树脂混凝土机床铸件滑台结构设计及性能分析

周志勇，王增，王德伦，米家宝，赵开军，孟有平

（1.晋西铁路车辆有限责任公司，太原 030027；2.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024；3.江麓机电集团有限公司，湖南湘潭 411100；4.辽宁北方华丰特种化工有限公司，辽宁抚顺 113003；5.内蒙古北方重型汽车股份有限公司，内蒙古包头 014030）

0 引言

机床作为现代装备制造业的核心设备，除了高精度、高效率、高速度及柔性化等要求，整机的能耗也逐渐引起人们的重视，许多学者和从业人员已经着手做一些机床节能优化的工作。主要从两个大方向开展研究，一个方面是对机床零部件的结构进行轻量化设计，国内比较有代表性的例子是大连理工大学王德伦课题组从2004 年开始与国内多家机床企业和知名高校合作完成了多项国家科技重大专项，提出机床轻量化设计的“概念-单元”技术[1-2]。另一个方面为机床零部件用新材料代替原有的铸铁材料，树脂混凝土以其优越的性能，受到了行业内广泛的关注。Kim、Lokuge 和Aravinthan、EL-Hawary等[3-5]通过实验研究得出了树脂混凝土的物理和性能参数，该材料同时有着良好的结构性能，国内学者丁江民等[6]对比分析环氧树脂混凝土和硅酸盐混凝土分别作为床身支撑材料时的各项特性，研究表明所设计的环氧树脂混凝土床身动态性能符合相关标准。

本文将树脂混凝土材料应用在在机床铸件滑台，按照等价截面原则对机床滑台在UG中建立三维结构模型，运用ANSYS对其静、动态特性进行分析，探索验证树脂混凝土材料在机床铸造零部件应用，并满足机床整机静动特性的可行性。

1 树脂混凝土材料

树脂混凝土是由多组分组成的一种复合材料，配合比含量的不同对树脂混凝土的力学性能会产生一定的影响，其主要由树脂胶、固化剂、粉煤灰、粗细集料组成。南京理工大学相关团队[7]研究了不同配比条件下树脂混凝土的力学性能及各组成成分对树脂混凝土材料力学性能的影响规律，本文采用的树脂混凝土力学性能参数如表1所示[8]。

表1 树脂混凝土力学性能参数

2 机床滑台的结构设计及模型建立

2.1 滑台简介

滑台是数控机床的一个重要运动零件。在机床工作过程中，滑台需要不断地沿机床Y向进行加速和减速运动，而其质量是影响机床Y向加速和减速时间的主要因素之一。减轻其质量可以缩短机床的Y向加速和减速时间，进而提高机床的加工效率。滑台底座采用HT300材料进行整体铸造成型，安装在床身前端，底座上设有供其移动用的滚柱直线导轨，导轨中间设有滚珠丝杠端支撑座。

2.2 滑台模型

本文以VHT800 数控机床为例，按照1:1的设计尺寸建立铸铁滑台的三维实体模型，如图1（a）所示，其截面简图如图1（b）所示，其中的主要尺寸参数如表2 所示。树脂混凝土材料滑台的三维实体模型，如图2（a）所示，其截面简图如图2（b）所示，其中的主要尺寸参数如表3 所示。

表3 树脂混凝土材料滑台主要尺寸 mm

图1 铸铁材料滑台模型

图2 树脂混凝土材料滑台模型

表2 铸铁材料滑台主要尺寸mm

2.3 惯性矩计算

将滑台按截面进行划分，可根据平行移轴定理，计算机床滑台的截面惯性矩。

对于铸铁模型：

式中：Ic为截面惯性矩，mm4；Iic为每个小截面对形心轴X的惯性矩，mm4。

物体抗扭刚度系数，可以采用截面扭转中心的极惯性矩与材料的剪切模量的乘积表示，也可以称为断面刚度系数。

由表4 可知，本文设计的树脂混凝土机床滑台的抗弯刚度系数较铸铁滑台提升了18.8%，而质量则减少了54.1%。由此可见，树脂混凝土机床滑台静刚度较铸铁滑台有所提升，且能较好地满足轻量化的设计要求。

表4 不同材料滑台性能与材料参数

3 机床滑台的静态特性分析

3.1 有限元模型建立

根据两种材料机床滑台的尺寸参数，通过UG软件建立其三维实体模型后，导入ANSYS分析软件中，材料属性参照表4进行赋值。

3.2 网格划分及施加载荷

采用自动网格划分的方法，对两个材料的滑台模型进行网格划分，按照机床滑台实际运行情况，对滑台施加约束和载荷。

3.3 结果分析

通过静力学分析，分别得出铸铁和树脂混凝土两种材料机床滑台的应力云图和应变图，分别如图3 和图4所示。

图3 铸铁材料应力、应变云图

图4 树脂混凝土材料应力、应变云图

通过有限元计算，树脂混凝土滑台的最大应力为1.250 85 MPa,铸铁材料滑台的最大应力为1.486 15 MPa,树脂混凝土材料比铸铁材料滑台的最大应力降低了15.8%；树脂混凝土材料滑台的最大变形量为1.24 μm，铸铁材料滑台的最大变形量为1.32 μm，树脂混凝土材料比铸铁材料滑台的最大变形量降低了6%，由此得出树脂混凝土材料滑台的静态特性优于铸铁材料滑台。

4 机床滑台的动态特性分析

运用ANSYS对滑台进行模态分析，所施加的载荷频率：0～1000 Hz，通过计算这两种材料的滑台前六阶模态振型相同，只是固有频率和振幅不同，两种材料的前六阶模态固有频率如表5所示。

表5 不同材料滑台各阶模态振型固有频率Hz

从表5中可知，树脂混凝土材料滑台的各阶固有频率均明显高于铸铁材料滑台，说明树脂混凝土机床滑台动态性能优于较铸铁滑台。

5 结论

本文以VHT800数控机床的滑台为例，研究了以树脂混凝土为原料的滑台结构，并与传统的铸铁材料滑台做了分析对比，得到了以下主要结论：

1）设计了树脂混凝土材料的滑台，通过对比树脂混凝土和铸铁两种不同材料机床滑台的性能，得出树脂混凝土机床滑台的质量减少的同时抗弯刚度系数有所提高，满足机床轻量化和使用刚度的要求。

2）应用有限元方法对树脂混凝土和铸铁两种材料的机床滑台进行静态性能分析。结果表明，在相同的受载条件下，树脂混凝土机床滑台比铸铁材料滑台的最大应力减低15.8%，变形量降低6%，树脂混凝土材料滑台的静态特性优于铸铁材料滑台。

3）模态分结果表明，树脂混凝土材料机床滑台的各阶固有频率均明显高于铸铁材料滑台，说明树脂混凝土机床滑台动态性能优于较铸铁滑台。