浅谈机床结构件的精细化设计

邱 岩

（沈阳机床股份有限公司，辽宁 沈阳 110142）

0 引言

数控机床产品是集机械、电子、液流和光感为一体的系统工程。设计开发的每个环节和设计蓝图中的每道线条都会影响产品的技术性能、效率、可靠性以及产品的直接成本和用户的最终体验。结构件的精细化设计是在聚焦产品技术性能的前提下兼顾直接成本和用户体验的相对完整的设计理念。

结构精细化设计目标是在各种机床内外部限定的条件下设计出最好的机械结构，即做出优化设计。优化设计需要综合多种因素进行平衡性设计。例如，最佳工作性能、最低制造成本、最小尺寸和质量、最可靠、最低消耗和最少环境污染等。精细化设计方法主要是将有限元分析与以往的技术积累和制造技术相结合，其结合度越高，越能达到理想的设计方案。

1 机床结构配置

现代数控机床结构的特点是在床身、立柱或基座等基础固定结构件上配置移动部件，在数控程序控制下完成工件与刀具的相对运动，从而实现加工过程。在产业链外部化和专业化的今天，机床厂商不会自己完全开发或制造出所有的功能部件，大多数机床厂商的功能部件都是由专业的供应商来提供的，机床的运动组合、配置和结构才是整机开发厂商设计工作的核心。机床结构的总体配置决定了机床的用途和性能，是产品特征的集中体现和创新的关键。

1.1 机床结构件在产品中的关键作用

结构件在产品中主要有4个作用：1）支撑移动部件运动。2）承担加工过程中的切削力及变形力。3）承担运动部件的惯性力。4）承担加工过程和运动副摩擦产生热的影响。

1.2 结构件设计的目标任务

在满足机床性能要求的前提下取得需求与消耗的平衡。要求机床在各种载荷和热的作用下变形小，同时材料和能源消耗最少。事实上这是一对矛盾体，而我们要在二者之间寻求最佳的平衡点，这也是体现优质结构巧妙设计的关键。

1.3 结构件设计遵循的基本原则

结构件设计是追寻高效、高精度和成本优化、能耗优化平衡的过程。一般可以遵循以下7项原则[1]：1） 运动部件轻量化原则。运动部件的质量应该尽量做轻，从而减少驱动功率和移动惯性力的影响。该条同样适合回转部件。2） 运动重心驱动原则。移动部件的驱动力源尽量作用在部件的重心轴线上，从而减少及避免移动时产生的偏转力矩。3）结构对称原则。结构件的布置尽量左右对称，这样不仅使部件看上去美观协调，更重要的是可以使结构件在承受热变形的时候更加均匀。4） 短路程原则。从刀具到加工工件的传导路径尽量短，使零件间的热传导和结构弹性回路最短，也可以理解成刀具载荷和被加工工件的机床结构材料和结合面数越少，机床越容易达到稳定平衡。5） 短悬臂原则。因为角度误差在运动过程中往往会被放大成可观的线性误差，所以要减少悬臂所造成的的角度误差。6） 受力闭环原则。切削力及惯性力可由多条路径传递到地基为力闭环结构。7） 结构配置的设计选择，应以聚焦产品定位，满足需求指标为先，权衡刚性指标，此外还须考虑制造成本、装配便利以及占地面积等因素。如果没有适合所有情况的设计最佳方案，就要权衡利弊，寻找最适合的方案。

2 结构件优化设计

2.1 机床结构件优化的目标

结构件可以分为固定性的基础结构件（例如，床身、立柱、底座以及横梁等）和移动性结构件（例如，滑鞍、滑板、工作台以及滑枕等）。固定性结构件优化设计的关键是材料的最佳分配。在保证机床静态和动态性能的前提下使移动性部件轻量化是另一关键。结构优化的成功在于外围形状和筋板形状的合理布局。在轻量化的同时，实现高刚度和高刚度质量比[2]。

笔者通过对机床多年的开发和制造的积累得出，对于结构件的设计，精密设备主要考虑移动部件的轻量化及热应力；中小型产品的结构件的优化主要考虑切削力；大型设备主要考虑工件重力、移动部件重力和切削力。

2.2 优化设计方法

目前，结构优化设计是使用有限元分析软件，将有限元分析与加工工艺、设计经验结合，确定理想的设计方案。有限元分析主要在静力、模态以及热变形3个维度对零部件进行分析与拓扑优化。拓扑优化的约束一般以质量或刚度约束为主。对于一般性结构件要从静力、模态2个维度分析，将分析结果与拓扑优化结果对比并结合材料成型工艺技术和加工工艺条件进行优化。对于主轴箱这类存在热源集中的关键结构件，除了完成静力、模态分析，还需要进行热变形分析，降低其热变形对于机床加工的影响[2]。

