专利名称：一种金刚石切削刀具三维椭圆运动生成方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于超精密切削和难加工材料切削技术领域，特别是涉及一种金刚石切削 刀具三维椭圆运动生成方法及装置。
背景技术：
有复杂几何特征的精密或超精密零件在许多重要的领域有着广泛的应用需求。金 刚石切削是一种创成复杂几何精密或超精密零件的重要加工方法，但目前的主要困难之一 在于金刚石可切削的材料范围还十分受限制。对于硬化钢等黑色金属材料和碳化硅等 硬脆材料，金刚石切削刀具的切削加工性较差，往往导致严重的刀具磨损、恶化加工表面质 量、以及降低加工精度。为了扩展金刚石可切削材料的范围，学术界和工业界提出了一些改 进的切削方法，例如低温切削、碳饱和切削和椭圆振动切削等。迄今为止的研究表明三维 椭圆振动切削是最有发展前途的一种切削方法，具有减少切削力、抑制刀具磨损、改善加工 表面质量等诸多优点。三维椭圆振动切削的关键之一在于切削刀具三维椭圆运动的生成方法及装置。现 有的三维椭圆振动切削装置主要是在刀杆的侧面分别贴附三对PZT陶瓷材料，通过信号发 生器驱动每一对PZT致动器，分别产生刀杆的弯曲、伸缩和扭转等三个微位移。当这三对 PZT致动器的驱动信号频率之整数倍与刀杆的高阶模态固有频率接近时将产生超谐共振， 从而形成刀尖处的三维椭圆运动。这种三维椭圆运动生成方法及装置的不足之处在于 ①.刀杆设计困难，难以获得所需的高阶模态；②.三维椭圆运动的频率和其它椭圆运动参 数依赖于刀杆的非线性结构动力学参数，难以自主控制，缺乏柔性。
发明内容
本发明提供一种金刚石切削刀具三维椭圆运动的生成方法及装置。以解决目前存的杆 设计困难，难以获得所需的高阶模态；三维椭圆运动的频率和其它椭圆运动参数依赖于刀 杆的非线性结构动力学参数，难以自主控制，缺乏柔性的问题。本发明采取的技术方案是，包括下列步骤
(1)金刚石切削刀具由分别沿X向、Y向和Z向相互垂直布置的三个压电叠堆直接 驱动，分别对三个压电叠堆施加正弦波驱动信号；通过主动调整这三个压电叠堆驱动信号 的初始相位，以使金刚石刀刃接触点的位移输出在X向与Z向之间始终保持相同的相位
ψ, = ψζ = β，在Y向始终与X向和Z向保持一定的相位差= Δψ^ = α,由此实现金
刚石刀刃在X-Y平面和Y-Z平面分别作椭圆运动，在X-Z平面保持直线运动；
(2)当金刚石切削刀具的前角及刃倾角非零时，其在X-Z平面内也具有切削能力，此时
只需调整三个压电叠堆的正弦波驱动信号之相位ψΛ、■%和1^ ,使三者之间均保持一定
的相位差关0、Δψ，#0和ΔΨμ #0 ,金刚石刀刃即可在X-Y平面、Y-Z平面和Z-X 平面内均作椭圆切削运动；(3)主动调整相互垂直布置的三个压电叠堆驱动信号的幅值、频率、以及金刚石刀刃接 触点的位移输出在X-Y向之间或Y-Z向之间的相位差，即可实现金刚石切削刀具三维椭圆 运动轨迹参数的自主控制。本发明实现上述金刚石切削刀具三维椭圆运动生成方法的装置的技术方案是基 体与基座通过定位销和削边定位销限位、并通过螺钉一、螺钉二固定连接，Y向压电叠堆下 端通过Y向上楔块与Y向下楔块连接，Y向楔块挡板与基体螺纹连接，Y向楔块调整螺钉与 Y向下楔块顶接，Z向压电叠堆下端通过Z向上楔块与Z向下楔块连接，Z向楔块挡板与基 体螺纹连接，Z向楔块调整螺钉与Z向下楔块顶接，X向压电叠堆下端通过X向上楔块与X 向下楔块连接，χ向楔块挡板与基体通过螺钉一、螺钉二、螺钉三、螺钉四螺纹连接，χ向楔 块调整螺钉与X向下楔块顶接，该三个压电叠堆相互垂直布置、每个压电叠堆的自由端皆 固定一个不锈钢球冠体、并分别与刀座“球-平面”接触连接，刀头与刀体固定连接，刀体分 别通过压紧螺钉、侧面压紧螺钉与刀座固定连接，预紧螺栓一端与刀座通过锥面定位和螺 纹固定连接、另一端通过预紧螺母与基体连接。本发明的优点在于通过直接驱动方式，使金刚石切削刀具三维椭圆运动的参数 频率、幅值、方位等，皆可主动调整，从而获得最佳的切削加工性。金刚石切削刀具三维椭圆 运动的生成方法及装置皆非常简单，易于实施。
