机床结构件轻量化设计的研究现状与进展

赵星 蔡牟辰

沈阳机床股份有限公司

机床结构件轻量化设计的研究现状与进展

赵星 蔡牟辰

沈阳机床股份有限公司

随着我国工业经济的飞速发展，机床结构件也在不断的发展更新，对其进行轻量化设计，在保证机床基本性能的基础上减轻主轴的重量，不仅减少支承件在制造过程中的原材料的投入，而且有效降低能源消耗，经济又环保，这也是加工制造业发展的大势所趋。

机床结构件 轻量化 设计优化

机床轻量化设计是指在满足机床性能的前提下减少结构件的重量，从而达到减少原材料和能源损耗，优化机床性能，实现绿色制造的目的。是随着高速加工技术的发展，机床结构件的复杂程度越来越高，而结构的轻量化要求也受到越来越多的关注。高速加工机床结构设计的方向之一是增强刚性和减轻移动部件质量。所以，提高机床运动构件比刚度成为高速机床结构设计的重要主题。因此，在高速机床的结构设计中，沿袭数十年的普通数控机床的传动与结构已远远不能适应要求，有必要进行全新设计。而在研究中采用创新的思维方式有助于实现跨越式发展，用更短的时间提高国产机床设计水平。

一、机床结构件设计存在的问题

近年来研究人员对机床结构与性能做了广泛的探讨，通过建立机床整机的有限元模型并对其进行性能分析，找到机床结构的薄弱环节，用以指导机床结构的优化设计。然而，机床的整体结构是由床身、工作台、立柱、主轴箱等支承件组成。它们作为基础部件，起到承载、定位和连接的作用，其结构特征和性能在很大程度上影响甚至决定了机床的整机性能，是机床轻量化设计的基础和关键。现有的机床结构件的设计多基于设计者的已有经验和理论水平，因此存在一定的结构不确定性，只能在实际使用过程中发现结构中的弱点，并在后续的制造中加以改进。长期以来，机床结构件的设计都是采用一般的结构计算方法，如材料力学、结构力学以及弹性力学等公式进行计算，这对设计者的专业理论基础有较高的要求。机床结构件的优化多是对原有结构的重复性设计（如筋板的布置、尺寸的优化等），缺乏原则性的指导，且改进周期较长、耗费财力。机床结构件的设计中虽然引入了许多先进的优化算法和设计理论，但对结构仿生的应用还很少，有必要采用仿生学等理论方法实现结构创新设计。

二、机床主轴箱的轻量化设计

本文在对大量研究资料学习和借鉴的基础上对机床主轴箱轻量化设计进行研究，通过对主轴箱主体拓扑优化来实现轻量化的设计目标。本文设计利用ANSYS有限元软件对主轴箱结构体进行有限元分析，探求主轴箱结构的最理想的传力路径。拓扑优化的过程主要分两个步骤进行，首先对优化参数进行定义并进行拓扑优化。参数优化定义主要是针对优化函数、目标函数以及结构体的约束条件进行定义。同时，通过两种途径进行拓扑优化，一种途径是对结构体的每一次拓扑优化迭代加以执行和控制，另一种途径是对结构体自动进行多次拓扑优化迭代。利用ANSYS有限元软件的拓扑优化命令进行结构拓扑优化处理和控制。首先，将应力大的部位的形状进行调整，将薄弱环节予以增强，用圆角过渡肋片替代将原设计中的折角肋片。将质量富余的部门进行削减，同时将X方向板厚度进行削减，长度进行适当的缩短。其次，将多次优化的主轴箱与原主轴箱进行对比和验证，确定下一步优化的方向，将最终优化后的主轴箱利用ANSYS软件进行有限元分析，得到主轴箱优化设计后的应力云图和位移云图，云图看出优化后的主轴箱具有足够安全的强度，而且能够满足精度上的要求，在质量上得到明显的减少，拓扑优化结构比较满意。

三、机床结构仿生的轻量化设计

自然界中生物利用周围环境的材料和自身产生的物质形成了令人惊叹的结构形式，具有合理、精炼、高效的特点。特别是一些生物体结构具有高比刚度、比强度，如果将生物体结构中的优化方法进行提取并应用于机械产品的设计中，往往能够达到降低质量、优化结构、提高性能的目的。结构仿生设计突破了传统方法的局限性，代表了机床设计与制造的发展方向。设计者已经初步进行了相关的研究工作，逐步将生物体的优良结构应用于机床结构件的设计中。在面积相同的几何图形中是空间利用率最高的，如今许多要求高比刚度、比强度的结构设计都运用了蜂窝结构特性，如飞机、汽车、建筑等领域，在机床结构的轻量化设计中也逐步受到重视。如：大连机车车辆厂引进的某龙门加工中心，其工作台、床身、立柱、横梁和滑枕等大铸件的内腔系蜂巢式复合排列结构，设计先进，且经时效及二次回火处理，消除残留内应力，使材质稳定，确保工件加工精度的稳定及机床寿命，提高了结构件的比刚度。在给定的载荷及支撑条件下，薄板结构的加强筋从选定的一些种子出发，遵循自适应成长规律，沿着能使结构整体刚度最大的方向成长，结果表明，该方法比现有的设计方法简单而高效。如果能够在机床的典型板类结构件采用叶脉结构可能取得轻量化的结果。利用叶脉结构对龙门铣床的横梁进行了结构仿生改进，实现了结构的轻量化。基于生物体的网状结构特性进行了仿生设计，改进了工作台底面的筋板布置，设计结果表明：仿生工作台的质量和最大变形均减小，使得比刚度显著增大，仿生工作台的5阶以下固有频率略高于原型工作台。可以选择自然界中类似承力情况的植物茎秆结构，进行相似性分析及仿生轻量化应用。综合利用生物茎秆结构对机床工作台进行了仿生设计，提高了比刚度。动物的骨架是承载体重的优良结构，如生物力学的相关研究表明，股骨在自适应生长过程中不断塑形，最终的承载结构具有很好的刚度。

四、结语

机床结构轻量化是高速加工中保证加工表面质量和提高刀具耐用度的基本要求。而在研究中，采用创新的思维方式有助于实现跨越式发展，用更短的时间提高国产机床设计水平。从自然界中成熟的生物体形态、结构与力学特征中吸取灵感，并进行分析、提炼和复制，通过结构仿生设计，将会提高资源的利用率，产生更加精炼而合理的、节约材料和能源的、具有竞争力的绿色结构。

[1]赵岭.机床结构件轻量化设计的研究现状与进展[J].机床与液压，2015.

[2]王海云.卧式车床支承件结构构型与参数研究[J].企业文化，2016.