一种非共振椭圆振动切削装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种非共振椭圆振动切削装置，属于超精密切削和难加工材料切削【技术领域】。金刚石刀具通过紧固螺钉与基体前部的刀座固定连接，X向两压电叠堆尾端与下楔形块接触，上楔形块与下楔形块接触构成楔形块预紧机构，楔形块挡板与基体背板通过两个紧固螺钉固定连接，楔形块预紧螺钉与楔形块挡板螺纹连接，并与上楔形块顶接，每个压电叠堆的自由端分别固定一个不锈钢球冠体，基体下部与楔形调整底座通过四个紧固螺钉连接。优点在于：可获得难加工材料的最佳切削性能，压电叠堆和柔性铰链构成的驱动部分结构更紧凑，实现运动的刀座部分体积更小，使得刀具在高频的切削过程中仍能实现较大位移，保证加工效率。
【专利说明】一种非共振椭圆振动切削装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于超精密切削和难加工材料切削【技术领域】，特别是涉及一种非共振椭圆 振动切削装置。
【背景技术】
[0002] 单点金刚石切削加工是创成精密和超精密零件的一种有效的加工方法，具有许多 难以超越的优点。但是该方法的局限性在于可切削的工件材料种类受限，光学晶体等硬脆 性材料、硬化钢等黑色金属材料在精密零件及模具中有广泛的应用，但由于这些材料在切 削过程中会导致严重的金刚石刀具磨损，加工表面易产生裂纹和凹坑等缺陷，现行的切削 方法很难获得满意的表面质量。为了拓展金刚石刀具可切削的材料范围，国内外学者提出 了一些改进的工艺方法，如低温切削，碳饱和切削，表面改性切削等，其中椭圆振动切削具 有减小切削力，改善加工精度、提高表面质量、延长刀具寿命、实现脆性材料延性切削等诸 多优点，被认为是目前最具发展前途的一种加工方法，受到了学术界和工业界的广泛关注。
[0003] 现有的椭圆振动切削装置的驱动形式主要有共振型和非共振型两种：
[0004] 对于共振型椭圆振动切削装置，主要实现方法是在刀杆侧面粘贴两对PZT陶瓷材 料，通过信号发生器控制每对PZT驱动器对刀杆施加两对分布载荷，当外部激励频率的整 数倍接近刀杆的高阶频率时，刀杆将产生超谐共振，从而通过两个横向振动或一个横向振 动和一个纵向振动合成刀尖处的椭圆振动轨迹。共振型椭圆振动装置的主要不足有：①刀 杆的设计困难，难以获得所需的高阶模态；②各阶振型和节点位置依赖于刀杆的设计和实 际装夹方式；③椭圆振动参数难以自主控制，缺乏柔性；④刀杆的横向弯曲振动和纵向振 动往往存在耦合，易产生串扰。
[0005] 对于非共振型椭圆振动切削装置，工作时由压电叠堆直接驱动刀座，通过匹配输 入压电叠堆控制信号的幅值、相位等参数，即可在刀尖处合成椭圆振动轨迹。与共振型驱动 方式相比，其优点在于：①椭圆振动的频率和振幅等参数可主动连续控制，因而对于不同的 加工材料和加工表面要求具有更好的适应性；②构成椭圆振动的两个谐运动是非耦合的， 可独立控制。现有的非共振型椭圆振动切削装置的驱动部分主要分为多个压电叠堆平行 布置和相互垂直布置两种形式，其中压电叠堆平行布置的典型装置有：韩国大邱加图立大 学在《一种用于微V型槽加工的超声椭圆振动切削装置：动力学分析和微V型槽加工特性》 中所述的装置，和北卡罗来纳州立大学在《单点金刚石刀具椭圆振动辅助加工》中所述的 装置。上述现有装置主要存在的问题包括：①在较高的工作频率下刀具的位移过小，不能 满足高效加工的需要；②使用螺钉对压电分别预紧，降低了装置的稳定性和运动的准确性； 加大了后续信号调试的工作量。因此为了获得最佳的切削性能，这种非共振型椭圆振动切 削装置仍有待进一步完善。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种非共振椭圆振动切削装置，用以实现难加工材料的超精密切削加 工。
[0007] 本发明采取的技术方案是：
[0008] 金刚石刀具通过紧固螺钉与基体前部的刀座固定连接，X向两压电叠堆尾端与下 楔形块接触，上楔形块与下楔形块接触构成楔形块预紧机构，楔形块挡板与基体背板通过 两个紧固螺钉固定连接，楔形块预紧螺钉与楔形块挡板螺纹连接，并与上楔形块顶接；
