。本文以钼纤维作为增强相制备了钼纤维增强人造花岗石复合材料，采用理论分析、实验研究及数值模拟相结合的研究方法，以钼纤维-环氧树脂基体复合材料为研究体系，以提高人造花岗石复合材料抗压、抗弯强度为研究目标，系统研究了复合材料在不同受力状态下的界面应力传递及分布机制，深入分析了基体性能、纤维性能、纤维细观结构特征等对复合材料细观及宏观力学性能的影响，研究开发出性能优良的钼纤维增强人造花岗石复合材料。并以精密雕铣机床床身为例进行有限元模拟，对比研究人造花岗石复合材料床身和铸铁床身的静、动态性能，验证了采用人造花岗石复合材料制造机床基础构件的优越性以及取代铸铁材料的可行性。
　　(1)基于经典剪滞理论建立钼纤维在埋置状态和拉拔状态下的细观力学模型，推导出复合材料在不同受力状态时纤维轴向应力以及界面剪应力的计算公式;探讨钼纤维细观结构参数对材料轴向弹性模量的影响;系统分析了完全粘结状态下纤维埋置长度、纤维体积率和局部脱粘状态下纤维脱粘长度对纤维轴向平均应力和界面剪应力分布规律的影响。结果表明，轴向弹性模量随纤维体积率的增大显著增加;随纤维长径比的增大先迅速增加，然后再缓慢增加至某一定值。拉拔状态下界面剪应力随着纤维埋置长度的增大而减小;纤维轴向平均应力随着纤维体积率的增加而增加，当体积率增大到一定程度时，界面的脱粘破坏发生在纤维的埋置端而不是拔出端。纤维脱粘长度越大，脱粘界面尖端所承受的剪应力越小，界面越容易发生脱粘扩展现象。
　　(2)制备树脂浇注体标准拉伸试样研究环氧树脂固化剂不同质量配比时固化物的力学性能，分析不同的质量配比对钼纤维-基体界面粘结强度、润湿性能以及人造花岗石复合材料力学强度的影响;基于润湿理论建立界面粘结强度与粘附功的关系;实验测试人造花岗石复合材料试样上典型测点在任意载荷作用下的应变值，并通过有限元分析验证实验结果的正确性。随着树脂固化剂配比r的增大，固化物表面自由能先增大后减小，而钼纤维-基体接触角先减小后增大，当r=4时树脂对钼纤维的润湿性能最优。树脂基体的拉伸强度、拉伸强度下应变以及拉伸断裂应力随着配比r的增大先逐渐增大，在r=4时达到最大值;随后逐渐降低，在r=7时达到最小值。钼纤维-基体的界面粘结强度和人造花岗石复合材料的抗压、抗弯强度随着配比r的增大都是先增大后减小，当r=4时力学性能最优。
　　(3)基于不同的纤维表面处理工艺，对比分析表面改性钼纤维结构和性能的变化及差异;系统研究纤维表面粗糙度、纤维表面性能对钼纤维-基体界面粘结强度、界面润湿性能以及人造花岗石复合材料力学强度的影响;建立了界面粘结强度与粘附功的关系方程，二者可用Boltzmann分布函数进行定量表征;通过数值模拟对比分析新、旧钼纤维在强界面和弱界面结合状态下对树脂基体的增强效果。相对于新钼纤维，表面改性后的钼纤维-基体界面粘结强度、纤维表面自由能以及对人造花岗石复合材料的增强效果均有不同程度的提高。其中，经复合处理（酸化+气相氧化+偶联）的钼纤维增强人造花岗石复合材料综合力学性能最优。旧钼纤维与树脂基体的界面粘结强度比新钼纤维平均提高了16.7％。有限元分析结果表明，相同界面结合状态下旧钼纤维抵抗基体变形和承受载荷的能力优于新钼纤维;同样的纤维表面状态下强界面结合时基体性能优于弱界面结合。
　　(4)基于异形钼纤维的受力特点构建其拉拔理论模型，推导出各种字母形异形纤维最大拉拔载荷的通用计算公式;通过单纤维拉拔实验获取纤维外形对钼纤维-树脂基体界面粘结强度的影响规律，根据输出的拉拔载荷-位移曲线对普通直线形纤维与异形纤维的拉拔脱粘过程进行分析和比较;系统研究纤维含量、纤维形状对人造花岗石复合材料力学强度的影响，并通过有限元仿真对比分析异形纤维对树脂基体的增强作用。结果表明，异形钼纤维与树脂基体的界面粘结强度明显高于普通直线形钼纤维，其对人造花岗石复合材料的增强效果优劣排序为:M形＞N形＞U形＞V形。随着纤维含量的增加，钼纤维增强人造花岗石复合材料的抗压和抗弯强度都是先增大后减小，当纤维含量为1.2％时强度达到最大值。有限元分析结果验证了M形纤维抵抗基体变形和承受载荷的能力最优。
　　(5)根据精密雕铣机床的实际工况完成床身设计和受力分析;基于建立的铸铁与人造花岗石复合材料床身有限元模型，分析获得两种材料床身的变形和等效应力分布;基于静力学仿真结果对人造花岗石复合材料床身进行结构改进和优化;通过有限元分析获得对应床身的模态振型、固有频率及幅频响应曲线，并根据动态特性分析结果研究床身避免共振的方法。结果表明，在相同载荷、相同约束条件下，优化后的人造花岗石复合材料床身在X、Y、Z方向的变形以及总变形量都明显低于铸铁床身，具有更好的静态性能。优化后人造花岗石复合材料床身前八阶固有频率比铸铁床身平均提高了约57.5％，其中一阶和二阶振型对精密雕铣机床床身的动态特性影响较大，应有针对性地对床身前端部位进行局部强化。优化后人造花岗石复合材料床身在X、Y、Z三个方向的最大振幅值均远小于铸铁床身，平均降低约89.1％，其动态性能显著优于铸铁材料床身。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 人造花岗石复合材料的特点及研究现状

