專利名稱：一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超精密加工功能部件，特別是關(guān)于一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振 動(dòng)輔助切削裝置。
背景技術(shù)：
在超精密加工領(lǐng)域中，單點(diǎn)金剛石切削技術(shù)(Single Point Diamond Turning, SPDT)是一項(xiàng)具有革新意義的技術(shù)。SPDT采用刃口鈍圓半徑為50nm或更小的單晶金剛石 刀具，配用相應(yīng)的超精密加工機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)，可切削加工各種復(fù)雜的平面、球面及非球曲 面，切削深度在5 μ m以內(nèi)，一次切削可獲得面形精度< 0. 5 μ m，表面粗糙度Ra < IOnm的超
精鏡面。但是，現(xiàn)有的SDPT局限于高純度無氧銅、無硅鋁合金、 非電解鎳等少數(shù)有色金屬， 極少用于鐵基材料和光學(xué)硬脆材料的切削。SDPT難以加工鐵基材料，是因?yàn)榧庸み^程中 碳鐵原子之間有劇烈的熱_化學(xué)磨損，同時(shí)機(jī)械磨損和破損嚴(yán)重，導(dǎo)致切削無法持續(xù)進(jìn)行； SDPT難以加工光學(xué)脆硬材料，是因?yàn)榧庸み^程中工件表面極易崩碎和脆裂，且轉(zhuǎn)化為塑性 切削的工藝條件難以控制，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量很差。引入超聲振動(dòng)輔助切削，有望將SDPT拓展至鐵基材料和光學(xué)脆硬材料的加工，具 有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。超聲振動(dòng)輔助切削是指通過外加驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(通常為壓電材 料)把一個(gè)額外的高頻微幅振動(dòng)引入到了刀具和工件間的原有相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，使切削力、切 削速度、切削深度等切削用量產(chǎn)生規(guī)律的脈沖變化。通常振動(dòng)頻率在20kHz以上，振幅在1 至10 μ m。超聲振動(dòng)輔助切削可達(dá)到減小切削力、切削熱，顯著減少刀具磨損，提高加工質(zhì)量 和效率的目的。超聲輔助切削的關(guān)鍵性硬件是使刀具產(chǎn)生超聲振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。較常見的一種裝 置是直線式振動(dòng)切削裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、設(shè)計(jì)制作容易等優(yōu)點(diǎn)，但它最大的缺點(diǎn)是 振動(dòng)切削軌跡為直線，使得刀具后刀面與工件加工表面高頻往復(fù)摩擦，承受交變拉壓應(yīng)力， 導(dǎo)致疲勞崩刃。較新穎的一種是橢圓式振動(dòng)切削裝置。它將刀尖振動(dòng)軌跡從直線變成了橢圓，可 避免后刀面與已加工表面的接觸，進(jìn)一步減少了刀具磨損；同時(shí)還使前刀面與切屑間產(chǎn)生 有益摩擦，幫助排屑。橢圓切削裝置的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是工作頻率和橢圓軌跡希望工作頻率 盡可能高，以確保超聲切削的效果；希望橢圓軌跡可靈活調(diào)整，以適應(yīng)不同的加工材料和切 削用量?，F(xiàn)有的橢圓式振動(dòng)切削裝置，按工作頻率，可劃分為諧振式和非諧振式；按激勵(lì)源 數(shù)量，可劃分為多激勵(lì)源式和單激勵(lì)源式。