[发明专利]一种三维椭圆振动切削装置

说明书

技术领域

本发明属于难加工材料切削和超精密切削加工领域，特别是涉及一种三维椭圆振动切削装置。

背景技术

金刚石刀具具有许多无可比拟的优点，但是可切削的工件材料种类却十分受限制。对于硬化钢等黑色金属材料、以及碳化硅等硬脆材料，在切削过程中会导致严重的金刚石刀具磨损，恶化加工表面质量并降低加工精度。为了扩展金刚石可切削材料的范围，已提出了一些改进的切削加工方法，例如低温切削、碳饱和切削和椭圆振动切削等。迄今为止的研究表明，三维椭圆振动切削是最有发展前途的一种切削方法，具有抑制刀具磨损、改善加工表面质量等诸多优点。

为了实施三维椭圆振动切削，其关键在于高性能的三维椭圆振动切削装置。现有的三维椭圆振动切削装置主要有以下两种技术方案：

1、共振型驱动的三维椭圆振动切削装置，即在刀杆的侧面分别贴附三对PZT陶瓷材料，通过信号发生器驱动每一对PZT致动器，分别产生刀杆的弯曲、伸缩和扭转等三个微位移。当这三对PZT致动器的驱动信号频率之整数倍与刀杆的高阶模态固有频率接近时将产生超谐共振，形成刀刃处的三维椭圆振动切削运动。这种装置存在的问题是：①.刀杆设计困难，难以获得所需的高阶模态；②.三维椭圆振动切削运动的频率和其它椭圆运动参数依赖于刀杆的非线性结构动力学参数，难以自主控制，缺乏柔性；③.采用开环控制，无法获得不失真的三维椭圆振动切削运动。④两个横向弯曲振动与一个纵向振动之间存在动力耦合。

2、非共振型驱动的三维椭圆振动切削装置，即金刚石刀具由三对相互垂直的压电叠堆直接驱动，三对压电叠堆通过沿对角线方向上的同一个预紧螺栓同时预紧，通过匹配三对压电叠堆驱动信号的幅值和相位，可在刀位点处产生三维椭圆振动切削运动。这种装置的问题在于：①.采用沿压电叠堆对角线方向的预紧螺栓对三个压电叠堆预紧的方法可能导致每个压电叠堆获得的预紧力不均匀；②.由于共用同一个预紧螺栓，当压电叠堆驱动刀具沿各自轴线运动时，系统中存在运动耦合和力耦合，难以对系统进行建模和控制。

发明内容

本发明提供一种三维椭圆振动切削装置，用以实现难加工材料的超精密切削加工。

本发明采取的技术方案是：

前挡板通过螺钉与基体固定连接，上挡板与基体固定连接，金刚石刀具与基体上的刀座通过紧定螺钉一固定连接，X向支撑梁通过紧定螺钉二与基体右侧固定连接，X向压电叠堆固定端与X向压电叠堆座固定连接，X向压电叠堆座通过X向预紧螺栓与X向支撑梁固定连接，X向不锈钢球冠体与X向压电叠堆自由端固定连接，该X向不锈钢球冠体前端与X向右导向动臂顶接；

Y向压电叠堆固定端通过下方的楔块组与Y向支撑梁连接，楔块组通过Y向预紧螺栓与Y向支撑梁固定连接，支撑梁通过紧定螺钉四与基体连接，Y向不锈钢球冠体与Y向压电叠堆自由端固定连接，该Y向不锈钢球冠体前端与刀座顶接；

Z向压电叠堆固定端与Z向压电叠堆座固定连接，Z向压电叠堆座通过Z向预紧螺栓与Z向支撑梁固定连接，Z向支撑梁通过紧定螺钉三与基体的X向右导向动臂和Y向左导向动臂连接，Z向不锈钢球冠体与Z向压电叠堆自由端固定连接，该Z向不锈钢球冠体前端与刀座顶接；

X向电容位移传感器与X向电容位移传感器夹紧装置固定连接，X向电容位移传感器夹紧装置通过X向电容位移传感器紧定螺钉与基体左立柱固定连接；

Y向电容位移传感器与Y向电容位移传感器夹紧装置通过Y向电容位移传感器紧定螺钉固定连接，Y向电容位移传感器夹紧装置与基体固定连接；

Z向电容位移传感器与Z向电容位移传感器夹紧装置固定连接，Z向电容位移传感器夹紧装置通过Z向电容位移传感器紧定螺钉与基体固定连接；

基体是一个由线切割加工而成的整体机构，分为左、中、右三部分：

所述基体的左侧部分包括左立柱和X向左导向动臂，该X向左导向动臂采用单轴铰链，左立柱上开有通孔用于安装电容位移传感器，以及固定电容位移传感器夹紧装置的螺孔；

所述基体的中间部分是刀座部分，刀座向外突出，刀座与能实现Y和Z两个方向的运动四组对称的双轴柔性铰链铰接，该四组对称的双轴柔性铰链分别是左前下双轴柔性铰链、左前上双轴柔性铰链、左后下双轴柔性铰链、左后上双轴柔性铰链、右前下双轴柔性铰链、右前上双轴柔性铰链、右后下双轴柔性铰链、右后上双轴柔性铰链；

所述基体的右侧部分有X向右导向动臂，该X向右导向动臂采用单轴铰链。

本发明的优点在于：