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桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第21页 共 21 页 编号： 毕业设计(论文)外文翻译（译文）学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 赵盛伟 学 号： 0801120319 指导教师单位： 桂林航天工业学院 姓 名： 梁 伟 职 称： 高级工程师 2012 年 5 月 15 日数控车床第一课 现代数控车床的组成车床是一种能将工件毛坯上多余的材料切除掉的机床，毛坯被安装在主轴上并绕主轴旋转。这种机床主要用来加工旋转零件的表面和端面。在所有的金属切削中，大多数都采用锋利的单刃刀具，现代数控车床刀具被牢固地固定在转塔刀架上，使其准确地移动。转塔刀架有自动换刀功能，用来快速将旧刀换出并将新刀换至其切削位置。前刀架将刀具从主轴轴线之下上移至工件，而后刀架则将刀具从主轴轴线之上移至工件。因此，有前后刀架的车床，可以从工件的上方和下方同时进行切削。车床主要是为了进行车外圆、车端面和镗孔等项工作而设计的机床。车削很少在其他种类的机床上进行，而且任何一种其他机床都不能像车床那样方便地进行车削加工。由于车床还可以用来钻孔和铰孔，车床的多功能性可以使工件在一次安装中完成几种加工。因此，在生产中使用的各种车床比任何其他种类的机床都多。车床的基本部件有：床身、主轴箱组件、尾座组件、溜板组件、丝杠和光杠。床身是车床的基础件。它常是由经过充分正火或时效处理的灰铸铁或者球墨铁制成。它是一个坚固的刚性框架，所有其他基本部件都安装在床身上。通常在床身上有内外两组平行的导轨。有些制造厂对全部四条导轨都采用导轨尖朝上的三角形导轨（即山形导轨），而有的制造厂则在一组或者两组中采用一个三角形导轨和一个矩形导轨。导轨要经过精密加工以保证其直线度精度。为了抵抗磨损和擦伤，大多数现代机床的导轨是经过表面淬硬的，但是在操作时还应该小心，以避免损伤导轨。导轨上的任何误差，常常意味着整个机床的精度遭到破坏。主轴箱安装在内侧导轨的固定位置上，一般在床身的左端。它提供动力，并可使工件在各种速度下回转。它基本上由一个安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮(类似于卡车变速箱)所组成。通过变速齿轮，主轴可以在多种转速下旋转。大多数车床有812种转速，一般按等比级数排列。而且在现代机床上只需扳动24个手柄，就能得到全部转速。一种正在不断增长的趋势是通过电气的或者机械的装置进行无级变速。由于机床的精度在很大程度上取决于主轴，因此，主轴的结构尺寸较大，通常安装在预紧后的重型圆锥滚子轴承或球轴承中。主轴中有一个贯穿全长的通孔，长棒料可以通过该孔送料。主轴孔的大小是车床的一个重要尺寸，因此当工件必须通过主轴孔供料时，它确定了能够加工的棒料毛坯的最大尺寸。尾座组件主要由三部分组成。底板与床身的内侧导轨配合，并可以在导轨上作纵向移动。底板上有一个可以使整个尾座组件夹紧在任意位置上的装置。尾座体安装在底板上，可以沿某种类型的键槽在底板上横向移动，使尾座能与主轴箱中的主轴对正。尾座的第三个组成部分是尾座套筒。它是一个直径通常大约在5176mm（23英寸）之间的钢制空心圆柱体。通过手轮和螺杆，尾座套筒可以在尾座体中纵向移入和移出几个英寸。车床的规格用两个尺寸表示。第一个称为车床的床面上最大加工直径。这是在车床上能够旋转的工件的最大直径。它大约是两顶尖连线与导轨上最近点之间距离的两倍。第二个规格尺寸是两顶尖之间的最大距离。车床床面上最大加工直径表示在车床上能够车削的最大工件直径，而两顶尖之间的最大距离则表示在两个顶尖之间能够安装的工件的最大长度。普通车床是生产中最经常使用的车床种类。它们是具有前面所叙的所有那些部件的重载机床，并且除了小刀架之外，全部刀具的运动都有机动进给。