這幾種裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中，諧振式裝置具有 工作頻率高、超聲加工效果好的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更多，但它的橢圓軌跡難以調(diào)整；而非諧振式裝 置盡管工作頻率不高，但頻率范圍、橢圓軌跡一般可調(diào)整，占有了部分份額；單激勵(lì)源式裝 置具有簡化換能器結(jié)構(gòu)、簡化功率電源，提高工作穩(wěn)定性、降低成本等顯著優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)有單 激勵(lì)源裝置產(chǎn)生的橢圓軌跡一般很扁，短軸不到長軸20%，尚未充分發(fā)揮橢圓切削的優(yōu)勢(shì)； 而多激勵(lì)源式裝置雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)制作繁瑣，但因?yàn)闄E圓的長、短軸獨(dú)立激勵(lì)產(chǎn)生，長、短軸比例合理，尚不能被單激勵(lì)源裝置取代。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明目的是提出一種軌跡可調(diào)整的諧振式、單激勵(lì)源橢圓超聲 振動(dòng)輔助切削裝置。它具有諧振式、單激勵(lì)源式切削裝置的固有優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，它還能實(shí)現(xiàn)橢 圓軌跡可調(diào)整、橢圓軌跡長短軸比例合理，也兼顧了非諧振式、多激勵(lì)源裝置的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔 助切削裝置，它包括換能器、變幅桿、刀具三部分，所述換能器由一后蓋板、一帶有絕緣套 皮的預(yù)緊螺栓、一半圓環(huán)形墊片、兩半圓環(huán)形壓電陶瓷片、三半圓環(huán)形電極片、一前蓋板組 成，自所述前蓋板頂面中心沿軸向開設(shè)有上連接螺紋孔，且在所述前蓋板上端設(shè)置有半圓 環(huán)形上凸臺(tái)，所述前蓋板中間部位設(shè)置有法蘭盤，在所述前蓋板的下端、與所述上凸臺(tái)相同 的一側(cè)設(shè)置有懸鏈線式變幅結(jié)構(gòu)，所述懸鏈線式變幅結(jié)構(gòu)的下截面圓直徑為上截面圓的 0. 55 0. 65，自所述前蓋板底面中心沿軸向開設(shè)有下連接螺紋孔，所述上連接螺紋孔和下 連接螺紋孔的中心線偏離，且所述下連接螺紋孔中心線的延長線與所述半圓環(huán)形電極片圓 心至弧頂?shù)倪B線相交；所述前蓋板通過所述預(yù)緊螺栓連接在后蓋板的下部，在所述前蓋板 上凸臺(tái)與后蓋板之間夾設(shè)有所述墊片；所述兩半圓環(huán)形壓電陶瓷片和三半圓環(huán)形電極片沿 后蓋板軸向間隔設(shè)置在后蓋板下方、與所述上凸臺(tái)對(duì)應(yīng)的低臺(tái)處，其中兩半圓環(huán)形壓電陶 瓷片沿軸向極化，且極化方向相反，三半圓環(huán)形電極片間采用并聯(lián)電路，中間的一電極片接 正極，其余兩個(gè)接負(fù)極，三半圓環(huán)形電極片的接線柱都設(shè)置在半圓環(huán)形電極片的弧頂處；所 述變幅桿為一等截面圓柱體結(jié)構(gòu)，在所述圓柱體頂部開設(shè)有螺柱螺紋孔、底部開設(shè)有U型 平底槽，所述變幅桿通過螺柱/墊片組合連接到前蓋板的底部，所述變幅桿的U型平底槽中 安裝所述刀具。所述壓電陶瓷片最佳厚為5mm，所述電極片最佳厚為0. 2mm。所述變幅桿截面圓與所述前蓋板的底面圓直徑相等。所述螺柱/墊片組合采用梯形螺紋，配做若干組總長相等、零件長度不等的螺柱/ 墊片組合，不同的螺柱/墊片組合使所述刀具刀尖沿徑向在0 360°范圍調(diào)整不同的回轉(zhuǎn) 角度。