孟憲宇，王笠

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

樹脂基礦物材料車床床身靜態(tài)特性研究

孟憲宇，王笠

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

為研究水泥樹脂復(fù)合材料和PP纖維增強(qiáng)樹脂混凝土這兩種新型樹脂基礦物材料機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件的靜態(tài)特性及應(yīng)用，以某企業(yè)某型號(hào)臥式車床為原型，運(yùn)用Catia軟件建立三維機(jī)床實(shí)體模型并完成前處理；利用典型工況下的各項(xiàng)工藝參數(shù)計(jì)算求出對(duì)應(yīng)載荷并折算加載于床身。隨后，通過(guò)有限元仿真分析軟件ANSYS Workbench15.0完成對(duì)該型機(jī)床床身的靜力結(jié)構(gòu)分析。研究了實(shí)際工況中，機(jī)床受靜力結(jié)構(gòu)載荷下的靜態(tài)特性參數(shù)與各參數(shù)云圖。最后，結(jié)合傳統(tǒng)鑄鐵材料床身特性和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比分析探討了2種不同成分樹脂礦物材料機(jī)床的靜態(tài)力學(xué)性能。

改性樹脂混凝土；靜力分析；有限元三維建模

上世紀(jì)70年代中后期伊始，以德國(guó)、瑞士為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家率先開始了對(duì)樹脂混凝土材料應(yīng)用于機(jī)床生產(chǎn)的試驗(yàn)研究。時(shí)至今日，國(guó)內(nèi)外已有160多家公司或機(jī)構(gòu)（包括高等院校在內(nèi)）正從事該領(lǐng)域的工作，其中部分機(jī)構(gòu)早在上世紀(jì)90年代便已擁有樹脂混凝土件的專業(yè)化生產(chǎn)廠房，實(shí)現(xiàn)了樹脂基礦物鑄件的小規(guī)模量產(chǎn)。樹脂礦物材料大規(guī)模應(yīng)用于機(jī)床基礎(chǔ)件正逐步成為現(xiàn)實(shí)。

樹脂礦物鑄件，又稱樹脂混凝土、聚合物膠結(jié)混凝土或礦物澆鑄混凝土，是以合成樹脂（聚合物）或單體作為膠結(jié)凝固材料并配以相應(yīng)固化劑，與以礦石（可能包含砂礫）為主的骨料或集料充分混合，通過(guò)聚合反應(yīng)固化成型，是一種填充的復(fù)合材料［1，2］。相較于傳統(tǒng)機(jī)械制造材料，雖然樹脂混凝土被證實(shí)在動(dòng)態(tài)性能、熱穩(wěn)定性、抗腐蝕能力和鑄造性能等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但是，樹脂混凝土相對(duì)脆性大、強(qiáng)度低的缺點(diǎn)曾一度掣肘其在機(jī)床制造領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用［1，10］。為提高樹脂混凝土的性能，不少學(xué)者對(duì)樹脂混凝土的改良進(jìn)行了研究，提出了多種改進(jìn)方案。參考傳統(tǒng)鑄鐵材料機(jī)床床身，本文對(duì)得到普遍認(rèn)可的兩種改性樹脂混凝土：硅酸鹽水泥樹脂復(fù)合材料和PP纖維樹脂混凝土，進(jìn)行了材料在機(jī)床基礎(chǔ)件應(yīng)用方面的有限元分析，對(duì)比探討了幾種樹脂礦物材料床身的不同靜態(tài)結(jié)構(gòu)特性。

