一種適于立式外圓加工的兩壓電垂直橢圓振動切削裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微納與超精密制造以及難加工材料復雜光學零件加工技術領域，特別 是涉及一種適于立式外圓加工的兩壓電垂直橢圓振動切削裝置。
【背景技術】
[0002] 近年來隨著科技快速發展，一些精密零件應用領域對于零件的加工精度要求也越 來越高，金剛石刀具的應用對于提高精密零件加工的精度起到重要作用，但傳統加工工藝 限制，在加工含鐵金屬材料的時候，刀具磨損過快導致了零件加工精度難以有很大的提高， 對于難加工材料的精密加工亟需在加工方法上有所突破，振動切削正是基于此需要而產 生，振動切削將加工過程中的振動加以利用，其獨特的間歇性切削方式有效避免了金剛石 刀具的快速磨損，延長了刀具的使用壽命，提高了零件加工精度。
[0003] 振動切削自1966年成功應用在難加工材料的切削而受到全世界學者的廣泛 關注，但是在加工過程中刀具后刀面具有的熨壓特性，無法在延長刀具壽命方面有很大 的提高，1993年名古屋大學的社本英二教授等人首次提出橢圓振動切削（Elliptical Vibration Cutting)的概念，同時對于一些難加工材料例如硬質合金等，進行了相關試驗， 研究的結果表明，橢圓振動切削可以抑制加工過程中的顫振，很大程度上減小了切削力，減 少刀具磨損，延長刀具壽命，提高零件的表面加工質量，對于脆性材料可以試驗延展性切削 等。
[0004] 國內外目前針對橢圓振動切削的研究主要有日本的神戶大學和名古屋大學，德國 的Bremen大學，美國North Carolina大學和西北大學，新加坡國立大學，國內的清華大學， 吉林大學，北京航空航天大學，南京航空航天大學，哈爾濱工業大學，香港理工大學，廈門大 學，河南理工大學等。研究涉及到的主要有橢圓振動切削裝置，橢圓振動切削路徑，橢圓振 動切削控制，橢圓振動切削難加工材料塑脆轉變性能，橢圓振動切削微溝槽加工性能，橢圓 振動切削力等。
[0005] 橢圓振動切削裝置的研究主要分為壓電片換能器超聲振動型裝置和壓電驅動柔 性鉸鏈型非共振型裝置。前者屬于共振型裝置，其主要的特點是在加工的過程中能夠實現 較高的頻率，根據目前資料統計，橢圓振動切削加工頻率最高可達到60KHZ，但是共振型的 橢圓振動切削裝置也存在一些內在的缺陷，例如在加工過程中需要根據裝置本身的固有頻 率實現共振，進而進行切削加工，這樣一來，加工的頻率就不可調整，同時各階振型之間容 易產生耦合，控制的難度較大，所以在裝置的設計方面，非共振型橢圓振動切削裝置逐漸受 到研究人員的關注，非共振型橢圓振動切削裝置一般是由壓電疊堆驅動柔性鉸鏈而成，柔 性鉸鏈的形狀、尺寸大小以及分配方式都對橢圓振動切削的效果有所影響。根據柔性鉸鏈 的分配方式來合成金剛石刀尖的橢圓軌跡，目前設計的橢圓振動切削裝置可以生成二維的 橢圓運動軌跡和三維的橢圓運動軌跡，不同的軌跡可以加工的范圍不同，橢圓振動切削非 共振型裝置根據目前的文獻記載，由柔性鉸鏈并聯式和柔性鉸鏈串聯式兩種，非共振型橢 圓振動切削裝置一般都是根據臥式車床所設計，裝置上刀具形成的橢圓運動軌跡平面與機 床主軸中心線垂直，能夠形成有效的間歇性切削運動，而對于立式車床，這類裝置上刀具形 成的橢圓運動軌跡平面與機床主軸中心線平行，不利于形成間歇性切削運動。
