JH-20回柱絞車設(shè)計(jì)含4張CAD圖,jh,20,絞車,設(shè)計(jì),cad Journal of Materials Processing Technology 155-156（2004）1839-1846 適用于機(jī)械工程應(yīng)用的輕質(zhì)空心球復(fù)合材料（HSC） E. Baumeister a,?, S。 KLAEGER a，A。 Kaldos b a德國(guó)馬格德堡Otto-von-Guericke大學(xué)制造技術(shù)與質(zhì)量管理研究所 b英國(guó)利物浦利物浦約翰摩爾斯大學(xué)工程學(xué)院 摘要 輕量化結(jié)構(gòu)是機(jī)床設(shè)計(jì)中的一個(gè)新趨勢(shì)，可確保更高的速度和更高的加速度。 機(jī)械工程中的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)需要最近開(kāi)發(fā)的輕質(zhì)材料提供的輕量化設(shè)計(jì)，因此具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。 空心球復(fù)合材料（HSC）由多達(dá)80體積的空心球體和作為粘合劑的反應(yīng)性樹脂體系組成。 最近開(kāi)發(fā)的HSC材料 - 空心球體由陶瓷，硅酸鹽，塑料或金屬制成，提供一系列不同化學(xué)成分，粒度分布，密度，體積密度，軟化溫度和壓縮的結(jié)構(gòu)材料。 因此，對(duì)于各種應(yīng)用，可以獲得具有不同性質(zhì)的大量HSC變體。 HSC材料的機(jī)械性能取決于球形空心體的性質(zhì)。 HSC材料的機(jī)械和熱性能可以通過(guò)使用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA），差示掃描量熱儀（DSC）和熱機(jī)械分析（TMA）來(lái)表征。 選定的HSC結(jié)構(gòu)（例如機(jī)床組件，機(jī)械手臂）的熱性能和機(jī)械性能證明了這種新材料的靈活性和應(yīng)用可行性。 關(guān)鍵詞：輕質(zhì)材料; 空心球復(fù)合材料（HSC）; 機(jī)械性能; 機(jī)械工業(yè) 1. 介紹 在包括汽車和飛機(jī)制造在內(nèi)的機(jī)械工程中，使用相同的輕質(zhì)建筑原理來(lái)滿足形狀，結(jié)構(gòu)，材料中的各種復(fù)雜需求，并且需要針對(duì)技術(shù)需求和財(cái)務(wù)考慮優(yōu)化生產(chǎn)工藝選擇。 使用有限元方法對(duì)機(jī)床進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致加速或阻尼行為的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。 新型替代材料在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用通過(guò)充分利用材料，高強(qiáng)度和剛度以及最大限度的功能完整性和經(jīng)濟(jì)性，大大減少了重量的減少 [1]. 對(duì)輕質(zhì)機(jī)器結(jié)構(gòu)的要求以材料數(shù)量的最佳使用為特征。 這些要求很難滿足單體結(jié)構(gòu)。 因此，蜂窩材料，例如蜂窩材料，金屬泡沫材料或復(fù)合泡沫材料的應(yīng)用將很快變得重要起來(lái)。 金屬和纖維的組合材料可以適應(yīng)不同的條件，類似于自然結(jié)構(gòu)，就像手里的骨頭一樣。 圖1。 這是一個(gè)與支撐系統(tǒng)相連的泡沫結(jié)構(gòu)，肌肉和肌腱用于運(yùn)動(dòng)。 圖1.人手的細(xì)胞結(jié)構(gòu) 2. 空心球復(fù)合材料 減少材料質(zhì)量的另一種方法是使用高百分比體積的含有空氣或氣體的空心球體和反應(yīng)性樹脂體系 [2]. 在這項(xiàng)研究中，空心球復(fù)合材料由剛玉基（0.5-1 mm）大空心球和鋁硅酸鹽Fillite（5-300μ，m）微空心球組成，如圖所示 圖2 [3]. 