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第6卷 第2期2006年4月鸡 西 大 学 学 报JOURNAL OF J I XIUN I VERSITYVol . 6No. 2Apr . 2006作者简介:邱跃勇,助理工程师,鸡西矿业集团安装工程公司,黑龙江 鸡西。邮政编码: 158100文章编号: 1672 - 6758(2006) 02 - 0059 - 2专用铣削组合机床的设计邱跃勇 摘 要:介绍了专用铣削组合机床设计的全过程及一些注意事项。关键词:机床工艺方案;被加工零件工序图;加工示意图;机床总图中图分类号: TG54 文献标识码:A 铣削组合机床是具有多种配置型式的通用化、 系列化机床,是根据被加工零件的要求合理地选择机床型式、 规格与精度等级,合理地选用通用部件,组成符合要求的机床。1 机床工艺方案机床工艺方案的制定是铣削组合机床设计最重要的一步,它决定机床是否能够在经济合理的条件下满足被加工零件生产率和加工精度的要求,是机床设计能否成功的关键。111被加工零件在本机床上完成的工序及加工精度是制订机床工艺方案的依据,首先要分析其加工精度和技术要求,了解现场工艺、 保证精度的措施以及存在的问题。对于精加工机床还要适当考虑机床精度储备量。112本工序的加工精度直接受前一工序加工精度的影响。前一工序加工的表面平面度会影响本工序切削深度的变化,因而产生切削力的变化。切削刀片在切削过程中,随着切削深度的变化,在加工表面产生上下移动,会影响加工表面的平面度。113被加工零件的材料和硬度、 铸件或锻件质量、 零件结构特点与结构刚性、 工艺基面的精度以及前一工序的定位基准和夹压位置等直接影响机床加工精度。若刀具切入或切出边为非加工面,铸造或锻造质量较差,有硬点或夹砂等,会直接影响刀具寿命。若被加工零件结构刚性较差,不仅会产生夹压变形,而且当切削力较大时,还会产生切削振动。本工序精铣的工艺基准及夹压位置最好与前一工序半精铣的工艺基准及夹压位置相同。本工序的工艺基准面的平面度也很重要。114被加工零件的生产批量将直接影响切削用量、 刀具材料、 机床配置型式等的选择。如果是小批、 单件生产,机床需要经常改变切削速度,就要选用手柄变速铣削头。为了适应不同宽度零件的需要,铣削头还要在床身上前后移动。中批生产的粗加工和半精加工以及精度要求不很高的半精加工和精加工工序,可以采用双轴铣削头,使机床一次进给完成二个工序的加工;或者采用二次进刀的方法,也就是采用单轴铣削头,在粗加工之后,主轴滑套前调,使刀具到达第二次切削的尺寸,进行半精加工。2 被加工零件工序图被加工零件工序图是根据选定的工艺方案,表示在一台机床上或一条自动线上完成的工艺内容、 加工部位的尺寸及精度、 工件定位基准、 夹压部位、 被加工零件的材料、 硬度和重量以及前一工序的尺寸和精度。它是在原有工件图的基础上,以突出本机床的加工内容,加上必要的说明绘制的,是机床设计的依据,也是机床调整及精度检验的重要技术文件。3 加工示意图根据机床工艺方案及工序图,绘制加工示意图是机床总体设计中的重要组成部分。加工示意图主要包括以下内容。311 加工余量。粗铣平面余量,主要取决于铸造质量和锻造质量。一般情况下由于刀具强度的限制,最大切削深度为68mm。粗铣平面的最小切削深度,也要大于铸件或锻件表皮硬化层或者砂粒层,否则会使刀具严重磨损,甚至损坏。精加工余量,是根据工序加工精度要求以及前一加工精度来决定的。但是一般情况下最小切95削余量不能小于0. 2mm。具体切削用量的选择参考 组合机床设计 手册中的表2 - 16。312 机床工作进给量。机床工作进给速度是由被加工零件的年产量来决定的。年产量以及每日几班制生产等是机床任务书规定的。机床工作进给速度是决定机床结构性能的重要因素。主切削功率和进给电动机功率与机床工作进给速度成正比。刀盘结构、 刀片材质等也与机床工作进给速度有关。例如粗铣平面,当机床工作进给速度在1600mm /min以上时,一般要采用密齿刀盘;由于受到刀齿强度及每个刀齿进刀量的限制,往往还要提高主轴转速,增加切削深度。此时为了保证刀具有足够的耐用度,必须选用适用于高速切削的刀片。313 刀盘直径及刀盘与工件加工面的相对位置。一般情况下,推荐铣刀盘直径与被加工零件加工面宽度的关系如下:B =0. 8D式中:B 被加工零件加工面宽度mmD 铣刀盘直径mm314 其余切削参数的确定。每齿进给量Sz,对于平面粗铣,以刀齿所能承受的切削力来选择:一般Sz0. 30. 5mm /齿。对于精加工,应该是越小越好,但是一般大于0.040. 06mm /齿。否则当切削刃磨损时,由于每齿进给量过小,会产生挤削从而加剧切削刃的磨损。机床工作进给速度S工是由机床生产率给定的,每齿进给量Sz根据粗、 精加工也可以初步选定,根据下面公式选择并记算刀盘齿数Z、 刀盘每转进给量Sr,主轴转速n,以及切削速度V:Sr= SzZmm /minS工= Srn mm /minV = n D10- 3m /min硬质合金刀片一般 100 m /min。含有碳化钛等新牌号的硬质合金刀片的切削速度可达到250m /min。金属陶瓷刀片的切削速度可达到400600m /min。4 机床总图是在机床主切削功率、 进给功率计算的基础上,根据被加工零件加工精度要求及机床工艺方案要求的机床结构型式,选择通用部件,绘制机床总图。4. 1 主切削功率计算。主切削功率是机床设计的基础,是机床成功与否的关键。N =0. 735a(V /25. 43)3/4K W式中:N 切削功率 马力a 根据刀具和工件材料确定的系数,见表1V = S工tB mm3/minS工 机床每分钟工作进给量mm /mint 切削深度mmB 切削表面宽度mm表1刀具材质工件材质HB硬度 最小最大 平均值硬质合金合金钢2001. 