它们的规格通常是：车床床面上最大加工直径为305610mm（1224英寸）；但是，床面上最大加工直径达到1270mm（50英寸）和两顶尖之间距离达到3658mm的车床也并不少见。这些车床大部分都有切屑盘和一个安装在内部的冷却液循环系统。小型的普通车床车床床面最大加工直径一般不超过330mm（13英寸）-被设计成台式车床，其床身安装在工作台或柜子上。虽然普通车床有很多用途，是很有用的机床，但是更换和调整刀具以及测量工件花费很多时间，所以它们不适合在大量生产中应用。通常，它们的实际加工时间少于其总加工时间的30%。此外，需要技术熟练的工人来操作普通车床，这种工人的工资高而且很难雇到。然而，操作工人的大部分时间却花费在简单的重复调整和观察切屑过程上。因此，为了减少或者完全不雇用这类熟练工人，六角车床、螺纹加工车床和其他类型的半自动和自动车床已经很好地研制出来，并已经在生产中得到广泛应用。普通车床作为最早的金属切削机床的一种，目前仍然有许多有用的和为人要的特性和为人们所需的特性。现在，这些机床主要用在规模较小的工厂中，进行小批量的生产，而不是进行大批量的和产。在现代的生产车间中，普通车床已经被种类繁多的自动车床所取代，诸如自动仿形车床，六角车床和自动螺丝车床。现在，设计人员已经熟知先利用单刃刀具去除大量的金属余量，然后利用成型刀具获得表面光洁度和精度这种加工方法的优点。这种加工方法的生产速度与现在工厂中使用的最快的加工设备的速度相同。普通车床的加偏差主要信赖于操作者的技术熟练程度。设计工程师应该认真地确定由熟练工人在普通车床上加工的试验件的公差。在把试验伯重新设计为生产零件时，应该选用经济的公差。六角车床 对生产加工设备来说，目前比过去更注重评价其是否具有精确的和快速的重复加工能力。应用这个标准来评价具体的加工方法，六角车床可以获得较高的质量评定。在为小批量的零件（100200件）设计加工方法时，采用六角车床是最经济的。为了在六角车床上获得尽可能小的公差值，设计人员应该尽量将加工工序的数目减至最少。自动螺丝车床 自动螺丝车床通被分为以下几种类型：单轴自动、多轴自动和自动夹紧车床。自动螺丝车床最初是被用来对螺钉和类似的带有螺纹的零件进行自动化和快速加工的。但是，这种车床的用途早就超过了这个狭窄的范围。现在，它在许多种类的精密零件的大批量生产中起着重要的作用。工件的数量对采用自动螺丝车床所加工的零件的经济性有较大的影响。如果工件的数量少于1000件，在六角车床上进行加工比在自动螺丝车床上加工要经济得多。如果计算出最小经济批量，并且针对工件批量正确地选择机床，就会降低零件的加工成本。自动仿形车床 因为零件的表面粗糙度在很大程度上取决于工件材料、刀具、进给量和切削速度，采用自动仿形车床加工所得到的最小公差一定是最经济的公差。在某些情况下，在连续生产过程中，只进行一次切削加工时的公差可以达到0.05mm。对于某些零件，槽宽的公差可以达到0.125mm。镗孔和休用单刃刀具进行精加工时，公差可达到0.0125mm。在希望获得最大主量的大批量生产中，进行直径和长度的车削时的最小公差值为0.125mm是经济的。车床有以下几个部分组成：1.倾斜的床身床身是机床的基体，用来支承安装在它上面的所有零件，并且给落下的切屑提供路径。床身一般都做成倾斜式的，目的是让切屑很容易地落下来。为了衰减振动，车床床身通常是由灰铸铁或者球墨铸铁铸造而成的。床身上有导轨，可以使拖板沿其长度方向滑动。床身的高度应该合适，使技术人员能够容易且舒适地进行操作。2.主轴箱主轴箱安装在床身的左侧，里面包括主轴和能提供许多不同主轴转速的变速齿轮（也有一些使用摩擦力、电力或者液力以提供可变的主轴转速）。主轴是通过变速箱驱动的。主轴箱安装在内侧导轨的固定位置上，一般在床身的左端。它提供动力，并可使 工件在各种速度下回转。它基本上由一个安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮(类似于卡车变速箱)所组成。通过变速齿轮，主轴可以在多种转速下旋转。大多数车床有812种转速，一般按等比级数排列。而且在现代机床上只需扳动24个手柄，就能得到全部转速。