樹脂混凝土機(jī)床鑄件滑臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析

周志勇，王增，王德倫，米家寶，趙開軍，孟有平

（1.晉西鐵路車輛有限責(zé)任公司，太原 030027；2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024；3.江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，湖南湘潭 411100；4.遼寧北方華豐特種化工有限公司，遼寧撫順 113003；5.內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014030）

0 引言

機(jī)床作為現(xiàn)代裝備制造業(yè)的核心設(shè)備，除了高精度、高效率、高速度及柔性化等要求，整機(jī)的能耗也逐漸引起人們的重視，許多學(xué)者和從業(yè)人員已經(jīng)著手做一些機(jī)床節(jié)能優(yōu)化的工作。主要從兩個(gè)大方向開展研究，一個(gè)方面是對(duì)機(jī)床零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，國內(nèi)比較有代表性的例子是大連理工大學(xué)王德倫課題組從2004 年開始與國內(nèi)多家機(jī)床企業(yè)和知名高校合作完成了多項(xiàng)國家科技重大專項(xiàng)，提出機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)的“概念-單元”技術(shù)[1-2]。另一個(gè)方面為機(jī)床零部件用新材料代替原有的鑄鐵材料，樹脂混凝土以其優(yōu)越的性能，受到了行業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。Kim、Lokuge 和Aravinthan、EL-Hawary等[3-5]通過實(shí)驗(yàn)研究得出了樹脂混凝土的物理和性能參數(shù)，該材料同時(shí)有著良好的結(jié)構(gòu)性能，國內(nèi)學(xué)者丁江民等[6]對(duì)比分析環(huán)氧樹脂混凝土和硅酸鹽混凝土分別作為床身支撐材料時(shí)的各項(xiàng)特性，研究表明所設(shè)計(jì)的環(huán)氧樹脂混凝土床身動(dòng)態(tài)性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

本文將樹脂混凝土材料應(yīng)用在在機(jī)床鑄件滑臺(tái)，按照等價(jià)截面原則對(duì)機(jī)床滑臺(tái)在UG中建立三維結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用ANSYS對(duì)其靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，探索驗(yàn)證樹脂混凝土材料在機(jī)床鑄造零部件應(yīng)用，并滿足機(jī)床整機(jī)靜動(dòng)特性的可行性。

1 樹脂混凝土材料

樹脂混凝土是由多組分組成的一種復(fù)合材料，配合比含量的不同對(duì)樹脂混凝土的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響，其主要由樹脂膠、固化劑、粉煤灰、粗細(xì)集料組成。南京理工大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)[7]研究了不同配比條件下樹脂混凝土的力學(xué)性能及各組成成分對(duì)樹脂混凝土材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，本文采用的樹脂混凝土力學(xué)性能參數(shù)如表1所示[8]。

表1 樹脂混凝土力學(xué)性能參數(shù)

2 機(jī)床滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模型建立

2.1 滑臺(tái)簡介

滑臺(tái)是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要運(yùn)動(dòng)零件。在機(jī)床工作過程中，滑臺(tái)需要不斷地沿機(jī)床Y向進(jìn)行加速和減速運(yùn)動(dòng)，而其質(zhì)量是影響機(jī)床Y向加速和減速時(shí)間的主要因素之一。減輕其質(zhì)量可以縮短機(jī)床的Y向加速和減速時(shí)間，進(jìn)而提高機(jī)床的加工效率?；_(tái)底座采用HT300材料進(jìn)行整體鑄造成型，安裝在床身前端，底座上設(shè)有供其移動(dòng)用的滾柱直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌中間設(shè)有滾珠絲杠端支撐座。

2.2 滑臺(tái)模型

本文以VHT800 數(shù)控機(jī)床為例，按照1:1的設(shè)計(jì)尺寸建立鑄鐵滑臺(tái)的三維實(shí)體模型，如圖1（a）所示，其截面簡圖如圖1（b）所示，其中的主要尺寸參數(shù)如表2 所示。樹脂混凝土材料滑臺(tái)的三維實(shí)體模型，如圖2（a）所示，其截面簡圖如圖2（b）所示，其中的主要尺寸參數(shù)如表3 所示。