所述刀具頂面和所述變幅桿U型平底槽底面貼緊，所述刀具兩側(cè)面與所述變幅桿 U型平底槽兩側(cè)面釬焊。配做若干長度不等的所述變幅桿，使所述刀具刀尖沿變幅桿軸向處于縱向振動(dòng)振 幅不同的位置。本發(fā)明由于采取以上方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由換能器、變幅桿、刀具三 部分組成，換能器采用縱向振動(dòng)夾心式壓電片的基本結(jié)構(gòu)；換能器中的壓電陶瓷片為半圓 環(huán)狀，在士90°回轉(zhuǎn)角度內(nèi)輸出縱向振動(dòng)，同時(shí)激發(fā)彎曲振動(dòng)；換能器中的前蓋板采用懸 鏈線式變幅結(jié)構(gòu)，并采用偏軸式設(shè)計(jì)，進(jìn)一步激發(fā)和強(qiáng)化彎曲振動(dòng)；變幅桿為等截面圓柱 桿，和前蓋板之間的相對(duì)角度可由不同的螺柱/墊片組合來調(diào)整；配做系列變幅桿，長度可 調(diào)；刀具安裝于變幅桿末端，為徑向偏置式安裝，且偏置程度可變化。這些特征結(jié)構(gòu)使得裝 置可實(shí)現(xiàn)橢圓式切削，并且橢圓軌跡可調(diào)，長、短軸比例可調(diào)，可充分發(fā)揮橢圓切削優(yōu)勢(shì)。2、 本發(fā)明為諧振式橢圓切削裝置，切削工作頻率高于20kHz，超聲加工效果更好。3、本發(fā)明換能器為單激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)，夾心式壓電片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，技術(shù)成熟，成本可控，工作穩(wěn)定可 靠，便于工業(yè)推廣應(yīng)用。4、本發(fā)明裝置將顯著降低刀具磨損，大幅提高加工表面質(zhì)量，有望 將單點(diǎn)金剛石超精密切削拓展至鐵基材料和光學(xué)脆硬材料的加工。


圖1為本發(fā)明總體外觀2為本發(fā)明換能器剖面3為本發(fā)明換能器分解示意4為本發(fā)明變幅桿、刀具剖面5為本發(fā)明變幅桿、刀具分解6A 6D為本發(fā)明工作時(shí)的四種具體工作模式示意圖
具體實(shí)施例方式本發(fā)明裝置的原型結(jié)構(gòu)采用縱向振動(dòng)的夾心式壓電換能器，這是一種諧振式、單 激勵(lì)源的直線式振動(dòng)裝置。傳統(tǒng)的縱向振動(dòng)夾心式換能器為對(duì)稱性回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，但實(shí)際工作 時(shí)，具有縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和彎曲振動(dòng)三種形式。如果換能器存在非對(duì)稱回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，則彎 曲振動(dòng)將被激發(fā)，形成縱彎復(fù)合振動(dòng)，輸出橢圓軌跡?；谶@種原理，已有的研究提出了橢 圓切削裝置，但他們的非對(duì)稱回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要通過刀具偏置實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)非對(duì)稱特征不明顯且 無法調(diào)整，導(dǎo)致彎曲振動(dòng)激發(fā)不充分，輸出橢圓軌跡較“扁”，且軌跡無法改變。因此，本發(fā)明在此基礎(chǔ)上改變了原有換能器和變幅桿的結(jié)構(gòu)，設(shè)置了一系列顯著 的、可調(diào)整的非對(duì)稱回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合了刀具的偏置式安裝方式，獲得了一種新的橢圓輔助 切削裝置。