陳百強，翟學(xué)濤，黎勇軍

(深圳市大族數(shù)控科技有限公司，廣東深圳518052)

礦物鑄件在PCB機械鉆機中的應(yīng)用

陳百強，翟學(xué)濤，黎勇軍

(深圳市大族數(shù)控科技有限公司，廣東深圳518052)

闡述了礦物鑄件的基本情況，將礦物鑄件與鑄鐵和天然花崗石進行詳細對比，采用設(shè)計、仿真、測試相結(jié)合的方法，獲得本次所用礦物鑄件的材料參數(shù)，設(shè)計并制造出滿足性能要求的六軸PCB機械鉆機的礦物鑄件機架，借助電子水平儀、平尺、振動測試儀、激光干涉儀、孔位測量機等完成機床精度測試，確認精度與使用天然花崗石機架量產(chǎn)機的精度相當。成功將礦物鑄件應(yīng)用至高精密機床領(lǐng)域。

礦物鑄件；PCB機械鉆孔機；仿真與測試

伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對環(huán)境問題越來越重視。制造業(yè)為社會創(chuàng)造豐富物質(zhì)財富的同時會消耗大量的資源，還會造成環(huán)境污染。在制造業(yè)實施綠色制造技術(shù)，貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已勢在必行。機床是制造業(yè)的基礎(chǔ)，也是一個國家硬實力的代表。高速和高精度是現(xiàn)代數(shù)控機床的主要特征。高性能數(shù)控機床的總體目標是大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)能減排，保護環(huán)境和操作者健康，而不僅是追求高性能的指標。從整個機床生命周期內(nèi)審視，如何減少對環(huán)境沖擊的機床成為當前研究的熱點。

機架是機床的主要組成部分之一，是消耗材料最多的部分。機床的機架通常采用的材料有：鑄鐵、鋼板焊接件、天然花崗石、人造石等。目前在國內(nèi)用量最大的材料是鑄鐵，但是鐵礦石、焦炭等煉鋼原輔材料都是不可再生的自然資源，制造過程會消耗很多資源和帶來不同程度污染。天然花崗石多用在高檔精密機床上，近些年出于保護環(huán)境和保護珍貴材料的目的，產(chǎn)量有限，特別是大尺寸的材料顯得稀缺。因此鐵制和天然花崗石機架不利于環(huán)境也不利于機床的長期發(fā)展，而礦物鑄件作為一種面向未來的環(huán)保材料，以其價格和性能的優(yōu)勢不斷替代傳統(tǒng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)件。

1 礦物鑄件

1.1 組成、特點及廠家

樹脂混凝土（或稱人造石、礦物鑄造）是一種用各種天然礦石、石英砂、玄武巖等原料顆粒為骨料，加入環(huán)氧樹脂為輔料，并經(jīng)增強纖維或納米顆粒強化，經(jīng)過混合攪拌、振動密實而形成的一種新型環(huán)保復(fù)合材料。工業(yè)領(lǐng)域的礦物復(fù)合材料俗稱人造石、聚合物混凝土、樹脂混凝土、超高性能混凝土等，其制品則稱為礦物鑄件[1，2]。見圖1所示。

圖1 礦物鑄造

礦物鑄件是一種可以用來替換傳統(tǒng)金屬或天然石材用于制造精密機床的理想材料，其密度?。s是鑄鐵的1/3），吸震性好（是鑄鐵的10倍，有較高阻尼），精度高（直線度、平面度、平行度可達3～5 μm/m），不易變形（常溫澆鑄，穩(wěn)定性極好），成型能力和整合能力好（豐富的自由度，實現(xiàn)復(fù)雜的外形），耐蝕性和熱阻隔性好（比鑄鐵鑄鋼等金屬材料高），吸濕性低（比天然花崗石低），熱穩(wěn)定性好，抗磁性好，節(jié)能環(huán)保（常溫澆鑄，基本無污染，廢舊材料可回收利用）。

世界范圍內(nèi)，機床礦物鑄件制造廠家很多，但規(guī)模都不大，主要三家是：加拿大EG、德國施耐博格SCHNEEBERGER、德國藍浦RAMPF等。目前進入中國的外商主要有兩家：施耐博格和藍浦，分別在常州和太倉建廠。而國內(nèi)主要有濟南的東星、森華、濟南納諾精密、德國藍浦（太倉）、德國施耐博格（常州）、深圳科藍、上海申克等，還屬于剛剛起步階段。國內(nèi)的廠商主要以優(yōu)質(zhì)的天然“濟南青花崗石”為主料，然后加微量元素和結(jié)合劑，經(jīng)過特殊工藝裝入模具后震動成型。

