一种适于立式外圆加工的两压电垂直椭圆振动切削装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微纳与超精密制造以及难加工材料复杂光学零件加工技术领域，特别 是涉及一种适于立式外圆加工的两压电垂直椭圆振动切削装置。
【背景技术】
[0002] 近年来随着科技快速发展，一些精密零件应用领域对于零件的加工精度要求也越 来越高，金刚石刀具的应用对于提高精密零件加工的精度起到重要作用，但传统加工工艺 限制，在加工含铁金属材料的时候，刀具磨损过快导致了零件加工精度难以有很大的提高， 对于难加工材料的精密加工亟需在加工方法上有所突破，振动切削正是基于此需要而产 生，振动切削将加工过程中的振动加以利用，其独特的间歇性切削方式有效避免了金刚石 刀具的快速磨损，延长了刀具的使用寿命，提高了零件加工精度。
[0003] 振动切削自1966年成功应用在难加工材料的切削而受到全世界学者的广泛 关注，但是在加工过程中刀具后刀面具有的熨压特性，无法在延长刀具寿命方面有很大 的提高，1993年名古屋大学的社本英二教授等人首次提出椭圆振动切削（Elliptical Vibration Cutting)的概念，同时对于一些难加工材料例如硬质合金等，进行了相关试验， 研究的结果表明，椭圆振动切削可以抑制加工过程中的颤振，很大程度上减小了切削力，减 少刀具磨损，延长刀具寿命，提高零件的表面加工质量，对于脆性材料可以试验延展性切削 等。
[0004] 国内外目前针对椭圆振动切削的研究主要有日本的神户大学和名古屋大学，德国 的Bremen大学，美国North Carolina大学和西北大学，新加坡国立大学，国内的清华大学， 吉林大学，北京航空航天大学，南京航空航天大学，哈尔滨工业大学，香港理工大学，厦门大 学，河南理工大学等。研究涉及到的主要有椭圆振动切削装置，椭圆振动切削路径，椭圆振 动切削控制，椭圆振动切削难加工材料塑脆转变性能，椭圆振动切削微沟槽加工性能，椭圆 振动切削力等。
[0005] 椭圆振动切削装置的研究主要分为压电片换能器超声振动型装置和压电驱动柔 性铰链型非共振型装置。前者属于共振型装置，其主要的特点是在加工的过程中能够实现 较高的频率，根据目前资料统计，椭圆振动切削加工频率最高可达到60KHZ，但是共振型的 椭圆振动切削装置也存在一些内在的缺陷，例如在加工过程中需要根据装置本身的固有频 率实现共振，进而进行切削加工，这样一来，加工的频率就不可调整，同时各阶振型之间容 易产生耦合，控制的难度较大，所以在装置的设计方面，非共振型椭圆振动切削装置逐渐受 到研究人员的关注，非共振型椭圆振动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椭圆振动切削的效果有所影响。根据柔性铰链 的分配方式来合成金刚石刀尖的椭圆轨迹，目前设计的椭圆振动切削装置可以生成二维的 椭圆运动轨迹和三维的椭圆运动轨迹，不同的轨迹可以加工的范围不同，椭圆振动切削非 共振型装置根据目前的文献记载，由柔性铰链并联式和柔性铰链串联式两种，非共振型椭 圆振动切削装置一般都是根据卧式车床所设计，装置上刀具形成的椭圆运动轨迹平面与机 床主轴中心线垂直，能够形成有效的间歇性切削运动，而对于立式车床，这类装置上刀具形 成的椭圆运动轨迹平面与机床主轴中心线平行，不利于形成间歇性切削运动。
[0006] 目前已有的非共振椭圆振动切削装置专利可查的有：专利（CN102078967A)提及 的一种混频三维椭圆振动切削方法，采用的是并联式的柔性铰链，采用压电叠堆进行驱动， 该并联式装置由于其各个运动轴之间呈直角分布，容易产生运动耦合，控制起来很困难。专 利（CN102059575A)提及的椭圆切削装置，采用的是串联式的柔性铰链，但是在设计过程 中，动部件的质量较大，难以实现高频切削，参数调整的范围有限，对于可匹配加工的机床 要求较高，不具有普遍性。专利（CN102371359A)提及的一种三维椭圆振动切削装置也同样 具有上述局限，而针对于立式外圆车削的椭圆振动切削装置尚未见报道。
[0007] 综上所述，现有的非共振椭圆振动切削装置还存在着一些不足。因此必须针对这 些不足之处，研究并提出一种新的椭圆振动切削装置，以实现金刚石切削各种难加工材料 及不同面型的需求，获得最佳的切削加工性能。
【发明内容】
[0008] 本发明提供一种适于立式外圆加工的两压电垂直椭圆振动切削装置，从而实现立 式车床上难加工材料的超精密切削加工。
[0009] 本发明采取的技术方案是：压电叠堆预紧螺钉二穿过串联一体式柔性铰链基体上 的孔三对压电叠堆二进行预紧，压电叠堆预紧螺钉一穿过串联一体式柔性铰链基体上的孔 五对压电叠堆一进行预紧，位移测量挡板一和位移测量挡板二分别通过紧固螺钉安装在串 联一体式柔性铰链基体的孔六和孔八上，电容式位移传感器一和电容式位移传感器二分别 对应安装在位移传感器夹座一和位移传感器夹座二上，位移传感器夹座一和位移传感器夹 座二分别通过紧固螺钉安装在串联一体式柔性铰链基体的孔四和孔二上，金刚石刀具通过 紧固螺钉安装在串联一体式柔性铰链基体前端的孔七上。
[0010] 本发明的串联一体式柔性铰链基体上两个相互垂直的柔性铰链均采用矩形铰链， 且单个铰链中包含的四个小分支间成平行四边形排列，形成单自由度封闭系统。
[0011] 本发明的串联一体式柔性铰链基体采用线切割一体式加工成型。
[0012] 本发明的串联一体式柔性铰链基体通过孔一、用螺钉与力传感器连接。
[0013] 本发明的优点是：结构新颖，串联一体式柔性铰链基体由一次加工而成，整体结构 相对简单，易于制造，且很大程度上减小了由于装配造成的误差，该两压电垂直椭圆振动车 削装置的体积小，质量小，易于实现椭圆振动的高频切削加工。采用的柔性铰链全部为平行 四边形，其优点是能够最大程度上减小附生运动，充分保证运动的单向性，两压电垂直椭圆 振动车削装置可以通过串联一体式柔性铰链基体中底座上的螺纹孔安装在力传感器上，实 现对切削力的进一步优化，也可以直接安装在立式车床的导轨上，同时由于装置的整体高 度较小，对于机床的适用性更强。本发明由两个压电叠堆驱动，采取的是非共振的方式，椭 圆参数可以由压电叠堆驱动信号来进行调整空间椭圆的位置，两个压电叠堆驱动分别驱动 独立的柔性铰链，相互之间不存在耦合，能够实现两压电垂直椭圆振动切削柔性装置较高 的控制精度。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的结构示意图；
[0015] 图2是本发明串联一体式柔性铰链基