臺達變頻器在切削力測量實驗中的應用

摘 要：切削力是金屬切削中的重要現象之一，與切削速度呈駝峰曲線關系。為了使車削中的切削速度不受工件直徑變化影響，而得到清晰完整的駝峰曲線，采用臺達變頻器對機床主電機進行無級調速，從而使主軸轉速由主電機工作頻率和調速手柄共同決定。實驗結果表明無級調速可得到較理想的駝峰曲線。

關鍵詞：臺達變頻器 機床 無級調速 切削力 駝峰曲線

Abstract: Cutting force is one of the important phenomenons, and presents the relation of hump curve.However, cutting speed is effected by workpiece diameter. For obtaining a legible and perfect hump curve, a Delta transducer was applied to carry out stepless speed regulating of the main electromotor of machine tool. Consequently, the main shaft speed was decided by the electromotor working frequency and speed selection handles. The experiment result shows that the legible and perfect hump curve can be achieved under the stepless speed regulating.

Keywords: Delta transducer Machine tool Stepless speed regulating Cutting force Hump curve


1 引 言

金屬切削原理是研究金屬切削加工規律的一門技術科學。金屬材料的切削加工是用硬度高于工件材料的刀具在工件上切去一部分金屬，從而得到滿足要求的形狀精度、尺寸精度和表面質量[1,2]。研究金屬切削加工規律對于提高產品質量和生產效率至關重要，故此金屬切削原理是全國高校所有機械類專業基礎課的必修內容。

金屬切削過程可理解為切削層金屬(工件上要被切去的金屬層)受刀具的推擠后產生塑性變形，從工件上分離下來形成切屑的過程。切削層金屬的變形是刀具給予力作用的結果，這個力就是切削力，它是金屬切削過程中重要現象之一[1-4]。影響切削力的因素有很多，切削速度對其影響有著較為特殊的規律。傳統的實驗中，切削速度受工件直徑的影響，導致實驗效果不明顯，甚至不理想。

本文擬采用變頻器實現機床主軸的無級調速，進而是切削速度也能無級變化，從而使每次實驗都能得到較為理想的實驗效果。

2切削速度對切削力的影響規律

切削脆性金屬材料時(如灰鑄鐵、鉛黃銅等)，切屑呈崩碎狀，塑性變形小，刀-屑摩擦小，故切削速度對切削力的影響不大。但切削塑性金屬材料時(如45鋼、球墨鑄鐵等)，切削速度對切削力的影響如圖1所示。一般地，切削力分為x，y，z方向的3個分力，其中z方向的分力為主切削力，用Fc表示。由圖1可看出，Fc隨切削速度vc的升高，呈現“減-增-減”的趨勢，Fc-vc的這種關系又稱為“駝峰曲線”，這主要是受積屑瘤的影響所致。塑性材料切削中，在vc不高而又能形成連續切屑時，刀具切削刃附近常常粘著一塊剖面呈三角形的硬塊，稱為積屑瘤，其高度Hb受vc影響，Hb越高，使得實際前角越大，導致切削力越小。vc<20m/min時，隨vc的升高，Hb逐漸升高，使Fc逐漸減小，在vc=20m/min附近，Hb升至最高，使Fc出現極小值；在20m/min <vc<30m/min時，隨vc的升高，Hb逐漸減低，使Fc逐漸增大，在vc=30m/min附近，Hb逐漸減低至零，即積屑瘤消失，使Fc出現極大值；而后在vc>30m/min時，隨vc的升高，再無積屑瘤出現，Fc緩慢減小。



3實驗中的問題
一般通過車削實驗得到圖1中的曲線，但車削中vc由式(1)計算而得。
(1)
式中 d——工件直徑(mm)；
n——主軸轉速(r/min)。

由式(1)可知，實驗中d越來越小，使vc受到影響，工件直徑不能過小，否則會因剛度不足而產生振動。n是在機床上通過轉速手柄調節傳動齒輪實現的一系列轉速。例如CA6140車床主軸有10、12.5、16、20、25、32、40、50、63、80、100、125、160、200、250、320、400、450、500、560、710、900、1120及1400 r/min共24級轉速。而駝峰曲線中的極值點只出現在vc<40~50m/min的情況下。圖2給出了工件直徑對切削速度的影響。不難看出，受工件直徑影響，齒輪配合的有級調速時，當20m/min <vc<50m/min時，只有4~5個數據點，不容易恰好得到“駝峰”中的極值點。故此需要對機床主軸進行無級調速，使切削速度連續變化，從而得到駝峰曲線中的極值點。

