秦飛 孫浩

摘要：近年來我國在設計機床時采用的是傳統(tǒng)的方式，通過分析在各種外力作用下產(chǎn)生的應變、應力、強度、剛度和導致各種材料破壞的極限的方式簡化機床設計，但這種方式很守舊，在產(chǎn)品的設計上付出了太多的成本，傳統(tǒng)的提升機床精度的方式是提高機體在受力時抵抗彈性變形的能力，但這種提升只能以增加使用材料，加厚機床結(jié)構(gòu)的方式來實現(xiàn)，使得機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，如何在保證機床在受力時抵抗彈性變形的能力的同時盡可能的減輕機床的重量是一個新的的研究課題，本文根據(jù)機床的制造設計現(xiàn)狀，通過應用專業(yè)的輕量化知識，在機床設計制造的結(jié)構(gòu)，材料，技術(shù)等方面分析了機床設計的應用并提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：技術(shù)優(yōu)化；結(jié)構(gòu)設計；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，多學科交叉等方面做起，由于市場的需求，我國的機床制造技術(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，但國際的前沿技術(shù)依舊比我國的機床設計技術(shù)優(yōu)秀很多，更加先進。為了不被殘酷的市場淘汰，我國必須跟隨世界前沿技術(shù)的腳步，發(fā)展機床設計制造技術(shù)，在機床結(jié)構(gòu)，機床材料，技術(shù)工藝等方面作出新的突破，并向綠色設計制造方向努力，保障我國的資源不被浪費，能源得到充分利用，對環(huán)境的破壞盡量做到最低并向不破壞環(huán)境、保護環(huán)境方面發(fā)展。

一個性能強大的機床要求其能夠在加工過程中的高速震動中損耗小，加工精度高，我們稱其為機床的抗震性，機床的抗震性能夠通過機床的固有頻率、振幅、振型等指標來體現(xiàn)。但除此之外，機床的質(zhì)量控制也很重要，輕量化技術(shù)的目的在于設計出性能強，抗震性高，機身重量輕的機床，這能使機床在性能提升的同時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，對機床的優(yōu)化、零部件的分配，材料，類型都能夠很好的控制。

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

我國近些年在材料科學上的突破十分迅猛，各種新型材料被開發(fā)出來并應用在各個制造領(lǐng)域，如由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡結(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始逐漸的應用在了機床的設計制造上，這種多孔材料一般具有密度相對較低，比強度高，比表面積高，重量輕，隔音，隔熱，滲透性好的特點，多孔材料能在提高強度和剛度的同時降低密度，使得同等性能下比一般材料的質(zhì)量小的多，移動工作臺、滑塊以及導軌等運動部件對剛度和抗震性要求很高，都可以采用多孔材料來替換。不僅是機床的運動部件，機床的一些支撐部件如立柱、導軌、和減速箱外箱等都可以應用這種材料。機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，但強度卻比鋼鐵高，耐腐蝕，模量高，機床的一些零部件可以用碳纖維來減輕質(zhì)量，能夠在減輕質(zhì)量的同時增強可塑性。鋼材質(zhì)的零部件在制作時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床零部件便可以在同等條件下減輕重量并簡化加工步驟。這些材料的應用能對機床的輕量化做出卓越的貢獻。

機床是一個十分復雜的機器，包含了多種性能，這些性能僅靠一個學科技術(shù)是無法完全涵蓋的，機床的零部件拼接，拼接方式以及拼接后的能量轉(zhuǎn)化都對機床的性能有很大影響。為了達到綜合性能指標，在機床設計中應整合多門學科技術(shù)，實現(xiàn)機床的現(xiàn)代化和數(shù)控化。機床重新設計的過程中加入了新型材料，新型材料如何與其他材料進行融合、拼接方式的改變對于傳動機制的影響，機床的抗震性、剛度、強度等基本指標的變化都離不開多學科的技術(shù)支持，這可以實現(xiàn)對機床設計的最大優(yōu)化。

在機床的設計制造完成后，要對機床進行可靠性試驗以及數(shù)據(jù)采集，可靠性試驗包括機床能不能在規(guī)定的條件下完成規(guī)定的功能，關(guān)鍵的參數(shù)在不在標準范圍內(nèi)，在正常工作期間有無零件損壞，機床的剖面、譜系、試驗應力等實驗。將實驗數(shù)據(jù)記錄并進行研究，這些數(shù)據(jù)包括設計圖紙數(shù)據(jù)，加工工藝技術(shù)，機床性能指標，機床維修材料，機床故障解決方案等，只有這些數(shù)據(jù)全部達標才能將機床投入使用，但這些數(shù)據(jù)要求設計與生產(chǎn)人員共同協(xié)作才能完成，為了突破機床設計技術(shù)難關(guān)，各個部分參與者應積極配合工作，才能達到輕量化的目標。

2 輕量化技術(shù)的應用

機床使用單位在設計機床時，有時僅僅參照原型機進行簡單的放大和縮小，并沒有依據(jù)產(chǎn)業(yè)本身的需求進行改進，這樣做的后果就是機床的功能過剩，在實際的使用中，機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計之初就進行功能刪減，減掉的這一部分能夠減輕機床的重量，節(jié)約機床設計和生產(chǎn)成本，降低機床的零部件損耗率，使機床更加易于保養(yǎng)，性能方面也會有所提升。

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

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

3 結(jié)論

輕量化機床使得綠色制造這一理念被廣泛的推廣，在加快機床技術(shù)進步的過程中起到了決定性的作用，能夠減緩我國資源與能源的消耗，增強我國的制造業(yè)實力，實現(xiàn)我國制造業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，為我國未來實現(xiàn)制造強國做出了鋪墊，促進了機床行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，整體提升了行業(yè)的綠色制造意識。

參考文獻：

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