臺(tái)達(dá)變頻器在切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用
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金屬切削原理是研究金屬切削加工規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué)。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(zhì)量[1,2]。研究金屬切削加工規(guī)律對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率至關(guān)重要，故此金屬切削原理是全國(guó)高校所有機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課的必修內(nèi)容。
金屬切削過(guò)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(chǎn)生塑性變形，從工件上分離下來(lái)形成切屑的過(guò)程。切削層金屬的變形是刀具給予力作用的結(jié)果，這個(gè)力就是切削力，它是金屬切削過(guò)程中重要現(xiàn)象之一[1-4]。影響切削力的因素有很多，切削速度對(duì)其影響有著較為特殊的規(guī)律。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，切削速度受工件直徑的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不明顯，甚至不理想。
本文擬采用變頻器實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速，進(jìn)而是切削速度也能無(wú)級(jí)變化，從而使每次實(shí)驗(yàn)都能得到較為理想的實(shí)驗(yàn)效果。
2 切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律
切削脆性金屬材料時(shí)(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(duì)切削力的影響不大。但切削塑性金屬材料時(shí)(如45鋼、球墨鑄鐵等)，切削速度對(duì)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(gè)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，F(xiàn)c隨切削速度vc的升高，呈現(xiàn)“減-增-減”的趨勢(shì)，F(xiàn)c-vc的這種關(guān)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(xù)切屑時(shí)，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(shí)際前角越大，導(dǎo)致切削力越小。vc<20m/min時(shí)，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(xiàn)極小值；在20m/min
一般通過(guò)車削實(shí)驗(yàn)得到圖1中的曲線，但車削中vc由式(1)計(jì)算而得。
n——主軸轉(zhuǎn)速(r/min)。
由式(1)可知，實(shí)驗(yàn)中d越來(lái)越小，使vc受到影響，工件直徑不能過(guò)小，否則會(huì)因剛度不足而產(chǎn)生振動(dòng)。n是在機(jī)床上通過(guò)轉(zhuǎn)速手柄調(diào)節(jié)傳動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)的一系列轉(zhuǎn)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(jí)轉(zhuǎn)速。而駝峰曲線中的極值點(diǎn)只出現(xiàn)在vc<40~50m/min的情況下。圖2給出了工件直徑對(duì)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(jí)調(diào)速時(shí)，當(dāng)20m/min < vc <50m/min時(shí)，只有4~5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，不容易恰好得到“駝峰”中的極值點(diǎn)。故此需要對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，使切削速度連續(xù)變化，從而得到駝峰曲線中的極值點(diǎn)。
圖2 工件直徑對(duì)切削速度的影響
4.1 變頻器調(diào)速的電氣控制
為了能夠使vc連續(xù)變化，即主軸轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)變化，采用臺(tái)達(dá)VDF075V43A型變頻器對(duì)CA6140車床主電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。圖3給出了變頻器調(diào)速的電氣控制接線圖。需要無(wú)級(jí)調(diào)速時(shí)，由按鈕SBB閉合接觸器KMH和KMB(KMY斷開(kāi))；不需無(wú)級(jí)調(diào)速時(shí)，由按鈕SBY閉合接觸器KMY (KMH和KMB斷開(kāi))，這樣一機(jī)兩用。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還必須對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行必要調(diào)整[5]。電機(jī)的啟動(dòng)和停止由按鈕SB控制，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率由滑動(dòng)變阻器R給定，設(shè)定范圍是0~50Hz。
評(píng)論