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在難加工的材料上加工精密深孔一直是機械加工的難點之一。長期以來，常見的方式是采用鉆擴原鉸鏈的技術(shù)。雖然未來有槍鉆、BTA鉆、射流吸鉆等深孔加工工具和方法在加工效率和質(zhì)量上取得了一定的進步，但斷屑、排屑、刀具磨損過快等問題依然存在，仍然不能滿足高精度、高質(zhì)量、高效率、低消耗的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求。將振動切削深孔加工技術(shù)與交流變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合，將顯著提高深孔加工的效率和精度，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。
1.變頻器調(diào)速原理。
變頻器是各種技術(shù)和理論綜合發(fā)展的產(chǎn)物，一般包括主電路、控制、檢測和保護。主電路包括三部分:整流器、濾波器和穩(wěn)壓、逆變器等。，還有DC平滑電抗器、制動電阻、制動單元等接口。通常，控制部分包括數(shù)字信號處理器和/或高速微控制器，它們共同完成控制算法的實現(xiàn)、控制的動態(tài)調(diào)整和脈寬調(diào)制控制信號的輸出。監(jiān)控部分包括檢測電壓、電流、溫度等變量，判斷是否超過系統(tǒng)保護的設(shè)定值。一般來說，變頻器是指通用變頻器適用于工業(yè)通用電機和通用變頻電機，由通用電網(wǎng)供電(單相220V/50Hz，三相380V/50Hz)進行調(diào)速。這種變頻器由于在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為變頻器的主流。
把交流電變成DC，經(jīng)過平滑濾波后，通過逆變電路把DC變成不同頻率的交流電。使電機獲得無級調(diào)速所需的電壓、電流和頻率。這個變頻器被稱為AC-DC-AC 變頻器，AC-DC-AC 變頻器更好的控制方式是雙極性正弦波脈寬調(diào)制。這種脈動扭矩小，擴大了調(diào)速范圍，提高了調(diào)速性能。因此，在數(shù)控機床交流傳動中得到了廣泛的應(yīng)用。
2.振動切削加工深孔的基本原理。
振動深孔加工，又稱振動鉆削，是將振動切削技術(shù)應(yīng)用于鉆削。刀具在傳統(tǒng)深孔加工的基礎(chǔ)上，加入一定頻率和振幅的規(guī)則振動。當?shù)毒哌呥M給邊振動時，鉆孔作業(yè)就完成了，這將使切削厚度發(fā)生周期性變化，達到控制切削形狀和尺寸的目的，從而有效地解決了深孔加工中的斷屑和排屑問題。它是提高深孔加工質(zhì)量和效率的先進技術(shù)。根據(jù)加工材料和不同的鉆削規(guī)格，只要合理選擇和匹配主軸轉(zhuǎn)速n、進給速度s、振幅a和頻率f，就能有效控制切屑的形狀和尺寸，滿足斷續(xù)切削的要求。
根據(jù)這一理論，對振動深孔鉆鏜床進行改造，將先進的振動切削深孔加工技術(shù)與交流變頻調(diào)速技術(shù)有效結(jié)合，形成專用精密深孔加工系統(tǒng)，可解決孔徑小于60毫米、孔深可達4000毫米、深寬比L/D大于70的非旋轉(zhuǎn)零件深孔加工中存在的問題。
3、振動切削深孔加工對機床改造的要求。
通常，深孔加工由于加工材料、孔深和孔徑大小的不同，需要不同的刀具和不同的切削速度。因此，為了滿足生產(chǎn)企業(yè)日益廣泛的加工需求，需要增加主軸電機的調(diào)速范圍，同時，為了滿足振動切削的要求，振動電機的調(diào)速范圍也必須成倍增加。
