基于UG NX軟件的CADCAM-典型零件的造型與數(shù)控模擬加工【說明書+CAD+UG】

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現(xiàn)代精密機(jī)床生產(chǎn)精密產(chǎn)品時(shí)要求加工速度高。為了達(dá)到要求，機(jī)床必須有高阻尼以及高結(jié)構(gòu)剛度?，F(xiàn)代機(jī)床通常配備有高速主軸系統(tǒng)，它的旋轉(zhuǎn)到35,000 rpm和加速度30 m/s2（Suh and Lee 2002）。在這些高運(yùn)行速度下，機(jī)床結(jié)構(gòu)的脆弱部分容易振動(dòng)，從而導(dǎo)致表面光潔度差，達(dá)不到準(zhǔn)確的產(chǎn)品尺寸（(Suh and Lee2004）。此外，共振，這種自我誘導(dǎo)振動(dòng)，也會(huì)對刀具壽命產(chǎn)生不利的影響（(Clancy and Shin 2002）。機(jī)床的振動(dòng)經(jīng)常由低阻尼造成，如果機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼太低，由于自然機(jī)床結(jié)構(gòu)的固有頻率不會(huì)無限增加，必然會(huì)導(dǎo)致在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)自我誘導(dǎo)或再生的振動(dòng)的發(fā)生。由于傳統(tǒng)金屬材料阻尼特性低，組成機(jī)床結(jié)構(gòu)的金屬材料，不能有高剛度和高阻尼兩個(gè)特性，因此可以使用輔助減震器，如阻尼動(dòng)態(tài)減震器，蘭徹斯特減振器，液壓阻尼器等產(chǎn)品來達(dá)到這個(gè)目的。然而，這些輔助減震器只限于在預(yù)確定模式和頻率下使用（EMA和瑪瑞2000年）。雖然可以通過增加更高的材料剛性或增加截結(jié)構(gòu)模量來增加機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度，但是阻尼和剛度金屬結(jié)構(gòu)卻不能同時(shí)增加，因此獲得高阻尼的最佳途徑就是采用三明治高剛度的外殼和高結(jié)構(gòu)聚合物混凝土阻尼填充的結(jié)構(gòu)。聚合物混凝土由于其剛度適中，成本低，成為一種潛在材料機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的材料（金等。 1995年，科爾特斯和卡斯蒂略2007）：雖然聚合物混凝土（取決于樹脂粘結(jié)劑系統(tǒng)，其價(jià)格范圍從$ 300/m3元至2,000元/ m3）與傳統(tǒng)的相比水泥混凝土（$ 50/m3- $ 80/m3）比較昂貴，但傳統(tǒng)的水泥混凝土由于其較低的強(qiáng)度和對電阻的影響是不適合應(yīng)用在機(jī)床上。（2007年科爾特斯和卡斯蒂略）。 本文介紹了設(shè)計(jì)和制造混合聚合物混凝土機(jī)床的床身，是由焊接鋼面的夾層結(jié)構(gòu)和聚合物混凝土為填充的設(shè)計(jì)方式。通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析后，對混合床聚合物混凝土的基本性能進(jìn)行了測試。所開發(fā)的混合聚合物混凝土床身被納入高速龍門式軋機(jī)ING機(jī)的床體結(jié)構(gòu)中（FV400，大宇重工業(yè)機(jī)械有限公司，韓國）。動(dòng)態(tài)特性沖動(dòng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的測定測試結(jié)果顯示，與鋼或案件的阻尼因素的鐵床結(jié)構(gòu)（G =0.2-0.3％）相比，混合聚合物具體展品具有更加優(yōu)良的阻尼特性（G =2.93-5.69％）。 2 聚合物混凝土的特點(diǎn) 聚合物混凝土是由骨料與聚合物基體結(jié)合所形成的，聚合物通常是環(huán)氧樹脂或不飽和聚酯樹脂組成。由于不飽和聚酯樹脂的凝結(jié)溫度為-100 K，不能滿足溫度要求，因此環(huán)氧樹脂是性能更好的材料（由韓國愛敬化學(xué)有限公司提供）。作為一種韌性材料，聚酯便宜，和其多樣化的結(jié)構(gòu)固化的速度，更適合作為機(jī)床床身。此外，材料的性能對聚合物混凝土有著決定性的作用，但是材料在總體積中占有較高的百分比也會(huì)使聚合物混凝土具有較高的剛度。 這里聚集了分組其網(wǎng)號碼，如＃1.0-1.5，#1.5-3.2，#3.2-6.4，＃6.4-12.0和大于12的沙子。