502. 502. 00灰铸铁1900. 501. 000. 75铝合金0. 501. 000. 75 平面精铣机床一般不按切削功率选择动力部件,主要是以提高切削平稳性,保证加工精度为重点。平面粗铣机床切削功率计算中 值的选择一般以最大值为准。实验证明,切削刃磨损到接近不能再继续切削时的切削功率比切削刃刚刚刃磨时的切削功率几乎增加1倍。4. 2 进给功率计算。对于液压动力头就是进给油泵所消耗的功率一般为0. 8 - 2千瓦。4. 3 动力部件的选择。41311 铣削头的选择。根据计算的主切削功率以及刀盘直径选择铣削头规格。一般情况下铣削头宽度比刀盘直径大一个规格,这样可以保持平面铣削的平稳性。但是必须使所选择的铣削头的功率大于计算的切削功率。必须注意被加工零件的特点,如果铸造或者锻造质量较差,选择铣削头的功率时要有足够的功率储备。41312 铣削工作台的选择。以被加工零件的宽度来选择工作台的宽度,也就是被加工零件的加工面最好与工作台导轨宽度相当,可以保证较好的铣削平稳性。(下转72页)06第2期 鸡 西 大 学 学 报 2006年同时也确保了机组安全稳定运行,杜绝了因漏油而停机的现象。通过“ 运行分析日志 ” 记载可统计出: 1#汽轮机大修前,日耗油(油箱油位50116mm,大修后日耗油26mm。油箱每45mm为180kg,汽轮机油则月可节约9616kg。年可节约1160kg,每吨汽轮机油7000元,则由于节省汽轮机油年可节资8120元。同时由于油中水分杂质减少,机组滤油时间减少,每年油水分滤机甩水消耗电能1440kw. h,改造后可节电1000kw. h,每度电013265元计算,可节约资金32615元。由于轴承油档漏泄情况杜绝了,则减少了停机次数,处理油档漏油停机一次,因为汽轮机暖管,蒸汽管道暖管,各种辅机起动运行消耗电能和浪费新蒸汽,花费资金大约在6000元左右,据03年统计,处理轴承油档漏油停机4次,费用24000元。由以上分析,轴承油档改造后可节约资金3244615元/年。轴承油挡改造投资13万元,则4年可收回成本。1#汽轮机组高低压轴封,轴承油档改造共投资4115万元,综合起来,不到九个月便可收回成本。Transformation of Axis Seal and O il Files of N 25 - 35 - 1 Gas Turbi neLiu ZhenpingAbstract:Profiting from the advanced design theory and the structure analysis this article elaborated thetransfor mation feasibility and the economic efficiency .KeyW ords:gas turbine; leak gas; leak oil; renewal and transfor mationClass Number:T M62113DocumentMark:A(上接60页)铣削工作台的台面长度是由被加工零件长度与夹具来决定的。铣削工作台的行程取决于被加工表面的长度和刀盘直径以及刀具切入和切出工件距离的需要,工作进给行程等于加工表面长度、 刀盘直径与切入和切出长度之和:C =L + b1 +D + b2切入长度b1与切出长度b2取决于装卸被加工零件的方便性。可以根据工作台宽度、 台面长度及工作进给长度选择铣削工作台。4. 4 铣刀盘的选用及设计。铣刀盘的选用及设计是机床能否完成加工工艺要求的关键。41411 根据被加工零件选择刀盘直径。按B =0. 8D计算并选标准值。41412 根据切削速度、 生产批量及刀具耐用度选择刀片材质。41413 刀盘齿数可根据机床工作进给速度、加工精度等因素选择,采用疏齿、 一般齿或者密齿刀盘。41414 高效精密加工往往选用带宽刃修光齿的刀盘。但是要注意,宽刃切削时随着切削刃的逐渐磨损,切削的轴向抗力也增加。因此必须增加刀片夹紧刚性,或者采用切削性能好、 耐磨性高的刀片。应注意到在机床系统刚性中刀具的刚性几乎是最弱的一个环节。4. 5 夹具设计。被加工零件的刚性,往往也是比较薄弱的环节,特别是一些薄壳形零件,很难适应大走刀强力铣削的要求。随着工业的发展,被加工零件的生产率和加工精度也在相应提高,因此夹具的设计也就越显重要,因为夹压变形以及铣削力引起的变形直接影响加工精度。对此,往往需要对工件容易变形的部位采取在夹具上增加辅助支承等措施。The Design of Speci alM illing Compounding ToolQiu YueyongAbstract:The article introduced the whole process and some proceeding about special milling compoun2ding tool .KeyW ords: technical scheme of machine tool; working procedure of machined parts; machining sketchchart; general figure ofmachine toolClass Number:TG54DocumentMark:A27第2期 鸡 西 大 学 学 报 2006年 外文翻译专 业 机械设计制造及自动化 学 生 姓 名 张 金 浩 班 级 BD机制042 学 号 0420110233 指 导 教 师 惠 学 芹 外文资料名称：Design and manufacture of composite high speed machinetool structures 外文资料出处：Composites Science and technology 附 件： 1.