CN203437758U - 一种切削装置 - Google Patents

Abstract

一种切削装置，其特征在于：包括有微粒刀、切削工作台、微射流喷头和液压装置；切削工作台与微射流喷头之间做相对直线移动；微粒刀包括有刀本体和刀头，刀头外凸地设置于刀本体的外表面上，刀头的几何尺寸为10nm～1mm，刀本体内设置有配重块；微射流喷头开设有喷射腔，喷射腔的底部设置有喷射口，该喷射口形成环形流，微粒刀被所述环形流所捕获，微粒刀的外径与环形流的内径相适配。本实用新型的优点在于：通过水致（微射流）旋转驱动微粒刀或者固定“钳制”微粒刀进行微切削，微流束及时地带走了切削过程中产生的热量，大大减小了热-力耦合作用产生的不均匀变形场，保证了微切削的质量和工作效率，是一种新型的微切削方式。

Description

一种切削装置

技术领域

本实用新型涉及一种切削装置，特别是一种使用微粒刀进行加工的切削装置。

背景技术

随着社会的发展，工业产品的微型化成为高品质的重要特征，而实现产品微型化转变的关键在于微型零件加工技术水平的提高。

微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式，而且不受加工材料的限制，零件的加工质量(如精度、表面粗糙度等)与其加工机床的性能(如加工精度、动态特性等)密切相关。机床的性能主要与主轴、工作台和控制系统有关，微切削所用刀具的直径非常小，为了提高加工效率，微切削机床主轴的转速非常快。

为满足扭矩要求，传统的微切削装置通常采用电主轴和混合角接触轴承，这种轴承由于摩擦生热造成热膨胀，最高转速一般不超过6万rPmin。当转速更高时，应采用空气轴承，但空气轴承提供的扭矩较小，目前，空气轴承主轴的最高转速可达20万rPmin。为了获得较高的切削速度，主轴的锥度与高速切削刀柄的锥度一致。微切削精密机床的工作台一般是由直线电机驱动的，与普通驱动如滚珠丝杠相比，直线电机驱动系统没有摩擦和电磁耦合产生的累积误差，也没有由于磨损造成的精度损失，不存在间隙，而且能提供较大的加速度，直线电机驱动系统的精度可达±1μm。微切削精密机床的刚度好、振动小，而且大都带有各种传感器和执行器，对周围环境的控制要求较严格，使得加工微小零件的成本较高。

综上所述，目前用于微加工的切削装置不是结构过于复杂，就是生产制造成本过高，而且操作时对环境要求较高，使得装配和调节都不太方便，无法满足大规模生产的要求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种整体结构简单、制造成本低且容易实现操作的切削装置。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种切削装置，其特征在于：该切削装置包括有微粒刀、切削工作台、位于该工作台上方的微射流喷头和为所述微射流喷头提供喷射液体的液压装置；其中，所述切削工作台与所述微射流喷头之间做相对直线移动；所述微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为10nm～1mm，所述刀本体内设置有能使该刀本体上的刀头始终朝下偏转的配重块；所述微射流喷头开设有可与所述液压装置的出液管路相连通的喷射腔，所述喷射腔的底部设置有喷射口，该喷射口形成环形流，所述微粒刀被所述环形流所捕获，并且，所述微粒刀的外径与所述环形流的内径相适配。

作为优选，所述切削工作台可以设置为做直线移动，所述微射流喷头设置为固定不动。

作为另一优选，所述切削工作台可以设置为固定不动，所述微射流喷头则设置为做直线移动。

作为再一优选，所述切削工作台和微射流喷头还可以设置为同时沿相反的方向做直线移动。

为了能够形成稳定的环形流，并同时方便加工和安装，作为优选，所述的微射流喷头包括有喷座和喷嘴，所述喷座开设有沿轴向贯穿的通孔，所述喷嘴连接于所述喷座的底部，所述喷嘴在对应所述通孔的位置开设有多个沿周向呈环形分布的喷射小孔，该多个喷射小孔形成了所述的喷射口。

