淺談機床結構件的精細化設計

邱 巖

（沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142）

0 引言

數控機床產品是集機械、電子、液流和光感為一體的系統工程。設計開發的每個環節和設計藍圖中的每道線條都會影響產品的技術性能、效率、可靠性以及產品的直接成本和用戶的最終體驗。結構件的精細化設計是在聚焦產品技術性能的前提下兼顧直接成本和用戶體驗的相對完整的設計理念。

結構精細化設計目標是在各種機床內外部限定的條件下設計出最好的機械結構，即做出優化設計。優化設計需要綜合多種因素進行平衡性設計。例如，最佳工作性能、最低制造成本、最小尺寸和質量、最可靠、最低消耗和最少環境污染等。精細化設計方法主要是將有限元分析與以往的技術積累和制造技術相結合，其結合度越高，越能達到理想的設計方案。

1 機床結構配置

現代數控機床結構的特點是在床身、立柱或基座等基礎固定結構件上配置移動部件，在數控程序控制下完成工件與刀具的相對運動，從而實現加工過程。在產業鏈外部化和專業化的今天，機床廠商不會自己完全開發或制造出所有的功能部件，大多數機床廠商的功能部件都是由專業的供應商來提供的，機床的運動組合、配置和結構才是整機開發廠商設計工作的核心。機床結構的總體配置決定了機床的用途和性能，是產品特征的集中體現和創新的關鍵。

1.1 機床結構件在產品中的關鍵作用

結構件在產品中主要有4個作用：1）支撐移動部件運動。2）承擔加工過程中的切削力及變形力。3）承擔運動部件的慣性力。4）承擔加工過程和運動副摩擦產生熱的影響。

1.2 結構件設計的目標任務

在滿足機床性能要求的前提下取得需求與消耗的平衡。要求機床在各種載荷和熱的作用下變形小，同時材料和能源消耗最少。事實上這是一對矛盾體，而我們要在二者之間尋求最佳的平衡點，這也是體現優質結構巧妙設計的關鍵。

1.3 結構件設計遵循的基本原則

結構件設計是追尋高效、高精度和成本優化、能耗優化平衡的過程。一般可以遵循以下7項原則[1]：1） 運動部件輕量化原則。運動部件的質量應該盡量做輕，從而減少驅動功率和移動慣性力的影響。該條同樣適合回轉部件。2） 運動重心驅動原則。移動部件的驅動力源盡量作用在部件的重心軸線上，從而減少及避免移動時產生的偏轉力矩。3）結構對稱原則。結構件的布置盡量左右對稱，這樣不僅使部件看上去美觀協調，更重要的是可以使結構件在承受熱變形的時候更加均勻。4） 短路程原則。從刀具到加工工件的傳導路徑盡量短，使零件間的熱傳導和結構彈性回路最短，也可以理解成刀具載荷和被加工工件的機床結構材料和結合面數越少，機床越容易達到穩定平衡。5） 短懸臂原則。因為角度誤差在運動過程中往往會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） 受力閉環原則。切削力及慣性力可由多條路徑傳遞到地基為力閉環結構。7） 結構配置的設計選擇，應以聚焦產品定位，滿足需求指標為先，權衡剛性指標，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計最佳方案，就要權衡利弊，尋找最適合的方案。

2 結構件優化設計

2.1 機床結構件優化的目標

結構件可以分為固定性的基礎結構件（例如，床身、立柱、底座以及橫梁等）和移動性結構件（例如，滑鞍、滑板、工作臺以及滑枕等）。固定性結構件優化設計的關鍵是材料的最佳分配。在保證機床靜態和動態性能的前提下使移動性部件輕量化是另一關鍵。結構優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，實現高剛度和高剛度質量比[2]。

筆者通過對機床多年的開發和制造的積累得出，對于結構件的設計，精密設備主要考慮移動部件的輕量化及熱應力；中小型產品的結構件的優化主要考慮切削力；大型設備主要考慮工件重力、移動部件重力和切削力。

