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[摘 要]床身是机床的主要支撑部件，是实现机床加工的载体，在整个机床重量以及结构体积方面占有较大的比重。在对当前高速卧式加工中心床身的轻量化设计主要方法进行分析的基础上，提出了高速卧式加工中心床身的轻量化设计的基本方案。并使用有限元软件对设计后床身的静、动态特性进行了分析，结果表明设计方案满足机床加工的静、动态特性需求。
[关键词]卧式加工中心；床身；轻量化
中图分类号：TH136；TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0369-02
1、高速卧式加工中心床身的轻量化设计主要方法
为了实现床身各构件的轻量化，必须基于床身的基本功能、工况对床身的具体结构进行设计和尺寸优化，并结合合理的材料选择、加工工艺，在环保节约的基本原则下进行设计。在对床身进行轻量化设计的过程中，通常采用轻型材料与优化结构相结合的方式对机床的整体结构进行优化。
1.1 选用轻型材料作为床身的轻量化设计材料
对于卧式加工中心床身的材料，诸多的研究单位开展了大量的研究。从传统的材料来看，主要以钢、铸铁为主，但是其存在功能单一、质量较大、刚性较差、热变形明显、抗振性能较差以及摩擦阻力大等缺陷。随着机床加工要求的不断提高，传统的钢以及铸铁材料已经不能满足现代高速卧式加工中心床身的选材需求。因此，在设计过程中需要选择新型材料来满足加工中心床身高精度、告诉以及高效加工的目的。当前，主要采用的床身材料为夹层结构类的轻质材料，主要包括金属泡沫、聚合物泡沫、纤维增强复合材料以及蜂窝材料等。
1.2 合理的床身结构实现床身的轻量化
在材料一定时，通过对床身结构进行优化设计是实现机械结构轻量化设计的重要方式，也是效果最为明显的一种方法。从当前的设计实践来看，在不降低床身基本结构静态特征的同时，可以通过对床身结构进行优化来实现床身的轻量化设计。结构优化的最终目的在于通过设计方式寻找到一种经济、合理的结构布局形式，在保证床身的基本静态、动态特性需求的基础上，使得床身的重量处于最低水平。因此，机床床身结构的优化设计就是通过对机床床身的结构优化、布局，保证其整体动态性能的同时，实现床身的轻量化。
在结构优化的过程中，可以通过结构设计变量的具体类型进行不同层次的区分，在结构类型、材料、布局以及外形几何尺寸一定的条件下，对各个构件的截面尺寸进行优化，使得结构的整体重量最轻、结构性更好，这种方法为尺寸优化，是结构优化设计的基本方法；若在设计过程中通过对结构的结构进行优化，例如将桁架和刚架的节点位置作为基本的设计变量，对该变量进行优化时，则设计工作进入到结构形状优化的层次；若在设计过程中继续对桁架节点联结关系以及布局形式进行优化，则称之为结构的拓扑优化。
2、高速卧式加工中心床身轻量化设计及拟采取的基本方案
2.1 高速卧式加工中心床身轻量化设计
结合当前国内外卧式加工中心床身的基本设计实践经验以及床身结构的基本特点，认为T型床身的结构能够使得床身在向X方向移动时，其加工范围覆盖了整个加工形成，且此时工作台以及被加工工件完全处于床身上，使得机床的整体加工刚性较好，工作台的整体承载能力得到提高，有利于加工精度的保证。同时，T形的床身结构能够使得X轴向的形成增加，有利于机床生产实现系列化生产，而且能够加工大型的长大类零件。另外，还能够有利于机床零部件实现标准化和通用化。从设计经验来看，T形床身铸件还具有较好的抗腐蚀性、耐磨性以及抗振性能，有利于延长机床的使用寿命。
2.2 高速卧式加工中心床身轻量化设计基本方案
本文所设计的卧式加工中心床身的基本材料为铸钢，材料牌号为HT300，其基本的外部尺寸参数为：床身全长3710mm，宽度2720mm，高度990mm。设计过程中使用了可拆装的平导轨，便于实现加工过程立柱和工作台的移动。且在床身的前壁设置有大窗口，内部筋板采用纵横相间的布局方式，且在筋板内部设置均匀的孔洞，底部使用了半封闭的基本形式。床身材料的基本参数如表1所示。
床身设计使用了当前较为流行的T形布局方式，其整体抗振性能较佳，形成了一个箱形的封闭式密封结构，使得前后床身处于一体。同时，为了便于直线导轨的安装，在床身设置了两条导轨基准面。为了便于加工過程中实现冷却液的收集以及切屑的排除，在机床的床身两侧设置了排屑槽。整个床身的内部使用了中空结构，并在导轨的V型结构位置处设置了相应的孔洞，并在底部设计使用了对称的孔状结构，其整体结构如图1所示。其中，a为基本方案图，b为内部结构图。
