专利名称：一种活轴掘进车削方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于超精密切削和光学零件切削加工等技术领域，涉及一种活轴掘进车削方法及装置，适用于难加工材料自由曲面零件的高效高精密切削创成。
背景技术：
光学自由曲面和仿生微结构曲面等复杂零件在许多重要的工业领域有着广泛的应用需求，在大多数应用场合，这些复杂零件及其模具往往采用超硬刚、钛合金、碳化硅和金属陶瓷等难加工材料，这些复杂零件及模具的高质量加工创成已成为促进这些重要工业领域获得突破性进展的关键之一。单刃金刚石车削被认为是一种能够高效地获得复杂表面形貌和高质量加工表面的超精密加工方法，在此基础上发展出了基于快速刀具伺服(以下简称FTS)的金刚石车削、金刚石飞切、以及椭圆振动切削(以下简称EVC)等方法，具有非常好的发展前景。基于FTS的金刚石车削，在加工黑色金属等铁素类材料和碳化硅等硬脆性材料时，金刚石刀具易于磨损，在加工表面上易出现裂纹和破损等缺陷，难以获得高质量的加工表面特征。EVC已被证明可以有效地延长刀具寿命、减小切削力、改善难加工材料的切削加工性。但是，这些振动辅助切削方法，包括近期提出的三维EVC，还不能实现复杂曲面创成所需的刀具往复进给运动。目前为止见诸报道的实现难加工材料自由曲面创成的是日本学者 E. Shamoto及其合作者，他们于2010年10月在国际杂志《Precision Engineering))上撰文提出，在EVC中改变椭圆运动的幅值以实现难加工材料复杂曲面的切削，但该方法的主要缺陷在于其一，仅仅依靠改变椭圆的长短轴大小，难以创成具有较大“非回转对称性”的自由曲面；其二，改变椭圆长短轴将导致椭圆形状的变化，必将影响加工表面几何及物理特征；其三，在曲率变化不同的加工表面处，椭圆难以包络出残高相同的表面，加工完成的曲面表面质量不均勻，这一点在精密和超精密切削中显得尤为关键。
发明内容
本发明提供一种活轴掘进车削方法及装置，目的在于实现难加工材料自由曲面零件的超精密切削，
本发明一种活轴掘进车削方法，包括下列步骤
(1)将一个工件装夹在一台超精密数控车床的主轴前端，采用真空吸盘或专用夹具方式进行装夹，该超精密数控车床的运动包括主轴的回转运动、X轴溜板的横向进给运动和 Z轴溜板的纵向进给运动；
(2)将一台活轴掘进车削装置安装在所述的Z轴溜板或Z轴溜板上，对该活轴掘进车削装置之两个活轴的驱动信号进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动。本发明所述的活轴掘进车削方法，其特征在于
(1)所述的活轴掘进车削装置之两个活轴中的运动轴I驱动金刚石刀具在X-Z平面内实现两自由度高频摆动；
(2)所述的活轴掘进车削装置之两个活轴中的运动轴II驱动金刚石刀具沿着Z轴进行快速往复运动，以完成创成复杂几何曲面所需的刀具快速往复运动，在该快速往复运动上叠加一个和运动轴I驱动的刀具摆动同频往复运动分量，辅助运动轴I驱动金刚石刀具生成掘进切削运动。本发明所述的活轴掘进车削方法，刀具快速掘进切削运动轨迹的确定及实现如下
(1)获得待加工自由曲面的数学描述，生成加工该自由曲面所需的金刚石刀触点路径， 确定用于加工的掘进轨迹，如椭圆运动轨迹，类椭圆运动轨迹或其他复杂闭环运动轨迹；
