本發(fā)明屬于超精密車削加工以及難加工材料復(fù)雜光學(xué)零件車削加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于銳角直板型柔性鉸鏈的振動(dòng)輔助旋轉(zhuǎn)切削裝置。

背景技術(shù)：

近年來，精密和超精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展并成功應(yīng)用在了很多領(lǐng)域中，例如：微機(jī)電系統(tǒng)、航空航天零件加工、生物醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)等，不同領(lǐng)域加工精度以及應(yīng)用材料的可加工性，對(duì)超精密加工都是一種挑戰(zhàn)，特別是難加工材料的復(fù)雜面型加工中，傳統(tǒng)的切削方法已經(jīng)不能滿足應(yīng)用的需求，橢圓振動(dòng)切削(Elliptical Vibration Cutting EVC)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來，并受到全世界專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ碾y加工材料加工方法之一。

EVC方法具有獨(dú)特的間歇性切削與摩擦力逆轉(zhuǎn)特性，能夠在加工過程中有效抑制切削振動(dòng)、延長刀具使用壽命、降低切削溫度，并進(jìn)一步提高零件的加工質(zhì)量。EVC裝置的研究最早由日本名古屋大學(xué)的Shamoto教授等人提出，到刀桿兩側(cè)利用壓電片激起刀桿的共振模態(tài)，然后通過一階與三階模態(tài)下的運(yùn)動(dòng)合成，實(shí)現(xiàn)刀尖的橢圓運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明，EVC能夠消除傳動(dòng)振動(dòng)輔助切削的熨壓特性，之后在世界范圍內(nèi)廣泛開展了EVC裝置的研究，其中主要有美國、日本、新加坡、德國、韓國等國家，裝置由共振型發(fā)展到非共振型，由二維逐漸擴(kuò)展到三維，國內(nèi)關(guān)于EVC的研究也較多，主要集中在哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)、大連理工大學(xué)、河南理工大學(xué)、長春工業(yè)大學(xué)等高校，除了對(duì)EVC裝置展開研究外，EVC切削力、切削熱、刀具磨損、切削軌跡、過程控制等方面也開展了很多的研究。

EVC的研究在逐漸完善的同時(shí)，也遭遇到了技術(shù)瓶頸，相鄰軌跡間的刀具殘留高度無法消除，限制了EVC加工精度的進(jìn)一步提高，盡管通過提高切削加工頻率能夠緩解這種局限性，但是頻率越高，也帶了附生運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致控制難度加大，因此研究一種既具有EVC切削優(yōu)點(diǎn)又能克服EVC局限性的加工方法勢(shì)在必行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于銳角直板型柔性鉸鏈的振動(dòng)輔助旋轉(zhuǎn)切削裝置，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)明采用的技術(shù)方案是：壓電疊堆一、壓電疊堆二分別用預(yù)緊螺釘一、預(yù)緊螺釘二安裝在柔性裝置平臺(tái)上，電容式位移測(cè)量擋板一、電容式位移測(cè)量擋板二分別用緊固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通過緊固螺釘安裝在電容式位移傳感器夾座上，電容式位移傳感器夾座通過緊固螺釘安裝在柔性裝置平臺(tái)上，金剛石刀具與柔性鉸鏈平臺(tái)通過緊固螺釘固定連接，柔性鉸鏈平臺(tái)通過固定螺釘與安裝基座連接。

本發(fā)明所述柔性裝置平臺(tái)是左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以其中一側(cè)為例，柔性鉸鏈組由并聯(lián)直角型柔性鉸鏈一、直角型柔性鉸鏈二、直角型柔性鉸鏈三，直圓型柔性鉸鏈，銳角直板型柔性鉸鏈組成，其中，直角型柔性鉸鏈三與刀具安裝平臺(tái)連接，電容式位移測(cè)量擋板座兩端與并聯(lián)直角型柔性鉸鏈一連接，該并聯(lián)式直角型柔性鉸鏈一采用直角柔性鉸鏈、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，形成單自由度封閉結(jié)構(gòu)，直角型柔性鉸鏈二安裝在并聯(lián)式直角型柔性鉸鏈對(duì)面，電容式位移測(cè)量擋板座前面與銳角直板型柔性鉸鏈連接，該銳角直板型柔性鉸鏈內(nèi)的兩個(gè)鉸鏈成60°夾角，該銳角直板型柔性鉸鏈對(duì)面還有兩個(gè)直圓型柔性鉸鏈。

