CN113231835B - 一种复合式横梁及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合式横梁及其制造方法，属于台架式仪器的横梁制造领域，复合式横梁包括碳纤维材质的主梁以及纯大理石或混料浇筑的导轨基座，导轨基座由多个独立的导轨基座节首尾相接的拼接而成；导轨基座材质由大理石或矿物浇筑而成，采用矿物浇筑的混料包括石英砂、鹅卵石、天然大理石粉、和环氧树脂。横梁的制造方法包括制备碳纤维主梁、制备并安装导轨基座、基座开孔和导轨安装面精加工。方案由于采用了复合材料横梁，具有重量轻、刚性和韧性好、稳定性高、加工性好、成本低的特点。

Description

一种复合式横梁及其制造方法
技术领域
本发明属于台架式仪器的横梁制造领域，具体涉及一种复合式横梁及其制造方法。
背景技术
移动桥式(或称动梁式)龙门结构是一种常见的机械结构，广泛应用于影像仪、坐标测量机、激光切割机、龙门铣、点胶机等制造或检测设备。龙门结构中的横梁是此类设备的重要部件。
通常要求横梁具有高刚性、高精度、高稳定性，以保证设备整体精度和性能。因此，高精度设备的横梁，多采用天然大理石或铝合金材质。然而，上述材质的横梁各有优缺点，其中，天然大理石材质横梁普遍存在重量大的问题，不宜运输，而铝合金材质的刚性、稳定性等不高。
因此，随着制造业的发展，对生产效率的要求越来越高，设备运动速度、加速度不断提高，迫切需要降低横梁重量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合式横梁及其制造方法，其能解决上述问题。
设计原理：横梁采用复合材料制成，具体的，主要由碳纤维及大理石或混料复合而成，碳纤维部分负责承载，大理石或混料部分负责保证精度，大理石部分设置导轨安装孔。
设计方案：本申请的总体设计方案如下。
一种复合式横梁，包括主梁和导轨基座，其特征在于：所述主梁由碳纤维制成，用于承载负重；所述导轨基座由热变系数小的材料制成，用于安装导轨；在所述主梁上开设导轨基座安装槽，用于将导轨基座固定至所述主梁上。
优选的，导轨基座的宽度小于导轨基座安装槽的宽度；并在导轨基座上开设导轨安装孔，以便于导轨的安装。
优选的，所述导轨基座由多个独立的导轨基座节首尾相接的拼接而成。
优选的，所述导轨基座材质由大理石或矿物浇筑而成，采用矿物浇筑的混料包括石英砂、鹅卵石、天然大理石粉、和环氧树脂。
本申请还公开一种复合式横梁的制造方法，制造方法包括以下步骤：
S1、制备碳纤维主梁；
S2、制备并安装导轨基座；
S3、基座开孔；
S4、导轨安装面精加工。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本申请的方案由于采用了复合材料横梁，具有重量轻、刚性和韧性好、稳定性高、加工性好、成本低的特点，可广泛应用于影像仪、坐标测量机、激光切割机、龙门铣、点胶机等制造或检测设备。
附图说明
图1为本发明复合式横梁的第一实施例的轴侧图；
图2为复合式横梁的第一实施例的截面图；
图3为本发明复合式横梁的第二实施例的轴侧图；
图4为复合式横梁的第二实施例的截面图；
图5为第一实施例的制备方法流程示意图；
图6为第一实施例的制备方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本说明书中使用了流程图用来说明根据本说明书的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
一种复合式横梁，参见图1-图4，包括主梁1和导轨基座2，所述主梁1由碳纤维制成，用于承载负重；所述导轨基座2由热变系数小的材料制成，用于安装导轨；在所述主梁1上开设导轨基座安装槽11，用于将导轨基座2固定至所述主梁1上。
沿着所述主梁1中心轴线开设减重腔12。
所述主梁1为矩形,在所述主梁1的顶面和/或侧面设置导轨基座2。
