專利名稱：一種三維橢圓振動切削裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于難加工材料切削和超精密切削加工領(lǐng)域，特別是涉及一種三維橢圓振動切削裝置。
背景技術(shù)：
金剛石刀具具有許多無可比擬的優(yōu)點，但是可切削的工件材料種類卻十分受限制。對于硬化鋼等黑色金屬材料、以及碳化硅等硬脆材料，在切削過程中會導(dǎo)致嚴(yán)重的金剛石刀具磨損，惡化加工表面質(zhì)量并降低加工精度。為了擴(kuò)展金剛石可切削材料的范圍，已提出了一些改進(jìn)的切削加工方法，例如低溫切削、碳飽和切削和橢圓振動切削等。迄今為止的研究表明，三維橢圓振動切削是最有發(fā)展前途的一種切削方法，具有抑制刀具磨損、改善加工表面質(zhì)量等諸多優(yōu)點。為了實施三維橢圓振動切削，其關(guān)鍵在于高性能的三維橢圓振動切削裝置。現(xiàn)有的三維橢圓振動切削裝置主要有以下兩種技術(shù)方案1、共振型驅(qū)動的三維橢圓振動切削裝置，即在刀桿的側(cè)面分別貼附三對PZT陶瓷材料，通過信號發(fā)生器驅(qū)動每一對PZT致動器，分別產(chǎn)生刀桿的彎曲、伸縮和扭轉(zhuǎn)等三個微位移。當(dāng)這三對PZT致動器的驅(qū)動信號頻率之整數(shù)倍與刀桿的高階模態(tài)固有頻率接近時將產(chǎn)生超諧共振，形成刀刃處的三維橢圓振動切削運動。這種裝置存在的問題是①·刀桿設(shè)計困難，難以獲得所需的高階模態(tài)；②.三維橢圓振動切削運動的頻率和其它橢圓運動參數(shù)依賴于刀桿的非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)，難以自主控制，缺乏柔性；③.采用開環(huán)控制，無法獲得不失真的三維橢圓振動切削運動。④兩個橫向彎曲振動與一個縱向振動之間存在動力壽禺合。2、非共振型驅(qū)動的三維橢圓振動切削裝置，即金剛石刀具由三對相互垂直的壓電疊堆直接驅(qū)動，三對壓電疊堆通過沿對角線方向上的同一個預(yù)緊螺栓同時預(yù)緊，通過匹配三對壓電疊堆驅(qū)動信號的幅值和相位，可在刀位點處產(chǎn)生三維橢圓振動切削運動。這種裝置的問題在于①.采用沿壓電疊堆對角線方向的預(yù)緊螺栓對三個壓電疊堆預(yù)緊的方法可能導(dǎo)致每個壓電疊堆獲得的預(yù)緊力不均勻；②.由于共用同一個預(yù)緊螺栓，當(dāng)壓電疊堆驅(qū)動刀具沿各自軸線運動時，系統(tǒng)中存在運動耦合和力耦合，難以對系統(tǒng)進(jìn)行建模和控制。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型提供一種三維橢圓振動切削裝置，用以實現(xiàn)難加工材料的超精密切削加工。