本發(fā)明屬于超精密切削及難加工材料復(fù)雜光學(xué)零件加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種振動(dòng)輔助金剛石刀具振動(dòng)旋轉(zhuǎn)車削裝置及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，有復(fù)雜幾何特征的精密和超精密零件不僅在軍事、航空航天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，而且在越來越多的民用工業(yè)中也有著日益廣泛的應(yīng)有需求。金剛石切削是一種創(chuàng)成復(fù)雜幾何精密或超精密零件的重要加工方法，但金剛石可切削的材料范圍卻十分受限制，對于硬化鋼等黑色金屬材料和碳化硅等硬脆材料，其切削加工性較差，切削過程中往往導(dǎo)致嚴(yán)重的刀具磨損、加工表面惡化和加工精度降低。為了擴(kuò)展金剛石刀具可切削材料的范圍，近年來提出了一些先進(jìn)的切削方法，例如振動(dòng)切削、碳飽和切削及低溫切削等。迄今為止的研究表明：振動(dòng)切削是最有發(fā)展前途的一種切削方法，具有減少切削力、減少切削熱、抑制刀具磨損、改善加工表面質(zhì)量等諸多優(yōu)點(diǎn)。

振動(dòng)切削方法通過在常規(guī)的切削刀具上附加小幅高頻振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。目前振動(dòng)切削發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段；第一，一維振動(dòng)切削于1966年成功應(yīng)用在難加工材料的切削而受到全世界學(xué)者的廣泛關(guān)注；第二，二維振動(dòng)切削在1993年被日本名古屋大學(xué)的社本英二教授等人首次提出；第三，3devc是在evc的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，吸取了evc所具有的的優(yōu)點(diǎn)，但以橢圓振動(dòng)切削為主體的振動(dòng)切削從日本宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授最初提出振動(dòng)切削理論到目前日本名古屋大學(xué)shamoto發(fā)展的三維橢圓振動(dòng)切削，很多學(xué)者對振動(dòng)切削進(jìn)行了有益的探討和研究，目前國外對振動(dòng)切削問題的研究主要有日本的神戶大學(xué)和名古屋大學(xué)，德國的bremen大學(xué)，美國northcarolina大學(xué)和西北大學(xué)，新加坡國立大學(xué)等；國內(nèi)振動(dòng)切削問題的研究主要集中在吉林大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，香港理工大學(xué)，廈門大學(xué)等幾所高校。

基于振動(dòng)切削裝置的研究主要分壓電片換能器超聲振動(dòng)型裝置和壓電驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈非共振型裝置。前者屬于共振型裝置，其主要特點(diǎn)是在加工的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)較高的頻率，但是共振型裝置也存在一些內(nèi)在的缺陷，例如在加工過程中需要根據(jù)裝置本身的固有頻率實(shí)現(xiàn)共振進(jìn)行切削加工，這樣一來，加工的頻率就不可調(diào)整，同時(shí)各階振型之間容易產(chǎn)生耦合，控制難度大；后者屬于非共振型裝置，其主要特點(diǎn)是可以主動(dòng)調(diào)整金剛石刀尖的運(yùn)動(dòng)頻率與幅值等參數(shù)，對于不同材料和表面的加工有較強(qiáng)的適應(yīng)性。所以在裝置的設(shè)計(jì)方面，非共振型裝置逐漸受到研究人員的關(guān)注。在振動(dòng)切削應(yīng)用中，切削的過程中存在間歇切削特性和摩擦力逆轉(zhuǎn)特性，很大程度上延長了刀具壽命，減小了切削力，是目前最具潛力的一種機(jī)械加工方式。其目前還是存在著一些問題，第一：振動(dòng)輔助切削加工過程中存在著周期間殘留高度，第二：振動(dòng)輔助切削相鄰周期之間的振痕無法消除，限制了振動(dòng)輔助切削加工質(zhì)量的進(jìn)一步提高等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種振動(dòng)輔助金剛石刀具旋轉(zhuǎn)車削裝置，從而實(shí)現(xiàn)難加工材料高精度的超精密切削加工。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：壓電疊堆一、壓電疊堆二分別用壓電疊堆預(yù)緊螺釘一、壓電疊堆預(yù)緊螺釘二安裝在柔性裝置平臺(tái)上，電容式位移測量擋板一和電容式位移測量擋板二分別用螺釘與柔性裝置平臺(tái)連接，電容式位移傳感器一、電容式位移傳感器二分別安裝在電容式位移傳感器夾座一、電容式位移傳感器夾座二上，電容式位移傳感器夾座一、電容式位移傳感器夾座二通過螺釘安裝在柔性裝置平臺(tái)上，金剛石刀具通過螺釘連接在柔性裝置平臺(tái)上，柔性裝置平臺(tái)通過螺釘與力傳感器固定連接，上蓋板與柔性裝置平臺(tái)通過緊釘固定連接。