就我國目前使用的機床而言，機床主軸箱內(nèi)的變級多速三相異步電動機和電磁離合器主要是用來變速來達到變速的目的，不能實現(xiàn)高精度的恒線性控制，不能滿足大跨距、高、中、低速等對主軸轉(zhuǎn)速要求高、低的零件的加工需要。對于一些DC調(diào)速驅(qū)動的數(shù)控機床來說，雖然可以實現(xiàn)無級調(diào)速，但必須經(jīng)常維護變頻器電刷，導致使用成本高，限制了電機的最高轉(zhuǎn)速。因此，我們將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機床，通過變頻器，直接驅(qū)動變速電機，可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，減少大電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊。功率因數(shù)提高，節(jié)能效果顯著；提高了加工效率和精度。
使用振動深孔鉆削，需要對深孔鉆鏜床或普通機床進行適當改造。如果對普通車床進行改造，需要在原有車床上增加振動裝置、供油裝置、供油系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等四個部分。如果對深孔鉆鏜床進行改造，只需增加振動裝置和控制系統(tǒng)，其他部分可稍作改動。其中，電氣控制系統(tǒng)是實現(xiàn)振動深孔鉆削的核心部件。
4.控制系統(tǒng)原理。
根據(jù)振動切削理論的斷屑公式，如果進給速度s和振幅a是固定值，為了保持公式(1)，振動頻率f和主軸轉(zhuǎn)速n必須保持在特定的比值。頻轉(zhuǎn)比的控制是整個控制系統(tǒng)的核心，其性能直接決定了斷屑效果和加工過程的穩(wěn)定性。為了滿足振動切削加工深孔的高精度要求，保證加工過程中頻率轉(zhuǎn)速比保持相對穩(wěn)定，必須采用閉環(huán)電機調(diào)速系統(tǒng)，以主軸電機轉(zhuǎn)速為給定量，振動軸轉(zhuǎn)速為反饋量。速度控制系統(tǒng)一般采用速度和電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，但universal 變頻器有自己的限流保護，因此采用速度單閉環(huán)控制不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且能達到良好的綜合性能指標。
在該系統(tǒng)中，采用圖1所示的控制方案。主軸轉(zhuǎn)速n和振動轉(zhuǎn)速f由轉(zhuǎn)速傳感器檢測，并與預(yù)設(shè)的速比(即頻頻比參數(shù))k = f/n進行比較，經(jīng)過pi調(diào)節(jié)后，將比較的差值轉(zhuǎn)換為PWM電壓信號發(fā)送給變頻器，由變頻器控制振動電機轉(zhuǎn)速，使其跟隨主軸電機轉(zhuǎn)速在不同切削載荷下的變化。
5.控制統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。
整個控制系統(tǒng)由三個重要部分組成:變頻比例控制器(80196KC單片機)、變頻器和交流電機，如圖2所示。在該系統(tǒng)中，頻率轉(zhuǎn)速比控制器通過檢測主軸轉(zhuǎn)速和振動速度，根據(jù)設(shè)定的頻率轉(zhuǎn)速比，通過控制交流電機變頻調(diào)速器的外部電壓控制端來調(diào)節(jié)振動電機的速度，從而保證保持設(shè)定的頻率轉(zhuǎn)速比。
主電機帶動初級同步齒形帶帶動主軸(刀具)旋轉(zhuǎn)，振動電機帶動連桿機構(gòu)實現(xiàn)主軸(刀具)軸向振動。主電機運行時，主軸電機和振動電機均由變頻器控制，實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速和振動頻率的無級調(diào)節(jié)，振動電機和主軸電機之間的運行是閉環(huán)控制，即振動電機的頻率由控制器設(shè)定的比值控制。振幅由雙偏心機構(gòu)實現(xiàn)，可根據(jù)選擇的進給量進行調(diào)節(jié)。
