王 唯 沈興全 方 瑋

(①山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051;②中北大學(xué)，山西 太原 030051)

隨著我國工業(yè)的迅速崛起，許多有良好物理機械性、抗腐性、抗磁性、抗高溫氧化性的特殊材料被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，包括深孔加工中［1］。它們的加工特性各不相同，但都有一個共性就是切削難度大，其中有許多新型材料韌性大、難斷屑。深孔加工是在封閉或半封閉狀態(tài)下進行的，切屑經(jīng)過的路程長，切削溫度高，切屑易發(fā)生堵塞，造成刀具崩刃，工件報廢。大多數(shù)深孔機床在加工過程中，選定切削用量后，采用等速勻速進給，一次性完成鉆孔。隨著加工深度和加工時間的積累，刀具的工況在不斷變化，但切削用量卻始終如一。其實在加工過程中，適當(dāng)?shù)母淖兦邢饔昧渴鞘钟斜匾?，尤其是對于難加工材料和復(fù)雜工件(如偏心孔、超薄壁孔、多階孔、異形工件孔)［2］。

21 世紀計算機技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造行業(yè)，使許多原來只能由硬件實現(xiàn)的功能改由軟件(程序)來實現(xiàn)。在深孔加工過程中，相對其他切削用量，對進給量的調(diào)整是一種相對簡單、切實可行的手段。利用計算機輔助設(shè)計、輔助制造功能，通過對進給量進行實時調(diào)控，有效控制切屑的長短、排屑狀態(tài)和加工效率等。以此實現(xiàn)深孔加工進給系統(tǒng)的自動化控制，更為難加工材料的排屑提供了一種有效的斷屑措施［3］。

1 內(nèi)排深孔鉆周期性進給中斷系統(tǒng)

內(nèi)排屑深孔鉆由于鉆頭拆裝快和剛度大，是深孔加工中的主要加工刀具。但由于內(nèi)、外排屑深孔鉆的供油和排屑通道互相倒置，導(dǎo)致內(nèi)排屑深孔鉆的排屑通道面積減小，如圖1 所示，單齒鉆排屑面積(B1)和錯齒鉆排屑面積(B2)同等直徑槍鉆的排屑面積(A)之比分別為37.5%和45.8%。排屑通道面積不足是內(nèi)排屑系統(tǒng)的最大難題。

單齒鉆和錯齒鉆的排屑面積與供油面積(C)之比分別為72%、88%。所以切屑液在經(jīng)過鉆頭時，流速要增大15%～30%左右。切削液沖走切屑時，動量會減小，流速將會降低，并產(chǎn)生干擾流。因此，內(nèi)排屑系統(tǒng)切削能順利排出的必要條件是:在切削液粘度不高的條件下，切屑必須有適當(dāng)?shù)妮喞叽?、形態(tài)規(guī)律一致，尤其要避免長卷切屑和漫卷無規(guī)律的切屑出現(xiàn)。

對于材料加工難度高的工件，如奧氏體不銹鋼、鈦合金、鐵基組織高溫合金等，切削溫度高、難斷屑、刀具磨損嚴重。采用一般的斷屑和分屑方式很難得到理想的切屑形態(tài)。因此對于內(nèi)排屑系統(tǒng)，在鉆頭進給方向上施加周期性脈沖，鉆頭做周期性進給中斷運動，通過調(diào)節(jié)運動周期，可以得到較為理想的切屑形態(tài)，確保排屑順利［3］。

2 硬件設(shè)備

本實驗用T2120 深孔鏜床進行改裝，機床采用滾珠絲杠副和燕尾導(dǎo)軌副進行傳動?？刂葡到y(tǒng)核心為PC 機和運動控制卡，利用運動控制卡發(fā)出脈沖信號控制伺服驅(qū)動器對機床的進給部分進行實時的操控。基于PC 的伺服運動控制系統(tǒng)由 PC 機+雷賽DMC2410C 運動控制卡+接口電路+伺服驅(qū)動器+伺服電動機+進給機械機構(gòu)+反饋元件，控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2 所示。

