纤维树脂混凝土数控机床基础件热动力学拓扑优化研究综述.pdf
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1、 1 0 8 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 5年 8月( 上) 第 2 9卷第 8 期 纤维树脂混凝土数控机床基础件热动力学拓扑优化研究综述 王 明旭 , 晏丽 ( 河南工业大学机电工程学院, 郑州 4 5 0 0 0 7 ) 摘要 提出了从改善结构设计, 采用新材料的角度出发解决困扰我国数控机床加工精度的难题。在对纤维增 强树 脂混凝 土作 为机床基础件的 国内外研 究现状分析的基础 上, 提 出基 于拓 扑优化 的方法 、 结合数控机床 工作 的环 境条件, 并考虑材料 自身力学本构关系来对纤维增强树脂混凝土机床基础件进行优化设计。最后给出了具体解决策 略 和 思路 。 关键词 纤维
2、增强树脂混凝土拓扑优化 中图分类号 : THI 4 文献标识码 : A 数控机床基础件热动力学 D O I : 1 0 1 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 5 0 1 5 0 2 0 Re v i e w o f S t r u c t u r e The r mo d y n a mi c s To p o l o g i c a l Op t i mi z i ng M e t h o d f o r Fi b e r Re i nf o r c e d Re s i n Co nc r e t e M a t e r i a l Ba s
3、e d Ba s i c Pa r t s o f CNC M a c hi n e To o l s W ANG M i n gx u,YAN Li ( S c h o o l o f Me c h a n i c a l El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ,He n a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 ) Ab s t r a c t A n e w r e s e a r c h i d e a i s p r o p o s
4、e d t o s o l v e t h e ma c h i n i n g a c c u r a c y o f CNC ma c h i n e t o o l ,wh i c h a r e u s i n g n e w ma t e r i a l o f a s t h e b a s i c p a r t o f t h e ma c h i n e b o d y a n d i mp r o v e me n t o f s t r u c t u r e d e s i g n Th e d o me s t i c a n d f o - r e i g n r
5、e s e a r c h o f t h e f i b e r r e i n f o r c e d r e s i n c o n c r e t e p r e s e n t s i t u a t i o n i s c a r r i e d o n t h e a n a l y s i s Th i s me t h o d o f u s i n g t o p o l o g y o p t i mi z a t i o n a n d c o mb i n i n g wo r k i n g e n v i r o n me n t c o n d i t i o
6、n s o f ma c h i n e i s p r o p o s e d Th e me c h a n i c a l p r o p e r t y a n d c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p o f f i b e r r e i n f o r c e d r e s i n c o n c r e t e i S c o n s i d e r e d t o o p t i mi z e t h e s t r u c t u r e o f ma c h i n e ,t h e s e s p e c i