若要確定近似的混合比例，有人通過線性的一般概念包裝理論，認(rèn)為較小的聚集體占據(jù)了較大空間的形成無效集合體。例如，礫石＃1.0＃1.5的形式喪失約40％的空間，這個(gè)空間可由礫石＃1.5＃3.2等填充。暫定的混合比例決定線性包裝的理論和聚合物混凝土的密實(shí)填充的最佳混合比例通過一些實(shí)驗(yàn)確定如表1所示。 圖1顯示了測量聚合物原料的聚酯和花崗巖具體阻尼因素的沖動(dòng)動(dòng)態(tài)測試圖。 從中可以看出測得的阻尼因素，從2％至4％不等，較廣泛的頻率和潛在價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的金屬材料。此外，還對聚合物混凝土的屬性進(jìn)行了脈沖的動(dòng)態(tài)測試（ASTM C215-91）。 表1聚合物混凝土的組成 礫石（絲網(wǎng)＃） 沙聚酯 1.0–1.5 1.5–3.2 3.2–6.4 6.4–12.0 Wt.% 30.3 15.4 7.1 7.1 30.0 10.0 Vol.% 26.7 13.6 6.3 6.3 26.4 21.8 圖1 阻尼因素與聚合物混凝土在不同頻率下的變化 圖2 脈沖動(dòng)態(tài)測試測量聚酯和花崗巖的屬性 表2和表3分別列出的標(biāo)本的大小和機(jī)械性能。圖3描述測量頻率，阻尼因素的變化關(guān)系。此外，聚合物表面的混凝土剪切強(qiáng)度和鋼鋼粗糙度測量圖所示（英斯特朗公司，美國）。 表2動(dòng)態(tài)測試混凝土的試件尺寸 樣式 長度（mm） 寬度（mm） 高度（mm） 1 240 97 97 2 360 97 97 3 280 97 97 表3聚合物混凝土性能 密度（kg/m3 電子（GPa） G（GPa） 米 2260 25.2 10.5 0.2 圖3 聚合物混凝土阻尼因素G的折線圖 嵌在高分子聚合物混凝土和鋼線材的模型組成具體如圖所示（速度為0.1毫米/分鐘）。 鋼筋表面包裹著砂紙和各種網(wǎng)組成的固化聚合物。從圖中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，表面的抗剪強(qiáng)度的增加跟粗糙度增加有關(guān)系。 圖4 測量聚合物混凝土和鋼的剪切強(qiáng)度：（a）測試照片（b）標(biāo)本照片（毫米） 圖5鋼和聚合物混凝土之間的剪切強(qiáng)度以及鋼的表面粗糙度如圖所示 3設(shè)計(jì)和制造工藝 3.1混合機(jī)床的理論設(shè)計(jì) 機(jī)床的功能要求（FRS）如下：（托比亞斯1965年。Kim等1995） FR1：增加結(jié)構(gòu)剛度 FR2：增加結(jié)構(gòu)阻尼 由于床身外形尺寸，需要考慮組裝與其他部件的關(guān)系，所以其外形被設(shè)計(jì)成一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)組成的鋼面和聚合物混凝土填充的結(jié)構(gòu)。由于夾層結(jié)構(gòu)阻尼很大程度上來自核心材料的阻尼，因此，設(shè)計(jì)可以通過以下脫鉤設(shè)計(jì)參數(shù)（DPS）來說明（SUH2001年）。 DP1的：鋼組成的鋼板厚度基數(shù)（面對三明治結(jié)構(gòu)） DP2：聚合物混凝土阻尼特性 FR1X 0 DP1 FR2?xX DP2e1T 夾層結(jié)構(gòu)的另外的好處是其在制造業(yè)不僅可以增加結(jié)構(gòu)剛度也可以作為聚合物混凝土模具。 圖6顯示了高速龍門式銑床機(jī)床結(jié)構(gòu)。在這項(xiàng)工作中，其規(guī)格如表4所示。?機(jī)床床身組成的混合結(jié)構(gòu)種焊接鋼作為基礎(chǔ)，聚合物混凝土作為核心填補(bǔ)其內(nèi)部空腔。本機(jī)床床類型有兩個(gè)功能，即直線電機(jī)安裝和安裝LM指南。如圖?6所示的移動(dòng)框架幻燈片，從上面可以看出LM-指南和驅(qū)動(dòng)由直線電機(jī)安裝在豎列機(jī)床床身位置。因此，豎列應(yīng)該抵抗慣性力和拉力21KN的直線電機(jī)的移動(dòng)，使豎列彎曲。因此，豎列的大變形的主要來源，在設(shè)計(jì)過程中，也被選定為主要設(shè)計(jì)的一部分。此外，由于豎列是最弱的部件的結(jié)構(gòu)，在振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生位移相對大于其他部分。 圖6結(jié)構(gòu)機(jī)床（FV400，大宇重工工業(yè)機(jī)械有限公司，韓國） 表4規(guī)格（FV400，大宇機(jī)床重工業(yè)機(jī)械有限公司，韓國） 規(guī)范 值 大?。