邱 巖

（沈陽機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142）

0 引言

數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品是集機(jī)械、電子、液流和光感為一體的系統(tǒng)工程。設(shè)計(jì)開發(fā)的每個(gè)環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)藍(lán)圖中的每道線條都會(huì)影響產(chǎn)品的技術(shù)性能、效率、可靠性以及產(chǎn)品的直接成本和用戶的最終體驗(yàn)。結(jié)構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計(jì)是在聚焦產(chǎn)品技術(shù)性能的前提下兼顧直接成本和用戶體驗(yàn)的相對完整的設(shè)計(jì)理念。

結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)目標(biāo)是在各種機(jī)床內(nèi)外部限定的條件下設(shè)計(jì)出最好的機(jī)械結(jié)構(gòu)，即做出優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)需要綜合多種因素進(jìn)行平衡性設(shè)計(jì)。例如，最佳工作性能、最低制造成本、最小尺寸和質(zhì)量、最可靠、最低消耗和最少環(huán)境污染等。精細(xì)化設(shè)計(jì)方法主要是將有限元分析與以往的技術(shù)積累和制造技術(shù)相結(jié)合，其結(jié)合度越高，越能達(dá)到理想的設(shè)計(jì)方案。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)配置

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在床身、立柱或基座等基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)件上配置移動(dòng)部件，在數(shù)控程序控制下完成工件與刀具的相對運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)加工過程。在產(chǎn)業(yè)鏈外部化和專業(yè)化的今天，機(jī)床廠商不會(huì)自己完全開發(fā)或制造出所有的功能部件，大多數(shù)機(jī)床廠商的功能部件都是由專業(yè)的供應(yīng)商來提供的，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)組合、配置和結(jié)構(gòu)才是整機(jī)開發(fā)廠商設(shè)計(jì)工作的核心。機(jī)床結(jié)構(gòu)的總體配置決定了機(jī)床的用途和性能，是產(chǎn)品特征的集中體現(xiàn)和創(chuàng)新的關(guān)鍵。

1.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)件在產(chǎn)品中的關(guān)鍵作用

結(jié)構(gòu)件在產(chǎn)品中主要有4個(gè)作用：1）支撐移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。2）承擔(dān)加工過程中的切削力及變形力。3）承擔(dān)運(yùn)動(dòng)部件的慣性力。4）承擔(dān)加工過程和運(yùn)動(dòng)副摩擦產(chǎn)生熱的影響。

1.2 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的目標(biāo)任務(wù)

在滿足機(jī)床性能要求的前提下取得需求與消耗的平衡。要求機(jī)床在各種載荷和熱的作用下變形小，同時(shí)材料和能源消耗最少。事實(shí)上這是一對矛盾體，而我們要在二者之間尋求最佳的平衡點(diǎn)，這也是體現(xiàn)優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)巧妙設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1.3 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)遵循的基本原則

結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)是追尋高效、高精度和成本優(yōu)化、能耗優(yōu)化平衡的過程。一般可以遵循以下7項(xiàng)原則[1]：1） 運(yùn)動(dòng)部件輕量化原則。運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量應(yīng)該盡量做輕，從而減少驅(qū)動(dòng)功率和移動(dòng)慣性力的影響。該條同樣適合回轉(zhuǎn)部件。2） 運(yùn)動(dòng)重心驅(qū)動(dòng)原則。移動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)力源盡量作用在部件的重心軸線上，從而減少及避免移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩。3）結(jié)構(gòu)對稱原則。結(jié)構(gòu)件的布置盡量左右對稱，這樣不僅使部件看上去美觀協(xié)調(diào)，更重要的是可以使結(jié)構(gòu)件在承受熱變形的時(shí)候更加均勻。4） 短路程原則。從刀具到加工工件的傳導(dǎo)路徑盡量短，使零件間的熱傳導(dǎo)和結(jié)構(gòu)彈性回路最短，也可以理解成刀具載荷和被加工工件的機(jī)床結(jié)構(gòu)材料和結(jié)合面數(shù)越少，機(jī)床越容易達(dá)到穩(wěn)定平衡。5） 短懸臂原則。因?yàn)榻嵌日`差在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)被放大成可觀的線性誤差，所以要減少懸臂所造成的的角度誤差。6） 受力閉環(huán)原則。切削力及慣性力可由多條路徑傳遞到地基為力閉環(huán)結(jié)構(gòu)。7） 結(jié)構(gòu)配置的設(shè)計(jì)選擇，應(yīng)以聚焦產(chǎn)品定位，滿足需求指標(biāo)為先，權(quán)衡剛性指標(biāo)，此外還須考慮制造成本、裝配便利以及占地面積等因素。如果沒有適合所有情況的設(shè)計(jì)最佳方案，就要權(quán)衡利弊，尋找最適合的方案。