本發(fā)明所述金剛石刀具的刀尖產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)軌跡方程表達(dá)式為：

其中,A₁,A₂分別為兩個(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，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)與刀座參數(shù)的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；l₀為壓電疊堆不施加力時(shí)刀位點(diǎn)P₀到刀尖O₀的距離,l₁為壓電疊堆不施加力時(shí)刀位點(diǎn)P₀到壓電疊堆施加力時(shí)刀尖O₁的距離。

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，并聯(lián)直角型柔性鉸鏈一由壓電疊堆直接驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)銳角直板型柔性鉸鏈1206和直圓型柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)，致此通過直角型柔性鉸鏈三定位刀具繞圓心的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，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)，本發(fā)明在壓電疊堆驅(qū)動(dòng)方向上由一組壓電疊堆通過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(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)；

本發(fā)明通過刀具的旋轉(zhuǎn)，切削點(diǎn)將沿著刀沿相對(duì)地恒定變化，切削力在旋轉(zhuǎn)過程中能夠在上個(gè)分量上均勻化一些，使得總切削力減小提高了刀具壽命，同時(shí)擬間歇旋轉(zhuǎn)可以帶走一部分切削熱，利于道具散熱，避免切削過程中的局部高溫；

本發(fā)明裝置運(yùn)行過程中，刀具與工件的接觸點(diǎn)周期性變化，每一周期內(nèi)刀具能夠在旋轉(zhuǎn)時(shí)將切削液帶入切削區(qū)域，實(shí)現(xiàn)高效潤滑；同時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)裝置使金剛石刀具繞刀尖圓弧半徑軸心旋轉(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；

本發(fā)明裝置利用非共振型振動(dòng)切削加工，非共振型振動(dòng)旋轉(zhuǎn)切削裝置一般是由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈而成，柔性鉸鏈的形狀、尺寸大小以及分配方式都對(duì)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)切削的效果有所影響，根據(jù)柔性鉸鏈分配方式來合成金剛石刀具的旋轉(zhuǎn)軌跡，不同軌跡可以加工范圍有所不同；在旋轉(zhuǎn)軌跡產(chǎn)生方法上，通過壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)力之差使金剛石刀具繞刀尖半徑軸心旋轉(zhuǎn)，使其具有擬間歇振動(dòng)旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)軌跡的空間變換特征，能夠消除EVC過程中存在的周期間殘留高度，刀具軌跡對(duì)于曲面的加工適應(yīng)性更強(qiáng)，進(jìn)而提高加工質(zhì)量、延長刀具壽命以及擴(kuò)展金剛石刀具可切削材料的范圍；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)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明柔性裝置平臺(tái)的上軸側(cè)圖；

圖3是本發(fā)明柔性裝置平臺(tái)的上軸側(cè)圖；

圖4是本發(fā)明直圓型柔性鉸鏈、銳角直板型柔性鉸鏈局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是發(fā)明運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

具體實(shí)施方式

將壓電疊堆一5、壓電疊堆二8分別用預(yù)緊螺釘一6、預(yù)緊螺釘二7安裝在柔性裝置平臺(tái)12上，電容式位移測(cè)量擋板一2、電容式位移測(cè)量擋板二13分別用緊固螺釘4與柔性裝置平臺(tái)12連接，電容式位移傳感器一3、電容式位移傳感器二11分別通過緊固螺釘4安裝在電容式位移傳感器夾座9上，電容式位移傳感器夾座9通過緊固螺釘4安裝在柔性裝置平臺(tái)12上，金剛石刀具1與柔性鉸鏈平臺(tái)12通過緊固螺釘固定連接，柔性鉸鏈平臺(tái)12通過固定螺釘10與安裝基座連接。

本發(fā)明所述柔性裝置平臺(tái)12屬于左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以其中一側(cè)為例，柔性鉸鏈組由并聯(lián)直角型柔性鉸鏈一1201、直角型柔性鉸鏈二1202、直角型柔性鉸鏈三1204，直圓型柔性鉸鏈1205，銳角直板型柔性鉸鏈1206組成，其中，直角型柔性鉸鏈三1204與刀具安裝平臺(tái)1203連接，電容式位移測(cè)量擋板座1207兩端與并聯(lián)直角型柔性鉸鏈1201一連接，該并聯(lián)式直角型柔性鉸鏈一1201采用直角柔性鉸鏈、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，形成單自由度封閉結(jié)構(gòu)，直角型柔性鉸鏈二1202安裝在并聯(lián)式直角型柔性鉸鏈1201對(duì)面，電容式位移測(cè)量擋板座1207前面與銳角直板型柔性鉸鏈1206連接，該銳角直板型柔性鉸鏈1206內(nèi)的兩個(gè)鉸鏈成60°夾角，該銳角直板型柔性鉸鏈1206對(duì)面還有兩個(gè)直圓型柔性鉸鏈1205；