1.2 材料對比

1.2.1 礦物鑄件與灰鑄鐵比較

灰鑄鐵因其具有流動性好、體收縮和線收縮小、綜合力學(xué)性能低、抗壓強度比抗拉強度高3～4倍、吸振性良好等優(yōu)良性能，經(jīng)過適當?shù)臒崽幚矶鳛閿?shù)控機床機架材料。礦物鑄件的減振效果、熱穩(wěn)定性比鑄鐵高，且阻尼幾乎是灰鑄鐵材料的10倍。通過合理的布局結(jié)構(gòu)，能大大提高靜態(tài)剛度，減小熱變形，降低整機的振動。礦物鑄件與灰鑄鐵性能對比見表1所示。

1.2.2 礦物鑄件與天然花崗石比較

從材料屬性來看，天然石（以青島濟南青為例）的彈性模量為礦物鑄件的3倍，密度是礦物鑄件的1.3倍，相比而言，天然石具有更高的比剛度，為礦物鑄件的2.3倍；礦物鑄件具有很高的阻尼值，為0.02～0.035，是天然石的10多倍。作為結(jié)構(gòu)材料，天然石材料具有良好的結(jié)構(gòu)特性，而礦物鑄件則具有良好的能量耗散機制以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

表1 礦物鑄件與灰鑄鐵性能對比[3]

從成形工藝來看，天然石屬去除成型，礦物鑄件屬堆積成型，因而其工藝制程是不同的。去除成型的工藝特點，制約了天然石結(jié)構(gòu)的設(shè)計空間，難以加工出復(fù)雜的表面形狀；而礦物鑄件則可以鑄出復(fù)雜的表面形狀，甚至可以將結(jié)構(gòu)設(shè)計成內(nèi)部空腔的形式，而天然石則無法做到這一點。此外，天然花崗石易斷裂，難加工，礦物鑄件采用斷裂延伸率較高、韌性較好的樹脂作為基體材料，容易加工，且不易斷裂?？偟膩碚f，礦物鑄件具有高阻尼性、良好的熱穩(wěn)定性、良好的化學(xué)及機械穩(wěn)定性、生產(chǎn)周期短、設(shè)計制造靈活、成本低以及生態(tài)環(huán)保及回收可循環(huán)等優(yōu)點。常用結(jié)構(gòu)材料的屬性見表2所示，其性能見表3。

2 PCB機械鉆機礦物鑄件機架的設(shè)計仿真

2.1 PCB機械鉆機

印制線路板（Printed Circuit Board）簡稱PCB，是在絕緣基材上，根據(jù)電路功能需要按預(yù)定設(shè)計布置，用一定的類似于圖案印刷的特殊工藝手段形成的印制線路、印制元件或二者組合而成的導(dǎo)電圖形稱為印制電路。而在絕緣基材上用作連通分立電器元器件的導(dǎo)電圖形，稱為印制線路。這樣就把印制電路或印制線路的成品板稱為印制線路板，亦稱印制電路板[4]。印制線路板的生產(chǎn)過程是一個復(fù)雜的過程。在整個工序中鉆孔是十分重要的工序，孔的位置精度和孔壁質(zhì)量直接影響制線路板的加工質(zhì)量和加工成本。

表2 常用結(jié)構(gòu)材料的屬性

表3 礦物鑄件與天然花崗石

PCB機械鉆孔機是一為PCB板鉆取通孔或盲孔的光機電一體化產(chǎn)品，業(yè)界主要以配有6個主軸為主流機型。PCB機械鉆孔機主要由機架、伺服驅(qū)動裝置、數(shù)控裝置、檢測反饋裝置及其它輔助裝置等幾大部分組成[5]，見圖2，三軸的復(fù)合運動形成鉆孔的動作。床身上有一約360 kg的工作臺前后Y向運動。橫梁前端掛載約300 kg的負載左右X向運動。X向和Y向的運動速度為85 m/min、加速度為1.2 m/s2。當橫梁前端負載上的6個Z向運動體（每個約12 kg）以速度35 m/min、加速度4.0 m/s2上下運行并撞擊工作臺時，將會產(chǎn)生高能激勵源，而且在工作過程中，運動體源源不斷地持續(xù)沖擊。在機器大尺寸和高速度運動要求下，還要保證高精度的要求，機架的性能顯得尤為重要，它是整機裝配的基礎(chǔ)和精度保證。目前在日本和中國臺灣地區(qū)由于資源有限，多采用鑄鐵材料，歐洲地區(qū)化工水平高，多采用礦物鑄件，而國內(nèi)普遍采用天然花崗石。

