基于PROE平臺的立式雙軸缸孔半精鏜機床總體及刀具設(shè)計【說明書+CAD+PROE】,說明書+CAD+PROE,基于PROE平臺的立式雙軸缸孔半精鏜機床總體及刀具設(shè)計【說明書+CAD+PROE】,基于,proe,平臺,立式,雙軸缸孔半精鏜,機床,總體,整體,刀具,設(shè)計,說明書,仿單,cad 畢 業(yè) 設(shè) 計 組合鏜刀三維圖集 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 康 生 班 級 BD機制042 學(xué) 號 04201102225 指導(dǎo)教師 黃 曉 峰 完成日期 2008年6月15日 鏜刀桿 M2X5螺釘 M4X8螺釘 M4X10螺釘 M5X12螺釘 齒塊 刀片壓緊螺釘 倒角刀刀片 倒角刀刀體 調(diào)整墊 滑塊 推桿 M5X14螺釘 鏜孔刀刀桿 鏜孔刀刀片 止口刀刀片 止口刀刀體 倒角刀裝配圖 鏜孔刀裝配圖 止口刀裝配圖 組合鏜刀裝配圖 11 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 課題： 基于PROE平臺的立式雙軸缸孔半精鏜機床總體及刀具設(shè)計 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名 康 生 班 級 BD機制042 學(xué) 號 0420110225 指 導(dǎo) 教 師 黃 曉 峰 專 業(yè) 系 主 任 王 宗 榮 發(fā) 放 日 期 2008年3月8日 一、設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計一臺加工JD490柴油機機體缸孔的半精鏜組合機床，具體進行總體設(shè)計和刀 具設(shè)計。主要內(nèi)容有： 1．總體設(shè)計 1）制定工藝方案，確定機床配置型式及結(jié)構(gòu)方案。 2）三圖一卡設(shè)計，包括： (a) 被加工零件工序圖， (b) 加工示意圖，(c) 機床聯(lián)系尺寸圖， (d) 生產(chǎn)率計算卡，(e) 有關(guān)設(shè)計計算、校核。 2．刀具設(shè)計 (a) 組合鏜刀裝配圖，(b) 組合鏜刀部分零件圖，(c) 組合鏜刀三維造型, (d) 有關(guān)計算、校核等。 二、設(shè)計依據(jù) 1．課題來源：鹽城市江動集團 2．產(chǎn)品名稱：JD490柴油機 3．被加工零件：機體（附零件圖） 4．工件材料：HT250 5．加工內(nèi)容：半精鏜孔；孔；孔；倒角； 半精鏜。 6. 生產(chǎn)綱領(lǐng)：大批大量。 7. 批量：本機床設(shè)計、制造一臺。 三、設(shè)計要求 1．機床應(yīng)能滿足加工要求，保證加工精度； 2．機床應(yīng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，便于維修、調(diào)整； 3．機床盡量能用通用件（中間底座可自行設(shè)計）以便降低制造成本； 4．機床各動力部件用電氣控制。 5．設(shè)計圖樣總量：折合成A0幅面在3張以上；工具要求：應(yīng)用計算機軟件繪圖。過 程要求：裝配圖需提供手工草圖。 6．畢業(yè)設(shè)計說明書按照學(xué)校規(guī)定的格式規(guī)范統(tǒng)一編排、打印，字?jǐn)?shù)不少于1萬字。 7．查閱文獻資料10篇以上，并有不少于3000漢字的外文資料翻譯； 8．到相關(guān)單位進行畢業(yè)實習(xí)，撰寫不少于3000字實習(xí)報告； 9．撰寫開題報告 四、畢業(yè)設(shè)計物化成果的具體內(nèi)容及要求 1、設(shè)計成果要求 1）畢業(yè)設(shè)計說明書 1 份 2）被加工零件工序圖 1 張 3）加工示意圖 1 張 4）機床聯(lián)系尺寸圖 1 張 5）生產(chǎn)率計算卡 1 張 6）組合鏜刀裝配圖 1 張 7）組合鏜刀部分零件圖 不少于7張 8）組合鏜刀三維造型及分析 1 份 2、外文資料翻譯（英譯中）要求 1）外文翻譯材料中文字不少于3000字。 2）內(nèi)容必須與畢業(yè)設(shè)計課題相關(guān)； 3）所選外文資料應(yīng)是近10年的文章，并標(biāo)明文章出處。 五、 畢業(yè)設(shè)計（論文）進度計劃 起訖日期 工作內(nèi)容 備 注 3月8日～3月9日 布置任務(wù)，收集資料，熟悉課題 3月10日～3月22日 調(diào)查研究，畢業(yè)實習(xí) 3月23日～4月5日 方案論證，總體設(shè)計 4月6日～4月19日 技術(shù)設(shè)計（部件設(shè)計） 4月20日～5月14日 工作設(shè)計（零件設(shè)計） 5月15日～5月31日 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書 6月1日～6月4日 畢業(yè)設(shè)計預(yù)答辯 6月5日～6月12日 修改資料 6月13日～6月15日 評閱材料 6月16日～6月18日 畢業(yè)答辯 6月19日～6月21日 材料整理裝袋 六、 主要參考文獻： 1. 叢鳳廷．組合機床設(shè)計（第二版）[M]．上海：上?？萍汲霭嫔纾?994． 2. 謝家瀛．組合機床設(shè)計參考手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1994． 3. 大連組合機床研究所．組合機床設(shè)計（第一分冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1975． 4. 大連組合機床研究所．組合機床設(shè)計參考圖冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1975． 5. 姚永明．非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，1999． 6. 金振華．組合機床及其調(diào)整與使用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1990． 7. 東北重型機械學(xué)院．機床夾具設(shè)計手冊（第二版）[M]．上海：上海科技出版社， 1988． 8. 劉文劍．夾具工程師手冊[M]．哈爾濱：黑龍江科技出版社，1987． 9. 楊黎明．機床夾具設(shè)計手冊[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1996． 10. 李儒荀．