鋼纖維聚合物混凝土機(jī)床基礎(chǔ)件夾具設(shè)計(jì)

柯 茹

(惠州市技師學(xué)院，廣東 惠州 516003)

在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的同時(shí)，人們對(duì)機(jī)床的要求也越來(lái)越高。機(jī)械加工不僅在朝著自動(dòng)化發(fā)展，而且也在朝著改進(jìn)機(jī)床的靜動(dòng)態(tài)性能發(fā)展。近年來(lái)，機(jī)床的控制和優(yōu)化發(fā)展為提高機(jī)床的性能提供了幫助，同時(shí)應(yīng)用在機(jī)床上的新型機(jī)床結(jié)構(gòu)材料也正在被開(kāi)發(fā)，以進(jìn)一步提高機(jī)床的特性。

由于聚合物混凝土的阻尼性能優(yōu)于傳統(tǒng)的材料鑄鐵，其在作為早期建筑上的新型材料，同時(shí)也在擴(kuò)展其他的應(yīng)用領(lǐng)域，目前已擴(kuò)展到了機(jī)械和電器行業(yè)。把它應(yīng)用在機(jī)床上來(lái)制造基礎(chǔ)件，可以顯著提高機(jī)床的質(zhì)量和動(dòng)剛度[1-2]。傳統(tǒng)的灰鑄鐵是在高溫下澆注的，而混凝土是在常溫下澆注的，在常溫下澆注比在高溫下澆注不僅可以提高機(jī)床的精度，降低余量，而且還可以節(jié)約加工的能源，但這種材料也存在缺陷，其力學(xué)性能沒(méi)有鑄鐵的好[3]。力學(xué)性能包括抗壓強(qiáng)度和韌性， 混凝土的各方面因素， 如溫度、頻率等，對(duì)材料良好的阻尼性會(huì)產(chǎn)生影響，所以，在材料中加入鋼纖維，不僅可以提高材料的阻尼性，而且可以提高相關(guān)的靜動(dòng)態(tài)性能[4]。

近幾年，國(guó)內(nèi)在建筑業(yè)上開(kāi)始應(yīng)用鋼纖維，以增強(qiáng)材料的性能。把建筑材料應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)，就會(huì)對(duì)材料的使用性能提出要求。在機(jī)械行業(yè)，如果采用一種材料，不僅應(yīng)考慮材料的組成和配制比例，而且應(yīng)考慮材料的加工性能和力學(xué)性能對(duì)其使用性能的影響。

本文在對(duì)這種新型復(fù)合材料工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)用這種材料成型鋼纖維聚合物混凝土機(jī)床基礎(chǔ)件的夾具，這對(duì)于提高我國(guó)機(jī)械行業(yè)在國(guó)際中的地位具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)床基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)

機(jī)床基礎(chǔ)件零件圖如圖1所示。

圖1 機(jī)床基礎(chǔ)件零件圖

在設(shè)計(jì)機(jī)床基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)時(shí)，除了應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)有較好的工藝、靜剛度和小的熱變形外，還應(yīng)盡量減小基礎(chǔ)件的質(zhì)量和制造工作量。

根據(jù)材料床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]記錄，鋼纖維聚合物混凝土機(jī)床基礎(chǔ)件有3種形式：框架結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)和分塊結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是周邊框?yàn)榻饘傩秃覆?，適用于基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的制件；整體結(jié)構(gòu)適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的中小型構(gòu)件；分塊結(jié)構(gòu)適用于形狀大而復(fù)雜的床身構(gòu)件。

2 夾具設(shè)計(jì)