1．2．1 人造花岗石复合材料的特点

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．3 钼纤维增强人造花岗石复合材料的组分构成与制备工艺

1．3．1 骨料系统

1．3．2 树脂系统

1．3．3 增强纤维

1．3．4 钼纤维增强人造花岗石复合材料的制备工艺

1．4 人造花岗石复合材料力学性能表征

1．4．1 细观力学性能表征

1．4．2 宏观力学性能表征

1．5 课题来源、研究意义及主要研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 研究意义

1．5．3 主要研究内容

第2章 人造花岗石复合材料界面应力传递机制

2．1 引言

2．2 人造花岗石复合材料界面作用机理

2．3 埋置状态下的钼纤维-基体应力传递机制

2．3．1 理想钼纤维增强基体应力传递和轴向弹性模量预测

2．3．2 考虑纤维末端应力的钼纤维增强基体应力传递

2．3．3 结果与分析

2．4 拉拔状态下的钼纤维-基体应力传递机制

2．4．1 钼纤维粘结／脱粘时的应力分布

2．4．2 纤维细观结构参数对应力分布的影响

2．5 本章小结

第3章 基体对人造花岗石复合材料力学性能影响

3．1 引言

3．2 界面粘结强度测试方法

3．2．1 微脱粘法

3．2．2 单纤维拉拔法

3．2．3 纤维临界长度断裂法

3．3 润湿理论及表征

3．3．1 接触角

3．3．2 表面自由能与粘附功

3．4 实验方法

3．4．1 粘附功测试

3．4．2 基体单轴拉伸力学性能测试

3．4．3 钼纤维-基体界面粘结强度测试

3．4．4 钼纤维增强人造花岗石力学强度测试

3．4．5 钼纤维增强人造花岗石试样典型测点载荷-应变测试

3．5 结果与分析

3．5．1 树脂固化剂配比对基体力学性能的影响

3．5．2 树脂固化剂配比对润湿性的影响

3．5．3 树脂固化剂配比对界面粘结性能的影响

3．5．4 钼纤维-基体界面粘结强度与粘附功关系初探

3．5．5 树脂固化剂配比对人造花岗石复合材料力学性能影响

3．5．6 不同固化剂含量钼纤维增强人造花岗石载荷-应变分析与仿真

3．6 本章小结

第4章 纤维表面性能对人造花岗石复合材料力学性能影响

4．1 引言

4．2 表面处理对钼纤维结构和性能的影响

4．2．1 酸化处理对钼纤维结构和性能影响

4．2．2 气相氧化处理对钼纤维结构和性能影响

4．2．3 偶联处理对钼纤维结构和性能影响

4．3 实验方法

4．3．1 新、旧钼纤维表面粗糙度的测试

4．3．2 粘附功测试

4．3．3 单根钼纤维抗拉强度测试

4．3．4 钼纤维-基体界面粘结强度测试

4．3．5 钼纤维增强人造花岗石复合材料力学强度测试

4．4 结果与分析

4．4．1 新、旧钼纤维表面形貌AFM分析

4．4．2 纤维表面性能对润湿性影响

4．4．3 纤维表面性能对拉伸强度影响

4．4．4 纤维表面性能对界面粘结性能的影响

4．4．5 钼纤维-基体界面粘结强度与粘附功关系分析

4．4．6 纤维表面性能对人造花岗石复合材料力学性能影响

4．5 新、旧钼纤维增强基体有限元分析

4．5．1 有限元模型的建立

4．5．2 强界面结合状态下仿真结果及分析

4．5．3 弱界面结合状态下仿真结果及分析

4．6 本章小结

第5章 纤维形状对人造花岗石复合材料力学性能影响

5．1 引言

5．2 纤维形状分类

5．3 异形钼纤维拉拔理论模型

5．3．1 拉拔模型的建立

5．3．2 异形钼纤维最大拉拔载荷的计算

5．3．3 计算结果与分析

5．4 异形钼纤维-基体界面粘结强度实验研究

5．4．1 实验材料

5．4．2 试样制备及测试

5．4．3 实验结果与分析

5．5 钼纤维拉拔脱粘过程

5．5．1 直线形钼纤维拉拔脱粘过程

5．5．2 异形钼纤维拉拔脱粘过程

5．6 异形钼纤维增强人造花岗石复合材料力学性能研究

5．6．1 异形钼纤维增强人造花岗石复合材料强度测试

5．6．2 实验结果与分析

5．7 异形钼纤维增强基体有限元分析

5．7．1 有限元模型的建立

5．7．2 仿真结果及分析

5．8 本章小结

第6章 人造花岗石精密雕铣机床床身静动态性能分析及优化

6．1 引言

6．2 精密雕铣机床床身设计

6．3 精密雕铣机床床身受力分析

6．3．1 工件-工作台-导轨受力分析

6．3．2 横梁-立柱受力分析

6．3．3 龙门座螺栓组连接受力分析

6．4 人造花岗石精密雕铣机床床身静力学分析及结构优化

6．4．1 床身有限元模型的建立

6．4．2 静力学仿真结果及分析

6．4．3 人造花岗石复合材料床身结构优化

6．5 人造花岗石精密雕铣机床床身动态性能分析

6．5．1 精密雕铣机床床身模态分析

6．5．2 精密雕铣机床床身谐响应分析

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间的发明专利及获奖情况

致谢

附录：已发表英文文章