2 結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)件優(yōu)化的目標(biāo)

結(jié)構(gòu)件可以分為固定性的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件（例如，床身、立柱、底座以及橫梁等）和移動(dòng)性結(jié)構(gòu)件（例如，滑鞍、滑板、工作臺(tái)以及滑枕等）。固定性結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是材料的最佳分配。在保證機(jī)床靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的前提下使移動(dòng)性部件輕量化是另一關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的成功在于外圍形狀和筋板形狀的合理布局。在輕量化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高剛度和高剛度質(zhì)量比[2]。

筆者通過對機(jī)床多年的開發(fā)和制造的積累得出，對于結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，精密設(shè)備主要考慮移動(dòng)部件的輕量化及熱應(yīng)力；中小型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化主要考慮切削力；大型設(shè)備主要考慮工件重力、移動(dòng)部件重力和切削力。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

目前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是使用有限元分析軟件，將有限元分析與加工工藝、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，確定理想的設(shè)計(jì)方案。有限元分析主要在靜力、模態(tài)以及熱變形3個(gè)維度對零部件進(jìn)行分析與拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的約束一般以質(zhì)量或剛度約束為主。對于一般性結(jié)構(gòu)件要從靜力、模態(tài)2個(gè)維度分析，將分析結(jié)果與拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對比并結(jié)合材料成型工藝技術(shù)和加工工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。對于主軸箱這類存在熱源集中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，除了完成靜力、模態(tài)分析，還需要進(jìn)行熱變形分析，降低其熱變形對于機(jī)床加工的影響[2]。

2.3 輕量化設(shè)計(jì)與極簡化設(shè)計(jì)

輕量化設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其核心理念為輕化移動(dòng)部件、降低驅(qū)動(dòng)功率、提高效率、提高運(yùn)行穩(wěn)定性以及降低制造成本；具備足夠的剛度，不需要?jiǎng)偠冗^剩；應(yīng)具備良好的阻尼和減震性，防止顫振，提高金屬去除率。輕量化的主要途徑是結(jié)構(gòu)輕量化。即按照載荷大小構(gòu)建理想結(jié)構(gòu)件，借助拓?fù)鋬?yōu)化軟件按照結(jié)構(gòu)件中應(yīng)力大小來分布材料的位置，是機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的首選方法。

極簡化設(shè)計(jì)同樣是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是1種設(shè)計(jì)風(fēng)格和態(tài)度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量減少零件品種減少固定結(jié)合面的數(shù)量，從而降低接觸變形。減少不必要的結(jié)構(gòu)并且降低成本。例如，在絲杠傳動(dòng)件中，電機(jī)座與軸承座往往是分開的，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中將軸承座與電機(jī)座進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，減少了中間結(jié)合面，縮短了震動(dòng)路徑，減少了誤差傳遞。同樣，整體式尾座日漸取代了傳統(tǒng)的分體式尾座。國外車床產(chǎn)品普遍將刀架體與滑板體結(jié)合，消除了結(jié)合面把合應(yīng)力，縮短了切削路徑，精度和剛性都得到了提升。

2.4 結(jié)構(gòu)件材料的選擇

應(yīng)該合理選用結(jié)構(gòu)件材料。目前，采用灰鑄鐵作為結(jié)構(gòu)件的主要材料的結(jié)構(gòu)件居多。HT200材料用于制造承受中等彎曲應(yīng)力、摩擦面間壓強(qiáng)高于500 MPa的鑄件，例如機(jī)床的工作臺(tái)、溜板和底座等；HT300材料用于制造承受高應(yīng)力，要求保持高氣密性的鑄件，例如床身、齒輪、凸輪，大型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸汽缸體、高壓油缸、軋鋼機(jī)座等。在灰鑄鐵中加入磷、鈦、釩等元素，可以提高材料的抗磨性；對于材料的時(shí)效處理及二次回火能提高材料的機(jī)械性能，減少應(yīng)力變形。

鋼板焊接的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件得到了大家的認(rèn)可，主要是由于其具有易滿足輕量化需求的特點(diǎn)。

機(jī)床結(jié)構(gòu)件的新材料，例如樹脂混凝土、碳纖維增強(qiáng)材料以及花崗石等材料都得到了應(yīng)用。樹脂混凝土材料也稱人造大理石或礦物鑄造基座，因?yàn)槠渚哂袩岱€(wěn)定性好、阻尼系數(shù)大以及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，市場對它的需求量日益增加，雖然該材料密度和彈性模量是鑄鐵的1/3，具有與鑄鐵同樣的比剛度；同等質(zhì)量下其與鑄件的剛度相同。由于在實(shí)際使用中該零件都是實(shí)心澆筑的，因此它的實(shí)際剛度遠(yuǎn)超鑄件。在初期試制過程中往往使用鑄件來進(jìn)行樣機(jī)的試制；在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)成熟以及將基座改為樹脂混凝土材料后，產(chǎn)品的剛度及穩(wěn)定性將會(huì)得到大幅度的提高。由于目前市場上該基座的價(jià)格略低于需要二次回火進(jìn)行精加工的鑄件基座，因此其具有很高的推廣價(jià)值。如圖1、圖2所示，輕量化焊接設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)件與原鑄造結(jié)構(gòu)件相比，材料質(zhì)量直接降低45%，熱變形直接降低32%。

