轻量化技术在机床设计中的应用.pdf

● 主题绿色棚造技术 。| O p lC S G r e e n M a n u t a c t u r mg l e c h n o t o g y 轻量化技术在机床设计中的应用 谢志坤 路 平 史科科 刘伯聪 沈 阳机床 集 团 有限责任公司设计研 究院研发部 ， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 4 2 摘要 以目前机床制造业的现状为背景 ， 阐述了轻量化技术 的相关知识， 着重分析 了轻量化技术中结构优 化设计技术、 新材料设计技术、 多学科综合优化设计技术在机床设计中的应用情况 ， 同时对轻量化技 术在机床设计 中的应用前景进行了展望 ， 并提出了一些建议。 关键词 结构优化设计技术新材料设计技术 多学科综合优化设计技术 中图分类号 T G5 0 2 文献标识码 A Th e a p p l i c a t i o n o f t h e l i g h t we i g h t t e c h n o l o g y i n ma c h i n e t o o l d e s i g n f i e l d XI E Z hi k un，L U P i n g，S HI Ke ke，LI U Bo c o n g R e s e a r c hD e s i g n I n s t i t u e ， S h e n y a n g Ma c h i n e T o o l G r o u p C o ． ，L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2， C H N Abs t r a c tBa s e d o n t h e c ur r e n t s i t ua t i o n o f t h e ma c h i n e t o o l i n d us t r y，t h i s p a p e r d e s c r i b e s t he r e l a t e d kn o wl e d g e o f l i g h t we i g h t t e c h n o l o g y，a n d e mp h a t i c a l l y a n a l y s e s t h e a p p l i c a t i o n i n ma c h i n e t o o l d e s i g n fie l d o f t h e t e c h n o l o g i e s i nc l u d e d i n t h e l i g h t we i g h t t e c h n o l o g ys t r uc t u r a l o p t i mi z a t i o n d e s i g n，a d v a n c e d ma t e r i a l s d e s i g n a n d i nt e g r a t e d mu l t i d i s c i p l i n a ry o p t i mi z a t i o n ．Me a n whi l e，i t p r e s e n t s t he a p p l i c a t i o n p r o s p e c t o f t h e l i g ht we i g h t t e c h n o l o g y i n ma c h i n e t o o l d e s i g n f i e l d，a n d t h e n g i v e s s o me s u g g e s t i o n s ． Ke ywo r d sS t ruc t u r a l Op t i mi z a t i o n De s i g n；Ad v a n c e d Ma t e r i a l s De s i g n；I n t e g r a t e d Mu l t i d i s c i p l i n a ry Op t i mi z a t i o n 现今 ， 我国机床主体结构的设计更多采用传统材 料力学简化计算与经验设计相结合的方法 ， 由于过于 保守 ， 致使产品设计制造成本过高。