DMC2410C 系列控制卡，是由DSP 和FPGA 組成高性能電動機控制卡，具有脈沖/模擬量兩種輸出模式，最高輸出可達4 MHz。該運動控制卡具有編碼器檢測、位置鎖存、位置觸發(fā)等特殊功能。在電動機運動過程中，程序可以根據(jù)不同的條件修改該運動過程的速度和目標位置。初速度、加速時間和停止速度可獨立設(shè)置，使得運動更迅速、更平穩(wěn)?？梢詫崿F(xiàn)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制以及全閉環(huán)控制等多種控制模式［4］。

伺服電動機為BTA 深孔鉆床原裝華大伺服電動機150ST-M23020LFB，額定電壓為220 V，功率為4.7 kW，速度響應(yīng)頻率為3000 KHz，零速轉(zhuǎn)矩為23 N·m。根據(jù)伺服電機參數(shù)指標采用華大邁信EP100 系列交流伺服驅(qū)動器中的EP100-2A。該驅(qū)動器控制算法先進，能實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、位置精確的數(shù)字控制;有數(shù)字量和模擬量的接口，便于與各種上位機互聯(lián);IPM 智能模塊的使用，令設(shè)計環(huán)境更加的穩(wěn)定、可靠。

伺服電動機的額定轉(zhuǎn)速為2000 r/min，增量式編碼器分辨率為2500 脈沖/r，其AB 信號經(jīng)過伺服驅(qū)動器4 倍頻處理后成為10000 脈沖/r;控制器的脈沖輸出最高頻率為100 kHz;滾珠絲杠副螺距P 為10 mm，減速器的減速比為1/59，伺服電動機驅(qū)動進給機構(gòu)的分辨率S 為

式中:F 為減速比，滾珠絲杠/電動機轉(zhuǎn)速=1:59;i 為編碼器分辨率，10000 脈沖/r。設(shè)控制器輸出的脈沖當(dāng)量為10 μm/脈沖，則每走一個導(dǎo)程的脈沖數(shù)變?yōu)?

第一指令倍頻分子CMX 編碼器反饋脈沖數(shù)為10000，分母CDV 上位機給定脈沖數(shù)(指令脈沖)可以設(shè)置為59000，電子齒數(shù)比為0.17，在推薦的使用范圍內(nèi)。依此推算出運動控制卡可以設(shè)置的最高頻率為:

1.79 MHz 遠遠小于運動控制卡最高輸出工作頻率4 MHz［5］。

3 軟件設(shè)備

本系統(tǒng)運用Microsoft Visual Studio 2010 軟件進行設(shè)計，采用C#語言進行編程。C#是一種強大的、面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)語言，編程代碼在.Net Framework 中運行的專用.Net 的編程語言。C#以其智能化水平高、優(yōu)雅的語法風(fēng)格、創(chuàng)新的語言特性、強大的操作能力和便捷的面向組件編程的支持成為.NET 平臺的首選語言。

3.1 軟件總體架構(gòu)

控制系統(tǒng)軟件由運動控制、加工參數(shù)、控制方式、數(shù)據(jù)采集、最新數(shù)據(jù)和報警幾個部分組成。

(1)運動控制:主要是用來設(shè)定運動控制規(guī)律，根據(jù)伺服電動機驅(qū)動器的性能設(shè)定了位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制3 種控制方式，通過設(shè)定周期時間來控制切屑長度。脈沖時間為一個進給周期的總時間，間歇時間為進給停止時間T1，進給時間為兩者之差。

(2)加工參數(shù):包括了切削用量、孔徑大小和深度以及進給方式。進給方式主要有等速進給、勻減速進給和間斷減速進給，并設(shè)定了進給速度和加速度。該部分可以根據(jù)不同工況在加工過程中進行調(diào)節(jié)。