2.2 優化設計方法

目前，結構優化設計是使用有限元分析軟件，將有限元分析與加工工藝、設計經驗結合，確定理想的設計方案。有限元分析主要在靜力、模態以及熱變形3個維度對零部件進行分析與拓撲優化。拓撲優化的約束一般以質量或剛度約束為主。對于一般性結構件要從靜力、模態2個維度分析，將分析結果與拓撲優化結果對比并結合材料成型工藝技術和加工工藝條件進行優化。對于主軸箱這類存在熱源集中的關鍵結構件，除了完成靜力、模態分析，還需要進行熱變形分析，降低其熱變形對于機床加工的影響[2]。

2.3 輕量化設計與極簡化設計

輕量化設計是結構優化設計的重要環節，其核心理念為輕化移動部件、降低驅動功率、提高效率、提高運行穩定性以及降低制造成本；具備足夠的剛度，不需要剛度過剩；應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構輕量化。即按照載荷大小構建理想結構件，借助拓撲優化軟件按照結構件中應力大小來分布材料的位置，是機床結構優化設計的首選方法。

極簡化設計同樣是結構優化設計的重要環節，是1種設計風格和態度。結構設計應該盡量減少零件品種減少固定結合面的數量，從而降低接觸變形。減少不必要的結構并且降低成本。例如，在絲杠傳動件中，電機座與軸承座往往是分開的，新產品設計中將軸承座與電機座進行一體化設計，減少了中間結合面，縮短了震動路徑，減少了誤差傳遞。同樣，整體式尾座日漸取代了傳統的分體式尾座。國外車床產品普遍將刀架體與滑板體結合，消除了結合面把合應力，縮短了切削路徑，精度和剛性都得到了提升。

2.4 結構件材料的選擇

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

鋼板焊接的運動結構件得到了大家的認可，主要是由于其具有易滿足輕量化需求的特點。

機床結構件的新材料，例如樹脂混凝土、碳纖維增強材料以及花崗石等材料都得到了應用。樹脂混凝土材料也稱人造大理石或礦物鑄造基座，因為其具有熱穩定性好、阻尼系數大以及耐腐蝕等優點，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；同等質量下其與鑄件的剛度相同。由于在實際使用中該零件都是實心澆筑的，因此它的實際剛度遠超鑄件。在初期試制過程中往往使用鑄件來進行樣機的試制；在產品結構成熟以及將基座改為樹脂混凝土材料后，產品的剛度及穩定性將會得到大幅度的提高。由于目前市場上該基座的價格略低于需要二次回火進行精加工的鑄件基座，因此其具有很高的推廣價值。如圖1、圖2所示，輕量化焊接設計后的結構件與原鑄造結構件相比，材料質量直接降低45%，熱變形直接降低32%。

2.5 結構件形狀尺寸的確定

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線抓手之間相對運動的行程。在結構件的諸多尺寸元素中，一般先確定結構的長度及高度。

尺寸設計中的具體數值同樣不能隨意確定。在滿足技術要求的前提下，要遵循“優先數”原則。例如，軸承孔徑φ62 mm在下加膠圈的端蓋時，要設計斷層，即端蓋止口φ63 mm，其中63 mm是優先數，膠圈的外徑規格是按照“優先數”設計的。

“優先數”的應用，最大的好處就是“標準化”。“標準化”的工作流程是將。產品的所有參數包括零部件的功能參數及接口尺寸按“優先數”系列化后再進行標準化。“優先數”使我們在設計產品時生產系列化產品而不是設計完后再進行“標準化”[3]。

由于1個成功的設計往往是新技術、設計經驗及試驗與測試的有機結合，因此工程技術人員除了具備一定的有限元分析能力之外，還要有豐富的知識儲備，同時要了解鑄造、加工和裝配等制造工藝技術。