在最近的研究計(jì)劃中，將12種不同類型的空心球與冷和熱硬化劑環(huán)氧樹脂（EP）以及有和無(wú)纖維增強(qiáng)劑結(jié)合使用，導(dǎo)致超過(guò)20種具有不同性能的HSC變體。 空心球的直徑在10到2000微米之間變化，壁厚僅為直徑尺寸的10％。 球體的圓形提供了高包裝密度和最小的粘滯阻力。 3. 空心球復(fù)合材料的性質(zhì) 為了確定HSC在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域，確定材料的熱和機(jī)械性能以及確定機(jī)器元件FE計(jì)算所需的特征值非常重要。 由于HSC材料缺乏標(biāo)準(zhǔn)，熱敏和機(jī)械測(cè)試必須根據(jù)聚合物混凝土和塑料材料的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理。 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 51290規(guī)定了最小尺寸樣品不應(yīng)小于用過(guò)的填料的最大粒徑的三倍 [4]. 其結(jié)果是，基于塑料標(biāo)準(zhǔn)的首選樣品幾何形狀必須修改以應(yīng)用于HSC。 3.1熱性能 進(jìn)行調(diào)查以獲得環(huán)氧樹脂的熱行為和硬化 [5] 和HSC使用差示掃描量熱儀（DSC 200）。 所獲得的典型溫度為：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），固化溫度（T治愈），熱降解開(kāi)始時(shí)的溫度（T牛）。 所獲得的溫度及其對(duì)剩余反應(yīng)物（b..Hr）的殘余反應(yīng)熱的影響顯示于 圖3。 可以說(shuō)，HSC的熱行為主要由所用的環(huán)氧樹脂決定。 可以使用熱機(jī)械分析（TMA）測(cè)量Tg（α1）和Tg（α2）上的線性熱膨脹系數(shù)的線性熱膨脹系數(shù)。 圖4 表明，隨著65％（樣品2）至78％（樣品3）的填料百分比體積增加，α1和α2值將更小，這歸因于78％的HSC材料用于研究。 為了最小化機(jī)床元件的熱變形，了解α1值是很重要的。 表格1 包括一些HSC變體的α1 - ，Tg和α2 –值。 圖2（a）剛玉的散裝材料0.5-1毫米; （b）Fillite內(nèi)部（SEM）; （c）空心球復(fù)合物（剛玉和Fillite）; （d）空心球復(fù)合物（SEM）的內(nèi)部 圖3. 11.1毫克環(huán)氧樹脂的Ephrata（1）和12.3毫克HSC的DSC掃描由剛玉和Fillite（2）組成，在空氣中加熱速率 為20 K / min 圖4.不同樹脂體積分?jǐn)?shù)的環(huán)氧樹脂和HSC變體的TMA曲線 這些值取決于所使用的基礎(chǔ)材料，可以從以下公式確定 [6]: α= viαi (1) 其中vi是體積百分比，αi是熱膨脹系數(shù)。 組件的vi和αi值通常是可用，但在這種情況下，填料的熱膨脹系數(shù)和HSC中包封的氣體對(duì)α1的影響是未知的。 但是，α的值剛玉（ex-Al2O3）為9.5×10?6K?1 [7].計(jì)算出的環(huán)氧樹脂的α值為70×10?6×K?1。 計(jì)算出的樣品5的α1值為22.8×10?6×K?1，與實(shí)驗(yàn)得到的× 23.4 10?6K?1。 環(huán)氧樹脂三點(diǎn)彎曲試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）研究（a）和HSC-樣品3（b）顯示在 圖5。 在更高的頻率下，Tg移動(dòng)到更高的溫度值 [8] 并且由于DMA方法的敏感性，對(duì)于半固化的樣品發(fā)現(xiàn)兩個(gè)Tg點(diǎn)。 在Tg區(qū)域開(kāi)始時(shí)，發(fā)生微凸起運(yùn)動(dòng)，隨后發(fā)生熵彈性狀態(tài)，其中彈性溫度上的模量不太重要。 值得注意的是，與樣品1（環(huán)氧樹脂）相比，填料改善了樣品3（HSC）的硬度（E1）。 