在難加工材料上加工精密深孔，歷來都是機(jī)械加工中的難點之一。長期以來卡围，較為普遍的方式為采用鉆原擴(kuò)原鉸的工藝。

　　以后雖有槍鉆哭练、BTA鉆外秋、噴吸鉆等深孔加工工具和方法，在加工效率和加工質(zhì)量上有所進(jìn)步僧憾，但是如斷屑奈株、排屑、刀具磨損過快等問題仍然存在荐呵，依舊不能滿足高精度稿焚、高質(zhì)量、高效率蔬聚、低消耗的現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)要求用动。采用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，對現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑烨轿ィ瑢ι羁准庸さ男屎途扔幸粋€明顯的提高征蜻，并且加工質(zhì)量也更為穩(wěn)定。

　　1诽表、變頻器調(diào)速原理

　　變頻器是多種技術(shù)和理論綜合發(fā)展的產(chǎn)物唉锌，一般包括主電路、控制竿奏、檢測和保護(hù)等部分袄简。主電路部分包括整流武福、濾波穩(wěn)壓、逆變等三部分痘番，還留有直流平波電抗器、制動電阻平痰、制動單元等接口汞舱。控制部分一般包含數(shù)字信號處理器和(或)高速微控制器宗雇，它們共同完成控制算法的實現(xiàn)昂芜、控制的動態(tài)調(diào)節(jié)、PWM控制信號的輸出赔蒲。監(jiān)測部分包括對電壓泌神、電流、溫度等變量的檢測库樊，并判斷是否超過設(shè)定值以便進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)棠裹。一般所說的變頻器是指適用于工業(yè)通用電機(jī)和一般變頻電機(jī)，并由一般電網(wǎng)供電(單相220V/50Hz数壤、三相380V/50Hz)作調(diào)速控制的通用變頻器效迹。此類變頻器由于工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用已成為變頻器的主流。

　　將交流變成直流趣闻，經(jīng)過平滑濾波啰蕴，再經(jīng)過逆變電路，把直流變成不同頻率的交流存学。使電動機(jī)獲得無級調(diào)速所需要的電壓码承、電流、頻率优生。這種變頻器叫交-直-交變頻器城离，交-直-交變頻器比較好的是采用雙極性正弦波脈寬調(diào)制方法進(jìn)行控制。這種脈動轉(zhuǎn)矩小泪确，擴(kuò)展了調(diào)速范圍,提高了調(diào)速性能那惜，因此，在數(shù)控機(jī)床的交流驅(qū)動中得到了廣泛應(yīng)用梧油。

　　2苫耸、振動切削深孔加工的基本原理

　　振動切削深孔加工也就是通常說的振動鉆削，它是把振動切削技術(shù)應(yīng)用于鉆孔加工儡陨，在傳統(tǒng)深孔加工的基礎(chǔ)上褪子，給刀具附加一定頻率和振幅的有規(guī)律振動，刀具一邊進(jìn)給骗村、一邊振動的同時完成鉆削作業(yè)嫌褪，將使切削厚度產(chǎn)生周期變化呀枢，達(dá)到控制切削形狀和大小的目的，從而有效地解決了深孔加工中的斷排屑難題笼痛，是改善深孔加工質(zhì)量裙秋，提高加工效率的一種先進(jìn)的工藝方法。該方法針對加工材料和不同鉆孔規(guī)格缨伊，只要對主軸轉(zhuǎn)速n摘刑、進(jìn)給量s、振動振幅a和頻率f進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇和匹配刻坊，既可有效地控制切屑的形狀和大小枷恕，滿足斷續(xù)切削的要求。理論斷屑公式如式(1)所列易祖，即

　　根據(jù)這一理論遵艰，對機(jī)床進(jìn)行振動深孔鉆鏜床的改造，把先進(jìn)的振動切削深孔加工技術(shù)與交流變頻調(diào)速技術(shù)有效地結(jié)合起來悍写，形成一種專用的精密深孔加工系統(tǒng)电摔，解決孔徑小于60mm、孔深達(dá)到4000mm暴艘、長徑比L/D大于70的非回轉(zhuǎn)類零件深孔加工中存在的問題辱闺。

　　3、振動切削深孔加工對機(jī)床改造的要求

　　一般深孔加工由于加工材料由饵、孔深狈榛、孔徑大小不同，也就有不同的刀具和不同的切削速度的要求故咽。所以纽他，為了滿足生產(chǎn)企業(yè)日益廣泛的加工需求，就必須增大主軸電機(jī)的調(diào)速范圍化刻，同時為了滿足振動切削的要求龟些，振動電機(jī)的調(diào)速范圍也必須成倍擴(kuò)大倾氮。