(3)控制方式:有手動和自動兩種，大部分工況下采用自動進給，手動進給方式(點動控制)主要針對于在深孔加工過程中出現(xiàn)故障時，采用手動進給方式進行調(diào)節(jié)。

(4)數(shù)據(jù)采集:是利用服務(wù)器中定時器(System.Timers)功能，采集編碼器反饋的刀具進給位置。在程序開始運行時，將當(dāng)前刀具位置重置零點。在工件加工過程中可以檢測加工的進度。在刀具出現(xiàn)故障時，配合手動操作完成加工過程的調(diào)整。其檢測參數(shù)可以保存導(dǎo)出，為以后的數(shù)據(jù)分析做準備。

(5)最新數(shù)據(jù):主要是便于觀看當(dāng)前刀具的位置和角度。

(6)報警功能:是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的最大進給速度、最大轉(zhuǎn)矩等限制條件，一旦超量，執(zhí)行運動控制卡上急停程序，并利用MessageBox 組件顯示報警原因。該功能主要是為了防止鉆屑堵塞時轉(zhuǎn)矩增大易引起刀具崩刃損壞。

3.2 Net Framework 中關(guān)鍵功能的程序?qū)崿F(xiàn)

(1)配置運動控制卡

Windows 7 系統(tǒng)中，將光盤中的DMC2410.cs 文件拷貝至“項目名”文件夾內(nèi);將動態(tài)鏈接庫DMC2410.dll 拷貝至“項目名”文件夾中的bin 文件夾和Debug 文件夾內(nèi);在代碼文件開頭處添加控制卡的命名空間:using csDMC2410;調(diào)用運動控制卡函數(shù):函數(shù)名前加Dmc2410.。

(2)程序初始化:

3.3 斷屑形態(tài)計算

切屑形態(tài)是指刀具的刀刃一次性走刀，從工件待加工表面切下的金屬層，即切削層形態(tài)。主要參數(shù)有切屑厚度hD，切削寬度bD和切屑長度L。

單位時間內(nèi)金屬切削量QZ(mm3/s)為

切削速度為刀刃上選定點相對工件的速度，設(shè)刀刃上選定點相對于工件中心直徑為d(mm)，切削速度v(mm/s)為

BTA 錯齒鉆主要由中心齒、中間齒和外齒組成，刀具參數(shù)如圖3 所示，在加工中有3 種不同規(guī)格的切屑，切屑層厚度hD和寬度bo別為

式中:v 為切削速度，mm/s;ap為背吃刀量，mm;f 為進給量，mm/r;n 為鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min;θ 為刀具角度°;l 為單位時間切屑長度，mm/s。

鉆頭周期進給中斷的周期為T，中斷時間為T1。刀具運動可以分解為主運動和直線進給，刀刃上任意一點在鉆削過程中可以看成一條空間螺旋線，展開后如圖4 所示，則斷屑的長度L(mm)為:

有:

式中:vf為刀具進給速度，mm/s;Vi為第i 個刀齒刀刃中心點線速度，mm/s;di為第i 個刀齒刀刃中心點軌跡圓直徑，mm。

比較二者誤差為:

所以當(dāng)進給量滿足條件時可以用l·(T -T1)來近似求解切屑長度。

4 實驗測試

實驗已改裝的T2120 深孔鏜床，工件材料為超高強度42 鉻鉬鋼(42CrMo-A)，具有高強度和韌性。工件直徑為78 mm，長度為1050 mm，加工孔直徑為40 mm，孔深度為910 mm。工件是一種應(yīng)用于煤礦設(shè)備的高強度零件，對孔的表面粗糙度要求較低，同軸度要求較高。刀具選用SANDVIK/山特維克φ40 mm 的BTA 錯齒鉆，刀片為800 -12T308 -M-C-G 1025 系列深孔鉆刀片。

