輕量化技術(shù)在機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用*

謝志坤 路 平 史科科 劉伯聰

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)計研究院研發(fā)部，遼寧沈陽 110142）

現(xiàn)今，我國機(jī)床主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計更多采用傳統(tǒng)材料力學(xué)簡化計算與經(jīng)驗設(shè)計相結(jié)合的方法，由于過于保守，致使產(chǎn)品設(shè)計制造成本過高。過去如果要提高機(jī)床精度，主要依靠提高機(jī)體的剛度，而提高機(jī)體剛度又只能通過加大加厚結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是機(jī)床重量的80%用于保證機(jī)床的剛度，只有20%用于機(jī)床的運動。因此，如何在保證機(jī)床剛度、強(qiáng)度、動態(tài)性能以及其他指標(biāo)的條件下進(jìn)行機(jī)床輕量化設(shè)計成為機(jī)床綠色制造中最為有意義的課題。

1 輕量化技術(shù)

輕量化技術(shù)包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、新材料設(shè)計技術(shù)、以及多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。我國機(jī)床制造業(yè)在市場培育下，產(chǎn)品技術(shù)水平和制造能力有很大提高，但與國際先進(jìn)水平相比仍有較大差距。我國機(jī)床行業(yè)要想獲得可持續(xù)的發(fā)展，必須盡快研究、制造出符合社會需要的節(jié)能減排的新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)，進(jìn)而得以推廣資源節(jié)約型、能源節(jié)省型和環(huán)境友好型的綠色設(shè)計技術(shù)。

1．1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

機(jī)床結(jié)構(gòu)件的設(shè)計，不僅要考慮其靜態(tài)性能、動態(tài)性能，大件重量也是考慮的必要因素。因此，設(shè)計出靜態(tài)、動態(tài)性能好，同時質(zhì)量又不大的機(jī)床零部件既可以提高機(jī)床的整機(jī)性能，又可以降低機(jī)床的成本。利用合理的優(yōu)化技術(shù)，布置結(jié)構(gòu)件的筋板類型和分布，是現(xiàn)代設(shè)計人員必須要掌握的一項技術(shù)。

基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的輕量化設(shè)計主要包括:（1）在強(qiáng)度剛度約束條件下，對機(jī)床的床身、立柱等支撐件進(jìn)行輕量化設(shè)計;（2）在動態(tài)性能約束條件下，對運動部件進(jìn)行輕量化設(shè)計，分析不同動態(tài)性能下，機(jī)床關(guān)鍵部件強(qiáng)度、剛度、模態(tài)與重量之間的矛盾，研究機(jī)床受力部件的能量傳遞，優(yōu)化運動部件的結(jié)構(gòu)，在滿足動態(tài)性能要求的條件下實現(xiàn)運動部件的輕量化。綜上所述，機(jī)床結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化方法研究是現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計的必然發(fā)展趨勢。

1．2 新材料設(shè)計技術(shù)

近年來，各種新型輕質(zhì)多孔材料，包括泡沫金屬，蜂窩材料等，在機(jī)床上逐漸開始應(yīng)用。這種新型輕質(zhì)多孔材料具有輕質(zhì)、應(yīng)力分布均勻、降噪以及減振等特點，可用于機(jī)床的運動部件，包括移動工作臺、滑塊以及移動導(dǎo)軌等。還可以用于機(jī)床的支撐結(jié)構(gòu)，如立柱、導(dǎo)軌以及減速箱箱體等。另外，使用新材料或再生材料是機(jī)床輕量化設(shè)計的一個重要方面，如機(jī)床的大尺寸支承件使用人造花崗石，或在鋼板焊接的框架內(nèi)填充混凝土，既可以節(jié)省金屬資源，又可以增加抗振性和熱穩(wěn)定性;對一些受力條件復(fù)雜的零、部件，使用象碳素纖維等新材料，不僅可以使機(jī)床結(jié)構(gòu)輕量化，而且可以提高壽命;對一些高硬度耐磨件，使用陶瓷等材料代替高硬度鋼，既可以減輕重量，又可以節(jié)省貴重金屬資源，還可以省去高硬度鋼在加工過程中需多次進(jìn)行的、耗時耗能的熱處理工序。此外，機(jī)床運動部件的輕量化對節(jié)能降耗、機(jī)床減重以及提高機(jī)床的動力學(xué)性能有重要的意義。

1．3 多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

基于多性能耦合，對機(jī)床整機(jī)輕量化綜合優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行研究，分析機(jī)床零部件之間連接方式、接口形式及相應(yīng)的能量流動形式，研究輕量化對整機(jī)綜合性能的影響，進(jìn)行關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)綜合性能優(yōu)化;由于現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是機(jī)－電－液多學(xué)科耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，機(jī)床的輕量化過程中新材料的引入以及結(jié)構(gòu)的改變，必然引起機(jī)床動態(tài)特性和傳動控制等各方面的變化，同時成本的改變也是一個需要考慮的重要因素。因此，需要充分考慮不同學(xué)科之間、不同子系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)）之間、局部和整體之間的耦合關(guān)系，采用多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計方法，來獲得系統(tǒng)全局的最優(yōu)解或非劣解。如圖1所示，即機(jī)床的輕量化設(shè)計開發(fā)過程中，在應(yīng)用新材料、新結(jié)構(gòu)減重的前提下，必須考慮其對制造成本、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、傳動控制、動態(tài)特性等在內(nèi)的機(jī)床綜合性能的影響，以保證輕量化技術(shù)與應(yīng)用的有效性。多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計的基本目的之一是充分利用各學(xué)科（子系統(tǒng)）的相互作用而產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得工程系統(tǒng)整體最優(yōu)解。