本實用新型采取的技術(shù)方案是前擋板通過螺釘與基體固定連接，上擋板與基體固定連接，金剛石刀具與基體上的刀座通過緊定螺釘一固定連接，X向支撐梁通過緊定螺釘二與基體右側(cè)固定連接，X向壓電疊堆固定端與χ向壓電疊堆座固定連接，X向壓電疊堆座通過X向預(yù)緊螺栓與X向支撐梁固定連接，X向不銹鋼球冠體與X向壓電疊堆自由端固定連接，該X向不銹鋼球冠體前端與X向右導(dǎo)向動臂頂接；Y向壓電疊堆固定端通過下方的楔塊組與Y向支撐梁連接，楔塊組通過Y向預(yù)緊螺栓與Y向支撐梁固定連接，支撐梁通過緊定螺釘四與基體連接，Y向不銹鋼球冠體與Y向壓電疊堆自由端固定連接，該Y向不銹鋼球冠體前端與刀座頂接；Z向壓電疊堆固定端與Z向壓電疊堆座固定連接，Z向壓電疊堆座通過Z向預(yù)緊螺栓與Z向支撐梁固定連接，Z向支撐梁通過緊定螺釘三與基體的X向右導(dǎo)向動臂和Y向左導(dǎo)向動臂連接，Z向不銹鋼球冠體與Z向壓電疊堆自由端固定連接，該Z向不銹鋼球冠體前端與刀座頂接；X向電容位移傳感器與X向電容位移傳感器夾緊裝置固定連接，X向電容位移傳感器夾緊裝置通過X向電容位移傳感器緊定螺釘與基體左立柱固定連接；Y向電容位移傳感器與Y向電容位移傳感器夾緊裝置通過Y向電容位移傳感器緊定螺釘固定連接，Y向電容位移傳感器夾緊裝置與基體固定連接；Z向電容位移傳感器與Z向電容位移傳感器夾緊裝置固定連接，Z向電容位移傳感器夾緊裝置通過Z向電容位移傳感器緊定螺釘與基體固定連接；基體是一個由線切割加工而成的整體機(jī)構(gòu)，分為左、中、右三部分所述基體的左側(cè)部分包括左立柱和X向左導(dǎo)向動臂，該X向左導(dǎo)向動臂采用單軸鉸鏈，左立柱上開有通孔用于安裝電容位移傳感器，以及固定電容位移傳感器夾緊裝置的螺孔；所述基體的中間部分是刀座部分，刀座向外突出，刀座與能實現(xiàn)Y和Z兩個方向的運動四組對稱的雙軸柔性鉸鏈鉸接，該四組對稱的雙軸柔性鉸鏈分別是左前下雙軸柔性鉸鏈、左前上雙軸柔性鉸鏈、左后下雙軸柔性鉸鏈、左后上雙軸柔性鉸鏈、右前下雙軸柔性鉸鏈、右前上雙軸柔性鉸鏈、右后下雙軸柔性鉸鏈、右后上雙軸柔性鉸鏈；所述基體的右側(cè)部分有X向右導(dǎo)向動臂，該X向右導(dǎo)向動臂采用單軸鉸鏈。本實用新型的優(yōu)點在于(1)通過直接驅(qū)動方式，使金剛石刀具的三維橢圓振動切削運動的參數(shù)頻率、幅值、相位等，皆可主動調(diào)整，對難加工材料可獲得最佳的切削加工性。(2)在X向采用鉸鏈平行四桿機(jī)構(gòu)，在Y向和Z向上分別采用雙軸柔性鉸鏈，以使金剛石刀具沿X向、Y向和Z向的三個運動無動力耦合，簡化了被控對象的建模和控制。 ( 在X和Z兩個方向的壓電疊堆分別由沿各自軸線方向的預(yù)緊螺栓進(jìn)行預(yù)緊， 在Y向的壓電疊堆由楔塊預(yù)緊，各壓電疊堆的預(yù)緊過程互不影響，預(yù)緊方法簡單可靠，可使三個方向上壓電疊堆均勻預(yù)緊。(4)在X、Y和Z三個方向上均采用電容式位移傳感器檢測位移，并通過主軸轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行觸發(fā)采樣，可實現(xiàn)刀位點運動的精確跟蹤控制。(5)所述的三維橢圓振動切削裝置，無論是結(jié)構(gòu)還是控制，皆非常簡單，易于實施。
圖1是本實用新型的裝配軸測圖；圖2是本實用新型去掉擋板從前面看的裝配軸測圖；圖3是本實用新型去掉擋板從后面看的裝配軸測圖；[0027]圖4是本實用新型去掉擋板從后面仰視的裝配軸測圖；圖5是本實用新型在Y向和Z向的壓電疊堆與刀座的球-平面連接示意圖；圖6是本實用新型基體的一種軸測圖；圖7是本實用新型基體的另一種軸測圖；圖8是本實用新型基體的另一種軸測圖；圖9是本實用新型Y向楔塊組的上楔塊軸測圖；圖10是本實用新型Y向楔塊組的下楔塊軸測圖；圖11是本實用新型的運動原理圖；圖12是本實用新型在X向的壓電疊堆的球頭與X向右導(dǎo)向動臂的圓錐面連接示意圖；圖13a是所合成的橢圓振動切削運動在X_Y平面內(nèi)的投影；圖13b是所合成的橢圓振動切削運動在Y-Z平面內(nèi)的投影；圖13c是所合成的橢圓振動切削運動在X-Z平面內(nèi)的投影。