7、f i c s o l u t i o n s a n d i d e a s a r e g i v e n Ke y wo r d s f i b e r r e i n f o r c e d p o l y me r c o n c r e t e ,t o p o l o g y o p t imi z a t i o n,b a s i c p a r t s o f t h e CNC ma c h i n e ,t h e r mo d y n a mi c s 0 引言 数控机床是装备制造业的“ 工作母机” , 是振兴制造产业 的关键设备。一个 国家数控机床的产量和技术水平在
8、很大 程度上代表了这个国家制造业技术水平和竞争力。因此, 快 速发展数控机床( 特别是高档数控机床) 对国家的产业安全 、 经济安全和国防安全都具有极其重要的意义, 与工信部提 出 的“ 工业强基工程” 相吻合 , 与实现中国迈 向工业强 国的 中 国制造 2 0 2 5 相适应。 数控机床作为一类复杂的机电一体化高科技产 品, 随着 用户对机械零件表面质量和加工精度要求的提高 , 用户对数 控机床的加工精度和加工效率提 出了更高的要求 。机床在 切削金属时 , 机床 自身受到大的复杂多变的载荷和温度场影 响, 往往会引起机床振动 , 进而影响加工质量, 使得机床性能 不能充分发挥 , 降低机
9、床使用寿命。振动严重时还会产生崩 刃、 打刀现象, 使得加工无法进行 。此外 , 加工 中, 工艺系统 在各种热源( 摩擦热、 切削热、 环境温度和辐射热等) 的作用 下 , 产生温度场, 致使机床、 刀具 、 夹具产生热变形 , 从而影响 工件和刀具之间的相对位移, 造成加工误差, 影响加工精度 。 有调查表明L 1 : 在精密加工 中, 仅热变形影响的制造误差 占 总制造误差的 4 O 7 O 。例如某万能磨床的床身, 在工作 台和砂轮架重力作用下 , 引起床身导轨凸凹为 4 5 ff m, 而当 磨床运转后 , 由于床身下部油池温度的升 高, 床身热变形所 引起 的床身导轨凸凹却高达 2
10、 5 3 0 m。日本东京大学佐田 登志夫教授把机床热变形看作是 由于温度变化引起的机床 结构刚度不足, 提出了“ 热刚度” 概念 , 将机床的静刚度 、 动刚 度、 热刚度有机结合在一起进行研究。为此, 必须在不断提 高机床 自动化程度的同时, 尽可能改善机床的静态性能、 动 态性能和热稳定性。笔者认为解决上述问题的途径主要有 : 一 是优化机床结构, 二是使用新型材料 。 机床结构优化方面: 近年来随着计算机技术和有限元的 迅速发展 , 研究者在机床结构的优化设计取得了丰硕成果。 如通过试验与理论分析, 找 出了机床 的薄弱环节 、 针对机床 的薄弱环节进行结构优化 , 使得机 床结构 的
11、动、 静态力学性 能得到提高。另外, 结构优化中的尺寸优化、 形状优化、 拓扑 优化技术已经在机床结构优化设计方面发挥着重要作用 。 *国家重大科技专项 ( 2 0 1 2 Z X 0 4 0 1 0 0 9 1 ) ; 河 南省教 育厅 自然基金项 目( 1 2 1 3 4 6 0 0 0 2 ) ; 河南工业大 学高层次人才基金项 目 ( 2 O1 1 BS 0 2 1 ) 王明旭: 男, 1 9 8 0年生, 博士, 主要从事结构动力学优化, 结构疲劳失效分析等方面的研究E - ma i l : wmx 2 0 0 3 2 0 0 2 1 6 3 c o rn 纤维树脂混凝土数控机床基础
12、件热动力学拓4 1- 4 g* 0 1- 究综述 王明旭等 1 0 9 研究者在机床结构设计和控制系统研究 的同时 , 发现传统的 机床基础件铸铁材料虽然具有 良好 的刚度、 强度和切削性 能, 但其动态性能不足, 热稳定性差 , 而且在生产过程存在周 期长 、 耗能大的缺点, 已经不能很好满 足用户控制加工成本 或特殊加工的需要。为此 , 研究者开始致力于机床基础件新 型复合材料的研发 , 并先后尝试了天然花 岗岩、 普通混凝土 、 钢筋混凝土、 聚合物混凝土和纤维增强树脂混凝土制造机床 基础件。 作为结构材料 , 聚合物混凝土铸件在机床行业被广泛接 受已经 3 0多年了。据统计, 在 欧洲
