基于復合材料和輕質結構的機床基礎件研究與分析

摘要：機床基礎件是高精度機床重要零部件，基礎件熱穩定性和抗震性對機床生產和加工精度有直接影響。鑄鐵是機床基礎件常用制造材料，其已經逐漸無法滿足機床高精密度的需求。復合材料具有較強的阻尼比和抗振性，輕質結構具有散熱性好和質量輕的優勢，十分適合用于制造和生產機床基礎件中。對輕質結構和復合材料在機床中應用的分析和研究，有助于機床性能和加工精度的提高。

關鍵詞：復合材料??輕質結構??機床基礎件??加工精度

Research and Analysis of Machine Tool Foundation Parts Based on Composite Materials and Lightweight Structure

ZHONG Qingshan

Abstract： Machine tool basic parts are important parts of high-precision machine tools，?the thermal stability and seismic resistance of the basic parts have a direct impact on the production and machining accuracy of the machine tool. Cast iron is a common manufacturing material for basic parts of machine tools， which has gradually been unable to meet the needs of high precision of machine tools. Composite materials have strong damping ratio and vibration resistance， light structure has the advantages of good heat dissipation and light weight， it is very suitable for manufacturing and producing machine tool basic parts. Analysis and Research on the application of light structure and composite materials in machine tools，?it is helpful to improve the performance and machining accuracy of the machine tool.

Key?Words：Composites; Lightweight structure; Machine tool foundation parts; Machining accuracy

制造業推動國民經濟發展的重要支柱和主體，各個國家均對制造業愈發重視，并提出了相應發展戰略。我國正處于向制造強國轉變的階段，制造業作為推動國民經濟轉型的重要戰場，在新材料、航天航空、先進導軌、生物醫藥、海洋工程及醫療器械等領域中都亟需取得較大突破，而這就對機床的加工精密度和性能提高了要求，數控機床穩定性和加工精度影響著高端裝備的發展和創新。雖然我國在機床制造中取得了較大突破，但精密度、高速加工等方面仍是短板，提高機床加工精度和效率，是推動我國國民經濟增長重要途徑。

1 復合材料及其在機床基礎件中的研究與應用

在結構設計中，為提高機床基礎件剛度、阻尼特性，降低基礎件重量，復合材料具有的獨特優勢進入了研究者的視野。復合材料即是將熱固性樹脂當做粘結劑的一種高填充聚合物材料，一般用于制造精密度較高的機床基礎件等設備。由于復合材料具有較強熱穩定性和阻尼減震性，因此該材料在國內外的研究和應用較多。

自20世紀90年代以來，對機床基礎件中應用復合材料的研究逐漸成熟。將新型復合材料混凝土應用于銑床床身和橫梁制造中，通過對其力學進行分析和實驗，結果表明，將新型材料應用于銑床中可以極大地提高阻尼因數，同時也能夠減輕機床質量;將混凝土聚合物應用于制造銑床底座，可以在降低機床制造成本的同時，大幅度提高銑床底座動態性能。澳大利亞等國家對樹脂混凝土力學性能和成分的分析，為復合材料用于制造機床基礎件提供了重要參考依據。

2 輕質結構和多孔材料及其在機床中的研究與應用

傳統的機床通常采用鋼和鑄鐵制造而成，有時會采用混凝土、花崗巖、鋁合金等復合材料、鋼和鑄鐵能夠斷則較為復雜的形狀，具有易加工、質量好、精度高等特點，但是材料的缺點在于生產周期長、阻尼性不夠突出、減振性較差等。花崗巖是機床基礎件制造的一種新型材料，具有阻尼性和低熱膨脹系數高等優點，但是花崗巖剛度較差，需要增加壁厚才能符合機床基礎件制造要求。天然花崗巖生產周期長、加工性較差，環境因素對該材料幾何精度和穩定性影響較大，極大地限制了花崗巖的應用和發展。混凝土是一種建筑結構中常見材料，使用混凝土加工機床基礎件，具有材料方便、生產加工方式簡單、阻尼性較好、價格低廉等優點，但混凝土抗拉強度低、蠕變性大、抗腐蝕性能較差，且需要在表面做特殊處理，用于制造機床基礎件成本較高。

機床在高速和高效的生產加工過程中，特別是在加工復雜零件時，對于非移動零件而言，需要具有較強減震性能，而零件質量要求較為寬松;對于工作臺、立柱等移動零件來說，需要有較輕的質量，以減少生產過程中產生的摩擦熱以及慣性力，以保證零件精準定位和高速移動的性能，由此對零件質量的降低是一大研究重點。將新型多孔材料和結構用于制造機床部件是降低零件質量的一種有效方法，如泡沫金屬新型材料、蜂窩式結構等輕質材料和結構。由于這些材料具有較強的力學性能和較低的密度，國內外對其應用和研究十分廣泛。

總體來說，對蜂窩式多孔材料和輕質結構的應用與研究十分廣泛和全面，將輕質材料和結構用于制造機床移動零件可以提高性能。但對于機床工作臺等移動零件動態、靜態及熱分析等性能研究相對較少;以區域形式劃分機床立柱，將復合材料和輕質結構用于制造機床立柱部件中，也需要進行大量的分析和研究。

3 復合材料均勻性及輕質結構力學特性分析

3.1 復合材料及細觀力學理論

現階段，對于復合材料研究和分析方法一般分為細觀力學和宏觀力學。宏觀力學主要是均勻性假設基礎上，將復合材料比作宏觀介質，把基礎相和增強相作為一個整體，在不關注組分相互作用下，只考慮整體性能。從宏觀力學角度來看，材料的應變和應力均不屬于基礎相和增強相應變值和真實應力，其是宏觀角度上復合材料的平均值^[1]。對于細觀力學其主要是結合宏觀力學和微觀特征量，以構建不同尺度理論，屬于宏觀力學和微觀力學間重要學科。通常以多尺度對復合材料分析方法主要為均勻性理論，使用該方法分析時必須保證復合材料細觀結構具有周期性，能夠通過單胞對復合材料細觀結構特點進行描述;同時也需復合材料具備非均勻性。該方法主要思想是以均質化等效對材料進行處理，即對不是均質性材料等效為均質材料，以滿足材料應變能近似或相同^[2]。