本發(fā)明所述柔性裝置平臺(tái)的結(jié)構(gòu)是：呈左右對稱分布，其左側(cè)結(jié)構(gòu)是，柔性鉸鏈由r型柔性鉸鏈，z型柔性鉸鏈，直角型并聯(lián)預(yù)緊柔性鉸鏈，直角型并聯(lián)預(yù)緊柔性鉸鏈組成，直角型預(yù)緊柔性鉸鏈在壓電疊堆預(yù)緊螺釘一前端，電容式位移測量擋板一安裝座上下有直角型并聯(lián)預(yù)緊柔性鉸鏈，直角型并聯(lián)預(yù)緊柔性鉸鏈前端有z型柔性鉸鏈，刀具安裝座安裝在z型柔性鉸鏈前、且刀具安裝座間有r型柔性鉸鏈；

所述z型柔性鉸鏈單個(gè)z型柔性鉸鏈中包含了三個(gè)小分支，單個(gè)z型鉸鏈之間兩兩成平行四邊形相互貫通，形成兩自由度度封閉系統(tǒng)；

所述直角柔性鉸鏈單個(gè)柔性鉸鏈中包含的四個(gè)小分支間成平行四邊形排列，也形成單自由度封閉系統(tǒng)。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)新穎，易于制造，很大程度上減少裝配帶來的誤差，兩并聯(lián)直角型柔性鉸鏈由壓電疊堆一、壓電疊堆二直接驅(qū)動(dòng)，柔性鉸鏈作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，柔性裝置體積小，質(zhì)量輕，易于實(shí)現(xiàn)柔性裝置的高頻加工，同時(shí)，利用非共振型裝置，對于不同材料和表面的加工有較強(qiáng)的適應(yīng)性；通過旋轉(zhuǎn)裝置使金剛石刀具刀尖繞刀尖圓弧中心往復(fù)旋轉(zhuǎn)，刀具參與切削的圓弧隨著刀具的旋轉(zhuǎn)而改變，由于刀具與工件在切削過程中始終接觸，消除了橢圓振動(dòng)切削加工過程中存在的周期間殘留高度，有效的提高了工件加工質(zhì)量，延長刀具壽命以及擴(kuò)展金剛石刀具切削材料的范圍；本發(fā)明通過刀具的旋轉(zhuǎn)，切削點(diǎn)將沿著刀沿相對地恒定變化，減小了切削過程中的切削力，提高了刀具壽命，同時(shí)對于某一切削點(diǎn)的切削時(shí)間變得非常短，并且此時(shí)的溫度升高將顯著降低；本發(fā)明刀具可以在其旋轉(zhuǎn)時(shí)良好地潤滑，潤滑劑可以容易穿透刀具和工件接觸區(qū)域，同時(shí)z向的一組壓電疊堆，由沿各自軸線方向的預(yù)緊螺栓進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊過程皆相互獨(dú)立，簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明采用z型柔性鉸鏈，z型柔性鉸鏈優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)新穎、柔性好,四個(gè)z型單元柔性鉸鏈中心對稱分布,易于控制微位移運(yùn)動(dòng)的精度,易于控制其r型柔性鉸鏈空間中的旋轉(zhuǎn)軌跡；本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)柔性裝置中兩個(gè)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)相互平行，分別驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的柔性鉸鏈，相互之間不存在耦合，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性裝置較高的控制精度，同時(shí)旋轉(zhuǎn)角度可以由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)信號(hào)的參數(shù)來調(diào)整。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的正面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的后面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明柔性裝置平臺(tái)的前軸側(cè)圖；