(2)根据所获得的金刚石刀触点路径及掘进轨迹，根据切削过程中刀尖路径轨迹与刀触点路径相切原则，确定金刚石刀具掘进切削运动的轨迹空间参数，以保证金刚石刀具掘进切削的刀尖运动轨迹与工件参与切削的部分包络创成所需的自由曲面；
(3)根据所获得的金刚石刀尖路径轨迹及金刚石刀尖圆弧半径，确定金刚石刀位轨
迹；
(4)通过刀位轨迹检测跟踪伺服系统，获取主轴的回转脉冲，根据所获得的金刚石刀位轨迹、以及金刚石刀具掘进切削运动的轨迹参数，对掘进车削装置的两个运动轴进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动；
(5)在超精密数控车床上，主轴作回转运动，溜板作横向进给运动和纵向进给运动，活轴掘进车削装置驱动金刚石刀具并实时跟踪金刚石的刀位轨迹、以及掘进切削运动轨迹， 实现难加工材料自由曲面的高质量车削创成。本发明所述的活轴掘进车削方法，刀位轨迹检测跟踪伺服系统包括
(1)一个高精密旋转光栅编码器安装在主轴尾端以实时检测主轴转度Φ，两个直线光栅实时检测Z轴溜板和Z轴溜板的坐标位置，分别馈入一个多轴运动控制器；
(2)两个高精密的电容位移传感器安装在活轴掘进车削装置上，以实时检测金刚石刀具沿/轴和^轴的位移，分别馈入一个多轴运动控制器；
(3)利用闭环控制原理，根据多轴控制器的馈入量、以及期望的金刚石刀位轨迹和掘进切削轨迹，生成控制信号以驱动所述的活轴掘进车削装置的两个运动轴，以使金刚石刀具沿/轴和Z轴产生与X轴溜板和Z轴溜板同步的快速往复运动，实现金刚石刀位轨迹和掘进切削轨迹的高精度跟踪。本发明采用的活轴掘进车削装置，其结构是运动部分布置于OFZ平面内，摆动块与压电叠堆I直接接触，摆动块与压电叠堆I接触部后端有柔性铰链二，防止压电叠堆I在运动过程中受剪切力作用而发生破坏，金刚石刀具紧固在摆动块前端的刀座内，往复运动块与压电叠堆II直接接触，往复运动块通过一组平行柔性铰链三与支撑座连接，在一组平行柔性铰链三的导向作用下沿Z轴进行往复运动，压电叠堆II与压电叠堆I采用非同轴平行布置，分别形成FTS运动装置的运动轴I和运动轴II ；柔性铰链一连接往复运动块和摆动块起到旋转轴的作用；传感器支撑架与支撑座通过紧固螺栓七连接，其上的Z向凹槽和/向凹槽分别垂直于摆动块的运动端布置，凹槽用于固定电容传感器检测刀具的运动状态；楔形块预紧机构装置在支撑座的后部导向槽内，实现对压电叠堆II的微调与预紧，上楔块与下楔块采用面接触并具有自锁能力，预紧螺栓与支撑座螺纹连接、前端与下楔块顶接，预紧螺栓沿X向进给推动下楔块沿X向运动从而推动上楔块沿^向的微小移动实现对压电叠堆II的预紧动作，为了保证下楔块的逆向移动能力，采用弹簧对下楔块进行逆向预紧，弹簧一端与下楔块接触另一端安置在挡板的圆形凹槽内，挡板用紧固螺栓五、紧固螺栓六与支撑座固定连接；支撑座通过紧固螺栓一、紧固螺栓二、紧固螺栓三、紧固螺栓四与机床运动台实现连接。本发明之优点在于
(1)本发明之车削方法创成自由曲面时，加工曲面不对称度的能力由刀具的快速往复运动保证，可实现具有较大不对称度的自由曲面创成；
(2)本发明之车削方法，通过挖掘的方式实现断续切削，以完成难加工材料的延性去除，有效减小加工过程中的切削力，获得高表面质量和加工精度，显著减少刀具磨损，提高刀具寿命；
(3)用于实现本发明之掘进方法，通过主动改变挖掘的空间轨迹，可以实现具有更为宽泛曲率变化的自由曲面创成及均勻的表面质量，同时在保证表面粗糙度及残高的条件下可以尽可能提高切削加工效率；
