一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置的制作方法

本实用新型属于超精密切削加工以及难加工材料复杂光学零件加工技术领域，特别是涉及一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置。

背景技术：

近年来振动切削在一些高精零件加工领域发挥了重要的作用，尤其是单点金刚石切削，成为了精密和超精密零件创成的一种行之有效的加工方法，被广泛应用在硬脆性材料或较软材料的加工上，不但提高了加工效率，也延长了刀具的使用寿命，并且得到了较好的加工质量。与普通金刚石切削相比，振动切削的方式不但拓展了金刚石刀具可加工材料的范围，同时加工的灵活性也更强。目前的振动切削从振动维度方面主要分为一维振动切削、二维椭圆振动切削和三维椭圆振动切削。虽然与普通切削相比一维振动切削具有无可比拟的优势，但其也存在着相应的不足，如一维振动切削局限于一个方向的刀具往复振动，由于后刀面对已加工表面的熨压作用不利于获得较高质量的表面。因此为了避免相应的不足，日本学者在1993年提出了二维椭圆振动切削(Elliptical vibration cutting)，二维椭圆振动切削相比于一维振动切削，具有更多的优势，如抑制颤振、提高刀具使用寿命、减小切削力等。二维椭圆振动切削提出之后，由于其在加工方面的优势，获得了许多学者的青睐，并对其进行了大量的研究。目前二维振动切削主要分为两类：共振型和非共振型。共振型主要是利用驱动元件不同阶的固有频率形成共振来驱动刀具做二维振动，这种形式下的刀具能够得到高频的振动，但是局限于驱动元件的固有频率，所以刀具的振动频率不可调。非共振型虽然频率与共振型相比往往较低，但是频率可调，使用范围更加广泛。三维椭圆振动切削是在二维椭圆振动切削的基础上提出的，在继承了二维椭圆振动切削优点的基础上，将刀具的平面振动拓展到空间，同时也更有利于切屑的排出。

虽然三维椭圆振动切削优势更突出，但是局限于三维椭圆振动切削装置设计方面以及控制方面的的困难，三维振动切削装置只是停留在实验室阶段，相比于三维椭圆振动切削装置，二维椭圆振动切削装置应用更加广泛，为了使频率可调从而获得适用性更强的二维椭圆振动切削，非共振型的二维椭圆振动切削装置成为研究的重点。目前非共振型二维椭圆振动切削装置专利可查的有：专利CN 103611947A提及的一种铰链并联式椭圆振动切削柔性装置，此装置利用两个平行压电叠堆进行驱动，能够在刀尖处获得椭圆轨迹；专利CN 104117697A提及的一种非共振椭圆振动切削装置，采用两压电叠堆平行驱动方式实现刀具的椭圆运动，优点是体积小，容易获得高频振动；专利CN 105149626A提及的一种适用于立式外圆加工的两压电垂直椭圆振动切削装置，采用两压电叠堆垂直驱动的方式获得刀具的椭圆运动，优点在于质量小，适用于立式车床；专利CN 105127818 A提及的一种铰链串联式椭圆振动切削柔性装置，采用两压电垂直驱动方式驱动刀具获得椭圆运动，两压电之间不存在耦合现象。以上四个可查非共振型二维椭圆振动切削的相关装置，均为单一型正交车削的振动装置，无法对刀具角度进行调整，而实际切削加工中，不仅仅局限于正交型切削，斜角切削方式在实际生产加工中也是不可缺少的一种加工方式。同样针对本实用新型的设计原理，上述的专利CN 103611947A和专利CN 104117697A采用两压电平行式驱动，但是均存在较严重的耦合现象。因此，对于椭圆振动切削装置来说，虽然已有学者对其进行了研发设计，但是依然存在着普适性差、耦合较严重等不足之处，无法很好的满足实际的生产需要。

技术实现要素：

本实用新型提供一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置，从而实现适用性更强的非共振椭圆振动切削装置在难加工材料方面的应用。

