基于復(fù)合材料和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的機(jī)床基礎(chǔ)件研究與分析

摘要：機(jī)床基礎(chǔ)件是高精度機(jī)床重要零部件，基礎(chǔ)件熱穩(wěn)定性和抗震性對(duì)機(jī)床生產(chǎn)和加工精度有直接影響。鑄鐵是機(jī)床基礎(chǔ)件常用制造材料，其已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足機(jī)床高精密度的需求。復(fù)合材料具有較強(qiáng)的阻尼比和抗振性，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)具有散熱性好和質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)，十分適合用于制造和生產(chǎn)機(jī)床基礎(chǔ)件中。對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料在機(jī)床中應(yīng)用的分析和研究，有助于機(jī)床性能和加工精度的提高。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料??輕質(zhì)結(jié)構(gòu)??機(jī)床基礎(chǔ)件??加工精度

Research and Analysis of Machine Tool Foundation Parts Based on Composite Materials and Lightweight Structure

ZHONG Qingshan

Abstract： Machine tool basic parts are important parts of high-precision machine tools，?the thermal stability and seismic resistance of the basic parts have a direct impact on the production and machining accuracy of the machine tool. Cast iron is a common manufacturing material for basic parts of machine tools， which has gradually been unable to meet the needs of high precision of machine tools. Composite materials have strong damping ratio and vibration resistance， light structure has the advantages of good heat dissipation and light weight， it is very suitable for manufacturing and producing machine tool basic parts. Analysis and Research on the application of light structure and composite materials in machine tools，?it is helpful to improve the performance and machining accuracy of the machine tool.

Key?Words：Composites; Lightweight structure; Machine tool foundation parts; Machining accuracy

制造業(yè)推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱和主體，各個(gè)國(guó)家均對(duì)制造業(yè)愈發(fā)重視，并提出了相應(yīng)發(fā)展戰(zhàn)略。我國(guó)正處于向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的階段，制造業(yè)作為推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)場(chǎng)，在新材料、航天航空、先進(jìn)導(dǎo)軌、生物醫(yī)藥、海洋工程及醫(yī)療器械等領(lǐng)域中都亟需取得較大突破，而這就對(duì)機(jī)床的加工精密度和性能提高了要求，數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定性和加工精度影響著高端裝備的發(fā)展和創(chuàng)新。雖然我國(guó)在機(jī)床制造中取得了較大突破，但精密度、高速加工等方面仍是短板，提高機(jī)床加工精度和效率，是推動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)重要途徑。

1 復(fù)合材料及其在機(jī)床基礎(chǔ)件中的研究與應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為提高機(jī)床基礎(chǔ)件剛度、阻尼特性，降低基礎(chǔ)件重量，復(fù)合材料具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)進(jìn)入了研究者的視野。復(fù)合材料即是將熱固性樹(shù)脂當(dāng)做粘結(jié)劑的一種高填充聚合物材料，一般用于制造精密度較高的機(jī)床基礎(chǔ)件等設(shè)備。由于復(fù)合材料具有較強(qiáng)熱穩(wěn)定性和阻尼減震性，因此該材料在國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用較多。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，對(duì)機(jī)床基礎(chǔ)件中應(yīng)用復(fù)合材料的研究逐漸成熟。將新型復(fù)合材料混凝土應(yīng)用于銑床床身和橫梁制造中，通過(guò)對(duì)其力學(xué)進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，將新型材料應(yīng)用于銑床中可以極大地提高阻尼因數(shù)，同時(shí)也能夠減輕機(jī)床質(zhì)量;將混凝土聚合物應(yīng)用于制造銑床底座，可以在降低機(jī)床制造成本的同時(shí)，大幅度提高銑床底座動(dòng)態(tài)性能。澳大利亞等國(guó)家對(duì)樹(shù)脂混凝土力學(xué)性能和成分的分析，為復(fù)合材料用于制造機(jī)床基礎(chǔ)件提供了重要參考依據(jù)。

