成本识脆、環(huán)保倔既、能源等因素使機(jī)床輕量化一直以來成為各機(jī)床制造廠的技術(shù)方向呢蔫。機(jī)床輕量化是在保證機(jī)床剛度和精度的前提下切心，減輕機(jī)床的質(zhì)量，節(jié)省材料片吊，降低機(jī)床使用時(shí)的能源消耗绽昏。本文主要從設(shè)計(jì)輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化三個(gè)方面來闡述理論與實(shí)踐的有效結(jié)合全谤。

設(shè)計(jì)輕量化

實(shí)踐證明肤晓，模塊化設(shè)計(jì)是行之有效的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)可縮短設(shè)計(jì)和開發(fā)周期认然；零部件具有通用性补憾，可縮短生產(chǎn)周期，大幅降低生產(chǎn)成本反俱，提高機(jī)床的性能價(jià)格比忱厨；同時(shí)便于維修、拆卸及回收炸一，使資源得到最大限度的利用鲤瞪，節(jié)省資源。

模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)床設(shè)計(jì)中將零部件分為兩類猾蔫，第一類零部件可用模塊進(jìn)行組合吻蟹，一臺(tái)機(jī)床的設(shè)計(jì)工作量接近90%以上就已完成。第二類零部件即客戶特殊定貨部分瀑乡。模塊化設(shè)計(jì)便于發(fā)展變型產(chǎn)品果邢。

徐燕申“基于廣義模塊化原理”曾提出框架結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)在于縮短設(shè)計(jì)和調(diào)試周期橙挽，產(chǎn)品更新?lián)Q代快辙恨。

我公司在20世紀(jì)90年代就開始摸索立、臥車模塊化設(shè)計(jì)及應(yīng)用冶驴。自2003年規(guī)劃新型譜模塊起赡模，全面推行模塊化設(shè)計(jì)，推進(jìn)ERP管理系統(tǒng)及制造標(biāo)準(zhǔn)化师抄，在實(shí)踐中取得了顯著的成果漓柑。如下：

功能部件模塊化

如主軸箱模塊、刀架模塊叨吮、床身模塊辆布、尾座模塊、電氣模塊茶鉴、液壓模塊等等锋玲，在ERP管理系統(tǒng)下顯示了強(qiáng)大的優(yōu)勢。功能部件模塊可用于通用機(jī)床涵叮，也可用于專機(jī)惭蹂，用最少的功能部件模塊組合盡可能多的品種的機(jī)床，零件通用性高割粮，設(shè)計(jì)周期和制造周期短盾碗，生產(chǎn)成本大幅降低媚污。

結(jié)構(gòu)模塊化

如主軸箱模塊，根據(jù)承重廷雅、轉(zhuǎn)速登彪、花盤扭矩、主軸精度等指標(biāo)由標(biāo)準(zhǔn)化部門給每個(gè)主軸箱模塊授模塊號(hào)城搀。結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)遵循少而精、通用化挤胃、系列化诞茶、標(biāo)準(zhǔn)化的原則。在機(jī)床設(shè)計(jì)中君博，根據(jù)所需指標(biāo)選擇相應(yīng)的模塊號(hào)進(jìn)行組合即可哆幸。

結(jié)構(gòu)最簡化原則

如我公司在國家科技重大專項(xiàng)課題2009ZX04002-042項(xiàng)目中的DTB500×160／250L-NC 數(shù)控重型深孔車鏜床，是一臺(tái)具有車慧贩、鏜集成復(fù)合功能凫体，重載，高精度的數(shù)控重型臥式車鏜床抡悼。在整機(jī)布局的研究中堅(jiān)持結(jié)構(gòu)最簡化原則卿俺，機(jī)床總體布局為分離四導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，刀架床身和工件床身高低布置篮烈。機(jī)床分車削部分功能部件和鏜削部件兩大部分颜说。