外文资料翻译译文 2.外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日复合高速机刀具结构的设计与制造Dai Gi lLee,Jung Do Suh, Hak Sung Kim, Jong Min Kim摘要高传输速度，以及高切削速度机床重要的是生产力的提高。在制作模具时非加工时间，被称为空中交织的时间。在数量以70 的总加工时间与形状复杂的产品，其中一个最主要的原因是生产率低，还有就是大型大众性的运动部件的机床，其中不能负担快的加速和减速过程中遇到的操作。此外，机床振动结构是其他原因限制。在这篇文章中，高速数控铣床的设计与纤维增强复合材料克服了这种局限性。纵向和横向的大型数控机床制造加入高含量碳纤维环氧复合材料，用粘合剂和螺栓钢筋焊接结构。这些复合材料结构减少纵向和横向的重量，从34 到26 ，增加了阻尼。不需要有太大调整，这台机器上采用了精度定位。1.导言数控铣床和加工中心应用于制作各种模具即用于家电，汽车内饰， 冲压和注塑成型。正常加工的机床，其切削工具提出了名义利用率。而价格切换至快速导线模式转移期间切削工具，如果没有接触工件：时间用于传输一个刀具至工件，是所谓的空切时间。一般来说，只有大约30 的总加工时间是花费在实际切削，而其余的70 是花在空切时间。因此，不仅要具有高的切削速度，而且具有较高的传输速度，是取得资源增值加工的必不可少的条件。在全球竞争机床市场，虽然切割速度的提高是由于新的切削刀具材料的研制，如陶瓷，立方氮化硼，金刚石等，但是生产力仍受制于低转移向高速大规模方向移动。传统的钢标架最高加工速度为0.20.8米/秒， 最大加速度0.2-2.1m/s（常规加工中心，mynx400/ace-tc320d，大宇重工机械有限公司，韩国）。然而， 现代高速铣床须有最大加速度14 m/s和速度。这些高传输速度，是难以实现如果庞大的钢铁架利用。 此外，机床结构振动形成问题，在制造过程中，在这些高的速度，很可能导致质量低劣产品的相对位置误差在3-5之间。最近机床都要求有一直被精度定位的，特别是密切相关的精密产品。为保证高速运行的准确性，机床结构设计应具有不消耗刚度和阻尼性能， 但这是相互矛盾的要求，如果常规金属材料是受雇于常规金属，那么几乎具有相同的低比刚度的同低阻尼特性。机床结构高刚度和高阻尼要求，以增加他们的基本自然频率并减少引起的振动。高刚度高阻尼的机床结构能满足用人纤维增强聚合物复合材料。增强纤维复合材料构成的加固纤维具有很高的具体刚度和矩阵高阻尼，由此产生的材料复合特性反映最佳的特点，即高比刚度、高阻尼。此外，夹层结构，其面结构制成的纤维增强复合材料、其核心材料制成的蜂窝状或发泡结构，最大限度地发挥优势的时候，他们适用于抵抗弯矩的结构。 因此，夹层结构和复合材料我们已使用的越来越多，在宇宙飞船飞机，汽车零部件，机器人手臂 ，甚至机床 。 变形的机床结构下的切削力和结构惯性负载启动过程并停止生产的情况，不仅影响产品质量，而且有很强噪音和振动。然而，这增加了一般的机床结构，因此需要大量电动机，轴承和运动指导体系。因此， 最好的方法，就是提高机床结构的刚度，没有大大增加部件的结构，如复合材料夹层结构。 在这项研究中，纵向和横向的高速数控铣床的设计及制造所用复合材料夹层结构是胶接，以焊接钢管结构- 一种混合机床结构。垂直柱的横向滑动及制造与复合材料夹层结构，而横栏的垂直滑动钢筋与高模量复合板。该混合结构设计成具有等效结构刚度的常规钢结构，这是按经典梁理论分析的。此时，自然频率和阻尼能力以及减轻重量的复合材料混联机床结构测定和相对于常规钢机床结构。2.设计混联机床结构2.1特色的混合型梁抗弯刚度简支夹心束所示图。 (1)如s模面和核心。偏转长简支持夹层梁下的集中载荷P基于简单梁理论是指用D1的原因弯曲变形和D2由于剪切变形15,16凡与GC代表等效截面面积和剪切模芯材料，分别由于夹层结构具有较低的核心剪切刚度，简单梁理论，由于忽略剪切变形，因此可能不会作出准确的结果。因此，在计算结果刚度的夹层梁标本相比与实测结果所得到的三点弯曲试验表明，在图 1以及作为结果由有限元分析。三点弯曲试验是用英斯特朗4206年不足1毫米/分钟位移速率和有限元分析是演出与商业软件ANSYS5.5（美国）使用壳牌99和固体95元素。表1显示尺寸夹心标本。夹心束标本制成的复合材料的表面和内部核心。加入表面和核心，即是一种粘合剂形状（ af126 ， 3 M公司，美国）和环氧粘合剂图1。尺寸的简支夹层梁用三点弯曲试验： （一）纵向方向; （二）横截面A-A1。表1 尺寸（ mm ）的简支夹层梁下threepoint 弯曲试验（2216，3M公司，美国） ，是用来防止脱层失败的夹层结构17,18。单向碳纤维环氧复合（ usn150 ，韩国化学，韩国） 与玻璃纤维布复合（ gep215 ，韩国化学， 韩国）被用于表面材料，而芳纶纤维蜂窝（ hrh-10-1/8-4.0 ， hexcel ，英国） 用于核心材料。表2和表3列出性能这些材料。综合面孔为夹心基础打下了一个堆叠序列 。凡标G和C代表了玻璃纤维和碳-环氧分别。 图2显示实测挠度以及由于计算的，由梁理论和有限元分析而来。梁理论和有限元分析预言实验偏转8 以内的误差。 从以上结果，我们发现在这该夹层梁挠度因剪是不容忽视（在这种情况下3倍以上，由于弯曲）。 因此，箱式混合梁方面钢筋与钢板所示图。 3 采用混合标架，以减少剪切变形的夹层梁。对于梁的钢筋与钢板忽视翘曲，剪应力和，它的几何兼容性详情如下：其中R的比例应是剪切模量之间的钢和蜂窝项。然后，剪应力蜂窝图。2.2设计的重量轻的复合钢筋机工具框图4显示照片的高速数控机床铣床的15千瓦配备35000rpm时，图4 照片上的高速铣床结构（ f500 ，大宇重工机械有限公司，韩国）。