深孔加工周期進給系統設計*

王 唯 沈興全 方 瑋

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

隨著我國工業的迅速崛起，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用于各種行業，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下進行的，切屑經過的路程長，切削溫度高，切屑易發生堵塞，造成刀具崩刃，工件報廢。大多數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，適當的改變切削用量是十分有必要的，尤其是對于難加工材料和復雜工件(如偏心孔、超薄壁孔、多階孔、異形工件孔)［2］。

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

1 內排深孔鉆周期性進給中斷系統

內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、外排屑深孔鉆的供油和排屑通道互相倒置，導致內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排屑系統的最大難題。

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，并產生干擾流。因此，內排屑系統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，切屑必須有適當的輪廓尺寸、形態規律一致，尤其要避免長卷切屑和漫卷無規律的切屑出現。

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。因此對于內排屑系統，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，通過調節運動周期，可以得到較為理想的切屑形態，確保排屑順利［3］。

2 硬件設備

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軌副進行傳動。控制系統核心為PC 機和運動控制卡，利用運動控制卡發出脈沖信號控制伺服驅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由 PC 機+雷賽DMC2410C 運動控制卡+接口電路+伺服驅動器+伺服電動機+進給機械機構+反饋元件，控制系統總體架構如圖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、位置觸發等特殊功能。在電動機運動過程中，程序可以根據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置，使得運動更迅速、更平穩。可以實現位置控制、速度控制、轉矩控制以及全閉環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，速度響應頻率為3000 KHz，零速轉矩為23 N·m。根據伺服電機參數指標采用華大邁信EP100 系列交流伺服驅動器中的EP100-2A。該驅動器控制算法先進，能實現轉矩、轉速、位置精確的數字控制;有數字量和模擬量的接口，便于與各種上位機互聯;IPM 智能模塊的使用，令設計環境更加的穩定、可靠。

伺服電動機的額定轉速為2000 r/min，增量式編碼器分辨率為2500 脈沖/r，其AB 信號經過伺服驅動器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，伺服電動機驅動進給機構的分辨率S 為

式中:F 為減速比，滾珠絲杠/電動機轉速=1:59;i 為編碼器分辨率，10000 脈沖/r。設控制器輸出的脈沖當量為10 μm/脈沖，則每走一個導程的脈沖數變為:

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

1.79 MHz 遠遠小于運動控制卡最高輸出工作頻率4 MHz［5］。

3 軟件設備

本系統運用Microsoft Visual Studio 2010 軟件進行設計，采用C#語言進行編程。C#是一種強大的、面向對象的程序開發語言，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、優雅的語法風格、創新的語言特性、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

控制系統軟件由運動控制、加工參數、控制方式、數據采集、最新數據和報警幾個部分組成。

(1)運動控制:主要是用來設定運動控制規律，根據伺服電動機驅動器的性能設定了位置控制、速度控制和轉矩控制3 種控制方式，通過設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: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，并設定了進給速度和加速度。該部分可以根據不同工況在加工過程中進行調節。

(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故障時，采用手動進給方式進行調節。

(4)數據采集:是利用服務器中定時器(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。在刀具出現故障時，配合手動操作完成加工過程的調整。其檢測參數可以保存導出，為以后的數據分析做準備。

(5)最新數據:主要是便于觀看當前刀具的位置和角度。

(6)報警功能:是根據系統設定的最大進給速度、最大轉矩等限制條件，一旦超量，執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矩增大易引起刀具崩刃損壞。

3.2 Net Framework 中關鍵功能的程序實現

(1)配置運動控制卡

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

(2)程序初始化:

3.3 斷屑形態計算

切屑形態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。主要參數有切屑厚度hD，切削寬度bD和切屑長度L。

單位時間內金屬切削量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，刀具參數如圖3 所示，在加工中有3 種不同規格的切屑，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。工件是一種應用于煤礦設備的高強度零件，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時，選用加工參數如表1。切屑形態如圖5，主要是由中心齒、中間齒、外齒切削出的3 種切屑形態。

表1 原加工系統切削用量

中心齒的切屑形態為寶塔屑，形態規整。中間齒的切屑為長卷屑，切屑一邊較為規整，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，表面有凹凸不規則的褶皺。如表2 經50 組數據測量，計算出切屑層厚度變形系數ξa和寬度變形系數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構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，液壓不穩定，沖擊力有波動，導致斷屑長度變化范圍較大，不規則。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 切屑形態尺寸

采用周期性進給深孔加工系統，選用加工參數如表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據變化不大。中心齒切屑主要是依靠刀具進行分屑和斷屑變化不大，依然是較規整的寶塔屑。外齒和中間齒的切屑長度變化較大，由上節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，寬度變形系數約等于1，因此厚度變形系數和長度變形系數近似相等，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。其切屑形態如圖6 所示。

表3 周期進給深孔系統切削用量

兩組實驗進行對比。周期進給中斷深孔系統的切屑長度變短，形態有顯著改善，不再是漫無規格的長卷屑。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。實驗結果基本符合預期的效果。但該系統加工工件的表面有刀紋、劃痕出現，因此該系統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，采用C#語言在microsoft visual studio 2010提供的開發環境編寫了周期進給深孔加工系統程序。實現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。實驗測試結果達到了預期的斷屑效果，該種斷屑方法是除利用深孔刀具結構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，加工產品表面粗糙度不高，主要應用于加工工件材料韌性大、難斷屑的深孔加工的粗加工。

［1］陳日曜.金屬切削原理［M］.2 版.北京:機械工業出版社，2002:118 -136.

［2］王世清.深孔加工技術及［M］.西安:西北工業大學出版社，2003.

［3］王竣.現代深孔加工技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工業出版社，2005.

［4］黃瑞寧，李榮先，杜如虛，等.微細電火花線切割加工伺服運動控制卡設計及實現［J］.電加工與模具，2009(1):51 -54.

［5］寧會峰，麻秦凡，龔俊.基于珩磨氣動測量技術的運動控制卡研究［J］.機械制造，2012，50(8):24 -27.

［6］郭勝.C#.NET 程序設計教程［M］.北京:清華大學出版社，2002.