專利名稱：一種基于切削力波動(dòng)特性的單晶材料切削方法及微調(diào)刀架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單晶材料的切削設(shè)備及方法，尤其是一種基于切削力 波動(dòng)特性的單晶材料切削方法及微調(diào)刀架。
背景技術(shù)：
單晶材料具有強(qiáng)烈的各向異性特性，而且絕大多數(shù)是脆性材料，在不同 的晶體學(xué)方向上物理和機(jī)械性能差異很大，只有依據(jù)單晶材料的力學(xué)性能使用最佳刀具前 角才能加工出優(yōu)良的表面。實(shí)際切削加工過(guò)程中，存在切削力隨晶體取向的變化而產(chǎn)生波 動(dòng)的現(xiàn)象，并且在對(duì)同一晶面上不同晶向進(jìn)行切削時(shí)，使得已加工表面粗糙度也呈扇形分 布特征。這主要是單晶材料在同樣的受力條件下，同一晶面在不同晶向上發(fā)生的塑性變形 能力不同造成了切削力的波動(dòng)，也造成了切削加工表面質(zhì)量的波動(dòng)。所以，使刀具與被加工 晶面間的夾角始終與不同晶面或同一晶面不同晶向上最容易發(fā)生塑性變形時(shí)所需的受力 方向一致，可以減小或消除切削單晶材料時(shí)已加工表面呈現(xiàn)明暗相間的扇形分布特征，并 且可以比較容易得到高質(zhì)量的加工表面。這就需要對(duì)刀具進(jìn)行反復(fù)裝夾，調(diào)整刀具角度，得 到適當(dāng)?shù)牡毒咔敖?。但是在?shí)際生產(chǎn)中，反復(fù)裝夾調(diào)整刀具角度不僅影響加工的效率，而且 會(huì)由于不斷地對(duì)刀、找正等對(duì)加工的精度造成影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于切削力波動(dòng)特性的 單晶材料切削方法及微調(diào)刀架為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種微調(diào)刀架，包括刀架體，第一壓 電陶瓷安裝支架，第一壓電陶瓷，第一彈性變形薄膜，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，刀夾體，第二彈性變形薄 膜，第二壓電陶瓷和第二壓電陶瓷安裝支架。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線與第一壓電陶瓷和第 二壓電陶瓷連接。刀夾體固定在刀架體上。刀具安裝在刀夾體內(nèi)。刀架體、第一彈性變形 薄膜，第二彈性變形薄膜，和位移進(jìn)給部分是由整體材料線切割制成，是一整體結(jié)構(gòu)，這樣 可以避免裝配結(jié)合面的接觸剛度對(duì)微位移精度的影響。第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷分別 置于第一彈性變形薄膜和第二彈性變形薄膜的中間位置。一種基于切削力波動(dòng)特性的單晶材料切削方法，其具體步驟為1)利用斷裂力學(xué) 和位錯(cuò)力學(xué)對(duì)各晶面在不同載荷下位錯(cuò)發(fā)生過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，得到各個(gè)晶向最佳受力 情況，并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中；2)根據(jù)切削理論可知，切削力大則該晶體學(xué)方向不容易加工，切 削力小則該方向容易加工，所以切削加工前采集單晶材料的切削力波動(dòng)特性信息，也記錄 于計(jì)算機(jī)中，當(dāng)切削加工時(shí)，依據(jù)工件的旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算工件與刀刃接觸時(shí)的該晶體學(xué)方向， 并實(shí)時(shí)從計(jì)算機(jī)中記錄的切削力波動(dòng)信息中檢索該晶體學(xué)方向的切削力大小值；3)依據(jù) 檢索到的切削力大小，以及各個(gè)晶向的最佳受力情況來(lái)控制不同單晶材料。超精密切削自 適應(yīng)刀架機(jī)構(gòu)主要采用兩個(gè)壓電陶瓷，使刀夾可上下傾斜動(dòng)并且刀具可以前后微量進(jìn)給。 當(dāng)加工不同晶面或同一晶面不同晶向時(shí)，使兩個(gè)壓電陶瓷分別對(duì)刀具前角和刀具與待加工 表面之間的相對(duì)距離自動(dòng)做出調(diào)整，得到最優(yōu)的加工方向與位置。微調(diào)刀架本發(fā)明使用帶有單晶材料切削力波動(dòng)特性信息的計(jì)算機(jī)控制壓電陶瓷 的伸長(zhǎng)和縮短，從而對(duì)刀具前角以及刀具與工件之間相對(duì)距離進(jìn)行微量調(diào)整，能實(shí)現(xiàn)一次 裝夾就可以根據(jù)單晶材料切削加工表面的力學(xué)波動(dòng)特性調(diào)整刀具與工件表面傾角以及刀 具與工件相對(duì)距離的目的，實(shí)現(xiàn)單晶材料均勻一致的表面質(zhì)量的切削加工要求，且具有加高，操作方便等特點(diǎn)。


圖1是微調(diào)刀架的工作原理示意圖。圖2是微調(diào)刀架俯視圖。圖3是單晶鍺的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是單晶鍺(111)晶面與滑移面晶體方位關(guān)系圖。圖5是單晶鍺(100)晶面與滑移面晶體方位關(guān)系圖。圖6是單晶鍺(110)晶面與滑移面晶體方位關(guān)系圖。圖7是單晶精密切削力測(cè)量系統(tǒng)示意圖。圖8是采集切削力并分析切削力的波動(dòng)特性圖。