过去如果要提高 机床精度 ， 主要依靠提高机体的刚度 ， 而提高机体刚度 又只能通过加大加厚结构 ， 其结果是机床重量的 8 0 ％ 用于保证机床的刚度 ， 只有 2 0 ％用于机床的运动。因 此 ， 如何在保证机床刚度 、 强度 、 动态性能 以及其他指 标的条件下进行机床轻量化设计成为机床绿色制造中 最为有意义的课题。 l 轻量化技术 轻量化技术包括结构优化设计技术 、 新材料设计 技术 、 以及多学科综合优化设计技术。我 国机床制造 业在市场培育下 ， 产 品技术水平和制造能力有很大提 高 ， 但与国际先进水平相 比仍有较大差距 。我 国机床 行业要想获得可持续 的发展 ， 必须尽快研究 、 制造 出符 合社会需要的节能减排的新结构、 新材料 、 新工艺和新 技术 ， 进而得以推广资源节约型、 能源节省型和环境友 好型的绿色设计技术。 1 ． 1 结构优化设计技术 机床结构件的设计 ， 不仅要考虑其静态性能 、 动态 性能 ， 大件重量也是考虑的必要因素。因此 ， 设计出静 态 、 动态性能好 ， 同时质量又不大的机床零部件既可以 提高机床 的整机性能 ， 又可 以降低机床的成本。 利用 第一作者 宋春 生， 男， 1 9 8 1年 生， 博 士， 讲师 ， 主 要研 究方向为碳 纤维复合材料螺旋桨及传动轴设计分 析 ， 磁悬浮技术等。 编辑谭弘颖 收 稿日 期 2 0 1 2 1 0 0 8 ★2 0 1 2绿 色制造技 术论 坛论 文 文章编号 1 2 1 2 1 5 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号 填入读者 意见调查表中 的相应位置。 高速精 密数控机床绿色制造关键技 术开发及应用示范 2 0 1 2 B A F 0 1 B 0 2 S n ． r V 玎 a 7 i 一 僦 一 一 一 一 一 一 一 一 ∞e H Ⅲ 。 材 E m n 维 一 一 ～ ～ ～ 一 一 一 二囊 一 强 _薹 一 峨 合理的优化技术 ， 布置结构件的筋板类型和分布 ， 是现 代设计人员必须要掌握的一项技术。 基于结构优化设计技术 的轻量化设计主要包括 1 在强度刚度约束条件下 ， 对机床的床身 、 立柱等支 撑件进行轻量化设计 ； 2 在动态性 能约束条件下 ， 对 运动部件进行轻量化设计 ， 分析不同动态性能下 ， 机床 关键部件强度 、 刚度 、 模态与重量之间的矛盾 ， 研究机 床受力部件的能量传递 ， 优化运动部件的结构 ， 在满足 动态性 能要求 的条件下实现运动部件的轻量化。综上 所述 ， 机床结构件的优化方法研究是现代机床设计 的 必然发展趋势。 1 ． 2新材料设计技术 近年来 ， 各种新 型轻质多孑 L 材料 ， 包括泡沫金属 ， 蜂窝材料等 ， 在机床上逐渐开始应用。这种新型轻质 多孔材料具有轻质、 应力分布均匀、 降噪以及减振等特 点 ， 可用于机床的运动部件 ， 包括移动工作 台、 滑块 以 及移动导轨等。还可以用于机床的支撑结构 ， 如立柱 、 导轨以及减速箱箱体等。另外 ， 使用新 材料或再生材 料是机床轻量化设计 的一个重要方 面， 如机床 的大尺 寸支承件使用人造花 岗石 ， 或在钢板焊 接的框架 内填 充混凝土 ， 既可 以节省金属资源 ， 又可 以增加抗振性和 热稳定性 ； 对一些受力条件复杂的零 、 部件 ， 使用象碳 素纤维等新材料， 不仅可以使机床结构轻量化， 而且可 以提高寿命； 对一些高硬度耐磨件， 使用陶瓷等材料代 替高硬度钢 ， 既可以减轻重量 ， 又可以节省贵重金属资 源 ， 还可以省去高硬度钢在加工过程中需多次进行的、 耗时耗能的热处理工序。此外 ， 机床运动部件的轻量 化对节能降耗 、 机床减重 以及提高机床 的动力学性 能 有重要的意义 。 1 ． 