刀具理與計設(shè)計原算[M]．江蘇：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1985． 11. 范忠仁．刀具工程師手冊[M]．黑龍江：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1985． 12. 王珺．干式加工刀具設(shè)計及刀具材料的選擇[J]．機械研究與應(yīng)用，2004，（02）：30-34． 13. 王宏．組合機床鏜模及拖架的改進[J]．機械研究與應(yīng)用，2002，（09）： 53-54． 14. 肖繼明．薄壁深孔鏜頭的設(shè)計與應(yīng)用[J]．組合機床與自動化加工技術(shù)，2004，（06）： 80-81． 七、其他 八、專業(yè)系審查意見 系主任： 年 月 日 九、機械工程學(xué)院意見 院長： 年 月 日 7 產(chǎn)品圖樣編號方法 ****–001 機床總圖 ****–002 工序圖 ****–003 加工示意圖 ****–004 生產(chǎn)率計算卡 （注“***”如是ZH1115系列的請用“ZJ1115”表示；如ZH1100請用“ZJ1100”表示；如TY295就用“TY295”表示；如JD490請用“JD490”表示，以下雷同）； ****–20–00 夾具裝配圖 ****–20–01 夾具零件圖1 ****–20–02 夾具零件圖2 。。。。。。。。。。。。 ****–71–00 左主軸箱裝配圖 ****–71–01 左主軸箱零件圖1 ****–71–02 左主軸箱零件圖2 。。。。。。。。。。。。。 ****–72–00 右主軸箱裝配圖 ****–72–01 右主軸箱零件圖1 ****–72–02 右主軸箱零件圖2 。。。。。。。。。。。。。 ****–60–00 刀具裝配圖 ****–60–01 刀具零件圖1 ****–60–02 刀具零件圖2 。。。。。。。。。。。。。 ****–76–00 鏜削頭裝配圖 ****–76–01 鏜削頭零件圖1 ****–76–02 鏜削頭零件圖2 。。。。。。。。。。。。。 注：標(biāo)題欄中設(shè)計簽名及日期均應(yīng)手寫，不可以在電腦中打字；如幾人合作設(shè)計一臺組合機床的請要前后圖號對應(yīng)，零件圖號應(yīng)和裝配明細表中零件圖號對應(yīng)。 外文翻譯 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化 學(xué) 生 姓 名 康 生 班 級 BD機制042 學(xué) 號 0420110225 指 導(dǎo) 教 師 黃曉峰 外文資料名稱：Design and manufacture of composite high speed machinetool structures 外文資料出處：Composites Science and technology 附 件： 1.外文資料翻譯譯文 2.外文原文 指導(dǎo)教師評語： 簽名： 年 月 日 復(fù)合高速機刀具結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造 Dai Gi lLee,Jung Do Suh, Hak Sung Kim, Jong Min Kim 摘要 高傳輸速度，以及高切削速度機床重要的是生產(chǎn)力的提高，在制作模具/模具，因為非加工時間，被稱為空中交織的時間，數(shù)量，以70 ％的總加工時間與形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。其中一個最主要的原因是生產(chǎn)率低，是大型群眾性的運動部件的機床，其中不能負擔(dān)快的加速和減速過程中遇到的操作。此外，振動機床結(jié)構(gòu)是其他原因限制，高速運作。 在這個文件中，幻燈片的高速數(shù)控銑床的設(shè)計與纖維增強復(fù)合材料克服這種局限性?？v向和橫向的幻燈片大型數(shù)控機床制造加入高含量碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料，以鋼筋焊接結(jié)構(gòu)用粘合劑和螺栓。這些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)減少重量縱向和橫向的幻燈片，由34 ％和26 ％ ，分別增加了阻尼。不致有太大調(diào)整，這臺機器上進行了定位精度5光鏡每300毫米的減少。 1.導(dǎo)言 數(shù)控銑床和加工中心應(yīng)用于制作各種模具/模具即用于家電，汽車內(nèi)飾， 沖壓和注塑成型。在正常加工與機床，其切削工具提出與名義利用率，而價格切換至快速導(dǎo)線模式轉(zhuǎn)移期間切削工具，如果沒有接觸工件：時間用于傳輸一個刀具無接觸工件的，是所謂的空切時間。一般來說，只有大約30 ％的總加工時間是花費在實際切削，而其余的70 ％ 是花在空中交織的兼職[1,2]。因此，不只是具有高的切削速度，而且具有較高的傳輸速度，是必須取得資源增值的加工這是必不可少的條件，在全球競爭機床市場，雖然切割速度已增加是由于新研制的切削刀具材料，如陶瓷，立方氮化硼，金剛石等，生產(chǎn)力仍受制于低轉(zhuǎn)移高速大規(guī)模移動幀，其中通常是鋼。傳統(tǒng)的鋼標(biāo)架的機工具與最高速度為0.2?0.8米/秒， 最大加速度0.2-2.1m/s2（常規(guī)加工中心，mynx400/ace-tc320d，大宇重工機械有限公司，韓國）。然而， 現(xiàn)代高速銑床須有最大加速度14 m/s2和速度。 2米/秒。這些高傳輸速度，是難以實現(xiàn)如果龐大的鋼鐵架利用。 此外，機床結(jié)構(gòu)振動形成問題，在制造過程中，在這些高的速度，而可能導(dǎo)致質(zhì)量低劣產(chǎn)品的相對位置誤差在刀具和工件[3-5]之間：最近機床都要求有一直被定位精度在10lm的，其中是密切相關(guān)的精密產(chǎn)品。為保證高速運行的準(zhǔn)確性，機床結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)與輕動框在不消耗剛度和阻尼性能， 這是相互矛盾的要求，如果常規(guī)金屬材料是受雇于常規(guī)金屬幾乎相同的低比剛度（五= q ）的同低阻尼特性。機床結(jié)構(gòu)高剛度和高阻尼要求，以增加他們的基本自然頻率并減少振動引起的。要求要比高剛度高阻尼的機床結(jié)構(gòu)能滿足用人纖維增強聚合物復(fù)合材料。