復合混凝土機床床身的設計

□ 丁江民 □ 彭世財

大連交通大學機械工程學院 遼寧大連 116028

1 復合混凝土機床床身特點

隨著數控加工機床應用日趨增多，人們對數控加工機床精度和材料選擇的要求越來越高，采用新材料機床床身取代鑄鐵機床床身的趨勢越來越明顯［1］。筆者對復合混凝土機床床身進行研究。復合混凝土材料取材容易、價格低廉，而且大阻尼的材料屬性能夠增強機床床身的抗振性。此外，與鑄鐵機床床身相比，復合混凝土機床床身還具有澆注溫度低、可塑性強、耐火性強等特點［2］。

比較復合混凝土機床床身和鑄鐵機床床身，復合混凝土機床床身主要有四方面優勢。

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

（2）高精度。鑄鐵機床床身鑄造工序較復雜，鑄件精度較低，誤差最小為1～3 mm/m。而復合混凝土機床床身能達到0.1～0.3 mm/m的精度，這是因為復合混凝土機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床床身變形，使機床床身精度大為提高。

（3）低能耗。復合混凝土質量較輕，運輸和制造比鑄鐵機床床身省時省力，并且復合混凝土機床床身適合現場施工，在選擇制造場地方面也有較大優勢。當前我國制造行業在推行材料循環應用，使用復合混凝土材料符合政策導向。報廢的復合混凝土機床床身可以粉碎，用作建筑材料。此外，復合混凝土垃圾還可以用于筑路等。

（4）低價格。鑄鐵機床床身制造價格較高，保養和維修費用較大。而復合混凝土機床床身制造價格便宜，不需要考慮耐腐蝕等方面的保養費用，降低了成本。

以上四方面優勢使復合混凝土機床床身受到越來越多的重視，因此復合混凝土機床床身的推廣應用將是大勢所趨。

2 機床床身結構設計

當前數控機床的床身一般分為平床身和斜床身兩類。

平床身導軌沒有傾斜，加工后的鐵屑容易集中，熱量不易散發，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。

筆者設計制作傾斜角為45°的復合混凝土機床斜床身，其結構模型如圖1所示。機床參數見表1。

▲圖1 復合混凝土機床床身結構模型

表1 機床參數

3 材料研究

復合混凝土機床床身采用硅酸鹽混凝土和環氧樹脂混凝土相結合的復合材料。硅酸鹽混凝土的基料為52.5R高強水泥，外加青石、細沙等骨料經水混合攪拌后制得。環氧樹脂混凝土的基料為E51環氧樹脂，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，河沙作為細骨料，在不加入水的情況下對各材料進行攪拌，然后填入模具內振動成型［4］。環氧樹脂混凝土用作機床工作面材料，具有較高的強度和硬度。復合混凝土材料配比見表2。

表2 復合混凝土材料配比

環氧樹脂混凝土和硅酸鹽混凝土的抗壓強度、彈性模量、阻尼比、泊松比數據見表3。

表3 復合混凝土材料參數

對兩種材料組合后的復合混凝土試驗件進行拉壓強度測試，X向強度為 4.48 MPa，Z向強度為 71.9 MPa。

4 機床床身模型分析

4.1 計算機模型

應用ANSYS Workbench軟件對復合混凝土機床床身進行建模分析［5-11］，圖2所示為機床床身模型的網格劃分。

▲圖2 機床床身模型網格劃分

因為機床床身導軌一般受到豎直方向的壓力，所以在導軌豎直方向施加100 N的壓力。在應力云圖上可知最大應力為4 MPa，在變形云圖上可知最大變形為1.137 1 μm。進一步對復合混凝土機床床身進行模態分析，得到復合混凝土機床床身固有頻率，見表4。

在實際工作中，機床所受的激勵力在低頻時若與結構低階固有頻率重合，會產生共振，這會對加工精度有很大影響，因此選取前六階固有頻率進行分析。

表4 機床床身模態分析固有頻率

4.2 實體模型

為驗證上述模擬分析的可行性，以1∶5比例制作復合混凝土機床床身實體模型進行相關試驗。采用的試驗設備為西門子公司生產的LMSMOBILE SCR205型40通道數據采集前端控制器，傳感器為ICP調制輸入傳感器，應用LMS.Test lab測試軟件進行分析。機床床身實體模型如圖 3所示，試驗現場如圖4所示。

機床機身實體模型試驗得到的固有頻率見表5。

▲圖3 機床床身實體模型

▲圖4 機床床身實體模型試驗現場

表5所示的實體模型固有頻率與表4所示的理論模態固有頻率存在差距，這是由于機床床身模型比例不同造成的。通過相似原理對理論模態固有頻率進行轉化，轉化后的理論模態固有頻率與實體模型試驗得到的固有頻率基本相同，見表6。

表5 機床床身實體模型固有頻率

表6 固有頻率對比Hz

總體而言，實體模型試驗得到的固有頻率與理論模態固有頻率稍有誤差，這是由于機床床身實體模型試驗時存在誤差導致的，但這些誤差均在允許范圍內。

筆者對復合混凝土機床床身的靜態性能進行了測試［12-13］，得到最大變形為 1.1 μm，最大應力為 4 MPa。相關文獻資料數據表明，對于靜態性能，鑄鐵機床床身最大變形為0.024 mm，最大應力為11 MPa，都比筆者試驗采用的復合混凝土機床床身大，顯示出復合混凝土機床床身的阻尼性較好。

5 結論

筆者應用復合混凝土材料制造機床床身，復合混凝土材料具有高阻尼性、高抗振性等優點，非常符合機床床身制造材料的節能要求，是一種優良的機床床身制造材料。

復合混凝土機床床身制造價格便宜，材料來源充足，在穩定性、變形量和強度方面都體現出較好的優勢。