3 多学科综合优化设计技术 基于多性能耦合 ， 对机床整机轻量化综合优化技 术进行研究 ， 分析机床零部件之间连接方式 、 接 口形式 及相应的能量流动形式 ， 研究轻量化对整机综合性能 的影响 ， 进行关键零部件的结构设计 ， 实现综合性能优 主题绿色制造技术 I 嚣 而- | _ 化 ； 由于现代数控机床是机一 电一 液多学科耦合的复杂 系统 ， 机床的轻量化过程中新材料 的引入以及结构的 改变 ， 必然引起机床动态特性和传动控 制等各方面的 变化， 同时成本的改变也是一个需要考虑的重要因素 。 因此 ， 需要充分 考虑不 同学科 之 间、 不 同子 系统 结 构 之间 、 局部和整体之间的耦合关 系， 采用多学科综 合优化设计方法 ， 来获得系统全局的最优解或非劣解。 如图 1所示 ， 即机床的轻量化设计开发过程中， 在应用 新材料、 新结构减重 的前提 下， 必须考虑其对 制造成 本 、 结构强度 、 刚度 、 传动控制 、 动态特性等在内的机床 综合性能的影响， 以保证轻量化技术与应用的有效性 。 多学科综合优化设计的基本 目的之一是充分利用各学 科 子系统 的相互作用而产生的协同效应 ， 获得工程 系统整体最优解。 1 ． 4 技术展望 实现数控机床的轻量化 ， 还离不开可靠的实验 ， 如 可靠性试验 、 静刚度和动刚度测试试验 、 机床轻量化后 的性能实验 、 新材料制备 与加工实验等。数控机床轻 量化的研究 ， 还需要有充足的现有数控机床的设计和 应用数据 ， 包括设计数据 、 加工工艺数据 、 性能数据 、 维 护数据 、 故障数据等等 ， 如此 庞大 的数据 只有超 大型 的、 产品齐全 的机床企业才能提供 。对于通用数控机 床 ， 其某些方面已经在一定程度达到了接近完善的程 度 ， 故只有在具有较深 的相关理论研究者 、 经验丰富的 设计者和生产者长期合作 、 互通有无才有可能实现减 重的 目的 2 轻量化技术在机床设计中的应用 现在的机床设计人员在进行机床设计 时， 多数采 用类 比设计法 ， 在本单位原有产 品或其他 同类 产品的 基础上进行变化或改进 ， 只要原有产品不出现问题 ， 就 把某些结构及尺寸照搬过来 ， 或进行按 比例放大。这 样做虽然不会造成强度或刚度 的不足 ， 但大多存在结 构尺寸的富余。其实， 有些设备 的设计完全可以进行 ‘u l ‘ 平 l ￡ 删 图1多学科综合优化设计方案图 5 7 在内的机床综合性能的影 响， 以保证轻量化技术与应 用的有效性 。基于多性能耦合 ， 对机床整机轻量化综 合优化技术进行研究 ， 分析机床零部件之间连接方式 、 接 口形式及相应 的能量流 动形式 ， 研究轻量化对整机 综合性能的影 响， 进行关键零部件的结构设计 ， 实现综 合性能优化 。在设计机床 的结构时 ， 采用结构最简单 化原则 ， 尽量简化设计 ， 减少不必要 的零件数 。降低制 造成本。在设计机床的传动系统时 ， 尽量缩短传动链 ， 既可以减少零件数 目， 减少空载功率损失 ， 而且可以提 高传动精度 。在设计机床的结构 时， 如果 能够巧妙地 进行功能优化 ， 既可以安装调整方便 ， 又可 以增加产 品 的可维护性 ， 延长产 品的生命周期。这种好 的设计在 许多结构中都可以看到 ， 只是推广不够 ， 现有机床特别 是新产品中存在好多可以改进 的地方 。 2 ． 4 轻量化机床应用前景 通过轻量化技术在机床设计中的应用 ， 不仅 能够 大大提高对数控机床绿色制造的认识， 而且可以快速 提升高速、 精密数控机床开发设计、 加工制造、 再制造 及 回收利用等产品生命周期 中的高能效关键技术。设 计开发出具有绿色环保特性的新型机床设备； 设计开 发 出新型的加工工艺及工艺设备 ； 减少加工中的能耗 和废液排放 ， 使我国机床制造业早 日驶入绿 色制造 的 快车道。实现资源效用最大化 ， 缓解我国制造企业和 社会发展带来的原材料越来越 紧缺 ， 价格越来越 昂贵 的问题 ； 作为装备制造业 的核心 ， 机床行业对装备制造 业实现产业结构的现代化转 型意义重大 ， 应主动为发 展低碳经济节能减排作出贡献 ； 同时 ， 开展以知识 为基 础的高能效制造技术研究 ， 开发高附加值 的高档数控 机床产品 ， 提升 自主创新能力 ， 有助于机床企业在未来 的竞争中占领行业的制高点。 