3、高速卧式加工中心床身的轻量化设计静、动态性能分析
机床的静、动态性能是衡量机床整体结构及相关性能的重要指标。由于高速卧式加工中心是高速、高精度、模块化、综合化以及智能化的机床形式，在设计过程中不但要具有良好的机械结构性能，而且要保证其在加工生产过程中具有良好的静、动态性能。作为机床的重要支撑部件，床身在机床中起着保证各个部件相对位置精度以及整体加工精度的目的。因此，轻量化设计必须保证机床的整体静、动态性能。
3.1 静态特性分析
在三维软件中对轻量化设计后的床身结构进行建模，并在有限元分析软件workbench中进行网格划分，根据床身的实际工况设定对应的边界条件，对其工况下的受力性能进行分析。在有限元模型坐标系X、Y、Z三个方向中，床身的立柱以及主轴部位承受了的力分别为2000N，15000N，65000N；工作台部位所承受的力分别为2000N，1600N，60000N；刀库组件安装部分受力为：0N，0N，40000N；托盘转换机构部位的受力为0N，0N，10000N。
从整体受力情况来看，床身最大的受力为刀库组件位置部分，尤其是在加工过程中，其变形情况更加严重，但是其依然能够满足加工的基本要求。由此可见，在床身的设计过程中可以对床身部分进行进一步的轻量化设计，达到减轻床身重量的目的。
3.2 动态特性
在对机械结构的动态性能进行分析的过程中，模态是最重要的性能参数之一，其对机械结构的整体工作状态有直接影响。因为设备振动会导致机床整体结构出现共振、疲劳等问题，而导致结构破坏，因此必须分析其固有频率，避免出现结构破坏的问题。采用有限元软件计算得到床身结构的6阶振型云图如图3所示，1-6阶振型如表2所示。
从图1以及表2中的相关数据可知，床身6阶振动变形的位置在床身边缘处，尤其是在频繁运动的托盘机构中，容易在该处出现疲劳破坏，因此在设计过程中需要进行加强处理。而在床身的中心部位则显示出良好的结构刚性，变形量较小，是后续轻量化设计的主要方向。
参考文献
[1] 任帅，宋冬冬.基于ICM拓扑优化的加工中心床身轻量化设计[J].机床与液压，2014（13）.
[2] 谢峰，沈维蕾.C型压力机机身轻量化设计[J].工程图学学报.2010，1：13.18.
[3] 李景奎，张义民.基于K邻近算法的连续体结构拓扑优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2012（1）.
[关键词]卧式加工中心；床身；轻量化
中图分类号：TH136；TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0369-02
1、高速卧式加工中心床身的轻量化设计主要方法
为了实现床身各构件的轻量化，必须基于床身的基本功能、工况对床身的具体结构进行设计和尺寸优化，并结合合理的材料选择、加工工艺，在环保节约的基本原则下进行设计。在对床身进行轻量化设计的过程中，通常采用轻型材料与优化结构相结合的方式对机床的整体结构进行优化。
1.1 选用轻型材料作为床身的轻量化设计材料
对于卧式加工中心床身的材料，诸多的研究单位开展了大量的研究。从传统的材料来看，主要以钢、铸铁为主，但是其存在功能单一、质量较大、刚性较差、热变形明显、抗振性能较差以及摩擦阻力大等缺陷。随着机床加工要求的不断提高，传统的钢以及铸铁材料已经不能满足现代高速卧式加工中心床身的选材需求。因此，在设计过程中需要选择新型材料来满足加工中心床身高精度、告诉以及高效加工的目的。当前，主要采用的床身材料为夹层结构类的轻质材料，主要包括金属泡沫、聚合物泡沫、纤维增强复合材料以及蜂窝材料等。
1.2 合理的床身结构实现床身的轻量化
在材料一定时，通过对床身结构进行优化设计是实现机械结构轻量化设计的重要方式，也是效果最为明显的一种方法。从当前的设计实践来看，在不降低床身基本结构静态特征的同时，可以通过对床身结构进行优化来实现床身的轻量化设计。结构优化的最终目的在于通过设计方式寻找到一种经济、合理的结构布局形式，在保证床身的基本静态、动态特性需求的基础上，使得床身的重量处于最低水平。因此，机床床身结构的优化设计就是通过对机床床身的结构优化、布局，保证其整体动态性能的同时，实现床身的轻量化。
