一种多用途振动切削刀具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械加工技术领域，更为具体地，涉及一种多用途振动切削刀具。
【背景技术】
[0002] 传统的精密车削加工的工艺流程为：粗车-精车-磨削。这种加工工艺工序较多、 加工成本较高，并且工时较长。另外，由于磨削力较大，磨削过程容易导致工件受热变形，产 生残余应力，降低了工件的疲劳特性。同时，由于磨削产生的火花容易灼伤工件表面，所以 通过这种工艺加工的成品件易腐蚀。
[0003] 刀尖在不同的方向上振动有不同的效果，例如，刀尖的切深方向振动能够抑制刀 具磨损，降低产生的切削热并且有利于断肩，刀尖在进给方向振动能够改善零件表面质量， 刀尖在切削速度方向上振动能够降低切削力。由于振动切削可以代替传统加工工艺的磨 削过程，所以可以降低加工工件的成本，避免产生磨削缺陷，同时可以节约工时。申请号为 201520430730. 5的专利提出了 一种振动切削刀具，在该振动切削刀具中，刀头与刀体通过 柔顺铰链连接，并且压电叠推驱动器驱动刀头产生振动。但该振动是二维振动，即，仅在切 深方向和给进方向产生振动分量，或者仅在切深方向和切削速度方向产生振动分量。
[0004] 当刀具的振动轨迹呈椭圆，且在切削速度方向和进给方向组成的正交平面及该平 面的法平面内的投影均呈椭圆时，称为三维椭圆振动切削。刀具的三维椭圆振动，在给进 方向、切深方向和切削速度方向均能产生振动分量，因此在切削时会产生分离机理、变速机 理、摩擦力反相机理，减少切削力与切削热，减少积肩瘤的产生，抑止刀具磨损，加快切肩排 出。由于切削力降低，则工件表面残余应力较少，工件精度更高、疲劳特性更好，同时刀具的 振动能够对车刀加工的痕迹进行整理，从而提高工件的表面质量。这种切削方法可以达到 以车代磨的效果，省去精密车削中的磨削过程，同时大幅改善加工质量、节约成本、降低工 时。
[0005] 因此，需要设计一种能够产生三维椭圆振动的切削刀具，以提高加工效率，改善加 工质量。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了解决现有技术中存在的上述技术问题而做出，其目的在于提供一种 能够产生三维椭圆振动的切削刀具。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种多用途振动切削刀具，其特征在于，包括： 装有刀片的刀头、两个结构相同的柔顺铰链、两个同向且平行布置的压电叠堆驱动器以及 具有夹持部的基座；基座的相对两侧分别设置有用于容置压电叠堆驱动器的凹槽，其中，两 个柔顺铰链分别安装在基座的上表面上使得每个柔顺铰链的下表面分别与对应的压电叠 堆驱动器的上表面压紧，刀头的下表面固定在平行布置的两个柔顺铰链的上表面上，并且 当分别对两个压电叠堆驱动器施加具有一定相差的驱动信号使刀头振动时，刀片的刀尖的 振动轨迹为椭圆，夹持部具有多对夹持面，多对夹持面包括第一夹持面，当通过第一夹持面 夹持振动切削刀具时，刀尖的振动轨迹在切深方向和切削速度方向组成的正交面上以及切 深方向和进给方向组成的正交面上的投影均为椭圆。
[0008] 此外，多对夹持面还包括：第二夹持面，当通过第二夹持面夹持振动切削刀具时， 刀尖的振动轨迹为分布在切深方向和切削速度方向组成的正交面上的椭圆，刀尖的振动仅 在切深方向和切削速度方向具有分量。
[0009] 此外，多对夹持面还包括：第三夹持面，当通过第三夹持面夹持振动切削刀具时， 刀尖的振动轨迹为分布在切深方向和进给方向组成的正交面上的椭圆，刀尖的振动仅在切 深方向和进给方向有振动分量。
[0010] 此外，柔顺铰链具有垫板和垫块交替层叠的结构，其中，垫块的长度小于垫板的长 度，并且每个垫块夹在两个垫板之间的中间部分。
[0011] 此外，还包括设置在柔顺铰链与压电叠堆驱动器之间的第二垫块。
[0012] 此外，夹持部具有正六棱柱的形状。
[0013] 此外，夹持部具有正八棱柱的形状。
【附图说明】
[0014] 通过参考以下【具体实施方式】及权利要求书的内容并且结合附图，本发明的其它目 的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：
[0015] 图IA至图ID是本发明的多用途振动切削刀具的椭圆形成原理的视图；
