基于复合材料和轻质结构的机床基础件研究与分析

摘要：机床基础件是高精度机床重要零部件，基础件热稳定性和抗震性对机床生产和加工精度有直接影响。铸铁是机床基础件常用制造材料，其已经逐渐无法满足机床高精密度的需求。复合材料具有较强的阻尼比和抗振性，轻质结构具有散热性好和质量轻的优势，十分适合用于制造和生产机床基础件中。对轻质结构和复合材料在机床中应用的分析和研究，有助于机床性能和加工精度的提高。

关键词：复合材料  轻质结构  机床基础件  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

制造業推动国民经济发展的重要支柱和主体，各个国家均对制造业愈发重视，并提出了相应发展战略。我国正处于向制造强国转变的阶段，制造业作为推动国民经济转型的重要战场，在新材料、航天航空、先进导轨、生物医药、海洋工程及医疗器械等领域中都亟需取得较大突破，而这就对机床的加工精密度和性能提高了要求，数控机床稳定性和加工精度影响着高端装备的发展和创新。虽然我国在机床制造中取得了较大突破，但精密度、高速加工等方面仍是短板，提高机床加工精度和效率，是推动我国国民经济增长重要途径。

1 复合材料及其在机床基础件中的研究与应用

在结构设计中，为提高机床基础件刚度、阻尼特性，降低基础件重量，复合材料具有的独特优势进入了研究者的视野。复合材料即是将热固性树脂当做粘结剂的一种高填充聚合物材料，一般用于制造精密度较高的机床基础件等设备。由于复合材料具有较强热稳定性和阻尼减震性，因此该材料在国内外的研究和应用较多。

自20世纪90年代以来，对机床基础件中应用复合材料的研究逐渐成熟。将新型复合材料混凝土应用于铣床床身和横梁制造中，通过对其力学进行分析和实验，结果表明，将新型材料应用于铣床中可以极大地提高阻尼因数，同时也能够减轻机床质量;将混凝土聚合物应用于制造铣床底座，可以在降低机床制造成本的同时，大幅度提高铣床底座动态性能。澳大利亚等国家对树脂混凝土力学性能和成分的分析，为复合材料用于制造机床基础件提供了重要参考依据。

2 轻质结构和多孔材料及其在机床中的研究与应用

传统的机床通常采用钢和铸铁制造而成，有时会采用混凝土、花岗岩、铝合金等复合材料、钢和铸铁能够断则较为复杂的形状，具有易加工、质量好、精度高等特点，但是材料的缺点在于生产周期长、阻尼性不够突出、减振性较差等。花岗岩是机床基础件制造的一种新型材料，具有阻尼性和低热膨胀系数高等优点，但是花岗岩刚度较差，需要增加壁厚才能符合机床基础件制造要求。天然花岗岩生产周期长、加工性较差，环境因素对该材料几何精度和稳定性影响较大，极大地限制了花岗岩的应用和发展。混凝土是一种建筑结构中常见材料，使用混凝土加工机床基础件，具有材料方便、生产加工方式简单、阻尼性较好、价格低廉等优点，但混凝土抗拉强度低、蠕变性大、抗腐蚀性能较差，且需要在表面做特殊处理，用于制造机床基础件成本较高。

机床在高速和高效的生产加工过程中，特别是在加工复杂零件时，对于非移动零件而言，需要具有较强减震性能，而零件质量要求较为宽松;对于工作台、立柱等移动零件来说，需要有较轻的质量，以减少生产过程中产生的摩擦热以及惯性力，以保证零件精准定位和高速移动的性能，由此对零件质量的降低是一大研究重点。将新型多孔材料和结构用于制造机床部件是降低零件质量的一种有效方法，如泡沫金属新型材料、蜂窝式结构等轻质材料和结构。由于这些材料具有较强的力学性能和较低的密度，国内外对其应用和研究十分广泛。

总体来说，对蜂窝式多孔材料和轻质结构的应用与研究十分广泛和全面，将轻质材料和结构用于制造机床移动零件可以提高性能。但对于机床工作台等移动零件动态、静态及热分析等性能研究相对较少;以区域形式划分机床立柱，将复合材料和轻质结构用于制造机床立柱部件中，也需要进行大量的分析和研究。

3 复合材料均匀性及轻质结构力学特性分析

3.1 复合材料及细观力学理论

现阶段，对于复合材料研究和分析方法一般分为细观力学和宏观力学。宏观力学主要是均匀性假设基础上，将复合材料比作宏观介质，把基础相和增强相作为一个整体，在不关注组分相互作用下，只考虑整体性能。从宏观力学角度来看，材料的应变和应力均不属于基础相和增强相应变值和真实应力，其是宏观角度上复合材料的平均值^[1]。对于细观力学其主要是结合宏观力学和微观特征量，以构建不同尺度理论，属于宏观力学和微观力学间重要学科。通常以多尺度对复合材料分析方法主要为均匀性理论，使用该方法分析时必须保证复合材料细观结构具有周期性，能够通过单胞对复合材料细观结构特点进行描述;同时也需复合材料具备非均匀性。该方法主要思想是以均质化等效对材料进行处理，即对不是均质性材料等效为均质材料，以满足材料应变能近似或相同^[2]。

