CN109550982A - 空间曲梁的三维椭圆振动切削装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及难加工材料切削和超精密切削加工技术领域，具体公开了一种空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，包括基体、背板、曲梁柔顺单元、微动平台、夹具、第一压电陶瓷促进器、第二压电陶瓷促进器、第三压电陶瓷促进器和底座，微动平台通过四个曲梁柔顺单元与基体连接，夹具设在微动平台的正面上，背板设在基体的背面，基体和背板均设在底座上，第一压电陶瓷促进器竖直布置，其螺纹端与基体连接，其球头端与微动平台连接，第二压电陶瓷促进器水平布置，其螺纹端与基体连接，其球头端与微动平台连接，第三压电陶瓷促进器水平布置，其螺纹端与背板连接，其球头端与微动平台连接。本发明解决了现有技术中椭圆振动切削装置存在的问题。
Description
技术领域
本发明涉及难加工材料切削和超精密切削加工技术领域，尤其涉及一种空间曲梁的三维椭圆振动切削装置。
背景技术
随着科技水平的飞速发展，诸如硬化钢、碳化硅等难加工材料越来越备受关注。然而，传统方式的切削对上述材料的加工性能较差，切削过程中会导致严重的金刚石刀具磨损、加工表面质量恶化和加工精度降低。为了解决上述问题，使精密加工更多的应用于军事、航空航天工业和民用工业中，学术研究者提出了一系列解决方案，例如：低温切削、碳饱和切削以及椭圆振动切削等。其中，椭圆振动切削是最有效的切削方法，它具有减少切削热、切削力、抑制加工毛刺、延长刀具使用寿命、改善表面加工质量和加工精度等诸多优点。实验经验证明：利用椭圆振动切削加工的工件，加工表面粗糙度更低，切屑更完整。
目前的椭圆振动切削装置主要有共振型和非共振型两种，共振型椭圆振动切削装置主要缺点有：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，容易产生串扰；刀杆的固有振型固定是可调整的，对于不同材料的加工需求难以适应；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。非共振型三维振动切削装置的主要缺点有：压电陶瓷器辅助切削装置上的位置固定，因此形成椭圆运动轨迹所在的平面不可根据需要进行调整；装置的振动靠多个运动副协同实现，需要装配且对各件有较高的精度要求；体积较大，加工费时费料，安装困难；实际切削时的椭圆运动轨迹受到各种因素的影响，在开环控制下不可避免地会产生变形或者失真；设计出来的装置大多数采用直梁柔顺单元，导致一阶固有频率过低，施加驱动信号的频率范围小。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，以提高结构的动态特性，使驱动信号的频率范围增大，有利于三维椭圆轨迹的形成，不仅可以实现三个方向的移动，而且刀具沿三个方向的运动无任何耦合现象。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，包括基体、背板、曲梁柔顺单元、微动平台、夹具、第一压电陶瓷促进器、第二压电陶瓷促进器、第三压电陶瓷促进器和底座，所述基体为矩形框体，所述微动平台通过四个曲梁柔顺单元与所述基体连接且位于所述基体的中心位置，所述夹具设在所述微动平台的正面上，所述夹具用于安装车刀，所述背板设在所述基体的背面，所述基体和背板均设在所述底座上，所述底座用于连接机床，所述第一压电陶瓷促进器竖直布置，其螺纹端与所述基体连接，其球头端与所述微动平台连接，所述第二压电陶瓷促进器水平布置，其螺纹端与所述基体连接，其球头端与所述微动平台连接，所述第三压电陶瓷促进器水平布置，其螺纹端与所述背板连接，其球头端与所述微动平台连接。
优选的，所述曲梁柔顺单元的外形为四分之一圆的圆弧状。
优选的，四个曲梁柔顺单元形成两个开口方向相反且左右对称的半圆弧状。
优选的，所述基体的截面为矩形。
优选的，所述曲梁柔顺单元的截面为矩形。
优选的，所述基体、曲梁柔顺单元和微动平台采用一体化加工进行连接。
优选的，还包括顶盖，所述顶盖通过螺钉分别与所述基体和背板的上端连接。
优选的，所述微动平台设有与所述夹具对应的凹槽，所述夹具设在所述微动平台的凹槽中，所述微动平台还设有夹板，所述夹板通过螺钉与所述微动平台连接，用于将所述夹具夹紧在所述微动平台上。
优选的，还包括连接板和连接块，所述连接板为凸型结构，所述连接块为长方体，所述连接板的中部通过螺钉穿过所述连接块分别与所述基体和背板的下端连接，所述连接板的两边通过螺钉与所述底座连接。
优选的，所述第一压电陶瓷促进器和第二压电陶瓷促进器的螺纹端均通过预紧螺栓与所述基体连接，所述第三压电陶瓷促进器的螺纹端通过预紧螺栓与所述背板连接。