本發(fā)明還可根據(jù)工況需要對(duì)這些特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使得輸出的橢圓軌跡將具 有較合理的長、短軸比例，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軌跡可調(diào)。具體地，如圖1所示，本發(fā)明由換能器1、變幅桿2、刀具3三部分組成。其中，如圖 2、圖3所示，換能器1由后蓋板11、預(yù)緊螺栓12、墊片13、壓電陶瓷片14 15、電極片16 18、離軸式前蓋板19組成。后蓋板11材料為45鋼，預(yù)緊螺栓12為40Cr鋼，預(yù)緊螺栓12從后蓋板11頂部穿 入將后蓋板11和前蓋板19連接。前蓋板19材料為硬鋁LY12，它為圓柱體變形結(jié)構(gòu)，它的上端具有半圓環(huán)形上凸臺(tái) 19A、上連接螺紋孔19B，中間部位具有法蘭盤19E，下端具有下連接螺紋孔19C及懸鏈線式 變幅結(jié)構(gòu)19D。這五個(gè)特征結(jié)構(gòu)中，上連接螺紋孔19B設(shè)置在前蓋板19上端中心處，下連接 螺紋孔19C設(shè)置在下端中心處，上連接螺紋孔19B和下連接螺紋孔19C的中心線均沿?fù)Q能 器軸向設(shè)置，但兩者不重合，偏離的距離為半圓環(huán)形凸臺(tái)19A的半徑與前蓋板19下端面圓 半徑的差值；上連接螺紋孔19B穿過凸臺(tái)，因此使得上凸臺(tái)19A變成半圓環(huán)形。法蘭盤19E 是直接從前蓋板19毛坯上加工出來的，厚4mm，其上均布6個(gè)Φ 15mm通孔，以便將裝置連接 至刀架；懸鏈線式變幅結(jié)構(gòu)19D對(duì)應(yīng)設(shè)置在上凸臺(tái)19A的同側(cè)方位上，并使得前蓋板19的 法蘭盤19E以下的部分，由上到下逐漸變細(xì)。前蓋板19與后蓋板11通過預(yù)緊螺栓12連接后，在上凸臺(tái)19A與后蓋板11之間 夾設(shè)有半圓環(huán)形墊片13。
本發(fā)明設(shè)置兩片壓電陶瓷片14、15，均為半圓環(huán)形，采用發(fā)射型大功率壓電陶瓷材 料PZT-8，每片厚4 6mm，最佳5mm。本發(fā)明設(shè)置三片電極片16、17、18，也均為相同的半圓 環(huán)形，采用黃銅材料，每片厚0. 1 0. 3mm，最佳0. 2mm。每一半圓形電極片的弧頂處都水平 伸出一個(gè)接線柱，分別為接線柱16A、17A、18A。壓電陶瓷片14、15及電極片16、17、18沿?fù)Q能器軸向間隔放置在前蓋板19上、與上凸臺(tái)19A對(duì)應(yīng)的低臺(tái)處，其中壓電陶瓷片14、15間隔夾設(shè)在三片電極片16、17、18之間， 電極片16上表面與后蓋板11接觸，電極片18下表面與前蓋板19接觸。壓電陶瓷片14、15 沿軸向極化，且壓電陶瓷片14、15的極化方向相反。電極片16、17、18間采用并聯(lián)電路，前、 后蓋板處的電極片16、18接負(fù)極，壓電陶瓷14、15間的電極片17接正極。組裝換能器1時(shí)，先將壓電陶瓷片14、15，電極片16、17、18，前、后蓋板19、11的接 觸面打磨光滑，然后用環(huán)氧樹脂膠合，再用預(yù)緊螺栓12將各部分固定在一起并擰緊。預(yù)緊 螺栓12與壓電陶瓷片14、15，電極片16、17、18接觸的長度部分需要套絕緣套皮。換能器1的非對(duì)稱回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是若以上連接螺紋孔19B的中心線為軸線，定義 各電極片接線柱所處的回轉(zhuǎn)角度為0°，則半圓環(huán)形壓電陶瓷片14、15及電極片16、17、18 分布在士90°的范圍內(nèi)，而前蓋板19中的懸鏈線式變幅結(jié)構(gòu)19D的下端面圓心所處的回轉(zhuǎn) 角度也為0°，即下連接螺紋孔19C中心線的延長線與半圓環(huán)形電極片圓心至弧頂?shù)倪B線 相交。