一种正在不断增长的趋势是通过电气的或者机械的装置进行无级变速。3.支架支架的功用主要是连接主轴并夹紧工件。4.拖板拖板是功用主要是将刀具向旋转着的工件移动。包括床鞍、横向拖板和拖板箱。5.尾架尾架主要用来支撑工件的右端。6.加工控制单元由电子控制软件组成，读取和说明指令程序并将其转化成机床的机械运动或者其他处理设备的运动。简单地说，MCU就是一个用来存储和处理输入的数字控制程序的计算机。7.转塔刀架不同的加工操作需要不同的刀具，转塔刀架就是用来夹持刀具并且在换刀过程中用新的刀具代替旧刀具。大家都知道，数控车床上的转塔刀架主要是在需要的时候，迅速更换刀具。因为大多数情况下，生产一个零件往往需要好几种刀具。目前使用过的刀具必须快速被替换以进行接下来的加工操作。基于这个原因，大多数的数控机床配备有自动换刀器，比如加工中心上配有刀库，数控车床上配有转塔刀架等。他们允许在操作不中断的情况下换刀。通常，自动换刀器用它的机械手将刀具夹紧，并拉出来用另外一个刀具替换。在大多数有自动换刀器的机床上，转塔刀架可以向前或者向后任意转动。转塔刀具上的每一把刀具都有编号，以区别于刀架上的其他刀具。刀具可以安装在刀架正面，也可以安装在刀架侧面。一旦接收到从MCU发出的换刀指令，刀架就移动到安全的换刀位置，找到并拉出旧的刀具，再换上新刀，然后继续移动到程序规定的用新刀切削工件的位置。对于装备有可编程尾架的车削中心来说，在执行换刀操作之前，尾架必须先退回。第二课 数控车床的运动轴CNC设备是通过多种直线运动和旋转运动完成某种加工操作的。不同的机床的不同的运动，具体的运动方式是根据机床要制造的零件设计的，例如：工作台可以在水平面运动（沿X轴、Y轴线运动），主轴可以在垂直上运动（沿Z轴线运动）。基本的机床轴线运动应该遵守右手定则。比如，主轴的运动基本上是沿着+Z轴方向的。这个系统响应这样一种指令，主轴沿着+X或者+Y方向的运动要通过工作台沿着相反的方向即X或者Y方向的运动来实现。我们讨论CNC车床时，在本文中只考虑基本的两轴运动。数控车床中最重要的两个轴是Z轴和X轴。Z轴表示沿着主轴轴线方向。+Z表示远离主轴或者工件的方向，-Z表示靠近主轴或工件的方向。X轴表示沿着横向托板运动方向。+X表示远离主轴轴线的方向，-X表示靠近主轴轴线或者进入工件的方向。除了Z轴和X轴，有些机床具有可编程尾座，用W轴表示尾座的运动，这时W轴就是这类机床的第三轴。更复杂的车削中心也可以有第四个轴。第三课 数控车床加工用刀具现代刀具技术已经主生了带有可转位硬质合金刀片的刀具，虽然这些刀具的初始研制投资有点高，但是从长远的利益来看，它们却节省了工作时间和刀具的重磨费用。用坏的刀片只需要用工厂预定的新刀换掉就可以了。只要改变机夹刀片的规格级别，就可以用同一把刀具加工不同的材料，因此刀具库存量也减少了。高强度的硬质合金刀片使得刀具可以切削很硬的工件材料，然而，很大的切削要求有足够的主轴动力，因此机床必须有足够的刚度。硬质合金刀片的主要缺点是它们的脆性和对振动有敏感性，因此，如果使用不当，会引起刀片的破损和开裂。使用硬质合金刀片有很多优点。首先，它具有高速切削能力（大约比高速刚速度高23倍），此外还能减少刀具的库存量和节省重磨时间和费用。单点刀具和另外一个优点是用于切削的机夹刀片的刀尖圆弧半径数值十分精确。这样，对于任何刀具，它的刀尖圆弧的中心都可以精确地确定。这就使得刀具补偿和数控编程工作更加简单。1.刀片材料关于车削加工，有四种重要材料可以用来做刀片：(1)硬质合金硬质合金是通过有晶格中烧结碳化钨形成的。(2)涂层硬质合金给硬质合金刀片镀一层耐磨材料可以使其耐磨提高200%500%。涂层材料包括碳化钛和氧化铝（一种陶瓷）。涂层工艺还给钢、铸铁以及非铁材料提供了优良性能。(3)陶瓷陶瓷是一种不含有金属结合的非常硬的材料。它具有优越的抵抗磨损和热负荷的能力。形成陶瓷的最常用的材料是氧化铝。经常向氧化铝里面加入诸如碳化钛或氧化钛的添加剂，可以用很高的切削速度加工很硬的材料，而且几乎不会影响刀具寿命。另外，它加工出的表面质量也比其他材料的刀具加工出的好。