聚合物混凝土立式加工中心床身的设计与分析.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 ( 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 rr ( U s 一 ( f )一 一 式中： 厂每个振动周期的能量耗散 。 由于在一阶振动的频率接近图7中的所有情况， 因此在表 1 的基础上 ， 用确定聚合物混凝土的阻尼系数 。 为 5 6 ， 而且钢 板的阻尼系数查阅手册后被假设为 0 2 ，另外代人床身两侧立 柱相关的外形尺寸及钢板厚度， 计算出的 卵值为4 5 1 。当改变 钢板厚度和聚合物混凝土外部尺寸时， 从阻尼系数的计算公式推 算，计算出的阻尼系数将随着两侧立柱在X方向的厚度下降而 下降。凶此， 确定的机床床身结构应具有高的刚度并且床身阻尼 系数高于 4 5 1 。 I 图 6 算立柱一阶振动阻尼系数模型 图 F i g 6 Co l u mn Mo de l Di a g r a m o f On e Or d e r Vi b r a t i o n Da mp i n g Ca l c u l a t i o n 5 0 机械 设 计 与制 造 No 1 O Oc t 2 0l 3 1 雪 篝 位置l2 一J 图7比 较一阶振动的幅度和立柱的垂直集中载荷静挠度 Fi g 7 C o mp e t h e Amp l i t u de o f Or d e r Vi b r a t i o n a n d S t a t i c De fl e c t i o n o f t h e Ve r t i c a l Co n c e n t r a t e d L o a d f o r Co l u n m 4结论 在此项研究中，设计了一种混合材料的高速立式加工中心 的床身。 混合材料即钢板焊接骨架外包裹聚合物混凝土。 通过实 验和计算得到了聚合物混凝土的最佳配合比。然后， 对聚合物混 凝土的静力性能和阻尼特 进行了测试。 再对床身进行建模的基 础上，利用有限元分析软件 A N S Y S 1 2 0对床身结构进行了静力 学分析和模态分析。 并且通过应变能法对立柱部分的阻尼进行了 计算。 结果表明， 此种混合材料的高速立式加工中心床身， 完全可 以满足高速加工的需要， 具有很好刚度和强度， 并且很大程度的 降低了高速切削时的振动对加工精度的影响。因此， 聚合物混凝 土与钢板焊接的复合结构完全可以满足高速加工中心的支承大 件的性能要求。 参考文献 1 唐恒龄， 廖伯瑜 机床动力学 M 北京： 机械工业出版社， 1 9 8 3 ( 6 ) ( T a n g H e n g - l i n g ， L i a o B o - y u M a c h i n e D y n a m i c s M B e i j i n g M e c h a n i e a l I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 8 3 ( 6 ) ) 2 J u n g D o S u h ，D a i G i l L e e D e s i g n a n d ma n u f a c t u r e o y b ri d p o l y me r c o n c r e t e b e d f o r h i【g h - s p e e dC N Cmi l l i n g m a c h i n e c J S p rin g e r S c i e n c e + B u s i n e s s Me d i a B V， 2 0 0 8 3 柯国军， 郭长青混凝土阻尼比研究 J 建筑材料学报， 2 0 0 5 ( 5 ) ( Ke G u o - j u n G u o C h a n g q i n g D a m p i n g r a t i o o f c o n c r e t e J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t Ma t e ri a l s ， 2 0 0 4 ( 5 ) ) 4 曹玲 不增加水泥用量如何提高混凝土的强度 J 中国高新技术企业， 2 0 0 8 ( 2 0 ) ( C a o L i n g H o w t o i m p r o v e w i t h o u t i n c r e a s i n g t h e a m o u n t o f c e m e n t c o n c r e t e s t r e n g t h J C h i n e s e H i g h T e c h E n t e r p ri s e s ， 2 0 0 8 ( 2 0 ) ) 5 陈心昭， 权义鲁现代实用机床设计手册 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 O 6 ( 8 1 ( C h e n X i n - z h a o ， Q u a n Y i l u Mo d e rn P r a c t i c a l Ma c h i n e D e s i g n Ma n u al M B e i j i n g ： M e c h a n i c a l I n d u s t ry P r e s s ， 2 0 0 6 ( 8 ) ) 6 丁长春， 殷国富- 龙门加工中心立柱静力学分析与结构优化设计方法 J 机械设计与制造， 2 0 1 1 ( 3 ) ( D i n g C h a n g - c h u n ， Y i n G u o - f u S t a t i c a n a l y s i s a n d s t r u c t u r e o p t i mi z i n g d e s i g n o f t h e c o l u mn o f t h e g a n t ry ma c h i n e J Ma c h i n e r y De s i gn Ma n u f a c t u r e 2 0 0 l ( 3 ) ) 7 吴隆用环氧树脂混凝土制造机床床身的研究 J 组合机床与自动化 加工技术 ， 1 9 9 4 ( 1 1 ) ( Wu L o n g Wi t h e p o x y c o n c r e t e m a n u f a c t u r i n g m a c h i n e b e d r e s e a r c h J Mo d u l a r Ma c h i n e T o o l &A u t o m a t i c Ma n u f a c t u ri n g T e c h n i q u e ， 1 9 9 4 ( 1 】 ) ) 8 M a r i o C o l l e p a r d i 混凝土新技术 M 北京： 中国建材工业出版社 ， 2 0 0 8 ( 9 ) ( Ma r i o C o l l e p a r d i T h e N e w C o n c r e t e M B e i j i n g ：C h i n a B u i l d i n g Ma t e ri a l s I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 8 ( 9 ) ) ( 上接第 4 7页) ( 2 ) 此陆轨转换系统可作为通用平台， 安装在具有公铁两用 行走系统的工程维护车上， 搭载多需求的专业工具， 对现今城市 地铁线路检修与维护提供保障， 具有广阔的市场前景。 