数控车床毕业设计英文翻译(译文)

1、数控车床毕业设计英文翻译 （ 译文 ）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

2、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

3、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

4、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5176mm2英寸

5、305610mm122英寸1270mm503658mm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330mm1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

6、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

7、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

8、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005mm寸于某些零件槽宽的公差可以达到0125mm堂孔和休用单刃刀具进行精加工时公差可达到00125mm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0125

9、mn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

10、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

11、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

12、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或者丫方向的运动要通过工作台沿着相反的方向即X或者丫方向的运动来实现我们讨论CNC车床时在本文

13、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Wtt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

14、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

15、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200500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

16、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

17、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尽可能选择强度最高的刀片形状选择最小的刀片尺寸尽可能选择最大的刀尖圆弧半径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 0D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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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第六课 车削加工中的一些定义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进给方向前

23、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 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 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 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

24、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散热片文章概要1简介2遗传算法3发热和轴承的刚度4设计实例411例 1I 型启闭412例 2II 型启闭413例 3III 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安排除了这些加工过程的

25、精度也由工件的几何结构 参数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产量刚度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考虑由于一些设计变量 离散变量有些是连

26、续变量优化问题是一个混合变数的问题遗传算法GA采用最佳解决方案 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更好的人的比例将逐渐增加交叉操作负 责的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改变基因中一个非常小的随机 过程和概率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

27、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将最终出现要实现一个遗传算法 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置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由于二进制变量的值是整数和离散的备了遗传算法的性质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如下 1目标功能是平等的和不平等的限制 xk代表第k个设计变量PM和平等的约束 不等式约束和设计变量的数目 xlk xuk 是第 k 个设计变量的下限和

28、上限 由于遗传算法是一种无约束最大化算法使用GA约束优化问题转换为一个无约束问题它的外函数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 f 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因此产生的热量

29、带走主要轴承热引起的热变形4 Hf 1047 X 104 nMn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HfW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 是轴承 毫米的平均直径6 107f0 v On 23d3 如果 v On20007 160 X 107f0d3如果v 0n 2000 F0是与轴承类型和润滑方法v 0是润滑油运 动粘度 mm2s8 C KdC 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毫米 是轴承内圈直径 在取得各轴承刚度和

30、轴承产生的热量数据该有限元模型的构造静态动态以及热 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 设计实例 这个举种不同形状的说明所有三个例子的车床主轴是轴承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158 毫米直径中的径向切向和轴向方向的自由端作用工件的切削力为389 N64

31、8 N和1 297最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 1 显示主轴模型和数字表示主轴轴承的地方可以找到图 2显示了主轴箱的外表 面和散热片被允许在周围放置数线三种不同的外部形状在三个不同的例子每一 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 NASTRA是用于分析结构响应三种不同的解决方案模块 SOL101SOL103SOL153 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 脚本来控制开发的 MSC NASTRA模块遗传算法程序接

32、口程序的执行顺序图图 4-2 车头形状和散热片可能 comI 型启闭图 3 显示了 I 型车头和 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 1011 Subject to fl 7012 350 x1 45013 1 x2 414 1 x3 415 109 x4 101016 108 x5 10917 109 x6 101018 10 x7W 2019 20 x8 5020 xi 0 or 1 i 917图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x4x5和x6是前滚子轴承前轴承刚度角接触球轴承

33、和滚子轴承的后方x7 x8分别为散热片厚度散热片的高度 xi通过x17确定是否 散热片应在相应的位置其中 1 表示散热片是 0表示散热片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36PENTA元素54 CQUAD元素和一些CELAS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 1自然频率见表 2 从表 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不带热负荷厚度和散 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

34、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 567 C角接触球轴承温度为63 C后方滚子轴 承温度为442 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 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 5显示了热负荷下

35、启闭散热片最佳形状表 3条记录在切削点 和相应的切削力方向刚度工件位移 表 1 优化型解决方案 I 床头表 2 自然振动频率的 I 型赫兹启闭图4 I 型主轴箱的温度分布图5 I 型的最佳形状根据热负荷启闭表 3 挠度和刚度在 切割点 I 型主轴箱从表 3 可以看出对工件的热负荷下的总挠度的 156倍是不考虑热负荷热变形 的效 comII 型启闭图 6 显示了 II 型车头形状和 x1 x2 x3 的三维变量这些维变量方面的限制是 350 x1 450 80 x2 120 50 x3 100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 x5 分别是前后轴

36、承位置变量 x6 x7 x8 轴承刚度的变量 x9x10 尺寸为散热片的变量对散热片的位置变量 x11 到 x19 代表图6 U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自然频率见表 5从表 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较高同 时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558 C角接触

37、球轴承温度为595 C后方滚子轴承温度为446 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因此具有最低的温 度图 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 8显示了热负荷下的启闭最佳形状表 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 U型启闭最佳解决方案表 5 自然振动频率的型赫兹启闭图7 U型启闭温度分布图8 U型最佳形状启闭下热负荷表 6 挠度和刚度在切割点型主轴箱从表6的热负荷下的工件总挠度被发现是 152倍热负荷这个例子热变形的效果也非常comIII 型启闭 图 9

38、显示了型车头和 x1 x2 三维变量前视图在这两个变量所造成的限制是 350 x1 450 150 x2W 250目标函数两个例子相同 x3 x4分别是前后轴承位置变 量 x5 x6 x7 是三个主轴轴承的刚度变量 x8x9 是分别散热片高度 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 7自然频率见表8图9川型启闭表7川型启闭最佳解决方案表 8 自然振动频率的型赫兹启闭从表 7 可以看出热负荷启闭的尺寸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 似的例子主轴跨度也有热负荷下短散热

39、片的尺寸比较接近的两种加载条件热负 荷下更多散热片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539 C角接触球轴承温度为574 C方滚子轴承温度为416 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 10显示了启闭温度分布之前的车头前部的温度 较高图 11 给出了热负荷下的启闭最佳形状表 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10川型主轴箱的温度分布图11川型最佳形状启闭下热负荷表 9 挠度和刚度在切割点型主轴箱从表 9

40、 中热负荷下工件总挠度为 109倍无热负载热变形影响不可忽视结论 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不同形状的最佳解决 方案是寻求在此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切削力和轴承参考文献1 VR Reddy and AMSharan The finiteelement modelled design of lathespindles the static and dynamic analysesJournal of Vibration AcousticsStress and Reliability in Design 109 1987 pp 407- 4152 S Yang A study of static stiffness of machine tool spindle IntJ Machine Tool Des Res 21 1981 pp 23- 403 WC MakREMiller and C CusanoFinite