主轴及混合标架，水平坐标（十-坐标）及垂直坐标（ Y型坐标） ，其垂直柱和横向柱钢筋与复合材料夹层结构和复合材料板（ f500 ，大宇重工 机械有限公司，韩国） 。无论是移动所得到了2.0米/秒的速度，还是达到最大加速度14.0 m/s ，都无结果。 5和6显示照片的X坐标和Y型坐标组成的复合材料夹层结构胶接，以焊接钢管结构。为了估计该机床结构挠度，在高加速度， 移动钢框架结构进行了分析，得到了有限元分析显示图。 如垂直的X坐标抵消了所吸收的20千牛力量产生的，由两个直线电机装内表面的垂直方向的X -坐标。 横栏的Y型滑坡发生变形，在Z向由弯矩由于要伸出主轴重量4000 N，以最大限度地加固效果，在这项工作中，立柱的X -坐标和横向栏的Y坐标被选作主要加强部分。 为了克服这个困难，混合帧的X钢铁基地，制成16毫米的钢板变成20毫米厚的钢板。常规之一，是增强复合材料夹层结构显示图。自剪变形的一个简单的三角形结构通常大，在这项研究中，混合结构的目的是作为盒型结构参考。 后来，其双方均加强了钢铁板块。 为设计的箱式混合结构大于10.4 ，这意味着偏转由于剪切小于8.8 的总偏转。因此，在设计中的结构，抗弯刚度D的使用为目标参数，如由于加固外，以增加抗弯刚度d时，内面厚度的夹心决定考虑加入5毫米的内在面临的夹层梁，以钢铁为主，以螺栓为主。 厚度上，夹层梁被初步确定给予最主要的一个，然后再较具体的计算，以确定合适的尺寸并利用有限元法考虑当地翘曲或扭曲。从分析中，发现较大偏转发生在混合动力梁时，梁有相同的抗弯刚度d ，因为交夹不具备横向加固钢板，而常规钢梁被设计成一个格子型结构与加强板，图 9 。因此，外面厚度的夹层梁增加至13毫米。 此外，尺寸的其他抗弯刚度D和计算，然后与有限元法考虑翘曲的结构。 2.3 制造混联机床结构高强度碳纤维环氧复合（ usn150 ，韩国化学，韩国）和玻璃纤维环氧（ gep215 ，韩国化学，韩国） ，主要用于面孔夹层梁和加固板为X和Y型。垂直栏的X抗滑被钢筋与两个夹层梁的1462毫米和1223毫米长，而在顶部和底部部分钢筋分别与四个复合板六小夹层梁所示图 5 。该Y型，即主轴单元的铣削应该抵制弯矩产生主轴的重量，切削力和惯性力由于快速加速和减速而下落了。 横栏的Y型与严格的三维制约因素是钢筋，具有很高的弹性模量碳纤维环氧复合材料的性能，给出表2 （ hyej34m45d ，三菱，日本） ，以避免干扰其他部分。此外，左右垂直柱的Y型被钢筋与三角梁所示图6。此外，四个三角形板被用于加强扭刚度的矩形框。综合增援保税区向钢铁基地结构与环氧粘合剂（2216 ，3M公司，美国）精却结合起来，同机械结合，与螺栓，以提高可靠性和生产效率。Design and manufacture of composite high speed machinetool structuresDai Gil Lee *, Jung Do Suh, Hak Sung Kim, Jong Min KimAbstractThe high transfer speed as well as the high cutting speed of machine tools is important for the productivity improvement in thefabrication of molds/dies because non-machining time, called the air-cutting-time, amounts to 70% of total machining time withcomplex shape products. One of the primary reasons for low productivity is large mass of the moving parts of machine tools, whichcannot afford high acceleration and deceleration encountered during operation. Moreover, the vibrations of the machine toolstructure are among the other causes that restrict high speed operations.In this paper, the slides of high speed CNC milling machines were designed with fiber reinforced composite materials toovercome this limitation. The vertical and horizontal slides of a large CNC machine were manufactured by joining high-moduluscarbon-fiber epoxy composite sandwiches to welded steel structures using adhesives and bolts. These composite structures reducedthe weight of the vertical and horizontal slides by 34% and 26%, respectively, and increased damping by 1.55.7 times withoutsacrificing the stiffness. Without much tuning, this machine had a positional accuracy of 