变频器在精密深孔机械加工中的应用

    引言

 
    在难加工材料上加工精密深孔，历来都是机械加工中的难点之一。长期以来，较为普遍的方式为采用钻原扩原铰的工艺。以后虽有枪钻、BTA 钻、喷吸钻等深孔加工工具和方法，在加工效率和加工质量上有所进步，但是如断屑、排屑、刀具磨损过快等问题仍然存在，依旧不能满足高精度、高质量、高效率、低消耗的现代化工业生产要求。采用振动切削深孔加工技术与交流变频调速技术相结合，对现有机床进行适当的改造，将对深孔加工的效率和精度有一个明显的提高，并且加工质量也更为稳定。
   
    1、变频器调速原理
   
    变频器是多种技术和理论综合发展的产物，一般包括主电路、控制、检测和保护等部分。主电路部分包括整流、滤波稳压、逆变等三部分，还留有直流平波电抗器、制动电阻、制动单元等接口。控制部分一般包含数字信号处理器和（或）高速微控制器，它们共同完成控制算法的实现、控制的动态调节、PWM控制信号的输出。监测部分包括对电压、电流、温度等变量的检测，并判断是否超过设定值以便进行系统保护。一般所说的变频器是指适用于工业通用电机和一般变频电机，并由一般电网供电（单相220V/50Hz、三相380V/50Hz）作调速控制的通用变频器。此类变频器由于工业领域的广泛使用已成为变频器的主流。
   
    将交流变成直流，经过平滑滤波，再经过逆变电路，把直流变成不同频率的交流。使电动机获得无级调速所需要的电压、电流、频率。这种变频器叫交-直-交变频器，交-直-交变频器比较好的是采用双极性正弦波脉宽调制方法进行控制。这种脉动转矩小，扩展了调速范围,提高了调速性能，因此，在数控机床的交流驱动中得到了广泛应用。
   
    2、振动切削深孔加工的基本原理
   
    振动切削深孔加工也就是通常说的振动钻削，它是把振动切削技术应用于钻孔加工，在传统深孔加工的基础上，给刀具附加一定频率和振幅的有规律振动，刀具一边进给、一边振动的同时完成钻削作业，将使切削厚度产生周期变化，达到控制切削形状和大小的目的，从而有效地解决了深孔加工中的断排屑难题，是改善深孔加工质量，提高加工效率的一种先进的工艺方法。该方法针对加工材料和不同钻孔规格，只要对主轴转速n、进给量s 、振动振幅a 和频率f 进行适当的选择和匹配，既可有效地控制切屑的形状和大小，满足断续切削的要求。理论断屑公式如式（1）所列，即

         （1）
   
    根据这一理论，对机床进行振动深孔钻镗床的改造，把先进的振动切削深孔加工技术与交流变频调速技术有效地结合起来，形成一种专用的精密深孔加工系统，解决孔径小于60mm、孔深达到4000mm、长径比L/D大于70 的非回转类零件深孔加工中存在的问题。
   
    3、振动切削深孔加工对机床改造的要求
   
    一般深孔加工由于加工材料、孔深、孔径大小不同，也就有不同的刀具和不同的切削速度的要求。所以，为了满足生产企业日益广泛的加工需求，就必须增大主轴电机的调速范围，同时为了满足振动切削的要求，振动电机的调速范围也必须成倍扩大。
   
    就我国目前所使用的机床来看，主要采用变级多速三相异步电动机和在机床床头箱内用电磁离合器来变换齿轮达到变速的目的，无法实施精度较高的恒线性控制，还不能适应那些要求主轴转速高低跨度大，高，中，低速兼有的零件加工需要。而对于一些采用直流调速拖动的数控机床，虽然可以实现无级调速，但必须经常维护换流电刷，使用成本较高，且电机最高转速受限制。因此，我们把变频调速技术应用到数控机床上，通过变频器对电机进行直接变速传动，可实现无级平滑调速，减小了大电机启动时对电网的冲击；提高了功率因数，节能效果显著；提高了加工效率和精度。
   
    要采用振动深孔钻削，就需要对深孔钻镗床或者对普通机床进行适当的改造才能得以实现。若对普通车床进行改造，就需要在原车床的基础上增加振动装置、授油器、供油系统、电气控制系统等四大部件。若对深孔钻镗机床进行改造时，则只需增加振动装置和控制系统，其它部位稍作改动即可。其中，电气控制系统是实现振动深孔钻削的核心部件。
   
    4、控制系统的原理
   
    根据振动切削理论断屑公式，在进给量s和振动振幅a为定值时，要使式（1）成立，必须使振动频率f 和主轴转速n 保持特定的比例，频转比的控制是整个控制系统的核心，它的性能直接决定着断屑效果和加工过程的平稳性。为了满足振动切削深孔加工的高精度要求，确保加工过程中频转比保持相对稳定，必须采用以主轴电机的转速作为给定量，使振动轴的转速作为反馈量的电动机闭环调速控制系统。一般情况下，调速系统都采用转速、电流双闭环系统，但是通用变频器本身有限流保护，所以采用速度单闭环控制，不但结构简单，而且可取得良好的综合性能指标。
   
    本系统采用如图1所示的控制方案，通过测速传感器检测主轴转速n 和振动转速f，与事先设定好的速度比率（即频转比参数）k=f/n 进行比较，通过PI调节，再将比较的差值转换成PWM电压信号发送给变频器，通过变频器对振动电机转速进行控制，使其跟随主轴电机在不同的切削负荷下转速的变化，从而使f/n 维持设定比例k，保证数控车床的加工精度和稳定性。

图1 控制系统工作原理图