　　就我國目前所使用的機(jī)床來看脆栋，主要采用變級多速三相異步電動機(jī)和在機(jī)床床頭箱內(nèi)用電磁離合器來變換齒輪達(dá)到變速的目的凌节，無法實施精度較高的恒線性控制，還不能適應(yīng)那些要求主軸轉(zhuǎn)速高低跨度大亚隅，高硼莽，中，低速兼有的零件加工需要煮纵。而對于一些采用直流調(diào)速拖動的數(shù)控機(jī)床懂鸵，雖然可以實現(xiàn)無級調(diào)速，但必須經(jīng)常維護(hù)換流電刷行疏，使用成本較高匆光，且電機(jī)最高轉(zhuǎn)速受限制套像。因此，我們把變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床上终息，通過變頻器對電機(jī)進(jìn)行直接變速傳動夺巩，可實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，減小了大電機(jī)啟動時對電網(wǎng)的沖擊艺滑；提高了功率因數(shù)右木，節(jié)能效果顯著；提高了加工效率和精度服移。

　　要采用振動深孔鉆削，就需要對深孔鉆鏜床或者對普通機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑觳拍艿靡詫崿F(xiàn)鞋夹。若對普通車床進(jìn)行改造驶恨，就需要在原車床的基礎(chǔ)上增加振動裝置、授油器孕炒、供油系統(tǒng)道婚、電氣控制系統(tǒng)等四大部件。若對深孔鉆鏜機(jī)床進(jìn)行改造時仪但，則只需增加振動裝置和控制系統(tǒng)潦博，其它部位稍作改動即可。其中呀净，電氣控制系統(tǒng)是實現(xiàn)振動深孔鉆削的核心部件竖怯。

　　4、控制系統(tǒng)的原理

　　根據(jù)振動切削理論斷屑公式好猪，在進(jìn)給量s和振動振幅a為定值時胀茵，要使式(1)成立，必須使振動頻率f和主軸轉(zhuǎn)速n保持特定的比例挟阻，頻轉(zhuǎn)比的控制是整個控制系統(tǒng)的核心琼娘，它的性能直接決定著斷屑效果和加工過程的平穩(wěn)性。為了滿足振動切削深孔加工的高精度要求附鸽，確保加工過程中頻轉(zhuǎn)比保持相對穩(wěn)定脱拼，必須采用以主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為給定量，使振動軸的轉(zhuǎn)速作為反饋量的電動機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)坷备。一般情況下熄浓，調(diào)速系統(tǒng)都采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)省撑，但是通用變頻器本身有限流保護(hù)玉组，所以采用速度單閉環(huán)控制，不但結(jié)構(gòu)簡單丁侄，而且可取得良好的綜合性能指標(biāo)惯雳。

　　本系統(tǒng)采用如圖1所示的控制方案朝巫，通過測速傳感器檢測主軸轉(zhuǎn)速n和振動轉(zhuǎn)速f，與事先設(shè)定好的速度比率(即頻轉(zhuǎn)比參數(shù))k=f/n進(jìn)行比較曾罕，通過PI調(diào)節(jié)蒙亦，再將比較的差值轉(zhuǎn)換成PWM電壓信號發(fā)送給變頻器，通過變頻器對振動電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制礼文，使其跟隨主軸電機(jī)在不同的切削負(fù)荷下轉(zhuǎn)速的變化离饺，從而使f/n維持設(shè)定比例k，保證數(shù)控車床的加工精度和穩(wěn)定性繁惦。

　　5疼尺、控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　整個控制系統(tǒng)是由頻轉(zhuǎn)比控制器(80196KC單片機(jī))、變頻器和交流電機(jī)三個重要部分組成越匕，如圖2所示氛侨。在該系統(tǒng)中，頻轉(zhuǎn)比控制器通過檢測主軸轉(zhuǎn)速和振動轉(zhuǎn)速煎敢，按設(shè)定的頻率轉(zhuǎn)速比汞潦，通過控制交流電機(jī)變頻調(diào)速器的外部電壓控制端來調(diào)節(jié)振動電機(jī)速度，從而保證維持設(shè)定的頻轉(zhuǎn)比值盲趟。

　　其中主電機(jī)帶動一級同步齒形帶傳動演徘，帶動主軸(刀具)旋轉(zhuǎn)，振動電機(jī)驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)主軸(刀具)的軸向振動眼虱，當(dāng)主電機(jī)運轉(zhuǎn)時喻奥，主軸電機(jī)與振動電機(jī)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)，且振動電機(jī)與主軸電機(jī)之間運轉(zhuǎn)為閉環(huán)控制捏悬，即通過控制器設(shè)定比率控制振動電機(jī)頻率映凳；振動振幅采用雙偏心機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，可根據(jù)所選進(jìn)給量的大小來調(diào)節(jié)邮破。

　　根據(jù)主軸電機(jī)最大轉(zhuǎn)速1000r/s的要求诈豌，該控制系統(tǒng)頻轉(zhuǎn)比率應(yīng)在0.00～5.00之間無級可調(diào)。在電機(jī)傳動中抒和，為了保持調(diào)速時電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變矫渔，該系統(tǒng)必須保持頻率和電壓之比為常數(shù)。在出現(xiàn)異常情況下摧莽，系統(tǒng)必須具備應(yīng)急故障處理功能和發(fā)出報警顯示庙洼。

