玄武岩纤维树脂混凝土机床基础件设计理论与关键技术研究

Modern manufacturing industry is toward ultra-precision, high-speed, and high automation. So, advanced higher static and dynamic properties and thermal stability are demanded on the machine tool table. This project including the following contents:(1)In order to meet the performance of machine tool strucural elements, the best mixture ratio of basalt fiber resin concrete is determined for structural components manufacturing.(2) The best mixture ratio constitutive equation of basalt fiber resin concrete is established after research.(3) The rheological equation is eatablished based on the rheological property of the best mixture ratio of basalt fiber resin concrete.(4) Design theory and manufacturing technology of machine tool strucural elements with this material is studied , including structure design of components, design and processing of mold, processing and treatment of embedded parts, casting process, mold release method, subsequent machining etc.(5) A CNC machine tool bed with this material is manufactured to research of static and dynamic properties and thermal stability by using theoretical analysis, computer simulation and measuring method.In order to understand the material how to play a effective role to improve the static and dynamic properties and thermal stability of machine tool, simultaneously improve environment protection and economy by analysis on performance price ratio.This research will improve the level of our country manufacuting industry to provide new ideas, new materials, new theories and new technologies.

现代机械制造业正在向着超精密、高速度和高自动化方向发展，因而要求机床具有更好的静、动态性能和热稳定性。本项目研究如下内容：(1)以机床基础件应满足的性能为目标，研究确定适合制造机床基础件的玄武岩纤维树脂混凝土最佳组分配比；(2)研究建立最佳组分配比的玄武岩纤维树脂混凝土的本构方程；(3)研究最佳组分配比的玄武岩纤维树脂混凝土的流变特性，建立其流变方程；(4)研究玄武岩机床基础件结构设计、模具设计加工、预埋件加工及处理、浇铸工艺、脱模方法、后续加工等；（5）制造此种材料数控机床的床身，综合应用理论分析、计算机仿真和实测方法研究其静、动态性能和热稳定性能，分析其性价比，以定量说明该材料对改善机床静、动态性能和热稳定性，同时提高其环保性、经济性能的有效作用。如上研究内容最终形成玄武岩纤维树脂混凝土机床基础件的设计理论与关键技术，为提高我国制造业水平提供新思路、新材料、新理论和新技术。

现代机械制造业的发展对机床的静、动、热态性能和轻质性提出了越来越高的要求。采用新材料制造机床基础件是综合提高机床如上性能的有效途径之一。项目综合运用理论分析和实验研究方法，研究了玄武岩纤维树脂混凝土（BFPC）各组分配比及玄武岩纤维预处理方式对其主要力学性能及阻尼性能的影响规律，分析了玄武岩纤维对树脂混凝土的增强、增阻尼机理，并综合考虑机床基础件对其材料的多项性能要求，最终确定了适合制造机床基础件的BFPC最佳成分配比及玄武岩纤维预处理方式，同时确定了该材料的主要力学性能参数。综合运用实验研究和损伤力学理论，建立了最佳组分配比的BFPC本构方程。运用实验研究方法研究确定了BFPC的主要物理和化学性能。综合运用流变学理论和实验研究的方法研究了BFPC流变特性随其主要组分含量的变化规律，建立了BFPC的流变方程。综合应用实验研究和有限元模拟仿真分析方法研究了采用高速钢刀具切削BFPC的切削力和切削温度随着切削用量及刀具主要几何参数的变化规律，进而归纳总结出切削速度、背吃刀量、刀具主要几何参数等对BFPC的加工效率和表面质量的影响规律，并推荐了最佳切削用量及刀具主要几何参数。以床身、工作台、立柱、横梁及龙门框架组件等典型机床基础件为例，全面、深入、系统地研究了基于机床静、动、热态性能和轻质性综合性能最优的BFPC机床基础件的拓扑优化设计、敏度分析、多目标优化设计、等刚度设计、轻量化设计等多学科、多理论的综合设计方法。利用有限元仿真分析的方法研究了BFPC机床基础件的静、动、热态性能和轻质性，证明了BFPC机床基础件在提高机床基础件乃至整机综合性能方面的可行性与优越性。以BFPC机床立柱为例，依据BFPC材料的流变特性，研究了BFPC机床基础件成型主要工艺参数、成型模具的结构设计，综合运用有限元仿真和理论分析的方法证明了所设计模具的合理性。项目研究成果为提高我国机床乃至制造业水平提供了新思路、新材料、新理论和新技术。