外文翻译--高速数控铣床混合聚合物混凝土床身的设计与制造【中英文文献译文】
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黄河科技学院毕业设计(文献翻译) 第 15 页 高速数控铣床混合聚合物混凝土床身的设计与制造Jung Do Suh Dai Gil Lee收稿日期：2006/9月22日接受日期：2007年6月11日/发表时间：2008年1月23日施普林格科学和商业媒体B.V.2008摘要：为了最大限度地提高精密产品(如夹具和模具)的生产效率，机床应保证高速运转时不产生振动。随着机床运行速度的提高，振动问题已成为制约制造精密产品的主要因素。因为重要的机床、精密机床、工具机床对功能结构刚度和高阻尼要求较高，但传统的高刚度金属的阻尼较低，因此这可不能同时作为床身结构的使用，反之亦然。本文介绍了混合聚合物混凝土在精密机床床身结构的中的应用。焊接钢结构的外壳和聚合物混凝土填充组成的混合聚合物混凝土床的设计，在本次试验的混合机床工具床中表现出了良好的阻尼特性和广泛的频率（G =2.93-5.69）。高速龙门铣床制造机就是通过静态和动态分析有限元方法，测得在高速加工过程中稳定时主轴角滑动的速度和加速度分别为35000 rpm和30 m/s2。关键词： 聚合物混凝土 机床 阻尼 精密加工1引言 现代精密机床生产精密产品时要求加工速度高。为了达到要求，机床必须有高阻尼以及高结构刚度。现代机床通常配备有高速主轴系统，它的旋转到35,000 rpm和加速度30 m/s2（Suh and Lee 2002）。在这些高运行速度下，机床结构的脆弱部分容易振动，从而导致表面光洁度差，达不到准确的产品尺寸（(Suh and Lee2004）。此外，共振，这种自我诱导振动，也会对刀具寿命产生不利的影响（(Clancy and Shin 2002）。机床的振动经常由低阻尼造成，如果机床结构的阻尼太低，由于自然机床结构的固有频率不会无限增加，必然会导致在高速运转时自我诱导或再生的振动的发生。由于传统金属材料阻尼特性低，组成机床结构的金属材料，不能有高刚度和高阻尼两个特性，因此可以使用辅助减震器，如阻尼动态减震器，兰彻斯特减振器，液压阻尼器等产品来达到这个目的。然而，这些辅助减震器只限于在预确定模式和频率下使用（EMA和玛瑞2000年）。虽然可以通过增加更高的材料刚性或增加截结构模量来增加机床结构刚度，但是阻尼和刚度金属结构却不能同时增加，因此获得高阻尼的最佳途径就是采用三明治高刚度的外壳和高结构聚合物混凝土阻尼填充的结构。聚合物混凝土由于其刚度适中，成本低，成为一种潜在材料机床床身结构的材料（金等。 1995年，科尔特斯和卡斯蒂略2007）：虽然聚合物混凝土（取决于树脂粘结剂系统，其价格范围从$ 300/m3元至2,000元/ m3）与传统的相比水泥混凝土（$ 50/m3- $ 80/m3）比较昂贵，但传统的水泥混凝土由于其较低的强度和对电阻的影响是不适合应用在机床上。（2007年科尔特斯和卡斯蒂略）。 本文介绍了设计和制造混合聚合物混凝土机床的床身，是由焊接钢面的夹层结构和聚合物混凝土为填充的设计方式。通过静态和动态分析后，对混合床聚合物混凝土的基本性能进行了测试。所开发的混合聚合物混凝土床身被纳入高速龙门式轧机ING机的床体结构中（FV400，大宇重工业机械有限公司，韩国）。动态特性冲动的动态结构的测定测试结果显示，与钢或案件的阻尼因素的铁床结构（G =0.2-0.3）相比，混合聚合物具体展品具有更加优良的阻尼特性（G =2.93-5.69）。2 聚合物混凝土的特点聚合物混凝土是由骨料与聚合物基体结合所形成的，聚合物通常是环氧树脂或不饱和聚酯树脂组成。由于不饱和聚酯树脂的凝结温度为-100 K，不能满足温度要求，因此环氧树脂是性能更好的材料（由韩国爱敬化学有限公司提供）。作为一种韧性材料，聚酯便宜，和其多样化的结构固化的速度，更适合作为机床床身。此外，材料的性能对聚合物混凝土有着决定性的作用，但是材料在总体积中占有较高的百分比也会使聚合物混凝土具有较高的刚度。这里聚集了分组其网号码，如1.0-1.5，#1.5-3.2，#3.2-6.4，6.4-12.0和大于12的沙子。若要确定近似的混合比例，有人通过线性的一般概念包装理论，认为较小的聚集体占据了较大空间的形成无效集合体。例如，砾石1.01.5的形式丧失约40的空间，这个空间可由砾石1.53.2等填充。