機(jī)床設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)應(yīng)用研究

修國策 張延平

【摘要】分析了我國當(dāng)前機(jī)床行業(yè)存在的問題和未來發(fā)展趨勢(shì)，引出機(jī)床設(shè)計(jì)輕量化技術(shù)并對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了闡述。從結(jié)構(gòu)、新材料、多學(xué)科綜合三個(gè)方面來分析研究機(jī)床設(shè)計(jì)輕量化技術(shù)，并從這三個(gè)角度剖析了機(jī)床設(shè)計(jì)輕量化技術(shù)在機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】機(jī)床設(shè)計(jì)；輕量化技術(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，我國機(jī)床產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造成本都普遍偏高，主要原因是我國在設(shè)計(jì)機(jī)床主體結(jié)構(gòu)時(shí)所采用的方法缺乏創(chuàng)新、太過保守。以往，增加機(jī)床精度的主要方法就是增加機(jī)體的剛度，但是唯一方法就是增加結(jié)構(gòu)的厚度和體積，導(dǎo)致機(jī)床重量的五分之一作用在運(yùn)動(dòng)上，而五分之四的重量卻是用在確保機(jī)體的剛度。所以，怎樣在確保機(jī)床動(dòng)態(tài)性能、強(qiáng)度、剛度和相關(guān)指標(biāo)的前提下著手機(jī)床設(shè)計(jì)的輕量化技術(shù)研究將是未來機(jī)床設(shè)計(jì)和制造業(yè)的發(fā)展方向。

1、機(jī)床輕量化技術(shù)

機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)是一門綜合的設(shè)計(jì)學(xué)科，它涉及新材料設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)等學(xué)科技術(shù)。近些年，我國的機(jī)床制造業(yè)有了很大的進(jìn)步，可是與世界先進(jìn)的技術(shù)還是存在很大的差距，我國需要加大對(duì)機(jī)床輕量化技術(shù)的研究和探索。

1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)件需要考慮機(jī)床的動(dòng)態(tài)功能、靜態(tài)功能的同時(shí)，還需要考慮大的結(jié)構(gòu)件的重量問題。當(dāng)今的機(jī)床設(shè)計(jì)一定要運(yùn)用的設(shè)計(jì)技術(shù)就是合理分布結(jié)構(gòu)件、設(shè)置合理的筋板類型。輕量化設(shè)計(jì)就是在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的機(jī)床上進(jìn)行的，一共包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是在考慮剛度和強(qiáng)度的要求下，進(jìn)行對(duì)立柱、床身等重要結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)；二是考慮動(dòng)態(tài)性能的要求，研究運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)部件的輕量化設(shè)計(jì)。

1.2新材料設(shè)計(jì)技術(shù)

現(xiàn)今，機(jī)床的制造材料已經(jīng)使用了許多先進(jìn)的輕質(zhì)材料，如蜂窩式材料、泡沫金屬材料等。這些先進(jìn)的材料有許多優(yōu)點(diǎn)，如減少噪音、受力均勻、減小振動(dòng)、質(zhì)量輕等，這些特點(diǎn)適用許多運(yùn)動(dòng)部件。新材料的應(yīng)用不僅可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床輕量化，還可以提高結(jié)構(gòu)件原有的性能，比如花崗石應(yīng)用在大尺度支撐件上，混凝土填充到鋼板焊接的框架內(nèi)等。此外，碳素纖維等新型材料的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)機(jī)床輕量化的同時(shí)，還可以增加機(jī)床可以使用的年限；替代高硬度鋼的陶瓷新材料的應(yīng)用，除了實(shí)現(xiàn)機(jī)床輕量化，還實(shí)現(xiàn)了省時(shí)、省工、省料的目標(biāo)。

1.3多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)的多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)研究是在多性能耦合的基礎(chǔ)上，剖析各個(gè)結(jié)構(gòu)零件的接口方式、連接形式和相關(guān)的能量輸入方式，探究機(jī)床輕量化對(duì)整體性能的作用，對(duì)重要的零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化機(jī)床的整體性能。數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)代技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它涉及多學(xué)科的耦合，主要是機(jī)、電、液三門學(xué)科。引用新型材料、改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)這些改變是輕量化過程的必然結(jié)果，但是一定會(huì)改變傳動(dòng)控制、機(jī)床動(dòng)態(tài)特性和制造成本等方面。綜上所述，在機(jī)床輕量化過程中，一定要探究不同子結(jié)構(gòu)之間、不同子系統(tǒng)之間、多學(xué)科之間、整體與部分的耦合關(guān)系，運(yùn)用多學(xué)科的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，從而獲得機(jī)床設(shè)計(jì)的整體進(jìn)步和最優(yōu)設(shè)計(jì)。

