機(jī)床灌膠結(jié)合面特性參數(shù)試驗(yàn)及預(yù)測(cè)*

王志勇 胡小秋 郭丹楓

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

在傳統(tǒng)機(jī)床裝配工藝過程中，為保證立柱與床身具有一定的幾何精度，須對(duì)配合面進(jìn)行手工刮研，該工藝生產(chǎn)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工藝周期長(zhǎng)。因此為改善機(jī)床傳統(tǒng)裝配工藝，將灌膠工藝替代手工刮研。灌膠工藝起源于國(guó)外，在國(guó)內(nèi)也有較為廣泛的應(yīng)用，與手工刮研相比，灌膠工藝不僅降低了單個(gè)機(jī)床部件幾何精度的要求，還縮短了 83%的裝配周期［1－3］，諸多優(yōu)點(diǎn)表示灌膠工藝在機(jī)床裝配中具有較好的應(yīng)用前景。

采用灌膠工藝裝配的立柱與床身在配合面之間形成灌膠結(jié)合面。在以往灌膠工藝應(yīng)用中，工藝參數(shù)的確定并沒有考慮灌膠結(jié)合面對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響，因此存在盲目性和不確定性。本文依靠試驗(yàn)探究了灌膠結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性，試驗(yàn)結(jié)果為灌膠工藝參數(shù)的確定提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)及應(yīng)用依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1．1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)裝置包括上、下試驗(yàn)板，密封橡膠墊圈（圖1a），調(diào)節(jié)螺釘?shù)龋瑘D1b為試驗(yàn)裝置及模型。試驗(yàn)時(shí)將定位膠注入上、下試驗(yàn)板之間，密封橡膠墊圈用于防止膠外流并保證固化后的膠膜厚度，24 h后定位膠完全固化，調(diào)節(jié)螺釘改變灌膠結(jié)合面法向壓強(qiáng)。

為獲取真實(shí)有效且對(duì)灌膠工藝的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義的特性參數(shù)，灌膠方法依照四川長(zhǎng)征機(jī)床廠的灌膠工藝并使用同型號(hào)定位膠。上、下試驗(yàn)板分別等效立柱和床身，材料以及結(jié)合面粗糙度均與之保持一致。

1．2 試驗(yàn)材料

上、下試驗(yàn)板材質(zhì)為HT300、粗糙度Ra3.2 μm，定位膠由TONSAN TS355的主膠體與固化劑嚴(yán)格以12∶1的重量比混合，脫模劑為TONSAN 1731。表1為定位膠TS355的機(jī)械性能。

表1 TS355主要機(jī)械性能

1．3 試驗(yàn)方案

采用單因素試驗(yàn)法，識(shí)別灌膠工藝主要參數(shù)厚度L、面積S及法向壓強(qiáng)P變化時(shí)的特性參數(shù)，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 單因素試驗(yàn)參數(shù)表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 膠膜厚度對(duì)特性參數(shù)的影響

圖2、3分別給出了膠膜面積為0.003 93 m2、法向壓強(qiáng)為4 MPa時(shí)，膠膜厚度與動(dòng)剛度和阻尼之間的關(guān)系。

膠膜厚度2 mm相對(duì)于0.6 mm時(shí)，法向動(dòng)剛度Kn減小63%，法向阻尼Cn減小38%，切向動(dòng)剛度Kr減小59%，切向阻尼Cr減小77%?？梢?，結(jié)合面法、切向動(dòng)剛度與阻尼隨著膠膜厚度的增加而降低。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作如下解釋:混合后的TS 355膠主要由用于粘結(jié)的高分子體和溶劑組成。當(dāng)膠處于液態(tài)時(shí)，溶劑載著高分子體慢慢侵入到試驗(yàn)板的表面組織內(nèi)。隨著溶劑揮發(fā)消失后，高分子體就依靠相互間的拉力將上、下試驗(yàn)板緊緊地粘結(jié)在一起。增加膠膜厚度，導(dǎo)致高分子體過于擁擠無法形成相互間最強(qiáng)的吸引力，且溶劑也不易揮發(fā)。過量的膠起到的是填充作用，粘結(jié)機(jī)理已不是粘結(jié)力。膠膜粘結(jié)機(jī)理如圖4所示。粘結(jié)力變小導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度減小，進(jìn)而對(duì)特性參數(shù)產(chǎn)生影響。

2．2 膠膜面積對(duì)特性參數(shù)的影響

圖5、6分別給出了膠膜厚度為0.6 mm，法向壓強(qiáng)為8 MPa時(shí)，膠膜面積與動(dòng)剛度和阻尼之間的關(guān)系。

膠膜面積0.003 93 m2相對(duì)于0.001 4 m2時(shí)，法向動(dòng)剛度Kn增加199%，法向阻尼Cn增加202%，切向動(dòng)剛度Kr增加134%，切向阻尼Cr增加56%。說明增加膠膜面積有助于動(dòng)剛度與阻尼的提高。

分析試驗(yàn)結(jié)果，給出如下解釋:從微觀看，增加膠膜面積等于增加了用于粘結(jié)試驗(yàn)板表面的高分子體個(gè)數(shù)，增強(qiáng)了膠膜的粘結(jié)力，提高了動(dòng)剛度與阻尼。