1 機(jī)床三維有限元建模

采用達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes）旗下Catia軟件建立臥式車床床身三維模型，如圖1所示。車床床身長(zhǎng)1200mm，寬200mm，高175mm，三爪卡盤內(nèi)孔半徑R=25mm，導(dǎo)軌長(zhǎng)L=990mm，兩側(cè)導(dǎo)軌水平對(duì)稱布置。前床身與后床身等高（最低處均為105mm），后床身用于安裝刀架，尾架，跟刀架，前床身將布置主軸箱進(jìn)給箱，床身中間為中空走廊。因完整形態(tài)床身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在退刀槽、倒角、圓角和小孔等工藝特征，這些特征將影響床身的有限元網(wǎng)格劃分，導(dǎo)致一些不必要的高精度網(wǎng)格劃分或影響接觸特征繼而使得模型無(wú)法求解。根據(jù)彈性力學(xué)圣維南原理，力學(xué)性能和有限元分析結(jié)果基本不受這些過(guò)于細(xì)小的工藝特征影響，因而上述工藝特征可被消除簡(jiǎn)化［3］。

圖1 機(jī)床實(shí)際工況模型

在穩(wěn)態(tài)分析過(guò)程中，由于機(jī)床主要熱變形來(lái)自主軸及主軸變速系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)發(fā)熱導(dǎo)致的相鄰部件受熱發(fā)生形變，且機(jī)床受切削力和變形與床身導(dǎo)軌緊密相關(guān)，為獲得更加精確的分析結(jié)果，軸承座及其支撐壁下半部分和床身導(dǎo)軌被保留，如圖2所示，與床身一同導(dǎo)入ANSYS workbench。

圖2 簡(jiǎn)化后的床身模型

2 床身結(jié)構(gòu)受力分析與計(jì)算

如圖1所示，主軸箱布置在該型機(jī)床左側(cè)，主軸自主軸箱內(nèi)向右伸出，裝配有三爪卡盤，主軸另一側(cè)與主軸頭連接。鑒于該軸只加工軸類零件，因而多數(shù)工作狀態(tài)尤其是受到機(jī)床誤差影響較大的工況中，車刀刀架（切削位置）離主軸箱較遠(yuǎn)。假設(shè)加工工件總長(zhǎng)l=700mm，最大直徑為?=46mm，總切削力為F=3241N，符合車床工作范圍指標(biāo)。

根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論和原理可知，對(duì)機(jī)床受力分析中：

（1）在無(wú)尾座輔助支撐情況下，可以將主軸-工件系統(tǒng)等效為一懸臂梁，當(dāng)主切削力作用于工件端面時(shí)，工件的彎曲扭轉(zhuǎn)最大；

（2）當(dāng)工件由主軸與尾座共同支撐，可以將主軸-工件-尾座系統(tǒng)等效為一簡(jiǎn)支梁，主切削力位于梁的中間時(shí)，梁的彎曲最大，即加工工件彎曲相對(duì)最大；

由于在加工過(guò)程中，主切削力作用位置隨意，考慮到對(duì)機(jī)床變形及機(jī)加工精度影響最大的典型工作狀態(tài)，故選上述情況（1）進(jìn)行受力分析并計(jì)算。

2.1 主軸軸承座支反力計(jì)算

各載荷通過(guò)主軸和一對(duì)軸承傳遞到主軸箱軸承座，分析其受力狀況，運(yùn)用Catia為零件賦予材料屬性，如圖3所示，即鑄鐵HT150，HT200，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的對(duì)應(yīng)密度，如表1所示，隨后利用內(nèi)置距離測(cè)量工具和慣量測(cè)量工具將加工工件、三爪卡盤和空心主軸等零部件體積、質(zhì)量和各件與主軸軸承間軸向距離測(cè)出，并列表，如表2所示。

表1 部分材料密度（根據(jù)GB/T9439-2010）

圖3 Catia測(cè)量工具使用示意

將總切削力F=3200N分解為三個(gè)正交方向（沿軸X，Y，Z）的切削分力：FZ（主切削力）=1900N，F(xiàn)Y（吃刀抗力）=1000N，進(jìn)給抗力FX（軸向切削力）=400N，根據(jù)力學(xué)公式和原理，正交分解其余各載荷，計(jì)算力矩，求得外側(cè)軸承座支反力，沿工件軸向、徑向和周向分解為三個(gè)分量，分別為TX=180N，TY=3246.3N，TZ=7446.89N；內(nèi)側(cè)軸承座支反力分別為TX=220N，TY=4246.3N，TZ=5776.1N。