車削部分功能部件選用模塊進(jìn)行組合，鏜削部件進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)汰聋。鏜削部件安裝在工件床身上门粪，導(dǎo)向中心架與尾座上體互換，鏜桿支架與鏜削進(jìn)給裝置安置在尾座后側(cè)烹困。（在該項(xiàng)目中導(dǎo)向中心架與尾座上體高效玄妈、高精度保持性的互換技術(shù)已申請國家專利）車刀架縱向移動(dòng)可通過工件床身上的所有部件，避免了在車髓梅、鏜工序轉(zhuǎn)換中不必要的拆裝拟蜻。該機(jī)床設(shè)計(jì)以最簡機(jī)床結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一次性裝卡大型回轉(zhuǎn)零件可進(jìn)行外圓車削加工和內(nèi)孔深孔鏜削加工，實(shí)現(xiàn)車女淑、鏜集成復(fù)合功能瞭郑，使其具有優(yōu)良的性能價(jià)格比。

傳動(dòng)系統(tǒng)盡量縮短傳動(dòng)鏈鸭你，運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

如我公司在國家科技重大專項(xiàng)課題2009ZX04002-042項(xiàng)目中的DTB500×160／250L-NC 數(shù)控重型深孔車鏜床的鏜桿進(jìn)給系統(tǒng)屈张，要求具有高傳動(dòng)剛度及低速運(yùn)行平穩(wěn)特性。鏜削進(jìn)給裝置在工件床身上中心高為2,600mm袱巨，重量較大讽益。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用西門子交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)逊床，經(jīng)大降速比減速器傳至雙齒輪—齒條機(jī)構(gòu)，與工件床身上的大模數(shù)齒條嚙合泞叉，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)盡量縮短傳動(dòng)鏈蚪库，保證了進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度及低速運(yùn)行的平穩(wěn)性，實(shí)際運(yùn)行情況良好嫡决。

外配套件優(yōu)化選用

如選擇軸承時(shí)人杜，常規(guī)產(chǎn)品的軸承由于批量生產(chǎn)，價(jià)格較低坷疙。而非常規(guī)產(chǎn)品如輕型系列軸承皱蝙，需要另做模具，增加了軸承的成本涕肪，所以相同規(guī)格中輕型系列軸承的價(jià)格反而高矮层。所以設(shè)計(jì)師選用外配套件時(shí)，不僅要考慮功能指標(biāo)锌烫、精度指標(biāo)晓言，更重要的是要了解哪些屬于常規(guī)產(chǎn)品，哪些屬于非標(biāo)產(chǎn)品啸盏。優(yōu)化選用外配套件重贺，可節(jié)約大量成本。

結(jié)構(gòu)輕量化

在保證剛度和精度的前提下宫补，減輕機(jī)床基礎(chǔ)大件的重量檬姥，合理布局筋板，需要做理論計(jì)算粉怕，計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)健民。

孫靖明教授最早開展了機(jī)床結(jié)構(gòu)計(jì)算的有限元研究工作，為機(jī)床零部件的局部輕量化工作打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)贫贝，他開發(fā)的二秉犹、三維有限元計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)了機(jī)床部分大件的靜、動(dòng)態(tài)剛度計(jì)算求解稚晚。

聶紹珉等采用有限元與優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法崇堵，研制開發(fā)了機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件包。

丁曉紅等提出了“機(jī)床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”（專利號(hào)201010154882.9）圍繞車床床身結(jié)構(gòu)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)客燕，通過建立3個(gè)階段的數(shù)學(xué)模型鸳劳，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，使床身結(jié)構(gòu)達(dá)到最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合性能张鸟。

我公司在推行模塊化設(shè)計(jì)之初念澜，就在實(shí)驗(yàn)室專配工程師對(duì)基礎(chǔ)大件建模進(jìn)行有限元分析，對(duì)床身牌度、主軸箱體禾样、刀架體驱香、尾座體等基礎(chǔ)大件優(yōu)化設(shè)計(jì)，使鑄件壁厚設(shè)計(jì)合理怨瑰，筋板厚度及布置合理示奉，在保證剛度的前提下，控制基礎(chǔ)大件重量惨琼，節(jié)約原材料皇铝，降低制造成本。后期隨著三維軟件的普及涧馋，一般工程師設(shè)計(jì)也能夠進(jìn)行有限元分析嘉警，完成對(duì)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

