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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)翻譯) 第 15 頁
高速數(shù)控銑床混合聚合物混凝土床身的設(shè)計(jì)與制造
Jung Do Suh ?Dai Gil Lee
收稿日期：2006/9月22日接受日期：2007年6月11日/發(fā)表時(shí)間：2008年1月23日施普林格科學(xué)和商業(yè)媒體B.V.2008
摘要：為了最大限度地提高精密產(chǎn)品(如夾具和模具)的生產(chǎn)效率，機(jī)床應(yīng)保證高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生振動(dòng)。隨著機(jī)床運(yùn)行速度的提高，振動(dòng)問題已成為制約制造精密產(chǎn)品的主要因素。因?yàn)橹匾臋C(jī)床、精密機(jī)床、工具機(jī)床對功能結(jié)構(gòu)剛度和高阻尼要求較高，但傳統(tǒng)的高剛度金屬的阻尼較低，因此這可不能同時(shí)作為床身結(jié)構(gòu)的使用，反之亦然。本文介紹了混合聚合物混凝土在精密機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的中的應(yīng)用。焊接鋼結(jié)構(gòu)的外殼和聚合物混凝土填充組成的混合聚合物混凝土床的設(shè)計(jì)，在本次試驗(yàn)的混合機(jī)床工具床中表現(xiàn)出了良好的阻尼特性和廣泛的頻率（G =2.93-5.69％）。高速龍門銑床制造機(jī)就是通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析有限元方法，測得在高速加工過程中穩(wěn)定時(shí)主軸角滑動(dòng)的速度和加速度分別為35000 rpm和30 m/s2。
關(guān)鍵詞： 聚合物混凝土 機(jī)床 阻尼 精密加工
1引言
現(xiàn)代精密機(jī)床生產(chǎn)精密產(chǎn)品時(shí)要求加工速度高。為了達(dá)到要求，機(jī)床必須有高阻尼以及高結(jié)構(gòu)剛度。現(xiàn)代機(jī)床通常配備有高速主軸系統(tǒng)，它的旋轉(zhuǎn)到35,000 rpm和加速度30 m/s2（Suh and Lee 2002）。在這些高運(yùn)行速度下，機(jī)床結(jié)構(gòu)的脆弱部分容易振動(dòng)，從而導(dǎo)致表面光潔度差，達(dá)不到準(zhǔn)確的產(chǎn)品尺寸（(Suh and Lee2004）。此外，共振，這種自我誘導(dǎo)振動(dòng)，也會對刀具壽命產(chǎn)生不利的影響（(Clancy and Shin 2002）。機(jī)床的振動(dòng)經(jīng)常由低阻尼造成，如果機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼太低，由于自然機(jī)床結(jié)構(gòu)的固有頻率不會無限增加，必然會導(dǎo)致在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)自我誘導(dǎo)或再生的振動(dòng)的發(fā)生。由于傳統(tǒng)金屬材料阻尼特性低，組成機(jī)床結(jié)構(gòu)的金屬材料，不能有高剛度和高阻尼兩個(gè)特性，因此可以使用輔助減震器，如阻尼動(dòng)態(tài)減震器，蘭徹斯特減振器，液壓阻尼器等產(chǎn)品來達(dá)到這個(gè)目的。然而，這些輔助減震器只限于在預(yù)確定模式和頻率下使用（EMA和瑪瑞2000年）。雖然可以通過增加更高的材料剛性或增加截結(jié)構(gòu)模量來增加機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度，但是阻尼和剛度金屬結(jié)構(gòu)卻不能同時(shí)增加，因此獲得高阻尼的最佳途徑就是采用三明治高剛度的外殼和高結(jié)構(gòu)聚合物混凝土阻尼填充的結(jié)構(gòu)。