表格1α1 - 環(huán)氧樹脂和HSC的值 樣品 組成 α1（×10?6K?1） Tg（?C） α2（×10?6K?1） 固化時(shí)間（天） 1 只有環(huán)氧樹脂Ebalta 70.9 60 105.3 30 + 2 65體積％的Fillite 剛玉 33.1 51.5 64.1 28 + 3 78體積％的Fillite 剛玉 22.3 52.4 51.9 30 4 78體積％的Fillite 34.5 62.6 49.1 21 5 78體積％剛玉0-2毫米 23.4 51.3 30.8 19 √ 圖5.（b）的環(huán)氧樹脂（樣品1）（a）和HSC（樣品3）的彈性彎曲模量（E1），損耗模量（E11）和對(duì)數(shù)減少量（D） 3.2機(jī)械性能 環(huán)氧樹脂Ebalta 120 / TL（EP）和HSC的彈性模量（E）通過(guò)機(jī)械測(cè)試獲得并示于 表2 環(huán)氧樹脂和HSC樣品的機(jī)械性能顯示在 表2， 以及用于目的的鋼（St），玻璃纖維（GF）和碳纖維（CF）材料的比較。 材料的密度（ρ）表明HSC是輕質(zhì)材料。 剛度（E）與密度之比是材料選擇的重要參數(shù)。 為了比較等尺寸但不同材料的兩根鋼筋的抗壓強(qiáng)度，將公式簡(jiǎn)化為3E / g [9]. 從表中清楚地看出，HSC-樣品2-4具有比鋼或玻璃纖維更高的壓縮模量 [10]. 如果GF或CF制造成層壓板，則其機(jī)械性能變得更小。 CF的明顯缺點(diǎn)是各向異性，而HSC在各個(gè)方向都是各向同性的。 表2 樣品2 樣品3 樣品4 樣品5 ρ（g / cm3） 1.15 0.95 0.9 0.65 1.16 7.8 2.6 1.78 E（GPa） 3.5 7.8 6.8 4.1 8.7 210 73 235 與鋼（St），玻璃纖維（GF）或碳纖維（CF）相比，環(huán)氧樹脂和HSC的密度和楊氏模量（E） 值 EP，樣品1 空心球復(fù)合材料 圣 GF CF √3E / g（√3MPa cm3/ g） 13.2 21.4 21 24.6 18.7 7.6 16 34.5 圖6 顯示了環(huán)氧樹脂和HSC-樣品2-5的拉伸強(qiáng)度（σt）和比強(qiáng)度。 拉伸試驗(yàn)片的長(zhǎng)度為250mm，厚度為10mm，寬度為25mm。 根據(jù)DIN EN ISO 527-3以5mm / min的速度進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試。 樣品3（Fillite和剛玉0.5-1mm）和樣品4（Fillite）的比強(qiáng)度高于環(huán)氧樹脂。 結(jié)果是，與使用相同質(zhì)量的材料相比，當(dāng)使用樣品2-4時(shí)可以制造更大體積的部件，并且其承受與樣品1制成的部件相同的拉伸強(qiáng)度。 用具有100mm長(zhǎng)度，30mm厚度和30mm寬度的試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。 壓縮測(cè)試的速度為1毫米/分鐘。 選定的HSC變體的壓縮應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線顯示在 圖7。 圓形，方形等的符號(hào)表示每種變體的樣品5-10的壓縮強(qiáng)度的平均值（σc）和相應(yīng)的壓縮應(yīng)變的平均值。 中的σc值 圖7 大于σt的 圖6 因?yàn)樵趬嚎s測(cè)試中，孔隙將被封閉并阻止裂縫的擴(kuò)展。 樣品4和5 in 圖7 表明，在多孔固體如聚合物泡沫或金屬泡沫的壓縮測(cè)試過(guò)程中，在變形過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)典型的階段 [11,12]. 在低應(yīng)變下幾乎線性彈性行為之后，曲線顯示具有幾乎恒定載荷的長(zhǎng)平臺(tái)，但與其他細(xì)胞固體相比，HSC材料在經(jīng)受壓縮方面優(yōu)異。 填充較小填充劑類型Fillite的樣品4表現(xiàn)得更好 因?yàn)闃悠?具有更高的孔隙率，所以比填充剛玉的壓縮更小。 樣品2和3具有高填充密度，從而提供更高的抗壓強(qiáng)度值。 樣品2中樹脂的體積百分比的增加提高了σc值 [13]. 