本发明属于单晶材料切削加工技术领域，特别是涉及一种单晶材料切削自适应微调刀架及切削方法。
背景技术：
由于单晶材料具有力学和物理性能的各向异性，在经过车加工后，单晶材料的圆周外表面的加工质量也会不尽相同。对于某些单晶材料来说，还会表现出极强的脆硬性，经过单点金刚石刀具的车削后，甚至会在加工表面产生裂纹。
在实际切削过程中，单晶材料的切削加工通常是在相同受力条件下完成的，但是由于单晶材料在不同晶向上的塑性变形能力不同，会导致切削力随着晶体取向而产生波动的现象，这种切削力的波动也会导致表面质量出现波动，可能会在一些晶向上发生脆塑转变现象，由于加工后的表面粗糙度存在差异，从而呈现明暗相间的扇形面分布特征。
而影响单晶材料表面加工质量的因素有很多，其中金刚石刀具几何参数以及加工工艺参数都会影响表面加工质量。例如，使用金刚石刀具切削单晶硅时，采用合适的负前角、较小的刀具刃口及较小的切削深度，能够更容易获得均匀一致的加工表面。
为了实现刀具的一次装夹，提高加工效率，而选用较小的刀具刃口半径，再依据单晶材料特有的力学特性，使用最佳刀具前角和最优切削深度进行组合，才能加工出表面均匀一致的单晶材料工件。
但是，为了找到合适的最佳刀具前角和最优切削深度进行组合，需要在加工过程中对刀具进行反复装夹，用以调整刀具的加工前角和切削深度，才能找到合适的组合。但是，反复装夹刀具将严重影响加工效率，同时每次装夹还需要重新对刀和找正，这对加工精度也会产生严重影响。
目前，针对单晶材料切削的快速伺服刀架主要分为两类，第一类伺服刀架仅能够在加工过程中改变刀具切削深度，第二类伺服刀架仅能够改变刀具加工前角。尽管上述两类伺服刀架在一定程度上可以改善单晶材料的加工表面质量，但影响表面质量的因素不是单一的，由于上述两类伺服刀架都只能满足单一参数的调整，因此已经无法进一步提高单晶材料的加工表面质量。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种单晶材料切削自适应微调刀架及切削方法，能够在加工过程中同时改变刀具加工前角和刀具切削深度，刀具只需进行一次装夹，避免了因多次装夹刀具对加工效率和加工质量的影响，能够进一步提高单晶材料的加工表面质量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种单晶材料切削自适应微调刀架，包括刀夹、刀具紧固螺钉、刀夹支撑板、刀具加工前角调整组件及刀具切削深度调整组件；所述刀具加工前角调整组件包括前俯仰驱动机构及后俯仰驱动机构；所述刀具切削深度调整组件包括底座、前挡板、后挡板、滑块、滑轨、伸缩平衡机构及伸缩驱动机构；所述刀夹固装在刀夹支撑板上，刀具通过刀具紧固螺钉与刀夹固定连接；所述刀夹支撑板通过前俯仰驱动机构和后俯仰驱动机构与滑块相连接，且刀夹支撑板位于滑块上方；所述前挡板、后挡板及滑轨固定设置在底座上，滑轨位于前挡板与后挡板之间，且滑轨垂直于前挡板和后挡板；所述滑块安装在滑轨上，滑块相对于滑轨具有直线移动自由度；所述前挡板与滑块之间通过伸缩平衡机构相连接，所述后挡板与滑块之间通过伸缩驱动机构相连接。
所述前俯仰驱动机构与后俯仰驱动机构结构相同，均包括第一压电驱动器、第一传力垫片、第一导向静筒、第一导向动筒及第一支撑弹簧；所述第一导向静筒通过滑块上的安装孔竖直固装在滑块上端面，所述第一导向动筒下端插装于第一导向静筒内，第一导向动筒相对于第一导向静筒具有直线移动自由度；所述第一导向动筒上端通过万向球头结构与刀夹支撑板下端面相连接；所述第一压电驱动器固装在第一导向静筒的最底端，所述第一传力垫片放置于第一压电驱动器上；所述第一支撑弹簧竖直置于第一导向静筒及第一导向动筒内，第一支撑弹簧下端与第一传力垫片抵靠接触，第一支撑弹簧上端与万向球头结构抵靠接触；所述第一压电驱动器的控制端与机床控制系统相连。
所述前俯仰驱动机构数量为了两个，两个前俯仰驱动机构对称分布在滑轨两侧；所述后俯仰驱动机构数量为两个，两个后俯仰驱动机构对称分布在滑轨两侧。
所述伸缩驱动机构包括第二压电驱动器、第二传力垫片、第二导向静筒、第二导向动筒及第二支撑弹簧；所述第二导向静筒通过后挡板上的安装孔水平固装在后挡板内侧面，所述第二导向动筒一端插装于第二导向静筒内，第二导向动筒另一端与滑块相固连；所述第二压电驱动器固装在第二导向静筒的最右端，所述第二传力垫片与第二压电驱动器贴靠在一起；所述第二支撑弹簧水平置于第二导向静筒及第二导向动筒内，第二支撑弹簧一端与第二传力垫片抵靠接触，第二支撑弹簧另一端与滑块抵靠接触；所述第二压电驱动器的控制端与机床控制系统相连。