作为另一种优选方案，本申请的切削装置还可以采用如下结构实现，其特征在于：该切削装置包括有微粒刀、切削工作台、位于该工作台上方的微射流喷头和为所述微射流喷头提供喷射液体的液压装置，其中，所述切削工作台与所述微射流喷头之间做相对直线移动；所述微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为10nm～1mm；所述微射流喷头开设有可与所述液压装置的出液管路相连通的喷射腔，所述喷射腔的底部设置有喷射口，该喷射口形成环形流，所述环形流的内径与所述微粒刀的外径相适配；并且，所述微粒刀的重心线偏离于所述环形流的中心线设置，所述微粒刀和微射流喷头之间满足如下初始条件：

其中，上式中k为作用系数；r为所述微粒刀的重心到微射流在该微粒刀作用点之间的距离；ρ为微射流液体的密度；v₀为微射流在所述微射流喷头的喷射口处的速度；g为重力加速度；h为所述微射流喷头的底部到微射流与所述微粒刀接触点的高度；f为静摩擦系数；m为所述微粒刀的质量；θ为微射流对微粒刀垂直分力的作用点到圆心的连线与微粒刀的垂直方向外径之间的夹角。于是，在微粒刀做旋转运动的情况下，可以同时让工作台相对于微射流喷头做直线运动，从而通过微粒刀旋转实现切削加工。

作为优选，所述切削工作台可以做直线移动，所述微射流喷头固定不动。

作为另一优选，所述切削工作台可以固定不动，所述微射流喷头做直线移动。

作为再一优选，所述切削工作台和微射流喷头还可以设置为同时沿相反的方向做直线移动。

作为优选，所述的微射流喷头包括有喷座和喷嘴，所述喷座开设有沿轴向贯穿的通孔，所述喷嘴连接于所述喷座的底部，所述喷嘴在对应所述通孔的位置开设有多个沿周向呈环形分布的喷射小孔，该多个喷射小孔形成了所述的喷射口。微射流喷头的上述结构一方面方便了加工和安装，另一方面能够使得从喷射口出来的喷射液形成稳定的环形流，保证微粒刀的工作稳定性和加工精度。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：首先，微粒刀刀头上的切削刃极细，达到微米级或纳米级，可以实现纳米级的切削加工；其次，通过水致（微射流）旋转驱动微粒刀或者固定“钳制”微粒刀进行微切削，微粒刀不需要像传统刀具一样安装在机床上靠主轴的旋转驱动，使得切削装置不需要主轴，整体结构更加简单；另外，微流束及时地带走了切削过程中产生的热量，大大减小了热-力耦合作用产生的不均匀变形场，降低了微切削变形区的尺寸效应、不均匀应变、位错等对剪切变形应力和剪切变形等影响，保证了微切削的质量和工作效率，是一种新型的微切削加工方式。

附图说明

图1为本实用新型实施例的微粒刀结构示意图。

图2为图1所示微粒刀的立体剖视图。

图3为采用如图1所示微粒刀的切削装置。

图4为本实用新型实施例的微粒刀受力分析图。

图5为本实用新型实施例的微粒刀在射流作用下的有效作用面积计算图。

图6为本实用新型实施例的切削装置的喷头剖视图。

图7为图6所示喷头的仰视图。

图8为本实用新型实施例采用另一种微粒刀结构的切削装置。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

本实施例涉及一种微切削技术，与普通切削不同，在微切削时，吃刀深度通常为微米级到纳米级，而一般材料的晶粒大小为数微米，这就意味着微切削是在晶粒内部进行的，切削过程是在切削一个一个的晶粒，这势必导致单位面积上的切削应力急剧增大，从而在切削刃的单位面积上产生极大的热量，使刀尖处的温度升高，处于高温、高应力的工作状态。

为了解决上述微切削过程中的问题，如图1～图8所示，本实施例提出了一种新型的切削装置，该切削装置包括有微粒刀、切削工作台3、位于该工作台3上方的微射流喷头4和为微射流喷头4提供喷射液体的液压装置，微射流喷头4开设有喷射腔，喷射腔的顶部设置有入液口，入液口连接液压装置的出液管路，喷射腔的底部设置有喷射口，该喷射口形成环形流，微粒刀1的外径与该环形流的内径相适配；微射流喷头4包括有喷座41和喷嘴42，喷座41开设有沿轴向贯穿的通孔411，喷嘴42连接于喷座41的底部，喷嘴42在对应通孔的位置开设有多个沿周向呈环形分布的喷射小孔421。