5 lm per 300 mm of the slidedisplacement.1. IntroductionCNC milling machines and machining centers areemployed in the fabrication of various molds/dies thatare used for electrical appliances, automobile interiors,stamping and injection molding. During normal machiningwith machine tools, their cutting tools aremoved with nominal feed rates, while the feed rates areswitched to a rapid traverse mode during the transfer ofcutting tools without contacting workpieces: The timespent to transfer a cutting tool without contactingworkpieces is called air-cutting-time. Generally, onlyabout 30% of the total machining time is spent in theactual cutting or making chips, while the remaining 70%is spent in the air-cutting-time 1,2. Therefore, not onlyhigh cutting speeds but also high transfer speeds arerequired to obtain the enhanced productivity of machiningwhich is essential to survive in the global competitionof machine tool markets. Although the cuttingspeed has been increased due to newly developed cuttingtool materials such as ceramic, CBN, diamond and soon, productivity is still restricted by the low transferspeed of massive moving frames which are usually madeof steel. Conventional steel moving frames of machinetools operate with maximum speeds of 0.20.8 m/s, andmaximum acceleration of 0.22.1 m/s2 (ConventionalMachining Center, Mynx400/ACE-TC320D, DaewooHeavy Industries & Machinery Ltd., Korea). However,modern high speed milling machines are required tohave the maximum acceleration of 14 m/s2 and the speedof 2 m/s. These high transfer speeds are hard to be realizedif massive steel moving frames are employed.Furthermore, machine tool structures vibrate creatingproblems during manufacturing at these high speeds,which may result in poor quality products by the relativepositional error between the cutting tools and workpieces35: Recently machine tools are required to havebeen kept the positional accuracy within 10 lm, whichis closely related to the precision of products 6. For thehigh speed operation with accuracy, machine toolstructures should be designed with light moving frameswithout sacrificing stiffness and damping properties,which are contradictory requirements if conventionalmetallic materials are employed because conventionalmetals have almost same low specific stiffness (E=q) withlow damping characteristics. Machine tool structureswith high specific stiffness and high damping are requiredto increase their