所述伸缩平衡机构包括第三导向静筒、第三导向动筒及第三支撑弹簧；所述第三导向静筒一端与前挡板相固连，所述第三导向动筒一端插装于第三导向静筒内，第三导向动筒另一端与滑块相固连；所述第三支撑弹簧水平置于第三导向静筒及第三导向动筒内，第三支撑弹簧一端与前挡板抵靠接触，第三支撑弹簧另一端与滑块抵靠接触。
一种单晶材料切削方法，采用了所述的单晶材料切削自适应微调刀架，包括如下步骤：
步骤一：预设单晶材料加工后的表面粗糙度，利用分子动力学仿真软件确定满足该表面粗糙度时所需要的平均切削力；
步骤二：在机床控制系统内建立一个数据库，该数据库用于存储步骤一中获取的平均切削力数据，在该数据库中还存储有刀具加工前角和刀具切削深度的最优组合数据，每一组刀具加工前角和刀具切削深度的最优组合数据均匹配有一组相对应的平均切削力数据；
步骤三：启动切削，通过压电驱动器将实际切削力数据反馈至机床控制系统中，机床控制系统将实际切削力数据与数据库中存储的平均切削力数据进行对比，并选出与实际切削力数据相对应的一组平均切削力数据；
步骤四：根据机床控制系统选出的这组平均切削力数据，进一步调出与该组平均切削力数据相配的刀具加工前角和刀具切削深度的最优组合数据；
步骤五：机床控制系统根据调出的刀具加工前角和刀具切削深度的最优组合数据，向压电驱动器发出控制信号，通过刀具加工前角调整组件对刀具加工前角的进行微调，通过刀具切削深度调整组件对刀具切削深度进行微调，直到实际的刀具加工前角和刀具切削深度的组合数据与数据库中的最优组合数据相一致。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比，能够在加工过程中同时改变刀具加工前角和刀具切削深度，刀具只需进行一次装夹，避免了因多次装夹刀具对加工效率和加工质量的影响，能够进一步提高单晶材料的加工表面质量。
附图说明
图1为本发明的一种单晶材料切削自适应微调刀架的结构示意图；
图2为图1中a-a剖视图；
图3为图1中b-b剖视图；
图中，1—刀夹，2—刀具紧固螺钉，3—刀夹支撑板，4—前俯仰驱动机构，5—后俯仰驱动机构，6—底座，7—前挡板，8—后挡板，9—滑块，10—滑轨，11—伸缩平衡机构，12—伸缩驱动机构，13—刀具，14—第一压电驱动器，15—第一传力垫片，16—第一导向静筒，17—第一导向动筒，18—第一支撑弹簧，19—万向球头结构，20—第二压电驱动器，21—第二传力垫片，22—第二导向静筒，23—第二导向动筒，24—第二支撑弹簧，25—第三导向静筒，26—第三导向动筒，27—第三支撑弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～3所示，一种单晶材料切削自适应微调刀架，包括刀夹1、刀具紧固螺钉2、刀夹支撑板3、刀具加工前角调整组件及刀具切削深度调整组件；所述刀具加工前角调整组件包括前俯仰驱动机构4及后俯仰驱动机构5；所述刀具切削深度调整组件包括底座6、前挡板7、后挡板8、滑块9、滑轨10、伸缩平衡机构11及伸缩驱动机构12；所述刀夹1固装在刀夹支撑板3上，刀具13通过刀具紧固螺钉2与刀夹1固定连接；所述刀夹支撑板3通过前俯仰驱动机构4和后俯仰驱动机构5与滑块9相连接，且刀夹支撑板3位于滑块9上方；所述前挡板7、后挡板8及滑轨10固定设置在底座6上，滑轨10位于前挡板7与后挡板8之间，且滑轨10垂直于前挡板7和后挡板8；所述滑块9安装在滑轨10上，滑块9相对于滑轨10具有直线移动自由度；所述前挡板7与滑块9之间通过伸缩平衡机构11相连接，所述后挡板8与滑块9之间通过伸缩驱动机构12相连接。
所述前俯仰驱动机构4与后俯仰驱动机构5结构相同，均包括第一压电驱动器14、第一传力垫片15、第一导向静筒16、第一导向动筒17及第一支撑弹簧18；所述第一导向静筒16通过滑块9上的安装孔竖直固装在滑块9上端面，所述第一导向动筒17下端插装于第一导向静筒16内，第一导向动筒17相对于第一导向静筒16具有直线移动自由度；所述第一导向动筒17上端通过万向球头结构19与刀夹支撑板3下端面相连接；所述第一压电驱动器14固装在第一导向静筒16的最底端，所述第一传力垫片15放置于第一压电驱动器14上；所述第一支撑弹簧18竖直置于第一导向静筒16及第一导向动筒17内，第一支撑弹簧18下端与第一传力垫片15抵靠接触，第一支撑弹簧18上端与万向球头结构19抵靠接触；所述第一压电驱动器14的控制端与机床控制系统相连。