2．3 法向壓強(qiáng)對(duì)特性參數(shù)的影響

圖7、8分別給出了膠膜厚度為0.6 mm，膠膜面積為0.001 4 m2，法向壓強(qiáng)對(duì)動(dòng)剛度與阻尼的影響結(jié)果。

圖中動(dòng)剛度與阻尼隨著法向壓強(qiáng)的增加而增加，這一點(diǎn)與無介質(zhì)固定結(jié)合面的相關(guān)結(jié)論一致［4－6］。法向壓強(qiáng)22 MPa相對(duì)于0.1 MPa時(shí)，法向動(dòng)剛度Kn增加2.6%，法向阻尼Cn增加45.5%，切向動(dòng)剛度Kr增加31%，切向阻尼Cr增加63.75%。

增加法向壓強(qiáng)，膠體被壓縮，從微觀上看，雖然不會(huì)影響高分子體與試驗(yàn)板表面的粘結(jié)力，但會(huì)增加高分子體之間的內(nèi)聚力，提高動(dòng)剛度與阻尼。但這種內(nèi)聚力對(duì)于特性參數(shù)的影響有限，并不如改變膠膜厚度和面積對(duì)特性參數(shù)的影響顯著。

3 特性參數(shù)預(yù)測(cè)回歸模型

本部分建立特性參數(shù)與各影響因子的數(shù)學(xué)回歸模型，以供預(yù)測(cè)其它條件下灌膠結(jié)合面的特性參數(shù)。將特性參數(shù)表示成各影響因子的多元線性模型:

式中:Yi為特性參數(shù)（包括動(dòng)剛度與阻尼）;b1、b2、b3為各自變量的回歸系數(shù);b0為常數(shù)。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按式（2）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除各變量單位，提高預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性［7］。

式中:xi1、xi2和xi3分別表示膠膜厚度、面積、法向壓強(qiáng)的數(shù)值;xj為各自變量的平均值;Sj為各變量的標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)最小二乘原理及方法［8］，得到標(biāo)準(zhǔn)化后各自變量與動(dòng)剛度和阻尼的擬合關(guān)系為

將式（3）中各標(biāo)準(zhǔn)化變量分別還原為原始變量，則回歸方程表示為

式中:Kn、Kr分別為法、切向動(dòng)剛度，N/m;Cn、Cr分別為法、切向阻尼，N·s/m。

計(jì)算得到回歸方程的線性判定系數(shù)R2（Kn）=0.93、R2（Kr）=0.94、R2（Cn）=0.81、R2（Cr）=0.8。通過F檢驗(yàn)法求得F（Kn）=60.7、F（Cn）=13、F（Kr）=87.6、F（Cr）=12.4，均大于 F0．99（3，108）=3.97。由R2及F檢驗(yàn)說明回歸方程式（4）高度顯著。

觀察式（4）的各回歸系數(shù)可知，膠膜面積對(duì)動(dòng)剛度與阻尼影響較大，法向壓強(qiáng)對(duì)其影響較小。

4 結(jié)語

本文采用單因素試驗(yàn)法，對(duì)灌膠結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，共測(cè)得112組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到以下結(jié)論:

（1）灌膠結(jié)合面法、切向動(dòng)剛度與阻尼隨著法向壓強(qiáng)以及膠膜面積的增加而增加，而隨著膠膜厚度的增加而減小，并具有顯著的線性關(guān)系。

（2）粘結(jié)力是影響灌膠結(jié)合面動(dòng)態(tài)特性的主要原因。膠膜面積對(duì)于動(dòng)剛度與阻尼影響較大，法向壓強(qiáng)對(duì)其影響較小。

［1］Andrew．Advances in light curing adhesives［J］．Opt－mechanical Design and Engineering，2010，4444（20）:185 －195．

［2］尹玉生，陳亞菊．機(jī)床裝配技術(shù)中的一個(gè)創(chuàng)新［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2009（2）:85－92．

［3］孔偉，沐金鎖．灌膠技術(shù)在機(jī)床裝配上的應(yīng)用［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2009（9）:79－80．

［4］MAO Kuan －min，LI Bin，WU Jun，et al．Stiffness influential factorsbased dynamic modeling and its parameter identification method of fixed joints in machine tools［J］．International Journal of Machine Tools＆Manufacture，2010，50（2）:156 －164．

［5］ZHANG Xue－liang，WEN Shu－h(huán)ua．Experiment research on tangential dynamic characteristics of machined plane joint interfaces［J］．Advanced Materials Research，2011，145:584 －589．

［6］FU Wei－ping，HUANG Yu －mei，ZHANG Xue－ liang，et al．Experimental investigation of dynamic normal characteristics of machine joint surfaces［J］．Journal of Vibration and Acoustics．2000，122（4）:393－398．

［7］汪振華，趙成剛，袁軍堂，等．高速銑削AlMn1Cu表面粗糙度變化規(guī)律及銑削參數(shù)優(yōu)化研究［J］．南京理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，34（4）:537－542．

［8］王惠文．偏最小二乘回歸法與應(yīng)用［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1998．