花岗石构件的应用与设计

　　精密加工和微细加工技术是机械制造业的重要发展方向,它们已经成为衡量一个国家高科技水平的重要标志。各项尖端技术及国防工业的发展都离不开精密加工和微细加工技术。当代精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的支柱。另外,很多新技术机电产品(包括微机电产品)都需要提高精度、减小尺度,以促进整个机械制造业技术水平的提高,使机械产品的质量、性能和可靠性得到大幅度的提高。精密加工和微细加工技术是集机、电、光、计算机控制技术、新材料等多门学科的综合技术。在材料中,天然花岗石由于其自身的特性而受到越来越多的重视。采用天然花岗石等优质石材做精密机械的零部件,是精密测量仪器、精密机械发展的一个新方向。世界上许多工业发达国家如美国、德国、日本、瑞士、意大利、法国、俄罗斯等都广泛采用了花岗石作为量具或精密机械的构件。[1]

　　机械构件的主要结构是由功能、制造工艺、材料和承载能力四大要素确定的。同样功能的构件,由于所采用的材料不同,其结构形状相差甚远。一是因为材料性质的差异,二是不同材料所对应的加工条件不同。简单模拟别的材料的结构设计,不仅不能充分利用材料的优点,而且可能导致错误的设计[4]。本文将根据查阅的一些资料和作者的经验体会,介绍有关花岗石构件的特性、特点、应用、设计注意事项和我们的设计实例。

　　1　花岗石的特性和特点

　　花岗石也叫花岗岩,是由近地表或深层的火山(岩浆)作用喷出冷凝后形成的火成岩。在五光十色的花岗石中,“泰山青”或叫“济南青”比较适合于做精密构件。其化学成分中含有SiO2,Al2O3,Fe2O3,FeO,TiO2,CaO,MgO,MnO,K2O,Na2O,Li等,耐酸、碱率均为98%。它呈黑色色泽含灰白花纹、结构致密、质地均匀,经过亿万年老化,稳定性好,强度大,硬度高,精度保持性好。其物理性能如下:线膨胀系数:4·61×10-6/℃,为一般金属的1/3~1/4;比重2·97~3·07×103kgf/m3;抗压强度250~260 MPa;抗弯强度13~16MPa;弹性模量130~150GPa;吸水率0·13%~0·15%;肖氏硬度HS65~72(相当于HRC>50),为铸铁硬度的2~3倍;介电性能10kV。

　　天然花岗石有以下优点:[1]

　　(1)稳定性好。经过亿万年的天然时效,内应力早已消除,组织稳定,几乎不会变形,能长期保持稳定的精度。在使用5~6年后仍然不会失去精度。

　　(2)加工简便,易获得高精度。通过研磨、抛光很容易得到很高的精度和表面粗糙度,不象金属件需要复杂的翻砂、锻造或热处理工艺,也不象陶瓷件需要压制成形、烧结等工艺。因而加工设备简单,加工周期短,成品率高,加工成本低。以1200mm×800mm的平板为例,从毛坯到成品仅用半个月时间就可达到加工精度,平面度可达2·5μm。