圖4是本發(fā)明柔性裝置平臺(tái)的后軸側(cè)圖；

圖5本發(fā)明刀具頭運(yùn)動(dòng)軌跡生成圖。

具體實(shí)施方式

壓電疊堆一6、壓電疊堆二13分別用壓電疊堆預(yù)緊螺釘一8、壓電疊堆預(yù)緊螺釘二11安裝在柔性裝置平臺(tái)2上，電容式位移測量擋板一3和電容式位移測量擋板二15分別用螺釘與柔性裝置平臺(tái)2連接，電容式位移傳感器一4、電容式位移傳感器二14分別安裝在電容式位移傳感器夾座一10、電容式位移傳感器夾座二12上，電容式位移傳感器夾座一10、電容式位移傳感器夾座二12通過螺釘安裝在柔性裝置平臺(tái)2上，金剛石刀具1通過螺釘連接在柔性裝置平臺(tái)2上，柔性裝置平臺(tái)2通過螺釘5與力傳感器7固定連接，上蓋板9與柔性裝置平臺(tái)2通過緊釘固定連接。

本發(fā)明所述柔性裝置平臺(tái)的結(jié)構(gòu)是：呈左右對稱分布，其左側(cè)結(jié)構(gòu)是，柔性鉸鏈由r型柔性鉸鏈203，z型柔性鉸鏈201，直角型并聯(lián)預(yù)緊柔性鉸鏈206，直角型并聯(lián)預(yù)緊柔性鉸鏈204組成，直角型預(yù)緊柔性鉸鏈206在壓電疊堆預(yù)緊螺釘一8前端，電容式位移測量擋板一安裝座205上下有直角型并聯(lián)預(yù)緊柔性鉸鏈204，直角型并聯(lián)預(yù)緊柔性鉸鏈204前端有z型柔性鉸鏈201，刀具安裝座202安裝在z型柔性鉸鏈201前、且刀具安裝座202間有r型柔性鉸鏈203；

所述z型柔性鉸鏈201單個(gè)z型柔性鉸鏈中包含了三個(gè)小分支，單個(gè)z型鉸鏈之間兩兩成平行四邊形相互貫通，形成兩自由度度封閉系統(tǒng)；

所述直角柔性鉸鏈204單個(gè)柔性鉸鏈中包含的四個(gè)小分支間成平行四邊形排列，也形成單自由度封閉系統(tǒng)。

所述直角型預(yù)緊柔性鉸鏈206在壓電疊堆預(yù)緊螺釘一8的作用下實(shí)現(xiàn)壓電疊堆一6的預(yù)緊，并且直角型并聯(lián)預(yù)緊柔性鉸鏈206具有使壓電疊堆穩(wěn)定固定和受力均勻作用；直角型并聯(lián)預(yù)緊柔性鉸鏈204通過壓電疊堆作用下運(yùn)動(dòng)，使壓電疊堆驅(qū)動(dòng)z型柔性鉸鏈201沿z軸方向輸出線性位移，當(dāng)兩端驅(qū)動(dòng)力對稱變化時(shí)，z型柔性鉸鏈201可產(chǎn)生雙向?qū)ΨQ；r型柔性鉸鏈203實(shí)現(xiàn)金剛石刀具刀位點(diǎn)的定位，r型柔性鉸鏈203在兩組并聯(lián)z型柔性鉸鏈驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生的兩端驅(qū)動(dòng)力之差，致使金剛石刀具刀位點(diǎn)繞r型柔性鉸鏈發(fā)生一定的扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)刀尖的旋轉(zhuǎn)。

工作原理：

(1)將工件裝夾在機(jī)床的主軸上，通過回轉(zhuǎn)光柵采集主軸的瞬態(tài)角度，通過主軸的回轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)工件圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；

(2)將本發(fā)明裝置安裝在數(shù)控車床的導(dǎo)軌上，給兩個(gè)壓電疊堆一6、壓電疊堆二13分別施加控制信號(hào)，通過調(diào)整壓電疊堆一6、壓電疊堆二13施加的信號(hào)的參數(shù)(幅值，頻率和相位角)，壓電疊堆一6、壓電疊堆二13在直角型柔性鉸鏈204下直線運(yùn)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)z型柔性鉸鏈201雙向?qū)ΨQ運(yùn)動(dòng)兩端驅(qū)動(dòng)力對稱變化，使金剛石刀具刀尖產(chǎn)生繞著r型柔性鉸鏈203運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生理想的旋轉(zhuǎn)軌跡，生成旋轉(zhuǎn)切削的主切削運(yùn)動(dòng)；

