三坐标测量机常用材料

三坐标测量机对材料的要求有：

导热性要好，以免外界有温度变化（随时间及空间变化）时形成构件内部的温度梯度，引起机器结构的变形（主要是扭转和弯曲）；

热膨胀系数要小，以免温度变化引起过大的伸长缩短；

要具有比较大的弹性模量（刚性），以免受力后有较大的变形；

高的硬度及耐磨性，保证不易划伤、磨损；

较高的强度不易断裂；

运动部分的材料要求密度小，以减小由于测量机的高速、高加速运动而产生的测量机惯性力；

考虑材料吸水率小，以免受潮变形（质量差的花岗石，由于吸水，足以引起微米级的变形）；

工艺性好，易于加工；

成本要低。

 铸铁（主要是灰铸铁）

灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，含碳量较高（为2.7%~4.0%），因断裂时断口呈暗灰色，故称为灰铸铁。要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷，是应用较广的铸铁，其产量占铸铁总产量80%以上。

灰铸铁是应用较为普遍的一种材料，主要用于底座、立柱、支架、床身等。它的优点是变形小、耐磨性好、易于加工、成本较低、线膨胀系数与多数被测件(钢件)接近，是早期三坐标测量机广泛使用的材料。但也有缺点：易受腐蚀，耐磨性低于花岗石，强度不高。目前灰铸铁主要用在划线机等测量机上。现在越来越多地为其它材料(如钢板焊件、花岗石)代替。但也有些公司，如瑞士的SIP公司认为铸铁是较为理想的基座材料，它的线膨胀系数与钢接近，在整个机器结构中只采用铁金属材料可避免复杂变形；灰铸件可经过较长时间的自然时效，有利于保持长期稳定性。

 钢

钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.06%之间的铁碳合金的统称。钢主要用于外壳、支架等结构，有的测量机底座也采用钢。一般采用低碳钢，而且必须要进行热处理。钢的优点是刚性和强度好。它的缺点是容易变形，这是因为钢在加工之后，内部的残余应力释放导致变形。

钢材料的又一优点是可用焊接件。在80年代初期焊接件成功地应用于测量机及机器人。与铸铁件相比较，焊接件有以下地优点。

 1、焊接构件经过充分地人工时效后可获得较高的稳定性。

2、能获得较高刚度，设计的灵活性比铸件要好，钢构件比铸铁轻。更为突出的是，在许可条件下，可以焊接出空腔甚至多腔结构的封闭型高强度薄壳零件。在这方面，铸件是难以达到的。

3、焊接件的尺寸可以得到很好的控制。成批生产条件下，靠夹具保证焊接件的尺寸；在单件或小批量生产时则靠工人的技术掌握。目前可以将误差控制在±1mm以内，因此在外形设计和加工余量上都可以得到控制。

 当然，焊接件质量的优劣在很大程度上依赖于配套设备的性能。如专用的夹具、弯板以及自动焊接设备等。

 花岗石

花岗石比钢轻，比铝重，是目前应用较为普遍的一种材料。花岗岩的主要优点是变形小、稳定性好、不生锈，易于作平面加工，易于达到比铸铁更高的平面度，适合制作高精度的平台与导轨。目前许多三坐标测量机采用这种材料。如Leitz和Zeiss三坐标测量机，大部分采用花岗石材料。花岗石可用于作工作台、角尺、立柱、横梁、导轨、支架、壳体等。由于花岗石的热膨胀系数小，很适合与气浮导轨配合。

花岗石也存在不少缺点，主要是：虽然可以用粘贴的方法制成空心结构，但较麻烦；实心结构质量大，不易加工，特别是螺钉孔和光孔难以加工，不能将磁力表架吸附到其上，造价高于铸铁；花岗石材质较脆，粗加工时容易崩边；遇水会产生微量变形。使用中应注意防水防潮，禁止用混水的清洗剂擦拭花岗石表面，也应防止静压气体中的水分对导轨的影响。