在结构优化的过程中，可以通过结构设计变量的具体类型进行不同层次的区分，在结构类型、材料、布局以及外形几何尺寸一定的条件下，对各个构件的截面尺寸进行优化，使得结构的整体重量最轻、结构性更好，这种方法为尺寸优化，是结构优化设计的基本方法；若在设计过程中通过对结构的结构进行优化，例如将桁架和刚架的节点位置作为基本的设计变量，对该变量进行优化时，则设计工作进入到结构形状优化的层次；若在设计过程中继续对桁架节点联结关系以及布局形式进行优化，则称之为结构的拓扑优化。
2、高速卧式加工中心床身轻量化设计及拟采取的基本方案
2.1 高速卧式加工中心床身轻量化设计
结合当前国内外卧式加工中心床身的基本设计实践经验以及床身结构的基本特点，认为T型床身的结构能够使得床身在向X方向移动时，其加工范围覆盖了整个加工形成，且此时工作台以及被加工工件完全处于床身上，使得机床的整体加工刚性较好，工作台的整体承载能力得到提高，有利于加工精度的保证。同时，T形的床身结构能够使得X轴向的形成增加，有利于机床生产实现系列化生产，而且能够加工大型的长大类零件。另外，还能够有利于机床零部件实现标准化和通用化。从设计经验来看，T形床身铸件还具有较好的抗腐蚀性、耐磨性以及抗振性能，有利于延长机床的使用寿命。
2.2 高速卧式加工中心床身轻量化设计基本方案
本文所设计的卧式加工中心床身的基本材料为铸钢，材料牌号为HT300，其基本的外部尺寸参数为：床身全长3710mm，宽度2720mm，高度990mm。设计过程中使用了可拆装的平导轨，便于实现加工过程立柱和工作台的移动。且在床身的前壁设置有大窗口，内部筋板采用纵横相间的布局方式，且在筋板内部设置均匀的孔洞，底部使用了半封闭的基本形式。床身材料的基本参数如表1所示。
床身设计使用了当前较为流行的T形布局方式，其整体抗振性能较佳，形成了一个箱形的封闭式密封结构，使得前后床身处于一体。同时，为了便于直线导轨的安装，在床身设置了两条导轨基准面。为了便于加工過程中实现冷却液的收集以及切屑的排除，在机床的床身两侧设置了排屑槽。整个床身的内部使用了中空结构，并在导轨的V型结构位置处设置了相应的孔洞，并在底部设计使用了对称的孔状结构，其整体结构如图1所示。其中，a为基本方案图，b为内部结构图。
3、高速卧式加工中心床身的轻量化设计静、动态性能分析
机床的静、动态性能是衡量机床整体结构及相关性能的重要指标。由于高速卧式加工中心是高速、高精度、模块化、综合化以及智能化的机床形式，在设计过程中不但要具有良好的机械结构性能，而且要保证其在加工生产过程中具有良好的静、动态性能。作为机床的重要支撑部件，床身在机床中起着保证各个部件相对位置精度以及整体加工精度的目的。因此，轻量化设计必须保证机床的整体静、动态性能。
3.1 静态特性分析
在三维软件中对轻量化设计后的床身结构进行建模，并在有限元分析软件workbench中进行网格划分，根据床身的实际工况设定对应的边界条件，对其工况下的受力性能进行分析。在有限元模型坐标系X、Y、Z三个方向中，床身的立柱以及主轴部位承受了的力分别为2000N，15000N，65000N；工作台部位所承受的力分别为2000N，1600N，60000N；刀库组件安装部分受力为：0N，0N，40000N；托盘转换机构部位的受力为0N，0N，10000N。
从整体受力情况来看，床身最大的受力为刀库组件位置部分，尤其是在加工过程中，其变形情况更加严重，但是其依然能够满足加工的基本要求。由此可见，在床身的设计过程中可以对床身部分进行进一步的轻量化设计，达到减轻床身重量的目的。
3.2 动态特性
在对机械结构的动态性能进行分析的过程中，模态是最重要的性能参数之一，其对机械结构的整体工作状态有直接影响。因为设备振动会导致机床整体结构出现共振、疲劳等问题，而导致结构破坏，因此必须分析其固有频率，避免出现结构破坏的问题。采用有限元软件计算得到床身结构的6阶振型云图如图3所示，1-6阶振型如表2所示。
从图1以及表2中的相关数据可知，床身6阶振动变形的位置在床身边缘处，尤其是在频繁运动的托盘机构中，容易在该处出现疲劳破坏，因此在设计过程中需要进行加强处理。而在床身的中心部位则显示出良好的结构刚性，变形量较小，是后续轻量化设计的主要方向。
参考文献
[1] 任帅，宋冬冬.基于ICM拓扑优化的加工中心床身轻量化设计[J].机床与液压，2014（13）.
[2] 谢峰，沈维蕾.C型压力机机身轻量化设计[J].工程图学学报.2010，1：13.18.
[3] 李景奎，张义民.基于K邻近算法的连续体结构拓扑优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2012（1）.