聚合物混凝土由于其剛度適中，成本低，成為一種潛在材料機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的材料（金等。 1995年，科爾特斯和卡斯蒂略2007）：雖然聚合物混凝土（取決于樹脂粘結(jié)劑系統(tǒng)，其價(jià)格范圍從$ 300/m3元至2,000元/ m3）與傳統(tǒng)的相比水泥混凝土（$ 50/m3- $ 80/m3）比較昂貴，但傳統(tǒng)的水泥混凝土由于其較低的強(qiáng)度和對電阻的影響是不適合應(yīng)用在機(jī)床上。（2007年科爾特斯和卡斯蒂略）。
本文介紹了設(shè)計(jì)和制造混合聚合物混凝土機(jī)床的床身，是由焊接鋼面的夾層結(jié)構(gòu)和聚合物混凝土為填充的設(shè)計(jì)方式。通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析后，對混合床聚合物混凝土的基本性能進(jìn)行了測試。所開發(fā)的混合聚合物混凝土床身被納入高速龍門式軋機(jī)ING機(jī)的床體結(jié)構(gòu)中（FV400，大宇重工業(yè)機(jī)械有限公司，韓國）。動(dòng)態(tài)特性沖動(dòng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的測定測試結(jié)果顯示，與鋼或案件的阻尼因素的鐵床結(jié)構(gòu)（G =0.2-0.3％）相比，混合聚合物具體展品具有更加優(yōu)良的阻尼特性（G =2.93-5.69％）。
2 聚合物混凝土的特點(diǎn)
聚合物混凝土是由骨料與聚合物基體結(jié)合所形成的，聚合物通常是環(huán)氧樹脂或不飽和聚酯樹脂組成。由于不飽和聚酯樹脂的凝結(jié)溫度為-100 K，不能滿足溫度要求，因此環(huán)氧樹脂是性能更好的材料（由韓國愛敬化學(xué)有限公司提供）。作為一種韌性材料，聚酯便宜，和其多樣化的結(jié)構(gòu)固化的速度，更適合作為機(jī)床床身。此外，材料的性能對聚合物混凝土有著決定性的作用，但是材料在總體積中占有較高的百分比也會使聚合物混凝土具有較高的剛度。
這里聚集了分組其網(wǎng)號碼，如＃1.0-1.5，#1.5-3.2，#3.2-6.4，＃6.4-12.0和大于12的沙子。若要確定近似的混合比例，有人通過線性的一般概念包裝理論，認(rèn)為較小的聚集體占據(jù)了較大空間的形成無效集合體。例如，礫石＃1.0＃1.5的形式喪失約40％的空間，這個(gè)空間可由礫石＃1.5＃3.2等填充。暫定的混合比例決定線性包裝的理論和聚合物混凝土的密實(shí)填充的最佳混合比例通過一些實(shí)驗(yàn)確定如表1所示。
圖1顯示了測量聚合物原料的聚酯和花崗巖具體阻尼因素的沖動(dòng)動(dòng)態(tài)測試圖。
從中可以看出測得的阻尼因素，從2％至4％不等，較廣泛的頻率和潛在價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的金屬材料。此外，還對聚合物混凝土的屬性進(jìn)行了脈沖的動(dòng)態(tài)測試（ASTM C215-91）。
表1聚合物混凝土的組成
礫石（絲網(wǎng)＃） 沙聚酯
1.0–1.5 1.5–3.2 3.2–6.4 6.4–12.0
Wt.% 30.3 15.4 7.1 7.1 30.0 10.0
Vol.% 26.7 13.6 6.3 6.3 26.4 21.8
圖1 阻尼因素與聚合物混凝土在不同頻率下的變化
圖2 脈沖動(dòng)態(tài)測試測量聚酯和花崗巖的屬性
表2和表3分別列出的標(biāo)本的大小和機(jī)械性能。圖3描述測量頻率，阻尼因素的變化關(guān)系。此外，聚合物表面的混凝土剪切強(qiáng)度和鋼鋼粗糙度測量圖所示（英斯特朗公司，美國）。
表2動(dòng)態(tài)測試混凝土的試件尺寸
樣式
長度（mm）
寬度（mm）
高度（mm）
1
240
97
97
2
360
97
97
3