3 结语 数控机床轻量化 的研究 ， 需要以充分 的理论为基 础 ， 有效 的方法为工具 ， 可靠的实验为标准 ， 强大的企 业为依托， 依靠科研工作者 、 数控机床的设计者和生产 者长期合作 、 充分发挥各 自的特长才能完成 。我国重 型机床制造业在市场培育下， 产品技术水平和制造能 力有很大提高， 但与国际先进 制造企业相 比仍有较大 差距。大重型机床行业要想获得可持续 的发展 ， 必须 尽快研究 、 制造出符合社会需要的节能减排的新结构、 新材料 、 新工艺和新技术 ， 进而得以推广资源节约型、 能源节省型和环境友好型的绿色制造工艺技术。依托 数控机床战略联盟内优势力量 ， 产学研用相结合 ， 集中 突破轻量化设计技术 ， 并集成到新产品研发 中， 开发出 节能 、 环保指标达到国际先进水平的高速精密数控机 床 、 功能部件和典型工艺 ， 提 高机床行业“ 绿 色制造 ” 水平 ， 促进整个行业环保意识 的提升。 参考文献 [ 1 ] 卢天健 ， 张钱诚 ， 王春野 ， 等． 轻 质材料和结 构在机床 上的应用 [ J ] ． 力学与实践 ， 2 0 0 7 ， 2 7 6 1 8 ， 2 6 ． [ 2 ] 谢雄光． 浅议机床制造业绿色制造的模式[ J ] ． 装备制造技术， 2 0 1 0 5 1 3 3 1 3 4 ． [ 3 ] 宋强． 绿色机床设计的重点措施 [ C ] ． 中国绿色制造新年论坛， 2 01 0 9 1 9 3 ． 第一作者 谢 志坤 ， 男， 1 9 8 2年 生， 硕士 ， 所长， 主 要研究方向为数控机床数 字样机 建模 与仿 真技 术研 究、 数控机床数字化协同创新平台搭建与优化等。 编辑谭 弘颖 收稿日 期 2 0 1 2 1 0 0 8 ★2 0 1 2绿 色制 造技 术论 坛论 文 文章编号 l 2 1 2 1 6 如果您想发表对本文的看法， 请将爻章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 书 讯 齿轮制造工艺手册 滚、 插、 磨、 剃、 刨 齿轮制造工艺手册 滚 、 插、 磨 、 剃、 刨 编委会编， 2 0 1 0年 4月出版 邮购价 1 1 6 ． O 0元 本手册是在总结国产化和国际齿轮制造先进技术水平、 推陈出新及吸收各国最先进的工艺技术 ， 以及对引进设备消化吸收的 基础上编写的。本书不仅科学性、 可靠性 、 先进性强， 而且实用价值很高。 本手册是齿轮工艺水平的综合体现， 内容以数据 、 公式、 图表、 简要说明和具有实用价值的案例为主要特色。该手册共 1 3章， 主要内容包括齿轮工艺常用数据和图表、 公式 ， 齿轮常用材料选择和热处理规范， 齿轮零件结构要素及几何计算， 各种齿轮加工方 法与机床调整， 齿轮刀具的科学应用， 齿轮的检测、 量仪及加工误差分析， 齿轮加工的辅具 、 夹具和简单工艺路线等。手册 中的表格 数据主要来源于生产第一线 ， 标准采用国内外最新现行标准。手册中也采纳了企业工程技术人员和工人的实践经验。 本手册可供工矿企业技术人员 、 管理干部、 齿轮工和大专院校、 技工学校师生参考。 机械加工常用刀具数据速查手册王健石主编， 2 0 0 9年 9月出版 邮购价 5 7 ． 6 0元 本手册全面、 系统地介绍了机械加工最常用的刀具型号、 规格、 技术要求、 标注方法等大量技术数据、 曲线和图表。手册共 1 1 章， 包括铣刀； 车刀； 铰刀 ； 滚刀； 拉刀、 槽刀、 镗刀； 剃齿刀、 插齿刀、 刨刀； 钻； 丝锥； 圆锥； 硬质合金旋转锉； 板牙。 本手册可供机械行业从事切削加工的技术人员和工人使用， 是图书馆、 标准化管理必备图书 ， 也可供高等院校机械专业广大师 生参考。 来款请寄 北京市朝阳区望京路 4号， 机床杂志社收， 邮编 1 0 0 1 0 2 。 豢 Lt3 if- 簪 ‘ 5 9