(4)用于实现本发明所述方法之活轴掘进车削装置，可精密调整刀尖在7-Z平面内的位置；
(5)用于实现本发明所述方法之活轴掘进车削装置，在切削过程中实时改变刀具前角及后角，具有小前角及大后角特征，小前角可进一步辅助脆性材料的延性去除，大后角可进一步避免刀具后刀面与加工表面的干涉，实现大曲率表面的创成；
(6)用于实现本发明所述方法之活轴掘进车削装置，通过主动控制该装置两个活轴的驱动信号，既可实现本发明所述之活轴掘进车削方法，也可以用于实现传统的FTS车削以及EVC加工，在切削过程中可以根据所加工曲面及加工材料的特征，实现不同切削方式之间的切换；
(7)用于实现本发明之活轴掘进方法及装置，具有多元变参数切削的特征，在加工过程中切削厚度，切削速度及刀具的前后角实时改变。这将有效地改善切削稳定性，减小刀具磨损，降低切削力，实现脆性材料的延性去除，获得更为连续的切屑，综合改善切削加工性。本发明主要适用于难加工材料自由曲面的金刚石车削创成。
图1是本发明掘进切削运动轨迹的布置示意图，以椭圆掘进为例； 图2是本发明活轴掘进车削装置之一种轴测图3是本发明活轴掘进车削装置之另一种轴测图； 图4是本发明压电叠堆预紧机构的装配轴侧图； 图5是本发明活轴掘进车削装置的原理示意图； 图6是本发明所生成的掘进切削运动轨迹之实例图； 图7是本发明刀具在平面内与工件间的相对运动轨迹实例图； 图8是本发明刀具位置测控原理图； 附图的标记说明
61-支撑座；2-柔性铰链三；3-往复运动块；4-金刚石刀具；5-摆动块；6-传感器支撑架；7a、7b、7C、7d、7e、7f、7g-紧固螺栓一 七；8-预紧螺栓；9-上楔块；10-挡板；11-压电叠堆II ；12-压电叠堆I ；13-下楔块；14-弹簧；15-柔性铰链一 ；16-柔性铰链二 ；17-主轴；18-夹具；19-自由曲面工件；20-直线光栅或电容位移传感器一 ；21-溜板；22-活轴掘进车削装置；23-直线光栅传感器二 ；24-旋转光栅编码器。
具体实施例方式本发明一种活轴掘进车削方法，包括下列步骤
(1)将一个工件装夹在一台超精密数控车床的主轴前端，采用真空吸盘或专用夹具方式进行装夹，该超精密数控车床的运动包括主轴的回转运动、X轴溜板的横向进给运动和 Z轴溜板的纵向进给运动；
(2)将一台活轴掘进车削装置安装在所述的Z轴溜板或Z轴溜板上，对该活轴掘进车削装置之两个活轴的驱动信号进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动。本发明所述的活轴掘进车削方法，其特征在于
(1)所述的活轴掘进车削装置之两个活轴中的运动轴I驱动金刚石刀具在X-Z平面内实现两自由度高频摆动；
(2)所述的活轴掘进车削装置之两个活轴中的运动轴II驱动金刚石刀具沿着Z轴进行快速往复运动，以完成创成复杂几何曲面所需的刀具快速往复运动，在该快速往复运动上叠加一个和运动轴I驱动的刀具摆动同频往复运动分量，辅助运动轴I驱动金刚石刀具生成掘进切削运动。本发明所述的活轴掘进车削方法，刀具快速掘进切削运动轨迹的确定及实现如下
(1)获得待加工自由曲面的数学描述，生成加工该自由曲面所需的金刚石刀触点路径， 确定用于加工的掘进轨迹，如椭圆运动轨迹，类椭圆运动轨迹或其他复杂闭环运动轨迹；
(2)根据所获得的金刚石刀触点路径及掘进轨迹，根据切削过程中刀尖路径轨迹与刀触点路径相切原则，确定金刚石刀具掘进切削运动的轨迹空间参数，以保证金刚石刀具掘进切削的刀尖运动轨迹与工件参与切削的部分包络创成所需的自由曲面；
