复合混凝土机床床身及其动静态性能研究.pdf
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1、设计与研究DesignandR洲曲 复 合 混 凝 土 机 床 床 身 及 其 动 静 态 性 能 研 究+ 丁江民周光富 (大连交通大学,辽宁大连116028) 摘要:以高强硅酸盐钢筋水泥混凝土为内核主体、以树脂混凝土为外部包覆层的复合混凝土是一种应用于 制造机床床身的新型材料,以制造卧式Jm -r中心机床床身为例,进行了其相关材料性能测试。在测试 数据的基础上对复合混凝土材料卧式加工中心机床床身动静态性能进行了仿真分析和实验,结果表 明该种复合混凝土机床床身具有优良的动静态性能。 关键字:复合混凝土床身仿真测试 中图分类号:TI- I1454文献标识码:A St udy of dynam
2、i c andst ati c per f or m ance f or com posi t e concret e m achi ni ng t oolbed D I N GJi angm i n,ZH O UG uangf u (DalianJi aot ongU ni vers i t y,D al i an 1 16028,CH N) A bst ract:C om posit e conc ret ew hi chconsi stof si l icat erei nforcedcem entconc ret ei nnercoaland pol ym er concr et e
3、ext ernal coat i ngl ayer i sanewm at eri al appl i ed t om achi net oolbed m anufactur i ngThe hori zont alm a- chi necent erbedm anufacturi ngw ast akenasanexam pl edynam i c& stat i csi m ul at i onandt es tbasedon t he par am et er cam efr omt herel at edm at eri al pr openy t es tshadbeendoneTh
4、er esul t sshow edt hatt he appl i cat i on of com posi te conc ret em achi netoolbedhasexcel l ent dynam i c& st at i cperform ance K eyw or ds:Com posi t eConcret e;M achine ToolB ed;Sim ul at ion;Test 机床是制造业的关键设备,随着科学技术的不断 发展,对其要求越来越高,其高精度、高速度、高效率已 经成为主要发展趋势,传统的铸铁床身已经不能满足 日益发展的精密机床性能要求。另外,随着矿产资 源
5、的匮乏以及人们环保意识的提高,迫切需要新型较 环保材料来替代传统的机床床身材料旧J。 钢筋混凝土具有成型简单、阻尼高、热性能好、价 格低廉等优点。早在1917年,德国的Schl esi nger 首先 提出钢筋混凝土在机床大件上的应用,之后德国的 Boehri nger于上世纪40年代生产出了钢筋混凝土车床 床身。随之,前苏联和美国也于60年代将钢筋混凝土 应用于大型车床床身和龙门铣床床身的制造,但是经 过一定周期的使用,均发现钢筋混凝土易裂和不耐腐 蚀的特性,不能承受切削液的侵蚀和工件的碰撞,因此 未能推广应用口。j。 树脂混凝土不仅具有高阻尼、高比刚度、导热率低 和热变形小的优点,还具有耐
6、腐蚀、抗裂、成形性好的 特性。早于上世纪70年代,瑞士的精密磨床生产厂家 斯图德( STU D ER ) 公司就制成了S40和$50系列数控 外圆磨床的树脂混凝土床身。1990年后,济南东星精 密量仪有限公司也制造出了树脂混凝土床身,现已形 成系列产品。树脂混凝土床身虽然具有优良的技术性 能,但是其制造成本较高,故目前只主要应用于昂贵的 高端精加工中心等数控机床,难于广泛推广应用H 。6o。 2010年大连交通大学的丁江民提出以高强硅酸 盐钢筋水泥混凝土为内核主体、以树脂混凝土为外部 包覆层的复合混凝土应用于机床床身制造的设想,综 合了两种混凝土的优点。该种复合混凝土不仅具有机 床床身所需要的