fundamental natural frequenciesand decrease the vibration induced. The requirement ofhigh specific stiffness with high damping for high speedmachine tool structures can be satisfied by employingfiber reinforced polymer composite materials 7,8. Sincethe fiber reinforced composite materials consist of reinforcingfibers with very high specific stiffness and matrixwith high damping, the resulting material characteristicsof composite materials reflect the best characteristics ofeach material, i.e., high specific stiffness with highdamping. Moreover, sandwich structures whose facestructures are made of fiberreinforced composite materialsand whose core materials are made of honeycombor foam structures maximize their advantages when theyare applied to the structures resisting bending moment.Consequently, sandwich structures and composite materialshave been employed increasingly in spacecrafts,airplanes, automobile parts 9, robot arms 8,10, andeven machine tools 11,12.The deformation of machine tool structures undercutting forces and structural inertia loads during startand stop motions produces not only poor qualityproducts but also noise and vibration. A simple way toreduce the deformation is to employ structures withlarge cross-sections. However, it increases the mass ofmachine tool structures and consequently requires largemotors, bearings and motion guide systems. Therefore,the best way to enhance the stiffness of machine toolstructures without much increase of mass is to employhigh specific stiffness structures such as compositesandwich structures.In this study, the vertical and horizontal machine toolslides of a high speed CNC milling machine were designedand manufactured with sandwich compositestructures that are adhesively bonded to welded steelstructures a hybrid machine tool structure. The verticalcolumn of the horizontal slide (X-slide) was manufacturedwith composite sandwich structures while thehorizontal column of the vertical slide (Y-slide) wasreinforced with high modulus composite plates. Thehybrid structures were designed to have the equivalentstructural stiffness of conventional steel structures,which was calculated by the classical beam theory andFEM analysis. Then, the natural frequency and dampingcapacity as well as weight savings of the compositehybrid machine tool structures were measured andcompared with those of comparable conventional steelmachine tool structures.2. Design of hybrid machine