陶瓷的主要缺点是它们的耐冲击和耐振动性差，如此一来，仅能用于冲击载荷比较低的加工中。(4)金刚石有两种类型的的金刚石刀具材料。一种是单晶天然金刚石片，它有很强的耐磨性但抗冲击性差。另外一种是由较小的人造金刚石晶体在高温、高压下与碳化物基材料溶合而成的。这种材料具有比较好的抗冲击载荷的能力。金刚石刀具比硬质合金刀具有了很大的改善。在刀具寿命得到很大改善的前提下，可以用很高的切削速度得到比较好的加工表面。2.刀片形状刀片有不同的形状和尺寸。刀片的形状决定了它的强度和切削刃的数目。车削加工所使用的刀片主要有六种：圆形刀片、六边形刀片、方形刀片、平行四边形刀片、菱形刀片和三角形刀片。其中最硬的是圆形刀片，然后是六边形刀片、方形刀片、平行四边形刀片、菱形刀片和三角形刀片。因为这些刀具非常坚硬，所以使用时可以得到比较高的精度等级。当硬质合金刀具用于镗削时，也可以磨出更精确的刀尖圆弧直径，同时可以缩短磨削时间。根据所切削的材料，切削速度经常可以提高23倍，进给量也可以增加25%或者更多。为车削加工选择刀片时，可参考发以下原则：（1） 尽可能选择强度最高的刀片形状；（2） 选择最小的刀片尺寸；（3） 尽可能选择最大的刀尖圆弧半径；（4） 选择柄径最大、悬臂最小的镗刀。第四课 车床的基本操作本课将讨论最基本的车床操作：车端面、车外圆、车槽、切断、钻孔、镗孔和车螺纹。其中有一些切削是要在零件的外表面（用OD表示）和内表面（用ID表示）上完成。1.端面车削端面车削得到的是一个平面，既可以是工件的整个端面，也可以是类似轴肩的环状中间平面。这种操作只切削毛坯的顶端，这样产生的端面垂直于毛坯的中心线，也比较光滑，刀具以垂直天工件中心线的方向进给。在端面车削过程中，进给是由横向拖板提给的，而切削深度是由拖板或者复合支架控制的，在端面车削中，刀具通常被夹在拖板上，防止切削力将刀具推离工件，在大多数的端面的车削中，工件都是被装夹在支架或者法兰盘上的。2.外圆车削外圆车削是沿着旋转工件的外圆去除多余的材料。这种操作可以产生不同的轮廓外形，包括圆柱、圆锥面、成形面以及轴肩。圆柱车削是所有车削加工最简单和常见的。工件旋转一周可以产生一个圈，其圆心落在车床主轴轴线上；轴线进给使得这个运动一次次重复。最终，已加工表面就是一个圆柱面。一般先粗加工一次，再跟一道或几道精加工。3.切槽和切断在切槽和切断操作中，刀具只有横向进给，也就是说，这两种操作都要求刀具沿着垂直工件轴线的方向进给。切削刃在刀具的一端，车螺纹之前通常要有退刀槽，从而保证螺纹与轴肩完全切合。切断指从棒形主材上切下零件。切断操作使用切断刀，切断刀是一端有切削刃锥形体。刀具沿着垂直工件的方向进给，直到零件彻底从棒形主材上分离下来为止。4.钻孔钻削加工通常都是在钻床是完成的。有时钻削加工也可以在车床上完成，加工时，工件被装在夹头里并随着夹头一起旋转。钻头通常安装在钻头卡盘或轴衬中，并向旋转的工件进给。使用高速钢的螺旋钻配备中心钻，但如果使用扁钻或硬质合金钻就没在这个必要了。中心钻中能用来扩大预先加工的孔，而不能在实体材料上钻孔。中心钻的特点是有较高的生产力、较高的加工精度和优良的钻削表面质量。5.镗削加工镗削加工是一种内圆加工。这种操作是用镗杆或者合适的内圆加工刀具在工件内表面完成的。如果工件的初始状态是实体的，则需要先进行钻削加工。这时，钻头被装夹在尾座里并向工件进给。镗孔可以使孔的尺寸更精确、圆度更高，此外还能加工内部锥度和轮廓。6.螺纹车削当进行螺纹车削时，车床主轴必须保持一个不变的转速决定。两者之间的关系主要取决于所要切削的螺距大小。这种包括在圆柱或圆锥体的外表面或者内表面切削出螺纹槽。这些螺旋线一般都有一定的角度，多为。两个齿形之间的距离叫做螺距。刀具向工件材料进刀时，其切削通常为，进给方向与工件的中心线垂直，进给率等于螺距。在切削螺纹操作中，工件也可被夹持在夹盘里，所使用的刀具形式必须和将要切削的螺旋线轮廓精确符合，例如，三角形刀具必须用来切削三角形螺纹等。第五课 车削加工的切削速度和进给量对于车削来加工来说，刀具速度定义为工件边缘上一点经过刀具的线速度。