1．4 技術(shù)展望

實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的輕量化，還離不開可靠的實驗，如可靠性試驗、靜剛度和動剛度測試試驗、機(jī)床輕量化后的性能實驗、新材料制備與加工實驗等。數(shù)控機(jī)床輕量化的研究，還需要有充足的現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的設(shè)計和應(yīng)用數(shù)據(jù)，包括設(shè)計數(shù)據(jù)、加工工藝數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等等，如此龐大的數(shù)據(jù)只有超大型的、產(chǎn)品齊全的機(jī)床企業(yè)才能提供。對于通用數(shù)控機(jī)床，其某些方面已經(jīng)在一定程度達(dá)到了接近完善的程度，故只有在具有較深的相關(guān)理論研究者、經(jīng)驗豐富的設(shè)計者和生產(chǎn)者長期合作、互通有無才有可能實現(xiàn)減重的目的。

2 輕量化技術(shù)在機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用

現(xiàn)在的機(jī)床設(shè)計人員在進(jìn)行機(jī)床設(shè)計時，多數(shù)采用類比設(shè)計法，在本單位原有產(chǎn)品或其他同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行變化或改進(jìn)，只要原有產(chǎn)品不出現(xiàn)問題，就把某些結(jié)構(gòu)及尺寸照搬過來，或進(jìn)行按比例放大。這樣做雖然不會造成強(qiáng)度或剛度的不足，但大多存在結(jié)構(gòu)尺寸的富余。其實，有些設(shè)備的設(shè)計完全可以進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，減小某些尺寸。對一些運動部件，利用有關(guān)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，既可以節(jié)省材料，又可以減輕重量，減小空運轉(zhuǎn)功率，減少機(jī)床使用時的能源消耗，在機(jī)床幾十年的生命周期內(nèi)，節(jié)能相當(dāng)可觀。對于一些箱體類的支承零件，變鑄件為鋼板焊接件，必要時在其內(nèi)部填充一些混凝土，既可以減輕重量，節(jié)省材料，又便于回收利用。通過輕量化技術(shù)在機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用可以大幅度減小移動部件質(zhì)量和所需功率來構(gòu)建具有生態(tài)效益的機(jī)床。減少機(jī)床的重量，節(jié)省材料;減少機(jī)床使用時的能源消耗，提高機(jī)床的動態(tài)性能。

2．1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用

機(jī)床大件通常指床身、立柱、橫梁、箱體等大型構(gòu)件，其特點就是形狀復(fù)雜、自重大。此外，機(jī)床高速移動功能部件輕量化已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)高速精密加工機(jī)床的重要發(fā)展方向，在機(jī)床高精、高速、綠色方向發(fā)展的過程中，機(jī)床大件結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)變得越來越重要。隨著機(jī)床向高精度、高表面質(zhì)量和高效率方向發(fā)展，要提高機(jī)床的加工性能，需要研究機(jī)床的靜剛度和動態(tài)特性。傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計以及實驗?zāi)M的方法已經(jīng)難以勝任，這就要求我們應(yīng)用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)方法，優(yōu)化機(jī)床零部件的靜、動特性性能，從而提高機(jī)床整機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。

沈陽機(jī)床集團(tuán)有限公司研制的VTC8080立式車床，如圖2、圖3所示，床身采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，經(jīng)過有限元靜、動態(tài)特性仿真分析進(jìn)行驗證，機(jī)床具備高剛性、精度好的優(yōu)點。

2．2 新材料技術(shù)在機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用

新材料是機(jī)床結(jié)構(gòu)輕量化的重要研究方向，包括碳素纖維、陶瓷和復(fù)合材料。目前已經(jīng)得到實際應(yīng)用的是樹脂混凝土（或稱為礦物鑄造），它與傳統(tǒng)鑄鐵構(gòu)件相比，具有阻尼系數(shù)大（是鑄鐵的10倍左右）、抗振性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點。此外，如蜂窩金屬材料、纖維基增強(qiáng)復(fù)合材料因為具有輕質(zhì)、高剛性的特點，能夠用于機(jī)床的床身支撐結(jié)構(gòu)，如立柱、導(dǎo)軌以及減速箱箱體等。目前新材料的研究主要集中于日、美、歐等地。

瑞士米克朗公司HSM500高速加工中心（圖4）的機(jī)體是“O”形封閉式的整體樹脂混凝土構(gòu)件。主軸滑座在橫梁上沿Y軸運動，主軸滑枕沿Z軸升降，工作臺在機(jī)體導(dǎo)軌上沿X軸移動。電主軸、滑枕和滑座以及附件的質(zhì)量之和僅270 kg，整臺機(jī)床的全部移動部件與樹脂混凝土機(jī)體的質(zhì)量之比是1∶10，遵循“應(yīng)該重的則重，該輕的就盡量輕”的設(shè)計原則。