(3)根据所获得的金刚石刀尖路径轨迹及金刚石刀尖圆弧半径，确定金刚石刀位轨
迹；
(4)通过刀位轨迹检测跟踪伺服系统，获取主轴的回转脉冲，根据所获得的金刚石刀位轨迹、以及金刚石刀具掘进切削运动的轨迹参数，对掘进车削装置的两个运动轴进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动；
(5)在超精密数控车床上，主轴作回转运动，溜板作横向进给运动和纵向进给运动，活轴掘进车削装置驱动金刚石刀具并实时跟踪金刚石的刀位轨迹、以及掘进切削运动轨迹， 实现难加工材料自由曲面的高质量车削创成。本发明所述的活轴掘进车削方法，刀位轨迹检测跟踪伺服系统包括
(1) 一个高精密旋转光栅编码器安装在主轴尾端以实时检测主轴转度Φ，两个直线光栅实时检测Z轴溜板和Z轴溜板的坐标位置，分别馈入一个多轴运动控制器；
(2)两个高精密的电容位移传感器安装在活轴掘进车削装置上，以实时检测金刚石刀具沿/轴和^轴的位移，分别馈入一个多轴运动控制器；
(3)利用闭环控制原理，根据多轴控制器的馈入量、以及期望的金刚石刀位轨迹和掘进切削轨迹，生成控制信号以驱动所述的活轴掘进车削装置的两个运动轴，以使金刚石刀具沿/轴和Z轴产生与X轴溜板和Z轴溜板同步的快速往复运动，实现金刚石刀位轨迹和掘进切削轨迹的高精度跟踪。本发明采用的活轴掘进车削装置，其结构是运动部分布置于OFZ平面内，摆动块 5与压电叠堆I 12直接接触，摆动块与压电叠堆I接触部后端有柔性铰链二 16，防止压电叠堆I 12在运动过程中受剪切力作用而发生破坏，金刚石刀具4紧固在摆动块前端的刀座内，往复运动块3与压电叠堆IIll直接接触，往复运动块3通过一组平行柔性铰链三2与支撑座1连接，在一组平行柔性铰链三2的导向作用下沿Z轴进行往复运动，压电叠堆II 11与压电叠堆I 12采用非同轴平行布置，分别形成FTS运动装置的运动轴I和运动轴II ； 柔性铰链一 15连接往复运动块3和摆动块5起到旋转轴的作用；传感器支撑架6与支撑座 1通过紧固螺栓七7g连接，其上的Z向凹槽和7向凹槽分别垂直于摆动块5的运动端布置， 凹槽用于固定电容传感器检测刀具的运动状态；楔形块预紧机构装置在支撑座1的后部导向槽内，实现对压电叠堆II 11的微调与预紧，上楔块9与下楔块13采用面接触并具有自锁能力，预紧螺栓8与支撑座螺纹连接、前端与下楔块13顶接，预紧螺栓8沿Z向进给推动下楔块13沿Z向运动从而推动上楔块9沿Z向的微小移动实现对压电叠堆IIll的预紧动作，为了保证下楔块13的逆向移动能力，采用弹簧14对下楔块13进行逆向预紧，弹簧14 一端与下楔块13接触另一端安置在挡板10的圆形凹槽内，挡板10用紧固螺栓五7e、紧固螺栓六7f与支撑座1固定连接；支撑座1通过紧固螺栓一 7a、紧固螺栓二 7b、紧固螺栓三 7c、紧固螺栓四7d与机床运动台实现连接。实施本发明所述之方法，主要涉及如下三个方面(1)掘进切削运动的轨迹参数确定；(3)实现本发明所述方法之装置；(2)坐标位置检测及控制系统。结合附图具体阐述如下
图1示出了沿着金刚石刀触点路径的掘进切削运动姿态的示意图。如图1所示，为了获得均勻的、尽可能小的表面粗糙度，应使得掘进切削运动的长轴与加工表面上刀触点处的切线相平行，利用掘进切削运动包络出所需的表面截线。如果沿着刀触点路径曲面曲率存在较大的变化，还需考虑掘进切削运动的曲率半径与待加工曲面曲率半径的协调，以避免干涉。在图2 图4中，示出了活轴掘进车削装置的结构示意图。本发明所述的活轴掘进车削装置，其运动特征主要在于
