機床結構件輕量化設計的研究現狀與進展

趙星 蔡牟辰

沈陽機床股份有限公司

機床結構件輕量化設計的研究現狀與進展

趙星 蔡牟辰

沈陽機床股份有限公司

隨著我國工業經濟的飛速發展，機床結構件也在不斷的發展更新，對其進行輕量化設計，在保證機床基本性能的基礎上減輕主軸的重量，不僅減少支承件在制造過程中的原材料的投入，而且有效降低能源消耗，經濟又環保，這也是加工制造業發展的大勢所趨。

機床結構件 輕量化 設計優化

機床輕量化設計是指在滿足機床性能的前提下減少結構件的重量，從而達到減少原材料和能源損耗，優化機床性能，實現綠色制造的目的。是隨著高速加工技術的發展，機床結構件的復雜程度越來越高，而結構的輕量化要求也受到越來越多的關注。高速加工機床結構設計的方向之一是增強剛性和減輕移動部件質量。所以，提高機床運動構件比剛度成為高速機床結構設計的重要主題。因此，在高速機床的結構設計中，沿襲數十年的普通數控機床的傳動與結構已遠遠不能適應要求，有必要進行全新設計。而在研究中采用創新的思維方式有助于實現跨越式發展，用更短的時間提高國產機床設計水平。

一、機床結構件設計存在的問題

近年來研究人員對機床結構與性能做了廣泛的探討，通過建立機床整機的有限元模型并對其進行性能分析，找到機床結構的薄弱環節，用以指導機床結構的優化設計。然而，機床的整體結構是由床身、工作臺、立柱、主軸箱等支承件組成。它們作為基礎部件，起到承載、定位和連接的作用，其結構特征和性能在很大程度上影響甚至決定了機床的整機性能，是機床輕量化設計的基礎和關鍵。現有的機床結構件的設計多基于設計者的已有經驗和理論水平，因此存在一定的結構不確定性，只能在實際使用過程中發現結構中的弱點，并在后續的制造中加以改進。長期以來，機床結構件的設計都是采用一般的結構計算方法，如材料力學、結構力學以及彈性力學等公式進行計算，這對設計者的專業理論基礎有較高的要求。機床結構件的優化多是對原有結構的重復性設計（如筋板的布置、尺寸的優化等），缺乏原則性的指導，且改進周期較長、耗費財力。機床結構件的設計中雖然引入了許多先進的優化算法和設計理論，但對結構仿生的應用還很少，有必要采用仿生學等理論方法實現結構創新設計。

二、機床主軸箱的輕量化設計

本文在對大量研究資料學習和借鑒的基礎上對機床主軸箱輕量化設計進行研究，通過對主軸箱主體拓撲優化來實現輕量化的設計目標。本文設計利用ANSYS有限元軟件對主軸箱結構體進行有限元分析，探求主軸箱結構的最理想的傳力路徑。拓撲優化的過程主要分兩個步驟進行，首先對優化參數進行定義并進行拓撲優化。參數優化定義主要是針對優化函數、目標函數以及結構體的約束條件進行定義。同時，通過兩種途徑進行拓撲優化，一種途徑是對結構體的每一次拓撲優化迭代加以執行和控制，另一種途徑是對結構體自動進行多次拓撲優化迭代。利用ANSYS有限元軟件的拓撲優化命令進行結構拓撲優化處理和控制。首先，將應力大的部位的形狀進行調整，將薄弱環節予以增強，用圓角過渡肋片替代將原設計中的折角肋片。將質量富余的部門進行削減，同時將X方向板厚度進行削減，長度進行適當的縮短。其次，將多次優化的主軸箱與原主軸箱進行對比和驗證，確定下一步優化的方向，將最終優化后的主軸箱利用ANSYS軟件進行有限元分析，得到主軸箱優化設計后的應力云圖和位移云圖，云圖看出優化后的主軸箱具有足夠安全的強度，而且能夠滿足精度上的要求，在質量上得到明顯的減少，拓撲優化結構比較滿意。

三、機床結構仿生的輕量化設計

自然界中生物利用周圍環境的材料和自身產生的物質形成了令人驚嘆的結構形式，具有合理、精煉、高效的特點。特別是一些生物體結構具有高比剛度、比強度，如果將生物體結構中的優化方法進行提取并應用于機械產品的設計中，往往能夠達到降低質量、優化結構、提高性能的目的。結構仿生設計突破了傳統方法的局限性，代表了機床設計與制造的發展方向。設計者已經初步進行了相關的研究工作，逐步將生物體的優良結構應用于機床結構件的設計中。在面積相同的幾何圖形中是空間利用率最高的，如今許多要求高比剛度、比強度的結構設計都運用了蜂窩結構特性，如飛機、汽車、建筑等領域，在機床結構的輕量化設計中也逐步受到重視。如：大連機車車輛廠引進的某龍門加工中心，其工作臺、床身、立柱、橫梁和滑枕等大鑄件的內腔系蜂巢式復合排列結構，設計先進，且經時效及二次回火處理，消除殘留內應力，使材質穩定，確保工件加工精度的穩定及機床壽命，提高了結構件的比剛度。在給定的載荷及支撐條件下，薄板結構的加強筋從選定的一些種子出發，遵循自適應成長規律，沿著能使結構整體剛度最大的方向成長，結果表明，該方法比現有的設計方法簡單而高效。如果能夠在機床的典型板類結構件采用葉脈結構可能取得輕量化的結果。利用葉脈結構對龍門銑床的橫梁進行了結構仿生改進，實現了結構的輕量化。基于生物體的網狀結構特性進行了仿生設計，改進了工作臺底面的筋板布置，設計結果表明：仿生工作臺的質量和最大變形均減小，使得比剛度顯著增大，仿生工作臺的5階以下固有頻率略高于原型工作臺。可以選擇自然界中類似承力情況的植物莖稈結構，進行相似性分析及仿生輕量化應用。綜合利用生物莖稈結構對機床工作臺進行了仿生設計，提高了比剛度。動物的骨架是承載體重的優良結構，如生物力學的相關研究表明，股骨在自適應生長過程中不斷塑形，最終的承載結構具有很好的剛度。

四、結語

機床結構輕量化是高速加工中保證加工表面質量和提高刀具耐用度的基本要求。而在研究中，采用創新的思維方式有助于實現跨越式發展，用更短的時間提高國產機床設計水平。從自然界中成熟的生物體形態、結構與力學特征中吸取靈感，并進行分析、提煉和復制，通過結構仿生設計，將會提高資源的利用率，產生更加精煉而合理的、節約材料和能源的、具有競爭力的綠色結構。

[1]趙嶺.機床結構件輕量化設計的研究現狀與進展[J].機床與液壓，2015.

[2]王海云.臥式車床支承件結構構型與參數研究[J].企業文化，2016.