[0016] 图2是对本发明的多用途振动切削刀具的仿真得到的振动轨迹图；
[0017] 图3是本发明的多用途振动切削刀具的结构的立体图；
[0018] 图4是本发明的多用途振动切削刀具的基座和压电叠堆驱动器的立体图；
[0019] 图5是本发明的多用途振动切削刀具的柔顺铰链的立体图；
[0020] 图6是本发明的多用途振动切削刀具的剖视图；
[0021] 图7是本发明的多用途振动切削刀具的基座的立体图；
[0022] 图8是本发明的切削刀具加工工件的示意图；
[0023] 图9是本发明的多用途振动切削刀具夹持在不同的夹持面上时的振动轨迹分布 的示意图。
[0024] 在附图中，相同的附图标记指示相似或相应的特征或功能。
【具体实施方式】
[0025] 在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐 述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。 在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
[0026] 下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。
[0027] 本发明提供一种多用途振动切削刀具，该刀具通过两个压电叠堆驱动器的振动来 使刀头产生椭圆振动。本发明的椭圆振动的产生原理如下。
[0028] 两个压电叠堆驱动器对称的设置并支撑刀头两端。刀片固定在刀头上，并且随着 刀头的振动而振动。通过对两个压电叠堆驱动器分别施加驱动信号，从而能够控制刀头的 振动轨迹。图IA至图ID分别示出了椭圆振动过程中的四种状态。
[0029] 设对称设置的两个压电叠堆驱动器的驱动信号分别为：
[0030] Y1= A !sin (2 π ft)
[0031]
[0032] 其中&為分别为两个驱动信号y 振幅，.为两个驱动信号yi、y2的相角差， t为时间。
[0033] 设yi、y2均为0时刀尖的位置为坐标原点，垂直方向为Y轴方向，水平方向为X轴 方向，当两个压电叠堆分别输出yi、y^振幅时，刀尖的坐标V，太）为：
[0034] x' = -IySin( Θ )
[0035] y '= 5^+lxSin ( Θ ) +lycos ( Θ ) -Iy
[0036] 其中、为原点与驱动力作用点之间的线段在Y轴上投影距离，1 .为原点与驱动力 作用点之间的线段X轴上投影距离，Θ为刀尖的偏转角度，则有：
[0037] Θ = sin 1 (Y2I1)Alx
[0038] 由于偏转角度通常很小，所以可以近似认为sin(0)~Θ。假定A1= UA2= 1，
[0039] 上式为圆的方程，显然，W 时，振动轨迹为椭圆。可见，当对两个压电叠堆驱动 器分别施加相位角差为，的驱动信号，能够使刀片的刀尖产生椭圆振动。对刀片的 刀尖的振动轨迹进行仿真，结果如图2所示。
[0040] 图3是本发明的多用途振动切削刀具的结构的立体图。如图3所示，本发明的多 用途振动切削刀具包括：刀片1、刀头2、两个结构相同的柔顺铰链、两个压电叠堆驱动器 6 (即，第一电叠堆驱动器和第二压电叠堆驱动器）和基座9。
[0041] 图4是本发明的多用途振动切削刀具的基座和压电叠堆驱动器的立体图，如图4 所示，基座9的上部相对的两侧分别设置有第一凹槽和第二凹槽，并且基座9的下部为夹持 部。其中，第一凹槽和第二凹槽朝向相同的方向，例如，第一凹槽和第二凹槽大体上平行竖 直方向，并且在基座9的上表面形成开口。第一压电叠堆驱动器和第二压电叠堆驱动器分 别设置在第一凹槽和第二凹槽中，并且第一压电叠堆驱动器和第二压电叠堆驱动器同向且 平行地布置在两个凹槽中。基座9的上表面设置有用于固定柔顺铰链的孔，柔顺铰链通过 螺钉7和基座9上表面的孔安装在基座9上，但本发明不限于此。两个柔顺铰链的下表面 分别与对应的压电叠堆驱动器6压紧，刀头2安装在柔顺铰链上，从而可以通过压电叠堆驱 动器6的驱动使刀头振动。如上所述，当对两个压电叠堆驱动器6分别施加预定的驱动信 号时，刀片1的刀尖可以产生椭圆振动。例如，对一对压电叠堆驱动器6分别施加相位角相 差的两个驱动信号心、^可以使刀片1的刀尖产生椭圆振动。但本发明不仅限于使用 这种驱动信号产生椭圆振动。
[0042] 如图1所示，刀头2的下表面固定在平行布置的两个柔顺铰链的上表面上