参考文献 1 郑松林 ， 王光明， 栾世杰 陆轨两用车行走系统： 中国， 2 0 0 6 1 0 1 4 8 8 2 7 2 P 2 0 0 9 1 2 1 6 ( Z h e n g S o n g - l i n ， Wa n g Gu a n g m i n g ， L u a n S h i - j i e T h e r u n n i n g s y s t e m o f R o a d r a i l v e c h i l e ： C h i n a ， 2 0 0 6 1 0 1 4 8 8 2 7 2 P 2 0 0 9 1 2 1 6 ) 2 倪志伟， 郑松林， 杜月鑫陆轨两用车设计中的关键技术研究 J 机械 制造 ， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 1 5 1 7 ( N i Z h i - w e i ， Z h e n g S o n g - l i n ， Du Y u e x i n R e s e a r c h o n k e y t e c h n i q u e s i nd e s i g no f r o a d r a i l v e h i c l e J Ma c h i n e r y ， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 1 5 1 7 ) 3 郑松林 ， 井清， 倪志伟 陆轨两用车陆轨转换系统设计及仿真 J 中国 工程机械学报 ， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 3 4 4 3 4 8 ( Z h e n g S o n g l i n J i n g Q i n g Ni Z h i w e i R o a d r a i l s h i f t i n g s y s t e m d e s i g n a n d s i m u l a t i o n fo r d u a l - p u r p o s e v e h i c l e s J j C h i n e s e J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y ， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 3 4 -4 3 4 8 ) 4 王光明， 郑松林， 栾世杰 分动式公铁两用车导向装置结构设计及导向 力分析 J 机械， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 1 2 1 4 ( Wa n g G u a n g - mi n g ，Z h e n g S o n g - l i n ，L u a n S h i - j i e A n aly s i s o f t h e s t r u c t u r e d e s i g n o f t he o rie n t e d d e v i c e o f t h e r o a d r a i l v e h i c l e o f t wo d ri v e s a n d i t s o ri e n t e d f o r c e J Ma c h i n e r y ， 2 0 0 6【 9 ) ： 1 2 - 1 4 ) 5 许基清， 陈景刚公铁两用车导向装置结构设计及导向力分析 J J 青岛 大学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 6 ) ：5 3 7 - 5 3 9 ( X u J i q i n g ， C h e n J i n g - g a n g A n a l y s i s o f t h e s t r u c t u r e d e s i gn o f t h e s t e e ri n g d e v i c e o f t h e t r a c t i o n v e h i c l e for r o a d r a i l wa y a n d i t s s t e e rin g f o r c e J J o rnn a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y 2 0 0 3 ， 2 4 ( 6 ) ： 5 3 7 5 3 9 ) 6 高鹏， 谢里阳 考虑强度退化的零件及系统可靠性分析E J 机械工程学 报 ， 2 0 1 0 ， 4 6 ( 2 4 ) ： 1 6 2 1 6 7 ( G a o P e n g ， X i e L i - y a n g R e l i a b i l i t y an al y s i s o f c o m p o n e n t s and s y s t e m c o n s i d e ri n g d e g r a d a t i o n o f s t r e n gth J C h i n e s e J o u rna l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 ， 4 6 ( 2 4 ) ： 1 6 2 1 6 7 ) 7 魏尊亮， 吕文阁， 赵葛霄机械可靠性设计中设计变量的统计分析方法 J 机械设计与制造 ， 1 9 9 9 ( 6 ) ：3 - 4 ( We i Z u n l i a ng ，L u We n g e ，Z h a o G e x i a 0 Me t h o d s f o r s t a t i s t i c al a n al y s i s o f d e s i gn v a r i a b l e s i n m e c h a n i c al r e l i a b i l i t y d e s i g n J M a c h i n e - r y D e s i g n and Ma n u f a c t u r e ， 1 9 9 9 ( 6 ) ：3 - - 4 ) 8 徐灏 机械强度的可靠性设计 M 北京：机械工业出版社， 1 9 8 4 ( X u Ha o R e l i a b i l i t y D e s i gn o f Me c h a n i c a l S t r e n gth l Mj B e i j i n g ： C h i n a Ma c h i n e P r e s s 1 9 8 4 )