增強纖維復(fù)合材料構(gòu)成的加固纖維具有很高的具體剛度和矩陣高阻尼，由此產(chǎn)生的材料復(fù)合特性反映最佳的特點，即高比剛度、高阻尼。此外，夾層結(jié)構(gòu)，其面結(jié)構(gòu)制成的纖維增強復(fù)合材料、其核心材料制成的蜂窩狀或發(fā)泡結(jié)構(gòu)，最大限度地發(fā)揮優(yōu)勢的時候，他們適用于結(jié)構(gòu)抵抗彎矩。 因此，夾層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料我們已使用的越來越多，在宇宙飛船飛機，汽車零部件，機器人手臂 ，甚至機床 。 變形的機床結(jié)構(gòu)下切削力和結(jié)構(gòu)慣性負載啟動過程并停止生產(chǎn)，不僅產(chǎn)品質(zhì)量差，而且有很強噪音和振動。然而，這增加了一般的機床結(jié)構(gòu)，因此需要大量電動機，軸承和運動指導(dǎo)體系。因此， 最好的方法，以提高剛度的機床結(jié)構(gòu)，沒有多大增加部件是使用高比剛度的結(jié)構(gòu)，如復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。 在這項研究中，縱向和橫向機床幻燈片的高速數(shù)控銑床的設(shè)計及制造所用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)是膠接，以焊接鋼管結(jié)構(gòu)-一種混合機床結(jié)構(gòu)。垂直柱的橫向滑動（十-幻燈片）及制造與復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，而橫欄的垂直滑動（ Y型幻燈片） 鋼筋與高模量復(fù)合板。該混合結(jié)構(gòu)設(shè)計成具有等效結(jié)構(gòu)剛度的常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)這是按經(jīng)典梁理論分析。此時，自然頻率和阻尼能力以及減輕重量的復(fù)合材料混聯(lián)機床結(jié)構(gòu)測定和相對于常規(guī)鋼機床結(jié)構(gòu)。 2.設(shè)計混聯(lián)機床結(jié)構(gòu) 2.1特色的混合型梁 抗彎剛度簡支夾心束所示圖。 (1) 如s模面和核心。偏轉(zhuǎn)長簡支持夾層梁下的集中載荷P基于簡單梁理論是指用D1的原因彎曲變形和D2由于剪切變形[15,16] 凡與GC代表等效截面面積和剪切模芯材料，分別由于夾層結(jié)構(gòu)具有較低的核心剪切剛度， 簡單梁理論，忽略剪切變形可能不會作出準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，在計算結(jié)果剛度的夾層梁標(biāo)本相比與實測結(jié)果所得到的三點彎曲試驗表明，在圖 1以及作為結(jié)果由有限元分析。三點彎曲試驗是用英斯特朗4206年不足1毫米/分鐘位移速率和有限元分析是演出與商業(yè)軟件ANSYS5.5（美國）使用殼牌99和固體95元素。表1顯示尺寸夾心標(biāo)本。夾心束標(biāo)本制成的復(fù)合材料的表面和內(nèi)部核心。加入表面和核心，即是一種粘合劑形狀（ af126 ， 3 M公司，美國）和環(huán)氧粘合劑圖1。尺寸的簡支夾層梁用三點彎曲試驗： （一）縱向方向; （二） 橫截面A-A1。 。 表1 尺寸（ mm ）的簡支夾層梁下threepoint 彎曲試驗 （2216，3M公司，美國） ，是用來防止脫層失敗的夾層結(jié)構(gòu)[17,18]。單向碳纖維環(huán)氧復(fù)合（ usn150 ，韓國化學(xué)，韓國） 與玻璃纖維布復(fù)合（ gep215 ，韓國化學(xué)， 韓國）被用于表面材料，而芳綸纖維蜂窩（ hrh-10-1/8-4.0 ， hexcel ，英國） 用于核心材料。表2和表3列出性能這些材料。綜合面孔為夾心基礎(chǔ)打下了一個堆疊序列[ 0 2 100 / 0 10歲;的C / 0 1 100 / 0 5年;中] s凡標(biāo)G和C代表了玻璃纖維和碳-環(huán)氧分別。 圖2顯示實測撓度以及由于計算的，由梁理論和有限元分析。梁理論和有限元分析預(yù)言實驗偏轉(zhuǎn)8 ％以內(nèi)的誤差。 從以上結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)在這該夾層梁撓度因剪是不容忽視（在這種情況下3倍以上，由于彎曲）。 因此，箱式混合梁方面鋼筋與鋼板所示圖。 3 采用混合標(biāo)架，以減少剪切變形的夾層梁。對于梁的鋼筋與鋼板忽視翹曲，剪應(yīng)力和，它的幾何兼容性詳情如下： 其中R的比例應(yīng)是剪切模量之間的鋼和蜂窩項。然后，剪應(yīng)力蜂窩圖。 2.2設(shè)計的重量輕的復(fù)合鋼筋機工具框 圖4顯示照片的高速數(shù)控機床銑床的15千瓦配備35000rpm時， 圖4 照片上的高速銑床結(jié)構(gòu)（ f500 ，大宇重工機械有限公司，韓國）。 主軸及混合標(biāo)架，水平坐標(biāo)（十-坐標(biāo)）及垂直坐標(biāo)（ Y型坐標(biāo)） ，其垂直柱和橫向柱鋼筋與復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料板（ f500 ，大宇重工＆ 機械有限公司，韓國） 。無論是移動所得到了2.0米/秒的速度，還是達到最大加速度14.0 m/s2 ，都無結(jié)果。 5和6顯示照片的X坐標(biāo)和Y型坐標(biāo)組成的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)膠接，以焊接鋼管結(jié)構(gòu)。為了估計該機床結(jié)構(gòu)撓度，在高加速度， 移動鋼框架結(jié)構(gòu)進行了分析，得到了有限元分析顯示圖。 如垂直的X坐標(biāo)抵消了所吸收的20千牛力量產(chǎn)生的，由兩個直線電機裝內(nèi)表面的垂直方向的X -坐標(biāo)。 橫欄的Y型滑坡發(fā)生變形，在Z向由彎矩由于要伸出主軸重量4000 N，以最大限度地加固效果，在這項工作中，立柱的X -坐標(biāo)和橫向欄的Y坐標(biāo)被選作主要加強部分。 為了發(fā)展一個打火機，混合幀的X幻燈片鋼鐵基地，制成更薄的鋼板的16毫米厚度相比， 20毫米厚的鋼板。 常規(guī)之一，是增強復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)顯示圖。