在不采用周期進給系統(tǒng)時，選用加工參數(shù)如表1。切屑形態(tài)如圖5，主要是由中心齒、中間齒、外齒切削出的3 種切屑形態(tài)。

表1 原加工系統(tǒng)切削用量

中心齒的切屑形態(tài)為寶塔屑，形態(tài)規(guī)整。中間齒的切屑為長卷屑，切屑一邊較為規(guī)整，另一邊呈類波紋形褶皺。外齒的切屑也為長卷屑，兩邊都較為整齊，表面有凹凸不規(guī)則的褶皺。如表2 經(jīng)50 組數(shù)據(jù)測量，計算出切屑層厚度變形系數(shù)ξa和寬度變形系數(shù)ξ。中心齒和外齒的切屑長度在測量過程中變化較大主要分布在700～1100 mm 之間。因為切削材料難以靠刀具結(jié)構(gòu)及其斷屑臺進行斷屑，主要是靠高壓切削液的沖擊力進行斷屑，由于切削液在鉆頭頭部受到的影響因素比較多，液壓不穩(wěn)定，沖擊力有波動，導(dǎo)致斷屑長度變化范圍較大，不規(guī)則。從排屑通道排出的切削纏繞干擾情況比較嚴重，十分不利于順利排屑。

表2 切屑形態(tài)尺寸

采用周期性進給深孔加工系統(tǒng)，選用加工參數(shù)如表3 所示，切削液壓力和流量不變分別為3 MPa、120 L/min。計算得伺服電動機進給速度為0.45 mm/s，轉(zhuǎn)速為2.7 r/min。切屑的厚度和切削寬度由于切削用量沒有變化，所以和前一組的測量數(shù)據(jù)變化不大。中心齒切屑主要是依靠刀具進行分屑和斷屑變化不大，依然是較規(guī)整的寶塔屑。外齒和中間齒的切屑長度變化較大，由上節(jié)公式求得理論金屬切削層的長度分別為813.89 mm 和559.55 mm。如表2，寬度變形系數(shù)約等于1，因此厚度變形系數(shù)和長度變形系數(shù)近似相等，可推測出實際外齒和中間齒的切屑長度為363.34 mm 和259.05 mm。由于長卷屑有很多褶皺和凸起，使其長度變短，測量出的外齒切屑長度為302 mm，中間齒的切屑長度為176 mm，小于推算值。其切屑形態(tài)如圖6 所示。

表3 周期進給深孔系統(tǒng)切削用量

兩組實驗進行對比。周期進給中斷深孔系統(tǒng)的切屑長度變短，形態(tài)有顯著改善，不再是漫無規(guī)格的長卷屑。排屑通道排出的切屑比較均勻順暢，不再是一堆切屑纏繞排出。實驗結(jié)果基本符合預(yù)期的效果。但該系統(tǒng)加工工件的表面有刀紋、劃痕出現(xiàn)，因此該系統(tǒng)主要適用于材料難切削、難斷屑工件的粗加工。工件表面粗糙度要求不高的工件可以一次成型，對于表面精度要求較高的工件，還需進行鏜孔、珩磨等二次精加工處理。

5 結(jié)語

難加工材料的合理斷屑是深孔加工的一個重要問題。本文基于雷賽DMC2410C 運動控制卡靈敏精確的控制系統(tǒng)，采用C#語言在microsoft visual studio 2010提供的開發(fā)環(huán)境編寫了周期進給深孔加工系統(tǒng)程序。實現(xiàn)了在鉆頭進給方向上施加周期性脈沖，鉆頭的周期性進給中斷，以達到對于難斷屑材料順利斷屑的目的。實驗測試結(jié)果達到了預(yù)期的斷屑效果，該種斷屑方法是除利用深孔刀具結(jié)構(gòu)和高壓切削液沖擊斷屑之外，另一種行之有效的斷屑手段。但該方法具有一定的局限性，加工產(chǎn)品表面粗糙度不高，主要應(yīng)用于加工工件材料韌性大、難斷屑的深孔加工的粗加工。

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