□ 丁江民 □ 彭世財(cái)

大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧大連 116028

1 復(fù)合混凝土機(jī)床床身特點(diǎn)

隨著數(shù)控加工機(jī)床應(yīng)用日趨增多，人們對(duì)數(shù)控加工機(jī)床精度和材料選擇的要求越來越高，采用新材料機(jī)床床身取代鑄鐵機(jī)床床身的趨勢(shì)越來越明顯［1］。筆者對(duì)復(fù)合混凝土機(jī)床床身進(jìn)行研究。復(fù)合混凝土材料取材容易、價(jià)格低廉，而且大阻尼的材料屬性能夠增強(qiáng)機(jī)床床身的抗振性。此外，與鑄鐵機(jī)床床身相比，復(fù)合混凝土機(jī)床床身還具有澆注溫度低、可塑性強(qiáng)、耐火性強(qiáng)等特點(diǎn)［2］。

比較復(fù)合混凝土機(jī)床床身和鑄鐵機(jī)床床身，復(fù)合混凝土機(jī)床床身主要有四方面優(yōu)勢(shì)。

（1）高整合性。由于鑄鐵機(jī)床床身的鑄造溫度高達(dá)900℃，因此只能在機(jī)床床身鑄造加工后再組裝其它部件，使得機(jī)床床身和其它部件的吻合度要求較高。而復(fù)合混凝土機(jī)床床身的澆注溫度較低，可以在澆注過程中組裝其它部件，使機(jī)床制造更加簡(jiǎn)便，并可高度整合。

（2）高精度。鑄鐵機(jī)床床身鑄造工序較復(fù)雜，鑄件精度較低，誤差最小為1～3 mm/m。而復(fù)合混凝土機(jī)床床身能達(dá)到0.1～0.3 mm/m的精度，這是因?yàn)閺?fù)合混凝土機(jī)床床身采用低溫澆注成型，最高溫度僅為45℃，避免了熱脹冷縮造成的機(jī)床床身變形，使機(jī)床床身精度大為提高。

（3）低能耗。復(fù)合混凝土質(zhì)量較輕，運(yùn)輸和制造比鑄鐵機(jī)床床身省時(shí)省力，并且復(fù)合混凝土機(jī)床床身適合現(xiàn)場(chǎng)施工，在選擇制造場(chǎng)地方面也有較大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前我國制造行業(yè)在推行材料循環(huán)應(yīng)用，使用復(fù)合混凝土材料符合政策導(dǎo)向。報(bào)廢的復(fù)合混凝土機(jī)床床身可以粉碎，用作建筑材料。此外，復(fù)合混凝土垃圾還可以用于筑路等。

（4）低價(jià)格。鑄鐵機(jī)床床身制造價(jià)格較高，保養(yǎng)和維修費(fèi)用較大。而復(fù)合混凝土機(jī)床床身制造價(jià)格便宜，不需要考慮耐腐蝕等方面的保養(yǎng)費(fèi)用，降低了成本。

以上四方面優(yōu)勢(shì)使復(fù)合混凝土機(jī)床床身受到越來越多的重視，因此復(fù)合混凝土機(jī)床床身的推廣應(yīng)用將是大勢(shì)所趨。

2 機(jī)床床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的床身一般分為平床身和斜床身兩類。

平床身導(dǎo)軌沒有傾斜，加工后的鐵屑容易集中，熱量不易散發(fā)，造成床身熱變形，影響加工精度。斜床身則較好地解決了以上問題，斜床身一般為45°，排屑容易，剛性好，精度得到保證。

筆者設(shè)計(jì)制作傾斜角為45°的復(fù)合混凝土機(jī)床斜床身，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。機(jī)床參數(shù)見表1。

▲圖1 復(fù)合混凝土機(jī)床床身結(jié)構(gòu)模型

表1 機(jī)床參數(shù)

3 材料研究

復(fù)合混凝土機(jī)床床身采用硅酸鹽混凝土和環(huán)氧樹脂混凝土相結(jié)合的復(fù)合材料。硅酸鹽混凝土的基料為52.5R高強(qiáng)水泥，外加青石、細(xì)沙等骨料經(jīng)水混合攪拌后制得。環(huán)氧樹脂混凝土的基料為E51環(huán)氧樹脂，增韌劑為鄰苯二甲酸二甲酯（DMP），活性稀釋劑為AGE型，固化劑為乙二胺，并以粉煤灰為填料，加入青石作為粗骨料，河沙作為細(xì)骨料，在不加入水的情況下對(duì)各材料進(jìn)行攪拌，然后填入模具內(nèi)振動(dòng)成型［4］。環(huán)氧樹脂混凝土用作機(jī)床工作面材料，具有較高的強(qiáng)度和硬度。復(fù)合混凝土材料配比見表2。