本实用新型采取的技术方案是：柔性运动机构通过左右两侧对称的四个滑动支撑脚与底座上的两个半圆形滑动导轨配合连接，滑动支撑脚的端面为曲面，与半圆形滑动导轨的接触方式为面接触，柔性运动机构通过柔性运动机构固定螺纹孔与底座上的固定通孔配合利用柔性运动紧固螺钉进行固定，柔性运动机构通过角度调整螺纹孔与底座上的角度调整通孔配合利用角度调整螺钉进行角度调整，盖板通过左右两个对称的方形键槽与底座上的两个底座方形键槽配合利用方形定位键进行定位，盖板上的两个半圆形滑动导轨与底座上的两个底座半圆形滑动导轨配合形成两个完整的圆形滑动导轨，盖板通过左右两个对称的盖板固定螺纹孔与底座上左右对称的两个盖板固定通孔配合利用盖板紧固螺钉进行固定，两个压电叠堆驱动器与柔性运动机构上的两个压电预紧螺纹孔配合通过柔性运动机构上的两个压电预紧通孔利用两个压电预紧螺钉进行预紧固定，压电叠堆驱动器的头部与柔性运动机构的接触方式为点接触，刀具通过与柔性运动机构上的刀具固定螺纹孔配合利用刀具固定螺钉进行固定。

本实用新型所述底座的结构是：左右对称的六个柔性装置固定孔用于不同车床上柔性装置的固定，左右对称的两个方形键槽用来盛放方形定位键，底座后侧上下两个通孔用来方便利用工具通过此孔对压电叠堆驱动器进行预紧，左右对称的两个盖板固定通孔用于对盖板的固定，底座后侧上下两排圆弧排列的角度调整通孔用于柔性运动机构角度的调整，底座后侧上柔性运动机构固定通孔用于对柔性运动机构的固定，两个底座半圆形滑动导轨与盖板上的两个半圆形滑动导轨对接形成一个圆形滑动导轨。

本实用新型所述角度调整通孔以上下同心圆弧的形式排列，每一排孔中相邻孔之间的角度为10度，两排孔相邻孔之间的角度为5度，通过这两排孔并配合圆形滑动导轨可以实现对柔性运动机构的角度调整，最小调整角度为5度；两排圆弧同心孔的圆心与柔性运动机构固定通孔的圆心重合，柔性运动机构固定通孔的圆心与刀具刀尖平面在同一水平高度，因此在旋转调整刀尖角度过程中能够保证刀尖始终在同一水平高度，方便加工过程中的对刀。

本实用新型所述柔性运动机构的结构是：直圆型柔性铰链用于分别连接复合平行四杆机构和刀具固定架，四组左右对称的滑动支撑脚与两个底座半圆形滑动导轨与盖板上的两个半圆形滑动导轨对接形成一个圆形滑动导轨转动连接，支撑脚与圆形导轨的接触面为圆形曲面，两者接触形式为面接触，还包括：两个压电预紧通孔，螺纹孔为两个角度调整螺纹孔，螺纹孔为柔性运动机构固定螺纹孔，还包括两个压电预紧螺纹孔，四组平行的直板型柔性铰链，刀具固定螺纹孔。

本实用新型的柔性运动机构是一个整体，通过线切割一次加工成型，避免了装配误差的影响。

本实用新型的优点是结构新颖，整体主要由底座、柔性运动机构和盖板三个部分组成，易于制造，且运动部分结构简单，质量小，容易获得高频振动。采用直板型柔性铰链组成的复合平行四杆机构的运动方式，确保了运动的单向性，并能获得较大的运动行程；采用弯曲导向性良好的直圆型柔性铰链，大大降低了两个运动方向的耦合串扰现象。能够实现刀具的角度可调，通过调整柔性运动机构的角度可以实现正交切削、斜角切削，对于立式和卧式车床均适用，大大提高了二维椭圆振动切削装置的普适性，降低了加工成本。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型底座的结构示意图；