2.3 轻量化设计与极简化设计

轻量化设计是结构优化设计的重要环节，其核心理念为轻化移动部件、降低驱动功率、提高效率、提高运行稳定性以及降低制造成本；具备足够的刚度，不需要刚度过剩；应具备良好的阻尼和减震性，防止颤振，提高金属去除率。轻量化的主要途径是结构轻量化。即按照载荷大小构建理想结构件，借助拓扑优化软件按照结构件中应力大小来分布材料的位置，是机床结构优化设计的首选方法。

极简化设计同样是结构优化设计的重要环节，是1种设计风格和态度。结构设计应该尽量减少零件品种减少固定结合面的数量，从而降低接触变形。减少不必要的结构并且降低成本。例如，在丝杠传动件中，电机座与轴承座往往是分开的，新产品设计中将轴承座与电机座进行一体化设计，减少了中间结合面，缩短了震动路径，减少了误差传递。同样，整体式尾座日渐取代了传统的分体式尾座。国外车床产品普遍将刀架体与滑板体结合，消除了结合面把合应力，缩短了切削路径，精度和刚性都得到了提升。

2.4 结构件材料的选择

应该合理选用结构件材料。目前，采用灰铸铁作为结构件的主要材料的结构件居多。HT200材料用于制造承受中等弯曲应力、摩擦面间压强高于500 MPa的铸件，例如机床的工作台、溜板和底座等；HT300材料用于制造承受高应力，要求保持高气密性的铸件，例如床身、齿轮、凸轮，大型发动机曲轴汽缸体、高压油缸、轧钢机座等。在灰铸铁中加入磷、钛、钒等元素，可以提高材料的抗磨性；对于材料的时效处理及二次回火能提高材料的机械性能，减少应力变形。

钢板焊接的运动结构件得到了大家的认可，主要是由于其具有易满足轻量化需求的特点。

机床结构件的新材料，例如树脂混凝土、碳纤维增强材料以及花岗石等材料都得到了应用。树脂混凝土材料也称人造大理石或矿物铸造基座，因为其具有热稳定性好、阻尼系数大以及耐腐蚀等优点，市场对它的需求量日益增加，虽然该材料密度和弹性模量是铸铁的1/3，具有与铸铁同样的比刚度；同等质量下其与铸件的刚度相同。由于在实际使用中该零件都是实心浇筑的，因此它的实际刚度远超铸件。在初期试制过程中往往使用铸件来进行样机的试制；在产品结构成熟以及将基座改为树脂混凝土材料后，产品的刚度及稳定性将会得到大幅度的提高。由于目前市场上该基座的价格略低于需要二次回火进行精加工的铸件基座，因此其具有很高的推广价值。如图1、图2所示，轻量化焊接设计后的结构件与原铸造结构件相比，材料质量直接降低45%，热变形直接降低32%。

2.5 结构件形状尺寸的确定

首先考虑能否容纳最大工件的轮廓尺寸，然后考虑刀具与工件之间以及工件与自动线抓手之间相对运动的行程。在结构件的诸多尺寸元素中，一般先确定结构的长度及高度。

尺寸设计中的具体数值同样不能随意确定。在满足技术要求的前提下，要遵循“优先数”原则。例如，轴承孔径φ62 mm在下加胶圈的端盖时，要设计断层，即端盖止口φ63 mm，其中63 mm是优先数，胶圈的外径规格是按照“优先数”设计的。

“优先数”的应用，最大的好处就是“标准化”。“标准化”的工作流程是将。产品的所有参数包括零部件的功能参数及接口尺寸按“优先数”系列化后再进行标准化。“优先数”使我们在设计产品时生产系列化产品而不是设计完后再进行“标准化”[3]。

由于1个成功的设计往往是新技术、设计经验及试验与测试的有机结合，因此工程技术人员除了具备一定的有限元分析能力之外，还要有丰富的知识储备，同时要了解铸造、加工和装配等制造工艺技术。

图1 构件铸造示意图

图2 构件轻量化焊接结构示意图

3 结构件工艺性优化

3.1 基准的合理性

结构件基准的确定，主要从装配基准和加工基准2个方面考虑[4]。

首先，将装配安装基准作为零件设计基准。具体注意以下5点：1） 要明确零件在整机装配过程中的结构状态及其在整机结构中起的作用。2） 要明确需要达到的零件加工精度，以满足既定的功能要求。3） 要明确零件的安装基准。4） 在装配流程的检测过程中，基准的设定要便于测量、检验。5） 如果有加工不合格的零件，选取的基准面要便于零件的二次装夹和加工。

