機床灌膠結合面特性參數試驗及預測*

王志勇 胡小秋 郭丹楓

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

在傳統機床裝配工藝過程中，為保證立柱與床身具有一定的幾何精度，須對配合面進行手工刮研，該工藝生產成本高、勞動強度大、工藝周期長。因此為改善機床傳統裝配工藝，將灌膠工藝替代手工刮研。灌膠工藝起源于國外，在國內也有較為廣泛的應用，與手工刮研相比，灌膠工藝不僅降低了單個機床部件幾何精度的要求，還縮短了 83%的裝配周期［1－3］，諸多優點表示灌膠工藝在機床裝配中具有較好的應用前景。

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合面。在以往灌膠工藝應用中，工藝參數的確定并沒有考慮灌膠結合面對整機動態特性的影響，因此存在盲目性和不確定性。本文依靠試驗探究了灌膠結合面的動態特性，試驗結果為灌膠工藝參數的確定提供了試驗數據及應用依據。

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），調節螺釘等，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，調節螺釘改變灌膠結合面法向壓強。

為獲取真實有效且對灌膠工藝的應用具有指導意義的特性參數，灌膠方法依照四川長征機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、下試驗板材質為HT300、粗糙度Ra3.2 μm，定位膠由TONSAN TS355的主膠體與固化劑嚴格以12∶1的重量比混合，脫模劑為TONSAN 1731。表1為定位膠TS355的機械性能。

表1 TS355主要機械性能

1．3 試驗方案

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

表2 單因素試驗參數表

2 試驗結果及分析

2．1 膠膜厚度對特性參數的影響

圖2、3分別給出了膠膜面積為0.003 93 m2、法向壓強為4 MPa時，膠膜厚度與動剛度和阻尼之間的關系。

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%。可見，結合面法、切向動剛度與阻尼隨著膠膜厚度的增加而降低。

對試驗結果作如下解釋:混合后的TS 355膠主要由用于粘結的高分子體和溶劑組成。當膠處于液態時，溶劑載著高分子體慢慢侵入到試驗板的表面組織內。隨著溶劑揮發消失后，高分子體就依靠相互間的拉力將上、下試驗板緊緊地粘結在一起。增加膠膜厚度，導致高分子體過于擁擠無法形成相互間最強的吸引力，且溶劑也不易揮發。過量的膠起到的是填充作用，粘結機理已不是粘結力。膠膜粘結機理如圖4所示。粘結力變小導致粘結強度減小，進而對特性參數產生影響。

2．2 膠膜面積對特性參數的影響

圖5、6分別給出了膠膜厚度為0.6 mm，法向壓強為8 MPa時，膠膜面積與動剛度和阻尼之間的關系。

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試驗板表面的高分子體個數，增強了膠膜的粘結力，提高了動剛度與阻尼。

2．3 法向壓強對特性參數的影響

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，法向壓強對動剛度與阻尼的影響結果。

圖中動剛度與阻尼隨著法向壓強的增加而增加，這一點與無介質固定結合面的相關結論一致［4－6］。法向壓強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，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力，但會增加高分子體之間的內聚力，提高動剛度與阻尼。但這種內聚力對于特性參數的影響有限，并不如改變膠膜厚度和面積對特性參數的影響顯著。

3 特性參數預測回歸模型

本部分建立特性參數與各影響因子的數學回歸模型，以供預測其它條件下灌膠結合面的特性參數。將特性參數表示成各影響因子的多元線性模型:

式中:Yi為特性參數（包括動剛度與阻尼）;b1、b2、b3為各自變量的回歸系數;b0為常數。

將試驗數據按式（2）進行標準化處理，消除各變量單位，提高預測模型的準確性［7］。

式中:xi1、xi2和xi3分別表示膠膜厚度、面積、法向壓強的數值;xj為各自變量的平均值;Sj為各變量的標準差。

根據最小二乘原理及方法［8］，得到標準化后各自變量與動剛度和阻尼的擬合關系為

將式（3）中各標準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）的各回歸系數可知，膠膜面積對動剛度與阻尼影響較大，法向壓強對其影響較小。

4 結語

本文采用單因素試驗法，對灌膠結合面的動態特性進行了研究，共測得112組試驗數據。對試驗結果進行分析得到以下結論:

（1）灌膠結合面法、切向動剛度與阻尼隨著法向壓強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系。

（2）粘結力是影響灌膠結合面動態特性的主要原因。膠膜面積對于動剛度與阻尼影響較大，法向壓強對其影響較小。

［1］Andrew．Advances in light curing adhesives［J］．Opt－mechanical Design and Engineering，2010，4444（20）:185 －195．

［2］尹玉生，陳亞菊．機床裝配技術中的一個創新［J］．制造技術與機床，2009（2）:85－92．

［3］孔偉，沐金鎖．灌膠技術在機床裝配上的應用［J］．制造技術與機床，2009（9）:79－80．

［4］MAO Kuan －min，LI Bin，WU Jun，et al．Stiffness influential factorsbased dynamic modeling and its parameter identification method of fixed joints in machine tools［J］．International Journal of Machine Tools＆Manufacture，2010，50（2）:156 －164．

［5］ZHANG Xue－liang，WEN Shu－hua．Experiment research on tangential dynamic characteristics of machined plane joint interfaces［J］．Advanced Materials Research，2011，145:584 －589．

［6］FU Wei－ping，HUANG Yu －mei，ZHANG Xue－ liang，et al．Experimental investigation of dynamic normal characteristics of machine joint surfaces［J］．Journal of Vibration and Acoustics．2000，122（4）:393－398．

［7］汪振華，趙成剛，袁軍堂，等．高速銑削AlMn1Cu表面粗糙度變化規律及銑削參數優化研究［J］．南京理工大學學報:自然科學版，2010，34（4）:537－542．

［8］王惠文．偏最小二乘回歸法與應用［M］．北京:國防工業出版社，1998．