暂定的混合比例决定线性包装的理论和聚合物混凝土的密实填充的最佳混合比例通过一些实验确定如表1所示。 图1显示了测量聚合物原料的聚酯和花岗岩具体阻尼因素的冲动动态测试图。 从中可以看出测得的阻尼因素，从2至4不等，较广泛的频率和潜在价值远远高于传统的金属材料。此外，还对聚合物混凝土的属性进行了脉冲的动态测试（ASTM C215-91）。表1聚合物混凝土的组成砾石（丝网） 沙聚酯 1.01.5 1.53.2 3.26.4 6.412.0Wt.%30.3 15.4 7.1 7.1 30.0 10.0Vol.% 26.7 13.6 6.3 6.3 26.4 21.8图1 阻尼因素与聚合物混凝土在不同频率下的变化图2 脉冲动态测试测量聚酯和花岗岩的属性 表2和表3分别列出的标本的大小和机械性能。图3描述测量频率，阻尼因素的变化关系。此外，聚合物表面的混凝土剪切强度和钢钢粗糙度测量图所示（英斯特朗公司，美国）。表2动态测试混凝土的试件尺寸样式长度（mm）宽度（mm）高度（mm）124097972360979732809797表3聚合物混凝土性能密度（kg/m3电子（GPa）G（GPa）米226025.210.50.2图3 聚合物混凝土阻尼因素G的折线图 嵌在高分子聚合物混凝土和钢线材的模型组成具体如图所示（速度为0.1毫米/分钟）。 钢筋表面包裹着砂纸和各种网组成的固化聚合物。从图中的实验结果显示，表面的抗剪强度的增加跟粗糙度增加有关系。图4 测量聚合物混凝土和钢的剪切强度：（a）测试照片（b）标本照片（毫米）图5钢和聚合物混凝土之间的剪切强度以及钢的表面粗糙度如图所示3设计和制造工艺3.1混合机床的理论设计 机床的功能要求（FRS）如下：（托比亚斯1965年。Kim等1995）FR1：增加结构刚度 FR2：增加结构阻尼 由于床身外形尺寸，需要考虑组装与其他部件的关系，所以其外形被设计成一个三明治结构组成的钢面和聚合物混凝土填充的结构。由于夹层结构阻尼很大程度上来自核心材料的阻尼，因此，设计可以通过以下脱钩设计参数（DPS）来说明（SUH2001年）。DP1的：钢组成的钢板厚度基数（面对三明治结构）DP2：聚合物混凝土阻尼特性FR1X0DP1FR2xX DP21夹层结构的另外的好处是其在制造业不仅可以增加结构刚度也可以作为聚合物混凝土模具。 图6显示了高速龙门式铣床机床结构。在这项工作中，其规格如表4所示。机床床身组成的混合结构种焊接钢作为基础，聚合物混凝土作为核心填补其内部空腔。本机床床类型有两个功能，即直线电机安装和安装LM指南。如图6所示的移动框架幻灯片，从上面可以看出LM-指南和驱动由直线电机安装在竖列机床床身位置。因此，竖列应该抵抗惯性力和拉力21KN的直线电机的移动，使竖列弯曲。因此，竖列的大变形的主要来源，在设计过程中，也被选定为主要设计的一部分。此外，由于竖列是最弱的部件的结构，在振动时产生位移相对大于其他部分。图6结构机床（FV400，大宇重工工业机械有限公司，韩国）表4规格（FV400，大宇机床重工业机械有限公司，韩国）规范值大小（x9个Y9 Z，毫米） 18309 60091850传输范围（9Z，Y 9毫米） 600 9400 9400加速转移（的X，Y，Z幻灯片，m/s2） 14，14，20质谱（的X，Y，Z幻灯片，公斤） 5501100，290清拆直线电机（毫米） 0.90.3LM指南变形限制（LM） 30引力的直线电机（千牛） 21主轴最高转速（rpm） 35,000图7焊接钢基地机床床体（a）顶视图 （b）底视图图8机床床体静挠度引力和惯性力的关系 图7显示了焊接的钢铁基地和DPS有关，并显示了 X1-X3，Y1 -Y6和Z1-Z3的钢板厚度。为了确定的DPS，采用ANSYS软件6.0（美国）对静态和动态特性进行了计算分析。此外的阻尼因素，也使用的能源关系振动来产生。为了模拟实际的静负荷和变形，支持六个点作用力和底面固定惯性力也按照LM-指南和应用直线电机的实际位置进行测试，如图8所示。惯性力Fx和 Fz对应每个LM指南的两点，而惯性力Fy和拉力Fp则是对应零件直线电机安装。此外，竖列抗性由X方向上LM-块导轨的LM-2.09109N/米弹性刚度和在Z方向的2.59109N/ M弹性刚度来测量。 图8和表6显示变形的结果变化时的边界条件和DPS值。从结果表6，有人发现，结构的刚度在很大程度上取决于在X方向上板的厚度，与Y方向板的厚度关系不大。