2.2 設(shè)計仿真

根據(jù)機床的性能要求，建立礦物鑄件機架三維模型，其中橫梁3 920 mm×460 mm×490 mm，底296 mm×460 mm×275 mm，床身39 20 mm×1 650 mm×480 mm，如圖3所示。

圖2 PCB機械鉆孔機

圖3 礦物鑄件機架

人造石材料作為懸浮型顆粒復(fù)合材料，在實際工況載荷下其整體宏觀性能所表現(xiàn)的力學(xué)行為為小應(yīng)變，仍屬線彈性范疇，因此仿真模型中的靜力及模態(tài)分析計算基于線彈性材料特征完成。通過仿真與測試相結(jié)合的方法多次逼近樣件性能，獲得材料屬性參數(shù)為：密度2 450 kg/m3，彈性模量3.8e10 Pa，泊松比 0.28。

將所有負載施加至機架，進行靜力學(xué)分析，見圖4，最大綜合變形位于橫梁中部，大小為37.5 μm，主要表現(xiàn)為上下方向。

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，分析這些模態(tài)參數(shù)的過程稱為模態(tài)分析[6]。同樣的對機架展 開模態(tài)分析，獲取前六階模態(tài)頻率和振型，如圖5。

3 PCB機械鉆機礦物鑄件機架的驗證測試

通過設(shè)計與仿真反復(fù)確認結(jié)構(gòu)性能滿足要求后，鑄造礦物鑄件機架，并將橫梁和床身裝配到位后展開機架的變形測試、模態(tài)測試以及裝機后的整機精度測試，以下測試均處于恒溫下進行。

3.1 機架變形測試

3.1.1 床身變形測試

采用電子水平儀對床身4條導(dǎo)軌安裝面展開單條導(dǎo)軌的直線度測試以及導(dǎo)軌間的平行度測試。測試采用兩個電子水平儀，一個作為相對基準。4根導(dǎo)軌由左至右順序分別命名導(dǎo)軌為導(dǎo)軌1至4，相對應(yīng)導(dǎo)軌面為導(dǎo)軌面1至4。電子水平儀采用節(jié)距法進行測量，測量步長為電子水平儀橋板長度140 mm，然后采用兩端連線法評定直線度，見圖6。使用大理石平尺橋接需要測量的兩個面，將電子水平儀放置在平尺上，進行導(dǎo)軌間平行度測量，見圖7。4條導(dǎo)軌面直線度以及導(dǎo)軌間平行度測量見圖8。

經(jīng)過反復(fù)多次測試，直線度以及平行度的波動均在±3 μm以內(nèi)，說明床身穩(wěn)定性非常好，設(shè)計和加工均達到要求。

3.1.2 橫梁變形測試

借助一根花崗石高精度平尺和千分表進行橫梁變形測試，因為前后方向變形會影響機器精度，因此測試主要針對導(dǎo)軌面的前后方向變形。測試時，將平尺放至于床身導(dǎo)軌精度面上，千分表監(jiān)控導(dǎo)軌兩端點變形，反復(fù)調(diào)整平尺位置使兩端點讀數(shù)一致，然后保持平尺位置不動，同時置兩端點千分表讀數(shù)為零，最后檢測整條橫梁導(dǎo)軌面的前后方向變形，見圖9。橫梁恒溫在20℃的變形情況見表4。

圖8 4條導(dǎo)軌面直線度以及導(dǎo)軌間平行度測量（測試溫度：20.8℃）

經(jīng)過反復(fù)多次測試，在20℃左右，整條橫梁前后方向表現(xiàn)為拱形中間凸起的狀態(tài)，中間處變形最大，基本維持在23～27 μm，說明橫梁穩(wěn)定性很好，只要不發(fā)生大變形都可以經(jīng)過精修使精度達到性能要求，因此整體來說設(shè)計和加工均達到要求。

表4 橫梁恒溫在20℃的變形情況

3.2 機架模態(tài)測試

使用振動測試儀進行固定錘擊點移動傳感器的方式進行模態(tài)測試。測試時只對橫梁進行錘擊模態(tài)測試，屬于局部模態(tài)測試，得到的為橫梁的模態(tài)振型，但測試結(jié)果已經(jīng)包含床身及相應(yīng)邊界條件的影響，見圖10。橫梁恒溫在20℃的變形情況見圖11。

圖10 機架模態(tài)測試

圖11 橫梁恒溫在20℃的變形情況

從測試結(jié)果看，振型均與仿真的結(jié)果一致，而且頻率值也接近，說明逼近的材料參數(shù)以及仿真設(shè)計的結(jié)構(gòu)是可靠的。

