专利名称：一种三维椭圆振动切削装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于难加工材料切削和超精密切削加工领域，特别是涉及一种三维椭圆振动切削装置。
背景技术：
金刚石刀具具有许多无可比拟的优点，但是可切削的工件材料种类却十分受限制。对于硬化钢等黑色金属材料、以及碳化硅等硬脆材料，在切削过程中会导致严重的金刚石刀具磨损，恶化加工表面质量并降低加工精度。为了扩展金刚石可切削材料的范围，已提出了一些改进的切削加工方法，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，具有抑制刀具磨损、改善加工表面质量等诸多优点。为了实施三维椭圆振动切削，其关键在于高性能的三维椭圆振动切削装置。现有的三维椭圆振动切削装置主要有以下两种技术方案1、共振型驱动的三维椭圆振动切削装置，即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，形成刀刃处的三维椭圆振动切削运动。这种装置存在的问题是①·刀杆设计困难，难以获得所需的高阶模态；②.三维椭圆振动切削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；③.采用开环控制，无法获得不失真的三维椭圆振动切削运动。④两个横向弯曲振动与一个纵向振动之间存在动力寿禺合。2、非共振型驱动的三维椭圆振动切削装置，即金刚石刀具由三对相互垂直的压电叠堆直接驱动，三对压电叠堆通过沿对角线方向上的同一个预紧螺栓同时预紧，通过匹配三对压电叠堆驱动信号的幅值和相位，可在刀位点处产生三维椭圆振动切削运动。这种装置的问题在于①.采用沿压电叠堆对角线方向的预紧螺栓对三个压电叠堆预紧的方法可能导致每个压电叠堆获得的预紧力不均勻；②.由于共用同一个预紧螺栓，当压电叠堆驱动刀具沿各自轴线运动时，系统中存在运动耦合和力耦合，难以对系统进行建模和控制。
发明内容本实用新型提供一种三维椭圆振动切削装置，用以实现难加工材料的超精密切削加工。本实用新型采取的技术方案是前挡板通过螺钉与基体固定连接，上挡板与基体固定连接，金刚石刀具与基体上的刀座通过紧定螺钉一固定连接，X向支撑梁通过紧定螺钉二与基体右侧固定连接，X向压电叠堆固定端与χ向压电叠堆座固定连接，X向压电叠堆座通过X向预紧螺栓与X向支撑梁固定连接，X向不锈钢球冠体与X向压电叠堆自由端固定连接，该X向不锈钢球冠体前端与X向右导向动臂顶接；Y向压电叠堆固定端通过下方的楔块组与Y向支撑梁连接，楔块组通过Y向预紧螺栓与Y向支撑梁固定连接，支撑梁通过紧定螺钉四与基体连接，Y向不锈钢球冠体与Y向压电叠堆自由端固定连接，该Y向不锈钢球冠体前端与刀座顶接；Z向压电叠堆固定端与Z向压电叠堆座固定连接，Z向压电叠堆座通过Z向预紧螺栓与Z向支撑梁固定连接，Z向支撑梁通过紧定螺钉三与基体的X向右导向动臂和Y向左导向动臂连接，Z向不锈钢球冠体与Z向压电叠堆自由端固定连接，该Z向不锈钢球冠体前端与刀座顶接；X向电容位移传感器与X向电容位移传感器夹紧装置固定连接，X向电容位移传感器夹紧装置通过X向电容位移传感器紧定螺钉与基体左立柱固定连接；Y向电容位移传感器与Y向电容位移传感器夹紧装置通过Y向电容位移传感器紧定螺钉固定连接，Y向电容位移传感器夹紧装置与基体固定连接；Z向电容位移传感器与Z向电容位移传感器夹紧装置固定连接，Z向电容位移传感器夹紧装置通过Z向电容位移传感器紧定螺钉与基体固定连接；基体是一个由线切割加工而成的整体机构，分为左、中、右三部分所述基体的左侧部分包括左立柱和X向左导向动臂，该X向左导向动臂采用单轴铰链，左立柱上开有通孔用于安装电容位移传感器，以及固定电容位移传感器夹紧装置的螺孔；所述基体的中间部分是刀座部分，刀座向外突出，刀座与能实现Y和Z两个方向的运动四组对称的双轴柔性铰链铰接，该四组对称的双轴柔性铰链分别是左前下双轴柔性铰链、左前上双轴柔性铰链、左后下双轴柔性铰链、左后上双轴柔性铰链、右前下双轴柔性铰链、右前上双轴柔性铰链、右后下双轴柔性铰链、右后上双轴柔性铰链；所述基体的右侧部分有X向右导向动臂，该X向右导向动臂采用单轴铰链。