聚合物混凝土立式加工中心床身的设计与分析.pdf
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1、 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g n&Ma nu f a c t u r e 第 1 0期 2 0 1 3 年 1 0月 聚合物混凝土立式加工中心床身的设计与分析 贾伯卿 , 丁江民 , 王瑞 ( 1 大连交通大学 机械工程学院, 辽宁 大连1 1 6 0 2 8 ; 2 沈阳四龙机器制造有限公司, 辽宁 沈阳1 1 0 1 4 1 ) 摘要: 为了 提高精密机床的k_ v - 精度, 使机床在高 速k_v - 时振动应最小。高精密机床床身应具有较高的结构刚度和 高阻尼性能。 传统材料的机床床 身无法同时满足上述两个条件需要。 为此研制一种钢构架外浇
2、筑聚合物混凝土的机床 床身, 通过实验和计算得到了聚合物混凝土的最佳配合比。 研究结果表明, 该床身具备高刚度和高阻尼性能, 机床在高 速加工过程中具有较高的稳定性, 可以满足高速加工中心的支承大件的性能要求。与同类传统机身机床相比, 机床加 工精度更 易保证。 关键词: 聚合物混凝土; 机床床身; 阻尼; 精密加工 中图分类号: T H1 6 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 4 8 0 3 De s i g n a n d An a l y s i s o f Hy b r i d P o l y me r Co n c
3、r e t e B e d f o r Ve i c a l Ma c h i n i n g Ce n t e r J I A B o - q i n g ,DI N G J i a n g - mi n , W ANG Ru i ( 1 C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y , L i a o n i n g D a l i a n 1 1 6 0 2 8 , C h i n a ; 2 S h e n y a
4、 n g S i l o n g Ma c h i n e Ma n u f a c t u r i n g C o , L t d , L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 1 4 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t : I n o r d e r t o i m p r o v e t h e p r o d u c t i o n e f fi c i e n c y o f t h e p r e c i s i o n m a c h i n e t o o l s t e m ach i n e t o o l s v
5、 i b r at i o n d u r i n g 动 s p e e d m a c h i n i n g s h o u l d b e t h e mi n i m u m Hi g h p r e c is i o n m ach i n e t o o l s l a t h e b e d s h o u l d h a v e h i g h s t if f n e s s a n d h i g h d a m p i n g p e r m e ,b u t t h e t r a d i t i o n a l ma t e r i als of m ach i n
6、 e t o o l l a t h e b e d c o n t s i mu l t a n e o u s l y s at f y t h e a b o v e t w o c o n d i t i o n s T h e r e f o r e ,i t d e v e l o p s a l at h e b e d t h at use s m ach i n e t o o l p o l y me r c o ncr e t e s t e e l f r am e a n d t h e o p t i ma l m ix p r o p o r t i o n of
7、 c o n c r e t e - p o l y me r n w tt e r i al i s o b t a i n e d b y e x p e r i m e n t a n d c a l c u l atio n R e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h at t h e b e d c o n s at i s f y t h e h i g h s t iffn e s s and h i g h d amp i n gp e 咖r manc e 0 厂 l ath e b e d , and t h e mach i ne t
8、 o o l h a s 劬 s t abi l i t y i n s p e e d mach i n i n g p r o c e s s ,w h i c h C an me e t t h e p e 咖 F in anc e r e q u i r e m e n t s of t h e h e a v y s u p p o r t i n g j o b i n h ig h - s p e e d m a c h i n i n g c e n t e r C o m pari n g wi t h o t h e r t r a d i t i o n a l mac
9、h i ne t o o l s , i t s mac h i n i n gp r e c i s ion i s D z o r e l i k e l y t o b e g u ara n t e e d Ke y W o r d s : P o l y me r Co n c r e t e ; M a c h i n e To o l La t he Be d; Da mp i n g; P r e c i s i o n M a c h i n i n g 1引言 ,最高转速为3 5 0 0 0 r , m i n 。 如 此高速的操作极易引发机床的床身结构振动, 影响产品的加
