变频器在调整机床切削参数中的应用

2018-09-23 55

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降低产品成本是提高企业市场竞争力的有效手段。对于摩托车零件机加工部门而言，减少刀具消耗，特别是进口昂贵刀具消耗，是降低加工成本的一个重要方面。在刀具材料、工件材料、加工尺寸、冷却条件不变的情况下，切削速度对刀具耐用度的影响最大，而且比较容易改变。

在我们车间的缸头生产线中，加工气门导管和座圈的底孔有两个工位，都使用复合精镗刀。双主轴箱带动两把刀，分别加工进气门和排气门。每一把刀上各有两个刀片，该刀片为MAPAL公司生产，价格为800元/片。原来每个刀片一般只能加工零件3000个左右，而刀片的标定加工孔数为8000孔/片，显然刀片利用率比较低。为此，我们采用变频器调整主轴转速，以寻求获得经济合理的主轴转速。

2 采用变频器控制主轴转速

现以其中一个工位为例，介绍具体过程。

硬件选择
原主轴电机型号Y90S-2。它的相关参数如下：功率为1.5kW，额定电流为3.4A，转速为2840r/min，接法为Y。为了减少改动，保留原来主轴电机不变，选用富士FAN5000G9S系列变频器控制。该型变频器具有功能强、噪音低、操作方便等优点。根据主轴电机的参数，选择额定容量与之相匹配的FRN1.5G9S-4JE型变频器(额定容量为2.8kVA，额定电流为3.7A)。
控制过程
图1所示为用作试验的主轴电机电气控制接线图。PLC输出信号给继电器，继电器控制变频器的X1、FDW端子和CM端子的接通、断开，继而控制变频器的输出频率，实现电机转速调整。为了防止在变频器或电机发生故障时，故障扩大，把变频器报警常闭触点串接在电源输入端交流接器的控制电路中，可以及时切断变频器电源。变频器的功能参数通过外部键盘面板来输入，电机的转速由变频器的功能参数设定。

图1 改装后主轴电机电控接线图

2.3 参数设定
为了防止损坏变频器和电机，为充分发挥变频器的功能，一定要正确设定变频器的功能参数。
频率设定
选用键盘面板设定方式，具体频率值由X1、X2、X3端子ON/OFF组合来选择，本文是X2、X3端子断开，PLC输出只控制X1端子，所以只需设定X1端子对应的功能参数F20即可(频率不能超过电机的频定频率)。
加速/减速时间的设定
加速/减速时间的选择决定了调速系统的快速性，如果选择较短的加速/减速时间会提高生产率；但是如果选择加速时间太短，系统可能无法启动或者过电流跳闸；如果减速时间太短，频率下降太快，电动机会进入制动状态，可能发生过电压跳闸，因此应该在不影响加工的条件下，合理选择加速/减速时间值。
过载电流设定
过载电流为变频器电子热过载继电器动作值，为了保护电机，应设定为电机的额定电流或稍小于额定值。
瞬时停电后自动再启动
为了安全起见，该参数应设为瞬时停电后不可以自动再启动方式。
电机极数的设定
为了能显示正确的电动机同步转速，应正确设定该参数。因为异步电动机额定转差率较小，根据n_e＝2840r/min，可以判断出电机的同步转速n₁＝3000r/min，电机极数为2。
安全保护
富士5000G9S系列变频器的自诊断功能报警且保护功能齐全，一旦变频器内部保护功能动作而导致停机状态时，有继电器开(闭)信号输出，为了防止故障的扩大，把变频器报警常闭触点串联在变频器电源输入侧的交流接触器控制电路中。

3 改变切削速度试验

我们对电机转速进行了调整(即调整刀具的切削速度)，并对切削效果、刀具寿命(指在实际加工中，每把刀片所加工工件的数量)做了详细的记录。经过几个月的试验，得出在现有的工况条件下，转速与零件表面粗糙度、转速与刀具寿命的大致曲线，如图2、图3所示。

图2 转速与工件加工表面粗糙度的关系

图3 转速与刀片寿命的关系

试验结果表明：切削速度在1700～1900r/min之间时，零件的表面质量和刀片的使用寿命的综合指标较好，同时也能满足生产率要求。我们把速度定在1800r/min工作，反映出来的切削效果比较好，而且很稳定。

4 经济效益对比

在实际机床改造中，为了节约，把变频器拆掉，用改变同步齿形皮带轮直径的方法来降低主轴转速，使之达到试验中确定的最佳速度。

以年产30万件缸头计算：

改造前(n=2840r/min)：

消耗刀片数量：(30万件÷3000件/片)×4＝400片

消耗金额：400片×800元/片＝32万元

改造后(n＝1800r/min)：消耗刀片数量：(30万件÷4000件/片)×4＝300片

消耗金额：300片×800元/片＝24万元

显然，以年产30万件缸头计算，仅这个工位每年就节约资金8万元，而更换同步齿形带皮带轮只需100元左右。我们用同样的方法对加工另外一对气门导管和座圈底孔的主轴速度进行了调整，确定切削速度在1400r/min时切削效果最好，每片可加工工件3800个左右。

我们在近10台设备上运用变频器试验方法调整主轴转速，提高刀片的使用寿命，一年为公司节约资金近30万元，获得了显著的经济效益。近两年的实践证明：刀具使用的工况条件不同，其合理的切削速度也不一样。用变频器来改变切削速度，选定经济效益最佳切削速度。速度选择好之后，用改变皮带轮直径和(或)更换电机的方法来改变切削速度，既经济又方便，是机械加工行业提高加工质量、降低加工成本的一种行之有效的方法。

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