CN208961136U - 一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置，属于超精密切削和难加工材料切削技术领域。主要由金刚石刀具（1），柔性铰链（2），力传感器（3），位移传感器（5、11），压电叠堆（6、10），位移传感器支座（13），位移测量挡板（4、12）以及压电叠堆预紧螺钉（7、8），柔性铰链预紧螺钉（9），若干预紧螺钉（14）组成。压电叠堆（6、10）分别由压电叠堆预紧螺钉安装在柔性铰链（2）上；位移传感器（5、11）由预紧螺钉安装在位移传感器支座（13）上；位移测量挡板（4、12）分别通过孔（204，206）安装在柔性铰链（2）上。
Description
技术领域
本发明属于超精密车削加工以及难加工材料复杂光学零件车削加工技术领域，特别涉及一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置。
背景技术
近年来，随着科技的快速发展，脆性，高硬度等铁素类材料在精密加工和高速切削中有广泛的应用。但是这些材料由于硬度高，脆性强，在切削过程中会导致严重的刀具磨损，影响加工表面质量并降低加工精度。椭圆振动切削（Elliptical Vibration Cutting，EVC）自1995年提出以来，被认为是具有极大发展潜力的超精密切削方法。其特有的间歇性切削和摩擦力逆转特征能够很大程度上抑制金刚石刀具磨损、延长刀具寿命、降低切削力、减少切削热以及提高工件表面质量。但是在椭圆振动切削技术快速发展的同时，也遇到了技术障碍。由于刀具轨迹间的残留高度无法消除，限制了EVC加工精度的进一步提高，尽管通过提高切削加工频率能够缓解这种局限性, 但是较高的振动频率会导致压电叠堆的迟滞效应，进而增加椭圆振动切削的控制精度。为此，针对椭圆振动切削过程中残留高度的消除需要进一步研究。
目前，为进一步消除椭圆振动切削过程中的残余高度、提高加工精度、降低刀具磨损，国内外对于发展新的切削技术进行了相关研究，如三维椭圆振动切削技术、超精密飞切技术和快、慢刀伺服切削等。虽然这些技术能够一定程度上提高加工精度，但是其切削效率较低，较长的加工周期导致加工成本较高。振动辅助摆动切削是根据椭圆振动切削装置改进而来的，具有拟间歇性切削的优点。切削过程主要是通过对切削过程中的刀具施加摆动运动，使切削过程中刀具沿刀尖圆弧中心点以一定的弧度进行往复运动，进而对工件材料进行切削。因此，该技术被认为是切削硬脆性材料最有效的加工方法之一。新加坡学者针对EVC切削过程中的残余高度的消除首次提出了振动摆动切削技术，结合椭圆振动切削装置设计了振动辅助摆动切削装置，该装置通过刀具的摆动，切削点相对于刀具边缘会不断变化，避免了EVC中残余高度的产生，但是该装置需要在高频下加工，由于频率越高，也带了附生运动，导致控制难度加大。另外，振动辅助摆动切削克服了椭圆振动切削加工中存在的相邻周期之间的振痕。但另一方面，现有的振动辅助摆动切削装置由于其压电叠堆位置的局限性，生成的摆动切削轨迹只能在摆动装置的一侧，且刀具的频率，振幅等参数调整范围有限，对于加工机床的要求比较高，不具有普遍性。
基于以上分析，研究并提出一种平行的压电叠堆驱动金刚石刀具的振动辅助摆动切削装置，通过两个压电叠堆的驱动力之差使金刚石刀具绕刀尖圆弧半径摆动，使其具有拟间歇振动旋转切削运动轨迹的空间变换特征，能够消除EVC过程中存在的周期间残留高度，刀具轨迹对于曲面的加工适应性更强，对于提高加工工件表面质量、延长刀具寿命以及扩展金刚石刀具可切削材料的范围具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种平行的压电叠堆驱动金刚石刀具的振动辅助摆动切削装置，从而实现难加工材料高精度的超精密切削加工。
本发明采用的技术方案是：
（1）一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置，主要由金刚石刀具1，柔性铰链2，力传感器3，位移传感器5、11，压电叠堆6、10，位移传感器支座13，位移测量挡板4、12以及压电叠堆预紧螺钉7、8，柔性铰链预紧螺钉9，若干预紧螺钉14组成；
（2）本发明柔性装置的压电叠堆6、10分别由压电叠堆预紧螺钉安装在柔性铰链2上；位移传感器5、11由预紧螺钉安装在位移传感器支座13上；位移测量挡板4、12分别通过孔204，206安装在柔性铰链2上；金刚石刀具1由预紧螺钉安装在柔性铰链2的螺纹孔上；柔性装置的柔性铰链2由柔性铰链预紧螺钉固定在力传感器3上；力传感器3固定在车床上；
（3）本发明的柔性铰链由线切割一次加工成型；
（4）本发明的柔性铰链，具体分为柔性铰链区2001、2002、2003、压电叠堆安装区2004、2005等。
本发明具有如下明显的优点：
1）本发明通过刀具的摆动，切削点将沿着刀具相对地恒定变化，切削力在旋转过程中能够在上个分量上均匀化一些，使得总切削力减小提高了刀具寿命，同时拟间歇摆动可以带走一部分切削热，利于刀具散热，避免切削过程中的局部高温；
