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

秦飛 孫浩

摘要：近年來(lái)我國(guó)在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)采用的是傳統(tǒng)的方式，通過(guò)分析在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度和導(dǎo)致各種材料破壞的極限的方式簡(jiǎn)化機(jī)床設(shè)計(jì)，但這種方式很守舊，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上付出了太多的成本，傳統(tǒng)的提升機(jī)床精度的方式是提高機(jī)體在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力，但這種提升只能以增加使用材料，加厚機(jī)床結(jié)構(gòu)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得機(jī)床的絕大部分重量都體現(xiàn)在材料結(jié)構(gòu)上，而功能的模塊只占很少一部分。因此，如何在保證機(jī)床在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力的同時(shí)盡可能的減輕機(jī)床的重量是一個(gè)新的的研究課題，本文根據(jù)機(jī)床的制造設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，通過(guò)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的輕量化知識(shí)，在機(jī)床設(shè)計(jì)制造的結(jié)構(gòu)，材料，技術(shù)等方面分析了機(jī)床設(shè)計(jì)的應(yīng)用并提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：技術(shù)優(yōu)化；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；材料優(yōu)化

1 輕量化

輕量化要從結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，材料的優(yōu)化，技術(shù)多元化，多學(xué)科交叉等方面做起，由于市場(chǎng)的需求，我國(guó)的機(jī)床制造技術(shù)在近幾年得到了很大的提升，產(chǎn)品以及技術(shù)等多方面比起以前有了很大的不同，但國(guó)際的前沿技術(shù)依舊比我國(guó)的機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)秀很多，更加先進(jìn)。為了不被殘酷的市場(chǎng)淘汰，我國(guó)必須跟隨世界前沿技術(shù)的腳步，發(fā)展機(jī)床設(shè)計(jì)制造技術(shù)，在機(jī)床結(jié)構(gòu)，機(jī)床材料，技術(shù)工藝等方面作出新的突破，并向綠色設(shè)計(jì)制造方向努力，保障我國(guó)的資源不被浪費(fèi)，能源得到充分利用，對(duì)環(huán)境的破壞盡量做到最低并向不破壞環(huán)境、保護(hù)環(huán)境方面發(fā)展。

一個(gè)性能強(qiáng)大的機(jī)床要求其能夠在加工過(guò)程中的高速震動(dòng)中損耗小，加工精度高，我們稱(chēng)其為機(jī)床的抗震性，機(jī)床的抗震性能夠通過(guò)機(jī)床的固有頻率、振幅、振型等指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。但除此之外，機(jī)床的質(zhì)量控制也很重要，輕量化技術(shù)的目的在于設(shè)計(jì)出性能強(qiáng)，抗震性高，機(jī)身重量輕的機(jī)床，這能使機(jī)床在性能提升的同時(shí)制造成本也得到有效的控制。這要求技術(shù)人員的技術(shù)能力非常強(qiáng)，對(duì)機(jī)床的優(yōu)化、零部件的分配，材料，類(lèi)型都能夠很好的控制。

機(jī)床的輕量化也分為主要部分以及常規(guī)部分，主要是對(duì)于機(jī)床床身以及機(jī)床立柱等主要部位在保證剛度的前提下進(jìn)行輕量化，同時(shí)要求機(jī)床的移動(dòng)部件在反復(fù)運(yùn)動(dòng)、慣性力方向反復(fù)改變的情況下削弱交變電荷的作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件部分的能量傳遞，運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。因此在保證質(zhì)量與性能的同時(shí)進(jìn)行輕量化是一個(gè)很大的技術(shù)難題，剛度強(qiáng)與重量小本身是一個(gè)矛盾體，只有克服這個(gè)矛盾才能實(shí)現(xiàn)輕量化。

我國(guó)近些年在材料科學(xué)上的突破十分迅猛，各種新型材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)并應(yīng)用在各個(gè)制造領(lǐng)域，如由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔材料，多孔材料的范圍十分廣泛，其中就包括了含有泡沫氣孔的泡沫金屬，以及由一系列六邊形、四邊形或其他形狀的形似蜂窩的孔格組成的蜂窩材料開(kāi)始逐漸的應(yīng)用在了機(jī)床的設(shè)計(jì)制造上，這種多孔材料一般具有密度相對(duì)較低，比強(qiáng)度高，比表面積高，重量輕，隔音，隔熱，滲透性好的特點(diǎn)，多孔材料能在提高強(qiáng)度和剛度的同時(shí)降低密度，使得同等性能下比一般材料的質(zhì)量小的多，移動(dòng)工作臺(tái)、滑塊以及導(dǎo)軌等運(yùn)動(dòng)部件對(duì)剛度和抗震性要求很高，都可以采用多孔材料來(lái)替換。不僅是機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件，機(jī)床的一些支撐部件如立柱、導(dǎo)軌、和減速箱外箱等都可以應(yīng)用這種材料。機(jī)床的一些承重部件一般體積較大，使用的金屬材料較多，這使得承重部件往往十分笨重，在優(yōu)化材料過(guò)程中，可以將承重部分的中間材料替換為密度更低的人造花崗巖或混凝土，使得承重部件的剛度不變但質(zhì)量大幅減小，受熱穩(wěn)定性與抗震性都有所提高。碳纖維是一種微晶石墨材料，它的質(zhì)量比鋁輕，但強(qiáng)度卻比鋼鐵高，耐腐蝕，模量高，機(jī)床的一些零部件可以用碳纖維來(lái)減輕質(zhì)量，能夠在減輕質(zhì)量的同時(shí)增強(qiáng)可塑性。鋼材質(zhì)的零部件在制作時(shí)的熱加工處理十分繁瑣，但如果使用陶瓷作為原材料加工機(jī)床零部件便可以在同等條件下減輕重量并簡(jiǎn)化加工步驟。這些材料的應(yīng)用能對(duì)機(jī)床的輕量化做出卓越的貢獻(xiàn)。