本发明的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置采用曲梁柔顺单元可以增大一阶固有频率，提高结构的动态特性，使驱动信号的频率范围增大，有利于三维椭圆轨迹的形成，采用圆弧曲梁柔顺单元组装，相互对称且位于同于平面，不仅可以实现三个方向的移动，而且刀具沿三个方向的运动无任何耦合现象，X、Y、Z三个方向的压电陶瓷促进器的预紧过程互不干扰，预紧简单可靠，利用压电陶瓷促进器直接驱动平台，使三维椭圆振动切削运动中的频率、幅值、相位等参数可依据情况进行调整，振动部件采用一体化加工，无需装配定位，无摩擦损失，同时，零件数量少，加工简单，装置安装方便。
附图说明
图1为本发明实施例的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置的基体及相关部件的局部结构示意图；
图3为本发明实施例的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置的背板及相关部件的局部结构示意图。
图中，1：底座；2：连接板；3：连接块；4：背板；5：顶盖；6：基体；7：夹具；8a：曲梁柔顺单元；8b：曲梁柔顺单元；8c：曲梁柔顺单元；8d：曲梁柔顺单元；9：微动平台；10：夹板；11a：第一压电陶瓷促进器；11b：第二压电陶瓷促进器；11c：第三压电陶瓷促进器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语″中心″、″纵向″、″横向″、″上″、″下″、″前″、″后″、″左″、″右″、″竖直″、″水平″、″顶″、″底″、″内″、″外″等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语″第一″、″第二″仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″相连″、″连接″应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，″多个″的含义是两个或两个以上。
如图1-3所示，本实施例的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置包括：基体6、背板4、曲梁柔顺单元、微动平台9、夹具7、第一压电陶瓷促进器11a、第二压电陶瓷促进器11b、第三压电陶瓷促进器11c和底座1，基体6为矩形框体，微动平台9通过四个曲梁柔顺单元与基体6连接且位于基体6的中心位置，夹具7设在微动平台9的正面(前侧)上，夹具7用于安装车刀，背板4设在基体6的背面(后侧)，基体6和背板4均设在底座1上，底座1用于连接机床，第一压电陶瓷促进器11a竖直布置，其螺纹端与基体6连接，其球头端与微动平台9连接，第二压电陶瓷促进器11b水平布置，其螺纹端与基体6连接，其球头端与微动平台9连接，第三压电陶瓷促进器11c水平布置，其螺纹端与背板4连接，其球头端与微动平台9连接。
曲梁柔顺单元的外形为四分之一圆的圆弧状。四个曲梁柔顺单元位于同一平面内形成两个开口方向相反且左右对称的半圆弧状，具体可以如图2所示，曲梁柔顺单元8c和曲梁柔顺单元8d形成左侧的半圆弧，曲梁柔顺单元8b和曲梁柔顺单元8a形成右侧的半圆弧。基体6的截面为矩形，微动平台9可以实现空间内X方向、Y方向、Z方向三个方向的平动。曲梁柔顺单元的截面为矩形，如扁长方形。基体6、曲梁柔顺单元和微动平台9采用一体化加工进行连接，基体6、曲梁柔顺单元和微动平台9组成了振动部件。
微动平台9设有与夹具7对应的凹槽，夹具7设在微动平台9的凹槽中，微动平台9还设有夹板10，夹板10通过螺钉与微动平台9连接，用于将夹具7夹紧在微动平台9上，具体可以为夹板10通过两个螺钉与微动平台9的上端连接。
本实施例的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置还可以包括顶盖5、连接板2和连接块3，顶盖5通过螺钉分别与基体6和背板4的上端连接，具体可以为通过四个螺钉将基体6余背板4固定，连接板2为凸型结构，连接块3为长方体，连接板2的中部通过螺钉穿过连接块3分别与基体6和背板4的下端连接，具体可以为通过四个螺钉穿过连接块3与机体6和背板4连接，连接板2的两边通过螺钉与底座1连接，具体可以为两边各通过两个螺钉与底座连接。
如图2所示，第一压电陶瓷促进器11a的螺纹端通过预紧螺栓与机体6的上边框连接，其球头端与微动平台9的上端面接触连接，第二压电陶瓷促进器11b的螺纹端均通过预紧螺栓与基体6的左边框连接，其球头端与微动平台9的左侧面接触连接，如图3所示，第三压电陶瓷促进器11c的螺纹端通过预紧螺栓与背板4的正面连接，其球头端与微动平台9的背面接触连接。
本实施例的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置的工作原理为：空间曲梁的三维椭圆振动切削装置替代车床刀架，在夹具7上安装好车刀并固定，工件安装在车床主轴上做匀速旋转运动，刀具沿车床Z轴做进给运动，压电陶瓷促进器11a、压电陶瓷促进器11b、压电陶瓷促进器11c分别输出三个方向的位移；将车刀安装在空间曲梁的三维椭圆振动切削装置上，三个压电陶瓷促进器的促进作用使刀尖的运行轨迹形成一个三维椭圆。