tool structures2.1. Characteristics of hybrid beamThe bending stiffness D of a simply supported sandwichbeam as shown in Fig. 1 is expressed as followswhen Ef Ec and d t 1315: ( 1)where Ef and Ec represent the Youngs moduli of faceand core, respectively. The deflection D of the simplysupported sandwich beam under a concentrated load Pbased on the simple beam theory is the sum of D1 due tobending deformation and D2 due to shear deformation15,16:where A and Gc represent equivalent cross-section areaand the shear modulus of core material, respectively.Since the sandwich structure has low core shear stiffness,the simple beam theory neglecting shear deformationmay not give an accurate result. Therefore, the calculatedresults of stiffness of sandwich beam specimen werecompared with the measured results obtained by thethree-point bending test shown in Fig. 1 as well as theresults by FEM analysis. The three-point bending testwas performed using Instron 4206 under 1 mm/mindisplacement rate and the FEM analysis was performedwith a commercial software ANSYS 5.5 (USA) usingshell 99 and solid 95 elements. Table 1 shows the dimensionsof sandwich specimens. The sandwich beamspecimens were made of composite faces and honeycombcore. To join the faces and the core, both an adhesivefilm (AF126, 3M, USA) and an epoxy adhesiveFig. 1. Dimensions of the simply supported sandwich beam used forthree-point bending test: (a) longitudinal direction; (b) cross-section ofAA1.Table 1Dimensions (mm) of the simply supported sandwich beam under threepointbending test(2216, 3M, USA) was used to prevent delaminationfailure of sandwich structures 17,18. Unidirectionalcarbon-epoxy composite (USN150, SK Chemical, Korea)and glass fabric composite (GEP215, SK Chemical,Korea) were used for the face material while aramid fiberhoneycomb (HRH-10-1/8-4.0, Hexcel, UK) wasused for the core material. Tables 2 and 3 list theproperties of these materials. The composite faces forthe sandwich specimens were laid up with a stackingsequence of 02;G/010;C/01;G/05;CS where the subscriptsG and C represent glass-fabric and carbon-epoxy, respectively.Fig. 2 shows the measured deflection as wellas the calculated ones by the beam theory and FEManalysis. Both the beam theory and the FEM analysispredicted the experimental deflection within 8% error.From the above results, it was found that the deflectionof the sandwich beam due to shear was not negligible(three times l