　　6、變頻器的選型

　　變頻器的選擇镊辕，必須根據(jù)應(yīng)用場合及負(fù)載特性的具體情況油够，并從容量、輸出電壓掸柏、輸出頻率虹烈、保護(hù)構(gòu)造淆逛、V/F(電壓/頻率)模式、電網(wǎng)—逆變器的切換裳岳、瞬停再啟動等諸方面進(jìn)行綜合考慮倒你，進(jìn)而選擇滿足要求的機(jī)種、機(jī)型锡疗。一般通用型V/F控制方式的變頻器鼓宿，主要考慮輸出功率和電流，選擇必須等于或大于被驅(qū)動異步電機(jī)的功率和電流的變頻器囊嘲。我們選擇了西安春日電器有限公司的KVFC系列通用變頻器情键，其中11kW的主軸電機(jī)選用KVFC-4110(11kW/400V)，1.5kW的振動電機(jī)選用KVFC-417(1.7kW/400V)锯帚。

　　7钢墩、變頻器功能的設(shè)置

　　變頻器設(shè)計了充分的頻率設(shè)定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)定腹呀，如基本頻率雪猪、啟動頻率栏尚、最大最小頻率起愈、跳躍頻率及寬度、多段運行頻率值以及加減速斜率等译仗，利用鍵盤的上升下降鍵抬虽、起停健可以實時改變電機(jī)的速度。另一種辦法是利用輸入接口端子來控制電機(jī)的運轉(zhuǎn)纵菌，如正轉(zhuǎn)指令阐污、反轉(zhuǎn)指令、復(fù)位輸入咱圆、加減速時間的轉(zhuǎn)換笛辟、多段運行頻率的選擇、自由運行等控制端子序苏。這時的運行頻率值可以用電壓輸入0～5V或0～10V來設(shè)定手幢，也可以用(4～20)mA的電流信號來設(shè)定。

　　由于我們采用單片機(jī)作為控制器忱详，其工作電壓為5V围来。因此，使用單片機(jī)輸出0～5V連續(xù)變化的模擬信號阿座，通過變頻器VRC端子控制變頻器實現(xiàn)主軸電機(jī)和振動電機(jī)的變頻無級調(diào)速乃衫。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)定也是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵腮哩。若系統(tǒng)運行時電機(jī)轉(zhuǎn)速太低额神，轉(zhuǎn)矩過小卸窿，由于負(fù)載的作用，會使電機(jī)轉(zhuǎn)差損耗大央改，發(fā)熱厲害毕嘹，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電機(jī)燒毀，因此必須給電機(jī)設(shè)定下限頻率或者設(shè)置自動轉(zhuǎn)矩提升功能仑锥。加沸幅、減速時間整定也是參數(shù)整定的關(guān)鍵項，如果加德州、減速時間設(shè)定不合理聪弊，變頻器會出現(xiàn)過電流或過電壓而自動停機(jī)。因此窝革，加速時必須限制頻率的上升率以防止過電流购城，減速時必須限制頻率的下降率以防止過電壓。

　　8虐译、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　軟件功能是以系統(tǒng)的性能要求和硬件的設(shè)計為基礎(chǔ)來設(shè)計的瘪板。針對振動切削深孔加工系統(tǒng)的功能要求，軟件系統(tǒng)需要完成以下幾個方面的任務(wù)：有主控程序漆诽、主軸電機(jī)測速模塊侮攀、振動電機(jī)測速模塊、振動電機(jī)控制模塊厢拭、伺服電機(jī)控制模塊兰英、顯示子模塊、設(shè)定參數(shù)讀取和PI控制算法以及故障保護(hù)模塊等任務(wù)供鸠。振動電機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)實時輸出PWM電機(jī)控制信號畦贸，根據(jù)給定的比率控制振動電機(jī)轉(zhuǎn)速，使其保持f/n越k楞捂。

　　9薄坏、結(jié)語

　　本文結(jié)合振動鉆孔技術(shù)和交流變頻調(diào)速技術(shù)，對普通機(jī)床進(jìn)行改造寨闹，利用單片機(jī)為數(shù)控機(jī)床的控制器燕瞭，設(shè)計完成了振動切削深孔加工控制系統(tǒng)。在生產(chǎn)實踐中得到了應(yīng)用肋森，證明這種復(fù)合加工技術(shù)能有效地解決深孔加工中的斷屑顶怠、排屑這一主要問題，因而可簡化刀具結(jié)構(gòu)烈杠，降低對切削液系統(tǒng)的要求腻学，可相對縮小排屑空間而提高鉆桿強(qiáng)度和深孔鉆削系統(tǒng)的剛性，保證加工的穩(wěn)定性和質(zhì)量。尤其對難加工材料的深孔鉆削券妹，效果更為明顯晦了，是在難加工材料上進(jìn)行深孔加工的最有效工藝措施。

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