2.1 夾具設(shè)計(jì)思路

鑒于此機(jī)床基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)大而且整體不宜分型)，筆者采用分塊結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)件的夾具。設(shè)計(jì)思路是總分總的步驟，把零件分成幾個(gè)簡(jiǎn)單的部分，分別設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單零件部分的夾具，先澆注這些簡(jiǎn)單的零件，再通過(guò)預(yù)埋件用螺釘聯(lián)接起來(lái)就可以制造出機(jī)床基礎(chǔ)件。夾具設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 夾具設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)以往的研究結(jié)果得知，與傳統(tǒng)的材料灰鑄鐵相比，這種新型材料的彈性模量小、抗彎強(qiáng)度低，在制造機(jī)床的基礎(chǔ)件上有很多優(yōu)勢(shì)。但是這種新型材料沒(méi)有具體的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此，筆者從鑄造件及鑄造工藝上來(lái)設(shè)計(jì)鋼纖維聚合物混凝土夾具[6-8]。傳統(tǒng)的灰鑄鐵在結(jié)構(gòu)上多為設(shè)有加強(qiáng)筋的薄壁結(jié)構(gòu)，而此機(jī)床基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)多為矩形，查閱相關(guān)手冊(cè)得知，鋼纖維聚合物混凝土壁厚比灰鑄鐵的厚，約為灰鑄鐵的3倍[9-10]。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)和尺寸，從《機(jī)械工程手冊(cè)》查得灰鑄鐵的模樣壁厚為5 mm，所以推導(dǎo)出鋼纖維聚合物混凝土金屬模樣壁厚約為10 mm。把復(fù)雜的零件拆分為幾個(gè)簡(jiǎn)單零件，從而設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單零件的夾具，這樣就使得復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，使得零件的結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單化了，進(jìn)而也簡(jiǎn)化了模具的結(jié)構(gòu)和鑄造工藝，同時(shí)降低了制造成本。

因?yàn)閵A具的總體設(shè)計(jì)思路是把零件拆分為3個(gè)部分，所以相應(yīng)的夾具也有3個(gè)，再通過(guò)螺釘把這3個(gè)簡(jiǎn)單零件聯(lián)接起來(lái)，也就是說(shuō)要在鋼纖維聚合物混凝土上鉆螺紋孔。據(jù)有關(guān)資料記錄，鋼纖維聚合物混凝土的材質(zhì)較硬，致使這種材料比較難加工，所以成型時(shí)應(yīng)在需要螺釘聯(lián)接的部位預(yù)先設(shè)置預(yù)埋金屬件，待澆注成型后就可以在預(yù)埋件上進(jìn)行機(jī)械加工。對(duì)于本次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，可以在預(yù)埋件上鉆螺紋孔，安裝螺釘。

由于鋼纖維聚合物混凝土是在常溫下澆注的，這對(duì)于放置預(yù)埋件來(lái)說(shuō)是很方便的。在常溫下澆注時(shí)，把帶有螺紋的預(yù)埋件放置在鋼纖維聚合物混凝土中，而這些帶有螺紋的預(yù)埋件通過(guò)螺釘聯(lián)接在夾具上，這樣在澆注的過(guò)程中預(yù)埋件不會(huì)產(chǎn)生位移、松動(dòng)的現(xiàn)象。待澆注完成后，帶螺紋的預(yù)埋件就與鋼纖維聚合物混凝土完全融合在一起，然后通過(guò)螺釘聯(lián)接導(dǎo)軌和金屬預(yù)埋件。

2.2 預(yù)埋件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文夾具設(shè)計(jì)中預(yù)埋件起到了橋梁的作用，如果沒(méi)有預(yù)埋件，3個(gè)簡(jiǎn)單的零件就無(wú)法裝配起來(lái)。預(yù)埋件在材料中的安裝固定方式屬于型芯固定方式的一種，查閱《壓鑄工藝與模具》可知，預(yù)埋件的固定形式采用螺釘固定，這種固定形式適用于固定在較厚鑲塊內(nèi)較大的圓柱型芯或矩形型芯上。由于床身結(jié)構(gòu)較大，所以采用分塊式的預(yù)埋件安裝方式，預(yù)埋件的安裝位置如圖3所示。三角形導(dǎo)軌預(yù)埋件結(jié)構(gòu)如圖4所示，矩形導(dǎo)軌預(yù)埋件結(jié)構(gòu)如圖5所示。預(yù)埋件上的螺紋孔在成型的過(guò)程中通過(guò)螺釘聯(lián)接在夾具上，在成型之后，預(yù)埋件上的螺紋孔要起到聯(lián)接導(dǎo)軌和機(jī)床床身的作用。

圖3 預(yù)埋件在床身中的位置

圖4 三角形導(dǎo)軌預(yù)埋件結(jié)構(gòu)圖

圖5 矩形導(dǎo)軌預(yù)埋件結(jié)構(gòu)圖

2.3 基礎(chǔ)件夾具設(shè)計(jì)