压电叠堆IIll在信号激励作用下进行往复运动进而驱动往复运动块3在柔性铰链三 2的导向作用下沿Z向进行快速往复运动，同时压电叠堆I 12在信号激励作用下进行往复运动驱动摆动块5绕柔性铰链一 15作面内的摆动，该直线往复运动与摆动协调配合， 即可同步生成^rz平面内的掘进切削运动轨迹和ζ向的快速往复运动。图5示出了本发明所述的活轴掘进车削装置之原理图，本发明对该装置建立了数学模型，模型的推导过程略去。实现掘进切削运动的一个实例如下:11=1Omm,l2=3mm, l3=5mm, α = π/4,两轴驱动器的Z向位移分别为X1 (t) =5+5sin (2 n t) 和 x2(t)=5+5cos(2 π t)，此时刀尖在一个驱动周期内实现的刀尖轨迹如图6所示。如果改变驱动器2的驱动电压使驱动器2在Z向的位移为& (t) =f (t) +5+5cos O π t)，则图6中的掘进切削运动轨迹将随着时间沿着Z向做位移满足f (t)规律的进给运动，从而实现自由曲面的车削创成。以f(t) =IOsin(0.008X2 Jit)为例，图7示出了刀具在平面内与工件间的相对运动轨迹，如果再进一步调整两个驱动器的位移，则可以改变掘进切削运动的长短轴比及其在空间的位置，以满足图1的要求。 图8示出了本发明之刀具位置测控的原理图，自由曲面工件19通过夹具18安装在主轴17上，一个高精密旋转光栅编码器M安装在主轴17尾端以实时检测主轴转度Φ， 两个直线光栅传感器23实时检测溜板21 CT和Z轴)的坐标位置，分别馈入一个多轴运动控制器。两个高精密的直线光栅或电容位移传感器20，以实时检测活轴掘进车削装置22之 /轴和Z轴的往复运动位移，分别馈入一个多轴运动控制器。采用闭环控制原理，根据多轴控制器的馈入量、以及期望的金刚石刀位轨迹和掘进切削轨迹，生成控制信号以驱动所述的活轴掘进车削装置的两个运动轴，以使金刚石刀具沿/轴和Z轴产生与X轴溜板和Z轴溜板同步的快速往复运动，实现金刚石刀位轨迹和掘进切削轨迹的高精度跟踪。
权利要求
1.一种活轴掘进车削方法，其特征在于(1)将一个工件装夹在一台超精密数控车床的主轴前端，采用真空吸盘或专用夹具方式进行装夹，该超精密数控车床的运动包括主轴的回转运动、X轴溜板的横向进给运动和 Z轴溜板的纵向进给运动；(2)将一台活轴掘进车削装置安装在所述的Z轴溜板或Z轴溜板上，对该活轴掘进车削装置之两个活轴的驱动信号进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动。
2.根据权利要求1所述的活轴掘进车削方法，其特征在于(1)所述的活轴掘进车削装置之两个活轴中的运动轴I驱动金刚石刀具在x-z平面内实现两自由度高频摆动；(2)所述的活轴掘进车削装置之两个活轴中的运动轴II驱动金刚石刀具沿着Z轴进行快速往复运动，以完成创成复杂几何曲面所需的刀具快速往复运动，在该快速往复运动上叠加一个和运动轴I驱动的刀具摆动同频往复运动分量，辅助运动轴I驱动金刚石刀具生成掘进切削运动。