▁9個(gè)Y9 Z，毫米） 18309 60091850 傳輸范圍（×9?Z，Y 9毫米） 600 9400 9400 ?加速轉(zhuǎn)移（的X，Y，Z幻燈片，m/s2） 14，14，20 質(zhì)譜（的X，Y，Z幻燈片，公斤） 5501100，290 清拆直線電機(jī)（毫米） 0.9±0.3 LM指南變形限制（LM） ±30 引力的直線電機(jī)（千牛） 21 主軸最高轉(zhuǎn)速（rpm） 35,000 圖7焊接鋼基地機(jī)床床體（a）頂視圖 （b）底視圖 圖8機(jī)床床體靜撓度引力和慣性力的關(guān)系 圖7顯示了焊接的鋼鐵基地和DPS有關(guān)，并顯示了 X1-X3，Y1 -Y6和Z1-Z3的鋼板厚度。為了確定的DPS，采用ANSYS軟件6.0（美國）對靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算分析。此外的阻尼因素，也使用的能源關(guān)系振動(dòng)來產(chǎn)生。為了模擬實(shí)際的靜負(fù)荷和變形，支持六個(gè)點(diǎn)作用力和底面固定慣性力也按照LM-指南和應(yīng)用直線電機(jī)的實(shí)際位置進(jìn)行測試，如圖8所示。慣性力Fx和 Fz對應(yīng)每個(gè)LM指南的兩點(diǎn)，而慣性力Fy和拉力Fp則是對應(yīng)零件直線電機(jī)安裝。此外，豎列抗性由X方向上LM-塊導(dǎo)軌的LM-2.09109N/米彈性剛度和在Z方向的2.59109N/ M彈性剛度來測量。 圖8和表6顯示變形的結(jié)果變化時(shí)的邊界條件和DPS值。從結(jié)果表6，有人發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的剛度在很大程度上取決于在X方向上板的厚度，與Y方向板的厚度關(guān)系不大。對圖9和表8顯示的結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在振動(dòng)過程中的主要變形垂直列和第一振動(dòng)模態(tài)列垂直偏轉(zhuǎn)形狀通過一個(gè)集中載荷的懸臂梁時(shí)振動(dòng)會(huì)消失。為了獲得了較高的自然頻率在X方向增加鋼面厚度，但增加后效果也并不顯著。這是因?yàn)?，在增加厚度的鋼面X方向不僅增加了結(jié)構(gòu)剛度，也增加了其質(zhì)量阻礙固有頻率的增加。 表5為靜態(tài)分析的邊界條件 表6慣性機(jī)床床身的變形和吸引力力量（LM）之間的關(guān)系 表7鋼鐵板塊鋼鐵基體的組成尺寸（mm） 然而，眾所周知，第一模式大部分由于其龐大的振動(dòng)能量使其產(chǎn)生應(yīng)變，在其中的阻尼垂直列對應(yīng)的梁阻尼性能和應(yīng)變能量分別儲(chǔ)存在鋼面和聚合物混凝土核心中。為了估計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)，垂直導(dǎo)柱被假定為X方向鋼面和??聚合物混凝土核心組成的一個(gè)夾心懸臂梁，如圖10、圖 11所示，其中集中負(fù)載P1和 P2如圖 10，做適當(dāng)調(diào)整，即P1/P2=1249，相應(yīng)的靜態(tài)撓度的幅度類似振動(dòng)模式。在這項(xiàng)測試中，有人推測，總應(yīng)變能源是鋼中儲(chǔ)存的應(yīng)變能量的總和與外殼、聚合物混凝土核心和消散能量是成正比的，阻尼因素和單位的總應(yīng)變能U與鋼面US和混凝土核心UC應(yīng)變能有關(guān)。 圖9振動(dòng)模式的機(jī)床形狀：（a）1，（b）2，（c）3，（d）4 表8有限元分析得到的固有頻率（赫茲） 圖10第一振動(dòng)模式的垂直列阻尼因子估算示意圖 其中S和C代表鋼和混凝土，而AS和AC則代表由不銹鋼和聚合物占的具體區(qū)域，其中鋼面的壓力和聚合物混凝土核心的計(jì)算方法如下： 其中x和T、C代表從它的中間的距離軸下的危險(xiǎn)點(diǎn)和鋼面。M，V和D分別表示彎矩，剪切力和抗彎剛度。一旦厚度的鋼面和??聚合物混凝土核心超過鋼的應(yīng)變能量時(shí)，阻尼因子G的情況如上，垂直列計(jì)算如下（(Rao 1978; Sun and Lu 1995）。 WD表示每耗能振動(dòng)周期。由于第一振動(dòng)頻率如表8所述，阻尼系數(shù)在所有情況下無法測得。具體GC可從圖3中100赫茲的推斷出可能為8.8％。而鋼GS阻尼系數(shù)約是0.2％。通過表7，計(jì)算出案例1案例3 中g(shù)值分別為3.3％，3.4％和3.7％。