280
97
97
表3聚合物混凝土性能
密度（kg/m3
電子（GPa）
G（GPa）
米
2260
25.2
10.5
0.2
圖3 聚合物混凝土阻尼因素G的折線圖
嵌在高分子聚合物混凝土和鋼線材的模型組成具體如圖所示（速度為0.1毫米/分鐘）。 鋼筋表面包裹著砂紙和各種網(wǎng)組成的固化聚合物。從圖中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，表面的抗剪強(qiáng)度的增加跟粗糙度增加有關(guān)系。
圖4 測量聚合物混凝土和鋼的剪切強(qiáng)度：（a）測試照片（b）標(biāo)本照片（毫米）
圖5鋼和聚合物混凝土之間的剪切強(qiáng)度以及鋼的表面粗糙度如圖所示
3設(shè)計(jì)和制造工藝
3.1混合機(jī)床的理論設(shè)計(jì)
機(jī)床的功能要求（FRS）如下：（托比亞斯1965年。Kim等1995）
FR1：增加結(jié)構(gòu)剛度 FR2：增加結(jié)構(gòu)阻尼
由于床身外形尺寸，需要考慮組裝與其他部件的關(guān)系，所以其外形被設(shè)計(jì)成一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)組成的鋼面和聚合物混凝土填充的結(jié)構(gòu)。由于夾層結(jié)構(gòu)阻尼很大程度上來自核心材料的阻尼，因此，設(shè)計(jì)可以通過以下脫鉤設(shè)計(jì)參數(shù)（DPS）來說明（SUH2001年）。
DP1的：鋼組成的鋼板厚度基數(shù)（面對三明治結(jié)構(gòu)）
DP2：聚合物混凝土阻尼特性
FR1X 0 DP1
FR2?xX DP2e1T
夾層結(jié)構(gòu)的另外的好處是其在制造業(yè)不僅可以增加結(jié)構(gòu)剛度也可以作為聚合物混凝土模具。
圖6顯示了高速龍門式銑床機(jī)床結(jié)構(gòu)。在這項(xiàng)工作中，其規(guī)格如表4所示。?機(jī)床床身組成的混合結(jié)構(gòu)種焊接鋼作為基礎(chǔ)，聚合物混凝土作為核心填補(bǔ)其內(nèi)部空腔。本機(jī)床床類型有兩個(gè)功能，即直線電機(jī)安裝和安裝LM指南。如圖?6所示的移動(dòng)框架幻燈片，從上面可以看出LM-指南和驅(qū)動(dòng)由直線電機(jī)安裝在豎列機(jī)床床身位置。因此，豎列應(yīng)該抵抗慣性力和拉力21KN的直線電機(jī)的移動(dòng)，使豎列彎曲。因此，豎列的大變形的主要來源，在設(shè)計(jì)過程中，也被選定為主要設(shè)計(jì)的一部分。此外，由于豎列是最弱的部件的結(jié)構(gòu)，在振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生位移相對大于其他部分。
圖6結(jié)構(gòu)機(jī)床（FV400，大宇重工工業(yè)機(jī)械有限公司，韓國）
表4規(guī)格（FV400，大宇機(jī)床重工業(yè)機(jī)械有限公司，韓國）
規(guī)范
值
大?。▁9個(gè)Y9 Z，毫米） 18309 60091850
傳輸范圍（×9?Z，Y 9毫米） 600 9400 9400
?加速轉(zhuǎn)移（的X，Y，Z幻燈片，m/s2） 14，14，20
質(zhì)譜（的X，Y，Z幻燈片，公斤） 5501100，290
清拆直線電機(jī)（毫米） 0.9±0.3
LM指南變形限制（LM） ±30
引力的直線電機(jī)（千牛） 21
主軸最高轉(zhuǎn)速（rpm） 35,000
圖7焊接鋼基地機(jī)床床體（a）頂視圖 （b）底視圖
圖8機(jī)床床體靜撓度引力和慣性力的關(guān)系