我公司在對(duì)機(jī)床基礎(chǔ)大件的鑄件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)沪识，逐漸將一部分鑄件改為焊接鋼件，如大型立車的立柱娱局、橫梁等彰亥，實(shí)踐中已取得顯著成果。設(shè)計(jì)將鑄件改為鋼件焊接衰齐，在保證構(gòu)件剛度和精度的前提下任斋，不僅減輕了重量，提高性價(jià)比耻涛，還有利于環(huán)保废酷。

國內(nèi)學(xué)者和工程技術(shù)人員經(jīng)過努力，開發(fā)了有關(guān)的優(yōu)化軟件用于構(gòu)件的局部優(yōu)化抹缕，但仍主要停留在靜態(tài)設(shè)計(jì)階段澈蟆，對(duì)機(jī)床系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加工過程考慮不多，相應(yīng)的機(jī)床可靠性問題沒有得到根本解決卓研，增加了機(jī)床維護(hù)成本趴俘，因此企業(yè)急需機(jī)床剛度、強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)性能約束下的輕量化設(shè)計(jì)方法和技術(shù)體系奏赘，從而縮短與發(fā)達(dá)國家產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造差距寥闪。

材料輕量化

材料輕量化是一種以環(huán)保、節(jié)能為主題的優(yōu)化設(shè)計(jì)钮药。

樹脂混凝土是一種新興結(jié)構(gòu)材料椭梁，是一種由天然礦石（不同尺寸、來源）和環(huán)氧樹脂（作為粘合劑）為主的混合物尺果。與傳統(tǒng)的鑄鐵相比捻奉，樹脂混凝土不僅環(huán)保、能耗低左蛙、還具有精度高肘何、吸振性好矫震、整合性高等優(yōu)勢。

在歐美等國家機(jī)床產(chǎn)業(yè)中艰膀，新型材料樹脂混凝土得到了很大的發(fā)展控屡，特別是在高精度機(jī)床的床身應(yīng)用方面，樹脂混凝土正逐漸替代傳統(tǒng)的鑄鐵辫田。目前峻维，越來越多的國際機(jī)床制造商開始設(shè)計(jì)使用樹脂混凝土的機(jī)床。對(duì)中國巿場來說嚎论，該領(lǐng)域還是空白桐猬。

泡沫金屬復(fù)合材料是新型機(jī)床材料的典型材料。泡沫金屬是將氣體注入融化的金屬而成的低密度材料刽肠，目前在機(jī)床上使用最多的是將鋁泡沫金屬夾在兩層薄鋼板中間制成的鋼-鋁泡沫金屬復(fù)合板溃肪，這種復(fù)合板具有很高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的阻尼特性，非常適合用于大型機(jī)床的機(jī)體結(jié)構(gòu)音五。

瑞士GF加工方案的米克朗HPM 1850U龍門加工中心惫撰，在使用了泡沫金屬復(fù)合板制造滑枕后，滑枕的整體重量減輕了300Kg躺涝，大幅節(jié)省材料厨钻。由于滑枕移動(dòng)質(zhì)量輕，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)荷下降坚嗜，可以選配更小功率的伺服電機(jī)夯膀。

目前在材料輕量化方面，雖然我公司機(jī)床的基礎(chǔ)大件還沒有采用樹脂混凝土作為鑄件材料苍蔬，也沒有將鋼-鋁泡沫金屬復(fù)合板作為焊接大件材料诱建，但在材料輕量化方面也做了一些嘗試，如我公司在國家科技重大專項(xiàng)課題2009ZX04002-042項(xiàng)目中的DTB500×160／250L-NC 數(shù)控重型深孔車鏜床碟绑，設(shè)計(jì)的內(nèi)孔直徑為φ800的鏜桿套和內(nèi)孔直徑為φ400的鏜桿套共8套恃感，用ZA30-C替代傳統(tǒng)材料銅套，重量輕且成本低螺喂，在實(shí)際使用時(shí)性能良好侦需。

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