2.5 結(jié)構(gòu)件形狀尺寸的確定

首先考慮能否容納最大工件的輪廓尺寸，然后考慮刀具與工件之間以及工件與自動(dòng)線抓手之間相對運(yùn)動(dòng)的行程。在結(jié)構(gòu)件的諸多尺寸元素中，一般先確定結(jié)構(gòu)的長度及高度。

尺寸設(shè)計(jì)中的具體數(shù)值同樣不能隨意確定。在滿足技術(shù)要求的前提下，要遵循“優(yōu)先數(shù)”原則。例如，軸承孔徑φ62 mm在下加膠圈的端蓋時(shí)，要設(shè)計(jì)斷層，即端蓋止口φ63 mm，其中63 mm是優(yōu)先數(shù)，膠圈的外徑規(guī)格是按照“優(yōu)先數(shù)”設(shè)計(jì)的。

“優(yōu)先數(shù)”的應(yīng)用，最大的好處就是“標(biāo)準(zhǔn)化”。“標(biāo)準(zhǔn)化”的工作流程是將。產(chǎn)品的所有參數(shù)包括零部件的功能參數(shù)及接口尺寸按“優(yōu)先數(shù)”系列化后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化?！皟?yōu)先數(shù)”使我們在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)生產(chǎn)系列化產(chǎn)品而不是設(shè)計(jì)完后再進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)化”[3]。

由于1個(gè)成功的設(shè)計(jì)往往是新技術(shù)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)與測試的有機(jī)結(jié)合，因此工程技術(shù)人員除了具備一定的有限元分析能力之外，還要有豐富的知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)要了解鑄造、加工和裝配等制造工藝技術(shù)。

圖1 構(gòu)件鑄造示意圖

圖2 構(gòu)件輕量化焊接結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)件工藝性優(yōu)化

3.1 基準(zhǔn)的合理性

結(jié)構(gòu)件基準(zhǔn)的確定，主要從裝配基準(zhǔn)和加工基準(zhǔn)2個(gè)方面考慮[4]。

首先，將裝配安裝基準(zhǔn)作為零件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。具體注意以下5點(diǎn)：1） 要明確零件在整機(jī)裝配過程中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其在整機(jī)結(jié)構(gòu)中起的作用。2） 要明確需要達(dá)到的零件加工精度，以滿足既定的功能要求。3） 要明確零件的安裝基準(zhǔn)。4） 在裝配流程的檢測過程中，基準(zhǔn)的設(shè)定要便于測量、檢驗(yàn)。5） 如果有加工不合格的零件，選取的基準(zhǔn)面要便于零件的二次裝夾和加工。

其次，也可以將零部件加工工藝基準(zhǔn)作為零件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。加工零件選取的基準(zhǔn)面應(yīng)該利于劃線和粗加工。由于通常的加工順序是先加工基準(zhǔn)面，再利用基準(zhǔn)面進(jìn)行定位來加工其他的位置，因此基準(zhǔn)面的選取一定要慎重。當(dāng)1個(gè)零件處于毛坯狀態(tài)時(shí)，如果外形結(jié)構(gòu)適合，則作為基準(zhǔn)面來加工；加工好基準(zhǔn)面后，考慮其定位和夾緊方式、加工條件以及盡可能地減少零件裝夾的次數(shù)，從而確定其是否適合作為基準(zhǔn)面加工別的位置。

總之，結(jié)構(gòu)件基準(zhǔn)的選擇，涉及零件本身的結(jié)構(gòu)，相關(guān)的加工、裝配工藝以及產(chǎn)品制造成本的控制等多個(gè)方面。

3.2 形位公差、尺寸公差，表面粗糙度的合理性，經(jīng)濟(jì)性

各項(xiàng)公差配合、表面粗糙度要滿足機(jī)床技術(shù)精度指標(biāo)要求。公差值的標(biāo)注通常沒有可供我們使用的固定數(shù)值。根據(jù)零件在部件裝配中的作用，對關(guān)鍵零件的重要尺寸公差值的考慮要保證零件在部件裝配后所能達(dá)到的精度要求，根據(jù)機(jī)床的精度要求、工藝性要求以及機(jī)械設(shè)備的加工能力等來選取合適的數(shù)值。該數(shù)值應(yīng)該滿足零件在加工、裝配后所需要的精度數(shù)值。