根據(jù)主軸電機最大轉(zhuǎn)速1000r/s的要求，控制系統(tǒng)的頻率比應(yīng)在0.00 ~ 5.00之間無限可調(diào)。在電機驅(qū)動中，為了在調(diào)速過程中保持電機的最大扭矩恒定，系統(tǒng)必須保持頻率與電壓的比值恒定。如果出現(xiàn)異常，系統(tǒng)必須具有緊急故障處理功能和報警顯示。
6.變頻器
變頻器的選擇必須根據(jù)具體的應(yīng)用條件和負載特性，綜合考慮容量、輸出電壓、輸出頻率、保護結(jié)構(gòu)、V/F(電壓/頻率)方式、電網(wǎng)與變頻器之間的切換、瞬時停機和重啟等。，以便選擇符合要求的型號和型號。一般V/F控制方式的變頻器主要考慮輸出功率和電流，而變頻器必須等于或大于被驅(qū)動異步電機的功率和電流。我們選擇了西安春日電器有限公司的KVFC系列萬向變頻器其中11kW主軸電機選用KVFC-4110 (11kW/400 V)，1.5kW振動電機選用KVFC-417(1.7kW/400V)
7.變頻器功能的設(shè)置。
變頻器設(shè)計了足夠的頻率設(shè)置功能和頻率控制接口。變頻器的頻率輸出可以用數(shù)字鍵盤設(shè)置，如基頻、啟動頻率、最大和最小頻率、跳躍頻率和寬度、多級運行頻率值和加減速斜率等。使用鍵盤的上下鍵和啟停鍵可以實時改變電機的速度。另一種方法是用輸入接口端子控制電機的運行，如正轉(zhuǎn)指令、反轉(zhuǎn)指令、復(fù)位輸入、加減速時間轉(zhuǎn)換、多級運行頻率選擇、自由運行等控制端子。此時，可以通過輸入0-5v或0-10v電壓，或使用(4-20ma)的電流信號來設(shè)置工作頻率值。
由于我們采用單片機作為控制器，其工作電壓為5V。因此，利用微控制器輸出0-5v連續(xù)變化的模擬信號，通過變頻器VRC終端控制變頻器，實現(xiàn)主軸電機和振動電機的變頻無級調(diào)速。變頻器的主要功能參數(shù)設(shè)置如表1所示。
變頻器參數(shù)的設(shè)置也是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。如果系統(tǒng)運行時電機轉(zhuǎn)速太低，扭矩太小，電機的滑差會很大，發(fā)熱嚴重，嚴重時電機會燒毀。因此，需要為電機設(shè)置下限頻率或設(shè)置自動扭矩提升功能。加減速時間設(shè)置也是參數(shù)設(shè)置的重點。如果加減速時間設(shè)置不合理，變頻器會因過流或過壓而自動停止。因此，加速時必須限制頻率上升速率以防止過流，減速時必須限制頻率下降速率以防止過壓。
8.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。
軟件功能根據(jù)系統(tǒng)性能要求和硬件設(shè)計進行設(shè)計。根據(jù)振動切削深孔加工系統(tǒng)的功能需求，軟件系統(tǒng)需要完成以下任務(wù):主控程序、主軸電機測速模塊、振動電機測速模塊、振動電機控制模塊、伺服電機控制模塊、顯示子模塊、設(shè)定參數(shù)讀取和PI控制算法、故障保護模塊等。振動電機控制模塊負責實時輸出PWM電機控制信號，按照給定的比例控制振動電機的轉(zhuǎn)速，保持f/n高于K..主程序流程圖如圖3所示。
9.結(jié)語。
本文結(jié)合振動鉆削技術(shù)和交流變頻調(diào)速技術(shù)，對普通機床進行改造，采用單片機作為數(shù)控機床的控制器，設(shè)計并完成了振動切削深孔加工的控制系統(tǒng)。生產(chǎn)實踐證明，該復(fù)合加工技術(shù)能有效解決深孔加工中斷屑和排屑的主要問題，從而簡化刀具結(jié)構(gòu)，降低對切削液系統(tǒng)的要求，相對減少排屑空間，提高鉆桿強度和深孔鉆削系統(tǒng)剛度，保證加工的穩(wěn)定性和質(zhì)量。特別是對于難加工材料的深孔鉆削，效果更加明顯，是難加工材料深孔鉆削最有效的工藝措施。
