一种基于锐角直板型柔性铰链的振动辅助旋转切削装置的制作方法

本发明属于超精密车削加工以及难加工材料复杂光学零件车削加工技术领域，特别涉及一种基于锐角直板型柔性铰链的振动辅助旋转切削装置。

背景技术：

近年来，精密和超精密加工技术的不断发展并成功应用在了很多领域中，例如：微机电系统、航空航天零件加工、生物医学、仿生学等，不同领域加工精度以及应用材料的可加工性，对超精密加工都是一种挑战，特别是难加工材料的复杂面型加工中，传统的切削方法已经不能满足应用的需求，椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting EVC)正是在此基础上发展起来，并受到全世界专家学者的广泛关注，被认为是最具有发展潜力的难加工材料加工方法之一。

EVC方法具有独特的间歇性切削与摩擦力逆转特性，能够在加工过程中有效抑制切削振动、延长刀具使用寿命、降低切削温度，并进一步提高零件的加工质量。EVC装置的研究最早由日本名古屋大学的Shamoto教授等人提出，到刀杆两侧利用压电片激起刀杆的共振模态，然后通过一阶与三阶模态下的运动合成，实现刀尖的椭圆运动，实验表明，EVC能够消除传动振动辅助切削的熨压特性，之后在世界范围内广泛开展了EVC装置的研究，其中主要有美国、日本、新加坡、德国、韩国等国家，装置由共振型发展到非共振型，由二维逐渐扩展到三维，国内关于EVC的研究也较多，主要集中在哈尔滨工业大学、吉林大学、北京航空航天大学、天津大学、大连理工大学、河南理工大学、长春工业大学等高校，除了对EVC装置展开研究外，EVC切削力、切削热、刀具磨损、切削轨迹、过程控制等方面也开展了很多的研究。

EVC的研究在逐渐完善的同时，也遭遇到了技术瓶颈，相邻轨迹间的刀具残留高度无法消除，限制了EVC加工精度的进一步提高，尽管通过提高切削加工频率能够缓解这种局限性，但是频率越高，也带了附生运动，导致控制难度加大，因此研究一种既具有EVC切削优点又能克服EVC局限性的加工方法势在必行。

技术实现要素：

本发明提供一种基于锐角直板型柔性铰链的振动辅助旋转切削装置，从而实现难加工材料高精度的超精密切削加工。

本发明采用的技术方案是：压电叠堆一、压电叠堆二分别用预紧螺钉一、预紧螺钉二安装在柔性装置平台上，电容式位移测量挡板一、电容式位移测量挡板二分别用紧固螺钉与柔性装置平台连接，电容式位移传感器一、电容式位移传感器二分别通过紧固螺钉安装在电容式位移传感器夹座上，电容式位移传感器夹座通过紧固螺钉安装在柔性装置平台上，金刚石刀具与柔性铰链平台通过紧固螺钉固定连接，柔性铰链平台通过固定螺钉与安装基座连接。

本发明所述柔性装置平台是左右对称结构，以其中一侧为例，柔性铰链组由并联直角型柔性铰链一、直角型柔性铰链二、直角型柔性铰链三，直圆型柔性铰链，锐角直板型柔性铰链组成，其中，直角型柔性铰链三与刀具安装平台连接，电容式位移测量挡板座两端与并联直角型柔性铰链一连接，该并联式直角型柔性铰链一采用直角柔性铰链、单个柔性铰链中包含的四个小分支间成平行四边形排列，形成单自由度封闭结构，直角型柔性铰链二安装在并联式直角型柔性铰链对面，电容式位移测量挡板座前面与锐角直板型柔性铰链连接，该锐角直板型柔性铰链内的两个铰链成60°夹角，该锐角直板型柔性铰链对面还有两个直圆型柔性铰链。