图3是本实用新型柔性运动机构的结构示意图；

图4是本实用新型盖板的结构示意图；

图5是本实用新型去掉盖板后的内部装配示意图；

图6是本实用新型后侧视角的示意图；

图7是实用新型正向旋转25度的内部装配轴测图；

图8是本实用新型正向旋转90度的整体装配轴测图；

图9a是实用新型工作时两组柔性铰链变形状态图；

图9b是实用新型工作时两组柔性铰链变形原理图；

图10是实用新型在卧式车床上的安装示意图；

图11是实用新型在立式车床上的安装示意图。

具体实施方式

柔性运动机构2通过左右两侧对称的四个滑动支撑脚202与底座1上的两个107半圆形滑动导轨配合连接，滑动支撑脚202的端面为曲面，与107半圆形滑动导轨的接触方式为面接触，柔性运动机构2通过柔性运动机构固定螺纹孔205与底座1上的固定通孔106配合利用柔性运动紧固螺钉11进行固定，柔性运动机构2通过角度调整螺纹孔204与底座1上的角度调整通孔105配合利用角度调整螺钉10进行角度调整，盖板3通过左右两个对称的方形键槽302与底座1上的两个底座方形键槽102配合利用方形定位键4进行定位，盖板3上的两个半圆形滑动导轨与底座1上的两个底座半圆形滑动导轨107配合形成两个完整的圆形滑动导轨，盖板3通过左右两个对称的盖板固定螺纹孔303与底座1上左右对称的两个盖板固定通孔104配合利用盖板紧固螺钉5进行固定，两个压电叠堆驱动器7与柔性运动机构2上的两个压电预紧螺纹孔206配合通过柔性运动机构2上的两个压电预紧通孔203利用两个压电预紧螺钉6进行预紧固定，压电叠堆驱动器7的头部与柔性运动机构2的接触方式为点接触，刀具8通过与柔性运动机构2上的刀具固定螺纹孔208配合利用刀具固定螺钉9进行固定。

本实用新型所述底座1的结构是：左右对称的六个柔性装置固定孔101用于不同车床上柔性装置的固定，左右对称的两个方形键槽102用来盛放方形定位键4，底座后侧上下两个通孔103用来方便利用工具通过此孔对压电叠堆驱动器7进行预紧，左右对称的两个盖板固定通孔104用于对盖板的固定，底座后侧上下两排圆弧排列的角度调整通孔105用于柔性运动机构2角度的调整，底座后侧上柔性运动机构固定通孔106用于对柔性运动机构2的固定，两个底座半圆形滑动导轨107与盖板3上的两个半圆形滑动导轨301对接形成一个圆形滑动导轨；

本实用新型所述角度调整通孔105以上下同心圆弧的形式排列，每一排孔中相邻孔之间的角度为10度，两排孔相邻孔之间的角度为5度，通过这两排孔并配合圆形滑动导轨可以实现对柔性运动机构2的角度调整，最小调整角度为5度；两排圆弧同心孔的圆心与柔性运动机构固定通孔106的圆心重合，柔性运动机构固定通孔106的圆心与刀具刀尖平面在同一水平高度，因此在旋转调整刀尖角度过程中能够保证刀尖始终在同一水平高度，方便加工过程中的对刀。

本实用新型所述柔性运动机构2的结构是：直圆型柔性铰链201用于分别连接复合平行四杆机构和刀具固定架，利用直圆型柔性铰链的良好弯曲导向作用来降低量上下两轴的运动耦合现象，四组左右对称的滑动支撑脚202与两个底座半圆形滑动导轨107与盖板3上的两个半圆形滑动导轨301对接形成一个圆形滑动导轨转动连接，支撑脚与圆形导轨的接触面为圆形曲面，两者接触形式为面接触，还包括两个压电预紧通孔203，螺纹孔204为两个角度调整螺纹孔，螺纹孔205为柔性运动机构固定螺纹孔，还包括两个压电预紧螺纹孔206，四组平行的直板型柔性铰链207，刀具固定螺纹孔208。