4用變頻器實現機床主軸的無級調速
4.1 變頻器調速的電氣控制
為了能夠使vc連續變化，即主軸轉速無級變化，采用臺達VDF075V43A型變頻器對CA6140車床主電機進行無級調速。圖3給出了變頻器調速的電氣控制接線圖。需要無級調速時，由按鈕SBB閉合接觸器KMH和KMB(KMY斷開)；不需無級調速時，由按鈕SBY閉合接觸器KMY (KMH和KMB斷開)，這樣一機兩用。實際應用時，還必須對變頻器的參數進行必要調整[5]。電機的啟動和停止由按鈕SB控制，運轉頻率由滑動變阻器R給定，設定范圍是0~50Hz。


4.2 變頻調速后的切削速度
主電機實現了無級調速，主軸轉速仍可通過轉速手柄改變，故變頻調速后，主軸轉速由主電機工作頻率和轉速手柄共同決定，對于CA6140車床，可推導出頻率與切削速度間的關系式
(2)
式中 nγ——變頻后主軸轉速(r/min)；
γ ——變頻器頻率(Hz)，已設定為0~50Hz；
n0 ——車床主軸箱轉速手柄所指轉速(r/min)。
若d=100mm，n0 =400r/min，則根據式(2)可知，切削速度可在0~125.6 m/ min的范圍內無級變化，能夠滿足實驗要求。

5 實驗系統及效果對比
5.1 實驗系統
圖4給出了CA6140車床變頻調速測切削力的實驗系統。為了方便觀察和操作，將變頻器的數字操作器、按鈕及滑動變阻器等安裝在配做的控制面板上。用Kistler9257A型測力儀、5807A型電荷放大器及計算機數據采集系統測量切削力。

5.2 實驗效果對比

實驗所用工件材料為45鋼圓棒料(正火，180HBS)，實驗時直徑d=82mm，選擇n0 =900r/min，由式(2)可知vc能在0~232m/min的范圍內無級變化。若用轉速手柄調節主軸轉速，vc可得到2.57~232m/min中的22點，但根據式(1)計算可知20~50m/min之間只有5點。實驗所刀具為YT15可轉位外圓車刀，γo=14o, αo=αo′=6o,κr=75o, κr′=15o, λs= -6o, rε=0.4mm。切削用量為ap=1mm，f=0.1mm/r。

實驗先采用轉速手柄調節主軸轉速，測得2.57~232m/min中的22個切削速度時的主切削力，經數據處理得到有級調速時的Fc-vc關系曲線。而后采用變頻器無級調速，使vc從2.57m/min連續升高至232m/min，直接可得到無級調速時的Fc-vc關系曲線。圖5給出了實驗效果對比情況。

由圖5 a)可知，駝峰曲線中的極小值點B出現在vc=30min/min附近，較明顯，但極大值點C并不明顯，應在vc=50-75min/min之間。由圖5 b)不難看出，極小值點B也在vc=30min/min附近，而極大值點C則出現在有級調速時的2點之間，從而說明了無級調速可以清晰完整地得到切削力與切削速度的駝峰曲線。


除此之外，由圖5 b)還可知，電機和齒輪在低速運轉時，略有振動，加之，積屑瘤周期性的產生和脫落，綜合原因導致A-B段切削力信號波動較大；B-C段，電機和齒輪運轉速度提高，振動減小，積屑瘤逐漸消失，使切削力信號波動減小。

6結 論

(1) 為了得到切削速度連續變化時切削力的駝峰曲線，采用臺達變頻器對機床主電機進行無級調速，設計了附加控制電路，易于變頻器的進入和退出，使用變頻器后，主軸轉速由電機工作頻率和調速手柄共同決定；

(2) 無級調速可使切削速度不受工件直徑變化的影響，經實驗對比，無級調速時可以清晰完整地得到切削力與切削速度的駝峰曲線；

(3) 采用變頻器對機床主電機進行無級調速，還能在刀具磨損實驗中保持切削速度恒定，擴大了應用范圍。

作者簡介
張悅(1980-)，男，沈陽工業大學機械工程學院，研究方向機械加工新技術。

參考文獻
［1］陳日曜主編. 金屬切削原理(第2版). 北京：機械工業出版社，2002.
［2］韓榮第主編. 金屬切削原理與刀具（第3版）.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007.
［3］M.C.Shaw, Metal Cutting Principles. Oxford: Claredon Press, 1984.
［4E.M Trent, Metal cutting (3rd Edition.). Oxford: Butterworth Heinemann, 1991.
［5］中達電通股份有限公司．VDF-V高性能磁束向量控制交流馬達驅動器使用手冊，2003.