压电陶瓷促进器的驱动信号表示为：
ux(t)＝vxcos(2πft+α)
uy(t)＝vycos(2πft+β)
uz(t)＝vzcos(2πft+γ)
其中，vx，vy，vz分别是驱动信号ux(t)，uy(t)，uz(t)的幅值；α，β，γ分别是驱动信号的初相位；f是驱动信号的频率。
在三个压电陶瓷促进器的直接驱动下，工件与刀尖接触点的位移输出在笛卡尔坐标系中可表示为：
x(t)＝Axcos(2πft+λ)
y(t)＝Aycos(2πft+ω)
z(t)＝Azcos(2πft+θ)
其中，Ax，Ay，Az分别是驱动信号x(t)，y(t)，z(t)的幅值；λ，ω，θ分别是驱动信号的初相位；f是驱动信号的频率。
通过同时调整三个压电陶瓷促进器的驱动信号，可以使刀尖运动轨迹合成一个三维椭圆。
本发明的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置采用曲梁柔顺单元可以增大一阶固有频率，提高结构的动态特性，使驱动信号的频率范围增大，有利于三维椭圆轨迹的形成，采用圆弧曲梁柔顺单元组装，相互对称且位于同于平面，不仅可以实现三个方向的移动，而且刀具沿三个方向的运动无任何耦合现象，X、Y、Z三个方向的压电陶瓷促进器的预紧过程互不干扰，预紧简单可靠，利用压电陶瓷促进器直接驱动平台，使三维椭圆振动切削运动中的频率、幅值、相位等参数可依据情况进行调整，振动部件采用一体化加工，无需装配定位，无摩擦损失，同时，零件数量少，加工简单，装置安装方便。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，其特征在于，包括基体、背板、曲梁柔顺单元、微动平台、夹具、第一压电陶瓷促进器、第二压电陶瓷促进器、第三压电陶瓷促进器和底座，所述基体为矩形框体，所述微动平台通过四个曲梁柔顺单元与所述基体连接且位于所述基体的中心位置，所述夹具设在所述微动平台的正面上，所述夹具用于安装车刀，所述背板设在所述基体的背面，所述基体和背板均设在所述底座上，所述底座用于连接机床，所述第一压电陶瓷促进器竖直布置，其螺纹端与所述基体连接，其球头端与所述微动平台连接，所述第二压电陶瓷促进器水平布置，其螺纹端与所述基体连接，其球头端与所述微动平台连接，所述第三压电陶瓷促进器水平布置，其螺纹端与所述背板连接，其球头端与所述微动平台连接。
2.根据权利要求1所述的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，其特征在于，所述曲梁柔顺单元的外形为四分之一圆的圆弧状。
3.根据权利要求2所述的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，其特征在于，四个曲梁柔顺单元形成两个开口方向相反且左右对称的半圆弧状。
4.根据权利要求1所述的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，其特征在于，所述基体的截面为矩形。
5.根据权利要求1所述的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，其特征在于，所述曲梁柔顺单元的截面为矩形。
6.根据权利要求1所述的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，其特征在于，所述基体、曲梁柔顺单元和微动平台采用一体化加工进行连接。
7.根据权利要求1所述的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，其特征在于，还包括顶盖，所述顶盖通过螺钉分别与所述基体和背板的上端连接。
8.根据权利要求1所述的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，其特征在于，所述微动平台设有与所述夹具对应的凹槽，所述夹具设在所述微动平台的凹槽中，所述微动平台还设有夹板，所述夹板通过螺钉与所述微动平台连接，用于将所述夹具夹紧在所述微动平台上。
9.根据权利要求1所述的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，其特征在于，还包括连接板和连接块，所述连接板为凸型结构，所述连接块为长方体，所述连接板的中部通过螺钉穿过所述连接块分别与所述基体和背板的下端连接，所述连接板的两边通过螺钉与所述底座连接。
10.根据权利要求1所述的空间曲梁的三维椭圆振动切削装置，其特征在于，所述第一压电陶瓷促进器和第二压电陶瓷促进器的螺纹端均通过预紧螺栓与所述基体连接，所述第三压电陶瓷促进器的螺纹端通过预紧螺栓与所述背板连接。
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