2.3.1 床身夾具設(shè)計(jì)

床身夾具的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 床身夾具結(jié)構(gòu)圖

床身夾具用來(lái)成型車床床身。由于夾具在成型過(guò)程中會(huì)受到搗實(shí)的力，所以為了防止夾具損壞，筆者采用板與板之間鑲嵌、板與板之間用螺栓聯(lián)接的方式。螺栓可以承受一定的預(yù)緊力，只要選用合適的螺栓就可以滿足機(jī)械使用要求。

底板上開(kāi)有鑲嵌側(cè)板的槽，槽深為10 mm，左側(cè)板與右側(cè)板都設(shè)有拐角，拐角是為了與前、后側(cè)板進(jìn)行螺栓聯(lián)接，左側(cè)板和右側(cè)板直接參與成型。前、后側(cè)板總共為4個(gè)，靠近里面的側(cè)板參與成型，且鑲嵌在左、右側(cè)板里，鑲嵌深度為10 mm，外面的側(cè)板與左、右側(cè)板進(jìn)行螺栓聯(lián)接，起支承作用。

床身夾具螺栓選用M16的螺栓，聯(lián)接矩形導(dǎo)軌預(yù)埋件的螺釘選用M14的螺釘，聯(lián)接三角形導(dǎo)軌預(yù)埋件的螺釘選用M4的螺釘。

2.3.2 矩形導(dǎo)軌夾具設(shè)計(jì)

矩形導(dǎo)軌夾具的設(shè)計(jì)思路與床身夾具的設(shè)計(jì)思路一樣，也是用板與板鑲嵌和螺栓來(lái)進(jìn)行聯(lián)接。在矩形導(dǎo)軌上開(kāi)設(shè)有梯形通孔，梯形孔的目的是放置螺釘聯(lián)接矩形導(dǎo)軌于車床床身上。所以為了在矩形導(dǎo)軌上留有預(yù)制的螺釘孔，在設(shè)計(jì)矩形導(dǎo)軌時(shí)需要安裝階梯型的型芯。型芯的尺寸與結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 矩形導(dǎo)軌上的型芯結(jié)構(gòu)圖

階梯型的型芯放置在夾具的底板上，選用M10的螺釘與夾具底板進(jìn)行聯(lián)接，矩形導(dǎo)軌夾具的設(shè)計(jì)圖如圖8所示。

圖8 矩形導(dǎo)軌夾具圖

2.3.3 三角形導(dǎo)軌夾具設(shè)計(jì)

三角形導(dǎo)軌夾具的設(shè)計(jì)思路如前，所不同的是零件的形狀不一樣，成型部分的結(jié)構(gòu)不一樣。三角形導(dǎo)軌同樣要連接到車床床身上，所以三角形導(dǎo)軌夾具在成型之后要有安裝螺釘?shù)碾A梯孔，而夾具上應(yīng)該用相應(yīng)的型芯來(lái)成型這個(gè)階梯孔，型芯的尺寸與結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 三角形導(dǎo)軌上的型芯結(jié)構(gòu)

階梯型的型芯放置在夾具的底板上，選用M10的螺釘與夾具底板進(jìn)行聯(lián)接，三角形導(dǎo)軌夾具的設(shè)計(jì)圖如圖10所示。

圖10 三角形導(dǎo)軌夾具圖

筆者在此特別提出，由于在材料的制備工藝環(huán)節(jié)已經(jīng)知道鋼纖維聚合物混凝土這種材料的特性，同時(shí)由于固化劑及粘結(jié)劑的加入，使得這種材料比較黏稠，流動(dòng)性差，在模具的邊角不易充實(shí)[11-12]，所以在夾具設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)特別提出了材料的振動(dòng)成型，即把夾具放在振動(dòng)臺(tái)上，在澆注的同時(shí)也在振動(dòng)，這樣澆注就會(huì)充分，成型的零部件就不會(huì)有明顯的缺陷，從而提高零件的質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

夾具的設(shè)計(jì)是根據(jù)零件的形狀而制定的，本文的夾具設(shè)計(jì)是把復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化了， 設(shè)計(jì)思路為總分總的步驟，先設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單零件的夾具，然后再把簡(jiǎn)單零件組裝起來(lái)，最終得到所需制造的零件。