对图9和表8显示的结果进行动态分析时发现，发生在振动过程中的主要变形垂直列和第一振动模态列垂直偏转形状通过一个集中载荷的悬臂梁时振动会消失。为了获得了较高的自然频率在X方向增加钢面厚度，但增加后效果也并不显着。这是因为，在增加厚度的钢面X方向不仅增加了结构刚度，也增加了其质量阻碍固有频率的增加。表5为静态分析的边界条件表6惯性机床床身的变形和吸引力力量（LM）之间的关系表7钢铁板块钢铁基体的组成尺寸（mm） 然而，众所周知，第一模式大部分由于其庞大的振动能量使其产生应变，在其中的阻尼垂直列对应的梁阻尼性能和应变能量分别储存在钢面和聚合物混凝土核心中。为了估计机床结构，垂直导柱被假定为X方向钢面和聚合物混凝土核心组成的一个夹心悬臂梁，如图10、图 11所示，其中集中负载P1和 P2如图 10，做适当调整，即P1/P2=1249，相应的静态挠度的幅度类似振动模式。在这项测试中，有人推测，总应变能源是钢中储存的应变能量的总和与外壳、聚合物混凝土核心和消散能量是成正比的，阻尼因素和单位的总应变能U与钢面US和混凝土核心UC应变能有关。图9振动模式的机床形状：（a）1，（b）2，（c）3，（d）4表8有限元分析得到的固有频率（赫兹）图10第一振动模式的垂直列阻尼因子估算示意图 其中S和C代表钢和混凝土，而AS和AC则代表由不锈钢和聚合物占的具体区域，其中钢面的压力和聚合物混凝土核心的计算方法如下： 其中x和T、C代表从它的中间的距离轴下的危险点和钢面。M，V和D分别表示弯矩，剪切力和抗弯刚度。一旦厚度的钢面和聚合物混凝土核心超过钢的应变能量时，阻尼因子G的情况如上，垂直列计算如下（(Rao 1978; Sun and Lu 1995）。 WD表示每耗能振动周期。由于第一振动频率如表8所述，阻尼系数在所有情况下无法测得。具体GC可从图3中100赫兹的推断出可能为8.8。而钢GS阻尼系数约是0.2。通过表7，计算出案例1案例3 中g值分别为3.3，3.4和3.7。案例4和案例6，G的计算值也为3.3，3.4和3.7，因为相应的钢板厚度在X方向是相同的，而板在Y方向的厚度被忽略。从阻尼值可得，计算出的阻尼因素增加，钢面厚度X方向也会下降。因此，案例4中表7被确定为设计值因为机床结构制造应具有较高的刚度和阻尼系数为3.3，所以可以制造足够大的机床床身结构。3.2聚合物混凝土机床 制造机床床身聚合物混凝土床制造聚合物混凝土浇成的钢铁基础如图12，由常温固化的钢板焊接组成的钢铁基础在定位浇筑过程中面朝下，这样很容易充满聚合物混凝土。详细的制造工艺聚合物混凝土如下：（一）用清水洗干净制造的钢面床身。（二）聚酯树脂按预先确定的重量或体积比混合。（三）在加注混凝土时要用重力和振动使混合更加均匀。（四）在室温下凝固聚合物混凝土。（五）其他部位的安装，按照装配和安装LM指南和直线电机的要求。图12机器焊接的钢铁基地的照片机床床身：（a）底视图，和（b）顶视图图13聚合物混凝土机床床身的照片图13聚合物的照片显示了在这项工作中的具体机床床身的制造外形。4 聚合物混凝土机床床身的动态特性 使用测试测量床FFT分析仪测试聚合物混凝土在冲动动态的动态特性BK（丹麦）六分床是固定的，如图 9所示。测量仪器如下，双通道FFT分析仪（邦凯2032），电荷放大器（BK 2626），冲动锤子（BK 8202），加速度计（BK 4374），和力传感器屋（BK 8200）。然后对测试结果进行比较，计算出有限元。图14和表9显示测量FRF（频率响应函数）阻尼因子与频率的结果。使用相关公式的方法，通过动态测试获得阻尼因子G的计算结果（Nashif等1985）。表9 通过脉冲动态测试机床床身的动态特性 （F2 - F1）和fr分别代表的半功率带宽度和相应的自然频率，从动态测试的结果发现，这是混合机床床身在固有频率的频率范围内阻尼因素G的值在2.93-5.69之间，与钢或铁床结构的阻尼因素值0.2-0.3相比，均优于它们。在第一模式的情况下，计算和测量阻尼因素分别为3.30和4.13。差异可以归因于在计算过程中忽视阻尼发生在钢铁界面和聚合物混凝土层之间这个条件。5 结论 在这项研究中，可以用聚合物混凝土床焊接钢面结构，即混合结构，设计和制造的高速铣床，而聚合物混凝土原料的最佳混合比例可通过实验获得。机械聚合物混凝土的性能以及附着力其表面性能钢
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