2 輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和多孔材料及其在機(jī)床中的研究與應(yīng)用

傳統(tǒng)的機(jī)床通常采用鋼和鑄鐵制造而成，有時(shí)會(huì)采用混凝土、花崗巖、鋁合金等復(fù)合材料、鋼和鑄鐵能夠斷則較為復(fù)雜的形狀，具有易加工、質(zhì)量好、精度高等特點(diǎn)，但是材料的缺點(diǎn)在于生產(chǎn)周期長(zhǎng)、阻尼性不夠突出、減振性較差等?；◢弾r是機(jī)床基礎(chǔ)件制造的一種新型材料，具有阻尼性和低熱膨脹系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，但是花崗巖剛度較差，需要增加壁厚才能符合機(jī)床基礎(chǔ)件制造要求。天然花崗巖生產(chǎn)周期長(zhǎng)、加工性較差，環(huán)境因素對(duì)該材料幾何精度和穩(wěn)定性影響較大，極大地限制了花崗巖的應(yīng)用和發(fā)展。混凝土是一種建筑結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)材料，使用混凝土加工機(jī)床基礎(chǔ)件，具有材料方便、生產(chǎn)加工方式簡(jiǎn)單、阻尼性較好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但混凝土抗拉強(qiáng)度低、蠕變性大、抗腐蝕性能較差，且需要在表面做特殊處理，用于制造機(jī)床基礎(chǔ)件成本較高。

機(jī)床在高速和高效的生產(chǎn)加工過(guò)程中，特別是在加工復(fù)雜零件時(shí)，對(duì)于非移動(dòng)零件而言，需要具有較強(qiáng)減震性能，而零件質(zhì)量要求較為寬松;對(duì)于工作臺(tái)、立柱等移動(dòng)零件來(lái)說(shuō)，需要有較輕的質(zhì)量，以減少生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱以及慣性力，以保證零件精準(zhǔn)定位和高速移動(dòng)的性能，由此對(duì)零件質(zhì)量的降低是一大研究重點(diǎn)。將新型多孔材料和結(jié)構(gòu)用于制造機(jī)床部件是降低零件質(zhì)量的一種有效方法，如泡沫金屬新型材料、蜂窩式結(jié)構(gòu)等輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)。由于這些材料具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和較低的密度，國(guó)內(nèi)外對(duì)其應(yīng)用和研究十分廣泛。

總體來(lái)說(shuō)，對(duì)蜂窩式多孔材料和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究十分廣泛和全面，將輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)用于制造機(jī)床移動(dòng)零件可以提高性能。但對(duì)于機(jī)床工作臺(tái)等移動(dòng)零件動(dòng)態(tài)、靜態(tài)及熱分析等性能研究相對(duì)較少;以區(qū)域形式劃分機(jī)床立柱，將復(fù)合材料和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)用于制造機(jī)床立柱部件中，也需要進(jìn)行大量的分析和研究。

3 復(fù)合材料均勻性及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

3.1 復(fù)合材料及細(xì)觀力學(xué)理論

現(xiàn)階段，對(duì)于復(fù)合材料研究和分析方法一般分為細(xì)觀力學(xué)和宏觀力學(xué)。宏觀力學(xué)主要是均勻性假設(shè)基礎(chǔ)上，將復(fù)合材料比作宏觀介質(zhì)，把基礎(chǔ)相和增強(qiáng)相作為一個(gè)整體，在不關(guān)注組分相互作用下，只考慮整體性能。從宏觀力學(xué)角度來(lái)看，材料的應(yīng)變和應(yīng)力均不屬于基礎(chǔ)相和增強(qiáng)相應(yīng)變值和真實(shí)應(yīng)力，其是宏觀角度上復(fù)合材料的平均值^[1]。對(duì)于細(xì)觀力學(xué)其主要是結(jié)合宏觀力學(xué)和微觀特征量，以構(gòu)建不同尺度理論，屬于宏觀力學(xué)和微觀力學(xué)間重要學(xué)科。通常以多尺度對(duì)復(fù)合材料分析方法主要為均勻性理論，使用該方法分析時(shí)必須保證復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)具有周期性，能夠通過(guò)單胞對(duì)復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行描述;同時(shí)也需復(fù)合材料具備非均勻性。該方法主要思想是以均質(zhì)化等效對(duì)材料進(jìn)行處理，即對(duì)不是均質(zhì)性材料等效為均質(zhì)材料，以滿足材料應(yīng)變能近似或相同^[2]。