自剪變形的一個簡單的三角形結(jié)構(gòu)通常大，在這項研究中，混合結(jié)構(gòu)的目的是作為盒型結(jié)構(gòu)參考。 后來，其雙方均加強了鋼鐵板塊。 為設(shè)計的箱式混合結(jié)構(gòu)大于10.4 ，這意味著偏轉(zhuǎn)由于剪切小于8.8 ％的總偏轉(zhuǎn)。因此，在設(shè)計中的結(jié)構(gòu)，抗彎剛度D的使用為目標(biāo)參數(shù)，如 由于加固外，以增加抗彎剛度d時，內(nèi)面厚度的夾心決定考慮加入5毫米的內(nèi)在面臨的夾層梁，以鋼鐵為主，以螺栓為主。 厚度外，面對的夾層梁被初步確定給予最主要的一個，然后再較具體的計算其中，以確定合適的尺寸并利用有限元法考慮當(dāng)?shù)芈N曲或扭曲。從分析中，它是發(fā)現(xiàn)較大偏轉(zhuǎn)發(fā)生在混合動力梁時，都梁有相同的抗彎剛度d ，因為交夾不具備橫向加固鋼板，而常規(guī)鋼梁被設(shè)計成一個格子型結(jié)構(gòu)與加強板，圖 9 。因此，外面厚度的夾層梁增加至13毫米。 此外，尺寸的其他援軍計算通過程序入手等效抗彎剛度D和計算，然后與有限元法考慮翹曲的結(jié)構(gòu)。 2.3 制造混聯(lián)機床結(jié)構(gòu)高強度碳纖維環(huán)氧復(fù)合（ usn150 ，韓國化學(xué)，韓國）和玻璃纖維環(huán)氧（ gep215 ，韓國化學(xué)，韓國） ，主要用于面孔夾層梁和加固板為X和Y型幻燈片。垂直欄的X抗滑被鋼筋與兩個夾層梁的1462毫米和1223毫米長，而在頂部和底部部分鋼筋分別與四個復(fù)合板六小夾層梁所示圖 5 。該Y型幻燈片，即主軸單元的銑削應(yīng)該抵制彎矩產(chǎn)生主軸的重量，切削力和慣性力由于快速加速和減速而下落了。 橫欄的Y型幻燈片與嚴(yán)格的三維制約因素是鋼筋，具有很高的彈性模量碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的性能，給出表2 （ hyej34m45d ，三菱，日本） ，以避免干擾其他部分。此外，左右垂直柱的Y型幻燈片被鋼筋與三角梁所示圖6。此外，四個三角形板被用于加強扭剛度的矩形框。綜合增援保稅區(qū)向鋼鐵基地結(jié)構(gòu)與環(huán)氧粘合劑（2216 ，3M公司，美國）精神結(jié)合起來，同機械結(jié)合，與螺栓，以提高可靠性和生產(chǎn)效率。 Design and manufacture of composite high speed machinetool structures Dai Gil Lee *, Jung Do Suh, Hak Sung Kim, Jong Min Kim Abstract The high transfer speed as well as the high cutting speed of machine tools is important for the productivity improvement in thefabrication of molds/dies because non-machining time, called the air-cutting-time, amounts to 70% of total machining time withcomplex shape products. One of the primary reasons for low productivity is large mass of the moving parts of machine tools, whichcannot afford high acceleration and deceleration encountered during operation. Moreover, the vibrations of the machine toolstructure are among the other causes that restrict high speed operations.In this paper, the slides of high speed CNC milling machines were designed with fiber reinforced composite materials toovercome this limitation. The vertical and horizontal slides of a large CNC machine were manufactured by joining high-moduluscarbon-fiber epoxy composite sandwiches to welded steel structures using adhesives and bolts. These composite structures reducedthe weight of the vertical and horizontal slides by 34% and 26%, respectively, and increased damping by 1.5–5.7 times withoutsacrificing the stiffness. Without much tuning, this machine had a positional accuracy of
5 lm per 300 mm of the slidedisplacement. 1. Introduction CNC milling machines and machining centers areemployed in the fabrication of various molds/dies thatare used for electrical appliances, automobile interiors, stamping and injection molding. During normal machiningwith machine tools, their cutting tools aremoved with nominal feed rates, while the feed rates are switched to a rapid traverse mode during the transfer ofcutting tools without contacting workpieces: The timespent to transfer a cutting tool without contactingworkpieces is called