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，須對配合面進(jìn)行手工刮研，該工藝生產(chǎn)成本高、勞動強(qiáng)度大、工藝周期長。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。灌膠工藝起源于國外，在國內(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)合面對整機(jī)動態(tài)特性的影響，因此存在盲目性和不確定性。本文依靠試驗探究了灌膠結(jié)合面的動態(tài)特性，試驗結(jié)果為灌膠工藝參數(shù)的確定提供了試驗數(shù)據(jù)及應(yīng)用依據(jù)。

1 試驗部分

1．1 試驗裝置與方法

試驗裝置包括上、下試驗板，密封橡膠墊圈（圖1a），調(diào)節(jié)螺釘?shù)?，圖1b為試驗裝置及模型。試驗時將定位膠注入上、下試驗板之間，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)。

為獲取真實有效且對灌膠工藝的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義的特性參數(shù)，灌膠方法依照四川長征機(jī)床廠的灌膠工藝并使用同型號定位膠。上、下試驗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 試驗材料

上、下試驗板材質(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 試驗方案

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

表2 單因素試驗參數(shù)表

2 試驗結(jié)果及分析

2．1 膠膜厚度對特性參數(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，膠膜厚度與動剛度和阻尼之間的關(guān)系。

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

對試驗結(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，溶劑載著高分子體慢慢侵入到試驗板的表面組織內(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)而對特性參數(shù)產(chǎn)生影響。

2．2 膠膜面積對特性參數(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，膠膜面積與動剛度和阻尼之間的關(guān)系。

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

分析試驗結(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)試驗板表面的高分子體個數(shù)，增強(qiáng)了膠膜的粘結(jié)力，提高了動剛度與阻尼。

2．3 法向壓強(qiáng)對特性參數(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)對動剛度與阻尼的影響結(jié)果。

圖中動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相對于0.1 MPa時，法向動剛度Kn增加2.6%，法向阻尼Cn增加45.5%，切向動剛度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，雖然不會影響高分子體與試驗板表面的粘結(jié)力，但會增加高分子體之間的內(nèi)聚力，提高動剛度與阻尼。但這種內(nèi)聚力對于特性參數(shù)的影響有限，并不如改變膠膜厚度和面積對特性參數(shù)的影響顯著。

3 特性參數(shù)預(yù)測回歸模型

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、切向動剛度，N/m;Cn、Cr分別為法、切向阻尼，N·s/m。

計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，膠膜面積對動剛度與阻尼影響較大，法向壓強(qiáng)對其影響較小。

4 結(jié)語

本文采用單因素試驗法，對灌膠結(jié)合面的動態(tài)特性進(jìn)行了研究，共測得112組試驗數(shù)據(jù)。對試驗結(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)合面動態(tài)特性的主要原因。膠膜面積對于動剛度與阻尼影響較大，法向壓強(qiáng)對其影響較小。

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