1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究目的

中国的制造业与经济水平正在飞速发展，作为军工产业与民用制造产业基石的机床产业已经被我国政府提升到了举足轻重的战略性位置，并把发展大型、精密、高速数控设备和功能部件列为国家重要的振兴目标之一。总体上看，我国机床市场的中长期发展势头依然会比较强劲，中国机床行业在近年来正处于发展的战略机遇期，但自“中国制造2025”推出以来，“互联网 ”大步跨进制造业的各个阶层中，制造业的转型全方位开启，而机床行业的改革也成了转型的重中之重^[1]。

目前中国是机床生产世界第一大国，同时也是高端机床进口世界第一大国，但这反映着中国机床行业的一个现状：高端失势，低端过剩。根据最新数据显示^[2]，在中国的机床进口国中，日本和德国占到56%左右。其中高端数控机床，日本与德国占70%；钻攻中心，日本占100%；卧式加工中心，日本与德国德占72%以上；立式加工中心，日本与德国占64%。由此可见，制造行业中的这些比较重要的机床类型，我国与国外先进国家还有较大差距，甚至在制造自产机床时，有些机床零件仍在依赖进口。所以就目前来看，我国机床整体水平仍然比较落后，存在着研发周期较长，结构创新少，设计余量偏大等问题，从而造成我国机床整体偏笨重，材料使用量太大并难以回收，使其丧失与国外产品的竞争力^[3]。

从制作材料的节省与成本降低、机床能源消耗的降低、提高机床的高速与高效化等多个方面来考虑，对我国现有机床的制造技术与方法进行轻量化设计已经刻不容缓。论文将结合企业的生产实际，以超重型数控落地铣镗床FB320型为应用对象，研究从机床的支承件结构进行优化的方式，来实现机床的轻量化设计。

1.2 研究意义

对我国而言，研究现有机床的轻量化技术有着巨大的经济与环境价值。目前机床轻量化主要通过结构优化设计、新材料运用以及工艺创新三条路径来实现^[4]。

其中第一种方法是是通过对机床的支承件或运动部件进行内部结构的再设计，通常是使用尺寸优化对优化目标的长宽高等进行优化，从而得到最符合要求的结构尺寸；或者是采用拓扑优化的方式来对结构整体进行优化设计，去除不需要的材料部分或根据优化结果进行结构再设计，从而得到最符合要求的目标结构构造。

第二种方法是通过运用新型的高强度轻型材料来制造机床，这种方法具有一定的潜力但实用价值不高。

第三种方法是从制造机床的工艺角度出发，在制造机床时进行对现有工艺的改进措施，如减少材料用量等，从而使机床成品在满足刚度的同时质量降低。机床轻量化的目的不仅仅是降低机床的质量，同时还应满足节能减排的观念，并提高机床的工作效率与性能。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 重型铣镗床研究现状

近年来，国内外的铣镗床正迅速发展，尤其是重型卧式铣镗床和落地铣镗床应用最为广泛，技术发展尤为迅速，机床结构设计不断更新，内部操作技术稳步提升，使得机床的工作速度与效率不断提高^[5]。

卧式镗铣床的发展从其开始注入加速度概念起就备受关注，其通过对传动元件电主轴、直线电机、线性导轨的广泛应用，得以使其工作时高速运行，从而将机床的运行速度上限进一步提高。同时，由于加入了主轴可更换的创新设计，成功解决了镗杆移动伸缩式结构与电主轴各存利弊的不足，为卧式镗铣床加上了复合加工与一机两用的功效^[5]。

落地式铣镗床的迅速发展主要归功于新的设计理念的代入，通过使用无镗轴滑枕式、交换使用多种铣头的结构型式来实现高速加工，相比于传统的洗削加工有明显优势。同时，其尝试开发使用多种新型铣头附件如两坐标摆角铣头，从而使机床整体工作效率提高，工艺性能更广，能更适用于高效复合加工。

目前重型铣镗床在国内外有多家厂家进行生产，下面列举一些厂家的代表产品：

德国的UnionChemnitz公司成立于1872年，是世界上最具历史的机床设计厂商之一。该公司生产的P系列与PR系列落地式卧式镗铣床是一款专为加工大型、重型工件设计的经济型产品，其中规模最大的为PR Ⅲ型落地式卧式镗铣床，其镗轴直径从180mm到262mm，垂直行程最大为10000mm，主轴最大转速可达4400 r/min，主轴最大扭矩可达19847N·m，最大驱动功率128KW。该系列机床可实现高精度精加工及重载切削，以及对质量较重、体积较大的复杂工件的5面体加工。落地平台、直移/旋转及翻转工作台、耳轴旋转台装夹、附件头的自动更换或通过超重刀具库自动换刀均可进行集成，由此可以确保有效加工所有类型的工件。