具體實(shí)施例方式如圖1和圖2所示存儲(chǔ)單晶材料切削力波動(dòng)信息的計(jì)算機(jī)4，通過(guò)數(shù)據(jù)線5分別 控制第一壓電陶瓷2和第二壓電陶瓷11，第一壓電陶瓷2的伸長(zhǎng)和縮短可使第一彈性變形 薄膜3發(fā)生伸長(zhǎng)和縮短，從而調(diào)節(jié)刀具6與單晶材料7表面之間的垂直方向距離；第二壓電 陶瓷11的伸長(zhǎng)和縮短可使第二彈性變形薄膜10發(fā)生伸長(zhǎng)和縮短，從而調(diào)節(jié)刀具6與單晶 材料7的表面之間傾斜角度，以此實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)工件位置關(guān)系的調(diào)節(jié)。實(shí)施例1)分析單晶鍺的晶體結(jié)構(gòu)如下單晶鍺與單晶硅和金剛石具有相同的晶體結(jié)構(gòu)， 單晶鍺有三個(gè)晶面分別是(111)、(110)、(100)晶面，晶體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中(111)晶面 是滑移面。當(dāng)沿著不同晶面切削加工時(shí)被加工晶面與滑移面之間的晶體學(xué)關(guān)系如圖4-圖6 所示。2)計(jì)算每個(gè)晶面的力學(xué)性能彈性模量和泊松比
權(quán)利要求
1.一種微調(diào)刀架，包括刀架體，第一壓電陶瓷安裝支架，第一壓電陶瓷，第一彈性變形 薄膜，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，刀夾體，第二彈性變形薄膜，第二壓電陶瓷和第二壓電陶瓷安裝支架；計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線與第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷連接；刀夾體固定在刀架體上；刀具 安裝在刀夾體內(nèi)；第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷分別置于第一彈性變形薄膜和第二彈性變 形薄膜的中間位置。
2.如權(quán)利要求1所述的一種微調(diào)刀架，其特征在于刀架體、第一彈性變形薄膜，第二 彈性變形薄膜是由整體材料線切割制成，是一整體結(jié)構(gòu)。
3.一種基于切削力波動(dòng)特性的單晶材料切削方法，其具體步驟為1)利用斷裂力學(xué)和 位錯(cuò)力學(xué)對(duì)各晶面在不同載荷下位錯(cuò)發(fā)生過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，得到各個(gè)晶向最佳受力情 況，并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中；2)根據(jù)切削理論可知，切削力大則該晶體學(xué)方向不容易加工，切削 力小則該方向容易加工，所以切削加工前采集單晶材料的切削力波動(dòng)特性信息，也記錄于 計(jì)算機(jī)中，當(dāng)切削加工時(shí)，依據(jù)工件的旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算工件與刀刃接觸時(shí)的該晶體學(xué)方向，并 實(shí)時(shí)從計(jì)算機(jī)中記錄的切削力波動(dòng)信息中檢索該晶體學(xué)方向的切削力大小值；3)依據(jù)檢 索到的切削力大小，以及各個(gè)晶向的最佳受力情況來(lái)控制不同單晶材料；超精密切削自適 應(yīng)刀架機(jī)構(gòu)主要采用兩個(gè)壓電陶瓷，使刀夾可上下傾斜動(dòng)并且刀具可以前后微量進(jìn)給，當(dāng) 加工不同晶面或同一晶面不同晶向時(shí)，使兩個(gè)壓電陶瓷分別對(duì)刀具前角和刀具與待加工表 面之間的相對(duì)距離自動(dòng)做出調(diào)整，得到最優(yōu)的加工方向與位置。
全文摘要
一種基于切削力波動(dòng)特性的單晶材料切削方法及微調(diào)刀架，其微調(diào)刀架，包括刀架體，第一壓電陶瓷安裝支架，第一壓電陶瓷，第一彈性變形薄膜，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，刀夾體，第二彈性變形薄膜，第二壓電陶瓷和第二壓電陶瓷安裝支架。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線與第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷連接。刀夾體固定在刀架體上。刀具安裝在刀夾體內(nèi)。本發(fā)明使用帶有單晶材料切削力波動(dòng)特性信息的計(jì)算機(jī)控制壓電陶瓷的伸長(zhǎng)和縮短，從而對(duì)刀具前角以及刀具與工件之間相對(duì)距離進(jìn)行微量調(diào)整，能實(shí)現(xiàn)一次裝夾就可以根據(jù)單晶材料切削加工表面的力學(xué)波動(dòng)特性調(diào)整刀具與工件表面傾角以及刀具與工件相對(duì)距離的目的，實(shí)現(xiàn)單晶材料均勻一致的表面質(zhì)量的切削加工要求，且具有加工效率高，精度高，操作方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B28D5/00GK102120344SQ20101059828
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者孫國(guó)強(qiáng), 孫磊, 孫越, 李曉鵬, 王明海 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)航空航天大學(xué)