3.根据权利要求1和2中所述的活轴掘进车削方法，其特征在于刀具快速掘进切削运动轨迹的确定及实现如下(1)获得待加工自由曲面的数学描述，生成加工该自由曲面所需的金刚石刀触点路径， 确定用于加工的掘进轨迹，如椭圆运动轨迹，类椭圆运动轨迹或其他复杂闭环运动轨迹；(2)根据所获得的金刚石刀触点路径及掘进轨迹，根据切削过程中刀尖路径轨迹与刀触点路径相切原则，确定金刚石刀具掘进切削运动的轨迹空间参数，以保证金刚石刀具掘进切削的刀尖运动轨迹与工件参与切削的部分包络创成所需的自由曲面；(3)根据所获得的金刚石刀尖路径轨迹及金刚石刀尖圆弧半径，确定金刚石刀位轨迹；(4)通过刀位轨迹检测跟踪伺服系统，获取主轴的回转脉冲，根据所获得的金刚石刀位轨迹、以及金刚石刀具掘进切削运动的轨迹参数，对掘进车削装置的两个运动轴进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动；(5)在超精密数控车床上，主轴作回转运动，溜板作横向进给运动和纵向进给运动，活轴掘进车削装置驱动金刚石刀具并实时跟踪金刚石的刀位轨迹、以及掘进切削运动轨迹， 实现难加工材料自由曲面的高质量车削创成。
4.根据权利要求3所述的活轴掘进车削方法，其特征在于刀位轨迹检测跟踪伺服系统包括(1)一个高精密旋转光栅编码器安装在主轴尾端以实时检测主轴转度Φ，两个直线光栅实时检测Z轴溜板和Z轴溜板的坐标位置，分别馈入一个多轴运动控制器；(2)两个高精密的电容位移传感器安装在活轴掘进车削装置上，以实时检测金刚石刀具沿/轴和^轴的位移，分别馈入一个多轴运动控制器；(3)利用闭环控制原理，根据多轴控制器的馈入量、以及期望的金刚石刀位轨迹和掘进切削轨迹，生成控制信号以驱动所述的活轴掘进车削装置的两个运动轴，以使金刚石刀具沿/轴和Z轴产生与X轴溜板和Z轴溜板同步的快速往复运动，实现金刚石刀位轨迹和掘进切削轨迹的高精度跟踪。
5.如权利要求1所述的活轴掘进车削装置，其特征在于摆动块与压电叠堆I直接接触，摆动块与压电叠堆I接触部后端有柔性铰链二，金刚石刀具紧固在摆动块前端的刀座内，运动块与压电叠堆II直接接触，运动块通过一组平行铰链与支撑座连接，压电叠堆II 与压电叠堆I采用非同轴平行布置，分别形成FTS运动装置的运动轴I和运动轴II ；柔性铰链一连接往复运动块和摆动块；传感器支撑架与支撑座通过紧固螺栓七连接，其上的Z 向凹槽和7向凹槽分别垂直于摆动块的运动端布置，楔形块预紧机构装置在支撑座的后部导向槽内，上楔块与下楔块采用面接触并具有自锁能力，预紧螺栓与支撑座螺纹连接、前端与下楔块顶接，弹簧一端与下楔块接触、另一端安置在挡板的圆形凹槽内，挡板用紧固螺栓五、紧固螺栓六与支撑座固定连接；支撑座通过紧固螺栓一、紧固螺栓二、紧固螺栓三、紧固螺栓四与机床运动台实现连接。
全文摘要
本发明提供一种活轴掘进车削方法及装置，属于超精密切削和复杂曲面切削领域。将一个工件装夹在一台超精密数控车床的主轴前端，将一台活轴掘进车削装置安装在所述的X轴溜板或Z轴溜板上，对该活轴掘进车削装置之两个活轴的驱动信号进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动。本发明优点是具有多元变参数切削特征，从而高效的实现难加工材料复杂曲面的高质量创成。
文档编号B23Q15/04GK102179530SQ201110057629
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者周晓勤, 朱志伟, 赵绍昕 申请人:吉林大学