10、工精 度和表面质量 1 。 由于机床结构是金属材料制成, 阻尼特f生相对较 差。因此, 一些辅助阻尼器, 例如动力减震器、 兰彻斯特动力吸振 器等已被用来增加阻尼。然而, 它们的使用效果被预定的模式和 频率所限制日 。 聚合物混凝土具有高阻尼、 中刚度和低的成本的材 料特性, 适于作重大机床床身辅助材料。 2聚合物混凝土的特性 聚合物混凝土由高分子基体的聚集体组成,通常添加的是 环氧树脂或不饱和的聚酯。 通常是环氧树脂或不饱和的聚酯。虽 然环氧树脂具有更好的材料特性, 但是在这项工作中, 不饱和聚 酯依然作为一种特定的辅助材料, 因为其多样化的结构和较好的 固化速度, 而且更便宜, 适用于大型
11、结构。 聚合物混凝土材料的特 性决定了床身的特性, 因此分别对尺寸为 1 0 0 m m 3 的立方体聚合 物混凝土和常规水泥混凝土样块进行了抗压试验、劈裂抗拉试 验、 抗折试验和阻尼测试等, 并且计算试块弹性模量、 密度等。聚 合物混凝土试块特陛测试结果, 如表 1 所示。 表 1聚合物混凝土的物理特性试验结果 Ta b 1 Ph y s i c a l Pr o p e r t ie s o f Po ly mer Co n c r e t e Te s t Re s u l t s 3聚合物混凝土床身的设计与分析 机床床身的基本设计概念被确定为一个由钢板焊接结构组 成的骨架和聚合物混凝土
12、包裹的复合结构。 床身复合结构的阻尼 很大程度上来自外部的聚合物混凝土的阻尼, 而且内部的钢骨架 来稿 日期 : 2 0 1 2 1 2 0 4 基金项目: 沈阳市科技计划项目( F 1 2 - 0 8 5 2 _ 0 6 ) 作者简介: 贾伯卿, ( 1 9 8 7 一 ) , 男 , 河北 昌黎县人 , 硕士研究生 , 主要研究方 向: 非金属复合材料机床床身 丁江民, ( 1 9 6 2 一) , 男 , 副教授 , 主要研究方 向: 机械制造及其 自动化 第 l O期 贾伯卿等 : 聚合物混凝土立式加工中心床 身的设计与分析 4 9 提供了很高的强度和刚度。 高速 式加, 1 : 中心
13、的床身及其内部钢 板焊接骨架的结构, 如罔 3 所尔。其规格丁如表 2 所示。 罔 3聚合物混凝土高速 立式J J 1 I : _ J心眯身结构及内部钢板焊接结构 F i g _ 3 Hi g h S p e e d Ve r t i c a l Ma c h i n i n g C e n t e l Be d S t r u c t u r e o f P o l y me r Co n c r e t e a n d I n t e r n a l S t e e l P l a t e W e h t e d S t ruc t u r e 表 2机床设计规格 Ta b 2 De s
14、ign SD e c mc a t iOn s f or Ma c h i n e 规格 参数值 尺寸( X x Y x Z, n l lf1 ) 行程 ( X x Y x Z, h i m) 快速进给 ( x y Z) 直线加速度( 一y ) 直线进给力( 一 y ) 导轨变形极限( m) 质量( k g ) 主轴最高转速( r ra i n ) l 5 4 O 2 0 5 7 8 5 0 8 O 0 8 00 5 5 0 5 0 m mi n 1 5 m s 2l k N + 3 0 21 o o 3 5, 0 O 0 在实际装配中, 床身底部同定在地面上, 故把床身底面规定 为全约束。考
15、虑装配在两侧立柱上的横粱、 滑枕 、 轴等部件的重 力, 同时假设在 、 Y 、 方向上的切削力相同, 以及两侧立柱受到 的惯性力和横梁移动时产生的摩擦力, 在两侧立柱上施加均布载 荷, 进行静力分柳q 。静力分析后应力和总体变形结果, 如图 4所 示。通过变形结果发现, 结构刚度很大程度上取决于 方向上聚 合物混凝土的厚度和加强筋的布置。因此在设计过程中, 如何抵 抗两侧立柱的变形, 被选定为设计的主要部分。 ( a ) 应力云图 ( b ) 位 移云图 罔 4机床床身静力分析应 力云图及位移云图 F i g 4 S t a t i c F o r c e An a l y s is o f
16、 Ma c h i n e Be d 静态和动态特性都是通过有限元分析 A N S Y S I 2 0进行计 算。模态分析的结果 , 主要是来 自两侧立柱的振动期间的主要 变 形和频率数据 , 如图 5 、 表 3所示。 ( a ) 一阶 ( b ) 二阶 ( C ) 三阶 ( ( i ) 四阶 ( e ) 五阶 ( f ) 六阶 图 5聚合物混凝土床身模态分析 Fi g 5 Mu d e S ha p e s o f Vi b r a t i o n o f t h e Ma c h i n e To o l Be d 表 3频率数据 Ta b 3 F r e qu e n c y Da t
17、 a 模态分析 一阶 二阶 三阶 四阶 五 阶 六阶 众所周知, 在一阶振动模式下, 有很大一部分振动能量是由 于一阶振动比其他高阶次更高的振幅引起的。因此, 采用应变能 的方法来估算一阶振动下的阻尼。床身两侧立柱被假设成 方 向的混凝土包裹钢材内心的悬臂梁 , 如网 6 所示 。 如阁 7所示 , 当 集中载荷 P如图 6 施加在悬臂梁自由端的时候, 静态偏转类似予 其一阶振动的振型。因此, 假设总应变能是储存在钢板中和聚合 物混凝土中的应变能的总和, 而消耗的能量与其阻尼系数和应变 能成正比。利用钢板中的应变能 以及聚合物混凝土中的应变 能 来计算单位宽度的悬臂梁的总应变能 7。 9 (
18、十 )d z d x + f 上+ 堕 L 1d z d x 2 E 2 G 式中: S 、 c 钢材和混凝土, 同时, A 和4 _钢材和混凝土的占用 面积 。钢材 和混凝土的应力计算如下 : = f 。X d X E s 。 J X d X 拈 一 一+ 1 一 ; c= 式中: , , 一中性轴到钢板和载荷加载点的距离 ; 肘, , , 卜 弯矩, 剪力和抗弯刚度。 因此, 一旦钢板和聚合物混凝土的厚度被 定义, 在钢板和聚合物混凝土的应变能量的比率被确定。 在 这种情况下, 两侧立柱的阻尼凶子 计算如下: 一 WD W D ,s + 。 一c 一( + c U c ) 一 一一 2 r
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