球體的尺寸越小，高原區(qū)域越顯著，因?yàn)樵谶@種情況下裂紋擴(kuò)展可以通過(guò)障礙物（球體或孔隙）迅速停止。 這就解釋了為什么填充有較小顆粒裂縫的樣品看起來(lái)是對(duì)角的，而填充有較大填料的樣品發(fā)展為橫向裂紋。 必須指出的是，填料和粘合劑之間的粘合鍵是非常重要的。 如果球體的剛度高于樹脂的剛度，則樹脂開(kāi)始開(kāi)裂，反之亦然。 可以使用樣品3,4和5的斷裂表面的掃描電子顯微照片（SEM）圖像來(lái)解釋損傷傳播 圖8。 樣品4的Fillite球體 圖8a 壞了。 由于樣品5英寸的陶瓷空心球的壁厚不同， 圖8b， 球體在不同的層面被打破。 樣品5的較大剛玉球體之間的空間大于樣品5的較小的Fillite球體之間的空間。填料的較好填充密度顯示在 圖8c， 其中樣品3填充有已知體積百分比分?jǐn)?shù)的不同粒徑的球體，從而與樣品4或5相比，導(dǎo)致樣品3的機(jī)械性能改善。 彎曲應(yīng)力在 圖9 使用具有以下尺寸的三點(diǎn)彎曲樣品確定 圖6. EP（樣品1）和HSC（樣品2-5）的拉伸強(qiáng)度和比強(qiáng)度 圖7.壓縮試驗(yàn)后HSC變體和試樣的典型壓應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線 圖8.彎曲HSC樣品中斷裂表面的SEM圖 根據(jù)DIN EN ISO 178，長(zhǎng)度為240 mm，寬度為20 mm，高度為12 mm，檢測(cè)速度為4.8 mm / min。 HSC的彎曲強(qiáng)度值小于環(huán)氧樹脂的彎曲強(qiáng)度值。 在施加的力的另一側(cè)的一些HSC變體用碳或玻璃纖維增??強(qiáng)以改善拉伸性能。 樣品3是陶瓷和硅酸鋁空心球的混合物，并且具有比填充有單一填料類型的樣品4或5更好的機(jī)械性能。 樣品3的熱膨脹系數(shù)與樣品2或4相比較小。作為機(jī)床部件和其他工程部件的建筑材料。 4.HSC在機(jī)械工程中的應(yīng)用 在研究計(jì)劃中，開(kāi)發(fā)了許多機(jī)器元件，例如用于SCARA Adept機(jī)器人的銑床夾具和機(jī)器人手臂。 這些部件成功地進(jìn)行了測(cè)試，并證明了HSC材料在機(jī)械工程中的應(yīng)用。 有限的元件方案COSAR提供了關(guān)于碳纖維增強(qiáng)件和鋁連接件方向設(shè)計(jì)變更需求的指示。 中的模型 圖10 承受1000MPa的彎曲力，并且所形成的應(yīng)力保持在可接受的極限以下 [14]. 基于獲得的結(jié)果，兩個(gè)機(jī)器人手臂是用碳纖維或鋁合金棒加強(qiáng)的HSC制成的。 這些機(jī)器人手臂的重量比原來(lái)的鋁合金手臂重量輕10％和25％。 從HSC成功開(kāi)發(fā)出一臺(tái)銑床臺(tái)來(lái)代替一張鋼臺(tái)。 已開(kāi)發(fā)的HSC工作臺(tái)采用鋼筋和碳纖維層壓板設(shè)計(jì)，可承受典型的抗拉強(qiáng)度。 達(dá)到的質(zhì)量減少量在30％到80％之間，從而增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)特性。 HSC工作臺(tái)的阻尼性能優(yōu)于鑄鐵工作臺(tái)，這部分歸因于如圖所示的層結(jié)構(gòu) 圖11 [15]. 圖9.環(huán)氧樹脂，有和沒(méi)有碳纖維或玻璃纖維的HSC的彎曲強(qiáng)度值 圖10.由鋁合金（a）和HSC（b）制成的有限元模型和機(jī)器人手臂 圖11.由HSC，鋼板和碳層壓板制成的銑床表 5.結(jié)論 可以說(shuō)，HSC材料結(jié)合金屬或纖維增強(qiáng)材料可以成功替代光線金屬或金屬泡沫。這項(xiàng)研究中，許多具有良好尺寸精度的機(jī)器制造零件已經(jīng)被生產(chǎn)出來(lái)，并且測(cè)試結(jié)果很好。中空材料的球形形狀比纖維或不規(guī)則填料提供更平滑的表面，并且樹脂消耗顯著降低。由于材料和生產(chǎn)成本低，HSC材料的應(yīng)??用對(duì)用戶有利。