其次，也可以将零部件加工工艺基准作为零件设计基准。加工零件选取的基准面应该利于划线和粗加工。由于通常的加工顺序是先加工基准面，再利用基准面进行定位来加工其他的位置，因此基准面的选取一定要慎重。当1个零件处于毛坯状态时，如果外形结构适合，则作为基准面来加工；加工好基准面后，考虑其定位和夹紧方式、加工条件以及尽可能地减少零件装夹的次数，从而确定其是否适合作为基准面加工别的位置。

总之，结构件基准的选择，涉及零件本身的结构，相关的加工、装配工艺以及产品制造成本的控制等多个方面。

3.2 形位公差、尺寸公差，表面粗糙度的合理性，经济性

各项公差配合、表面粗糙度要满足机床技术精度指标要求。公差值的标注通常没有可供我们使用的固定数值。根据零件在部件装配中的作用，对关键零件的重要尺寸公差值的考虑要保证零件在部件装配后所能达到的精度要求，根据机床的精度要求、工艺性要求以及机械设备的加工能力等来选取合适的数值。该数值应该满足零件在加工、装配后所需要的精度数值。

结合笔者多年的机床研发的经验，一些精度标注的细节需要注意：要求平行的2个表面的平面度公差值应小于平行度公差值；同一要素上给出的形状公差值应该小于位置公差值；圆柱形零件的形状公差一般情况下应该小于其尺寸公差值；平行度公差值应该小于相应的距离公差值；垂直度的公差值以形成直角的2条边中较长的一边作基准，较短的一边作为被测要素；圆柱度误差由圆度、直线度和相对素线的平行度3个部分组成，圆柱度应该小于圆度、直线度和平行度的综合；同轴度以2个要素中的较长者为基准；圆跳动是以设计或工艺给出的支承面为基准，在2个要素中，可以以较长的1个面为基准。

床身导轨在整机精度中具有至关重要的作用。导轨的平面度、直线度、垂直度及平行度等是决定导轨精度的要素，必须遵循同一要素给出的形状公差值应小于位置公差值的原则。

3.3 工艺凸台的合理性，减少加工面

结构件设计要考虑减少加工面，在适当的情况下增加工艺凸台，节能减排，降低成本。但是在设计需要进行研磨、或刮研结构表面时应该注意刮研面最好不要断层，避免刮研掉刃，造成人工边角损伤，同时还要考虑刮研空刀，避免漏刮。对于结构件接触面的设计需要计算把合螺栓的把合直径，确定结合面长宽比。凸台设计不要过于密集，具有连续孔面时尽量不要设计凸台。

4 结构件设计的技术积累

结构件设计过程需要注意以下13点：1） 当框架结构件截面积一定时，空心截面比实心截面的惯性矩大，满足工艺要求时应该尽量减少壁厚，提高抗弯强度。2） 结合面的螺栓连接间距的两端长度是拧紧距离的0.45倍左右最为恰当。3） 承受单一方向弯矩的结构件，当高度方向为受弯方向时，截面应选取矩形。4） 承受纯转矩的支承件截面优选圆环形。5） 封闭截面刚度远大于不封闭截面，截面无法封闭的零件应该采取刚度补偿措施。6） 开孔的结构抗扭刚度一般会下降50%以上。7） 当孔洞外缘增加时，凸台会提高抗扭刚度，凸台的高度一般等于壁厚。8） 大件导轨过渡壁厚刚度的提高前提是大件本身刚度的提高。9） 结构件的连接分为爪座式、翻边式和壁龛式。其中壁龛式最优，刚度在翻边式的基础上提高4倍。10） 螺栓与工件凸缘的壁厚比为1～1.2时，工件接触变形最小，采用较小螺栓直径和较多个数时对工件变形来说相对有利。11）固定接触面刮研会使接触点分布均匀，增加实际接触面积，极大地提高接触刚度。12） 箱体精加工主要安装主轴轴承、套筒主轴以及胶圈等部件，孔口倒角的要求角度为20 °～30 °，粗糙度为Ra1.25，避免划伤关键部件。13） 结构件在一般情况下质量都比较大。不仅要考虑加工过程中的起吊，还要考虑装配过程中的起吊环节、重心的位置以及起吊平衡性等安全问题。

5 结语

该文通过对机床结构配置、优化设计以及优化工艺性等方面的阐述对机床结构件的精细化进行了理念上的论述，对结构设计过程中的一些原则性问题进行了解析，同时对多年来积累的一些设计经验做出了总结。希望在机床结构设计工作中可以为工程技术人员提供一些参考。