[0009] 两个压电叠堆平行布置，每个压电叠堆的自由端分别固定一个不锈钢球冠体、并 分别与刀座构成"球、平面"点接触连接，基体下部与楔形调整底座通过四个紧固螺钉连 接；
[0010] 基体是一个可由线切割加工而成的整体构件，可分为前部、背板、和底部三个部 分：
[0011] 所述基体的前部包括刀座和铰链部分，刀座向外突出，并开有螺纹孔以固定金刚 石刀具，刀座与四组单轴柔性铰链铰接，用于实现X-Y平面内的运动；
[0012] 所述基体的背板与两楔形块和楔形块挡板共同构成压电叠堆的预紧机构；
[0013] 所述基体的底部呈楔形，与楔形调整底座固定连接，共同构成Y向的微调机构。
[0014] 本发明的优点在于：
[0015] (1)通过直接驱动的方式，主动控制金刚石刀具的椭圆振动切削运动的频率、幅 值、相位等参数，可获得难加工材料的最佳切削性能。
[0016] (2)所述的非共振型椭圆振动切削装置与现有的同类型切削装置相比，压电叠堆 和柔性铰链构成的驱动部分结构更紧凑，实现运动的刀座部分体积更小，使得刀具在高频 的切削过程中仍能实现较大位移，保证加工效率。
[0017] (3)X方向上的两个压电叠堆由楔形块预紧机构同时预紧，可保证二者预紧力相 同，预紧方法简单可靠。
[0018] (4)底部的Y向微调机构可实现高度调整，满足不同加工情况的需要。
[0019] (5)所述的非共振型椭圆振动切削装置，无论是结构还是控制，皆非常简单，易于 实施。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本发明的结构示意图；
[0021] 图2是本发明底部的装配结构示意图；
[0022] 图3是本发明顶部的装配结构示意图；
[0023] 图4是本发明预紧装置的结构示意图；
[0024] 图5是本发明基体的结构示意图；
[0025] 图6是本发明基体和楔形调整底座配合的侧视图；
[0026] 图7是本发明在一个周期内的工作原理图。
【具体实施方式】
[0027] 金刚石刀具2通过紧固螺钉3与基体1前部的刀座固定连接，X向压电叠堆9尾 端和压电叠堆10尾端与下楔形块402接触，上楔形块401与下楔形块402接触构成楔形块 预紧机构4,楔形块挡板6通过紧固螺钉一 5和紧固螺钉二8与基体背板105固定连接，楔 形块预紧螺钉7与楔形块挡板6螺纹连接，并与上楔形块401顶接；
[0028] 压电叠堆9和压电叠堆10相互平行布置，每个压电叠堆的自由端分别固定一个不 锈钢球冠体12、并分别以"球、平面"的形式与刀座后平面顶接，基体1下部与楔形调整底座 11通过四个紧固螺钉连接；
[0029] 基体1是一个可由线切割加工而成的整体构件，分为前部、背板、和底部三个部 分：
[0030] 所述基体的前部包括刀座101、传递压电叠堆9的直线运动的铰链部分102和传递 压电叠堆10的直线运动的铰链部分103,该刀座向外突出，并开有螺纹孔以固定金刚石刀 具，刀座与四组单轴柔性铰链铰接，从而实现X-Y平面内的运动；
[0031] 所述基体的背板105与上楔形块401、下楔形块402和楔形块挡板6共同构成压电 叠堆的预紧机构4 ;
[0032] 所述基体的底部104呈楔形，与楔形调整底座11固定连接，共同构成Y向的微调 机构。
[0033] 在一台T形布局的精密或超精密车床上，将本发明所述的装置安装在车床的Z轴 溜板上，工件装夹在主轴上，随主轴做匀速回转运动，金刚石刀具沿车床的X轴和Z轴做直 线进给运动。通过两个压电叠堆的驱动控制，在金刚石刀具的刀位点处叠加为一个椭圆振 动切削运动。
[0034] 压电叠堆的驱动信号可以分别表示为：
[0035] U| ⑴=V丨 8?η(2π-- + φ丨） u2 (t) = V2 8?η8?η(2π---^φ：!) ⑴
[0036] 式中，VJPV2分别是驱动信号七⑴和?⑴的幅值，灼和％分别是驱动信号的 初始相位，f是驱动信号的频率。在压电叠堆的直接驱动下，金刚石刀具刀位点的位移在直 角坐标系中可表示为 ： ? χΟΑρ?^π?Ι + θ!)
