在難加工的材料上加工精密深孔一直是機(jī)械加工的難點之一。長期以來，常見的方式是采用鉆擴(kuò)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(jìn)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(hù)。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(hù)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(jī)和通用變頻電機(jī)，由通用電網(wǎng)供電(單相220V/50Hz，三相380V/50Hz)進(jìn)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(jī)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(kuò)大了調(diào)速范圍，提高了調(diào)速性能。因此，在數(shù)控機(jī)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(dāng)?shù)毒哌呥M(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行改造，將先進(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(dá)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(jī)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(jī)的調(diào)速范圍，同時，為了滿足振動切削的要求，振動電機(jī)的調(diào)速范圍也必須成倍增加。
就我國目前使用的機(jī)床而言，機(jī)床主軸箱內(nèi)的變級多速三相異步電動機(jī)和電磁離合器主要是用來變速來達(dá)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(jī)床來說，雖然可以實現(xiàn)無級調(diào)速，但必須經(jīng)常維護(hù)變頻器電刷，導(dǎo)致使用成本高，限制了電機(jī)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(jī)床，通過變頻器，直接驅(qū)動變速電機(jī)，可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，減少大電機(jī)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(jī)床進(jìn)行適當(dāng)改造。如果對普通車床進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)，以主軸電機(jī)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(hù)，因此采用速度單閉環(huán)控制不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且能達(dá)到良好的綜合性能指標(biāo)。
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(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速，使其跟隨主軸電機(jī)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(jī))、變頻器和交流電機(jī)，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(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)的速度，從而保證保持設(shè)定的頻率轉(zhuǎn)速比。
主電機(jī)帶動初級同步齒形帶帶動主軸(刀具)旋轉(zhuǎn)，振動電機(jī)帶動連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)主軸(刀具)軸向振動。主電機(jī)運行時，主軸電機(jī)和振動電機(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)，振動電機(jī)和主軸電機(jī)之間的運行是閉環(huán)控制，即振動電機(jī)的頻率由控制器設(shè)定的比值控制。振幅由雙偏心機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，可根據(jù)選擇的進(jìn)給量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
根據(jù)主軸電機(jī)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(jī)驅(qū)動中，為了在調(diào)速過程中保持電機(jī)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(fù)載特性，綜合考慮容量、輸出電壓、輸出頻率、保護(hù)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(jī)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(jī)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(jī)選用KVFC-4110 (11kW/400 V)，1.5kW振動電機(jī)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(jī)的速度。另一種方法是用輸入接口端子控制電機(jī)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(jī)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(jī)和振動電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速太低，扭矩太小，電機(jī)的滑差會很大，發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重時電機(jī)會燒毀。因此，需要為電機(jī)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(jìn)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(jī)測速模塊、振動電機(jī)測速模塊、振動電機(jī)控制模塊、伺服電機(jī)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(hù)模塊等。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，按照給定的比例控制振動電機(jī)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(jī)床進(jìn)行改造，采用單片機(jī)作為數(shù)控機(jī)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。