圖7顯示了焊接的鋼鐵基地和DPS有關(guān)，并顯示了 X1-X3，Y1 -Y6和Z1-Z3的鋼板厚度。為了確定的DPS，采用ANSYS軟件6.0（美國）對靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算分析。此外的阻尼因素，也使用的能源關(guān)系振動(dòng)來產(chǎn)生。為了模擬實(shí)際的靜負(fù)荷和變形，支持六個(gè)點(diǎn)作用力和底面固定慣性力也按照LM-指南和應(yīng)用直線電機(jī)的實(shí)際位置進(jìn)行測試，如圖8所示。慣性力Fx和 Fz對應(yīng)每個(gè)LM指南的兩點(diǎn)，而慣性力Fy和拉力Fp則是對應(yīng)零件直線電機(jī)安裝。此外，豎列抗性由X方向上LM-塊導(dǎo)軌的LM-2.09109N/米彈性剛度和在Z方向的2.59109N/ M彈性剛度來測量。
圖8和表6顯示變形的結(jié)果變化時(shí)的邊界條件和DPS值。從結(jié)果表6，有人發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的剛度在很大程度上取決于在X方向上板的厚度，與Y方向板的厚度關(guān)系不大。對圖9和表8顯示的結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在振動(dòng)過程中的主要變形垂直列和第一振動(dòng)模態(tài)列垂直偏轉(zhuǎn)形狀通過一個(gè)集中載荷的懸臂梁時(shí)振動(dòng)會消失。為了獲得了較高的自然頻率在X方向增加鋼面厚度，但增加后效果也并不顯著。這是因?yàn)?，在增加厚度的鋼面X方向不僅增加了結(jié)構(gòu)剛度，也增加了其質(zhì)量阻礙固有頻率的增加。
表5為靜態(tài)分析的邊界條件
表6慣性機(jī)床床身的變形和吸引力力量（LM）之間的關(guān)系
表7鋼鐵板塊鋼鐵基體的組成尺寸（mm）
然而，眾所周知，第一模式大部分由于其龐大的振動(dòng)能量使其產(chǎn)生應(yīng)變，在其中的阻尼垂直列對應(yīng)的梁阻尼性能和應(yīng)變能量分別儲存在鋼面和聚合物混凝土核心中。為了估計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)，垂直導(dǎo)柱被假定為X方向鋼面和??聚合物混凝土核心組成的一個(gè)夾心懸臂梁，如圖10、圖 11所示，其中集中負(fù)載P1和 P2如圖 10，做適當(dāng)調(diào)整，即P1/P2=1249，相應(yīng)的靜態(tài)撓度的幅度類似振動(dòng)模式。在這項(xiàng)測試中，有人推測，總應(yīng)變能源是鋼中儲存的應(yīng)變能量的總和與外殼、聚合物混凝土核心和消散能量是成正比的，阻尼因素和單位的總應(yīng)變能U與鋼面US和混凝土核心UC應(yīng)變能有關(guān)。
圖9振動(dòng)模式的機(jī)床形狀：（a）1，（b）2，（c）3，（d）4
表8有限元分析得到的固有頻率（赫茲）
圖10第一振動(dòng)模式的垂直列阻尼因子估算示意圖
其中S和C代表鋼和混凝土，而AS和AC則代表由不銹鋼和聚合物占的具體區(qū)域，其中鋼面的壓力和聚合物混凝土核心的計(jì)算方法如下：
其中x和T、C代表從它的中間的距離軸下的危險(xiǎn)點(diǎn)和鋼面。M，V和D分別表示彎矩，剪切力和抗彎剛度。一旦厚度的鋼面和??聚合物混凝土核心超過鋼的應(yīng)變能量時(shí)，阻尼因子G的情況如上，垂直列計(jì)算如下（(Rao 1978; Sun and Lu 1995）。
WD表示每耗能振動(dòng)周期。由于第一振動(dòng)頻率如表8所述，阻尼系數(shù)在所有情況下無法測得。具體GC可從圖3中100赫茲的推斷出可能為8.8％。而鋼GS阻尼系數(shù)約是0.2％。通過表7，計(jì)算出案例1案例3 中g(shù)值分別為3.3％，3.4％和3.7％。案例4和案例6，G的計(jì)算值也為3.3％，3.4％和3.7％，因?yàn)橄鄳?yīng)的鋼板厚度在X方向是相同的，而板在Y方向的厚度被忽略。從阻尼值可得，計(jì)算出的阻尼因素增加，鋼面厚度X方向也會下降。因此，案例4中表7被確定為設(shè)計(jì)值因?yàn)闄C(jī)床結(jié)構(gòu)制造應(yīng)具有較高的剛度和阻尼系數(shù)為3.3％，所以可以制造足夠大的機(jī)床床身結(jié)構(gòu)。