意大利的PAMA公司成立于1926年，凭借其悠久的企业历史和技术领先的产品在机床生产中享有盛名，其镗铣床代表产品Speedram系列具有高精度，高功率和高结构刚性的特点，用于解决需要高材料移除率、高精度的重型与中大型工件的高要求难题。该系列产品包括五种卧式镗铣床机型，镗轴直径从130mm到320mm，垂直行程从2000mm到10000mm，主轴最大转速可达4000 r/min，主轴最大扭矩可达30000N·m，快速进给速度最高可达30000mm/min，电机功率为182KW。其特点在于将静压导轨和静压轴承良好地运用到了机床结构中，使机床能够在保证高速运动的同时也能确保精度要求。

日本的KURAKI公司生产有AKB、KBM、KBT、KBH、KGF、KGD、KMN等多种型号的数控铣镗床，其中规模最大的为KBT-15HMAX型数控卧式镗铣加工中心，如图1.1所示。其工作台最大承重为30000kg，主轴最大转速为2500 r/min，铣削主轴直径为150mm，电机功率为111KW。该型号的特点是采用了方滑枕型主轴，可同时使用主轴头移动和镗削主轴移动，提升了工件的接近性。并可以可根据客户的需求，提供各种定做的产品。

图1.1 KBT-15HMAX型数控卧式镗铣加工中心

济南二机床集团有限公司生产的GIMAX系列数控落地铣镗床是期在引进法国FOREST-LINE公司全套图纸和技术的基础上，根据国内外市场需求而设计生产的、具有当今国际先进水平的重型数控机床产品。其特点是机床的主轴采用静压轴承，以利于高转速及其旋转精度，以及精确的伸缩精度；还可保持对XY轴平面更好的垂直度，并可提高径向刚性和获得稳定的可靠性。目前其最大型号为GIMAX250型数控落地铣镗床，其主轴转速最大为1250r/min，主轴电机功率为105KW，主轴箱垂直行程最大为7000mm，快速进给速度最大为6000mm/min，工作台最大承重为55000kg。

齐齐哈尔二机床集团生产TK69、TK6813、T6920、FA-160与TH等系列的铣镗床，其中TK69型落地铣镗床是国内最早的一批依靠国内自主研发的数控落地铣镗床。该系列机床使用了多项先进的精度自动补偿技术，如将多点闭式静压导轨运用到滑座、滑枕与主轴箱的导轨上，使滑轨上的动静摩擦系数相当，从而使机床低速进给时不会发生爬行现象目前规模最大的是TK6920型数控落地镗铣床，该镗铣床的镗轴直径是200mm，主轴箱行程为4m（可加高），主轴转速最大为1000 r/min，主电机功率为71KW。

武汉重型机床集团拥有WINB、TK、TH、FB等多种数控落地/卧式镗铣床，其中规模最大技术最先进的是引入了的德国希斯公司技术的FB系列机床。该系列机床的主轴轴承采用恒流静压支承，具有承载力大，发热小，精度保持性持久等特点；同时配备油温自动控制装置有效控制轴承温升，保证机床主轴在高速运转时的稳定性。目前该系列规模最大的机床时FB320型，如图1.2所示。其主轴直径为320mm，主轴箱垂直行程最大为12000mm，主轴转速范围为2.5到1000 r/min，主轴最大扭矩达25000 N·m，最大功率为130KW。

图1.2 武重集团的FB系列机床

针对上述多公司的主要产品与技术特点，针对这些机床的主要性能特点的总结表如表1.1所示。

表1.1 国内外不同公司代表铣镗床性能对比表

公司	代表机床	主轴转速(r/min)	快速进给速度(mm/min)	电机功率(KW)	垂直行程 (mm)
UnionChemnitz	PR Ⅲ	4400	20000	128	10000
PAMA	Speedram	4000	30000	182	10000
KURAKI	KBT-15HMAX	2500	8000	111	4000
济南二机床	GIMAX250	1250	6000	105	7000
齐齐哈尔二机床	TK6920	1000	6000	71	4000
武汉重型机床	FB320	1000	6000	130	12000

综上所述，可以看出我国重型铣镗床的技术水平正逐渐提高，在机床的某些运行参数上已经达到了世界先进水准，如武汉重型机床集团的FB320型镗铣床的主轴箱垂直行程已经超越了欧洲常用的10000mm，并到达了12000mm的世界领先水平。同时，济南二机床集团的GIMAX250型机床采用新型树脂砂造型的高强度优质铸铁件制作，有效地在减轻机床重量的同时保持机床刚度。不仅如此，国内厂家对于恒流静压支承、油温自动控制装置、恒流闭式静压导轨、双齿条滚珠丝杆传动与电液补偿装置等新兴技术与产品的不断更新应用，也象征着重型铣镗床在我国在追赶欧美机床设计发展的路上从未停止。