如圖4、圖5所示，變幅桿2為等截面圓柱體結(jié)構(gòu)，材料為45鋼，它具有等截面圓 柱體2B，圓柱體上端螺柱螺紋孔2A、圓柱體下端U型平底槽2C三個(gè)特征結(jié)構(gòu)。變幅桿2的 上端螺柱螺紋孔2A與前蓋板19的下連接螺紋孔19C相同，通過螺柱21將換能器1與變幅 桿2連接；變幅桿2截面圓與前蓋板19懸鏈線式變幅結(jié)構(gòu)19D的下端面圓直徑相等，安裝 時(shí)重合；刀具3裝入變幅桿2下端的U型平底槽2C內(nèi)。變幅桿2可以做若干個(gè)備用，用于不同的加工場合，但這些變幅桿2的結(jié)構(gòu)特征相 同，只是長度互不相等而已。組裝變幅桿2時(shí)，將螺柱21和平墊片22組合在一起，連接到前蓋板19的下連接螺 紋孔19C和變幅桿2的上端螺柱螺紋孔2A中，使圓柱桿體2B的上端面與前蓋板19懸鏈線 式變幅結(jié)構(gòu)19D的下端面接合，安裝前，各接觸面需研磨光滑。螺柱21采用梯形螺紋。配 做若干總長相等、而零件長度不等的螺柱21和平墊片22的組合，通過螺紋連接的變換使得 變幅桿2和前蓋板19之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度可變化，以調(diào)整變幅桿末端刀尖角度，使其與電 極片接線柱在0 360°范圍內(nèi)呈現(xiàn)不同的回轉(zhuǎn)夾角。刀具3，刀體為長方體狀，刀體材料為45鋼；尖端為船頭形狀，并鑲焊有刀片31，刀 片材料為人造單晶金剛石(用于粗加工)或天然單晶金剛石(用于精加工)。組裝刀具3時(shí)，刀具3裝入變幅桿2下端的U型平底槽2C內(nèi)，刀體上側(cè)面和U型 平底槽的上底面貼緊，將刀具3沿變幅桿2徑向移動(dòng)至合適位置后，再將刀體的兩側(cè)面3A 和U型平底槽2C的內(nèi)側(cè)面釬焊固接，釬焊材料采用鎘基軟釬料，以方便刀具拆卸，有利于調(diào) 整刀具徑向偏置距離和更換刀具。在制作和裝配本發(fā)明過程中，需要注意三點(diǎn)(1)各零件軸向尺寸應(yīng)盡量準(zhǔn)確，誤 差一般需控制在士0. 05mm內(nèi)，加工前蓋板變幅結(jié)構(gòu)時(shí)需采用高精度數(shù)控機(jī)床以保證懸鏈 線的準(zhǔn)確性；(2)換能器各零件之間、換能器與變幅桿之間的接觸面，需要研磨光滑并緊固連接，以避免成為振動(dòng)面，帶來損耗發(fā)熱；(3)換能器安裝時(shí)，先壓緊壓電陶瓷片、電極片與 前后蓋板，再擰入預(yù)緊螺栓，預(yù)緊力約在800 2000N/cm2，同時(shí)使螺栓盡可能與各零件橫截
面垂直。本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)特征在于(1)裝置由換能器1、變幅桿2、刀具3組成，換能器 1采用縱向振動(dòng)夾心式壓電片的基本結(jié)構(gòu)；(2)換能器中壓電陶瓷片14、15為半圓環(huán)狀，在 士90°回轉(zhuǎn)角度內(nèi)輸出縱向振動(dòng)，同時(shí)激發(fā)彎曲振動(dòng)；(3)前蓋板19采用懸鏈線式變幅結(jié) 構(gòu)，并采用偏軸式設(shè)計(jì)(上連接螺紋孔與下連接螺紋孔不同軸)，進(jìn)一步激發(fā)和強(qiáng)化彎曲振 動(dòng)；(4)變幅桿2為等截面圓柱桿，和前蓋板19之間的相對(duì)角度可由不同的螺柱21和平墊 片22組合來調(diào)整；(5)配做系列變幅桿，結(jié)構(gòu)特征相同，但軸向(即縱向)長度不等，以適應(yīng) 不同的加工場合；(6)刀具3安裝于變幅桿2末端，為徑向偏置式安裝，且偏置程度可調(diào)整。