济南青花岗石弹性模量与铸铁相近，比较如下：

(1)一般灰口铸铁:(1.15～1.60)Mpa。

(2)济南青花岗石: Mpa。

(3)不同产地的花岗石差异较大，一般的花岗石弹性模量为（0.5～0.6）Mpa。

铝合金

三坐标测量机主要是使用高强度铝合金。这是近几年发展快的新型材料。铝材料的优点是质量轻、强度高、变形小、导热性能好，并且能进行焊接，适合作测量机上的许多部件。应用高强度铝合金是目前的主要趋势。

铝合金其导热系数高而适用于温度梯度和温度变化较大的环境中，通过硬质阳极化使其表面形成铝陶瓷（），具有很高的硬度，耐磨性较好。

美国推出的6000号铝合金，各项性能都较好。这种材料的大特点是不易变形，是理想的导轨材料。德国Zeiss采用了这种材料，因此桥框质量减小，变形也减小，适用于快速测量。在德国Zeiss的产品UMC850中，轴和轴的导轨采用了合金材料CARAT(带陶瓷涂层的抗时效铝合金)，由于其导热系数大、温度梯度小，所以不易产生复杂热变形。为减小其伸缩变形，在测量机外部加隔温罩，而且在导轨的右平板上下两面装有若干个温度传感器，在检测出温度变化后即由计算机对由于线膨胀而产生的热变形进行补偿。

 氧化锆陶瓷

氧化锆(ZrO2)是20 世纪70 年代发展起来的新型结构陶瓷，是一种多功能材料，具有十分优异的物理和化学性能，除硫酸和氢氟酸外，对酸、碱及碱熔体、玻璃熔体和熔融金属具有良好的稳定性，而且热导率低、热稳定性好及高温蠕变小，使其在工业生产中得到了广泛的应用。氧化锆陶瓷具有相变增韧和微裂纹增韧，所以有很高的强度和韧性，被誉为“陶瓷钢”，在所有陶瓷中它的断裂韧性是很高。具有优异的室温机械性能。在此基础上，对氧化锆配方和工艺进行优化，可以获得细晶结构的高硬度、高强度和高韧性的氧化锆陶瓷。高硬度、高强度和高韧性就保证了氧化锆陶瓷比其它传统结构陶瓷具有不可比拟的耐磨性。具有细晶结构的陶瓷通过加工可以获得很低的表面粗糙度（<0.1um）。氧化锆陶瓷的弹性模量和热膨胀系数与钢材相近，因而能有机的与钢件组合成复合拉线轮，不会因受热膨胀不一致而造成损坏或炸裂。对氧化锆来说，它具有高韧性，原因是有稳定剂稳定剂的存在，但是它的这种高韧性是有时效性的，比如氧化锆器件放置空气一段时间后，失稳，那么性能就会严重下降，甚至开裂开裂。而且高温时候是没有亚稳相，那就没有高韧性的特点，因此无法在高温使用和室温的时效性都严重制约氧化锆发展。

氧化锆陶瓷是一种新型高技术陶瓷，它与传统的氧化铝陶瓷相比具有以下优点：

1、高强度，高断裂韧性和高硬度 

2、优良的耐磨损性能 

3、弹性模量和热膨胀系数与金属相近

4、低热导率。

氧化锆陶瓷

SiC陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中较佳的。热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的材料，其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度较好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中较好的。

碳化硅陶瓷材料由于抗氧化性强、耐磨性能好、硬度高、热稳定性好、高温强度大、热膨胀系数小、热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，广泛的应用于各个领域。 

碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良特性，在汽车、机械化工、环境保护、空间技术、信息电子、能源等领域有着日益广泛的应用，已经成为一种在很多工业领域性能优异的其他材料不可替代的结构陶瓷。

  碳纤维

碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。具有高比强、高比模、耐疲劳、抗蠕变、比耐热钢还耐高温、比不锈钢还耐腐蚀、耐磨损、尺寸稳定、导电、导热、热膨胀系数小、自润滑和吸能抗震等一系列优异性能。而且，碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。

目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异宝贵的电学、热学和力学性能。