本实施例的切削装置是采用微粒刀为刀具进行切削加工，如图1、图2所示，该微粒刀1包括有刀本体11和刀头12，刀头12呈凸尖形状，刀本体11的外表面上可以设置有一个或多个间隔分布的刀头12；刀本体11的几何尺寸一般设置为毫米级或微米级，作为优选，可以选择尺寸范围在20μm～10mm之间，刀头12外凸地设置于刀本体11的外表面上，刀头12的几何尺寸要小于刀本体11的几何尺寸，刀头12的几何尺寸范围在10nm～1mm的微米级或纳米级。本实施例微粒刀的刀本体可以为规则立体几何形状结构，如球形或椭圆形等；本实施例微粒刀的刀本体也可以为不规则的其他立体几何形状，如图8所示刀本体1’即呈非规则的晶体结构。

其中，微粒刀1、微射流喷头4和切削工作台3之间可以有以下几种运动方式：第一种，微射流喷头4为固定设置，微粒刀1固定容置于微射流喷头4内，切削工作台3可相对于微射流喷头4做直线移动；第二种，切削工作台3为固定设置，微粒刀1固定容置于微射流喷头4内，微射流碰头4可相对于切削工作台3做直线移动；第三种，微粒刀1固定容置于微射流喷头4内，微射流喷头4和切削工作台3同时沿相反方向做直线移动；第四种，切削工作台3为固定设置，微粒刀1做旋转运动，微射流喷头4做直线移动；第五种，微粒刀1做旋转运动，微射流喷头4固定设置，切削工作台3可相对于微射流喷头4做直线移动；第六种，微粒刀1做旋转运动，微射流喷头4和切削工作台3同时沿相反方向做直线移动。

当采用上述第一种、第二种和第三种运动方式时，微粒刀的刀本体11内设置有配重块2，该配重块2能使刀本体11上的刀头12始终朝下偏转并与切削加工面相接触，工作时，以液体为介质，微射流喷头的喷嘴形成环形流，该环形流作用于微粒刀的表面，在微粒刀表面产生了向内的水平分力和向下的垂直分力，向内的水平分力对微粒刀具有“钳制”作用，会像镊子一样牢牢地“钳”住位于微射流喷头下方的微粒刀；向下的垂直分力和配重块共同作用于微粒刀，使刀头12始终朝下，当切削工作台与微射流喷头发生相对运动时，可以实现对工件的切削。

当采用上述第四种、第五种和第六种运动方式时，要实现微粒刀在水势阱中的旋转，微粒刀必须受到一个转矩的作用，为此，可以将微粒刀置于待加工材料表面，水射流的对称中心线偏离微粒刀的回转中心，始终保持微粒刀的一部分与射流水束接触、另一部分不接触，我们将接触部分称为作用区，作用区受到水束的压力作用，未接触的区域不受压力作用，压力为零，由于压差的存在，便产生了旋转力矩，使微粒刀具有了旋转的可能性；当微粒刀的重心线与射流中心线重叠，并且射流与微粒刀重心线两侧的接触面积相等时，由于压力对称分布，不会对微粒刀产生净力矩，微粒刀不会在水势阱中发生旋转；当微粒刀重心线与射流中心线不重叠时，即微粒刀的重心线偏离微射流喷头的中心线设置，水势阱中的微粒刀两侧存在压力差，压力差在微粒刀上产生旋转力矩，微粒刀便可以绕其轴线旋转。于是，微粒刀受转矩作用旋转，当微射流喷头同时做水平移动时，微粒刀微粒刀便可以一边移动一边旋转，通过工作台和微射流喷头二者之间的相对运动完成对工件的切削。

具体地，当微粒刀1和切削工作台3采用第四种、第五种和第六种工作方式时，要实现微粒刀的旋转，微粒刀和微射流喷头之间还需要满足如下初始条件：

其中，上式中k为作用系数；r为所述微粒刀的重心到微射流在该微粒刀作用点之间的距离；ρ为微射流液体的密度；v₀为微射流在微射流喷头的喷射口处的速度；g为重力加速度；h为微射流喷头的底部到微射流与微粒刀接触点的高度；f为静摩擦系数；m为微粒刀的质量；θ为微射流对微粒刀垂直分力的作用点到圆心的连线与微粒刀的垂直方向外径之间的夹角。

上述初始条件通过以下力学分析推导获得：设定微粒刀形状为类球体，取微粒刀为研究对象，受力分析如图4所示；

静止时，微粒刀处于平衡状态，由：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{F}_x=0\\ \mathrm{\Σ}{F}_y=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