卓越的振動(dòng)和阻尼性能以及非常低的導(dǎo)熱性和合成熱變形使得HSC材料成功應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。通過(guò)改變基質(zhì)材料的組成和體積，該材料的耐化學(xué)性和易于回收是該材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 6.致謝 作者要感謝文化部在德國(guó)的土地薩克森安哈爾特。常感謝馬格德堡Otto-von-Guericke大學(xué)制造與質(zhì)量管理研究所的同事以及材料和材料研究所的同事。金融得到DAAD和英國(guó)文化協(xié)會(huì)的大力支持表示衷心的感謝。 7.參考 [1] S. Klaeger，E. Baumeister，Untersuchung von Hohlkugelkomposit als Leichtbauwerkstoff。 Internationale Fachtagung“Polymerwerktsoffe”，Halle，Saale，2001年。 [2] P. Menz，Maschinenbaugruppen aus Kompositmaterial，Dt-Patent No.1952 367 (1996). [3] NN，來(lái)自公司Omya和Treibacher的信息，2000。 [4] DIN 52190：Prüfungvon Reaktionsharzbeton，Teil 3.Prüfunggeson-dert hergestellterProbek?rper，1991。 [5] EA Turi，聚合物材料的熱表征卷。 2，布魯克林，1997。 [6] TA Osswald，G. Menges，工程聚合物材料科學(xué)，Hanser出版社，慕尼黑，1995年。 [7] H. Salmang，H. Scholze，Keramik。 Teil 1. Allgemeine Grundlagen und wichtige Eigenschaften。 Sechste，verbesserte und erweiterte Au-flage，Springer-Verlag，Berlin，1982。 [8] S. Knappe，Netsch公司的DMA測(cè)量，未發(fā)表，2000。 [9] B. Knauer，A. Wende，Konstruktionstechnik und Leichtbau。 Methodik-Werkstoff-Gestaltung-Bemessung，柏林，1988年。 [10] NN，R＆G Faserverbundwerkstoffe GmbH，Waldenbuch，2002。 [11] LJ Gibson，MF Ashby，Cellular Solids，Structure and Properties，2nd ed。，Cambridge，1997。 [12] 生命值。 Degischer，B.Kriszt，蜂窩金屬手冊(cè)，生產(chǎn)，加工，應(yīng)用，Wiley-VCH，Weinheim，2002。 [13] E. Baumeister，Hollow-spheres-composites- as new lightweight materials for mechanical engineering，in：Werkstoffwoche-Partnerschaft GbR（Ed。），Proceedings of the MaterialS WEEK 2002.Werkstoff-Informationsgesselschaft mbH，F(xiàn)rankfurt，2003。 [14] Z. Bako，聚合物混凝土和用于制造機(jī)床的空心球體復(fù)合材料，Otto-von-Guericke大學(xué)，馬格德堡和米什科爾茨大學(xué)，2000年。 [15] L.B?hrend，Leichtbau im Maschinenbau am Besipiel der Konstruk-tion und experimentellen Untersuchung einesFr?smaschinetischesaus Hohlkugelkomposit，Otto-von-Guericke-University，Magdeburg，1998。