13、 , 每 1 O台机床就有一 台 使用矿物铸件做床身。如瑞士、 法 国、 日本德国等已成功用 树脂混凝土制造机床床身、 立柱 、 主轴等构件 , 其中法 国树脂 混凝土机床构件 已产业化 , 形成系列产 品, 并制定了国家标 准( D I N) , 但是它在国内机床制造业 中的应用推广却很慢。 目前国内对新型材料做机床床身进行的研究多倾向于提高 机床性能, 以高成本为代价来获得高精度机床 , 而以降低机 床成本和环境保护为主要 目的研究较少 , 特别是当前钢铁材 料大幅涨价, 更加剧了国内机床企业的竞争压力 。寻求一种 价格较为低廉且性能与铸铁相差无几甚至高 于铸铁 的新型 材料代替铸铁制造机
14、床床身, 已成为制造企业谋求提高机床 质量和企业利润的出口。 2 0 1 2 年国家 O 4 专项“ 高档数控机床与基础制造装备” 将 “ 纤维增韧增强树脂矿物复合材料及其精密机床床身精度稳 定性技术” 列为课题项 目之一。笔者早 在 2 0 0 4 年 曾把纤维 增强树脂混凝土作为一种用于制造机床基础件的新 型复合 材料, 发现其具有 良好 的吸振性 和热稳定性 , 并对其 阻尼 比 等参数进行了试验。试验发现纤维增强树脂混凝土热变形 系数约为 5 9 2 1 O , 约为铸铁的 i 2 , 热传导率是灰铸铁 的 1 2 0以下, 在遇到短时内外界温度变化时, 温度恒定时间 要长 3倍以上,
15、 而温度影 响的反应振幅只有 1 3 。钢纤维的 加入提高了其抗剪强度、 抗压强度及劈裂抗拉压强度和抗冲 击性能, 优越的动静态性能满足了发展 高速度 、 高精度机床 对床身的要求。 长期以来 , 研究者对机床振动、 热变形测量及误差补偿 的研究, 主要从改善和优化制造机床的结构出发, 未能从利 用其他具有优 良热性能材料的角度出发, 同时从优化制造机 床基础件的结构 的角度出发来提高机床静、 动态和热性能 , 以提高机床的加工精度 。机床稳定的热性能是影响机床加 工质量的重要因素 , 开展纤维增强树脂混凝土机床基础件 的 热性能研究是很有必要的, 研究者多从静、 动态力学角度研 究材料性能,
16、 尚未涉及热态性能研究。此外, 纤维增强树脂 混凝土复杂的力学性能和本构关系完全不同于传统机床基 础件材料铸铁 , 设计者不能完全遵循传统 的设计方法设计纤 维增强树脂混凝土数控机床基础件, 需考虑材料 自身力学性 能 。 1 国 内外研究现状 1 1 纤维增强树脂混凝土数控机床基础件的研究现状 树脂t 昆 凝土在机床基础件中的应用大致经历了普通混 凝土 、 树脂混凝土、 纤维增强树脂混凝土的发展历程。 国外, 自 从混凝土 问世以来, 其在制造机床构件方 面的 应用得到了飞速发展。如德 国的 S c h l e s i n g e r公司、 B o e h r i n - g e r 公司、
17、 B u r k h a r t &We h e r 公司以及 D a r ms t a d t 大学等企业 研究所成功将树脂混凝土用于加工中心和高速机床上, 并完 成聚合物混凝土德国工业标准等 。欧洲其他 国家如 : 瑞士 的 Ge o r g e f e s h e r 公司、 S t u d e r公司等 , 自 S t u d e r 公 司 自行研制 成第一台外圆磨床 的树脂混凝土床身和主轴后 , 2 0世纪 8 O 年代初又制成了 $ 3 0 到 $ 5 0数控外 圆磨床的树脂混凝土床 身。意大利 的 No r ma公司与 S a n R o c c o公司相继推 出装有 钢筋混凝
18、土构件或纤维增强树脂混凝土构件的机床产品。 日本机械工业促进协会 技术研究所试制 了树脂混凝 土 材料磨床床身 , 并将聚合矿物复合材料技术应用于高速车床 床身 。 为了更好地将树脂混凝土应用于机床基础件 , 满足近年 来机床产业高精 高速发展的新要求 。国外学者采用将钢纤 维、 玻璃纤维加入混凝土或树脂混凝土以提高材料力学性能 用于制造机床结构 ; 尝试将聚合物混凝土与传统金属材料结 合的方式设计机床结构等不同的方式 。如早在 1 9 9 5 年, M R a h ma n等瞳 就将 钢纤维增 强混凝 土用 于制造型 号 P S G - 5 2 D X的机床结构, 并对其性能进行测试 , 验
