轻量化技术在机床设计中的应用

秦飞 孙浩

摘要：近年来我国在设计机床时采用的是传统的方式，通过分析在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度和导致各种材料破坏的极限的方式简化机床设计，但这种方式很守旧，在产品的设计上付出了太多的成本，传统的提升机床精度的方式是提高机体在受力时抵抗弹性变形的能力，但这种提升只能以增加使用材料，加厚机床结构的方式来实现，使得机床的绝大部分重量都体现在材料结构上，而功能的模块只占很少一部分。因此，如何在保证机床在受力时抵抗弹性变形的能力的同时尽可能的减轻机床的重量是一个新的的研究课题，本文根据机床的制造设计现状，通过应用专业的轻量化知识，在机床设计制造的结构，材料，技术等方面分析了机床设计的应用并提出了一些建议。

关键词：技术优化；结构设计；材料优化

1 轻量化

轻量化要从结构的优化，材料的优化，技术多元化，多学科交叉等方面做起，由于市场的需求，我国的机床制造技术在近几年得到了很大的提升，产品以及技术等多方面比起以前有了很大的不同，但国际的前沿技术依旧比我国的机床设计技术优秀很多，更加先进。为了不被残酷的市场淘汰，我国必须跟随世界前沿技术的脚步，发展机床设计制造技术，在机床结构，机床材料，技术工艺等方面作出新的突破，并向绿色设计制造方向努力，保障我国的资源不被浪费，能源得到充分利用，对环境的破坏尽量做到最低并向不破坏环境、保护环境方面发展。

一个性能强大的机床要求其能够在加工过程中的高速震动中损耗小，加工精度高，我们称其为机床的抗震性，机床的抗震性能够通过机床的固有频率、振幅、振型等指标来体现。但除此之外，机床的质量控制也很重要，輕量化技术的目的在于设计出性能强，抗震性高，机身重量轻的机床，这能使机床在性能提升的同时制造成本也得到有效的控制。这要求技术人员的技术能力非常强，对机床的优化、零部件的分配，材料，类型都能够很好的控制。

机床的轻量化也分为主要部分以及常规部分，主要是对于机床床身以及机床立柱等主要部位在保证刚度的前提下进行轻量化，同时要求机床的移动部件在反复运动、惯性力方向反复改变的情况下削弱交变电荷的作用，实现机床运动部件部分的能量传递，运动部件的结构优化。因此在保证质量与性能的同时进行轻量化是一个很大的技术难题，刚度强与重量小本身是一个矛盾体，只有克服这个矛盾才能实现轻量化。

我国近些年在材料科学上的突破十分迅猛，各种新型材料被开发出来并应用在各个制造领域，如由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的多孔材料，多孔材料的范围十分广泛，其中就包括了含有泡沫气孔的泡沫金属，以及由一系列六边形、四边形或其他形状的形似蜂窝的孔格组成的蜂窝材料开始逐渐的应用在了机床的设计制造上，这种多孔材料一般具有密度相对较低，比强度高，比表面积高，重量轻，隔音，隔热，渗透性好的特点，多孔材料能在提高强度和刚度的同时降低密度，使得同等性能下比一般材料的质量小的多，移动工作台、滑块以及导轨等运动部件对刚度和抗震性要求很高，都可以采用多孔材料来替换。不仅是机床的运动部件，机床的一些支撑部件如立柱、导轨、和减速箱外箱等都可以应用这种材料。机床的一些承重部件一般体积较大，使用的金属材料较多，这使得承重部件往往十分笨重，在优化材料过程中，可以将承重部分的中间材料替换为密度更低的人造花岗岩或混凝土，使得承重部件的刚度不变但质量大幅减小，受热稳定性与抗震性都有所提高。碳纤维是一种微晶石墨材料，它的质量比铝轻，但强度却比钢铁高，耐腐蚀，模量高，机床的一些零部件可以用碳纤维来减轻质量，能够在减轻质量的同时增强可塑性。钢材质的零部件在制作时的热加工处理十分繁琐，但如果使用陶瓷作为原材料加工机床零部件便可以在同等条件下减轻重量并简化加工步骤。这些材料的应用能对机床的轻量化做出卓越的贡献。

机床是一个十分复杂的机器，包含了多种性能，这些性能仅靠一个学科技术是无法完全涵盖的，机床的零部件拼接，拼接方式以及拼接后的能量转化都对机床的性能有很大影响。为了达到综合性能指标，在机床设计中应整合多门学科技术，实现机床的现代化和数控化。机床重新设计的过程中加入了新型材料，新型材料如何与其他材料进行融合、拼接方式的改变对于传动机制的影响，机床的抗震性、刚度、强度等基本指标的变化都离不开多学科的技术支持，这可以实现对机床设计的最大优化。

在机床的设计制造完成后，要对机床进行可靠性试验以及数据采集，可靠性试验包括机床能不能在规定的条件下完成规定的功能，关键的参数在不在标准范围内，在正常工作期间有无零件损坏，机床的剖面、谱系、试验应力等实验。将实验数据记录并进行研究，这些数据包括设计图纸数据，加工工艺技术，机床性能指标，机床维修材料，机床故障解决方案等，只有这些数据全部达标才能将机床投入使用，但这些数据要求设计与生产人员共同协作才能完成，为了突破机床设计技术难关，各个部分参与者应积极配合工作，才能达到轻量化的目标。

2 轻量化技术的应用

机床使用单位在设计机床时，有时仅仅参照原型机进行简单的放大和缩小，并没有依据产业本身的需求进行改进，这样做的后果就是机床的功能过剩，在实际的使用中，机床的功能有些是使用单位用不到的，这些功能完全可以在设计之初就进行功能删减，减掉的这一部分能够减轻机床的重量，节约机床设计和生产成本，降低机床的零部件损耗率，使机床更加易于保养，性能方面也会有所提升。

传统机床的结构十分复杂，结构的复杂增加了许多零件配重，因此机床的结构优化十分重要，机床的精度提高会增加机床的工作效率，从而提升机床部件的动态性能。

机床的新材料应用在日本、美国、欧洲等地比较发达，新材料得到应用的目前只有树脂混凝土，它的材料是合成树脂，与普通的混凝土材料相比，它变硬的速度更快，强度更高，抗渗透性强，耐腐蚀，耐磨，抗冻等优点，更多的是应用在机床的支撑结构上。

3 结论

轻量化机床使得绿色制造这一理念被广泛的推广，在加快机床技术进步的过程中起到了决定性的作用，能够减缓我国资源与能源的消耗，增强我国的制造业实力，实现我国制造业的现代化转型，为我国未来实现制造强国做出了铺垫，促进了机床行业的可持续发展，整体提升了行业的绿色制造意识。

参考文献：

[1]卢天健，张钱诚，王春野，等.轻质材料和结构在机床上的应用[J].力学与实践，2007，27（6）：18，26.

[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，2010（5）：133134.

[3]宋强.绿色机床设计的重点措施[C].中国绿色制造新年论坛，2010：9193.