它在数值上等于每1min内工件边缘上的指定点沿切线方向移动的距离。工件表面的速度与其转速之间的关系如下：切削速度=式中 D 工件的外径； N 机床主轴的转速。表面切削速度主要取决于被加工材料和切削刀具的材质，这个数值可以从切削工具制造商所提供的手册和资料上查到。还有一些可变因数会影响切削速度的最佳值，包括刀具的几何参数、所用润滑或冷却液的类型、进给量和切削深度。刀具进给率是指工件每转一周，刀具相对工件的进给速率。进给量的多少取决于许多因素，例如要求的已加工表面、切削深度和所采用的刀具几何参数。比较小的进给量能产生较好的已加工表面，而在刀具和工件直接接触期间，比较大的进给量能减少加工时间。因此，一般情况下，常常使用较大的进给量进行粗加工，而使用较小的进给量进行精加工。再一次说明，从手册中可以得到加工制造者所提供的推荐进给量值，仅作为参考。第六课 车削加工中的一些定义1. 进给方向右手刀具通常沿着主轴轴线方向从右向左进刀，左手刀具正好相反。2. 术语用于车外圆和端面的单点刀具的刀刃必须有一些特定角度，这样可以延长刀具的寿命并提高切削效率。这些角度可在图6-1中找出，图6-1有以下一些角度：（1） 刀具圆弧半径：有刀尖圆弧半径的刀具产生令人满意的已加工表面，而且能延长刀具的寿命。（2） 切深方向前角：切深方向前角在刀具上的作用是引导切屑离开工件并流向刀架。这个角度做在硬质合金刀片的顶面和沿长度方向的刀杆之间。（3） 进给方向前角：进给方向前角在刀具上的作用是引导切屑离开工件并流向刀具的一面，这个角度做在硬质合金刀片的顶面和沿宽度方向的刀杆之间。（4） 进给方向后角：切深方向后角使刀具的侧面进入工件进行（切削）。（5） 切深方向后角：切深方向后角使刀具的端面进入工件进行（切削）。（6） 主偏角：在切削过程中，主偏角能提高刀具的剪切力并产生比较薄的切屑。（7） 副偏角：在车削过程中，副偏角能使刀具和工件之间保持一定的距离。3. 前角和切削力如前所述，刀具的前角有助于清除切屑。此角度也有助于保护刀具免受过多的热载荷与摩擦作用。在大多数情况下，使用来产生负的前角和进给方向前角。对于较软的材料和较脆的零件，一般采用正的前角和进给方向前角（参考图图6-2）。图6-2前角和切削力摘要 精密车床主轴箱的最佳设计进行了研究。三种不同的外部形状主轴箱探索。由于热变形产生的热量是主轴轴承所考虑的。我们的目标是尽量减少在切削点的工件整体变形。约束是强制的基本自然频率，比工作频率更高，以降低动态挠度。设计变量包括外形尺寸，主轴轴承的位置，主轴轴承的刚度，散热片的尺寸和散热片的位置。利用遗传算法来解决这些混合变量优化问题。通过三个不同类型的主轴箱，发现和讨论最佳的解决方案。关键词：优化设计；车床主轴箱文章概要1简介2遗传算法3发热和轴承的刚度4设计实例411例1：I型启闭412例2：II型启闭413例3：III型启闭5结论参考文献精密车床主轴箱的优化设计1简介 众所周知，为了设计一个高品质精密车床，静态和动态载荷必须加以考虑。该车床的静态和动态刚度对工件的几何形状，加工精度的影响。在以前的研究中，最常用的参数，优化主轴刚度，主轴轴承数量的安排。除了这些加工过程的精度，也由工件的几何结构参数和直径的影响。最近的研究表明，在切割过程主轴轴承产生的热量也是造成加工误差的主要因素。该结构中的温度分布是由热源，传导结构材料的系数，对流结构和空中接口几何系数。因此，一个全面的解决方案，设计精密车床应该包括上述所有因素。本文的目的是在最佳的设计过程中包括精密车床最大产量，刚度主轴箱大多数参数。设计变量使用的径向和轴向的主轴轴承刚度，这些轴承的部位，车头形状，散热片的位置和散热片的尺寸。这种优化设计的目标是尽量减少工件的整体变形和约束，需要从根本上启闭自然频率，要远远高于运行速度。工件的变形是由于立体静态切削力以及车头的热变形。主要热源假设来自三个主轴轴承，热传导和对流两种传输也需考虑。由于一些设计变量是离散变量，有些是连续变量，优化问题是一个混合变数的问题。遗传算法（GA）是采用的最佳解决方案。 