1、ISSN1002-4956CN11-2034/T實(shí) 驗(yàn) 技 術(shù) 與 管 理ExperimentalTechnologyandManagement第28卷 第1期 2011年1月Vol.28 No.1 Jan.2011變頻器在切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用張 悅,李啟東,由 穎,孫泰禮,鄭 鵬,張希川2322(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110178;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110178;3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)教育學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110023)摘 要:切削力是金屬切削中的重要參數(shù)之一,與切削速度呈駝峰曲線關(guān)系。為了使車削中的切削速度不受工件直徑變化的影響而得到清晰完整的駝

2、峰曲線,采用變頻器對(duì)機(jī)床主電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速,從而使主軸轉(zhuǎn)速由主電機(jī)工作頻率和調(diào)速手柄共同決定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)級(jí)調(diào)速可得到較理想的駝峰曲線。關(guān)鍵詞:機(jī)床;變頻器;無(wú)級(jí)調(diào)速;切削力;駝峰曲線中圖分類號(hào):TG5 33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1002 4956(2011)01 0062 03ApplicationoftransducerintheexperimentofcuttingforcemeasurementZhangYue1,LiQidong2,YouYing3,SunTaili2,ZhengPeng1,ZhangXichuan2(1.SchoolofMechanicalEngineeri

3、ng,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110178,China;2.SchoolofMaterialScienceandEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110178,China;3.FundamentalEducationCollege,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110178,China)Abstract:Cuttingforceisoneoftheimportantphenomena.Thearticlepresentsthe

4、relationbetweenthecut tingforceandthehumpcurve.However,thecuttingspeediseffectedbyworkpiecediameter.Forobtainingalegibleandperfecthumpcurve,aDeltatransducerwasappliedtocarryoutsteplessspeedregulatingofthemainelectromotorofmachinetool.Consequently,themainshaftspeedwasdecidedbytheelectromotorwork ingf

5、requencyandspeedselectionhandles.Theexperimentresultshowsthatthelegibleandperfecthumpcurvecanbeachievedunderthesteplessspeedregulating.Keywords:machinetool;transducer;steplessspeedregulating;cuttingforce;humpcurve高校要培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)造能力,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為創(chuàng)造精神與進(jìn)取精神,才能讓學(xué)生應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的就業(yè)形勢(shì)1 2。在教學(xué)改革中,將現(xiàn)代技術(shù)引入教學(xué),有助于精品課建設(shè)和教師專業(yè)素質(zhì)提

6、升3 4,最終提高教學(xué)質(zhì)量,提高學(xué)生綜合能力。金屬切削原理是研究金屬切削加工規(guī)律的一門技術(shù)性科學(xué)。金屬切削加工是用硬度高于工件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和尺寸精度及表面質(zhì)量5 6。研究金屬切削規(guī)律對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率至關(guān)重要,故金屬切削原理是收稿日期:2010 03 19基金項(xiàng)目:遼寧省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(遼教發(fā)2007140232);遼寧省教育廳研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(05L301)作者簡(jiǎn)介:張悅(1980 ),男,山東省寧津縣人,工學(xué)博士,講師,研究方向:機(jī)械加工新技術(shù).E mail:zhangyue80高校所有機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課的必修內(nèi)容,多數(shù)體現(xiàn)在機(jī)械

7、制造技術(shù)基礎(chǔ)課程中。切削層金屬(工件上要被切去的金屬層)的變形是刀具給予力作用的結(jié)果,這個(gè)力就是切削力,是金屬切削過(guò)程中重要現(xiàn)象之一。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。本文采用變頻器實(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。7 81 切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律切削脆性金屬材料(如灰鑄鐵、鉛黃銅等)時(shí),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。但切削塑性好的金屬材料(如45,1張 悅,等:變頻器在切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用63所示。一般

8、,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,Fc隨切削速度vc的升高,呈現(xiàn) 減 增 減!的趨勢(shì)。Fc 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左右時(shí),Hb最高,使Fc出現(xiàn)極小值;在20m/min<vc<30m/min時(shí),隨vc的升高,Hb逐漸減低,使F

9、c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(xiàn)極大值;而后在vc>30m/min時(shí),隨vc的升高,再無(wú)積屑瘤,Fc緩慢減小。圖2 工件直徑對(duì)切削速度的影響關(guān)系圖VDF075V43A型變頻器,并根據(jù)CA6140車床特點(diǎn)9,對(duì)其主電機(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)際使用時(shí),還必須對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。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050Hz。1