2）本发明装置运行过程中，刀具与工件的接触点周期性变化，每一周期内刀具能够在旋转时将切削液带入切削区域，实现高效润滑；
3）本发明装置通过信号发生器（或PMAC）产生两个具有不同相位的正弦信号，经功率放大器驱动压电叠堆产生压电效应（相应的正弦信号位移），驱动压电叠堆前面的柔性铰链产生位移进而使刀架产生摆动振动轨迹，具有不同相位的正弦信号如下：
其中, 分别为两个压电叠堆驱动信号的幅值，是时间变量, 为压电叠堆驱动信号的频率，为压电叠堆驱动信号的相位差；
4)本发明摆动切削装置中两个压电叠堆6,10以平行放置方式来驱动柔性铰链2，相互之间不存在耦合，能够实现柔性装置较高的控制精度。
附图说明
图1是一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置轴侧图1；
图2是一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置轴侧图2；
图3是一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置的柔性装置平台轴侧图1；
图4是一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置的柔性装置平台轴侧图2；
图5是一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置闭环控制系统图；
附图标记说明：
1-金刚石刀具；2-柔性铰链；3-力传感器；4，12-位移测量挡板; 5，11-电容式位移传感器；6，10-压电叠堆；7，8-压电叠堆预紧螺钉；9-柔性铰链预紧螺钉，14若干预紧螺钉。
具体实施方式
一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置，其特征是包括金刚石刀具1，柔性铰链2，力传感器3，位移传感器5、11，压电叠堆6、10，位移传感器支座13，位移测量挡板4、12以及压电叠堆预紧螺钉7、8，柔性铰链预紧螺钉9，若干预紧螺钉14组成；
本发明柔性装置的压电叠堆6、10分别由压电叠堆预紧螺钉安装在柔性铰链2上；位移传感器5、11由预紧螺钉安装在位移传感器支座13上；位移测量挡板4、12分别通过孔204，206安装在柔性铰链2上；金刚石刀具1由预紧螺钉安装在柔性铰链2的螺纹孔上；柔性装置的柔性铰链2由柔性铰链预紧螺钉固定在力传感器3上；力传感器3固定在车床上；
本装置所述柔性铰链2的单个铰链全部为矩形型铰链，且铰链间均称直线型排列，电容式位移传感器5，11分别通过检测位移测量挡板4，2的位移来形成压电叠堆的闭环控制；
本发明装置通过信号发生器（或PMAC）产生正弦信号，经功率放大器驱动压电叠堆产生压电效应（相应的正弦信号位移），驱动压电叠堆前面的柔性铰链产生位移进而使刀架产生摆动振动轨迹；
本发明摆动切削装置中两个压电叠堆6,10以平行方式放置来驱动柔性铰链2，相互之间不存在耦合，能够实现柔性装置较高的控制精度。
本发明所述的装置具体的工作原理如下：
将柔性铰链2通过力传感器3上的螺孔固定在机床导轨上，调整刀架的位置，将刀具放在刀架上，同时工件安装在机床主轴上；
启动车床，主轴带动工件旋转，通过信号发生器产生正弦信号，经功率放大器驱动压电叠堆产生压电效应，驱动压电叠堆前面的柔性铰链产生位移进而使刀具沿刀具圆弧中心产生高频往复摆动切削；
由电容式位移传感器，检测振动摆动切削装置上的位移测量挡板的位移，将采集到的数据反馈到控制器上，通过补偿来修正实际输出位移；
利用电容式位移传感器检测各轴的位移信号，并将其传至PMAC控制器，经功率放大器放大，传送到计算机上，显示其位移情况。
Claims (2)
1.一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置，主要由金刚石刀具（1），柔性铰链（2），力传感器（3），位移传感器（5、11），压电叠堆（6、10），位移传感器支座（13），位移测量挡板（4、12）以及压电叠堆预紧螺钉（7、8），柔性铰链预紧螺钉（9），若干预紧螺钉（14）组成；压电叠堆（6、10）分别由压电叠堆预紧螺钉安装在柔性铰链（2）上；位移传感器（5、11）由预紧螺钉安装在位移传感器支座（13）上；位移测量挡板（4、12）分别通过孔（204，206）安装在柔性铰链（2）上；金刚石刀具（1）由预紧螺钉安装在柔性铰链（2）的螺纹孔上；柔性铰链（2）由柔性铰链预紧螺钉固定在力传感器（3）上；力传感器（3）固定在车床。
2.根据权利要求1所述的一种压电叠堆平行的振动辅助摆动切削装置，其特征在于：柔性铰链由线切割一次加工成型。
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