导轨基座2的横截面呈“—”形(图3)、“L”形(图1和图2)或“凹”形(图未示)。导轨基座2的长度小于等于导轨基座安装槽11的长度，导轨基座2的宽度小于导轨基座安装槽11的宽度；并在导轨基座2上开设导轨安装孔23，以便于导轨的安装。
主梁1的外边做圆角处理。
第一实施例
参见图1和图2，主梁1由碳纤维布采用热压工艺制成。具体实例中，采用T300碳纤维布热压工艺制备。
所述导轨基座2由多个独立的导轨基座节21/22首尾相接的拼接而成,在每个导轨基座节(21/22)上开设两个导轨安装孔。
其中，顶面的导轨基座安装槽11中设置“L”形截面的导轨基座节21,其导轨安装面包括顶直面212和顶平面211。侧面的导轨基座安装槽11中设置“—”形截面的导轨基座节22，其导轨安装面仅包括顶平面221。该方案的矩形截面的横梁为长方形，顶面对应横截面的边长为长边，侧面对应的横截面的边长为短边。
导轨基座2通过粘结剂3连接至所述导轨基座安装槽11上。
一个示例中，侧面的导轨基座2的中线低于主梁1的中线设置。
一个示例中，复合式横梁长度1000mm，截面尺寸100X100mm。
参见图5，对应包括碳纤维材质的主梁1和采用大理石材质的导轨基座2的复合式横梁，复合式横梁的制造方法包括以下步骤。
S1、采用碳纤维布热压工艺制备碳纤维主梁1，在模具凸面上铺设碳纤维布，每层厚度为0.05～0.15mm，优选0.112mm；每层铺设角度按序为0°/90°/45°/-45°/-45°/45°/90°/0°，共铺设15～25层，优选20层；每层碳纤维布之间涂覆粘结剂；铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度130℃。
S2、安装导轨基座2，在成型后的主梁1的导轨基座安装槽11内，涂覆粘结剂；再在轨道基座安装槽11内依次铺设天然大理石短料加工成的导轨基座节(21/22)，顶面铺设“L”截面的导轨基座节21，侧面铺设“—”截面的导轨基座节22。
首尾相接；粘结剂固化使导轨基座节(21/22)与主梁1连接。一个实施例中，导轨基座2分别由5段导轨基座节(21/22)拼接而成，单件截面尺寸20X20mm，长度200mm。
S3、基座开孔，在导轨基座2的每个导轨基座节(21/22)上开设导轨安装孔23，以便于导轨的安装。一个示例中，每个导轨基座节(21/22)上开设2个导轨安装孔23。
S4、导轨安装面精加工，用导轨磨床磨削导轨基座2的安装面，辅以研磨工艺，用于导轨的安装面的平面度小于5μm/1000m，不同导轨基座2的安装面中，相互平行的安装面的平行度小于8μm，相互垂直的安装面的垂直度小于8μm。
参见图2，“L”形截面的导轨基座节21的顶平面211与“—”形截面的导轨基座节22的顶平面221的平面度均小于5μm/1000m，二者的垂直度小于8μm。而顶直面212和顶平面221的平行度小于8μm。
该方案的优势：天然大理石韧性低，细长结构件加工精度难以保证，而且易断裂，用短件拼接的形式可规避这一问题。
当然，若不考虑加工成本和难度，也可以采用长条一体式天然大理石导轨安装基座。
第二实施例
参见图3和图4，复合式横梁，主梁1采用T700碳纤维拉挤工艺制备而成。导轨基座2材质由大理石或矿物浇筑而成，采用矿物浇筑的混料包括石英砂、鹅卵石、天然大理石粉、和环氧树脂。
该方案的导轨基座2直接浇筑至主梁1上，因此呈一体式结构，且横截面呈“—”形，仅顶平面201为安装面。该方案无需另外施加粘结剂3。
该方案中，在主梁1的矩形截面为长方形，顶面对应截面的长边。一个示例中在顶面上平行的开设两条导轨基座安装槽11，用于安装两个导轨基座2。
复合式横梁的尺寸为长度1800mm，截面尺寸120X120mm。
参见图6，包括碳纤维拉挤工艺制成的主梁1和采用矿物浇筑而成的导轨基座2的复合式横梁的制造方法，包括以下步骤。
S1、采用碳纤维拉挤工艺制备主梁1，壁厚10mm。
S2、采用矿物浇筑制备导轨基座2，包括：
S21、混料，将石英砂、鹅卵石、天然大理石粉干燥处理后，与环氧树脂混合搅拌均匀；