air-cutting-time. Generally, onlyabout 30% of the total machining time is spent in theactual cutting or making chips, while the remaining 70%is spent in the air-cutting-time [1,2]. Therefore, not onlyhigh cutting speeds but also high transfer speeds arerequired to obtain the enhanced productivity of machiningwhich is essential to survive in the global competitionof machine tool markets. Although the cuttingspeed has been increased due to newly developed cuttingtool materials such as ceramic, CBN, diamond and soon, productivity is still restricted by the low transferspeed of massive moving frames which are usually madeof steel. Conventional steel moving frames of machinetools operate with maximum speeds of 0.2–0.8 m/s, andmaximum acceleration of 0.2–2.1 m/s2 (ConventionalMachining Center, Mynx400/ACE-TC320D, DaewooHeavy Industries & Machinery Ltd., Korea). However,modern high speed milling machines are required tohave the maximum acceleration of 14 m/s2 and the speedof 2 m/s. These high transfer speeds are hard to be realizedif massive steel moving frames are employed.Furthermore, machine tool structures vibrate creatingproblems during manufacturing at these high speeds,which may result in poor quality products by the relativepositional error between the cutting tools and workpieces[3–5]: Recently machine tools are required to havebeen kept the positional accuracy within
10 lm, whichis closely related to the precision of products [6]. For thehigh speed operation with accuracy, machine toolstructures should be designed with light moving frameswithout sacrificing stiffness and damping properties,which are contradictory requirements if conventionalmetallic materials are employed because conventionalmetals have almost same low specific stiffness (E=q) withlow damping characteristics. Machine tool structureswith high specific stiffness and high damping are requiredto increase their fundamental natural frequenciesand decrease the vibration induced. The requirement ofhigh specific stiffness with high damping for high speedmachine tool structures can be satisfied by employingfiber reinforced polymer composite materials [7,8]. Sincethe fiber reinforced composite materials consist of reinforcingfibers with very high specific stiffness and matrixwith high damping, the resulting material characteristicsof composite materials reflect the best characteristics ofeach material, i.e., high specific stiffness with highdamping. Moreover, sandwich structures whose facestructures are made of fiberreinforced composite materialsand whose core materials are made of honeycombor foam structures maximize their advantages when theyare applied to the structures resisting bending moment.Consequently, sandwich structures and composite materialshave been employed increasingly in spacecrafts,airplanes, automobile parts [9], robot arms [8,10], andeven machine tools [11,12].The deformation of machine tool