机床轻量化理论与实践的有效结合

成本、环保、能源等因素使机床轻量化一直以来成为各机床制造厂的技术方向。机床轻量化是在保证机床刚度和精度的前提下，减轻机床的质量，节省材料，降低机床使用时的能源消耗。本文主要从设计轻量化、结构轻量化、材料轻量化三个方面来阐述理论与实践的有效结合。

设计轻量化

实践证明，模块化设计是行之有效的综合优化设计方法。模块化设计可缩短设计和开发周期；零部件具有通用性，可缩短生产周期，大幅降低生产成本，提高机床的性能价格比；同时便于维修、拆卸及回收，使资源得到最大限度的利用，节省资源。

模块化设计在机床设计中将零部件分为两类，第一类零部件可用模块进行组合，一台机床的设计工作量接近90%以上就已完成。第二类零部件即客户特殊定货部分。模块化设计便于发展变型产品。

徐燕申“基于广义模块化原理”曾提出框架结构模块化设计方法，其优点在于缩短设计和调试周期，产品更新换代快。

我公司在20世纪90年代就开始摸索立、卧车模块化设计及应用。自2003年规划新型谱模块起，全面推行模块化设计，推进ERP管理系统及制造标准化，在实践中取得了显著的成果。如下：

功能部件模块化

如主轴箱模块、刀架模块、床身模块、尾座模块、电气模块、液压模块等等，在ERP管理系统下显示了强大的优势。功能部件模块可用于通用机床，也可用于专机，用最少的功能部件模块组合尽可能多的品种的机床，零件通用性高，设计周期和制造周期短，生产成本大幅降低。

结构模块化

如主轴箱模块，根据承重、转速、花盘扭矩、主轴精度等指标由标准化部门给每个主轴箱模块授模块号。结构模块设计遵循少而精、通用化、系列化、标准化的原则。在机床设计中，根据所需指标选择相应的模块号进行组合即可。

结构最简化原则

如我公司在国家科技重大专项课题2009ZX04002-042项目中的DTB500×160／250L-NC 数控重型深孔车镗床，是一台具有车、镗集成复合功能，重载，高精度的数控重型卧式车镗床。在整机布局的研究中坚持结构最简化原则，机床总体布局为分离四导轨结构，刀架床身和工件床身高低布置。机床分车削部分功能部件和镗削部件两大部分。

车削部分功能部件选用模块进行组合，镗削部件进行了专项设计。镗削部件安装在工件床身上，导向中心架与尾座上体互换，镗杆支架与镗削进给装置安置在尾座后侧。（在该项目中导向中心架与尾座上体高效、高精度保持性的互换技术已申请国家专利）车刀架纵向移动可通过工件床身上的所有部件，避免了在车、镗工序转换中不必要的拆装。该机床设计以最简机床结构实现了一次性装卡大型回转零件可进行外圆车削加工和内孔深孔镗削加工，实现车、镗集成复合功能，使其具有优良的性能价格比。

传动系统尽量缩短传动链，运动部件进行结构优化设计

如我公司在国家科技重大专项课题2009ZX04002-042项目中的DTB500×160／250L-NC 数控重型深孔车镗床的镗杆进给系统，要求具有高传动刚度及低速运行平稳特性。镗削进给装置在工件床身上中心高为2,600mm，重量较大。进行结构设计时采用西门子交流伺服电机驱动，经大降速比减速器传至双齿轮—齿条机构，与工件床身上的大模数齿条啮合，结构设计时尽量缩短传动链，保证了进给系统的传动刚度及低速运行的平稳性，实际运行情况良好。

外配套件优化选用

如选择轴承时，常规产品的轴承由于批量生产，价格较低。而非常规产品如轻型系列轴承，需要另做模具，增加了轴承的成本，所以相同规格中轻型系列轴承的价格反而高。所以设计师选用外配套件时，不仅要考虑功能指标、精度指标，更重要的是要了解哪些属于常规产品，哪些属于非标产品。优化选用外配套件，可节约大量成本。

