【摘 要】
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机床结构件作为高精密加工机床的主要组成部分,其自身的刚度、抗振性、热稳定性直接影响着高精密机床的加工精度,制约着高端机床的发展。横梁、导轨座是机床整机结构中的核心结构件,二者的静态、动态、热态性能及轻量化直接影响着机床的加工精度。由于碳纤维复合材料（Carbon fiber reinforced composite material,CFRP）具有密度低、高比强度、高比模量、热稳定性以及减振性好的
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机床结构件作为高精密加工机床的主要组成部分,其自身的刚度、抗振性、热稳定性直接影响着高精密机床的加工精度,制约着高端机床的发展。横梁、导轨座是机床整机结构中的核心结构件,二者的静态、动态、热态性能及轻量化直接影响着机床的加工精度。由于碳纤维复合材料（Carbon fiber reinforced composite material,CFRP）具有密度低、高比强度、高比模量、热稳定性以及减振性好的优势,故本文以课题组研制的复合加工机床的X轴横梁及Z轴导轨座为原结构件模型,提出一种CFRP三明治复合结构件模型,并对二者进行改进,主要研究内容如下:（1）在铣削加工工况下,对原横梁、导轨座的静态性能、动态性能进行仿真分析,其仿真结果为CFRP三明治复合结构横梁、导轨座的设计、优化提供依据及对比数据。（2）设计对相同体积的三明治复合结构板（金属-CFRP-金属）及金属结构板进行静力学仿真及弯曲试验。论证了在相同载荷下,前者的变形量均小于后者,同时质量也进一步减少。基于三明治复合结构质量轻、刚度高于金属结构的优势,设计CFRP三明治复合结构横梁、导轨座,并对二者的主要设计参数进行响应曲面分析和多目标优化设计,从而得到最优模型。对优化后的CFRP三明治复合结构横梁、导轨座进行静、动态仿真分析,并与原型横梁、导轨座的仿真结果进行分析对比,证明优化的CFRP三明治复合结构件在静、动态性能方面均优于原结构件。（3）对Z轴导轨座进行热源分析,计算出不同热源产生的热通量,以及对流换热系数,对原导轨座及CFRP三明治复合结构导轨座进行热-力耦合分析,对比二者在不同时长下温度、热应力、热变形的最大值及分布区域,证明CFRP三明治复合结构导轨座在热态性能方面优于原导轨座。（4）将优化的CFRP三明治复合结构件组装到原机床,对比新、原机床整机的静力学、模态、谐响应分析结果,证明新机床在静、动态性能方面均优于原机床。将得到的CFRP三明治复合结构Z轴导轨座的最优模型进行加工制造,并重新组装到原机床上,设计切削对比试验,以加工工件的表面形貌及表面粗糙度值为衡量指标,对比新、原机床的切削加工性能,证明新机床的切削加工性能优于原机床。通过本文的研究,CFRP三明治复合结构件在减轻自身重量的同时,能够在一定程度上提升其自身及机床整机的静态、动态、热态性能,以及切削加工性能。
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