CN106965029A - 一种振动辅助金刚石刀具旋转车削装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种振动辅助金刚石刀具旋转车削装置，属于超精密切削及难加工材料复杂光学零件加工技术领域。压电叠堆分别用压电叠堆预紧螺钉安装在柔性装置平台上，电容式位移测量挡板分别用螺钉与柔性装置平台连接，电容式位移传感器分别安装在电容式位移传感器夹座上，电容式位移传感器夹座通过螺钉安装在柔性装置平台上，金刚石刀具通过螺钉连接在柔性装置平台上，柔性装置平台通过螺钉与力传感器固定连接，上盖板与柔性装置平台通过紧钉固定连接。优点是结构新颖，易于制造，很大程度上减少装配带来的误差，提高了刀具寿命，能够实现柔性装置较高的控制精度，同时旋转角度可以由压电叠堆驱动信号的参数来调整。
Description
技术领域
本发明属于超精密切削及难加工材料复杂光学零件加工技术领域，特别是涉及一种振动辅助金刚石刀具振动旋转车削装置及其实现方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，有复杂几何特征的精密和超精密零件不仅在军事、航空航天工业中得到广泛应用，而且在越来越多的民用工业中也有着日益广泛的应有需求。金刚石切削是一种创成复杂几何精密或超精密零件的重要加工方法，但金刚石可切削的材料范围却十分受限制，对于硬化钢等黑色金属材料和碳化硅等硬脆材料，其切削加工性较差，切削过程中往往导致严重的刀具磨损、加工表面恶化和加工精度降低。为了扩展金刚石刀具可切削材料的范围，近年来提出了一些先进的切削方法，例如振动切削、碳饱和切削及低温切削等。迄今为止的研究表明：振动切削是最有发展前途的一种切削方法，具有减少切削力、减少切削热、抑制刀具磨损、改善加工表面质量等诸多优点。
振动切削方法通过在常规的切削刀具上附加小幅高频振动来实现。目前振动切削发展经历了三个阶段；第一，一维振动切削于1966年成功应用在难加工材料的切削而受到全世界学者的广泛关注；第二，二维振动切削在1993年被日本名古屋大学的社本英二教授等人首次提出；第三，3D EVC是在EVC的基础上发展而来，吸取了EVC所具有的的优点，但以椭圆振动切削为主体的振动切削从日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授最初提出振动切削理论到目前日本名古屋大学Shamoto发展的三维椭圆振动切削，很多学者对振动切削进行了有益的探讨和研究，目前国外对振动切削问题的研究主要有日本的神户大学和名古屋大学，德国的Bremen大学，美国North Carolina大学和西北大学，新加坡国立大学等；国内振动切削问题的研究主要集中在吉林大学，北京航空航天大学，香港理工大学，厦门大学等几所高校。
基于振动切削装置的研究主要分压电片换能器超声振动型装置和压电驱动柔性铰链非共振型装置。前者属于共振型装置，其主要特点是在加工的过程中能够实现较高的频率，但是共振型装置也存在一些内在的缺陷，例如在加工过程中需要根据装置本身的固有频率实现共振进行切削加工，这样一来，加工的频率就不可调整，同时各阶振型之间容易产生耦合，控制难度大；后者属于非共振型装置，其主要特点是可以 主动调整金刚石刀尖的运动频率与幅值等参数，对于不同材料和表面的加工有较强的适应性。所以在装置的设计方面，非共振型装置逐渐受到研究人员的关注。在振动切削应用中，切削的过程中存在间歇切削特性和摩擦力逆转特性，很大程度上延长了刀具寿命，减小了切削力，是目前最具潜力的一种机械加工方式。其目前还是存在着一些问题，第一：振动辅助切削加工过程中存在着周期间残留高度，第二：振动辅助切削相邻周期之间的振痕无法消除，限制了振动辅助切削加工质量的进一步提高等。