[0037] < (2) 1 y(t) = Α. 5?ηδ?η(2π-- + θ2)
[0038] 式中，Ai和A2分别是刀位点位移的幅值，Pi和％分别是刀位点位移的相位。通过 主动调整和匹配压电叠堆驱动信号的初始相位，即仍和灼，使得二者相位差为η /2,即满 足％-(Ρ| "代入式（2)，可得刀位点的期望位移为： X⑴=Α丨 sin(2-;ift + Θ丨）
[] y(t) = A〇 sin8?η(2π-- + ⑶
[0040] 由式⑶可知，压电叠堆的运动可以在刀位点处合成X-Y平面内的椭圆运动，该椭 圆运动方程表达如下：
[0041] [xW/Aj^tyW/Aj^ 1 (4)
[0042] 需要说明的是：通过控制压电叠堆驱动信号的初始相位，使二者之间保持一定的 相位差，金刚石刀具在X-Y平面内可做长短轴成任意角度的椭圆运动。
[0043] 金刚石刀具安装在基体前部的刀座上，刀座由X向的四组柔性铰链机构进行导 向，并由X向的两个平行布置的压电叠堆驱动；在金刚石刀具的刀位点处实现Χ-Υ平面内的 任意椭圆运动。
[0044] 所述的非共振椭圆振动切削装置，X向的两个平行布置的压电叠堆驱动由楔形块 预紧机构沿轴线方向同时预紧，以保证二者的预紧力相同。楔形块设计满足不自锁条件。
[0045] 所述的非共振椭圆振动切削装置，两个X向的压电叠堆的自由端各固定一个不锈 钢球冠体，使得压电叠堆与刀座之间构成"球-平面"接触，从而令刀座部分在随压电叠堆 运动的同时可相对压电叠堆做微小的平动和摆动。
[0046] 所述的非共振椭圆振动切削装置之基体，是一个可由线切割加工而成的整体构 件，可分为前部、背板、和底部三个部分：所述基体的前部包括刀座和铰链部分，刀座向外突 出，并开有螺纹孔以固定金刚石刀具，刀座与四组单轴柔性铰链铰接，从而实现Χ-Υ平面内 的运动；所述基体的背板与楔形块和楔形块挡板共同构成压电叠堆的预紧机构，调整楔形 块预紧螺钉可对压电叠堆实现有效预紧；所述基体的底部呈楔形，与楔形调整底座固定连 接，共同构成Υ向的微调机构，通过改变楔形调整底座在X方向上的位置，可实现装置在Υ 向上的位置微调。
【权利要求】
1. 一种非共振椭圆振动切削装置，其特征在于：金刚石刀具通过紧固螺钉与基体前部 的刀座固定连接，X向两压电叠堆尾端与下楔形块接触，上楔形块与下楔形块接触构成楔形 块预紧机构，楔形块挡板与基体背板通过两个紧固螺钉固定连接，楔形块预紧螺钉与楔形 块挡板螺纹连接，并与上楔形块顶接； 所述X向两个压电叠堆平行布置，每个压电叠堆的自由端分别固定一个不锈钢球冠 体、并分别与刀座构成"球、平面"点接触连接，基体下部与楔形调整底座通过四个紧固螺钉 连接。
2. 根据权利要求1所述的一种非共振椭圆振动切削装置，其特征在于：所述基体是一 个可由线切割加工而成的整体构件，可分为前部、背板、和底部三个部分。
3. 根据权利要求2所述的一种非共振椭圆振动切削装置，其特征在于：所述基体的前 部包括刀座和铰链部分，刀座向外突出，并开有螺纹孔以固定金刚石刀具，刀座与四组单轴 柔性铰链铰接，用于实现X-Y平面内的运动。
4. 根据权利要求2所述的一种非共振椭圆振动切削装置，其特征在于：所述基体的背 板与两楔形块和楔形块挡板共同构成压电叠堆的预紧机构。
5. 根据权利要求2所述的一种非共振椭圆振动切削装置，其特征在于：所述基体的底 部呈楔形，与楔形调整底座固定连接，共同构成Y向的微调机构。
【文档编号】B23B25/00GK104117697SQ201410341899
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】周晓勤, 刘扬, 王荣奇, 刘强 申请人:吉林大学