表2 復(fù)合混凝土材料配比

環(huán)氧樹脂混凝土和硅酸鹽混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、阻尼比、泊松比數(shù)據(jù)見表3。

表3 復(fù)合混凝土材料參數(shù)

對(duì)兩種材料組合后的復(fù)合混凝土試驗(yàn)件進(jìn)行拉壓強(qiáng)度測(cè)試，X向強(qiáng)度為 4.48 MPa，Z向強(qiáng)度為 71.9 MPa。

4 機(jī)床床身模型分析

4.1 計(jì)算機(jī)模型

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)復(fù)合混凝土機(jī)床床身進(jìn)行建模分析［5-11］，圖2所示為機(jī)床床身模型的網(wǎng)格劃分。

▲圖2 機(jī)床床身模型網(wǎng)格劃分

因?yàn)闄C(jī)床床身導(dǎo)軌一般受到豎直方向的壓力，所以在導(dǎo)軌豎直方向施加100 N的壓力。在應(yīng)力云圖上可知最大應(yīng)力為4 MPa，在變形云圖上可知最大變形為1.137 1 μm。進(jìn)一步對(duì)復(fù)合混凝土機(jī)床床身進(jìn)行模態(tài)分析，得到復(fù)合混凝土機(jī)床床身固有頻率，見表4。

在實(shí)際工作中，機(jī)床所受的激勵(lì)力在低頻時(shí)若與結(jié)構(gòu)低階固有頻率重合，會(huì)產(chǎn)生共振，這會(huì)對(duì)加工精度有很大影響，因此選取前六階固有頻率進(jìn)行分析。

表4 機(jī)床床身模態(tài)分析固有頻率

4.2 實(shí)體模型

為驗(yàn)證上述模擬分析的可行性，以1∶5比例制作復(fù)合混凝土機(jī)床床身實(shí)體模型進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。采用的試驗(yàn)設(shè)備為西門子公司生產(chǎn)的LMSMOBILE SCR205型40通道數(shù)據(jù)采集前端控制器，傳感器為ICP調(diào)制輸入傳感器，應(yīng)用LMS.Test lab測(cè)試軟件進(jìn)行分析。機(jī)床床身實(shí)體模型如圖 3所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

機(jī)床機(jī)身實(shí)體模型試驗(yàn)得到的固有頻率見表5。

▲圖3 機(jī)床床身實(shí)體模型

▲圖4 機(jī)床床身實(shí)體模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表5所示的實(shí)體模型固有頻率與表4所示的理論模態(tài)固有頻率存在差距，這是由于機(jī)床床身模型比例不同造成的。通過相似原理對(duì)理論模態(tài)固有頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的理論模態(tài)固有頻率與實(shí)體模型試驗(yàn)得到的固有頻率基本相同，見表6。

表5 機(jī)床床身實(shí)體模型固有頻率

表6 固有頻率對(duì)比Hz

總體而言，實(shí)體模型試驗(yàn)得到的固有頻率與理論模態(tài)固有頻率稍有誤差，這是由于機(jī)床床身實(shí)體模型試驗(yàn)時(shí)存在誤差導(dǎo)致的，但這些誤差均在允許范圍內(nèi)。

筆者對(duì)復(fù)合混凝土機(jī)床床身的靜態(tài)性能進(jìn)行了測(cè)試［12-13］，得到最大變形為 1.1 μm，最大應(yīng)力為 4 MPa。相關(guān)文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)表明，對(duì)于靜態(tài)性能，鑄鐵機(jī)床床身最大變形為0.024 mm，最大應(yīng)力為11 MPa，都比筆者試驗(yàn)采用的復(fù)合混凝土機(jī)床床身大，顯示出復(fù)合混凝土機(jī)床床身的阻尼性較好。

5 結(jié)論

筆者應(yīng)用復(fù)合混凝土材料制造機(jī)床床身，復(fù)合混凝土材料具有高阻尼性、高抗振性等優(yōu)點(diǎn)，非常符合機(jī)床床身制造材料的節(jié)能要求，是一種優(yōu)良的機(jī)床床身制造材料。

復(fù)合混凝土機(jī)床床身制造價(jià)格便宜，材料來源充足，在穩(wěn)定性、變形量和強(qiáng)度方面都體現(xiàn)出較好的優(yōu)勢(shì)。