3.2 纖維混凝土材料代表性體積單元

均勻化理論主要是將復(fù)合材料具備的微觀結(jié)構(gòu)體積單元作為中介，以聯(lián)系微觀尺度和宏觀尺度，其主要利用Eshelby等效夾雜理論。體積單元是一種與宏觀具有關(guān)聯(lián)性的結(jié)構(gòu)，具有雙重性。從宏觀尺度上來(lái)看，其尺寸較小，可以比作為質(zhì)點(diǎn)，因此代表性體積單元應(yīng)變和應(yīng)力在宏觀角度上都是均勻性;從細(xì)觀尺度上來(lái)看，其尺寸較大，其體積單元中有細(xì)觀結(jié)構(gòu)，包含所有物質(zhì)信息，可以代表材料組織結(jié)構(gòu)上的特征屬性。一般情況下，體積單元尺寸都是不會(huì)變化的，因此需要結(jié)合材料的實(shí)際特性進(jìn)行選擇，對(duì)于復(fù)合材料纖維混凝土通常取100mm^[3]。

對(duì)于具有支撐作用的機(jī)床基礎(chǔ)件而言，復(fù)合材料纖維混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄鐵材料，可以提高基礎(chǔ)件抗振性能。在樹(shù)脂混凝土中摻入金屬纖維，可以降低機(jī)床因振動(dòng)導(dǎo)致開(kāi)裂的問(wèn)題，對(duì)復(fù)合材料在機(jī)床基礎(chǔ)件中的應(yīng)用提供了保障。對(duì)于機(jī)床立柱和工作臺(tái)等移動(dòng)基礎(chǔ)件而言，機(jī)床生產(chǎn)和加工過(guò)程中需要基礎(chǔ)件持續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)基礎(chǔ)件定位精度和移動(dòng)速度有較高要求，因此需要在提高基礎(chǔ)件抗振性能基礎(chǔ)上盡量降低重量，只有這樣才能夠降低基礎(chǔ)件移動(dòng)時(shí)的慣性力^[4]。將輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)件制造中，對(duì)提高數(shù)控機(jī)床加工精度和性能具有重要意義。

3.3 輕質(zhì)蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)通常都是由高強(qiáng)度上下兩塊面板層和一塊中間夾芯層拼接而成的剛性結(jié)構(gòu)。兩塊面板層一般為剛度和強(qiáng)度較高的復(fù)合材料或者金屬，中間夾芯層一般為密度較小的板材。夾芯結(jié)構(gòu)具體形狀可以分為三角形、四邊形、六邊形等，其中六邊形在所有結(jié)構(gòu)中強(qiáng)度、質(zhì)量、散熱性、高比剛度、減震性等較強(qiáng)，且結(jié)構(gòu)效率最高。由于輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)制作工藝簡(jiǎn)單、材料成本較低等，在機(jī)床制造中應(yīng)用十分廣泛，其已經(jīng)成為常用多功能工程材料。

蜂窩結(jié)構(gòu)重量主要是由兩塊面板層、中間夾心層、粘結(jié)劑層組成。由于粘結(jié)劑層重量較強(qiáng)且較薄，因此重量忽略不計(jì)。在不考慮粘結(jié)劑層整體重量基礎(chǔ)上，可以計(jì)算得出蜂窩結(jié)構(gòu)總重量W、下面板層重量W_b1、上面板層重量W_b2、中間夾芯層重量W_c，計(jì)算公式為：