发明内容
本发明提供一种振动辅助金刚石刀具旋转车削装置，从而实现难加工材料高精度的超精密切削加工。
本发明采取的技术方案是：压电叠堆一、压电叠堆二分别用压电叠堆预紧螺钉一、压电叠堆预紧螺钉二安装在柔性装置平台上，电容式位移测量挡板一和电容式位移测量挡板二分别用螺钉与柔性装置平台连接，电容式位移传感器一、电容式位移传感器二分别安装在电容式位移传感器夹座一、电容式位移传感器夹座二上，电容式位移传感器夹座一、电容式位移传感器夹座二通过螺钉安装在柔性装置平台上，金刚石刀具通过螺钉连接在柔性装置平台上，柔性装置平台通过螺钉与力传感器固定连接，上盖板与柔性装置平台通过紧钉固定连接。
本发明所述柔性装置平台的结构是：呈左右对称分布，其左侧结构是，柔性铰链由R型柔性铰链，Z型柔性铰链，直角型并联预紧柔性铰链，直角型并联预紧柔性铰链组成，直角型预紧柔性铰链在压电叠堆预紧螺钉一前端，电容式位移测量挡板一安装座上下有直角型并联预紧柔性铰链，直角型并联预紧柔性铰链前端有Z型柔性铰链，刀具安装座安装在Z型柔性铰链前、且刀具安装座间有R型柔性铰链；
所述Z型柔性铰链单个Z型柔性铰链中包含了三个小分支，单个Z型铰链之间两两成平行四边形相互贯通，形成两自由度度封闭系统；
所述直角柔性铰链单个柔性铰链中包含的四个小分支间成平行四边形排列，也形成单自由度封闭系统。
本发明优点是结构新颖，易于制造，很大程度上减少装配带来的误差，两并联直角型柔性铰链由压电叠堆一、压电叠堆二直接驱动，柔性铰链作为导向机构，柔性装置体积小，质量轻，易于实现柔性装置的高频加工，同时，利用非共振型装置，对于不同材料和表面的加工有较强的适应性；通过旋转装置使金刚石刀具刀尖绕刀尖圆弧中心往复旋转，刀具参与切削的圆弧随着刀具的旋转而改变，由于刀具与工件在切削 过程中始终接触，消除了椭圆振动切削加工过程中存在的周期间残留高度，有效的提高了工件加工质量，延长刀具寿命以及扩展金刚石刀具切削材料的范围；本发明通过刀具的旋转，切削点将沿着刀沿相对地恒定变化，减小了切削过程中的切削力，提高了刀具寿命，同时对于某一切削点的切削时间变得非常短，并且此时的温度升高将显著降低；本发明刀具可以在其旋转时良好地润滑，润滑剂可以容易穿透刀具和工件接触区域，同时Z向的一组压电叠堆，由沿各自轴线方向的预紧螺栓进行预紧，预紧过程皆相互独立，简单可靠，易于实现；本发明采用Z型柔性铰链，Z型柔性铰链优点是结构新颖、柔性好,四个Z型单元柔性铰链中心对称分布,易于控制微位移运动的精度,易于控制其R型柔性铰链空间中的旋转轨迹；本发明的旋转柔性装置中两个压电叠堆驱动相互平行，分别驱动独立的柔性铰链，相互之间不存在耦合，能够实现柔性装置较高的控制精度，同时旋转角度可以由压电叠堆驱动信号的参数来调整。
附图说明
图1是本发明的正面结构示意图；
图2是本发明的后面结构示意图；
图3是本发明柔性装置平台的前轴侧图；
图4是本发明柔性装置平台的后轴侧图；
图5本发明刀具头运动轨迹生成图。
具体实施方式