structures undercutting forces and structural inertia loads during startand stop motions produces not only poor qualityproducts but also noise and vibration. A simple way toreduce the deformation is to employ structures withlarge cross-sections. However, it increases the mass ofmachine tool structures and consequently requires largemotors, bearings and motion guide systems. Therefore,the best way to enhance the stiffness of machine toolstructures without much increase of mass is to employhigh specific stiffness structures such as compositesandwich structures.In this study, the vertical and horizontal machine toolslides of a high speed CNC milling machine were designedand manufactured with sandwich compositestructures that are adhesively bonded to welded steelstructures – a hybrid machine tool structure. The verticalcolumn of the horizontal slide (X-slide) was manufacturedwith composite sandwich structures while thehorizontal column of the vertical slide (Y-slide) wasreinforced with high modulus composite plates. Thehybrid structures were designed to have the equivalentstructural stiffness of conventional steel structures,which was calculated by the classical beam theory andFEM analysis. Then, the natural frequency and dampingcapacity as well as weight savings of the compositehybrid machine tool structures were measured and compared with those of comparable conventional steelmachine tool structures. 2. Design of hybrid machine tool structures 2.1. Characteristics of hybrid beam The bending stiffness D of a simply supported sandwichbeam as shown in Fig. 1 is expressed as followswhen Ef >> Ec and d >> t [13–15]: ( 1) where Ef and Ec represent the Young
s moduli of faceand core, respectively. The deflection D of the simplysupported sandwich beam under a concentrated load P based on the simple beam theory is the sum of D1 due tobending deformation and D2 due to shear deformation[15,16]: where A and Gc represent equivalent cross-section areaand the shear modulus of core material, respectively.Since the sandwich structure has low core shear stiffness,the simple beam theory neglecting shear deformationmay not give an accurate result. Therefore, the calculatedresults of stiffness of sandwich beam specimen werecompared with the measured results obtained by thethree-point bending test shown in Fig. 1 as well as theresults by FEM analysis. The three-point bending testwas performed using Instron 4206 under 1 mm/mindisplacement rate and the FEM analysis was performedwith a commercial software ANSYS 5.5 (USA) usingshell 99 and solid 95 elements. Table 1 shows the dimensionsof sandwich specimens. The sandwich beamspecimens were made of composite faces and honeycombcore. To join the faces and the core, both an adhesivefilm (AF126, 3M, USA) and an epoxy adhesive Fig. 1. Dimensions of the simply supported sandwich beam used forthree-point bending test: (a) longitudinal