表2 相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 導(dǎo)軌承壓計(jì)算

選取切削力［3，8］接近工件端面位置分析，先求出大小溜板，手柄和刀臺(tái)自身重力共多少，再將所受重力和切削力折算到刀架定位裝置與導(dǎo)軌接觸面，求出導(dǎo)軌所受載荷，同理可求出尾座處導(dǎo)軌。導(dǎo)軌受力參數(shù)如表3所示。

表3 導(dǎo)軌接觸面受力情況

3 有限元軟件仿真分析

3.1 定義材料屬性

床身材料分別采用HT250（鑄鐵）、水泥樹脂復(fù)合材料和PP纖維樹脂混凝土，床身預(yù)埋件中除導(dǎo)軌采用45號(hào)鋼，其他均為HT250鑄鐵。涉及的材料特性如表4所示。

在ANSYS workbench的工程示意圖（Project Schematic）界面，進(jìn)入工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)（Engineering Data），將表2所示材料數(shù)據(jù)添加進(jìn)材料庫(kù)并保存。然后在Mechanical中分3次分別賦予床身不同材料，其余構(gòu)件材料不變；分3次進(jìn)行仿真模擬。

3.2 網(wǎng)格劃分

將床身基礎(chǔ)件模型導(dǎo)入workbench界面分析項(xiàng)目中mesh流程，定義接觸對(duì)類型為bonded（綁定、固連），在網(wǎng)格尺寸設(shè)置中，定義relevance（關(guān)聯(lián)值）為100，relevance center（關(guān)聯(lián)中心）設(shè)置為fine（細(xì)致）網(wǎng)格，element size（單元尺寸）設(shè)置為10mm，span angle center（跨度角中心）設(shè)為medium（中等），確保曲面弧度，網(wǎng)格類型以四面體為主，對(duì)精度要求低的部位，如機(jī)床床身的床尾等受載荷較小的部分，使用了低階網(wǎng)格單元，合理簡(jiǎn)化計(jì)算模型。最終得到如圖5所示床身基礎(chǔ)件有限元模型，包含385652個(gè)節(jié)點(diǎn)和243747個(gè)體單元，網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果如圖5所示。

圖4 床身及基礎(chǔ)件的網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.3 靜力結(jié)構(gòu)分析

按照2.1和2.2中分析計(jì)算結(jié)果，在床身及基礎(chǔ)件模型中，在軸承座的弧面、上半段與下半段連接處和導(dǎo)軌承壓區(qū)域加載相應(yīng)方向、大小的載荷，根據(jù)床身和基礎(chǔ)的實(shí)際固定方式，將床身底部6個(gè)面定義為固定約束（Fixed Support）。執(zhí)行ANSYS Mechanical求解程序，得到三種不同材料床身及基礎(chǔ)件的等效應(yīng)力云圖（Equivalent stress）和總體變形云圖（Total Deformation），如圖6-圖14所示。

圖6 鑄鐵床身應(yīng)力分布（背面）

圖7 鑄鐵床身及附件應(yīng)力分布（正面）

圖8 鑄鐵床身及附件結(jié)構(gòu)應(yīng)變

為使圖像更加清晰，便于觀察數(shù)值相差較小且顏色難以區(qū)分的區(qū)域，僅圖6，7，8，11的色彩區(qū)分度（或稱分辨率）被調(diào)高，顯示更加細(xì)致的場(chǎng)分布。

表4 床身材料屬性

圖9 水泥樹脂復(fù)合材料床身及基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)應(yīng)變（正面）

圖10 水泥樹脂復(fù)合材料床身及基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)應(yīng)變（背面）