并聯(lián)直角型柔性鉸鏈一1201在壓電疊堆相互驅(qū)動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)銳角直板型柔性鉸鏈1206，由銳角型直板柔性鉸鏈1206再驅(qū)動(dòng)圓型柔性鉸鏈1205，致使帶動(dòng)直角型柔性鉸鏈三1204和刀具安裝平臺(tái)1203的旋轉(zhuǎn)，其中直圓型柔性鉸鏈1205用于定位刀具旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，銳角直板型柔性鉸鏈1206中兩鉸鏈成60°夾角，保證了刀具安裝臺(tái)一側(cè)受力穩(wěn)定，并且銳角直板型柔性鉸鏈1206兩側(cè)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩邊都有相應(yīng)的彈性保證了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

工作原理如下：

(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)壓電疊堆一5,壓電疊堆二8分別施加控制信號(hào)，通過調(diào)整壓電疊堆一5，壓電疊堆二8施加的信號(hào)的參數(shù)(幅值，頻率和相位角)，壓電疊堆一5，壓電疊堆二8在并聯(lián)直角型柔性鉸鏈一1201下直線運(yùn)動(dòng)，通過對(duì)銳角直板型柔性鉸鏈1206雙向?qū)ΨQ運(yùn)動(dòng)，兩端驅(qū)動(dòng)力對(duì)稱變化，在直圓型柔性鉸鏈1205和直角性柔性鉸鏈三1204定位作用下，使金剛石刀具1的刀尖產(chǎn)生繞刀具刀位點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，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)明所設(shè)計(jì)的金剛石振動(dòng)輔助旋轉(zhuǎn)車削裝置采用了兩個(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)O₀。

如圖1所示，壓電疊堆一5和壓電疊堆二8的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如下：

其中,A₁,A₂分別為兩個(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，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)與刀座參數(shù)的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；

定義XYZ坐標(biāo)系，其中坐標(biāo)原點(diǎn)為上述刀具刀尖圓弧圓心，如圖5所示，Z軸方向與壓電疊堆驅(qū)動(dòng)方向一致，Y軸方向垂直于刀具前刀面且方向向外,根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo),可以確定X軸方向；

設(shè)刀沿圓弧初始點(diǎn)為O₀，O₁為壓電疊堆驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)刀尖往前移動(dòng)距離，T刀具運(yùn)動(dòng)時(shí)的刀位點(diǎn)，O₂為刀尖繞刀位點(diǎn)T旋轉(zhuǎn)θ₁的位置，O₃為刀尖繞刀位點(diǎn)T旋轉(zhuǎn)θ₁+θ₂的位置，P₀壓電疊堆不受力時(shí)刀位點(diǎn)的位置，壓電陶瓷輸入電壓,經(jīng)歷時(shí)間t,刀尖運(yùn)動(dòng)到O₃,θ₁為O₁TO₂之間夾角，θ₂為O₂TO₃之間的夾角，其中，O₀＝(x₀,y₀,z₀)，O₁＝(x₁,y₁,y₁)，O₂＝(x₂,y₂,z₂)，O₃＝(x₃,y₃,z₃)；由于：

根據(jù)向量間關(guān)系可以推出

所以，根據(jù)幾何關(guān)系

l₀為壓電疊堆不施加力時(shí)刀位點(diǎn)P₀到刀尖O₀的距離,l₁為壓電疊堆不施加力時(shí)刀位點(diǎn)P₀到壓電疊堆施加力時(shí)刀尖O₁的距離，l₂為壓電疊堆不施加力時(shí)刀位點(diǎn)P₀距離刀尖運(yùn)動(dòng)到O₂時(shí)的距離,l₃為壓電疊堆不施加力時(shí)刀位點(diǎn)P₀距離刀尖運(yùn)動(dòng)到O₃時(shí)的距離。

由于θ₁,θ₂的值非常小,因此：

將(4)代入(3)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡為：

其中：

將(6)代入(7)最終刀尖形成的旋轉(zhuǎn)軌跡方程表達(dá)式為：

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。