金属切削原理是研究金属切削加工规律的*门技术科学。金属材料的切削加工是用硬度高于工件材料的刀具在工件上切去*部分金属，从而得到满足要求的形状精度、尺寸精度和表面质量[1,2]。研究金属切削加工规律对于提高产品质量和生产效率至关重要，故此金属切削原理是*高校*机械类*业基础课的必修内容。
金属切削过程可理解为切削层金属(工件上要被切去的金属层)受刀具的推挤后产生塑性变形，从工件上分离下来形成切屑的过程。切削层金属的变形是刀具给予力作用的结果，这个力就是切削力，它是金属切削过程中重要现象之*[1-4]。影响切削力的因素有很多，切削速度对其影响有着较为特殊的规律。传统的实验中，切削速度受工件直径的影响，导致实验效果不明显，甚至不理想。
本文拟采用变频器实现机床主轴的**调速，进而是切削速度也能**变化，从而使每次实验都能得到较为理想的实验效果。
2切削速度对切削力的影响规律
切削脆性金属材料时(如灰铸铁、铅黄铜等)，切屑呈崩碎状，塑性变形小，刀-屑摩擦小，故切削速度对切削力的影响不大。但切削塑性金属材料时(如45钢、球墨铸铁等)，切削速度对切削力的影响如图1所示。*般地，切削力分为x，y，z方向的3个分力，其中z方向的分力为主切削力，用Fc表示。由图1可看出，Fc随切削速度vc的升高，呈现“减-增-减”的趋势，Fc-vc的这种关系又称为“驼峰曲线”，这主要是受积屑瘤的影响所致。塑性材料切削中，在vc不高而又能形成连续切屑时，刀具切削刃附近常常粘着*块剖面呈三角形的硬块，称为积屑瘤，其高度Hb受vc影响，Hb越高，使得实际前角越大，导致切削力越小。vc<20m/min时，随vc的升高，Hb逐渐升高，使Fc逐渐减小，在vc=20m/min附近，Hb升至*高，使Fc出现*小值；在20m/min
<vc<30m/min时，随vc的升高，Hb逐渐减低，使Fc逐渐增大，在vc=30m/min附近，Hb逐渐减低至零，即积屑瘤消失，使Fc出现*大值；而后在vc>30m/min时，随vc的升高，再*积屑瘤出现，Fc缓慢减小。
3实验中的问题
*般通过车削实验得到图1中的曲线，但车削中vc由式(1)计算而得。
(1)
式中 d――工件直径(mm)；
n――主轴转速(r/min)。
由式(1)可知，实验中d越来越小，使vc受到影响，工件直径不能过小，否则会因刚度不足而产生振动。n是在机床上通过转速手柄调节传动齿轮实现的*系列转速。例如CA6140车床主轴有10、12.5、16、20、25、32、40、50、63、80、100、125、160、200、250、320、400、450、500、560、710、900、1120及1400
r/min共24*转速。而驼峰曲线中的*值点只出现在vc<40~50m/min的情况下。图2给出了工件直径对切削速度的影响。不难看出，受工件直径影响，齿轮配合的有*调速时，当20m/min
<vc<50m/min时，只有4~5个数据点，不容易恰好得到“驼峰”中的*值点。故此需要对机床主轴进行**调速，使切削速度连续变化，从而得到驼峰曲线中的*值点。郑州中鑫自化设备限公司 网址：http://www.hnzkwx.com 郑州变频器维修中* 维修电话：0371-60133978 13837132021
4用变频器实现机床主轴的**调速
4.1 变频器调速的电气控制
为了能够使vc连续变化，即主轴转速**变化，采用台达VDF075V43A型变频器对CA6140车床主电机进行**调速。图3给出了变频器调速的电气控制接线图。需要**调速时，由按钮SBB闭合接触器KMH和KMB(KMY断开)；不需**调速时，由按钮SBY闭合接触器KMY
(KMH和KMB断开)，这样*机两用。实际应用时，还必须对变频器的参数进行必要调整[5]。电机的启动和停止由按钮SB控制，运转频率由滑动变阻器R给定，设定范围是0~50Hz。
4.2 变频调速后的切削速度
主电机实现了**调速，主轴转速仍可通过转速手柄改变，故变频调速后，主轴转速由主电机工作频率和转速手柄共同决定，对于CA6140车床，可推导出频率与切削速度间的关系式
(2)
式中 nγ――变频后主轴转速(r/min)；
γ ――变频器频率(Hz)，已设定为0~50Hz；
n0 ――车床主轴箱转速手柄所指转速(r/min)。
若d=100mm，n0 =400r/min，则根据式(2)可知，切削速度可在0~125.6 m/
min的范围内**变化，能够满足实验要求。
5 实验系统及效果对比
5.1 实验系统
图4给出了CA6140车床变频调速测切削力的实验系统。为了方便观察和操作，将变频器的数字操作器、按钮及滑动变阻器等安装在配做的控制面板上。用Kistler9257A型测力仪、5807A型电荷放大器及计算机数据采集系统测量切削力。
5.2 实验效果对比
实验所用工件材料为45钢圆棒料(正火，180HBS)，实验时直径d=82mm，选择n0
=900r/min，由式(2)可知vc能在0~232m/min的范围内**变化。若用转速手柄调节主轴转速，vc可得到2.57~232m/min中的22点，但根据式(1)计算可知20~50m/min之间只有5点。实验所刀具为YT15可转位外圆车刀，γo=14o,
αo=αo′=6o,κr=75o, κr′=15o, λs= -6o,
rε=0.4mm。切削用量为ap=1mm，f=0.1mm/r。
实验先采用转速手柄调节主轴转速，测得2.57~232m/min中的22个切削速度时的主切削力，经数据处理得到有*调速时的Fc-vc关系曲线。而后采用变频器**调速，使vc从2.57m/min连续升高至232m/min，直接可得到**调速时的Fc-vc关系曲线。图5给出了实验效果对比情况。
由图5
a)可知，驼峰曲线中的*小值点B出现在vc=30min/min附近，较明显，但*大值点C并不明显，应在vc=50-75min/min之间。由图5
b)不难看出，*小值点B也在vc=30min/min附近，而*大值点C则出现在有*调速时的2点之间，从而说明了**调速可以清晰完整地得到切削力与切削速度的驼峰曲线。
除此之外，由图5
b)还可知，电机和齿轮在低速运转时，略有振动，加之，积屑瘤周期性的产生和脱落，综合原因导致A-B段切削力信号波动较大；B-C段，电机和齿轮运转速度提高，振动减小，积屑瘤逐渐消失，使切削力信号波动减小。
6结论
(1)
为了得到切削速度连续变化时切削力的驼峰曲线，采用台达变频器对机床主电机进行**调速，设计了附加控制电路，易于变频器的进入和退出，使用变频器后，主轴转速由电机工作频率和调速手柄共同决定；
(2)
**调速可使切削速度不受工件直径变化的影响，经实验对比，**调速时可以清晰完整地得到切削力与切削速度的驼峰曲线；郑州中鑫自化设备限公司 网址：http://www.hnzkwx.com 郑州变频器维修中* 维修电话：0371-60133978 13837132021
(3) 采用变频器对机床主电机进行**调速，还能在刀具磨损实验中保持切削速度恒定，扩大了应用范围。