機(jī)床是一個(gè)十分復(fù)雜的機(jī)器，包含了多種性能，這些性能僅靠一個(gè)學(xué)科技術(shù)是無(wú)法完全涵蓋的，機(jī)床的零部件拼接，拼接方式以及拼接后的能量轉(zhuǎn)化都對(duì)機(jī)床的性能有很大影響。為了達(dá)到綜合性能指標(biāo)，在機(jī)床設(shè)計(jì)中應(yīng)整合多門(mén)學(xué)科技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的現(xiàn)代化和數(shù)控化。機(jī)床重新設(shè)計(jì)的過(guò)程中加入了新型材料，新型材料如何與其他材料進(jìn)行融合、拼接方式的改變對(duì)于傳動(dòng)機(jī)制的影響，機(jī)床的抗震性、剛度、強(qiáng)度等基本指標(biāo)的變化都離不開(kāi)多學(xué)科的技術(shù)支持，這可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)的最大優(yōu)化。

在機(jī)床的設(shè)計(jì)制造完成后，要對(duì)機(jī)床進(jìn)行可靠性試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)采集，可靠性試驗(yàn)包括機(jī)床能不能在規(guī)定的條件下完成規(guī)定的功能，關(guān)鍵的參數(shù)在不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，在正常工作期間有無(wú)零件損壞，機(jī)床的剖面、譜系、試驗(yàn)應(yīng)力等實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄并進(jìn)行研究，這些數(shù)據(jù)包括設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)，加工工藝技術(shù)，機(jī)床性能指標(biāo)，機(jī)床維修材料，機(jī)床故障解決方案等，只有這些數(shù)據(jù)全部達(dá)標(biāo)才能將機(jī)床投入使用，但這些數(shù)據(jù)要求設(shè)計(jì)與生產(chǎn)人員共同協(xié)作才能完成，為了突破機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)難關(guān)，各個(gè)部分參與者應(yīng)積極配合工作，才能達(dá)到輕量化的目標(biāo)。

2 輕量化技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)床使用單位在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，有時(shí)僅僅參照原型機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大和縮小，并沒(méi)有依據(jù)產(chǎn)業(yè)本身的需求進(jìn)行改進(jìn)，這樣做的后果就是機(jī)床的功能過(guò)剩，在實(shí)際的使用中，機(jī)床的功能有些是使用單位用不到的，這些功能完全可以在設(shè)計(jì)之初就進(jìn)行功能刪減，減掉的這一部分能夠減輕機(jī)床的重量，節(jié)約機(jī)床設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，降低機(jī)床的零部件損耗率，使機(jī)床更加易于保養(yǎng)，性能方面也會(huì)有所提升。

傳統(tǒng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜增加了許多零件配重，因此機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化十分重要，機(jī)床的精度提高會(huì)增加機(jī)床的工作效率，從而提升機(jī)床部件的動(dòng)態(tài)性能。

機(jī)床的新材料應(yīng)用在日本、美國(guó)、歐洲等地比較發(fā)達(dá)，新材料得到應(yīng)用的目前只有樹(shù)脂混凝土，它的材料是合成樹(shù)脂，與普通的混凝土材料相比，它變硬的速度更快，強(qiáng)度更高，抗?jié)B透性強(qiáng)，耐腐蝕，耐磨，抗凍等優(yōu)點(diǎn)，更多的是應(yīng)用在機(jī)床的支撐結(jié)構(gòu)上。

3 結(jié)論

輕量化機(jī)床使得綠色制造這一理念被廣泛的推廣，在加快機(jī)床技術(shù)進(jìn)步的過(guò)程中起到了決定性的作用，能夠減緩我國(guó)資源與能源的消耗，增強(qiáng)我國(guó)的制造業(yè)實(shí)力，實(shí)現(xiàn)我國(guó)制造業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，為我國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)做出了鋪墊，促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，整體提升了行業(yè)的綠色制造意識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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