式中，ρ_b1為蜂窩結(jié)構(gòu)下面板層密度，單位為kg/m³;ρ_b2為蜂窩結(jié)構(gòu)上面板層密度;ρ_c為夾心層密度，單位為kg/m³;v為夾芯層體積;a₂、h₂、b₂為上面板層寬度、長(zhǎng)度、厚度，單位為m;b₁、a₁、h₁為下面板層寬度、長(zhǎng)度、厚度，單位為m。

4 復(fù)合材料和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)在機(jī)床立柱中的應(yīng)用及整機(jī)動(dòng)態(tài)性能分析

作為重要基礎(chǔ)構(gòu)件的一種，立柱在機(jī)床中有著支撐及移動(dòng)主軸箱的重要作用，同時(shí)也是連接機(jī)床主軸和床身的基礎(chǔ)部件，立柱的性能與對(duì)機(jī)床加工精度產(chǎn)生直接影響。以往機(jī)床立柱一般采用鑄鐵材料進(jìn)行制作，但該材料具有的動(dòng)態(tài)性能已無(wú)法滿足現(xiàn)代高精度加工工藝，因此尋找新型材料或者創(chuàng)新制作工藝來(lái)提升機(jī)床及立柱性能是有必要的^[5，6]。

4.1 機(jī)床整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)床整機(jī)模型主要是由機(jī)床滑鞍、機(jī)床主軸箱、工作臺(tái)、機(jī)床立柱及床身等主要部件組成。機(jī)床滑鞍和床身一般是以螺栓進(jìn)行全約束固定連接，機(jī)床滑鞍與立柱、機(jī)床床身與工作臺(tái)、機(jī)床立柱與主軸箱之間都以導(dǎo)軌滑塊連接。一般情況下，機(jī)床主軸箱位置需要高于立柱，該位置在生產(chǎn)加工過(guò)程中動(dòng)態(tài)性能最弱。利用有限元分析軟件導(dǎo)入機(jī)床模型，設(shè)置復(fù)合材料彈性模量為140GPa，泊松比0.28，密度為7800kg/m³。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)邊界條件等數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，低機(jī)床地面相和床身接觸立柱及墊鐵與床身基礎(chǔ)面積進(jìn)行設(shè)置，滑塊導(dǎo)軌采用動(dòng)結(jié)合面。去除機(jī)床零件細(xì)微結(jié)構(gòu)不受力部分，如倒角等，同時(shí)簡(jiǎn)單化處理機(jī)床基礎(chǔ)件，采用C3D8R和C3D10網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謾C(jī)床模型部件。

4.2 機(jī)床整機(jī)模態(tài)分析

模態(tài)分析是對(duì)機(jī)床整機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能檢驗(yàn)的重要指標(biāo)之一，經(jīng)過(guò)模態(tài)分析能夠獲得機(jī)床各階振型和固有頻率，使在機(jī)床生產(chǎn)加工時(shí)避開(kāi)共振頻率。實(shí)際生產(chǎn)加工中，機(jī)床頻率與低階模態(tài)基本接近，且在振動(dòng)中有極為重要的作用。分析機(jī)床整機(jī)前六階模態(tài)，并將機(jī)床主軸箱調(diào)整至高位姿狀態(tài)，固有頻率如表1所示。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)床基礎(chǔ)件是數(shù)控機(jī)床的一部分，是支撐和安裝其他零部件的重要載體，其承受著加工和生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的切削力和振動(dòng)，基礎(chǔ)件性能會(huì)對(duì)機(jī)床加工穩(wěn)定性和精度有直接影響。因此，只有較強(qiáng)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)性能基礎(chǔ)件，才能更好地滿足機(jī)床高加工精度和高速加工的需求。同時(shí)，使用新型材料也能夠減少環(huán)境污染和能源消耗，對(duì)實(shí)現(xiàn)高精度機(jī)床加工具有現(xiàn)實(shí)意義。

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• 中圖分類號(hào)：U412DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2112-5640-7629

  作者簡(jiǎn)介：鐘慶珊（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)?/b>臥車整機(jī)研發(fā)。