具體實施方式
前擋板1通過螺釘3與基體5固定連接，上擋板4與基體固定連接，金剛石刀具2 與基體上的刀座通過緊定螺釘一 6固定連接，X向支撐梁14通過緊定螺釘二 13與基體右側(cè)固定連接，X向壓電疊堆17a固定端與X向壓電疊堆座16a固定連接，X向壓電疊堆座16a 通過X向預(yù)緊螺栓15a與X向支撐梁14固定連接，X向不銹鋼球冠體Ila與X向壓電疊堆 17a自由端固定連接，該X向不銹鋼球冠體12a前端與X向右導(dǎo)向動臂511頂接；Y向壓電疊堆17b固定端通過下方的楔塊組20與Y向支撐梁18連接，楔塊組20 通過Y向預(yù)緊螺栓19與Y向支撐梁固定連接，支撐梁18通過緊定螺釘四M與基體連接，Y 向不銹鋼球冠體lib與Y向壓電疊堆17b自由端固定連接，該Y向不銹鋼球冠體12b前端與刀座512頂接，該楔塊組由上楔塊2001和下楔塊2002組成；Z向壓電疊堆17c固定端與Z向壓電疊堆座16c固定連接，Z向壓電疊堆座16c通過Z向預(yù)緊螺栓15c與Z向支撐梁22固定連接，Z向支撐梁22通過緊定螺釘三21與基體的X向右導(dǎo)向動臂511和Y向左導(dǎo)向動臂502連接，Z向不銹鋼球冠體12c與Z向壓電疊堆17c自由端固定連接，該Z向不銹鋼球冠體Ilc前端與刀座512頂接；X向電容位移傳感器IOa與X向電容位移傳感器夾緊裝置7固定連接，X向電容位移傳感器夾緊裝置7通過X向電容位移傳感器緊定螺釘9a與基體左立柱501固定連接；Y向電容位移傳感器IOb與Y向電容位移傳感器夾緊裝置8通過Y向電容位移傳感器緊定螺釘％固定連接，Y向電容位移傳感器夾緊裝置8與基體固定連接；Z向電容位移傳感器IOc與Z向電容位移傳感器夾緊裝置23固定連接，Z向電容位移傳感器夾緊裝置23通過Z向電容位移傳感器緊定螺釘12與基體固定連接；基體5是一個由線切割加工而成的整體機(jī)構(gòu)，可分為左、中、右三部分所述基體的左側(cè)部分包括左立柱501和X向左導(dǎo)向動臂502，該X向左導(dǎo)向動臂采用單軸鉸鏈，左立柱501上開有通孔用于安裝電容位移傳感器，以及固定電容位移傳感器夾緊裝置的螺孔；所述基體的中間部分是刀座部分，刀座512向外突出，刀座與能實現(xiàn)Y和Z兩個方向的運動四組對稱的雙軸柔性鉸鏈鉸接，該四組對稱的雙軸柔性鉸鏈分別是左前下雙軸柔性鉸鏈503、左前上雙軸柔性鉸鏈504、左后下雙軸柔性鉸鏈505、左后上雙軸柔性鉸鏈506、 右前下雙軸柔性鉸鏈507、右前上雙軸柔性鉸鏈508、右后下雙軸柔性鉸鏈509、右后上雙軸柔性鉸鏈510 ；所述基體的右側(cè)部分有X向右導(dǎo)向動臂511，該X向右導(dǎo)向動臂采用單軸鉸鏈。在一臺“T”型配置的精密或超精密車床上，將本實用新型所述的裝置安裝在車床的Z軸溜板上，工件裝夾在主軸上作勻速回轉(zhuǎn)，金剛石刀具沿車床的X軸和Z軸作進(jìn)給運動。通過三個壓電疊堆的驅(qū)動，在金剛石刀具的刀位點上疊加一個三維的橢圓振動切削運動。三個壓電疊堆的驅(qū)動信號可分別表示為