2遗传算法 遗传算法已被广泛应用于近年来的各个领域。三个主要业务是建立了模拟的生物世界自然演化过程。该复制操作的父代更好的选择个人和再现他们的后代一代。通过这一行动，在后人中更好的人的比例将逐渐增加。交叉操作负责的是由父母之间基因互换产生新的后代。新的后代有些可能是比他们的父母更好，但是有些人可能会更糟。更好的将有更大的机会在下一代服务繁殖力的行动。该行动旨在恢复突变在其他两个操作失去有用的遗传模式。在这次行动中，通过改变一个人基因中一个非常小的随机过程和概率创建一个新的个人。同样，这可能是更好的新的个人或比原来的差。如果是更好，这将有一个接受手术繁殖的好机会。由于变异操作，不如其他两个操作重要的是突变率通常很低。重复执行这些操作，好几代人创建和最佳的个人将最终出现。要实现一个遗传算法通常使用二进制字符串。一代中的每一个二进制字符串代表一个人。在每个设计变量占用一个字符串中指定位的特定位置和长度。每个设计变量的二进制值表示该变量的编码值。该设计变量的实际值可以通过一个解码公式获得。由于二进制变量的值是整数和离散的，具备了遗传算法的性质，用它来解决离散变量问题。然而，总是可以连续变量离散化，划分为许多离散点之间的上限和下限，因此遗传算法仍然可以被用来获取具有连续变量的最优解。一般的数学优化公式如下 (1) 目标功能， 和是平等的和不平等的限制，xk代表第k个设计变量，P ,M和ndv代表平等的约束，不等式约束和设计变量的数目; xlk 和xuk是第k个设计变量的下限和上限。 由于遗传算法是一种无约束最大化算法，使用GA约束优化问题首先转换为一个无约束问题。它的外部函数通过转换的方法来进行。原来的目标函数是增加了一个项，形成了新的目标函数。 (2) 其中r是给定的参数，如果是违反约束，否则。 很明显，如果没有约束冲突，等式2是没有原来的目标函数。另一方面，较大的约束违规时，考虑到较大的原始成本函数的罚项。最终在最佳的罚项，收益率应该成为零一个可行的办法。对于最小化问题，增广目标函数（公式2）进一步转化为 (3) 其中fmax是一个常量，它比最大的一代更大。转换后的目标函数作为适应度函数来解决约束优化问题，使用遗传算法。3发热和轴承的刚度 在机床操作的主要热源，包括切割过程中热量和主轴轴承产生的热量。据推测，大部分的切削热是由冷却液通过主轴产生，因此产生的热量带走主要是轴承热引起的热变形。(4) Hf=1.047104 nM n是轴承（转）旋转速度，M是总的轴承（不适用毫米），摩擦产生的扭矩和Hf（W）的热量。式中的摩擦力矩M是两个力矩的总和。其一是由于扭矩载荷，另一条是扭矩润滑油黏度。(5) Ml=f1p1dm f1是关系到一个轴承类型和负荷因子，p1是轴承的负荷（N），dm是轴承（毫米）的平均直径 (6)Mv= 107f0(0n)2/3d3如果0n2000(7)Mv=160107f0d3如果0n2000 F0是与轴承类型和润滑方法，0是润滑油运动粘度(mm2/s) (8)C = Kd C是径向或轴向轴承刚性（N /微米），K为刚度系数，由轴承制造商提供，d（毫米）是轴承内圈直径 在取得各轴承刚度和轴承产生的热量数据，该主轴箱有限元模型的构造，静态和动态以及热分析可以继续进行。(9) 其中ux, uy and uz是在横向，纵向和轴向工件的静态和热位移分别。f1是从根本上启闭自然频率较低的，被指定为f1 的限制。 4设计实例 这个文章举了三种不同形状的主轴箱说明。所有三个例子的车床主轴是由轴承支撑。其中两个是在前端，第三个在主轴后端的。在前端有两个轴承双列滚子轴承（NN3020），这是最接近夹头的，一个双列角接触球轴承（7020ACD）。后面是另一种双列轴承滚子轴承（NN3018）。主轴速度被假设为2500转。工件的尺寸按照JIS B6331代码检验数控车床刚度和20毫米长，158毫米直径。其中的径向，切向和轴向方向的自由端作用工件的切削力分别为389 N，648 N和1297N。最基本的启闭自然频率必须大于70赫兹。由于工作频率比70赫兹少，动态变形相对静态挠度比较小。 