达诺巴特研发白皮书第二部：提高机床性能和精度，为什么是花岗岩床身？

旗下有达诺巴特、OVERBECK和汉布雷格公司，达诺巴特在制造精密磨削和车削机床领域拥有70多年的经验。凭借在设计加工系统各个组件的深厚技术经验，达诺巴特选择使用天然花岗岩床身来满足苛刻的应用。原因如下：

一切都始于床身

制造一台真正精密的，且长期保持精度的机床需要很多要素。一些附加组件可以提高机床的精度，但任何组件都无法补偿初始结构不健全的设计。一切都始于床身，它可能是机床最重要的部件。

高性能床身稳固、坚硬，并吸收机床运动和加工引起的振动。机床的机械设计固然重要，但材料也同样重要。精密机床的材料历来都是铸铁，而且越多越好。然而，凭借20多年的材料经验，达诺巴特工程师认识到天然花岗岩具有更好的抗振性和热稳定性。特别是在精密磨削和硬车削领域，花岗岩正成为高性能机床的新材料选择。

机床床身的要求

机床的结构组件必须确保几何精度的长期稳定性、机械装置的长期刚性（刚度）以及系统的抗振性。这使得机床能够在各种加工条件下保持精度，且工件与刀具或砂轮接触点的振动最小。低振动能够实现更强的加工工艺、更好的表面粗糙度和更长的刀具寿命。

达诺巴特发现花岗岩的固有特性使其减振能力明显优于铸铁；热稳定性更高；而且，设计得当，刚性也更高。下面将详细介绍。

长期稳定性

谈到精度，机床的最佳精度是它组装好的那一天。适当调整机床各轴的直线度和垂直度，校准机床到尽可能精确的精度。但随着时间的推移，由于多种原因这种精度可能会下降。一个原因是铸造的内应力或聚合物混凝土床身使用的塑料材料，导致床身可能随时间推移而变形。以下对比了主要的床身材料在较长时间内保持形状的能力。

铸铁和钢

这些材料制造的工件内部应力值较大，即使应用了缓释技术，如致动器稳定（在临界模式下引导振动）或将工件“浸泡”在多个昼夜热循环的环境中。随着时间的推移，这些残余应力释放，将导致基础几何结构的不对称变形。

聚合物混凝土

聚合物混凝土虽然比铸铁和钢更稳定，但随着时间的推移，几何精度也会发生变化，这主要是由于聚合材料的蠕变效应。

天然石材（花岗岩）

天然花岗岩在地球上已经稳定存在了数百万年，因此用这种材料制成的工件没有内部应力。花岗岩作为床身制造的工件为工程解决方案提供了最稳定的几何精度，这就是为什么它是高精度要求应用的标准，如测量设备CMMs或超精密机床。

阻尼振动还是减振？

达诺巴特和其他材料工程师测量阻尼能力的一种方法是使用“损耗系数”，指的是材料在冲击后振动的时间。数值越高，振动越大。例如，金属钟的设计就具有很高的损耗系数，这就是为什么铃声会持续。而您需要的机床正好相反，花岗岩的数值要低得多。

在更直接的阻尼系数测量中，达诺巴特工程师发现花岗岩的性能大约是铸铁的五倍。虽然不能单独拿该值来比较两台机床，因为许多其他因素都会影响机床的整体振动特性，但可以肯定地说，花岗岩床身的振动幅度和持续时间都比铸铁小得多。在对振动极为敏感的加工应用中，这种差异很重要。

热稳定性

结构件受热时产生的变化对机床精度会产生重大影响。机械工程师认识到，机床升温时会“变大”。对于小机床的低公差工作要求，这不会有大的影响。但公差越小，机床越大，机床结构件的热稳定性更加重要。

机床主要有三种热源

• 机床运动件(滚珠丝杆、主轴等)的摩擦

• 加工过程本身产生的摩擦

• 机床周边条件

很多方法可以减轻这些因素。例如，高精度机床越来越多地引入冷却（冷却器）系统，冷却的液体通过滚珠丝杠和主轴等机床的关键组件进行循环。通常公差极高的工作都在温控环境下进行。

但从根本上管理机床热效应的能力始于床身。在此重申，花岗岩的性能明显优于铸铁或焊接钢。

从工程角度来看，有两个值可以最好地定义材料的热性能:

热膨胀系数

达诺巴特发现，虽然热膨胀率是比较材料最常用的特征，但它并不总是最重要的。尽管如此，在相同的温度变化下，铸铁床身的膨胀率几乎是花岗岩床身的两倍。

长期热响应

材料对温度变化的响应速度由热扩散率（导热率和比热容的比率）进行评估。花岗岩对温度变化的反应速度比铸铁慢40倍，因此在白天/晚上或机床暂停（更换刀具、上料等）的热循环下，花岗岩床身能够保持稳定。

内在的热行为可以通过有限元分析进行模拟。这里展示的是达诺巴特对典型铸铁结构与类似实心花岗岩床身之间的比较。这两种材料设计有相同的比刚度，然后置于模拟的24小时昼夜循环温差为+/-2ºC（35.6ºF）的热变化中。在这种情况下，模拟显示花岗岩的抗热膨胀能力比铸铁高7倍。

整体方案

与花岗岩相比，铸铁的一个优点是杨氏模量定义的内置静态刚度更大。这是对材料在应力下拉伸和变形程度进行量化的性能。通过测量，花岗岩（85GPa）的刚度低于铸铁（125GPa），但天然石材的弹性模量和密度之间的比刚度更好，分别为28.3和17.4。因此，对于设计合理、质量相同的机械部件，花岗岩的静态刚度比铸铁高63%。

考虑天然花岗岩床身而不是铸铁和聚合物混凝土还有一个原因：环境影响。制作铸铁床身需要花费大量的精力用于采矿、冶炼和铸造。聚合物混凝土稍好一些，但制造塑料材料非常耗能，而且存在必须要减少的排放问题。天然石材直接从采石场开采出来，然后塑造成最终的形状。当然，这并不是对环境“无害”的，但它比其他工艺更环保。

正如本篇开头所说，制造更精密的机床需要考虑诸多因素，床身材料只是其中之一。但如果没有一个符合最高标准的能够进行高性能加工的床身，机床精度必将受到限制。

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（达诺巴特集团）

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