S22、浇筑，将混料浇筑到主梁1的导轨基座安装槽11内；
S23、密实，采用振动、加压等方法增加混料在安装槽内的致密度；
S24、固化，加热到60℃，使环氧树脂固化，导轨基座2成型。
S3、基座开孔，在导轨基座2上等间隔的开设导轨安装孔23，以便于导轨的安装；
S4、导轨安装面精加工，用导轨磨床磨削导轨基座2的安装面，辅以研磨工艺，用于导轨的安装面的平面度小于5μm/1000m，不同导轨基座2的安装面中，相互平行的安装面的平行度小于8μm。
该方案的优势：省去粘结剂，导轨基座浇筑而成，较纯大理石增加了韧性。
第三实施例
与前两个实施例不同，复合式横梁不设置导轨基座2，整个主梁1的安装面可以开设安装槽，也可以不开设，即为光面(图未示)。光面或安装槽作为气浮面，该面上安装气浮垫，用于实现气浮导轨的安装。该方案的气浮导轨精度高。可在复合式横梁的四周均设置气浮导轨组件(图未示)。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种复合式横梁的制造方法，所述复合式横梁包括主梁（1）和导轨基座（2），所述主梁（1）由碳纤维制成，用于承载负重；所述导轨基座（2）由热变系数小的大理石或矿物浇筑而成，采用矿物浇筑的混料包括石英砂、鹅卵石、天然大理石粉、和环氧树脂，用于安装导轨；在所述主梁（1）上开设导轨基座安装槽（11），用于将导轨基座（2）固定至所述主梁（1）上；其特征在于：制造方法包括以下步骤：
S1、采用碳纤维布热压工艺制备碳纤维主梁（1），在模具凸面上铺设碳纤维布，每层厚度为0.112mm，每层铺设角度按序为0°/90°/45°/-45°/-45°/45°/90°/0°，每层碳纤维布之间涂覆粘结剂，铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度130℃；
S2、安装导轨基座（2），在成型后的主梁（1）的导轨基座安装槽（11）内，涂覆粘结剂；再在导轨基座安装槽（11）内依次铺设天然大理石短料加工成的导轨基座节（21/22），首尾相接；粘结剂固化使导轨基座节（21/22）与主梁（1）连接；或者
S2、采用矿物浇筑制备导轨基座（2），包括：
S21、混料，将石英砂、鹅卵石、天然大理石粉干燥处理后，与环氧树脂混合搅拌均匀；
S22、浇筑，将混料浇筑到主梁（1）的导轨基座安装槽（11）内；
S23、密实，采用振动或加压方法增加混料在安装槽内的致密度；
S24、固化，加热到60℃，使环氧树脂固化，导轨基座（2）成型；
S3、基座开孔，在导轨基座（2）的每个导轨基座节（21/22）上开设导轨安装孔（23），以便于导轨的安装；
S4、导轨安装面精加工，用导轨磨床磨削导轨基座（2）的安装面，辅以研磨工艺，用于导轨的安装面的平面度小于5μm/1000m，不同导轨基座（2）的安装面中，相互平行的安装面的平行度小于8μm，相互垂直的安装面的垂直度小于8μm。
2.根据权利要求1所述的复合式横梁的制造方法，其特征在于：所述导轨基座（2）的宽度小于导轨基座安装槽（11）的宽度；在导轨基座（2）上开设导轨安装孔（23），以便于导轨的安装。
3.根据权利要求2所述的复合式横梁的制造方法，其特征在于：所述导轨基座（2）由多个独立的导轨基座节（21/22）首尾相接的拼接而成。
4.根据权利要求1所述的复合式横梁的制造方法，其特征在于：所述导轨基座（2）的横截面呈“—”形、“L”形或“凹”形。
5.根据权利要求1所述的复合式横梁的制造方法，其特征在于：沿着所述主梁（1）中心轴线开设减重腔（12）。
6.根据权利要求1所述的复合式横梁的制造方法，其特征在于：所述导轨基座（2）通过粘结剂（3）连接至所述导轨基座安装槽（11）上。
7.根据权利要求1所述的复合式横梁的制造方法，其特征在于：所述主梁（1）为矩形,在所述主梁（1）的顶面和/或侧面设置导轨基座（2）。
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