在具體制作過程中，本發(fā)明裝置采用解析方法設(shè)計(jì)、數(shù)值方法校核。首先設(shè)計(jì)徑向尺寸(1)根據(jù)切削需求，確定超聲切削工作頻率的大致范圍和最大切削功率，一般地， 切削諧振頻率可在20kHz 40kHz的范圍內(nèi)選取，最大切削功率30W 50W可滿足超精切 削要求；(2)根據(jù)工作頻率和最大切削功率，同時(shí)將壓電陶瓷片14、15(ΡΖΤ_8)功率容量確 定在3 4cm7kHz，即可求出所需壓電陶瓷片的體積；(3)考慮制作工藝性因素，并圓整數(shù)據(jù)，可求出半圓環(huán)形壓電陶瓷片14、15內(nèi)徑、 外徑尺寸；(4)由壓電陶瓷片14、15內(nèi)徑尺寸，相應(yīng)求出預(yù)緊螺栓12、后蓋板螺栓孔IlA(如 圖3所示)、前蓋板19上連接螺紋孔19B的直徑；(5)由壓電陶瓷片14、15外徑尺寸，相應(yīng)求出后蓋板11、前蓋板19懸鏈線式變幅 結(jié)構(gòu)19D上下截面、法蘭盤19E、變幅桿2的直徑。其次設(shè)計(jì)軸向尺寸將換能器2按照半波長振子設(shè)計(jì)，并將法蘭盤19E厚度的中間位置設(shè)計(jì)為位移節(jié) 面，此時(shí)，從節(jié)面到后蓋板19下端面可視為一個(gè)四分之一波長的夾心換能器，從節(jié)面到前 蓋板19下端面可視為一個(gè)四分之一波長的懸鏈線變幅桿。由于工作頻率已經(jīng)在徑向尺寸 設(shè)計(jì)中確定，且壓電陶瓷片、電極片、法蘭盤的厚度尺寸已給定，因此通過求解頻率方程，即 可分別得到前蓋板19、后蓋板11的軸向長度。而變幅桿2的長度，則按照使刀具刀尖所在 截面處于振幅最大的波腹處來確定。由于本發(fā)明具有徑向不對(duì)稱的特征結(jié)構(gòu)，上述設(shè)計(jì)可能有一定偏差。因此需要用 數(shù)值方法進(jìn)行校核，采用有限元分析軟件，對(duì)換能器、變幅桿、刀具的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分 析，求得其縱向、彎曲振動(dòng)的諧振模態(tài)，并適當(dāng)調(diào)整換能器和變幅桿的尺寸參數(shù)，以使縱彎 振動(dòng)的諧振頻率符合要求。本發(fā)明作為功能部件安裝至超精密機(jī)床。在具體安裝使用時(shí)應(yīng)注意裝置軸向 (即縱向)沿地平面法向，通過法蘭盤19E固接到刀架，并隨刀架固定到機(jī)床拖板上。刀架 需定制，以使得裝置沿地平面法向的位置可微調(diào)，使得裝置軸線與地平面法向的夾角可調(diào) 整。加工前，微調(diào)裝置的位姿，使刀尖橢圓軌跡長軸沿地平面法向，短軸沿工件表面法向，刀 具刀尖在地面法向上低于工件回轉(zhuǎn)中心一個(gè)振幅長度。
本發(fā)明在輔助切削過程中，切削用量的選擇基本與常規(guī)超精密切削相同。但為保 證超聲切削效果，切削速度應(yīng)為臨界切削速度(刀尖振動(dòng)時(shí)速度)的1/10 1/4，切削深度 應(yīng)小于橢圓短軸長度。以Φ50πιπι Φ200πιπι工件超聲輔助切削端平面為例，切削用量的范 圍大致為主軸轉(zhuǎn)速60rpm 200rpm，切削深度0. 5 μ m 3 μ m，橫向進(jìn)給速度lmm/min lOmm/min ；同時(shí)，金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑應(yīng)控制在20nm 50nm，切削過程中采用油 霧潤滑，并最好對(duì)換能器吹風(fēng)冷卻。本發(fā)明在輔助切削的實(shí)施過程中，具有以下四種具體的工作模式， 如附圖6所示。(1)工作處于標(biāo)準(zhǔn)橢圓模式。