19、证 了钢纤维增强 混凝土用于制造机床的合理性。随后凭借该材料 优良的阻 尼特性 , 在 2 0 0 1 年 , M R a h ma n 3 又将其应用于数控机床 。 2 O O 8 年 J u n g D o S u h 4 将聚合物混凝土框架结构应用在龙门 铣床机 床 底 座 上, 并 取 得 了 不错 的 效 果。2 0 1 1年 S u n g Ky u m C h o等 5 将树脂混凝土用于小型机床结构以减轻结构 的质量 , 提高结构刚度。2 0 1 2 年 He a d e r Ha d d a d _ 6 对树脂混 凝土的各种力学性能参数进行测试 , 获得了性能优 良的树脂 混凝
20、土材料 , 并将用于精密机床结构的制造。 国内自2 0 世纪 5 O 年代末, 机床制造业 中提出用非金属 材料制造机床支撑件开始 , 北京机床研究所 、 上海机床厂 、 大 连机床厂 、 同济大学等企业 、 高校研究 所通过 自主研发或采 用技术交流的形式进行相关技术研究 , 相继采用钢筋混凝土 或聚合物混凝土用于机床基础件的制造 。但 由于受到各种 因素的影响, 没有获得批量生产。随后 , 国内多所高校企业 展开混凝土材料在机床上应用的研究 。如辽 宁工程技术大 学徐平 7 从机理上分析 了钢纤维聚合物 昆 凝 土力学性能和 阻尼的内在本质, 并通过制造 、 测试钢纤维聚合物混凝土车 床床
21、身模型证明了该材料制造机床床身的优越性 和合理性 。 早在 2 0 0 7 年济南鲁洋科技有限公司又与济南第四机床厂共 同合作研发 , 并制作了树脂基复合材料床身。国内其他高校 如大连理工大学、 山东大学( 山东工业大学) 、 重庆大学 、 昆明 理工大学等分别从纤维增强树脂混凝土材料的制备工艺、 性 能测试 以及纤维增强树脂混凝土机床基础件 的制造加工、 床 身静动力学性能测试、 仿真分析等角度来验证纤维增强树脂 混凝土用于制造机床基础件合理性。国内吴隆 8 较早将树 脂混凝土用于机床床身的制造 , 对材料组分的配 比以及填料 对材料 的影 响进 行 了相 关研究 。山东工 业大学 的李剑锋
22、 等_ s 将聚合矿物复合材料用 于了机床夹具的制造。大连理 1 1 O 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 5 年 8月( 上) 第 2 9卷第 8期 工大学的王德伦I l 。 。 团队进行 了钢纤维混凝土床身的特性分 析与试验研究 , 从静态与动态性能分别分析了钢纤维混凝土 制造床身的可行性 , 结果表明钢纤维混凝 土材料制成的床身 在刚度 、 强度和固有频率等方面均能满足床身要求。浙江工 业大学的卢波 1 团队基 于有限元方法对树 脂混凝土构件 在磨床上的应用进行 了大量的研究。他们将 树脂混凝土应 用到大型数孔龙门平面磨床立柱的制造 , 并采用有限元方法 对树脂混凝土立柱进行了动力学分
23、析, 验证 了树脂混凝土立 柱比铸铁材料具有更佳的动态特性 。陈旭东等 1 胡 研究 了树 脂混凝土材料 VMC L 6 O O加工 中心关键结构 的制造 , 提出金 属材料与树脂混凝土相结合的混合结构用于机床床身制造 , 能进一步提高机床床身的综合性 能。重庆大学的周忆_ 】 4 _ 教 授团队对树脂基复合材料床身的阻尼性 能及热性能进行 了 研究。屈涛等n 基于试验 的方法对树脂混凝土床身进行 了 模态分析。山东大学的白文峰等_ 】 对纤维增强 聚合物混凝 土及其界面与阻尼机理进行了相关研究。 由于混凝土本身存在着非均匀、 非连续 、 非线性 以及多 相性等特点, 决定了其力学性能的复杂多
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- 纤维 树脂 混凝土 数控机床 基础件 动力学 拓扑 优化 研究 综述
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