權(quán)利要求1. 一種三維橢圓振動切削裝置，其特征在于前擋板通過螺釘與基體固定連接，上擋板與基體固定連接，金剛石刀具與基體上的刀座通過緊定螺釘一固定連接，X向支撐梁通過緊定螺釘二與基體右側(cè)固定連接，X向壓電疊堆固定端與X向壓電疊堆座固定連接，X向壓電疊堆座通過X向預(yù)緊螺栓與X向支撐梁固定連接，X向不銹鋼球冠體與X向壓電疊堆自由端固定連接，該X向不銹鋼球冠體前端與X向右導(dǎo)向動臂頂接；Y向壓電疊堆固定端通過下方的楔塊組與Y向支撐梁連接，楔塊組通過Y向預(yù)緊螺栓與Y向支撐梁固定連接，支撐梁通過緊定螺釘四與基體連接，Y向不銹鋼球冠體與Y向壓電疊堆自由端固定連接，該Y向不銹鋼球冠體前端與刀座頂接；Z向壓電疊堆固定端與Z向壓電疊堆座固定連接，Z向壓電疊堆座通過Z向預(yù)緊螺栓與Z向支撐梁固定連接，Z向支撐梁通過緊定螺釘三與基體的X向右導(dǎo)向動臂和Y向左導(dǎo)向動臂連接，Z向不銹鋼球冠體與Z向壓電疊堆自由端固定連接，該 Z向不銹鋼球冠體前端與刀座頂接；X向電容位移傳感器與X向電容位移傳感器夾緊裝置固定連接，X向電容位移傳感器夾緊裝置通過X向電容位移傳感器緊定螺釘與基體左立柱固定連接；Y向電容位移傳感器與Y向電容位移傳感器夾緊裝置通過Y向電容位移傳感器緊定螺釘固定連接，Y向電容位移傳感器夾緊裝置與基體固定連接；Z向電容位移傳感器與Z 向電容位移傳感器夾緊裝置固定連接，Z向電容位移傳感器夾緊裝置通過Z向電容位移傳感器緊定螺釘與基體固定連接；基體是一個由線切割加工而成的整體機(jī)構(gòu)，分為左、中、右三部分所述基體的左側(cè)部分包括左立柱和X向左導(dǎo)向動臂，該X向左導(dǎo)向動臂采用單軸鉸鏈，左立柱上開有通孔用于安裝電容位移傳感器，以及固定電容位移傳感器夾緊裝置的螺孔；所述基體的中間部分是刀座部分，刀座向外突出，刀座與能實現(xiàn)Y和Z兩個方向的運動四組對稱的雙軸柔性鉸鏈鉸接，該四組對稱的雙軸柔性鉸鏈分別是左前下雙軸柔性鉸鏈、 左前上雙軸柔性鉸鏈、左后下雙軸柔性鉸鏈、左后上雙軸柔性鉸鏈、右前下雙軸柔性鉸鏈、 右前上雙軸柔性鉸鏈、右后下雙軸柔性鉸鏈、右后上雙軸柔性鉸鏈；所述基體的右側(cè)部分有 X向右導(dǎo)向動臂，該X向右導(dǎo)向動臂采用單軸鉸鏈。
專利摘要本實用新型涉及一種三維橢圓振動切削裝置，屬于難加工材料切削和超精密切削加工領(lǐng)域。金剛石刀具由分別沿X向、Y向和Z向的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)向，并由分別沿X向、Y向和Z向的三個壓電疊堆驅(qū)動，X向與Z向壓電疊堆由沿各自軸線方向的預(yù)緊螺栓進(jìn)行預(yù)緊，Y向壓電疊堆通過螺栓旋緊楔塊預(yù)緊，三個方向的預(yù)緊過程相互獨立；通過調(diào)整和匹配三個壓電疊堆驅(qū)動信號的初始相位和幅值，使金剛石刀具的刀位點運動在X-Y平面和Y-Z平面的投影分別為橢圓運動、在X-Z平面的投影為往復(fù)橢圓運動或直線運動。本實用新型結(jié)構(gòu)新穎簡單、易于實施，有利于獲得金剛石刀具的最佳切削加工性。
文檔編號B23B1/00GK202317030SQ20112043107
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者劉培會, 周曉勤, 朱志偉, 林潔瓊, 王剛 申請人:吉林大學(xué)