本发明所述金刚石刀具的刀尖产生的旋转轨迹方程表达式为：

其中,A₁,A₂分别为两个压电叠堆驱动信号的幅值，t是时间变量,ω为压电叠堆驱动信号的频率，φ₁,φ₂为压电叠堆驱动信号的相位差，经过运动与刀座参数的空间坐标转换；l₀为压电叠堆不施加力时刀位点P₀到刀尖O₀的距离,l₁为压电叠堆不施加力时刀位点P₀到压电叠堆施加力时刀尖O₁的距离。

本发明优点是结构新颖，易于制造，很大程度上减少装配带来的误差，并联直角型柔性铰链一由压电叠堆直接驱动，带动锐角直板型柔性铰链1206和直圆型柔性铰链运动，致此通过直角型柔性铰链三定位刀具绕圆心的稳定旋转，柔性铰链作为导向机构，柔性装置体积小，质量轻，易于实现柔性装置的高频加工；同时，本发明在压电叠堆驱动方向上由一组压电叠堆通过沿各自轴线方向的预紧螺栓进行预紧，预紧过程皆相互独立，简单可靠，易于实现；

本发明通过刀具的旋转，切削点将沿着刀沿相对地恒定变化，切削力在旋转过程中能够在上个分量上均匀化一些，使得总切削力减小提高了刀具寿命，同时拟间歇旋转可以带走一部分切削热，利于道具散热，避免切削过程中的局部高温；

本发明装置运行过程中，刀具与工件的接触点周期性变化，每一周期内刀具能够在旋转时将切削液带入切削区域，实现高效润滑；同时，通过旋转装置使金刚石刀具绕刀尖圆弧半径轴心旋转，刀具参与切削的圆弧随着刀具的旋转而改变，由于刀具与工件在切削过程中始终接触，消除了椭圆振动切削加工过程中存在的周期间残留高度；

本发明装置利用非共振型振动切削加工，非共振型振动旋转切削装置一般是由压电叠堆驱动柔性铰链而成，柔性铰链的形状、尺寸大小以及分配方式都对旋转振动切削的效果有所影响，根据柔性铰链分配方式来合成金刚石刀具的旋转轨迹，不同轨迹可以加工范围有所不同；在旋转轨迹产生方法上，通过压电叠堆的驱动力之差使金刚石刀具绕刀尖半径轴心旋转，使其具有拟间歇振动旋转切削运动轨迹的空间变换特征，能够消除EVC过程中存在的周期间残留高度，刀具轨迹对于曲面的加工适应性更强，进而提高加工质量、延长刀具寿命以及扩展金刚石刀具可切削材料的范围；本发明的旋转柔性装置中两个压电叠堆驱动相互平行，分别驱动独立的柔性铰链，相互之间不存在耦合，能够实现柔性装置较高的控制精度，同时旋转角度可以由压电叠堆驱动信号的参数来调整。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明柔性装置平台的上轴侧图；

图3是本发明柔性装置平台的上轴侧图；

图4是本发明直圆型柔性铰链、锐角直板型柔性铰链局部结构示意图；

图5是发明运动简图。

具体实施方式

将压电叠堆一5、压电叠堆二8分别用预紧螺钉一6、预紧螺钉二7安装在柔性装置平台12上，电容式位移测量挡板一2、电容式位移测量挡板二13分别用紧固螺钉4与柔性装置平台12连接，电容式位移传感器一3、电容式位移传感器二11分别通过紧固螺钉4安装在电容式位移传感器夹座9上，电容式位移传感器夹座9通过紧固螺钉4安装在柔性装置平台12上，金刚石刀具1与柔性铰链平台12通过紧固螺钉固定连接，柔性铰链平台12通过固定螺钉10与安装基座连接。

本发明所述柔性装置平台12属于左右对称结构，以其中一侧为例，柔性铰链组由并联直角型柔性铰链一1201、直角型柔性铰链二1202、直角型柔性铰链三1204，直圆型柔性铰链1205，锐角直板型柔性铰链1206组成，其中，直角型柔性铰链三1204与刀具安装平台1203连接，电容式位移测量挡板座1207两端与并联直角型柔性铰链1201一连接，该并联式直角型柔性铰链一1201采用直角柔性铰链、单个柔性铰链中包含的四个小分支间成平行四边形排列，形成单自由度封闭结构，直角型柔性铰链二1202安装在并联式直角型柔性铰链1201对面，电容式位移测量挡板座1207前面与锐角直板型柔性铰链1206连接，该锐角直板型柔性铰链1206内的两个铰链成60°夹角，该锐角直板型柔性铰链1206对面还有两个直圆型柔性铰链1205；