圖11 水泥樹脂復(fù)合材料床身及基礎(chǔ)件應(yīng)力分布

觀察圖6，圖7并對(duì)比圖11可得，車床工況模擬后，水泥樹脂復(fù)合材料的應(yīng)力相對(duì)集中在床身與導(dǎo)軌承壓位置的接觸區(qū)域附近，最高可達(dá)3.3879×108Pa（比鑄鐵床身多出3倍余），而大部分床身只承受低值6096.3到2.4205×107Pa的應(yīng)力；而同等情況中，鑄鐵床身的應(yīng)力分布相對(duì)更加均勻合理，受其應(yīng)力分布區(qū)域中等數(shù)值2.2298×107-5.015×107Pa的區(qū)域較大。相應(yīng)地，在承載刀架的床身及導(dǎo)軌部分，水泥樹脂復(fù)合材料床身在其附近發(fā)生較大形變，形變量最大值0.0031828m比鑄鐵床身的0.0003515m多近9倍。另一方面，后者的應(yīng)力幅值（6096.3～3.3879×108Pa）比前者鑄鐵床身大6倍余（11956～7.8014×107Pa），明顯劣于前者。

圖12 PP纖維樹脂混凝土床身及基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)應(yīng)變

圖13 PP纖維樹脂混凝土床身及基礎(chǔ)件應(yīng)力分布（正面）

圖14 PP纖維樹脂混凝土床身及基礎(chǔ)件應(yīng)力分布（背面）

觀察圖12-14，對(duì)比圖6-8，發(fā)現(xiàn)PP纖維樹脂混凝土車床床身在模擬狀態(tài)下，存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但應(yīng)力幅值與傳統(tǒng)鑄鐵床身相差無(wú)幾（最多4.871kPa最少僅0.02kPa）。反映到形變上，該床身位于刀架與導(dǎo)軌接觸處局部位移最大，PP纖維樹脂礦物材料數(shù)值為0.000854m與鑄鐵（0.000315m）相差僅僅約60%。

從圖9-11和圖12-14中可看出，仿真模擬的車床工況下，以車床結(jié)構(gòu)和體積保持不變作為前提，僅從機(jī)床靜態(tài)特性角度出發(fā)，本文中PP纖維樹脂混凝土比硅酸鹽水泥樹脂混凝土靜態(tài)結(jié)構(gòu)性能更加優(yōu)秀。

4 實(shí)驗(yàn)論證

選取兩根同牌號(hào)的直徑為38mm的棒狀低合金結(jié)構(gòu)鋼毛坯料，初步加工切斷部分材料后，棒料長(zhǎng)700mm，在距離兩端5mm處沿周向劃線。裝夾過(guò)程中，預(yù)留棒料伸出部分長(zhǎng)為565mm，選用舊粗車車刀，設(shè)定刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.25（mm/rpm），設(shè)置背吃刀量（切削量）為0.4mm［8］（考慮表面硬化層）。將鑄鐵床身等效應(yīng)變圖中位移相對(duì)較大位置標(biāo)記于實(shí)體床身并相對(duì)密集集粘貼共17個(gè)電阻應(yīng)變片于（標(biāo)記應(yīng)變?cè)茍D中形變量大于0.000301m部分區(qū)域，即右側(cè)導(dǎo)軌與刀架接觸承壓面）對(duì)應(yīng)標(biāo)記位置，依次連接各應(yīng)變片至電阻應(yīng)變儀；另準(zhǔn)備光學(xué)測(cè)距軟件和相應(yīng)攝像頭一組。

先準(zhǔn)備應(yīng)變儀和攝像頭以及記錄媒介，完畢后設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為500r/min，啟動(dòng)，待切削至劃線處，停車，卸載，將棒料兩端對(duì)調(diào)后重新裝夾，再次啟動(dòng)；重復(fù)上述過(guò)程3次，分多組多次記錄應(yīng)變儀和測(cè)距數(shù)據(jù)較大值，合并處理數(shù)據(jù)，刪去無(wú)效數(shù)據(jù)，最終得到一系列標(biāo)記位置（應(yīng)變最大處）的形變、位移數(shù)值，如表5所示。然后，對(duì)應(yīng)于測(cè)量點(diǎn)，在ANSYS workbench內(nèi)點(diǎn)擊probe查看對(duì)應(yīng)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)方向應(yīng)變（Directional Deformation）大小。