3.3 整機精度測試

在機架基礎(chǔ)上，完成整機水氣電各方面的安裝，展開整機精度測試。

3.3.1 定位精度與重復(fù)定位精度

采用激光干涉儀對橫梁運動體和工作臺運動體展開定位精度和重復(fù)定位精度的測試。結(jié)合ISO230-2-1997標準，測得橫梁運動體定位精度為4.0 μm 和重復(fù)定位精度 3.4 μm，見圖 12，工作臺運動體定位精度3.4 μm和重復(fù)定位精度3.1 μm，見圖13，兩者均達到設(shè)計要求指標。

3.3.2 鉆孔偏差精度測試

CPK制程能力指數(shù)是用于工程評估表示制程能力的一類指標。制程能力是過程性能的允許最大變化范圍與過程的正常偏差的比值，CPK值越大表示品質(zhì)越佳。工業(yè)上一般要求CPK值≥1.33，為A級，最低不能低于1.00[7]。鉆孔過程采用兩片一疊，鉆機數(shù)量約1萬孔，采用Hole_AOI孔位測量機對測試板進行CPK檢測，見圖14和表5，經(jīng)過多次測試，無論面板還是底板6個軸的CPK值均大于1.33，品質(zhì)良好。

圖12 橫梁運動體定位精度和重復(fù)定位精度

圖13 工作臺運動體定位精度和重復(fù)定位精度

圖14 鉆精度板及CPK檢測

表5 精度板CPK檢測情況

4 結(jié) 論

本文闡述了礦物鑄件的基本情況，將礦物鑄件與鑄鐵和天然花崗石進行詳細對比，采用設(shè)計、仿真、測試相結(jié)合的方法，設(shè)計并制造出滿足性能要求的六軸PCB機械鉆機的礦物鑄件機架，將礦物鑄件成功應(yīng)用至高精密機床。通過以上研究，得出以下結(jié)論：

（1）礦物鑄件是一種可用于制造精密機床床身的理想材料，有密度小，吸震性好，精度高，不易變形，成型能力和整合能力好，耐蝕性和熱阻隔性好，吸濕性低，熱穩(wěn)定性好，抗磁性好，節(jié)能環(huán)保等特點。

（2）利用仿真與測試相結(jié)合的方法，獲得本次所用礦物鑄件的材料參數(shù)，密度2450 kg/m3，彈性模量3.8e10 Pa。

（3）借助電子水平儀和平尺檢測床身和橫梁變形，振動測試儀檢測機架的模態(tài)振型和頻率，激光干涉儀檢測橫梁運動體和床身運動體定位和重復(fù)定位精度，孔位測量機檢測實際鉆孔下的制程能力，完成整套檢測流程，確認整機精度與使用天然花崗石機架量產(chǎn)機的精度相當。

[1]向飛.礦鑄件材料在裝備制造業(yè)中的應(yīng)用[J].機電工程技術(shù)，2011，40(7)：159-161.

[2]陳隆德，福令.機械精度設(shè)計與檢測技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[3]加拿大EG公司內(nèi)部資料[Z].

[4]陳百強.高速高精多軸級聯(lián)PCB鉆機切削力的測試與分析[D].深圳：深圳大學(xué)，2007.

[5]黎勇軍.多軸級聯(lián)PCB鉆孔機動力學(xué)仿真分析研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[6]沃德·海倫，斯蒂芬·拉門茲，波爾·薩斯.模態(tài)分析理論與試驗[M].白化同、郭繼忠譯.北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

[7]李寧.PCB制造關(guān)鍵裝備及其控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用示范[R].深圳：深圳市大族數(shù)控科技有限公司，2012.

個人簡介：

陳百強（1989-），男，廣東省深圳市人，工程師，碩士，現(xiàn)從事PCB設(shè)備研制工作。

Application of Mineral Casting in PCB Mechanical Drilling Machine

CHEN Baiqiang，ZHAI Xuetao，LI Yongjun

(Han's CNC Technology Co.，Ltd，Shenzhen 518052，China)

This paper states the elementary knowledge of mineral casting，and a detailed comparison of mineral casting with cast iron and natural granite is made.By means of combining design，simulation and test，the material parameters of mineral casting were obtained，and the mineral casting frame for a six-axis PCB mechanical drilling machine that meets performance requirements is designed and manufactured.With the help of electronic level instrument，leveling ruler，vibration tester，laser interferometer and hole measuring machine，the research also completes machine accuracy test，and makes sure that its accuracy is similar to it of production machine frame using natural granite.Finally，mineral casting is successfully applied to the field of precision machine.

Mineral casting；PCB mechanical drilling machine；Simulation and Test

TG251

B

1004-4507(2017)06-0061-09

2017-10-14