德國EEW公司用于加工風(fēng)電葉片、飛機(jī)、汽車、船舶大型模具用的高速5軸加工中心（圖5）采用碳纖維管的桁架橋式橫梁，大幅度減小了運動部件的質(zhì)量。

2．3 多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計在機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用

基于多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計的輕量化設(shè)計必須考慮其對制造成本、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、傳動控制、動態(tài)特性等在內(nèi)的機(jī)床綜合性能的影響，以保證輕量化技術(shù)與應(yīng)用的有效性?；诙嘈阅荞詈?，對機(jī)床整機(jī)輕量化綜合優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行研究，分析機(jī)床零部件之間連接方式、接口形式及相應(yīng)的能量流動形式，研究輕量化對整機(jī)綜合性能的影響，進(jìn)行關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)綜合性能優(yōu)化。在設(shè)計機(jī)床的結(jié)構(gòu)時，采用結(jié)構(gòu)最簡單化原則，盡量簡化設(shè)計，減少不必要的零件數(shù)。降低制造成本。在設(shè)計機(jī)床的傳動系統(tǒng)時，盡量縮短傳動鏈，既可以減少零件數(shù)目，減少空載功率損失，而且可以提高傳動精度。在設(shè)計機(jī)床的結(jié)構(gòu)時，如果能夠巧妙地進(jìn)行功能優(yōu)化，既可以安裝調(diào)整方便，又可以增加產(chǎn)品的可維護(hù)性，延長產(chǎn)品的生命周期。這種好的設(shè)計在許多結(jié)構(gòu)中都可以看到，只是推廣不夠，現(xiàn)有機(jī)床特別是新產(chǎn)品中存在好多可以改進(jìn)的地方。

2．4 輕量化機(jī)床應(yīng)用前景

通過輕量化技術(shù)在機(jī)床設(shè)計中的應(yīng)用，不僅能夠大大提高對數(shù)控機(jī)床綠色制造的認(rèn)識，而且可以快速提升高速、精密數(shù)控機(jī)床開發(fā)設(shè)計、加工制造、再制造及回收利用等產(chǎn)品生命周期中的高能效關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計開發(fā)出具有綠色環(huán)保特性的新型機(jī)床設(shè)備;設(shè)計開發(fā)出新型的加工工藝及工藝設(shè)備;減少加工中的能耗和廢液排放，使我國機(jī)床制造業(yè)早日駛?cè)刖G色制造的快車道。實現(xiàn)資源效用最大化，緩解我國制造企業(yè)和社會發(fā)展帶來的原材料越來越緊缺，價格越來越昂貴的問題;作為裝備制造業(yè)的核心，機(jī)床行業(yè)對裝備制造業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型意義重大，應(yīng)主動為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)節(jié)能減排作出貢獻(xiàn);同時，開展以知識為基礎(chǔ)的高能效制造技術(shù)研究，開發(fā)高附加值的高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品，提升自主創(chuàng)新能力，有助于機(jī)床企業(yè)在未來的競爭中占領(lǐng)行業(yè)的制高點。

3 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床輕量化的研究，需要以充分的理論為基礎(chǔ)，有效的方法為工具，可靠的實驗為標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)大的企業(yè)為依托，依靠科研工作者、數(shù)控機(jī)床的設(shè)計者和生產(chǎn)者長期合作、充分發(fā)揮各自的特長才能完成。我國重型機(jī)床制造業(yè)在市場培育下，產(chǎn)品技術(shù)水平和制造能力有很大提高，但與國際先進(jìn)制造企業(yè)相比仍有較大差距。大重型機(jī)床行業(yè)要想獲得可持續(xù)的發(fā)展，必須盡快研究、制造出符合社會需要的節(jié)能減排的新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)，進(jìn)而得以推廣資源節(jié)約型、能源節(jié)省型和環(huán)境友好型的綠色制造工藝技術(shù)。依托數(shù)控機(jī)床戰(zhàn)略聯(lián)盟內(nèi)優(yōu)勢力量，產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，集中突破輕量化設(shè)計技術(shù)，并集成到新產(chǎn)品研發(fā)中，開發(fā)出節(jié)能、環(huán)保指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平的高速精密數(shù)控機(jī)床、功能部件和典型工藝，提高機(jī)床行業(yè)“綠色制造”水平，促進(jìn)整個行業(yè)環(huán)保意識的提升。

［1］盧天健，張錢誠，王春野，等．輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)在機(jī)床上的應(yīng)用［J］．力學(xué)與實踐，2007，27（6）:1－8，26．

［2］謝雄光．淺議機(jī)床制造業(yè)綠色制造的模式［J］．裝備制造技術(shù)，2010（5）:133－134．

［3］宋強(qiáng)．綠色機(jī)床設(shè)計的重點措施［C］．中國綠色制造新年論壇，2010:91－93．