3.2聚合物混凝土機(jī)床
制造機(jī)床床身聚合物混凝土床制造聚合物混凝土澆成的鋼鐵基礎(chǔ)如圖12，由常溫固化的鋼板焊接組成的鋼鐵基礎(chǔ)在定位澆筑過程中面朝下，這樣很容易充滿聚合物混凝土。詳細(xì)的制造工藝聚合物混凝土如下：
（一）用清水洗干凈制造的鋼面床身。
（二）聚酯樹脂按預(yù)先確定的重量或體積比混合。
（三）在加注混凝土?xí)r要用重力和振動(dòng)使混合更加均勻。
（四）在室溫下凝固聚合物混凝土。
（五）其他部位的安裝，按照裝配和安裝LM指南和直線電機(jī)的要求。
圖12機(jī)器焊接的鋼鐵基地的照片機(jī)床床身：（a）底視圖，和（b）頂視圖
圖13聚合物混凝土機(jī)床床身的照片
圖13聚合物的照片顯示了在這項(xiàng)工作中的具體機(jī)床床身的制造外形。
4 聚合物混凝土機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)特性
使用測試測量床FFT分析儀測試聚合物混凝土在沖動(dòng)動(dòng)態(tài)的動(dòng)態(tài)特性B＆K（丹麥）六分床是固定的，如圖 9所示。測量儀器如下，雙通道FFT分析儀（邦凱2032），電荷放大器（B＆K 2626），沖動(dòng)錘子（B＆K 8202），加速度計(jì)（B＆K 4374），和力傳感器屋（B＆K 8200）。然后對測試結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算出有限元。圖14和表9顯示測量FRF（頻率響應(yīng)函數(shù)）阻尼因子與頻率的結(jié)果。使用相關(guān)公式的方法，通過動(dòng)態(tài)測試獲得阻尼因子G的計(jì)算結(jié)果（Nashif等1985）。
表9 通過脈沖動(dòng)態(tài)測試機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)特性
（F2 - F1）和fr分別代表的半功率帶寬度和相應(yīng)的自然頻率，從動(dòng)態(tài)測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這是混合機(jī)床床身在固有頻率的頻率范圍內(nèi)阻尼因素G的值在2.93-5.69％之間，與鋼或鐵床結(jié)構(gòu)的阻尼因素值0.2-0.3％相比，均優(yōu)于它們。在第一模式的情況下，計(jì)算和測量阻尼因素分別為3.30和4.13。差異可以歸因于在計(jì)算過程中忽視阻尼發(fā)生在鋼鐵界面和聚合物混凝土層之間這個(gè)條件。
5 結(jié)論
在這項(xiàng)研究中，可以用聚合物混凝土床焊接鋼面結(jié)構(gòu)，即混合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和制造的高速銑床，而聚合物混凝土原料的最佳混合比例可通過實(shí)驗(yàn)獲得。機(jī)械聚合物混凝土的性能以及附著力其表面性能鋼強(qiáng)度和粗糙度這些動(dòng)態(tài)特性對混合聚合物混凝土床有著一定的影響。從對這些動(dòng)態(tài)特性的方面對混合聚合物混凝土床的脈沖做了動(dòng)態(tài)測試的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，混合機(jī)器機(jī)床床身在固有頻率范圍內(nèi)的阻尼因素為2.93%-5.69%，遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)或鐵床結(jié)構(gòu)（0.2-0.3％）。因此混合聚合物混凝土龍門型高速已被納入銑床的范圍內(nèi)（FV400，大宇重工機(jī)械有限公司，韓國）。
鳴謝
這項(xiàng)工作是由韓國研究基金會贈(zèng)款資助政府（MOEHRD) 商務(wù)部（M01-2004-000-10374-0），工業(yè)和朝鮮半島能源政府支持而完成的。作者要感謝韓國大宇重工業(yè)工業(yè)機(jī)械有限公司，在混合聚合物混凝土制造和測試床方面做出的合作。