結(jié)合筆者多年的機(jī)床研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，一些精度標(biāo)注的細(xì)節(jié)需要注意：要求平行的2個(gè)表面的平面度公差值應(yīng)小于平行度公差值；同一要素上給出的形狀公差值應(yīng)該小于位置公差值；圓柱形零件的形狀公差一般情況下應(yīng)該小于其尺寸公差值；平行度公差值應(yīng)該小于相應(yīng)的距離公差值；垂直度的公差值以形成直角的2條邊中較長的一邊作基準(zhǔn)，較短的一邊作為被測要素；圓柱度誤差由圓度、直線度和相對素線的平行度3個(gè)部分組成，圓柱度應(yīng)該小于圓度、直線度和平行度的綜合；同軸度以2個(gè)要素中的較長者為基準(zhǔn)；圓跳動(dòng)是以設(shè)計(jì)或工藝給出的支承面為基準(zhǔn)，在2個(gè)要素中，可以以較長的1個(gè)面為基準(zhǔn)。

床身導(dǎo)軌在整機(jī)精度中具有至關(guān)重要的作用。導(dǎo)軌的平面度、直線度、垂直度及平行度等是決定導(dǎo)軌精度的要素，必須遵循同一要素給出的形狀公差值應(yīng)小于位置公差值的原則。

3.3 工藝凸臺(tái)的合理性，減少加工面

結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)要考慮減少加工面，在適當(dāng)?shù)那闆r下增加工藝凸臺(tái)，節(jié)能減排，降低成本。但是在設(shè)計(jì)需要進(jìn)行研磨、或刮研結(jié)構(gòu)表面時(shí)應(yīng)該注意刮研面最好不要斷層，避免刮研掉刃，造成人工邊角損傷，同時(shí)還要考慮刮研空刀，避免漏刮。對于結(jié)構(gòu)件接觸面的設(shè)計(jì)需要計(jì)算把合螺栓的把合直徑，確定結(jié)合面長寬比。凸臺(tái)設(shè)計(jì)不要過于密集，具有連續(xù)孔面時(shí)盡量不要設(shè)計(jì)凸臺(tái)。

4 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的技術(shù)積累

結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)過程需要注意以下13點(diǎn)：1） 當(dāng)框架結(jié)構(gòu)件截面積一定時(shí)，空心截面比實(shí)心截面的慣性矩大，滿足工藝要求時(shí)應(yīng)該盡量減少壁厚，提高抗彎強(qiáng)度。2） 結(jié)合面的螺栓連接間距的兩端長度是擰緊距離的0.45倍左右最為恰當(dāng)。3） 承受單一方向彎矩的結(jié)構(gòu)件，當(dāng)高度方向?yàn)槭軓澐较驎r(shí)，截面應(yīng)選取矩形。4） 承受純轉(zhuǎn)矩的支承件截面優(yōu)選圓環(huán)形。5） 封閉截面剛度遠(yuǎn)大于不封閉截面，截面無法封閉的零件應(yīng)該采取剛度補(bǔ)償措施。6） 開孔的結(jié)構(gòu)抗扭剛度一般會(huì)下降50%以上。7） 當(dāng)孔洞外緣增加時(shí)，凸臺(tái)會(huì)提高抗扭剛度，凸臺(tái)的高度一般等于壁厚。8） 大件導(dǎo)軌過渡壁厚剛度的提高前提是大件本身剛度的提高。9） 結(jié)構(gòu)件的連接分為爪座式、翻邊式和壁龕式。其中壁龕式最優(yōu)，剛度在翻邊式的基礎(chǔ)上提高4倍。10） 螺栓與工件凸緣的壁厚比為1～1.2時(shí)，工件接觸變形最小，采用較小螺栓直徑和較多個(gè)數(shù)時(shí)對工件變形來說相對有利。11）固定接觸面刮研會(huì)使接觸點(diǎn)分布均勻，增加實(shí)際接觸面積，極大地提高接觸剛度。12） 箱體精加工主要安裝主軸軸承、套筒主軸以及膠圈等部件，孔口倒角的要求角度為20 °～30 °，粗糙度為Ra1.25，避免劃傷關(guān)鍵部件。13） 結(jié)構(gòu)件在一般情況下質(zhì)量都比較大。不僅要考慮加工過程中的起吊，還要考慮裝配過程中的起吊環(huán)節(jié)、重心的位置以及起吊平衡性等安全問題。

5 結(jié)語

該文通過對機(jī)床結(jié)構(gòu)配置、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及優(yōu)化工藝性等方面的闡述對機(jī)床結(jié)構(gòu)件的精細(xì)化進(jìn)行了理念上的論述，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的一些原則性問題進(jìn)行了解析，同時(shí)對多年來積累的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)做出了總結(jié)。希望在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中可以為工程技術(shù)人員提供一些參考。