图1是本发明装置的结构轴侧图； 图2是本发明装置的结构俯视图3是本发明装置的基体轴侧图，显示的是正面； 图4是本发明装置的基体轴侧图，显示的是后面； 图5是本发明装置的刀座轴侧图； 图6是本发明装置的预紧螺栓结构示意图； 图7是本发明装置的上楔块结构示意图； 图8是本发明装置的下楔块结构示意图； 图9是本发明装置的基体和基座连接剖视图； 图10是本发明装置的压电叠堆预紧机构及楔块调整机构的剖视图； 图11是三维椭圆运动在X-Y平面的投影，XY平面内合成椭圆； 图12是三维椭圆运动在Y-Z平面的投影，^平面内合成椭圆； 图13是三维椭圆运动在X-Z平面的投影，XZ平面内合成椭圆或直线。
具体实施例方式包括下列步骤
(1)金刚石切削刀具由分别沿X向、Y向和Z向相互垂直布置的三个压电叠堆直接 驱动，分别对三个压电叠堆施加正弦波驱动信号；通过主动调整这三个压电叠堆驱动信号 的初始相位，以使金刚石刀刃接触点的位移输出在X向与Z向之间始终保持相同的相位
ψ, = ψ2 = β，在Y向始终与X向和Z向保持一定的相位差Δψ^ = Δψ^ = α,由此实现金
刚石刀刃在X-Y平面和Y-Z平面分别作椭圆运动，在X-Z平面保持直线运动；(2)当金刚石切削刀具的前角及刃倾角非零时，其在X-Z平面内也具有切削能力，此时 只需调整三个压电叠堆的正弦波驱动信号之相位
权利要求
1.一种金刚石切削刀具三维椭圆运动生成方法，其特征主要在于(1)金刚石切削刀具由分别沿X向、Y向和Z向相互垂直布置的三个压电叠堆直接 驱动，分别对三个压电叠堆施加正弦波驱动信号；通过主动调整这三个压电叠堆驱动信号 的初始相位，以使金刚石刀刃接触点的位移输出在X向与Z向之间始终保持相同的相位= = β，在Y向始终与X向和Z向保持一定的相位差Δψ^ = Δψ^ = α,由此实现金刚石刀刃在X-Y平面和Y-Z平面分别作椭圆运动，在X-Z平面保持直线运动；(2)当金刚石切削刀具的前角及刃倾角非零时，其在X-Z平面内也具有切削能力，此时只需调整三个压电叠堆的正弦波驱动信号之相位ψΛ、％和,使三者之间均保持一定的相位差^O ,Δψ^ #0和#0 ,金刚石刀刃即可在X-Y平面、Y-Z平面和Z-X平面内均作椭圆切削运动；(3)主动调整相互垂直布置的三个压电叠堆驱动信号的幅值、频率、以及金刚石刀刃接 触点的位移输出在X-Y向之间或Y-Z向之间的相位差，即可实现金刚石切削刀具三维椭圆 运动轨迹参数的自主控制。
2.一种金刚石切削刀具三维椭圆运动生成装置，其特征在于基体与基座通过定位销 和削边定位销限位、并通过螺钉一、螺钉二固定连接，Y向压电叠堆下端通过Y向上楔块与 Y向下楔块连接，Y向楔块挡板与基体螺纹连接，Y向楔块调整螺钉与Y向下楔块顶接，Z向 压电叠堆下端通过Z向上楔块与Z向下楔块连接，Z向楔块挡板与基体螺纹连接，Z向楔块 调整螺钉与Z向下楔块顶接，X向压电叠堆下端通过X向上楔块与X向下楔块连接，X向楔 块挡板与基体通过螺钉一、螺钉二、螺钉三、螺钉四螺纹连接，X向楔块调整螺钉与χ向下楔 块顶接，该三个压电叠堆相互垂直布置、每个压电叠堆的自由端皆固定一个不锈钢球冠体、 并分别与刀座“球-平面”接触连接，刀头与刀体固定连接，刀体分别通过压紧螺钉、侧面压 紧螺钉与刀座固定连接，预紧螺栓一端与刀座通过锥面定位和螺纹固定连接、另一端通过 预紧螺母与基体连接。
全文摘要
本发明涉及一种金刚石切削刀具三维椭圆生成方法及装置，属于超精密切削和难加工材料切削领域。金刚石切削刀具由相互垂直布置的三个压电叠堆直接驱动，使用一个预紧螺栓对三个压电叠堆同时预紧，由三个楔形块机构对三个压电叠堆的预紧力分别微调；通过主动控制三个压电叠堆驱动信号的初始相位，使金刚石刀刃的运动在X-Y平面和YZ平面的投影分别为椭圆运动、在X-Z平面的投影为往复直线运动；通过调整三个压电叠堆驱动信号的频率和幅值等参数，实现切削刀具三维椭圆运动轨迹参数的自主控制。本发明之方法及装置非常简单、易于实施，有利于获得金刚石切削刀具的最佳切削加工性。
文档编号B23Q5/02GK102059575SQ20101055989
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者周晓勤, 林洁琼, 王刚, 许蓬子, 赵绍昕 申请人:吉林大学