“三高一轻”——高速机床结构设计的基本原则

     高速切削顾名思义，拥有极高的加工速度，无论是切削速度、进给速度、启动或制动时的加速度都远远超过普通加工。因此，机床的发热量也是相当恐怖的，可能造成设备和零件的热变形，进而产生冲击振动，不仅可能影响加工的质量，严重的还会损坏加工设备和刀具。因此，要求高速加工设备的设计结构必须符合“三高”要求：即静刚度高、动刚度高和热刚度高，这样才能具有足够的可靠性。另外还要尽量做到轻量化，从而减少传动系统需要承受的惯量。下面，让我们来具体了解一下高速机床结构的设计原则：

    怎样提高机床的静刚度

    所谓机床的静刚度，就是机床结构在特定的动态激扰下抵抗变形的能力。为了提高机床结构的静刚度，首先必须要选择弹性模量较大的材料作为机床结构件的基本材料，如钢、铸铁等都是可行的。再有是要根据所到受拉力、压力或者是扭力，不同种类力的大小、方向和作用点等要素，设计最科学最合理的结构截面形状、尺寸、筋壁布置和机床的总体布局。接下来还要保证结构件之间的接合面要足够平整，面积大小适当，接触点在接合面上的分布要均匀，连接要牢固。最后要求结构件应该尽量采用箱形和整体型设计，以保证其受力均匀，结构稳固。

    怎样提高机床的动刚度

    所谓机床的动刚度，就是结构在特定的动态激扰下抵抗变形的能力。为了提高机床结构的动刚度，首先必须要在保证静刚度的前提之下，选择阻尼系数足够大的材料作为机床基础结构件的材料，如人造花岗岩、铸铁等都是可以的。再有是要设计出合理的结构质量分布和结构接合面刚度值，并且要控制好结构系统自身的固有频率，避免其与切削过程中产生的受迫振动频率接近而发生共振。在这一过程中，可以通过模型试验和模拟分析检验设计结果是否有效。接下来是在结构设计中，也要考虑增加阻尼效果，例如使用带夹芯的双层壁铸件和非连续焊接的焊件等。最后，还应该使直线运动部件的支承导轨面间距离要尽可能宽阔，驱动力的作用线要居中并且尽可能地靠近运动部件的重心，传动链中应无反向间隙，以保证运动平稳、无冲击。

    怎样提高机床的热刚度

    所谓机床的热刚度，就是结构在热环境下承受载荷和耐受热环境的能力。为了提高机床结构的热刚度，首先应该采用比热容较大，热膨胀系数较小且彼此接近的材料作为结构材料，这样可以使机床受热时的热膨胀尽量小且均匀。再有是根据机床上的热源和温度场的分布情况，尽量采用热对称结构，例如采用热补偿措施的结构等，这样做可以有效减少热变形给机床造成的几何精度和工作性能上的影响。最后，还应该采用方便散热或强迫冷却的结构，避免热量的过度积累。

    怎样实现材料的轻量化

    减少运动部件的重量可以有效降低传动系统需要承受的惯量。要实现这个目的，首先是要选用比重小的材料作为运动部件的结构材料，例如铝合金和复合材料等。其次是要尽量去除掉多余的材料，当然是在保证刚度和承载能力的前提之下进行的。最后是采用直接传动，这样可以简化传动系统，缩短传动链，以提高机床的运动品质。

    现实中，以上设计原则能够同时满足的结构设计是不存在的，任何材料和设计都难以做到尽善尽美。因此，只能根据实际要求，对以上原则进行综合评估和取舍，设计出满足实际需要的高速机床结构。