在难加工的材料上加工精密深孔一直是机械加工的难点之一。长期以来，常见的方式是采用钻扩原铰链的技术。虽然未来有枪钻、BTA钻、射流吸钻等深孔加工工具和方法在加工效率和质量上取得了一定的进步，但断屑、排屑、刀具磨损过快等问题依然存在，仍然不能满足高精度、高质量、高效率、低消耗的现代工业生产要求。将振动切削深孔加工技术与交流变频调速技术相结合，将显著提高深孔加工的效率和精度，加工质量更加稳定。
1.变频器调速原理。
变频器是各种技术和理论综合发展的产物，一般包括主电路、控制、检测和保护。主电路包括三部分:整流器、滤波器和稳压、逆变器等。，还有DC平滑电抗器、制动电阻、制动单元等接口。通常，控制部分包括数字信号处理器和/或高速微控制器，它们共同完成控制算法的实现、控制的动态调整和脉宽调制控制信号的输出。监控部分包括检测电压、电流、温度等变量，判断是否超过系统保护的设定值。一般来说，变频器是指通用变频器适用于工业通用电机和通用变频电机，由通用电网供电(单相220V/50Hz，三相380V/50Hz)进行调速。这种变频器由于在工业领域的广泛应用，已经成为变频器的主流。
把交流电变成DC，经过平滑滤波后，通过逆变电路把DC变成不同频率的交流电。使电机获得无级调速所需的电压、电流和频率。这个变频器被称为AC-DC-AC 变频器，AC-DC-AC 变频器更好的控制方式是双极性正弦波脉宽调制。这种脉动扭矩小，扩大了调速范围，提高了调速性能。因此，在数控机床交流传动中得到了广泛的应用。
2.振动切削加工深孔的基本原理。
振动深孔加工，又称振动钻削，是将振动切削技术应用于钻削。刀具在传统深孔加工的基础上，加入一定频率和振幅的规则振动。当刀具边进给边振动时，钻孔作业就完成了，这将使切削厚度发生周期性变化，达到控制切削形状和尺寸的目的，从而有效地解决了深孔加工中的断屑和排屑问题。它是提高深孔加工质量和效率的先进技术。根据加工材料和不同的钻削规格，只要合理选择和匹配主轴转速n、进给速度s、振幅a和频率f，就能有效控制切屑的形状和尺寸，满足断续切削的要求。
根据这一理论，对振动深孔钻镗床进行改造，将先进的振动切削深孔加工技术与交流变频调速技术有效结合，形成专用精密深孔加工系统，可解决孔径小于60毫米、孔深可达4000毫米、深宽比L/D大于70的非旋转零件深孔加工中存在的问题。
3、振动切削深孔加工对机床改造的要求。
通常，深孔加工由于加工材料、孔深和孔径大小的不同，需要不同的刀具和不同的切削速度。因此，为了满足生产企业日益广泛的加工需求，需要增加主轴电机的调速范围，同时，为了满足振动切削的要求，振动电机的调速范围也必须成倍增加。
就我国目前使用的机床而言，机床主轴箱内的变级多速三相异步电动机和电磁离合器主要是用来变速来达到变速的目的，不能实现高精度的恒线性控制，不能满足大跨距、高、中、低速等对主轴转速要求高、低的零件的加工需要。对于一些DC调速驱动的数控机床来说，虽然可以实现无级调速，但必须经常维护变频器电刷，导致使用成本高，限制了电机的最高转速。因此，我们将变频调速技术应用于数控机床，通过变频器，直接驱动变速电机，可以实现无级平滑调速，减少大电机启动时对电网的冲击。功率因数提高，节能效果显著；提高了加工效率和精度。
使用振动深孔钻削，需要对深孔钻镗床或普通机床进行适当改造。如果对普通车床进行改造，需要在原有车床上增加振动装置、供油装置、供油系统、电气控制系统等四个部分。如果对深孔钻镗床进行改造，只需增加振动装置和控制系统，其他部分可稍作改动。其中，电气控制系统是实现振动深孔钻削的核心部件。
4.控制系统原理。
根据振动切削理论的断屑公式，如果进给速度s和振幅a是固定值，为了保持公式(1)，振动频率f和主轴转速n必须保持在特定的比值。频转比的控制是整个控制系统的核心，其性能直接决定了断屑效果和加工过程的稳定性。为了满足振动切削加工深孔的高精度要求，保证加工过程中频率转速比保持相对稳定，必须采用闭环电机调速系统，以主轴电机转速为给定量，振动轴转速为反馈量。速度控制系统一般采用速度和电流双闭环系统，但universal 变频器有自己的限流保护，因此采用速度单闭环控制不仅结构简单，而且能达到良好的综合性能指标。