得：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x-F_f=0\\ F_y+\mathrm{mg}-F_N=0\end{array}---\left(2\right)\right.$

e=rsinθ          (3)

F_f=fF_N          (4)

由动量矩定理：

Jα=F_ye-F_fr-F_xrcosθ          (5)

若微粒刀旋转，则需要α＞0，即：

F_ye-F_fr-F_xrcosθ＞0          (6)

将式(2)、式(3)、式(4)代入式(6)，解得：

$F_y>\frac{F_x\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{fmg}}{\sin \mathrm{\θ}-f}---\left(7\right)$

若F_y存在，则需sinθ-f＞0,即：

f＜sinθ          (8)

微粒刀旋转初始状态时，F_x=0，式(7)化简为：

$F_y>\frac{\mathrm{fmg}}{\sin \mathrm{\θ}-f}---\left(9\right)$

当射流冲击微粒刀时，如图3所示，在微粒刀表面形成的压强为：

$P=\mathrm{\ρg}(\sqrt{\frac{v_0^2}{2g}}+h)---\left(10\right)$

如图5所示，阴影部分为射流对微粒刀的最大作用面积，即1/4球面，图中体现为半圆，此时，作用效果最好。

假设射流对微粒刀的作用面积为S，则：

S=kπr²          (11)

$F_y=\mathrm{PS}=\mathrm{k\π}{r}^2\mathrm{\ρg}(\sqrt{\frac{v_0^2}{2g}}+h)---\left(12\right)$

将式(12)代入式(9)：

${\mathrm{k\πr}}^2\mathrm{\ρ}(\sqrt{\frac{v_0^2}{2g}}+h)>\frac{\mathrm{fm}}{\sin \mathrm{\θ}-f}---\left(13\right)$

式(13)为微粒刀旋转并进行切削加工的初始条件。

其中：π、r、ρ、g、f、m为已知，k、v₀、h、θ为变化的参数。

以下确定k和θ的关系。

当射流冲击微粒刀时，其作用面积(即相互接触面积)的投影为弓形。根据理论力学教材查得其面积S为：

将式(11)和式(14)合并：

整理得：

k和θ是相互关联的变量，与射流、微粒的尺寸、二者之间的相对位置等有关。根据图4，θ的取值范围为：

0≤θ＜90°          (17)

将式(17)代入式(16)，得k的取值范围为：

0＜k≤0.5          (18)

综上所述，微粒刀旋转并进行切削的初始条件为：

以上(1)～(19)式中的符号意义如下：

F_x为液体对微粒刀的水平合力；

F_y为液体对微粒刀的垂直合力；

F_f为微粒刀与待加工表面的摩擦力；

F_N为待加工表面对微粒刀的支持力；

f为静摩擦系数；

r为微粒刀半径；

m为微粒刀质量；

g为重力加速度；

e为F_y作用点到微粒刀圆心的水平距离；

J为微粒刀相对质心的转动惯量；

P为射流对微粒刀表面的压强；

h为喷头底部到射流与微粒刀接触点的高度；

k为作用系数；

S为射流对微粒刀的作用面积；

ρ为射流液体的密度；

θ为F_y作用点与圆心连线与垂直方向的夹角；

α为角加速度；

v₀为射流在喷头出口处的速度。

因此，只要保持旋转力矩的存在，微粒刀便不停地旋转，这样就实现了微粒刀的水致旋转，换句话说，微粒刀的旋转就像风吹动风车转动一样，射流的压力作用在微粒刀上，会产生旋转力矩，从而使微粒刀旋转，类似于现实中风力对风车的作用，微粒刀这个“风车”就可以在水射流产生的“风”的作用下旋转起来了；另外，微粒刀的旋转方向取决于其在水势阱中的初始位置和微粒刀本身的形状（“初始位置”指水势阱成功捕获到微粒刀的瞬间，微粒刀在水势阱中的位置）。

采用水致旋转驱动微粒刀或者水致钳制住微粒刀进行微切削，微流束及时地带走了切削过程中产生的热量，大大减小了热-力耦合作用产生的不均匀变形场，降低了微切削变形区的尺寸效应、不均匀应变、位错等对剪切变形应力和剪切变形能的影响，提高了切削效率和质量。