图4-1显示主轴模型和数字表示主轴轴承的地方可以找到。图4-2显示了主轴箱的外表面和散热片被允许在周围放置的数线。三种不同的主轴箱外部形状研究在三个不同的例子。在每一个例子比较对加工精度的热变形的影响，寻求最佳的设计。一个是在不考虑热负荷，另一个包括热效应的解决方案。MSC / NASTRAN是用于分析结构响应。三种不同的解决方案模块（SOL 101，SOL 103，SOL 153）是必要的。它们分别为静态分析，模态分析和热负荷分析。为了执行自动设计优化迭代循环，一个UNIX外壳脚本来控制开发的MSC / NASTRAN模块，遗传算法程序，接口程序的执行顺序。 图4-1 主轴轴承模型和可能的位置图4-2 车头形状和散热片可能的位置4.1.1例1：I型启闭 图4-3显示了I型车头和变量x1的类型与尺寸正视图。由于各种因素的制约，主轴中心高度不能改变。这一优化设计问题的数学公式如下(10) (11)Subject to f170(12)350x1450(13)1x24(14)1x34(15)109x41010(16)108x5109(17)109x61010(18)10x720(19)20x850(20)xi=0 or 1; i=9,17图4-3 I型启闭 在配方设计变量的含义是：x1是启闭层面; x2和x3分别代表前轴承和后轴承地点，x4，x5和x6是前滚子轴承，前轴承刚度角接触球轴承和滚子轴承的后方，x7 ，x8分别为散热片厚度和散热片的高度; xi通过x17确定是否散热片应在相应的位置，其中1表示散热片在位置是必须的，0表示散热片在位置是不必要的。这些变量的上限和下限，给出了方程。该结构的有限元模型包含2367节点，1360 HEXA8元素，36 PENTA元素，54 CQUAD4元素和一些CELAS1元素。 经过30年的世代遗传算法的搜索，最佳的解决方案列于表4-1。自然频率见表4-2。从表4-1可以观察到热负荷下的启闭宽度小于不带热负荷。两个热负荷下的前轴承的刚度应比不带热负荷的少。在热负荷下的后轴承刚度需要一个比不带热负荷更高的值。厚度和散热片加载条件下的两个高度也不同。无热负荷，散热片只是作为加筋环，因此更厚。对于散热的主轴轴承产生的热量，他们更薄，更高。它也有兴趣知道，在散热片热负荷只有在附近的地方安装主轴轴承嵌入。最根本的自然频率大于70 Hz的两种情况。在稳定状态的前部滚子轴承温度为56.7 C，角接触球轴承温度为63 C，后方滚子轴承温度为44.2 C周围温度为25因为前角接触球轴承产生比其他两个滚子轴承更多的热量，它具有最高的温度。第二个最高温度出现在前面滚子轴承径向负荷较重的部位。后方滚子轴承以最小的径向负荷，因此收益率最低的温度上升。这些轴承产生的热量被消耗在体内通过传导和对流的自由表面的启闭到空气中。图4-4显示了在启闭的温度分布。因为总热量前面的两个轴承产生比由后轴承产生的热量较大，在车头前部的温度较高。图4-5显示了热负荷下启闭散热片最佳形状。表4-3条记录在切削点和相应的切削力方向刚度工件位移。 表4-1 优化型解决方案I床头表4-2 自然振动频率的I型（赫兹）启闭图4-4 I型主轴箱的温度分布图4-5 I型的最佳形状根据热负荷启闭表4-3 挠度和刚度在切割点（I型主轴箱） 从表4-3可以看出，对工件的热负荷下的总挠度的15.6倍，是不考虑热负荷。热变形的效果确实明显。4.1.2例2：II型启闭 图4-6显示了II型车头形状和x1, x2和 x3的三维变量。这些三维变量方面的限制是：350x1450, 80x2120, 50x3100。我们的目标还是要尽量减少在切割点的总挠度。其他设计变量和约束条件是例1相同。x4和 x5分别是前后轴承位置变量，x6, x7 和 x8轴承刚度的变量; x9和x10尺寸为散热片的变量。对散热片的位置变量通过x11 到x19 代表图4-6 型启闭 经过30年的世代遗传算法的搜索，最佳的解决方案列于表4-4，自然频率见表4-5。从表4-4可知，它是根据热负荷的大小大于不带热负荷。两个热负荷下的前轴承的刚度与不带热负荷很大的不同。