所述前俯仰驱动机构4数量为了两个，两个前俯仰驱动机构4对称分布在滑轨10两侧；所述后俯仰驱动机构5数量为两个，两个后俯仰驱动机构5对称分布在滑轨10两侧。
所述伸缩驱动机构12包括第二压电驱动器20、第二传力垫片21、第二导向静筒22、第二导向动筒23及第二支撑弹簧24；所述第二导向静筒22通过后挡板8上的安装孔水平固装在后挡板8内侧面，所述第二导向动筒23一端插装于第二导向静筒22内，第二导向动筒23另一端与滑块9相固连；所述第二压电驱动器20固装在第二导向静筒22的最右端，所述第二传力垫片21与第二压电驱动器20贴靠在一起；所述第二支撑弹簧24水平置于第二导向静筒22及第二导向动筒23内，第二支撑弹簧24一端与第二传力垫片21抵靠接触，第二支撑弹簧24另一端与滑块9抵靠接触；所述第二压电驱动器20的控制端与机床控制系统相连。
所述伸缩平衡机构11包括第三导向静筒25、第三导向动筒26及第三支撑弹簧27；所述第三导向静筒25一端与前挡板7相固连，所述第三导向动筒26一端插装于第三导向静筒25内，第三导向动筒26另一端与滑块9相固连；所述第三支撑弹簧27水平置于第三导向静筒25及第三导向动筒26内，第三支撑弹簧27一端与前挡板7抵靠接触，第三支撑弹簧27另一端与滑块9抵靠接触。
一种单晶材料切削方法，采用了所述的单晶材料切削自适应微调刀架，包括如下步骤：
步骤一：预设单晶材料加工后的表面粗糙度，利用分子动力学仿真软件确定满足该表面粗糙度时所需要的平均切削力；
步骤二：在机床控制系统内建立一个数据库，该数据库用于存储步骤一中获取的平均切削力数据，在该数据库中还存储有刀具加工前角和刀具切削深度的最优组合数据，每一组刀具加工前角和刀具切削深度的最优组合数据均匹配有一组相对应的平均切削力数据；
步骤三：启动切削，通过压电驱动器将实际切削力数据反馈至机床控制系统中，机床控制系统将实际切削力数据与数据库中存储的平均切削力数据进行对比，并选出与实际切削力数据相对应的一组平均切削力数据；
步骤四：根据机床控制系统选出的这组平均切削力数据，进一步调出与该组平均切削力数据相配的刀具加工前角和刀具切削深度的最优组合数据；
步骤五：机床控制系统根据调出的刀具加工前角和刀具切削深度的最优组合数据，向压电驱动器发出控制信号，通过刀具加工前角调整组件对刀具加工前角的进行微调，通过刀具切削深度调整组件对刀具切削深度进行微调，直到实际的刀具加工前角和刀具切削深度的组合数据与数据库中的最优组合数据相一致。
下面将结合附图说明刀具加工前角和刀具切削深度的详细微调过程。
当需要增大刀具加工前角时，前俯仰驱动机构4动作，而后俯仰驱动机构5不动作。前俯仰驱动机构4内的第一压电驱动器14在接到机床控制系统发出的控制信号后，会使第一压电驱动器14内的压电陶瓷产生径向伸长，进而借助第一传力垫片15向上推动第一支撑弹簧18，同时使刀夹支撑板3绕万向球头结构19转动并上仰，最终通过刀夹支撑板3的上仰实现刀具13的加工前角的微调增大。
当需要减小刀具加工前角时，前俯仰驱动机构4不动作，而后俯仰驱动机构5动作。后俯仰驱动机构5内的第一压电驱动器14在接到机床控制系统发出的控制信号后，会使第一压电驱动器14内的压电陶瓷产生径向伸长，进而借助第一传力垫片15向上推动第一支撑弹簧18，同时使刀夹支撑板3绕万向球头结构19转动并下俯，最终通过刀夹支撑板3的下俯实现刀具13的加工前角的微调减小。
当需要增大刀具切削深度时，伸缩驱动机构12动作。伸缩驱动机构12内的第二压电驱动器20在接到机床控制系统发出的控制信号后，会使第二压电驱动器20内的压电陶瓷产生径向伸长，进而借助第二传力垫片21向左推动第二支撑弹簧24，此时第二支撑弹簧24与第三支撑弹簧27实现同步压缩，同时使滑块9沿滑轨10向左移动，通过滑块9的移动同步带动其上的刀夹支撑板3移动，最终通过刀夹支撑板3的左移实现刀具13的切削深度的微调增大。
当需要减小刀具切削深度时，伸缩驱动机构12动作。伸缩驱动机构12内的第二压电驱动器20在接到机床控制系统发出的控制信号后，会使第二压电驱动器20内的压电陶瓷产生径向回缩，此时第二支撑弹簧24与第三支撑弹簧27实现同步伸长，同时使滑块9沿滑轨10向右移动，通过滑块9的移动同步带动其上的刀夹支撑板3移动，最终通过刀夹支撑板3的右移实现刀具13的切削深度的微调减小。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。