3.2 纤维混凝土材料代表性体积单元

均匀化理论主要是将复合材料具备的微观结构体积单元作为中介，以联系微观尺度和宏观尺度，其主要利用Eshelby等效夹杂理论。体积单元是一种与宏观具有关联性的结构，具有双重性。从宏观尺度上来看，其尺寸较小，可以比作为质点，因此代表性体积单元应变和应力在宏观角度上都是均匀性;从细观尺度上来看，其尺寸较大，其体积单元中有细观结构，包含所有物质信息，可以代表材料组织结构上的特征属性。一般情况下，体积单元尺寸都是不会变化的，因此需要结合材料的实际特性进行选择，对于复合材料纤维混凝土通常取100mm^[3]。

對于具有支撑作用的机床基础件而言，复合材料纤维混凝土代替传统铸铁材料，可以提高基础件抗振性能。在树脂混凝土中掺入金属纤维，可以降低机床因振动导致开裂的问题，对复合材料在机床基础件中的应用提供了保障。对于机床立柱和工作台等移动基础件而言，机床生产和加工过程中需要基础件持续往复运动，因此对基础件定位精度和移动速度有较高要求，因此需要在提高基础件抗振性能基础上尽量降低重量，只有这样才能够降低基础件移动时的惯性力^[4]。将轻质结构和复合材料应用于数控机床基础件制造中，对提高数控机床加工精度和性能具有重要意义。

3.3 轻质蜂窝夹芯结构力学特性分析

蜂窝夹芯结构通常都是由高强度上下两块面板层和一块中间夹芯层拼接而成的刚性结构。两块面板层一般为刚度和强度较高的复合材料或者金属，中间夹芯层一般为密度较小的板材。夹芯结构具体形状可以分为三角形、四边形、六边形等，其中六边形在所有结构中强度、质量、散热性、高比刚度、减震性等较强，且结构效率最高。由于轻质夹芯结构制作工艺简单、材料成本较低等，在机床制造中应用十分广泛，其已经成为常用多功能工程材料。

蜂窝结构重量主要是由两块面板层、中间夹心层、粘结剂层组成。由于粘结剂层重量较强且较薄，因此重量忽略不计。在不考虑粘结剂层整体重量基础上，可以计算得出蜂窝结构总重量W、下面板层重量W_b1、上面板层重量W_b2、中间夹芯层重量W_c，计算公式为：

式中，ρ_b1为蜂窝结构下面板层密度，单位为kg/m³;ρ_b2为蜂窝结构上面板层密度;ρ_c为夹心层密度，单位为kg/m³;v为夹芯层体积;a₂、h₂、b₂为上面板层宽度、长度、厚度，单位为m;b₁、a₁、h₁为下面板层宽度、长度、厚度，单位为m。

4 复合材料和轻质结构在机床立柱中的应用及整机动态性能分析

作为重要基础构件的一种，立柱在机床中有着支撑及移动主轴箱的重要作用，同时也是连接机床主轴和床身的基础部件，立柱的性能与对机床加工精度产生直接影响。以往机床立柱一般采用铸铁材料进行制作，但该材料具有的动态性能已无法满足现代高精度加工工艺，因此寻找新型材料或者创新制作工艺来提升机床及立柱性能是有必要的^[5，6]。

4.1 机床整机动力学分析

机床整机模型主要是由机床滑鞍、机床主轴箱、工作台、机床立柱及床身等主要部件组成。机床滑鞍和床身一般是以螺栓进行全约束固定连接，机床滑鞍与立柱、机床床身与工作台、机床立柱与主轴箱之间都以导轨滑块连接。一般情况下，机床主轴箱位置需要高于立柱，该位置在生产加工过程中动态性能最弱。利用有限元分析软件导入机床模型，设置复合材料弹性模量为140GPa，泊松比0.28，密度为7800kg/m³。根据实际情况对边界条件等数值进行设置，低机床地面相和床身接触立柱及垫铁与床身基础面积进行设置，滑块导轨采用动结合面。去除机床零件细微结构不受力部分，如倒角等，同时简单化处理机床基础件，采用C3D8R和C3D10网格单元划分机床模型部件。

4.2 机床整机模态分析

模态分析是对机床整机进行动态性能检验的重要指标之一，经过模态分析能够获得机床各阶振型和固有频率，使在机床生产加工时避开共振频率。实际生产加工中，机床频率与低阶模态基本接近，且在振动中有极为重要的作用。分析机床整机前六阶模态，并将机床主轴箱调整至高位姿状态，固有频率如表1所示。

5 结语

综上所述，机床基础件是数控机床的一部分，是支撑和安装其他零部件的重要载体，其承受着加工和生产过程中产生的切削力和振动，基础件性能会对机床加工稳定性和精度有直接影响。因此，只有较强稳定和动态性能基础件，才能更好地滿足机床高加工精度和高速加工的需求。同时，使用新型材料也能够减少环境污染和能源消耗，对实现高精度机床加工具有现实意义。

参考文献

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• 中图分类号：U412DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2112-5640-7629

  作者简介：钟庆珊（1985—），男，硕士，工程师，研究方向为卧车整机研发。