[0006] 目前已有的非共振橢圓振動切削裝置專利可查的有：專利（CN102078967A)提及 的一種混頻三維橢圓振動切削方法，采用的是并聯式的柔性鉸鏈，采用壓電疊堆進行驅動， 該并聯式裝置由于其各個運動軸之間呈直角分布，容易產生運動耦合，控制起來很困難。專 利（CN102059575A)提及的橢圓切削裝置，采用的是串聯式的柔性鉸鏈，但是在設計過程 中，動部件的質量較大，難以實現高頻切削，參數調整的范圍有限，對于可匹配加工的機床 要求較高，不具有普遍性。專利（CN102371359A)提及的一種三維橢圓振動切削裝置也同樣 具有上述局限，而針對于立式外圓車削的橢圓振動切削裝置尚未見報道。
[0007] 綜上所述，現有的非共振橢圓振動切削裝置還存在著一些不足。因此必須針對這 些不足之處，研究并提出一種新的橢圓振動切削裝置，以實現金剛石切削各種難加工材料 及不同面型的需求，獲得最佳的切削加工性能。
【發明內容】
[0008] 本發明提供一種適于立式外圓加工的兩壓電垂直橢圓振動切削裝置，從而實現立 式車床上難加工材料的超精密切削加工。
[0009] 本發明采取的技術方案是：壓電疊堆預緊螺釘二穿過串聯一體式柔性鉸鏈基體上 的孔三對壓電疊堆二進行預緊，壓電疊堆預緊螺釘一穿過串聯一體式柔性鉸鏈基體上的孔 五對壓電疊堆一進行預緊，位移測量擋板一和位移測量擋板二分別通過緊固螺釘安裝在串 聯一體式柔性鉸鏈基體的孔六和孔八上，電容式位移傳感器一和電容式位移傳感器二分別 對應安裝在位移傳感器夾座一和位移傳感器夾座二上，位移傳感器夾座一和位移傳感器夾 座二分別通過緊固螺釘安裝在串聯一體式柔性鉸鏈基體的孔四和孔二上，金剛石刀具通過 緊固螺釘安裝在串聯一體式柔性鉸鏈基體前端的孔七上。
[0010] 本發明的串聯一體式柔性鉸鏈基體上兩個相互垂直的柔性鉸鏈均采用矩形鉸鏈， 且單個鉸鏈中包含的四個小分支間成平行四邊形排列，形成單自由度封閉系統。
[0011] 本發明的串聯一體式柔性鉸鏈基體采用線切割一體式加工成型。
[0012] 本發明的串聯一體式柔性鉸鏈基體通過孔一、用螺釘與力傳感器連接。
[0013] 本發明的優點是：結構新穎，串聯一體式柔性鉸鏈基體由一次加工而成，整體結構 相對簡單，易于制造，且很大程度上減小了由于裝配造成的誤差，該兩壓電垂直橢圓振動車 削裝置的體積小，質量小，易于實現橢圓振動的高頻切削加工。采用的柔性鉸鏈全部為平行 四邊形，其優點是能夠最大程度上減小附生運動，充分保證運動的單向性，兩壓電垂直橢圓 振動車削裝置可以通過串聯一體式柔性鉸鏈基體中底座上的螺紋孔安裝在力傳感器上，實 現對切削力的進一步優化，也可以直接安裝在立式車床的導軌上，同時由于裝置的整體高 度較小，對于機床的適用性更強。本發明由兩個壓電疊堆驅動，采取的是非共振的方式，橢 圓參數可以由壓電疊堆驅動信號來進行調整空間橢圓的位置，兩個壓電疊堆驅動分別驅動 獨立的柔性鉸鏈，相互之間不存在耦合，能夠實現兩壓電垂直橢圓振動切削柔性裝置較高 的控制精度。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明的結構示意圖；
[0015] 圖2是本發明串聯一體式柔性鉸鏈基