3.2 纖維混凝土材料代表性體積單元

均勻化理論主要是將復合材料具備的微觀結構體積單元作為中介，以聯系微觀尺度和宏觀尺度，其主要利用Eshelby等效夾雜理論。體積單元是一種與宏觀具有關聯性的結構，具有雙重性。從宏觀尺度上來看，其尺寸較小，可以比作為質點，因此代表性體積單元應變和應力在宏觀角度上都是均勻性;從細觀尺度上來看，其尺寸較大，其體積單元中有細觀結構，包含所有物質信息，可以代表材料組織結構上的特征屬性。一般情況下，體積單元尺寸都是不會變化的，因此需要結合材料的實際特性進行選擇，對于復合材料纖維混凝土通常取100mm^[3]。

對于具有支撐作用的機床基礎件而言，復合材料纖維混凝土代替傳統鑄鐵材料，可以提高基礎件抗振性能。在樹脂混凝土中摻入金屬纖維，可以降低機床因振動導致開裂的問題，對復合材料在機床基礎件中的應用提供了保障。對于機床立柱和工作臺等移動基礎件而言，機床生產和加工過程中需要基礎件持續往復運動，因此對基礎件定位精度和移動速度有較高要求，因此需要在提高基礎件抗振性能基礎上盡量降低重量，只有這樣才能夠降低基礎件移動時的慣性力^[4]。將輕質結構和復合材料應用于數控機床基礎件制造中，對提高數控機床加工精度和性能具有重要意義。

3.3 輕質蜂窩夾芯結構力學特性分析

蜂窩夾芯結構通常都是由高強度上下兩塊面板層和一塊中間夾芯層拼接而成的剛性結構。兩塊面板層一般為剛度和強度較高的復合材料或者金屬，中間夾芯層一般為密度較小的板材。夾芯結構具體形狀可以分為三角形、四邊形、六邊形等，其中六邊形在所有結構中強度、質量、散熱性、高比剛度、減震性等較強，且結構效率最高。由于輕質夾芯結構制作工藝簡單、材料成本較低等，在機床制造中應用十分廣泛，其已經成為常用多功能工程材料。

蜂窩結構重量主要是由兩塊面板層、中間夾心層、粘結劑層組成。由于粘結劑層重量較強且較薄，因此重量忽略不計。在不考慮粘結劑層整體重量基礎上，可以計算得出蜂窩結構總重量W、下面板層重量W_b1、上面板層重量W_b2、中間夾芯層重量W_c，計算公式為：

式中，ρ_b1為蜂窩結構下面板層密度，單位為kg/m³;ρ_b2為蜂窩結構上面板層密度;ρ_c為夾心層密度，單位為kg/m³;v為夾芯層體積;a₂、h₂、b₂為上面板層寬度、長度、厚度，單位為m;b₁、a₁、h₁為下面板層寬度、長度、厚度，單位為m。

4 復合材料和輕質結構在機床立柱中的應用及整機動態性能分析

作為重要基礎構件的一種，立柱在機床中有著支撐及移動主軸箱的重要作用，同時也是連接機床主軸和床身的基礎部件，立柱的性能與對機床加工精度產生直接影響。以往機床立柱一般采用鑄鐵材料進行制作，但該材料具有的動態性能已無法滿足現代高精度加工工藝，因此尋找新型材料或者創新制作工藝來提升機床及立柱性能是有必要的^[5，6]。

4.1 機床整機動力學分析

機床整機模型主要是由機床滑鞍、機床主軸箱、工作臺、機床立柱及床身等主要部件組成。機床滑鞍和床身一般是以螺栓進行全約束固定連接，機床滑鞍與立柱、機床床身與工作臺、機床立柱與主軸箱之間都以導軌滑塊連接。一般情況下，機床主軸箱位置需要高于立柱，該位置在生產加工過程中動態性能最弱。利用有限元分析軟件導入機床模型，設置復合材料彈性模量為140GPa，泊松比0.28，密度為7800kg/m³。根據實際情況對邊界條件等數值進行設置，低機床地面相和床身接觸立柱及墊鐵與床身基礎面積進行設置，滑塊導軌采用動結合面。去除機床零件細微結構不受力部分，如倒角等，同時簡單化處理機床基礎件，采用C3D8R和C3D10網格單元劃分機床模型部件。

4.2 機床整機模態分析

模態分析是對機床整機進行動態性能檢驗的重要指標之一，經過模態分析能夠獲得機床各階振型和固有頻率，使在機床生產加工時避開共振頻率。實際生產加工中，機床頻率與低階模態基本接近，且在振動中有極為重要的作用。分析機床整機前六階模態，并將機床主軸箱調整至高位姿狀態，固有頻率如表1所示。

5 結語

綜上所述，機床基礎件是數控機床的一部分，是支撐和安裝其他零部件的重要載體，其承受著加工和生產過程中產生的切削力和振動，基礎件性能會對機床加工穩定性和精度有直接影響。因此，只有較強穩定和動態性能基礎件，才能更好地滿足機床高加工精度和高速加工的需求。同時，使用新型材料也能夠減少環境污染和能源消耗，對實現高精度機床加工具有現實意義。

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• 中圖分類號：U412DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2112-5640-7629

  作者簡介：鐘慶珊（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為臥車整機研發。