[发明专利]一种非共振三维椭圆金刚石振动切削方法及装置

说明书

技术领域

本发明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，特别是涉及一种非共振三维椭圆振动切削方法及装置。

背景技术

近年来，随着航空航天和国防等工业领域的快速发展，对超精密加工的光学和电子零件的需求也日趋增长，但是由于一些高性能但却难加工材料自身条件的限制，传统的金刚石切削方法因刀具磨损过快已难以满足要求。

在此基础上一维振动切削One-Dimensional Ultrasonic Vibration Cutting(1D UVC),也称传统振动切削,自1966年成功应用于一些难加工材料的切削，但是还存在一些缺陷，例如表面粗糙度小于0.1μm的超精密加工难以实现，硬质合金材料的工件无法加工。

为了克服上述振动切削的缺点，国际上的学者们相继提出了一些改进的工艺方法，其中被认为是目前最有发展前途的一种加工方法就是1993年提出的椭圆振动切削（Elliptical Vibration Cutting，以下简称EVC），也就是二维的振动切削，EVC具有抑制颤振、减少切削力、改善加工精度和表面质量、减少刀具磨损、提高刀具使用寿命、实现脆性材料延性切削等诸多优点，近几年来受到国际学术界和工程界的高度关注，例如：日本神户大学的森协俊道教授等人，名古屋大学的社本英二教授等人，德国Bremen大学的E.Brinksmeier教授等人，美国北Carolina大学的Thomas A.Dow教授等人，美国西北大学的K.F.Ehmann教授，新加坡国立大学的C.Nath教授等人。现有的研究结果表明，EVC既能获得光学质量表面、又可以减少金刚石刀具磨损，提高其使用寿命。

目前广泛使用的EVC驱动属于共振型方式，其特点是振动的频率较高，现有的文献表明最高可达到60KHZ，主要是在刀杆的两侧通过压电方式施加两个分布载荷，根据非线性超谐共振原理，使刀尖点产生二维的椭圆运动轨迹，但是目前所见的二维EVC普遍具有的缺点是：（1）刀杆的非线性超谐共振在横向弯曲振动和纵向振动上存在耦合，易于产生串扰。（2）刀杆的固有振型不变导致椭圆振动的频率不可调整，难以适应不同加工材料的加工需求。（3）通过分析振型得到刀杆装夹的节点，刀杆的设计难度较大，在实际加工中可能出现偏差，影响加工精度。北Carolina大学的Thomas A.Dow教授等人研究并提出了非共振的驱动方式来克服共振型驱动方式的缺点。非共振驱动主要是基于压电叠堆平行配置或相互垂直配置的直驱结构，主要优点在于：可以主动调整刀尖椭圆运动的频率和幅值等参数，适于加工不同的材料和表面，但是依然存在一些不足：（1）压电驱动器在装置上的位置固定，形成椭圆所在平面不可调整。（2）实际切削时的椭圆运动轨迹开环控制不可避免地会变形或失真。

为了满足不同表面形状的加工需求，二维EVC亟需向三维方向发展，日本名古屋大学的社本英二教授等人在共振型二维EVC的基础上提出了共振型三维EVC。对于共振型三维EVC，刀尖椭圆运动的产生仍是基于刀杆的两个横向振动和一个纵向振动超谐共振合成的。三维EVC相比二维EVC的优点在于：可控制刀尖点形成椭圆运动的平面方位、使之位于屑流平面。但不足之处仍在于：现有的共振型三维EVC，刀尖点形成椭圆运动轨迹参数（例如椭圆运动频率）依然难以调整、无法适应加工不同材料的需求。

专利（CN102078967A）提及的一种混频三维椭圆振动切削方法，虽然可以生成金刚石刀具的空间三维椭圆运动轨迹，但是该轨迹存在一定的局限性，由于其压电叠堆位置无法改变，导致生成的三维椭圆运动轨迹所在空间存在局限性。

专利（CN102059575A）提及的三维椭圆切削方法和装置除了上述方法缺陷性外，在装置中压电叠堆在安装位置固定，参数调整范围有限，且装置不具有金刚石刀尖的高度微调功能，对于可匹配加工的机床要求较高，不具有普遍性。

专利（CN102371359A）提及的一种三维椭圆振动切削装置同样不具备金刚石刀尖高度微调部分，压电叠堆三垂直分布导致的空间三维椭圆局限性没有改变，压电叠堆的位置不能对三维椭圆进行调整。

综上所述，现有的椭圆振动切削加工方法及装置还存在着许多不足。

发明内容

本发明提供一种非共振三维椭圆金刚石振动切削方法及装置，从而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：