圖1 構件鑄造示意圖

圖2 構件輕量化焊接結構示意圖

3 結構件工藝性優化

3.1 基準的合理性

結構件基準的確定，主要從裝配基準和加工基準2個方面考慮[4]。

首先，將裝配安裝基準作為零件設計基準。具體注意以下5點：1） 要明確零件在整機裝配過程中的結構狀態及其在整機結構中起的作用。2） 要明確需要達到的零件加工精度，以滿足既定的功能要求。3） 要明確零件的安裝基準。4） 在裝配流程的檢測過程中，基準的設定要便于測量、檢驗。5） 如果有加工不合格的零件，選取的基準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作為零件設計基準。加工零件選取的基準面應該利于劃線和粗加工。由于通常的加工順序是先加工基準面，再利用基準面進行定位來加工其他的位置，因此基準面的選取一定要慎重。當1個零件處于毛坯狀態時，如果外形結構適合，則作為基準面來加工；加工好基準面后，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，從而確定其是否適合作為基準面加工別的位置。

總之，結構件基準的選擇，涉及零件本身的結構，相關的加工、裝配工藝以及產品制造成本的控制等多個方面。

3.2 形位公差、尺寸公差，表面粗糙度的合理性，經濟性

各項公差配合、表面粗糙度要滿足機床技術精度指標要求。公差值的標注通常沒有可供我們使用的固定數值。根據零件在部件裝配中的作用，對關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到的精度要求，根據機床的精度要求、工藝性要求以及機械設備的加工能力等來選取合適的數值。該數值應該滿足零件在加工、裝配后所需要的精度數值。

結合筆者多年的機床研發的經驗，一些精度標注的細節需要注意：要求平行的2個表面的平面度公差值應小于平行度公差值；同一要素上給出的形狀公差值應該小于位置公差值；圓柱形零件的形狀公差一般情況下應該小于其尺寸公差值；平行度公差值應該小于相應的距離公差值；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，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個部分組成，圓柱度應該小于圓度、直線度和平行度的綜合；同軸度以2個要素中的較長者為基準；圓跳動是以設計或工藝給出的支承面為基準，在2個要素中，可以以較長的1個面為基準。

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

3.3 工藝凸臺的合理性，減少加工面

結構件設計要考慮減少加工面，在適當的情況下增加工藝凸臺，節能減排，降低成本。但是在設計需要進行研磨、或刮研結構表面時應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，同時還要考慮刮研空刀，避免漏刮。對于結構件接觸面的設計需要計算把合螺栓的把合直徑，確定結合面長寬比。凸臺設計不要過于密集，具有連續孔面時盡量不要設計凸臺。

4 結構件設計的技術積累

結構件設計過程需要注意以下13點：1） 當框架結構件截面積一定時，空心截面比實心截面的慣性矩大，滿足工藝要求時應該盡量減少壁厚，提高抗彎強度。2） 結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。3） 承受單一方向彎矩的結構件，當高度方向為受彎方向時，截面應選取矩形。4） 承受純轉矩的支承件截面優選圓環形。5） 封閉截面剛度遠大于不封閉截面，截面無法封閉的零件應該采取剛度補償措施。6） 開孔的結構抗扭剛度一般會下降50%以上。7） 當孔洞外緣增加時，凸臺會提高抗扭剛度，凸臺的高度一般等于壁厚。8） 大件導軌過渡壁厚剛度的提高前提是大件本身剛度的提高。9） 結構件的連接分為爪座式、翻邊式和壁龕式。其中壁龕式最優，剛度在翻邊式的基礎上提高4倍。10） 螺栓與工件凸緣的壁厚比為1～1.2時，工件接觸變形最小，采用較小螺栓直徑和較多個數時對工件變形來說相對有利。11）固定接觸面刮研會使接觸點分布均勻，增加實際接觸面積，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，避免劃傷關鍵部件。13） 結構件在一般情況下質量都比較大。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節、重心的位置以及起吊平衡性等安全問題。

5 結語

該文通過對機床結構配置、優化設計以及優化工藝性等方面的闡述對機床結構件的精細化進行了理念上的論述，對結構設計過程中的一些原則性問題進行了解析，同時對多年來積累的一些設計經驗做出了總結。希望在機床結構設計工作中可以為工程技術人員提供一些參考。