复合混凝土机床床身的设计

□ 丁江民 □ 彭世财

大连交通大学机械工程学院 辽宁大连 116028

1 复合混凝土机床床身特点

随着数控加工机床应用日趋增多，人们对数控加工机床精度和材料选择的要求越来越高，采用新材料机床床身取代铸铁机床床身的趋势越来越明显［1］。笔者对复合混凝土机床床身进行研究。复合混凝土材料取材容易、价格低廉，而且大阻尼的材料属性能够增强机床床身的抗振性。此外，与铸铁机床床身相比，复合混凝土机床床身还具有浇注温度低、可塑性强、耐火性强等特点［2］。

比较复合混凝土机床床身和铸铁机床床身，复合混凝土机床床身主要有四方面优势。

（1）高整合性。由于铸铁机床床身的铸造温度高达900℃，因此只能在机床床身铸造加工后再组装其它部件，使得机床床身和其它部件的吻合度要求较高。而复合混凝土机床床身的浇注温度较低，可以在浇注过程中组装其它部件，使机床制造更加简便，并可高度整合。

（2）高精度。铸铁机床床身铸造工序较复杂，铸件精度较低，误差最小为1～3 mm/m。而复合混凝土机床床身能达到0.1～0.3 mm/m的精度，这是因为复合混凝土机床床身采用低温浇注成型，最高温度仅为45℃，避免了热胀冷缩造成的机床床身变形，使机床床身精度大为提高。

（3）低能耗。复合混凝土质量较轻，运输和制造比铸铁机床床身省时省力，并且复合混凝土机床床身适合现场施工，在选择制造场地方面也有较大优势。当前我国制造行业在推行材料循环应用，使用复合混凝土材料符合政策导向。报废的复合混凝土机床床身可以粉碎，用作建筑材料。此外，复合混凝土垃圾还可以用于筑路等。

（4）低价格。铸铁机床床身制造价格较高，保养和维修费用较大。而复合混凝土机床床身制造价格便宜，不需要考虑耐腐蚀等方面的保养费用，降低了成本。

以上四方面优势使复合混凝土机床床身受到越来越多的重视，因此复合混凝土机床床身的推广应用将是大势所趋。

2 机床床身结构设计

当前数控机床的床身一般分为平床身和斜床身两类。

平床身导轨没有倾斜，加工后的铁屑容易集中，热量不易散发，造成床身热变形，影响加工精度。斜床身则较好地解决了以上问题，斜床身一般为45°，排屑容易，刚性好，精度得到保证。

笔者设计制作倾斜角为45°的复合混凝土机床斜床身，其结构模型如图1所示。机床参数见表1。

▲图1 复合混凝土机床床身结构模型

表1 机床参数

3 材料研究

复合混凝土机床床身采用硅酸盐混凝土和环氧树脂混凝土相结合的复合材料。硅酸盐混凝土的基料为52.5R高强水泥，外加青石、细沙等骨料经水混合搅拌后制得。环氧树脂混凝土的基料为E51环氧树脂，增韧剂为邻苯二甲酸二甲酯（DMP），活性稀释剂为AGE型，固化剂为乙二胺，并以粉煤灰为填料，加入青石作为粗骨料，河沙作为细骨料，在不加入水的情况下对各材料进行搅拌，然后填入模具内振动成型［4］。环氧树脂混凝土用作机床工作面材料，具有较高的强度和硬度。复合混凝土材料配比见表2。

表2 复合混凝土材料配比

环氧树脂混凝土和硅酸盐混凝土的抗压强度、弹性模量、阻尼比、泊松比数据见表3。

表3 复合混凝土材料参数

对两种材料组合后的复合混凝土试验件进行拉压强度测试，X向强度为 4.48 MPa，Z向强度为 71.9 MPa。

4 机床床身模型分析

4.1 计算机模型

应用ANSYS Workbench软件对复合混凝土机床床身进行建模分析［5-11］，图2所示为机床床身模型的网格划分。

▲图2 机床床身模型网格划分

因为机床床身导轨一般受到竖直方向的压力，所以在导轨竖直方向施加100 N的压力。在应力云图上可知最大应力为4 MPa，在变形云图上可知最大变形为1.137 1 μm。进一步对复合混凝土机床床身进行模态分析，得到复合混凝土机床床身固有频率，见表4。

在实际工作中，机床所受的激励力在低频时若与结构低阶固有频率重合，会产生共振，这会对加工精度有很大影响，因此选取前六阶固有频率进行分析。

表4 机床床身模态分析固有频率

4.2 实体模型

为验证上述模拟分析的可行性，以1∶5比例制作复合混凝土机床床身实体模型进行相关试验。采用的试验设备为西门子公司生产的LMSMOBILE SCR205型40通道数据采集前端控制器，传感器为ICP调制输入传感器，应用LMS.Test lab测试软件进行分析。机床床身实体模型如图 3所示，试验现场如图4所示。

机床机身实体模型试验得到的固有频率见表5。

▲图3 机床床身实体模型

▲图4 机床床身实体模型试验现场

表5所示的实体模型固有频率与表4所示的理论模态固有频率存在差距，这是由于机床床身模型比例不同造成的。通过相似原理对理论模态固有频率进行转化，转化后的理论模态固有频率与实体模型试验得到的固有频率基本相同，见表6。

表5 机床床身实体模型固有频率

表6 固有频率对比Hz

总体而言，实体模型试验得到的固有频率与理论模态固有频率稍有误差，这是由于机床床身实体模型试验时存在误差导致的，但这些误差均在允许范围内。

笔者对复合混凝土机床床身的静态性能进行了测试［12-13］，得到最大变形为 1.1 μm，最大应力为 4 MPa。相关文献资料数据表明，对于静态性能，铸铁机床床身最大变形为0.024 mm，最大应力为11 MPa，都比笔者试验采用的复合混凝土机床床身大，显示出复合混凝土机床床身的阻尼性较好。

5 结论

笔者应用复合混凝土材料制造机床床身，复合混凝土材料具有高阻尼性、高抗振性等优点，非常符合机床床身制造材料的节能要求，是一种优良的机床床身制造材料。

复合混凝土机床床身制造价格便宜，材料来源充足，在稳定性、变形量和强度方面都体现出较好的优势。