本实用新型的优点在于(1)通过直接驱动方式，使金刚石刀具的三维椭圆振动切削运动的参数频率、幅值、相位等，皆可主动调整，对难加工材料可获得最佳的切削加工性。(2)在X向采用铰链平行四杆机构，在Y向和Z向上分别采用双轴柔性铰链，以使金刚石刀具沿X向、Y向和Z向的三个运动无动力耦合，简化了被控对象的建模和控制。 ( 在X和Z两个方向的压电叠堆分别由沿各自轴线方向的预紧螺栓进行预紧， 在Y向的压电叠堆由楔块预紧，各压电叠堆的预紧过程互不影响，预紧方法简单可靠，可使三个方向上压电叠堆均勻预紧。(4)在X、Y和Z三个方向上均采用电容式位移传感器检测位移，并通过主轴转角信号进行触发采样，可实现刀位点运动的精确跟踪控制。(5)所述的三维椭圆振动切削装置，无论是结构还是控制，皆非常简单，易于实施。
图1是本实用新型的装配轴测图；图2是本实用新型去掉挡板从前面看的装配轴测图；图3是本实用新型去掉挡板从后面看的装配轴测图；[0027]图4是本实用新型去掉挡板从后面仰视的装配轴测图；图5是本实用新型在Y向和Z向的压电叠堆与刀座的球-平面连接示意图；图6是本实用新型基体的一种轴测图；图7是本实用新型基体的另一种轴测图；图8是本实用新型基体的另一种轴测图；图9是本实用新型Y向楔块组的上楔块轴测图；图10是本实用新型Y向楔块组的下楔块轴测图；图11是本实用新型的运动原理图；图12是本实用新型在X向的压电叠堆的球头与X向右导向动臂的圆锥面连接示意图；图13a是所合成的椭圆振动切削运动在X_Y平面内的投影；图13b是所合成的椭圆振动切削运动在Y-Z平面内的投影；图13c是所合成的椭圆振动切削运动在X-Z平面内的投影。
具体实施方式
前挡板1通过螺钉3与基体5固定连接，上挡板4与基体固定连接，金刚石刀具2 与基体上的刀座通过紧定螺钉一 6固定连接，X向支撑梁14通过紧定螺钉二 13与基体右侧固定连接，X向压电叠堆17a固定端与X向压电叠堆座16a固定连接，X向压电叠堆座16a 通过X向预紧螺栓15a与X向支撑梁14固定连接，X向不锈钢球冠体Ila与X向压电叠堆 17a自由端固定连接，该X向不锈钢球冠体12a前端与X向右导向动臂511顶接；Y向压电叠堆17b固定端通过下方的楔块组20与Y向支撑梁18连接，楔块组20 通过Y向预紧螺栓19与Y向支撑梁固定连接，支撑梁18通过紧定螺钉四M与基体连接，Y 向不锈钢球冠体lib与Y向压电叠堆17b自由端固定连接，该Y向不锈钢球冠体12b前端与刀座512顶接，该楔块组由上楔块2001和下楔块2002组成；Z向压电叠堆17c固定端与Z向压电叠堆座16c固定连接，Z向压电叠堆座16c通过Z向预紧螺栓15c与Z向支撑梁22固定连接，Z向支撑梁22通过紧定螺钉三21与基体的X向右导向动臂511和Y向左导向动臂502连接，Z向不锈钢球冠体12c与Z向压电叠堆17c自由端固定连接，该Z向不锈钢球冠体Ilc前端与刀座512顶接；X向电容位移传感器IOa与X向电容位移传感器夹紧装置7固定连接，X向电容位移传感器夹紧装置7通过X向电容位移传感器紧定螺钉9a与基体左立柱501固定连接；Y向电容位移传感器IOb与Y向电容位移传感器夹紧装置8通过Y向电容位移传感器紧定螺钉％固定连接，Y向电容位移传感器夹紧装置8与基体固定连接；Z向电容位移传感器IOc与Z向电容位移传感器夹紧装置23固定连接，Z向电容位移传感器夹紧装置23通过Z向电容位移传感器紧定螺钉12与基体固定连接；基体5是一个由线切割加工而成的整体机构，可分为左、中、右三部分所述基体的左侧部分包括左立柱501和X向左导向动臂502，该X向左导向动臂采用单轴铰链，左立柱501上开有通孔用于安装电容位移传感器，以及固定电容位移传感器夹紧装置的螺孔；所述基体的中间部分是刀座部分，刀座512向外突出，刀座与能实现Y和Z两个方向的运动四组对称的双轴柔性铰链铰接，该四组对称的双轴柔性铰链分别是左前下双轴柔性铰链503、左前上双轴柔性铰链504、左后下双轴柔性铰链505、左后上双轴柔性铰链506、 右前下双轴柔性铰链507、右前上双轴柔性铰链508、右后下双轴柔性铰链509、右后上双轴柔性铰链510 ；所述基体的右侧部分有X向右导向动臂511，该X向右导向动臂采用单轴铰链。