direction; (b) cross-section ofA–A1. Table 1 Dimensions (mm) of the simply supported sandwich beam under threepointbending test (2216, 3M, USA) was used to prevent delaminationfailure of sandwich structures [17,18]. Unidirectionalcarbon-epoxy composite (USN150, SK Chemical, Korea)and glass fabric composite (GEP215, SK Chemical,Korea) were used for the face material while aramid fiberhoneycomb (HRH-10-1/8-4.0, Hexcel, UK) wasused for the core material. Tables 2 and 3 list theproperties of these materials. The composite faces forthe sandwich specimens were laid up with a stackingsequence of [02;G/010;C/01;G/05;C]S where the subscriptsG and C represent glass-fabric and carbon-epoxy, respectively.Fig. 2 shows the measured deflection as wellas the calculated ones by the beam theory and FEManalysis. Both the beam theory and the FEM analysispredicted the experimental deflection within 8% error.From the above results, it was found that the deflectionof the sandwich beam due to shear was not negligible(three times larger than that due to bending in this case).Therefore, box type hybrid beams with side surfacesreinforced with steel plates as shown in Fig. 3 wereadopted for the hybrid moving frames to reduce theshear deformation of the sandwich beam. For the boxtype beams reinforced with steel plates neglectingwarping, the shear stress sxz;h in the honeycomb and sxz;sin the side steel are related from the geometric compatibilityas follows: where R is the ratio of the shear moduli between the steel(Gxz;s) and honeycomb (Gxz;h). Then, the shear stress inthe honeycomb in Fig. 2.2. Design of light weight composite reinforced machinetool frames Fig. 4 shows the photograph of a high speed CNCmilling machine of 15 kW equipped with 35,000 rpm Fig. 4. Photograph of a high speed milling machine tool structure(F500, Daewoo heavy industries & Machinery Ltd., Korea). In order to develop a lighter hybrid frame, the X-slidesteel base, made of thinner steel plates of 16 mmthickness compared to 20 mm thick steel plates for conventional one, was reinforced with composite sandwichstructure as shown in Figs. 5 and 8. Since the sheardeformation of a simple sandwich structure is usuallylarge, in this study, the hybrid structure was designed asa box type structure as shown in Figs. 8 and 9 whosesides were reinforced with steel plates. The calculatedvalues of RBS from Eq. (7) for the designed box typehybrid structure was larger than 10.4, which meant thatthe deflection due to shear was less than 8.8% of thetotal deflection. Therefore, during the design of thestructure, the flexural rigidity D was used as the objectiveparameter, where Since the reinforcement of the outer face of the movingframes is most effective to increase the flexural rigidityD, the inner face thickness of the sandwich was determinedto be 5 mm considering the joining of the innerfaces of the sandwich beams to the steel base with bolts. 14