在该系统中，采用图1所示的控制方案。主轴转速n和振动转速f由转速传感器检测，并与预设的速比(即频频比参数)k = f/n进行比较，经过pi调节后，将比较的差值转换为PWM电压信号发送给变频器，由变频器控制振动电机转速，使其跟随主轴电机转速在不同切削载荷下的变化。
5.控制统的硬件结构。
整个控制系统由三个重要部分组成:变频比例控制器(80196KC单片机)、变频器和交流电机，如图2所示。在该系统中，频率转速比控制器通过检测主轴转速和振动速度，根据设定的频率转速比，通过控制交流电机变频调速器的外部电压控制端来调节振动电机的速度，从而保证保持设定的频率转速比。
主电机带动初级同步齿形带带动主轴(刀具)旋转，振动电机带动连杆机构实现主轴(刀具)轴向振动。主电机运行时，主轴电机和振动电机均由变频器控制，实现主轴转速和振动频率的无级调节，振动电机和主轴电机之间的运行是闭环控制，即振动电机的频率由控制器设定的比值控制。振幅由双偏心机构实现，可根据选择的进给量进行调节。
根据主轴电机最大转速1000r/s的要求，控制系统的频率比应在0.00 ~ 5.00之间无限可调。在电机驱动中，为了在调速过程中保持电机的最大扭矩恒定，系统必须保持频率与电压的比值恒定。如果出现异常，系统必须具有紧急故障处理功能和报警显示。
6.变频器
变频器的选择必须根据具体的应用条件和负载特性，综合考虑容量、输出电压、输出频率、保护结构、V/F(电压/频率)方式、电网与变频器之间的切换、瞬时停机和重启等。，以便选择符合要求的型号和型号。一般V/F控制方式的变频器主要考虑输出功率和电流，而变频器必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流。我们选择了西安春日电器有限公司的KVFC系列万向变频器其中11kW主轴电机选用KVFC-4110 (11kW/400 V)，1.5kW振动电机选用KVFC-417(1.7kW/400V)
7.变频器功能的设置。
变频器设计了足够的频率设置功能和频率控制接口。变频器的频率输出可以用数字键盘设置，如基频、启动频率、最大和最小频率、跳跃频率和宽度、多级运行频率值和加减速斜率等。使用键盘的上下键和启停键可以实时改变电机的速度。另一种方法是用输入接口端子控制电机的运行，如正转指令、反转指令、复位输入、加减速时间转换、多级运行频率选择、自由运行等控制端子。此时，可以通过输入0-5v或0-10v电压，或使用(4-20ma)的电流信号来设置工作频率值。
由于我们采用单片机作为控制器，其工作电压为5V。因此，利用微控制器输出0-5v连续变化的模拟信号，通过变频器VRC终端控制变频器，实现主轴电机和振动电机的变频无级调速。变频器的主要功能参数设置如表1所示。
变频器参数的设置也是系统稳定运行的关键。如果系统运行时电机转速太低，扭矩太小，电机的滑差会很大，发热严重，严重时电机会烧毁。因此，需要为电机设置下限频率或设置自动扭矩提升功能。加减速时间设置也是参数设置的重点。如果加减速时间设置不合理，变频器会因过流或过压而自动停止。因此，加速时必须限制频率上升速率以防止过流，减速时必须限制频率下降速率以防止过压。
8.控制系统的软件设计。
软件功能根据系统性能要求和硬件设计进行设计。根据振动切削深孔加工系统的功能需求，软件系统需要完成以下任务:主控程序、主轴电机测速模块、振动电机测速模块、振动电机控制模块、伺服电机控制模块、显示子模块、设定参数读取和PI控制算法、故障保护模块等。振动电机控制模块负责实时输出PWM电机控制信号，按照给定的比例控制振动电机的转速，保持f/n高于K..主程序流程图如图3所示。
9.结语。
本文结合振动钻削技术和交流变频调速技术，对普通机床进行改造，采用单片机作为数控机床的控制器，设计并完成了振动切削深孔加工的控制系统。生产实践证明，该复合加工技术能有效解决深孔加工中断屑和排屑的主要问题，从而简化刀具结构，降低对切削液系统的要求，相对减少排屑空间，提高钻杆强度和深孔钻削系统刚度，保证加工的稳定性和质量。特别是对于难加工材料的深孔钻削，效果更加明显，是难加工材料深孔钻削最有效的工艺措施。