由于機(jī)床實(shí)際工況與理論模型略有不同，粘貼應(yīng)變片的表面不完全為鑄鐵材料（表面處理層），導(dǎo)軌承壓面無(wú)法粘貼應(yīng)變片，測(cè)距和手工操作存在誤差，車間溫度和車床溫度對(duì)床身影響未被計(jì)算入模型，據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的機(jī)床誤差來(lái)自熱變形［3，9］.因而，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果被認(rèn)為有效印證了圖8的應(yīng)變?cè)茍D，有力證實(shí)了前述應(yīng)用于ANSYS workbench中有限元三維模型的準(zhǔn)確性。

表5 實(shí)際加載實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變數(shù)值（處理后）單位（mm）

5 結(jié)論

通過(guò)ANSYS workbench15.0成功模擬并計(jì)算三種不同材料機(jī)床床身在典型工況下的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用有限元方法預(yù)測(cè)了在結(jié)構(gòu)尺寸不變條件下，同一工況中，兩種改性樹脂礦物材料制成的臥式車床床身的靜態(tài)力學(xué)性能，認(rèn)為：由于彈性模量和剛度等屬性與鑄鐵材料差異較大，水泥樹脂復(fù)合材料床身在不改變?cè)采斫Y(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)的條件下，靜態(tài)力學(xué)性能無(wú)法比擬傳統(tǒng)鑄鐵床身；但是，從分析結(jié)果數(shù)據(jù)出發(fā)，需將應(yīng)力較集中部分的壁厚增大2倍或2倍以上（伴隨著相應(yīng)調(diào)整對(duì)床身結(jié)構(gòu)形式的相應(yīng)調(diào)整），同時(shí)改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)導(dǎo)軌與床身安裝方式［4，9］，便能夠達(dá)到甚至超越鑄鐵材料的床身靜態(tài)力學(xué)性能。

經(jīng)過(guò)本次研究，對(duì)比了PP纖維樹脂混凝土、水泥樹脂復(fù)合材料和鑄鐵的靜態(tài)性能，對(duì)于這兩種改性樹脂礦物材料，在設(shè)計(jì)制造成本相近時(shí)，推薦優(yōu)先進(jìn)一步研究和觀察PP纖維樹脂混凝土床身各項(xiàng)性能。

另一方面，總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，PP纖維樹脂混凝土床身在床身靜態(tài)精度和其應(yīng)力幅值方面非常接近普通鑄鐵（HT250）床身，而水泥樹脂復(fù)合材料床身面臨較良空間，本次仿真分析為進(jìn)一步研究改性樹脂礦物材料動(dòng)態(tài)和熱穩(wěn)定性能，發(fā)掘應(yīng)用潛力提供了理論依據(jù)。

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Research and Analysis on Static Characteristics of Bed of Resin-based Mineral Material Lathe

MENG Xianyu，WANG Li
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to study the static characteristics and application of the two kinds of new resin-based mineral materials，the cement resin composites and the PP fiber reinforced resin concrete are used to study the static characteristics and application of the machine tool foundation of a certain type of horizontal lathe.Pre-processing；the use of typical operating conditions under the calculation of the corresponding parameters calculated and converted into the bed load.Then，through the finite element simulation software ANSYS Workbench15.0，the static structure analysis of the machine bed is completed.The static characteristic parameters and the parameters of the machine under static load are studied.Finally，combined with the characteristics of traditional cast iron bed and experimental verification，the static mechanical properties of two kinds of resin mineral materials were analyzed and compared..

modified hybrid polymer concrete；static analysis；3D finite model

TH114，TH142

A

1672-9870（2017）05-0067-05

2017-07-20

孟憲宇（1980-），男，碩士，講師，E-mail：mengxianyu@cust.edu.cn