结构轻量化

在保证刚度和精度的前提下，减轻机床基础大件的重量，合理布局筋板，需要做理论计算，计算机软件的开发实现了构件的优化设计。

孙靖明教授最早开展了机床结构计算的有限元研究工作，为机床零部件的局部轻量化工作打下了坚实的理论基础，他开发的二、三维有限元计算软件实现了机床部分大件的静、动态刚度计算求解。

聂绍珉等采用有限元与优化设计相结合的方法，研制开发了机架结构优化设计软件包。

丁晓红等提出了“机床床身结构优化设计方法”（专利号201010154882.9）围绕车床床身结构开展优化设计，通过建立3个阶段的数学模型，利用结构优化设计理论和方法，使床身结构达到最好的技术经济综合性能。

我公司在推行模块化设计之初，就在实验室专配工程师对基础大件建模进行有限元分析，对床身、主轴箱体、刀架体、尾座体等基础大件优化设计，使铸件壁厚设计合理，筋板厚度及布置合理，在保证刚度的前提下，控制基础大件重量，节约原材料，降低制造成本。后期随着三维软件的普及，一般工程师设计也能够进行有限元分析，完成对构件的优化设计。

我公司在对机床基础大件的铸件进行优化设计的同时，逐渐将一部分铸件改为焊接钢件，如大型立车的立柱、横梁等，实践中已取得显著成果。设计将铸件改为钢件焊接，在保证构件刚度和精度的前提下，不仅减轻了重量，提高性价比，还有利于环保。

国内学者和工程技术人员经过努力，开发了有关的优化软件用于构件的局部优化，但仍主要停留在静态设计阶段，对机床系统动态加工过程考虑不多，相应的机床可靠性问题没有得到根本解决，增加了机床维护成本，因此企业急需机床刚度、强度和动态性能约束下的轻量化设计方法和技术体系，从而缩短与发达国家产品的设计制造差距。

材料轻量化

材料轻量化是一种以环保、节能为主题的优化设计。

树脂混凝土是一种新兴结构材料，是一种由天然矿石（不同尺寸、来源）和环氧树脂（作为粘合剂）为主的混合物。与传统的铸铁相比，树脂混凝土不仅环保、能耗低、还具有精度高、吸振性好、整合性高等优势。

在欧美等国家机床产业中，新型材料树脂混凝土得到了很大的发展，特别是在高精度机床的床身应用方面，树脂混凝土正逐渐替代传统的铸铁。目前，越来越多的国际机床制造商开始设计使用树脂混凝土的机床。对中国巿场来说，该领域还是空白。

泡沫金属复合材料是新型机床材料的典型材料。泡沫金属是将气体注入融化的金属而成的低密度材料，目前在机床上使用最多的是将铝泡沫金属夹在两层薄钢板中间制成的钢-铝泡沫金属复合板，这种复合板具有很高的比强度和优异的阻尼特性，非常适合用于大型机床的机体结构。

瑞士GF加工方案的米克朗HPM 1850U龙门加工中心，在使用了泡沫金属复合板制造滑枕后，滑枕的整体重量减轻了300Kg，大幅节省材料。由于滑枕移动质量轻，驱动电机的负荷下降，可以选配更小功率的伺服电机。

目前在材料轻量化方面，虽然我公司机床的基础大件还没有采用树脂混凝土作为铸件材料，也没有将钢-铝泡沫金属复合板作为焊接大件材料，但在材料轻量化方面也做了一些尝试，如我公司在国家科技重大专项课题2009ZX04002-042项目中的DTB500×160／250L-NC 数控重型深孔车镗床，设计的内孔直径为φ800的镗杆套和内孔直径为φ400的镗杆套共8套，用ZA30-C替代传统材料铜套，重量轻且成本低，在实际使用时性能良好。

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