压电叠堆一6、压电叠堆二13分别用压电叠堆预紧螺钉一8、压电叠堆预紧螺钉二11安装在柔性装置平台2上，电容式位移测量挡板一3和电容式位移测量挡板二15分别用螺钉与柔性装置平台2连接，电容式位移传感器一4、电容式位移传感器二14分别安装在电容式位移传感器夹座一10、电容式位移传感器夹座二12上，电容式位移传感器夹座一10、电容式位移传感器夹座二12通过螺钉安装在柔性装置平台2上，金刚石刀具1通过螺钉连接在柔性装置平台2上，柔性装置平台2通过螺钉5与力传感器7固定连接，上盖板9与柔性装置平台2通过紧钉固定连接。
本发明所述柔性装置平台的结构是：呈左右对称分布，其左侧结构是，柔性铰链由R型柔性铰链203，Z型柔性铰链201，直角型并联预紧柔性铰链206，直角型并联预紧柔性铰链204组成，直角型预紧柔性铰链206在压电叠堆预紧螺钉一8前端，电容式位移测量挡板一安装座205上下有直角型并联预紧柔性铰链204，直角型并联预紧柔性铰链204前端有Z型柔性铰链201，刀具安装座202安装在Z型柔性铰链201 前、且刀具安装座202间有R型柔性铰链203；
所述Z型柔性铰链201单个Z型柔性铰链中包含了三个小分支，单个Z型铰链之间两两成平行四边形相互贯通，形成两自由度度封闭系统；
所述直角柔性铰链204单个柔性铰链中包含的四个小分支间成平行四边形排列，也形成单自由度封闭系统。
所述直角型预紧柔性铰链206在压电叠堆预紧螺钉一8的作用下实现压电叠堆一6的预紧，并且直角型并联预紧柔性铰链206具有使压电叠堆稳定固定和受力均匀作用；直角型并联预紧柔性铰链204通过压电叠堆作用下运动，使压电叠堆驱动Z型柔性铰链201沿Z轴方向输出线性位移，当两端驱动力对称变化时，Z型柔性铰链201可产生双向对称；R型柔性铰链203实现金刚石刀具刀位点的定位，R型柔性铰链203在两组并联Z型柔性铰链驱动下，产生的两端驱动力之差，致使金刚石刀具刀位点绕R型柔性铰链发生一定的扭转实现刀尖的旋转。
工作原理：
(1)将工件装夹在机床的主轴上，通过回转光栅采集主轴的瞬态角度，通过主轴的回转来实现工件圆周进给运动；
(2)将本发明装置安装在数控车床的导轨上，给两个压电叠堆一6、压电叠堆二13分别施加控制信号，通过调整压电叠堆一6、压电叠堆二13施加的信号的参数(幅值，频率和相位角)，压电叠堆一6、压电叠堆二13在直角型柔性铰链204下直线运动，通过驱动Z型柔性铰链201双向对称运动两端驱动力对称变化，使金刚石刀具刀尖产生绕着R型柔性铰链203运动，产生理想的旋转轨迹，生成旋转切削的主切削运动；
如图1所示，本发明采用了两个平行放置的压电叠堆进行驱动，压电叠堆的驱动信号需要经过模型转换来实现理想的旋转车削运动轨迹，将金刚石刀具的刀位点看作点T；
两个压电叠堆的驱动信号如下：
其中,A1分别为各个压电叠堆驱动信号的幅值，t是时间变量,ω为压电叠堆驱动信号的频率，φ1,φ2为压电叠堆驱动信号的相位差；
由于平行板移动副采用了对称结构，其输出位移的线性度较好，抵抗非功能方向上外载影响的能力较强，运动平稳，即整体精度较高，保证输出精度，刀具直线进给量严格等于压电叠堆的输出位移，二组平行板移动副在线弹性变形范围内所受外力与变形的关系如下：
F＝KJX(2)
式中：F＝KJX为平行板移动副的刚度，其中e＝t/a；
由于直线驱动机构输出位移△X等于压电叠堆长度总的变化量△L:
其中，单个平行板移动副的刚度为km,压电叠堆原始长度为L,压电叠堆无外载时的名义输出位移为△L0设初始预紧力为F1,则柔性铰链在作用下变形量为X1；压电叠堆在F1作用下被压缩△L1，当给压电叠堆施加电压后，根据压电叠堆出力特性，压电叠堆伸长并出力的最终状态为：柔性铰链受力F2，柔性铰链变形量为X2；压电叠堆所受压力为F2，压电叠堆与原始长度相比伸长△L2；
由公式可知，压电叠堆与柔性铰链在小变形状态下构成线性系统，柔性铰链的输出位移与预紧力大小无关，与柔性铰链的刚度有关，对于不同的柔性铰链，刚度KJ的值越小，输出位移△X越大；
利用Z型柔性导向单元柔性铰链微位移机构特性分析求摆动角度，理想的位移是追求的目标，由于各铰链弹性变形，节点的轴向变形均会造成位移损失，使其实际位移小于理论位移，这种损失也反映了该机构的负载能力，在Z型柔性铰链位移机构中，其由一组对称平行型柔性铰链结构作为导向支撑，单个Z单元由3个直板型柔性铰链在空间串联而成,工作过程中，该机构的运动特征为：在压电叠堆一6和压电叠堆二13联合驱动下，R型柔性铰链限制金刚石刀具沿Z轴进给，由于压电叠堆一6和压电 叠堆二13驱动力不一致，故将诱使运动部件驱动金刚石刀具绕机床轴旋转，现假设该机构柔性铰链为刚体，由于机构的对称性，只对机构左侧进行计算分析其在压电叠堆驱动力的作用下位移与角度的关系；由图5所示利用三角函数关系可计算出刀尖右侧的旋转角度δ：
将公式(4)代入(5)
其中，a为杠杆AB长度，α为AB与AC夹角，AB与BO夹角δ为刀尖右侧旋转角，所以，当刀尖以中心轴线为分界线，刀尖旋转角的范围为(δ,-δ)。
Claims (4)
1.一种振动辅助金刚石刀具旋转车削装置，其特征在于：压电叠堆一、压电叠堆二分别用压电叠堆预紧螺钉一、压电叠堆预紧螺钉二安装在柔性装置平台上，电容式位移测量挡板一和电容式位移测量挡板二分别用螺钉与柔性装置平台连接，电容式位移传感器一、电容式位移传感器二分别安装在电容式位移传感器夹座一、电容式位移传感器夹座二上，电容式位移传感器夹座一、电容式位移传感器夹座二通过螺钉安装在柔性装置平台上，金刚石刀具通过螺钉连接在柔性装置平台上，柔性装置平台通过螺钉与力传感器固定连接，上盖板与柔性装置平台通过紧钉固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种振动辅助金刚石刀具旋转车削装置，其特征在于：所述柔性装置平台的结构是：呈左右对称分布，其左侧结构是，柔性铰链由R型柔性铰链，Z型柔性铰链，直角型并联预紧柔性铰链，直角型并联预紧柔性铰链组成，直角型预紧柔性铰链在压电叠堆预紧螺钉一前端，电容式位移测量挡板一安装座上下有直角型并联预紧柔性铰链，直角型并联预紧柔性铰链前端有Z型柔性铰链，刀具安装座安装在Z型柔性铰链前、且刀具安装座间有R型柔性铰链。
3.根据权利要求2所述的一种振动辅助金刚石刀具旋转车削装置，其特征在于：所述Z型柔性铰链单个Z型柔性铰链中包含了三个小分支，单个Z型铰链之间两两成平行四边形相互贯通，形成两自由度度封闭系统。
4.根据权利要求2所述的一种振动辅助金刚石刀具旋转车削装置，其特征在于：所述直角柔性铰链单个柔性铰链中包含的四个小分支间成平行四边形排列，也形成单自由度封闭系统。
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