表3 樹脂混凝土材料滑臺(tái)主要尺寸 mm

圖1 鑄鐵材料滑臺(tái)模型

圖2 樹脂混凝土材料滑臺(tái)模型

表2 鑄鐵材料滑臺(tái)主要尺寸mm

2.3 慣性矩計(jì)算

將滑臺(tái)按截面進(jìn)行劃分，可根據(jù)平行移軸定理，計(jì)算機(jī)床滑臺(tái)的截面慣性矩。

對(duì)于鑄鐵模型：

式中：Ic為截面慣性矩，mm4；Iic為每個(gè)小截面對(duì)形心軸X的慣性矩，mm4。

物體抗扭剛度系數(shù)，可以采用截面扭轉(zhuǎn)中心的極慣性矩與材料的剪切模量的乘積表示，也可以稱為斷面剛度系數(shù)。

由表4 可知，本文設(shè)計(jì)的樹脂混凝土機(jī)床滑臺(tái)的抗彎剛度系數(shù)較鑄鐵滑臺(tái)提升了18.8%，而質(zhì)量則減少了54.1%。由此可見，樹脂混凝土機(jī)床滑臺(tái)靜剛度較鑄鐵滑臺(tái)有所提升，且能較好地滿足輕量化的設(shè)計(jì)要求。

表4 不同材料滑臺(tái)性能與材料參數(shù)

3 機(jī)床滑臺(tái)的靜態(tài)特性分析

3.1 有限元模型建立

根據(jù)兩種材料機(jī)床滑臺(tái)的尺寸參數(shù)，通過UG軟件建立其三維實(shí)體模型后，導(dǎo)入ANSYS分析軟件中，材料屬性參照表4進(jìn)行賦值。

3.2 網(wǎng)格劃分及施加載荷

采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分的方法，對(duì)兩個(gè)材料的滑臺(tái)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按照機(jī)床滑臺(tái)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)滑臺(tái)施加約束和載荷。

3.3 結(jié)果分析

通過靜力學(xué)分析，分別得出鑄鐵和樹脂混凝土兩種材料機(jī)床滑臺(tái)的應(yīng)力云圖和應(yīng)變圖，分別如圖3 和圖4所示。

圖3 鑄鐵材料應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

圖4 樹脂混凝土材料應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

通過有限元計(jì)算，樹脂混凝土滑臺(tái)的最大應(yīng)力為1.250 85 MPa,鑄鐵材料滑臺(tái)的最大應(yīng)力為1.486 15 MPa,樹脂混凝土材料比鑄鐵材料滑臺(tái)的最大應(yīng)力降低了15.8%；樹脂混凝土材料滑臺(tái)的最大變形量為1.24 μm，鑄鐵材料滑臺(tái)的最大變形量為1.32 μm，樹脂混凝土材料比鑄鐵材料滑臺(tái)的最大變形量降低了6%，由此得出樹脂混凝土材料滑臺(tái)的靜態(tài)特性優(yōu)于鑄鐵材料滑臺(tái)。

4 機(jī)床滑臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性分析

運(yùn)用ANSYS對(duì)滑臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析，所施加的載荷頻率：0～1000 Hz，通過計(jì)算這兩種材料的滑臺(tái)前六階模態(tài)振型相同，只是固有頻率和振幅不同，兩種材料的前六階模態(tài)固有頻率如表5所示。

表5 不同材料滑臺(tái)各階模態(tài)振型固有頻率Hz

從表5中可知，樹脂混凝土材料滑臺(tái)的各階固有頻率均明顯高于鑄鐵材料滑臺(tái)，說明樹脂混凝土機(jī)床滑臺(tái)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于較鑄鐵滑臺(tái)。

5 結(jié)論

本文以VHT800數(shù)控機(jī)床的滑臺(tái)為例，研究了以樹脂混凝土為原料的滑臺(tái)結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)的鑄鐵材料滑臺(tái)做了分析對(duì)比，得到了以下主要結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)了樹脂混凝土材料的滑臺(tái)，通過對(duì)比樹脂混凝土和鑄鐵兩種不同材料機(jī)床滑臺(tái)的性能，得出樹脂混凝土機(jī)床滑臺(tái)的質(zhì)量減少的同時(shí)抗彎剛度系數(shù)有所提高，滿足機(jī)床輕量化和使用剛度的要求。

2）應(yīng)用有限元方法對(duì)樹脂混凝土和鑄鐵兩種材料的機(jī)床滑臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)性能分析。結(jié)果表明，在相同的受載條件下，樹脂混凝土機(jī)床滑臺(tái)比鑄鐵材料滑臺(tái)的最大應(yīng)力減低15.8%，變形量降低6%，樹脂混凝土材料滑臺(tái)的靜態(tài)特性優(yōu)于鑄鐵材料滑臺(tái)。

3）模態(tài)分結(jié)果表明，樹脂混凝土材料機(jī)床滑臺(tái)的各階固有頻率均明顯高于鑄鐵材料滑臺(tái)，說明樹脂混凝土機(jī)床滑臺(tái)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于較鑄鐵滑臺(tái)。