机床设计中轻量化技术应用研究

修国策 张延平

【摘要】分析了我国当前机床行业存在的问题和未来发展趋势，引出机床设计轻量化技术并对相关问题进行了阐述。从结构、新材料、多学科综合三个方面来分析研究机床设计轻量化技术，并从这三个角度剖析了机床设计轻量化技术在机床优化设计中的应用。

【关键词】机床设计；轻量化技术；优化设计

目前，我国机床产品的设计和制造成本都普遍偏高，主要原因是我国在设计机床主体结构时所采用的方法缺乏创新、太过保守。以往，增加机床精度的主要方法就是增加机体的刚度，但是唯一方法就是增加结构的厚度和体积，导致机床重量的五分之一作用在运动上，而五分之四的重量却是用在确保机体的刚度。所以，怎样在确保机床动态性能、强度、刚度和相关指标的前提下着手机床设计的轻量化技术研究将是未来机床设计和制造业的发展方向。

1、机床轻量化技术

机床轻量化设计是一门综合的设计学科，它涉及新材料设计技术、结构优化设计技术等学科技术。近些年，我国的机床制造业有了很大的进步，可是与世界先进的技术还是存在很大的差距，我国需要加大对机床轻量化技术的研究和探索。

1.1结构优化设计技术

设计机床结构件需要考虑机床的动态功能、静态功能的同时，还需要考虑大的结构件的重量问题。当今的机床设计一定要运用的设计技术就是合理分布结构件、设置合理的筋板类型。轻量化设计就是在这种结构设计技术的机床上进行的，一共包括两个方面的内容：一是在考虑刚度和强度的要求下，进行对立柱、床身等重要结构件的輕量化设计；二是考虑动态性能的要求，研究运动部件的结构，然后进行动态部件的轻量化设计。

1.2新材料设计技术

现今，机床的制造材料已经使用了许多先进的轻质材料，如蜂窝式材料、泡沫金属材料等。这些先进的材料有许多优点，如减少噪音、受力均匀、减小振动、质量轻等，这些特点适用许多运动部件。新材料的应用不仅可以实现机床轻量化，还可以提高结构件原有的性能，比如花岗石应用在大尺度支撑件上，混凝土填充到钢板焊接的框架内等。此外，碳素纤维等新型材料的应用，在实现机床轻量化的同时，还可以增加机床可以使用的年限；替代高硬度钢的陶瓷新材料的应用，除了实现机床轻量化，还实现了省时、省工、省料的目标。

1.3多学科综合优化设计技术

机床轻量化设计的多学科综合优化设计研究是在多性能耦合的基础上，剖析各个结构零件的接口方式、连接形式和相关的能量输入方式，探究机床轻量化对整体性能的作用，对重要的零件进行结构设计，优化机床的整体性能。数控机床的现代技术是一个复杂的系统，它涉及多学科的耦合，主要是机、电、液三门学科。引用新型材料、改变原有结构这些改变是轻量化过程的必然结果，但是一定会改变传动控制、机床动态特性和制造成本等方面。综上所述，在机床轻量化过程中，一定要探究不同子结构之间、不同子系统之间、多学科之间、整体与部分的耦合关系，运用多学科的综合优化设计技术，从而获得机床设计的整体进步和最优设计。

2、轻量化技术在机床设计中的应用

我国很多机床设计者在机床设计时，经常运用类比设计法，根据原有机床直接改进，有一些甚至直接照搬或者扩大零件和结构。这种方式可以保证足够的刚度和强度，可是一般有一些多余的尺寸。事实上，这些机床的设计应该进行一些改进，节省材料、减少损耗等。支撑性零件如箱体类的结构，把铸造件改成焊接件，如果在需要时可以将混凝土作为填充物，通过这种改变减少了成本、降低了重量、方便循环使用。

2.1结构优化技术在机床设计中的应用

机床结构中较大的零件具有重量大、结构形状复杂的特点，一般包括箱体、横梁、立柱、床身等。随着科学技术的不断进步，机床制造业向着高质、高速、环保的方向改进，结构优化技术也在机床大零件的设计和制造中的作用也日益凸显。机床中高速动态部件的轻量化过程是我国机床行业迈向高精尖的必经之路。增强机床的加工功能，一定要剖析机床的动态特征和静刚度。这些改进在原有的实验模拟和经验设计条件下是不能满足的，因此，我们必须在机床设计中应用结构优化技术，提高零部件的使用效能，最后提高我国机床制造业的整体实力。

2.2新材料技术在机床设计中的应用

想要达到机床轻量化必须要研究的内容之一就是新型材料的使用，如多功能复合材料、陶瓷、碳素纤维等。树脂混凝土与传统铸铁零件相比有很多突出的优点，如约十倍的阻尼系数、良好的热稳定性、较强的抗振性。在减速箱箱体、导轨、立柱等支撑结构中也引进了一些新型材料，如纤维基增强复合材料、蜂窝金属材料等，这些材料具有刚性高、质量轻等优点。

2.3多学科综合优化设计在机床设计中的应用

轻量化设计涉及多学科，为了保证设计的有效性，设计人员要对影响机床整体功能的因素进行研究。在轻量化的整体设计时，应该以多功能、多学科的耦合性为基础，探究零件的能量传送方式等，从而，通过对重要零件的优化设计，实现整机的优化。机床结构设计的过程中，坚持最简化结构原理，将设计简单化，控制成本和零部件的整体数量。在传动系统的设计时，坚持缩短传动链，控制零件数量，增加传动的精确度，控制空载功率损失。有效的优化机床设计结构，除了可以降低成本、提高效能之外，还为机床的维修与维护带来便利，提高机床的使用寿命。在机床的设计中存在很多可以优化的结构设计，可是由于没有得到充分的应用，我国的机床仍然存在很多待改善的地方。

3 结语

数控机床轻量化的研究，需要以充分的理论为基础，有效的方法为工具，可靠的实验为标准，强大的企业为依托，依靠科研工作者、数控机床的设计者和生产者长期合作、充分发挥各自的特长才能完成。我国应该着力于数控机床的优化研究和技术开发，并且与制造企业相结合，引用新技术、新工艺、新材料、新结构，设计出节能环保、可持续利用的绿色机床产品，使我国的机床行业设计和制造的水平能够有质的飞跃，提高我国机床制造业的整体设计和制造实力。

参考文献

[1]卢天健.轻质材料和结构在机床上的应用[J].力学与实践，2013（6）：7.

[2]谢雄光.浅议机床制造业绿色制造的模式[J].装备制造技术，2014，（5）.