10、0圖1 45鋼切削速度對(duì)切削力的影響2 實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題一般通過(guò)車削實(shí)驗(yàn)得到圖1中的曲線。vc由下式計(jì)算:vc=1000(1)式中:d為工件直徑(mm);n為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)。由式(1)可知,隨著d越來(lái)越小,使vc受到影響,因此工件直徑不能過(guò)小,否則會(huì)因剛度不足而產(chǎn)生振動(dòng)。在機(jī)床上通過(guò)轉(zhuǎn)速手柄調(diào)節(jié)齒輪傳動(dòng)比可實(shí)現(xiàn)一系列轉(zhuǎn)速。例如CA6140車床主軸共有24級(jí)轉(zhuǎn)速。駝峰曲線中的極值點(diǎn)只出現(xiàn)在vc<40m/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,齒輪調(diào)速時(shí),當(dāng)20m/min<vc<50m/min時(shí),只有45個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),不容易恰好得到 駝峰!中

11、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)。3.2 變頻調(diào)速后的切削速度主電機(jī)實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速,主軸轉(zhuǎn)速仍可通過(guò)轉(zhuǎn)速手柄改變,故變頻調(diào)速后,主軸轉(zhuǎn)速由主電機(jī)工作頻率和轉(zhuǎn)速手柄共同決定。對(duì)于CA6140車床,可推導(dǎo)出圖3 變頻器調(diào)速的電氣控制接線圖3 用變頻器實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速3.1 變頻器調(diào)速的電氣控制c,64實(shí) 驗(yàn) 技 術(shù) 與 管 理vc=g0=1000501000(2)式中:ng為變頻后主軸轉(zhuǎn)速(r/min); 為變頻器頻率,已設(shè)定為050Hz;n0為車床主軸箱轉(zhuǎn)速手柄所指轉(zhuǎn)速(r/min)。若d=100mm,n0=400r/min,則根據(jù)式

12、(2)可知切削速度可在0125.6m/min的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變化,能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及效果對(duì)比4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖4給出了變頻調(diào)速測(cè)切削力的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。為了方便觀察和操作,將變頻器的數(shù)字操作器、按鈕及滑動(dòng)變阻器等安裝在配做的控制面板上。用Kistler9257A型測(cè)力儀、5807A型電荷放大器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量切削力。圖5 有級(jí)調(diào)速與無(wú)級(jí)調(diào)速時(shí)的Fc vc關(guān)系曲線對(duì)比另外,電機(jī)和齒輪在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),略有振動(dòng),加之積屑瘤周期性的產(chǎn)生和脫落,導(dǎo)致AB段切削力信號(hào)波動(dòng)較大;BC段,電機(jī)和齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高,振動(dòng)減小,積屑瘤逐漸消失,使切削力信號(hào)波動(dòng)減小。5 結(jié)論(1)為得到切削速度連續(xù)變化時(shí)切

13、削力的駝峰曲線,采用變頻器對(duì)機(jī)床主電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速,設(shè)計(jì)了附加控制電路,易于變頻器的進(jìn)入和退出。使用變頻器后,主軸轉(zhuǎn)速由電機(jī)工作頻率和調(diào)速手柄共同決定。(2)無(wú)級(jí)調(diào)速可使切削速度不受工件直徑變化的影響,經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,無(wú)級(jí)調(diào)速時(shí)可以清晰完整地得到切圖4 變頻調(diào)速測(cè)切削力的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖削力與切削速度的駝峰曲線。(3)采用變頻器對(duì)機(jī)床主電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速,還能在刀具磨損實(shí)驗(yàn)中保持切削速度恒定,擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。參考文獻(xiàn)(References)1王磊,鄭雅良.高等教育創(chuàng)新人才的培養(yǎng)策略J.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2009(4):381 384.2鄧飚,張娜.金融危機(jī)形勢(shì)下的大學(xué)生職業(yè)發(fā)展教育J.沈陽(yáng)工業(yè)

14、大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2009(3):282 284.3馬瑾,唐功志.從改善教學(xué)質(zhì)量角度看教師專業(yè)素養(yǎng)的提升J.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2009(2):185 188.4曲向榮.精品課程建設(shè)的實(shí)踐與思考J.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2008(2):176 179.5陳日曜.金屬切削原理M.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.6韓榮第.金屬切削原理與刀具M(jìn).3版.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2007.7ShawMC.MetalCuttingPrinciplesM.Oxford:ClaredonPress,1984.8TrentEM.MetalcuttingM.3rdEdition.

15、Oxford:ButterworthHeinemann,1991.9戴署.金屬切削機(jī)床M.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.10中達(dá)電通股份有限公司.VDF V高性能磁束向量控制交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器使用手冊(cè)Z.2003.4.2 實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)工件材料為45鋼圓棒料(正火,180HBS),實(shí)驗(yàn)時(shí)直徑d=82mm,n0=900r/min。由式(2)可知,vc能在0232m/min的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變化。若用轉(zhuǎn)速手柄調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速,vc可得到2.57232m/min中的22點(diǎn),但根據(jù)式(1)計(jì)算可知2050m/min之間只有5點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)刀具為YT15可轉(zhuǎn)位外圓車刀。切削用量為ap=1mm,f=0.1mm/r。先采用轉(zhuǎn)速手柄調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速,測(cè)得2.57232m/mi