虽然我国重型铣镗床技术水平正发展地如火如荼，但目前与欧美机床相比，还是有一定的技术上的差距：

（1）主轴转速：欧洲的两家公司设计的重型铣镗床的主轴转速都处于4000r/min以上，而精巧著称的日本公司也将主轴转速保持在了2500r/min，而两款引用了国外技术的国产铣镗床仍然才使得主轴转速突破1000r/min。

（2）快速进给速度：国外最快的快速进给速度已经可以达到30000mm/min，而国内的顶尖重型镗铣床快速进给速度仍然只能在6000mm/min，相距国外有5倍的差距。

（3）电机功率：PR Ⅲ与Speedram两款欧产铣镗床的电机功率属于所举出例子的耗能最大的铣镗床，虽然国产铣镗床的功率消耗稍低于这两款铣镗床，但两者无论在主轴转速、快速进给速度以及主轴箱垂直行程等数据上都远高于国产铣镗床。

（4）外观造型：进口铣镗床的外观，尤其是日本制造的机器，明显优于国产铣镗床。

1.3.2 数控机床轻量化研究现状

近年来，随着计算机技术与电子设备的飞速发展，数控机床的更新换代也越来越快。同时，由于计算机计算技术的不断提升，有限元软件的设计原来越大众化，大量以前难以操作的软件都可以通过计算机UI界面来简单地完成，有限元设计法开始逐步应用于工程实践中，如机械制造、土木、桥梁等等。对于如今的机械行业来说，有限元计算是必不可少的一部分，通过有限元计算方法理论设计产品的动力学模型已经成了人们的共识。

相比于传统的机床设计，基于有限元算法的机床设计如今更易被人接受，也更易得到最优的结果。目前，有限元算法被广泛运用到了机床的设计优化中。由于机床本身结构复杂，装配困难，零件不易更换，所以在设计时就需要充分的理论计算来确保机床各个组件在满足强度的同时尽可能减小质量与材料用量，而这个过程就被称为轻量化设计过程。就目前来看，机床行业从上世纪70年代末就已经开始了通过有限元算法进行轻量化设计的案例，到目前国内外已有许多学者专家对机床的轻量化设计进行了大量的讨论分析。

如德国Chemnitz大学的L. Kroll等人发现，机床的轻量化设计可以使结构部件的质量减少达到30％，而轻质材料设计可以使结构部件本身的质量减少高达50％，这些减小的负载可以直接降低伺服驱动器的电力损耗，降低幅度可达50％^[6]。韩国先进材料机械设计实验室的Dai Gil Lee等人发现机床部件质量太大是使复杂形状的产品生产率低下的主要原因。作者尝试采用使用新的复合结构来替代水平滑块与垂直滑块中的传统钢结构，发现其不仅保证了刚度，同时阻尼参数也提升了1.5-5.7倍^[7]。而Stuttgart大学的Stefanie Apprich等人发现大型机床在进行轻量化设计的同时也应该根据其运动姿态来进行分析^[8]。

大连理工大学的董惠敏等人根据机床支承件整体的尺寸位置关系，将支承件分为了梁类、板类与箱体类三种类型，并分析了不同类型支承件的的变形对应机床的整体的变形情况，发现对应不同类型的支承件采用不同的设计方法能在最优地在保证强度的同时减少支承件质量^[9]。清华大学的刘成颖等人研究了立柱内部的五种不同类型的筋板布置方式，最后发现材料消耗较少且力学性能较好的W型布局是最佳优化选择^[10]。燕山大学的吴凤和等人结合拓扑优化算法与灵敏度分析方法，将拓扑单元修改去除依据设计为各截面单元的灵敏度数值大小，然后由灵敏度参数的归一化处理，最后通过ANSYS软件验证了其拓扑优化设计思路^[11]。合肥工业大学的朱俊对TK6913大型数控镗铣床进行了整体模型建立，然后根据实际情况进行了静动态分析与模态实验，最后在验证仿真模型真确性的基础上，根据实验与分析结果提出了对于关键零件轻量化的方法与必要性^[12]。华中科技大学的刘啸对FB320重型数控卧式铣镗床进行了尺寸优化与导轨变形误差分析，为设计人员对铣镗床的设计与补偿变形提供了参考数据^[13]。大连理工大学的盛永明根据目前支承件的设计需求，对现有所有支承件进行了结构研究，并基于载荷约束与几何特征建立了仿真物理模型，最后根据尺度优化算法与拓扑优化方法开发了性能设计软件^[14]。西安交通大学的李宝童结合自然界的叶脉生长模式，开发了一种基于叶片的脉络生长方式的拓扑优化算法，并通过实物模型制作验证了仿生学在立柱筋板设计中的可行性^[15]。

2. 研究的基本内容与方案