然而，热负荷后轴承刚度远大于无热负荷。热负荷的前方和后方轴承往往是向对方定位和主轴跨度减少。在两种加载条件下的散热片厚度非常接近。对于散热的主轴轴承产生的热量，散热片热负荷下较高。同时在例子发现在这热负荷下只有两个散热片靠近车头前部安装。最根本的自然频率大于70 Hz的两种情况。在稳定状态的前部滚子轴承温度为55.8 C，角接触球轴承温度为59.5 C，后方滚子轴承温度为44.6 C。前面的角接触球轴承具有如前面的例子最高温度。第二个最高温度出现在前面滚子轴承径向负荷较重的部位，因此具有最低的温度。图4-7显示了主轴箱的温度分布。因为前面的两个轴承产生的热量比在后轴承生成的较大，在车头前部的温度较高。图4-8显示了热负荷下的启闭最佳形状。表4-6列出了工件切削点的位移和相应的地方切削力方向刚度。 表4-4 型启闭最佳解决方案表4-5 自然振动频率的型（赫兹）启闭图4-7 型启闭温度分布图4-8 型最佳形状启闭下热负荷表4-6 挠度和刚度在切割点（型主轴箱）从表4-6的热负荷下的工件总挠度被发现是15.2倍，无热负荷。这个例子热变形的效果也非常明显。4.1.3例3：III型启闭 图4-9显示了型车头和x1 和 x2三维变量前视图。在这两个变量所造成的限制是：350x1450 和150x2250。目标函数和前面两个例子相同。x3 和x4分别是前后轴承位置变量，x5, x6和 x7是三个主轴轴承的刚度变量; x8和x9是分别散热片高度和厚度变量; x10 到 x18是确定散热片的位置变量。 经过30年的世代遗传算法搜索，最佳的解决方案列于表4-7。自然频率见表4-8。 图4-9 型启闭表4-7 型启闭最佳解决方案表4-8 自然振动频率的型（赫兹）启闭从表4-7可以看出，热负荷启闭的尺寸与没有热负荷的不同。在热负荷下的前拉轴承的刚度应远小于不带热负荷。不像例2热负荷后轴承刚度远小于不带热负荷。类似的例子2主轴跨度也有热负荷下短。散热片的尺寸比较接近的两种加载条件。在这个例子热负荷下更多散热片被使用。其中两个是靠近前面的前轴承。一个是放置在后轴承，一个是在车头中间安装。最根本的自然频率大于70 Hz的两种情况。在稳定状态的前部滚子轴承温度为53.9 C，角接触球轴承温度为57.4 C，方滚子轴承温度为41.6 C。前面的角接触球轴承具有像以前的最高温度。第二个最高温度出现在前面滚子轴承。后方滚子轴承产量最低的温度上升。图4-10显示了启闭温度分布。之前的车头前部的温度较高。图4-11给出了热负荷下的启闭最佳形状。表4-9在切削点的位移和工件在切削力方向相应的局部刚度。图4-10 型主轴箱的温度分布图4-11 型最佳形状启闭下热负荷表4-9挠度和刚度在切割点（型主轴箱）从表4-9中热负荷下工件总挠度为10.9倍，无热负载。热变形影响不可忽视。 5.结论 形状优化技术很少用于机床结构设计。三个变量与三维车床主轴箱不同形状的最佳解决方案是寻求在此文章。除了形状变量，与主轴轴承位置相关的变量，轴承，散热片尺寸和刚度的位置，也包括在主轴箱最佳设计。在不考虑由主轴轴承产生的热，在工件切削点为第一二主轴箱整体变形几乎相同，而最后启闭挠度大约是21，比前面两个例子高。但是，包括热输入，III型主轴轴承具有最低温度和最好的设计，低于前两个主轴箱10偏转。这种方法可方便地应用于不同几何形状的设计与其他主轴箱，切削力和轴承。参考文献 1 V.R. Reddy and A.M. Sharan, The finite element modelled design of lathe spindles: the static and dynamic analyses.Journal of Vibration, Acoustics, Stress and Reliability in Design 109 (1987), pp. 407415. 2 S. Yang, A study of static stiffness of machine tool spindle. Int. J. Machine Tool De