7、高阻尼、高比刚度、耐腐蚀、抗裂、导热 率低和热变形小的特性,且其制造成本较低廉,经计 算,制造成本约为对应铸铁床身的23和树脂混凝土 床身的13,具有极高的性价比,有利于推广应用B l3l。 本文主要进行了该新型复合材料性能测试,并在 此基础上进行机床床身几何建模以及动静态性能仿真 分析,最后对小比例复合混凝土卧式加工中心模型进 行了实验,结果均证明应用该种复合混凝土制造的机 床床身具有优良的动静态性能。 十辽宁省自然科学基金:复合两种不同特性混凝土制造机床床身的技术研究(20092151) 88 糌 图1树脂混凝土振动曲线 1 复合混凝土材料的制备及性能 11树脂混凝土的制备 树脂混凝土以E
8、51环氧树脂为基料,邻苯二甲酸 二丁酯D B P为增韧剂,以AG E为活性稀释剂,乙二胺 为固化剂,粉煤灰为填料,选用青石为粗骨料,其直径 为2510m m ,细骨料为河砂,骨料含泥率低于1, 含水率低于05。调整主要三因素(E51、乙二胺和 D BP)的配合比,以强度、硬度、阻尼、导热率和线胀系 数等为评价标准,进行正交实验,得到树脂混凝土材料 最佳配合比如下:E51:A G E:D BP:乙二胺:粉煤灰 :细骨料:粗骨料=120:5:5:72:120:100 :350。 在配制过程中,先将粉煤灰和细骨料与环氧树脂 搅拌均匀,然后,再以沉降法加入粗骨料,保证骨料分 布均匀和密实。 12硅酸盐
9、水泥混凝土的制备 硅酸盐水泥混凝土以标号为525R 的高强硅酸 盐水泥为基料,选用青石为大骨料,直径为2510 m m ,河砂为细骨料,直径为01525m l n。使用纯净 水。外加剂为高效减水剂,依据高强硅酸盐混凝土配合 比设计公式哺3进行计算,得到材料的最佳配合比。水 泥:河砂:水:大骨料:中骨料:小骨料=04:04:012: 02:065:023 13性能 (1) 静态力学性能参数 环氧树脂混凝土和硅酸盐混凝土的有关强度和弹 性模量性能参见表1和表2。 渊ZU 弩专;扩 o_+昂I朋 Desi gnandR嘲砌设计与研究 表1环氧树脂混凝土和硅酸盐混凝土的有关强度 M Pa 环氧树脂混凝
10、土硅酸盐水泥混凝土 抗压强度 7266 劈裂抗拉强度 5734 抗折强度 645 1 表2环氧树脂混凝土和硅酸盐混凝土弹性模量 M Pa 环氧树脂混凝土弹性模量 37300 硅酸盐水泥混凝土弹性模量 36800 (2) 阻尼参数 刚度、质量和阻尼是影响机床结构动力学的主要 3个参数,而阻尼尤为重要,是控制振动的主要参数, 对床身动态性能有着举足轻重的影响。树脂混凝土和 硅酸盐水泥混凝土测试振动曲线见图1和图2,它们 的阻尼比见表3。 表3环氧树脂混凝土和硅酸盐混凝土的阻尼比 环氧树脂混凝土 O 056 硅酸盐水泥混凝土 00406 2 卧式加工中心铸铁床身模型及仿真 21卧式加工中心铸铁床身几
11、何模型与有限元模型 用ProE进行床身的几何建模,H yperm esh进行 前处理工作,应用A nsys进行运算和相关的后处理工 作。本文实例是某型卧式加工中心床身,总体设计布 局为纵、横床身呈倒T字型结构,X 向床身导轨呈前低 后高阶梯状分布。其中,Z轴为工作台沿纵床身前后 移动,X 轴为立柱,沿横床身左右移动。y轴为主轴 箱,沿立柱上下移动。其主要参数见表4。 表4卧式加工中心具体参数 参数名称参数值 工作台尺寸nun l000 x500 x250 工作台承重kg 500 主轴最高转速( rrai n) 12O oo 主电动机最大功置KkW 15 X 轴行程nl ln 800 Z轴行程r
12、 am 800 Y轴行程咖 700 数控系统 Fanuc 应用ProE对有铸铁床身进行1:1几何建模,与 89 设计与研究DesignandR嗍咄 原设计保持一致,经过几何优化后将其导人H y- perm esh中进行网格划分。对几何实体进行合理的切 割与网格划分,将床身划分为六面体单元,注意细化应 力集中处的网格划分,最小雅可比为O7。图3为铸 铁床身的几何模型,图4为铸铁床身有限元模型。 图3铸铁床身的几何模型 图4铸铁床身有限元模型 22卧式加工中心铸铁床身有限元仿真 经A N SY S分析后得到的前五阶固有频率见表5。 表5铸铁床身前五阶固有频率 固有频率阶数固有频率值H z l928
13、41 210402 314123 4 14923 518607 对各阶振型分析后,确定一阶振型x向后导轨处 以及二阶振型z向床身动刚度较低,在复合床身设计 时注意加强两处。经A nsys分析后得到的铸铁床身静 变形位移和应力云图见图5和图6所示。铸铁床身一 阶振型和二阶振型见图7和图8,其中床身最大变形 0024m m ,最大应力11M Pa。 90 图5铸铁床身位移云图 图6铸铁床身应力云图 图7铸铁床身一阶振型 图8铸铁床身二阶振型 在谐响应分析中,模仿精加工时的工作情况,在床 身左侧z向导轨中间位置x、y、z、方向分别施加100 N 的力,频率变化范围为90一150H z,包含5阶共振频
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