在一台“T”型配置的精密或超精密车床上，将本实用新型所述的装置安装在车床的Z轴溜板上，工件装夹在主轴上作勻速回转，金刚石刀具沿车床的X轴和Z轴作进给运动。通过三个压电叠堆的驱动，在金刚石刀具的刀位点上叠加一个三维的椭圆振动切削运动。三个压电叠堆的驱动信号可分别表示为
权利要求1. 一种三维椭圆振动切削装置，其特征在于前挡板通过螺钉与基体固定连接，上挡板与基体固定连接，金刚石刀具与基体上的刀座通过紧定螺钉一固定连接，X向支撑梁通过紧定螺钉二与基体右侧固定连接，X向压电叠堆固定端与X向压电叠堆座固定连接，X向压电叠堆座通过X向预紧螺栓与X向支撑梁固定连接，X向不锈钢球冠体与X向压电叠堆自由端固定连接，该X向不锈钢球冠体前端与X向右导向动臂顶接；Y向压电叠堆固定端通过下方的楔块组与Y向支撑梁连接，楔块组通过Y向预紧螺栓与Y向支撑梁固定连接，支撑梁通过紧定螺钉四与基体连接，Y向不锈钢球冠体与Y向压电叠堆自由端固定连接，该Y向不锈钢球冠体前端与刀座顶接；Z向压电叠堆固定端与Z向压电叠堆座固定连接，Z向压电叠堆座通过Z向预紧螺栓与Z向支撑梁固定连接，Z向支撑梁通过紧定螺钉三与基体的X向右导向动臂和Y向左导向动臂连接，Z向不锈钢球冠体与Z向压电叠堆自由端固定连接，该 Z向不锈钢球冠体前端与刀座顶接；X向电容位移传感器与X向电容位移传感器夹紧装置固定连接，X向电容位移传感器夹紧装置通过X向电容位移传感器紧定螺钉与基体左立柱固定连接；Y向电容位移传感器与Y向电容位移传感器夹紧装置通过Y向电容位移传感器紧定螺钉固定连接，Y向电容位移传感器夹紧装置与基体固定连接；Z向电容位移传感器与Z 向电容位移传感器夹紧装置固定连接，Z向电容位移传感器夹紧装置通过Z向电容位移传感器紧定螺钉与基体固定连接；基体是一个由线切割加工而成的整体机构，分为左、中、右三部分所述基体的左侧部分包括左立柱和X向左导向动臂，该X向左导向动臂采用单轴铰链，左立柱上开有通孔用于安装电容位移传感器，以及固定电容位移传感器夹紧装置的螺孔；所述基体的中间部分是刀座部分，刀座向外突出，刀座与能实现Y和Z两个方向的运动四组对称的双轴柔性铰链铰接，该四组对称的双轴柔性铰链分别是左前下双轴柔性铰链、 左前上双轴柔性铰链、左后下双轴柔性铰链、左后上双轴柔性铰链、右前下双轴柔性铰链、 右前上双轴柔性铰链、右后下双轴柔性铰链、右后上双轴柔性铰链；所述基体的右侧部分有 X向右导向动臂，该X向右导向动臂采用单轴铰链。
专利摘要本实用新型涉及一种三维椭圆振动切削装置，属于难加工材料切削和超精密切削加工领域。金刚石刀具由分别沿X向、Y向和Z向的柔性铰链机构进行导向，并由分别沿X向、Y向和Z向的三个压电叠堆驱动，X向与Z向压电叠堆由沿各自轴线方向的预紧螺栓进行预紧，Y向压电叠堆通过螺栓旋紧楔块预紧，三个方向的预紧过程相互独立；通过调整和匹配三个压电叠堆驱动信号的初始相位和幅值，使金刚石刀具的刀位点运动在X-Y平面和Y-Z平面的投影分别为椭圆运动、在X-Z平面的投影为往复椭圆运动或直线运动。本实用新型结构新颖简单、易于实施，有利于获得金刚石刀具的最佳切削加工性。
文档编号B23B1/00GK202317030SQ20112043107
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者刘培会, 周晓勤, 朱志伟, 林洁琼, 王刚 申请人:吉林大学