本实用新型所述盖板3的结构是：两个半圆形滑动导轨301与底座上的半圆形滑动导轨对接形成一个圆形滑动导轨，左右对称的两个方形键槽302用来盛放方形定位键4，盖板有左右对称的两个固定螺纹孔303。

本实用新型所述柔性运动机构2的柔性铰链分为两部分，一部分为4组直板型柔性铰链207，上下各两组组成复合平行四杆机构形式，并且上下两组结构为并联式排列，保证了运动的单向性，采用这种形式的铰链可以在运动方向获得较大的运动行程；同时为了避免两个运动方向上的耦合，另一部分采用弯曲导向效果良好的直圆型柔性铰链201来减小两个运动方向的串扰。

本实用新型所述柔性运动机构2与底座通过螺钉11进行固定，盖板3通过两个方形键4与底座进行对接定位，并通过螺钉5固定在底座1上，底座1和盖板3对接形成了两个圆形的滑动导轨，柔性运动机构的四个滑动支撑脚202与圆形滑动导轨配合，并通过螺钉10进行角度的调整，调整的范围为正负90度。

本实用新型的柔性运动机构2是一个整体，通过线切割一次加工成型，避免了装配误差的影响。

本实用新型底座1通过左右两侧对称的6个柔性装置固定孔101利用紧固螺钉固定在机床上，根据不同工况调整所需要的刀具角度，柔性运动机构2上的金刚石刀具8由两个平行压电叠堆驱动产生高频的椭圆运动，两个压电叠堆的驱动信号如下：

式中，A₁,A₂分别是两个压电驱动的振动幅值；分别是两个压电驱动的相位；w是振动圆频率；t是时间。

通过主动调整这两个压电叠堆驱动信号y₁,y₂的初始相位使得两个初始相位之间的相位差不为0，则金刚石刀具的刀尖点在垂直于刀尖的面内可以产生一个二维椭圆运动轨迹。装置的工作原理及铰链变形图如图9a、9b所示，四组直板型柔性铰链207组成的复合平行四杆机构主要作用为导向以及输出对应的位移，上下两个直圆形柔性铰链201主要起导向的作用，当给上部的复合平行四杆机构一个位移时，连接刀具8的连杆以下侧直圆形柔性铰链为转动导向，产生转动位移，从而大大减小了对下侧复合平行四杆机构的运动耦合影响。当柔性运动机构2的角度为0度时候，如果不给压电叠堆驱动信号，本实用新型为一普通的装置；当柔性运动机构2的角度为0度时候，给两个平行压电叠堆7带有一定相位差的电压信号，本实用新型为一个正交型二维椭圆振动切削装置，产生的椭圆运动轨迹在yz平面内，此为常见的用于卧式车床的正交型椭圆振动切削形式，如图1所示，图10为非共振椭圆振动切削柔性装置用于卧式车床的安装示意图。当调整柔性运动机构2的角度到正负90度位置时，给两个平行压电叠堆7带有一定相位差的电压信号，本实用新型同样为一个正交型二维椭圆振动切削装置，此时刀具8前刀面位于yz平面内，刀尖的椭圆轨迹位于xy平面内，此种情况适用于立式车床上的正交型二维椭圆振动切削，如图8所示，图11位非共振椭圆振动切削柔性装置用于立式车床的安装示意图。当调整柔性运动机构2的角度在正负90度之间变化时，此时刀具8的前刀面跟着旋转同样的角度，正交型切削方式变为斜角型切削方式，给两个平行压电叠堆7带有一定相位差的电压信号，刀具8的刀尖在空间平面形成椭圆轨迹，一定程度上实现了三维椭圆振动切削的效果，如图7所示为正向旋转25度角后的装置装配形式。