案例4和案例6，G的計(jì)算值也為3.3％，3.4％和3.7％，因?yàn)橄鄳?yīng)的鋼板厚度在X方向是相同的，而板在Y方向的厚度被忽略。從阻尼值可得，計(jì)算出的阻尼因素增加，鋼面厚度X方向也會(huì)下降。因此，案例4中表7被確定為設(shè)計(jì)值因?yàn)闄C(jī)床結(jié)構(gòu)制造應(yīng)具有較高的剛度和阻尼系數(shù)為3.3％，所以可以制造足夠大的機(jī)床床身結(jié)構(gòu)。 3.2聚合物混凝土機(jī)床 制造機(jī)床床身聚合物混凝土床制造聚合物混凝土澆成的鋼鐵基礎(chǔ)如圖12，由常溫固化的鋼板焊接組成的鋼鐵基礎(chǔ)在定位澆筑過程中面朝下，這樣很容易充滿聚合物混凝土。詳細(xì)的制造工藝聚合物混凝土如下： （一）用清水洗干凈制造的鋼面床身。 （二）聚酯樹脂按預(yù)先確定的重量或體積比混合。 （三）在加注混凝土?xí)r要用重力和振動(dòng)使混合更加均勻。 （四）在室溫下凝固聚合物混凝土。 （五）其他部位的安裝，按照裝配和安裝LM指南和直線電機(jī)的要求。 圖12機(jī)器焊接的鋼鐵基地的照片機(jī)床床身：（a）底視圖，和（b）頂視圖 圖13聚合物混凝土機(jī)床床身的照片 圖13聚合物的照片顯示了在這項(xiàng)工作中的具體機(jī)床床身的制造外形。 4 聚合物混凝土機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)特性 使用測試測量床FFT分析儀測試聚合物混凝土在沖動(dòng)動(dòng)態(tài)的動(dòng)態(tài)特性B＆K（丹麥）六分床是固定的，如圖 9所示。測量儀器如下，雙通道FFT分析儀（邦凱2032），電荷放大器（B＆K 2626），沖動(dòng)錘子（B＆K 8202），加速度計(jì)（B＆K 4374），和力傳感器屋（B＆K 8200）。然后對測試結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算出有限元。圖14和表9顯示測量FRF（頻率響應(yīng)函數(shù)）阻尼因子與頻率的結(jié)果。使用相關(guān)公式的方法，通過動(dòng)態(tài)測試獲得阻尼因子G的計(jì)算結(jié)果（Nashif等1985）。 表9 通過脈沖動(dòng)態(tài)測試機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)特性 （F2 - F1）和fr分別代表的半功率帶寬度和相應(yīng)的自然頻率，從動(dòng)態(tài)測試的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這是混合機(jī)床床身在固有頻率的頻率范圍內(nèi)阻尼因素G的值在2.93-5.69％之間，與鋼或鐵床結(jié)構(gòu)的阻尼因素值0.2-0.3％相比，均優(yōu)于它們。在第一模式的情況下，計(jì)算和測量阻尼因素分別為3.30和4.13。差異可以歸因于在計(jì)算過程中忽視阻尼發(fā)生在鋼鐵界面和聚合物混凝土層之間這個(gè)條件。 5 結(jié)論 在這項(xiàng)研究中，可以用聚合物混凝土床焊接鋼面結(jié)構(gòu)，即混合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和制造的高速銑床，而聚合物混凝土原料的最佳混合比例可通過實(shí)驗(yàn)獲得。機(jī)械聚合物混凝土的性能以及附著力其表面性能鋼強(qiáng)度和粗糙度這些動(dòng)態(tài)特性對混合聚合物混凝土床有著一定的影響。從對這些動(dòng)態(tài)特性的方面對混合聚合物混凝土床的脈沖做了動(dòng)態(tài)測試的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，混合機(jī)器機(jī)床床身在固有頻率范圍內(nèi)的阻尼因素為2.93%-5.69%，遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)或鐵床結(jié)構(gòu)（0.2-0.3％）。因此混合聚合物混凝土龍門型高速已被納入銑床的范圍內(nèi)（FV400，大宇重工機(jī)械有限公司，韓國）。 鳴謝 這項(xiàng)工作是由韓國研究基金會(huì)贈(zèng)款資助政府（MOEHRD) 商務(wù)部（M01-2004-000-10374-0），工業(yè)和朝鮮半島能源政府支持而完成的。作者要感謝韓國大宇重工業(yè)工業(yè)機(jī)械有限公司，在混合聚合物混凝土制造和測試床方面做出的合作。