2、輕量化技術(shù)在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

我國很多機(jī)床設(shè)計(jì)者在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常運(yùn)用類比設(shè)計(jì)法，根據(jù)原有機(jī)床直接改進(jìn)，有一些甚至直接照搬或者擴(kuò)大零件和結(jié)構(gòu)。這種方式可以保證足夠的剛度和強(qiáng)度，可是一般有一些多余的尺寸。事實(shí)上，這些機(jī)床的設(shè)計(jì)應(yīng)該進(jìn)行一些改進(jìn)，節(jié)省材料、減少損耗等。支撐性零件如箱體類的結(jié)構(gòu)，把鑄造件改成焊接件，如果在需要時(shí)可以將混凝土作為填充物，通過這種改變減少了成本、降低了重量、方便循環(huán)使用。

2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)床結(jié)構(gòu)中較大的零件具有重量大、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，一般包括箱體、橫梁、立柱、床身等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床制造業(yè)向著高質(zhì)、高速、環(huán)保的方向改進(jìn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)也在機(jī)床大零件的設(shè)計(jì)和制造中的作用也日益凸顯。機(jī)床中高速動(dòng)態(tài)部件的輕量化過程是我國機(jī)床行業(yè)邁向高精尖的必經(jīng)之路。增強(qiáng)機(jī)床的加工功能，一定要剖析機(jī)床的動(dòng)態(tài)特征和靜剛度。這些改進(jìn)在原有的實(shí)驗(yàn)?zāi)M和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件下是不能滿足的，因此，我們必須在機(jī)床設(shè)計(jì)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，提高零部件的使用效能，最后提高我國機(jī)床制造業(yè)的整體實(shí)力。

2.2新材料技術(shù)在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

想要達(dá)到機(jī)床輕量化必須要研究的內(nèi)容之一就是新型材料的使用，如多功能復(fù)合材料、陶瓷、碳素纖維等。樹脂混凝土與傳統(tǒng)鑄鐵零件相比有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，如約十倍的阻尼系數(shù)、良好的熱穩(wěn)定性、較強(qiáng)的抗振性。在減速箱箱體、導(dǎo)軌、立柱等支撐結(jié)構(gòu)中也引進(jìn)了一些新型材料，如纖維基增強(qiáng)復(fù)合材料、蜂窩金屬材料等，這些材料具有剛性高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。

2.3多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

輕量化設(shè)計(jì)涉及多學(xué)科，為了保證設(shè)計(jì)的有效性，設(shè)計(jì)人員要對(duì)影響機(jī)床整體功能的因素進(jìn)行研究。在輕量化的整體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該以多功能、多學(xué)科的耦合性為基礎(chǔ)，探究零件的能量傳送方式等，從而，通過對(duì)重要零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的優(yōu)化。機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，堅(jiān)持最簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)原理，將設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，控制成本和零部件的整體數(shù)量。在傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，堅(jiān)持縮短傳動(dòng)鏈，控制零件數(shù)量，增加傳動(dòng)的精確度，控制空載功率損失。有效的優(yōu)化機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，除了可以降低成本、提高效能之外，還為機(jī)床的維修與維護(hù)帶來便利，提高機(jī)床的使用壽命。在機(jī)床的設(shè)計(jì)中存在很多可以優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可是由于沒有得到充分的應(yīng)用，我國的機(jī)床仍然存在很多待改善的地方。

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(shí)驗(yàn)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(jì)者和生產(chǎn)者長期合作、充分發(fā)揮各自的特長才能完成。我國應(yīng)該著力于數(shù)控機(jī)床的優(yōu)化研究和技術(shù)開發(fā)，并且與制造企業(yè)相結(jié)合，引用新技術(shù)、新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)利用的綠色機(jī)床產(chǎn)品，使我國的機(jī)床行業(yè)設(shè)計(jì)和制造的水平能夠有質(zhì)的飛躍，提高我國機(jī)床制造業(yè)的整體設(shè)計(jì)和制造實(shí)力。

參考文獻(xiàn)

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