在实际工作过程中（微粒刀为旋转方式），我们可以选用单晶硅为实验材料，采用如图1、图2所示的呈球形结构的微粒刀1分别进行微米切削和纳米切削实验。由于单晶硅属于脆性材料，根据断裂力学的原理，加工脆性材料时存在着脆塑转变。由于刀尖的切入，待加工表面刀尖处原子的势能被改变，并导致硅原子的动能突然增加，打破了原子的排列，引起局域晶格结构向无序状态的相变，这种无序状态位于刀尖前部的下面，随着切削方向发展，之后在前部形成气穴，这一过程是靠刀尖处高应变能提供的能量驱动的。当应变能转变为动能时，空穴扩展，最后发展成清晰的裂纹。空气与晶体的化学反应能又增加了原子的动能，原子运动加剧，拉长了原子间的距离，使裂纹扩展，材料发生剥离，形成切屑，完成切削加工。

Claims (10)

1.一种切削装置，其特征在于：该切削装置包括有微粒刀、切削工作台、位于该工作台上方的微射流喷头和为所述微射流喷头提供喷射液体的液压装置；其中，所述切削工作台与所述微射流喷头之间做相对直线移动；所述微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为10nm～1mm，所述刀本体内设置有能使该刀本体上的刀头始终朝下偏转的配重块；所述微射流喷头开设有可与所述液压装置的出液管路相连通的喷射腔，所述喷射腔的底部设置有喷射口，该喷射口形成环形流，所述微粒刀被所述环形流所捕获，并且，所述微粒刀的外径与所述环形流的内径相适配。 

2.根据权利要求1所述的切削装置，其特征在于：所述切削工作台做直线移动，所述微射流喷头固定不动。 

3.根据权利要求1所述的切削装置，其特征在于：所述切削工作台固定不动，所述微射流喷头做直线移动。 

4.根据权利要求1所述的切削装置，其特征在于：所述切削工作台和微射流喷头同时沿相反方向做直线移动。 

5.根据权利要求1或2或3或4所述的切削装置，其特征在于：所述的微射流喷头包括有喷座和喷嘴，所述喷座开设有沿轴向贯穿的通孔，所述喷嘴连接于所述喷座的底部，所述喷嘴在对应所述通孔的位置开设有多个沿周向呈环形分布的喷射小孔，该多个喷射小孔形成了所述的喷射口。 

6.一种切削装置，其特征在于：该切削装置包括有微粒刀、切削工作台、位于该工作台上方的微射流喷头和为所述微射流喷头提供喷射液体的液压装置，其中，所述切削工作台与所述微射流喷头之间做相对直线移动；所述微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为10nm～1mm；所述微射流喷头开设有可与所述液压装置的出液管路相连通的喷射腔，所述喷射腔的底部设置有喷射口，该喷射口形成环形流，所述环形流的内径与所述微粒刀的外径相适配；并且，所述微粒刀的重心线偏离于所述环形流的中心线设置，所述微粒刀和微射流喷头之间满足如下初始条件： 

其中，上式中k为作用系数；r为所述微粒刀的重心到微射流在该微粒刀作用点之间的距离；ρ为微射流液体的密度；v₀为微射流在所述微射流喷头的喷射口处的速度；g为重力加速度；h为所述微射流喷头的底部到微射流与所述微粒刀接触点的高度；f为静摩擦系数；m为所述微粒刀的质量；θ为微射流对微粒刀垂直分力的作用点到圆心的连线与微粒刀的垂直方向外径之间的夹角。 

7.根据权利要求6所述的切削装置，其特征在于：所述切削工作台做直线移动，所述微射流喷头固定不动。 

8.根据权利要求6所述的切削装置，其特征在于：所述切削工作台固定不动，所述微射流喷头做直线移动。 

9.根据权利要求6所述的切削装置，其特征在于：所述切削工作台和所述微射流喷头同时沿相反方向做直线移动。 

10.根据权利要求6或7或8或9所述的切削装置，其特征在于：所述的微射流喷头包括有喷座和喷嘴，所述喷座开设有沿轴向贯穿的通孔，所述喷嘴连接于所述喷座的底部，所述喷嘴在对应所述通孔的位置开设有多个沿周向呈环形分布的喷射小孔，该多个喷射小孔形成了所述的喷射口。 

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