并联直角型柔性铰链一1201在压电叠堆相互驱动下，驱动锐角直板型柔性铰链1206，由锐角型直板柔性铰链1206再驱动圆型柔性铰链1205，致使带动直角型柔性铰链三1204和刀具安装平台1203的旋转，其中直圆型柔性铰链1205用于定位刀具旋转的稳定性，锐角直板型柔性铰链1206中两铰链成60°夹角，保证了刀具安装台一侧受力稳定，并且锐角直板型柔性铰链1206两侧成对称结构，两边都有相应的弹性保证了旋转运动的实现。

工作原理如下：

(1)将工件装夹在机床的主轴上，通过回转光栅采集主轴的瞬态角度，通过主轴的回转来实现工件圆周进给运动；

(2)将本发明装置安装在数控车床的导轨上，给两个压电叠堆一5,压电叠堆二8分别施加控制信号，通过调整压电叠堆一5，压电叠堆二8施加的信号的参数(幅值，频率和相位角)，压电叠堆一5，压电叠堆二8在并联直角型柔性铰链一1201下直线运动，通过对锐角直板型柔性铰链1206双向对称运动，两端驱动力对称变化，在直圆型柔性铰链1205和直角性柔性铰链三1204定位作用下，使金刚石刀具1的刀尖产生绕刀具刀位点旋转，产生理想的旋转轨迹，生成旋转切削的主切削运动。

如图1所示，本发明所设计的金刚石振动辅助旋转车削装置采用了两个平行放置的压电叠堆进行驱动，压电叠堆的驱动信号需要经过模型转换来实现理想的旋转车削运动轨迹，将金刚石刀具的刀位点看作点O₀。

如图1所示，压电叠堆一5和压电叠堆二8的驱动信号如下：

其中,A₁,A₂分别为两个压电叠堆驱动信号的幅值，t是时间变量,ω为压电叠堆驱动信号的频率，φ₁,φ₂为压电叠堆驱动信号的相位差，经过运动与刀座参数的空间坐标转换；

定义XYZ坐标系，其中坐标原点为上述刀具刀尖圆弧圆心，如图5所示，Z轴方向与压电叠堆驱动方向一致，Y轴方向垂直于刀具前刀面且方向向外,根据右手笛卡尔坐标,可以确定X轴方向；

设刀沿圆弧初始点为O₀，O₁为压电叠堆驱动装置时刀尖往前移动距离，T刀具运动时的刀位点，O₂为刀尖绕刀位点T旋转θ₁的位置，O₃为刀尖绕刀位点T旋转θ₁+θ₂的位置，P₀压电叠堆不受力时刀位点的位置，压电陶瓷输入电压,经历时间t,刀尖运动到O₃,θ₁为O₁TO₂之间夹角，θ₂为O₂TO₃之间的夹角，其中，O₀＝(x₀,y₀,z₀)，O₁＝(x₁,y₁,y₁)，O₂＝(x₂,y₂,z₂)，O₃＝(x₃,y₃,z₃)；由于：

根据向量间关系可以推出

所以，根据几何关系

l₀为压电叠堆不施加力时刀位点P₀到刀尖O₀的距离,l₁为压电叠堆不施加力时刀位点P₀到压电叠堆施加力时刀尖O₁的距离，l₂为压电叠堆不施加力时刀位点P₀距离刀尖运动到O₂时的距离,l₃为压电叠堆不施加力时刀位点P₀距离刀尖运动到O₃时的距离。

由于θ₁,θ₂的值非常小,因此：

将(4)代入(3)刀具运动轨迹为：

其中：

将(6)代入(7)最终刀尖形成的旋转轨迹方程表达式为：

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。