高性能复合混凝土材料床身的设计及动态特性研究

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如果要降低机床床身的振动对于高速、高精密机床加工精度的影响,就必须使高速、高精密机床的床身具有较高的刚度和良好的阻尼特性。目前,在机床制造业主要以铸铁或钢材作为床身的主要制造材料。但是,这种传统材料无法同时满足以上两个要求。本文提出设计一种具有高强度、高阻尼、较好的抗冲击型以及耐腐蚀性等优良特性的高性能复合混凝土材料(High Performance Composite Concrete, HPCC,以下简称HPCC)来代替传统铸铁或钢材焊接材料应用于机床床身的铸造。本文主要研究工作及成果如下:首先设计了HPCC材料的最佳配合比,并且通过试验测得了其材料特性。通过观察试验数据发现,HPCC材料具有高阻尼特性。在对机床床身的自由振动、自激振动和受迫振动的机理进行计算分析后,发现HPCC材料的高阻尼特性可以有效抑制或衰减机床床身的三种振动。其次,采用类比设计法以HPCC为材料设计了一台立式加工中心的床身(本文以下称C22G型加工中心床身)。利用Proe6.0软件对立式加工中心的床身进行了3D建模。将模型导入ANSYS12.0软件进行计算机仿真分析,然后将仿真结果与力学计算的结果综合起来。通过分析结果发现,在合理设计床身结构的情况下,利用HPCC材料制造的C22G型床身满足机床支承大件对于静力学的要求。最后,利用机床动力学原理建立了C22G型床身的动力学模型,并计算其各阶主振型和固有频率;利用ANSYS12.0软件对C22G型床身模型进行了模态分析;分别制造了缩小比例为1:2和1:1的原比例C22G床身样件,对原比例的床身进行了实验模态分析。综合计算、仿真分析和实验结果发现,利用HPCC材料铸造的C22G型床身具有较高的固有频率,可以避免大多数外部激振源的干扰,提高了床身的稳定性。
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