如圖1所示，本發(fā)明采用了兩個(gè)平行放置的壓電疊堆進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要經(jīng)過模型轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)理想的旋轉(zhuǎn)車削運(yùn)動(dòng)軌跡，將金剛石刀具的刀位點(diǎn)看作點(diǎn)t；

兩個(gè)壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如下：

其中,a1分別為各個(gè)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值，t是時(shí)間變量,ω為壓電疊堆驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，φ1,φ2為壓電疊堆驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差；

由于平行板移動(dòng)副采用了對稱結(jié)構(gòu)，其輸出位移的線性度較好，抵抗非功能方向上外載影響的能力較強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，即整體精度較高，保證輸出精度，刀具直線進(jìn)給量嚴(yán)格等于壓電疊堆的輸出位移，二組平行板移動(dòng)副在線彈性變形范圍內(nèi)所受外力與變形的關(guān)系如下：

f＝kjx(2)

式中：f＝kjx為平行板移動(dòng)副的剛度，其中e＝t/a；

由于直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出位移△x等于壓電疊堆長度總的變化量△l:

其中，單個(gè)平行板移動(dòng)副的剛度為km,壓電疊堆原始長度為l,壓電疊堆無外載時(shí)的名義輸出位移為△l0設(shè)初始預(yù)緊力為f1,則柔性鉸鏈在作用下變形量為x1；壓電疊堆在f1作用下被壓縮△l1，當(dāng)給壓電疊堆施加電壓后，根據(jù)壓電疊堆出力特性，壓電疊堆伸長并出力的最終狀態(tài)為：柔性鉸鏈?zhǔn)芰2，柔性鉸鏈變形量為x2；壓電疊堆所受壓力為f2，壓電疊堆與原始長度相比伸長△l2；

由公式可知，壓電疊堆與柔性鉸鏈在小變形狀態(tài)下構(gòu)成線性系統(tǒng)，柔性鉸鏈的輸出位移與預(yù)緊力大小無關(guān)，與柔性鉸鏈的剛度有關(guān)，對于不同的柔性鉸鏈，剛度kj的值越小，輸出位移△x越大；

利用z型柔性導(dǎo)向單元柔性鉸鏈微位移機(jī)構(gòu)特性分析求擺動(dòng)角度，理想的位移是追求的目標(biāo)，由于各鉸鏈彈性變形，節(jié)點(diǎn)的軸向變形均會(huì)造成位移損失，使其實(shí)際位移小于理論位移，這種損失也反映了該機(jī)構(gòu)的負(fù)載能力，在z型柔性鉸鏈位移機(jī)構(gòu)中，其由一組對稱平行型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)向支撐，單個(gè)z單元由3個(gè)直板型柔性鉸鏈在空間串聯(lián)而成,工作過程中，該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征為：在壓電疊堆一6和壓電疊堆二13聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下，r型柔性鉸鏈限制金剛石刀具沿z軸進(jìn)給，由于壓電疊堆一6和壓電疊堆二13驅(qū)動(dòng)力不一致，故將誘使運(yùn)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)金剛石刀具繞機(jī)床軸旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)假設(shè)該機(jī)構(gòu)柔性鉸鏈為剛體，由于機(jī)構(gòu)的對稱性，只對機(jī)構(gòu)左側(cè)進(jìn)行計(jì)算分析其在壓電疊堆驅(qū)動(dòng)力的作用下位移與角度的關(guān)系；由圖5所示利用三角函數(shù)關(guān)系可計(jì)算出刀尖右側(cè)的旋轉(zhuǎn)角度δ：

將公式(4)代入(5)

其中，a為杠桿ab長度，α為ab與ac夾角，ab與bo夾角δ為刀尖右側(cè)旋轉(zhuǎn)角，所以，當(dāng)?shù)都庖灾行妮S線為分界線，刀尖旋轉(zhuǎn)角的范圍為(δ,-δ)。