本工作模式如圖6A所示，此時(shí)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為刀 尖處于振動(dòng)位移最大的波腹處，變幅桿為標(biāo)準(zhǔn)長度(刀尖軸向處于波腹位置時(shí)，變幅桿的 長度為標(biāo)準(zhǔn)長度)；刀具刀尖與電極片接線柱呈180°回轉(zhuǎn)角度(定義電極片接線柱為0° 回轉(zhuǎn)角度)；刀具徑向上伸出U型平底槽的長度占總長度的30% 40%。此時(shí)，裝置輸出 橢圓軌跡特點(diǎn)為橢圓長軸約6μπι ΙΟμπι，橢圓短軸長度約長軸的30%到50%。(2)工作處于近圓橢圓模式。本工作模式如圖6Β所示，此時(shí)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為刀尖 仍位于振動(dòng)波腹處，并位于180°回轉(zhuǎn)角度；但刀具徑向上伸出U型平底槽的長度占總長的 40% 60%。此時(shí)，由于刀具徑向偏置加大，橢圓將變“胖”。橢圓軌跡的長軸仍為6μπι 10 μ m，而短軸將增長至長軸的50% 65%左右。(3)工作處于扁橢圓模式。本工作模式如圖6C所示，此時(shí)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為刀尖 仍位于振動(dòng)波腹處，刀具徑向上伸出U型平底槽30% 40% ；但刀具刀尖的回轉(zhuǎn)角度改變 至0° (與電極片接線柱同方向)。此時(shí)，回轉(zhuǎn)非對(duì)稱特征削弱，橢圓將變扁。輸出橢圓軌 跡特點(diǎn)為長軸約6μπι ΙΟμπι，橢圓短軸長度小于長軸的30%。這種情況適合小切削深 度的加工。(4)工作處于小橢圓模式。本工作模式如圖6D所示，此時(shí)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為選用 短的變幅桿，使刀尖處于波腹偏上方處，與電極片接線柱呈180°回轉(zhuǎn)角度；其余結(jié)構(gòu)同 標(biāo)準(zhǔn)橢圓模式。此時(shí)，輸出橢圓軌跡的長、短軸比例同標(biāo)準(zhǔn)橢圓，但整體上縮小，其長軸約 4 μ m 6 μ m。上述四種具體工作模式，均工作于裝置的諧振頻率，由于結(jié)構(gòu)略有不同，諧振頻率 將有所變化，但改變不會(huì)太大。上述四種工作模式，均設(shè)定為工作在激勵(lì)電源最大功率時(shí) 的狀態(tài)，是通過變化特征結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生橢圓軌跡改變，不同于調(diào)整電源功率導(dǎo)致的軌跡變化 (調(diào)整功率也可縮小/放大橢圓，但功率將過低或失穩(wěn)，無法用于實(shí)際加工)。需要指出的是，上述四種工作模式并不是一成不變的，可靈活選擇至中間模式或 復(fù)合模式，如使橢圓軌跡同時(shí)具有小橢圓、近圓橢圓的特征。這一方面便于獲得靈活多樣的 橢圓軌跡，以適應(yīng)不同的工件材料和切削參數(shù)；另一方面，可通過實(shí)測(cè)橢圓軌跡，調(diào)整、反求 裝置的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱特征結(jié)構(gòu)，以試湊符合特定要求的橢圓軌跡，這將大幅降低裝置設(shè)計(jì)的 難度?？傊景l(fā)明為單激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)，工作于諧振狀態(tài)，在輸出縱向振動(dòng)的同時(shí)激發(fā)彎曲振 動(dòng)，合成橢圓軌跡。通過強(qiáng)化換能器、變幅桿和刀具的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱特征結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)合理的橢 圓軌跡長、短軸比例；通過調(diào)整換能器、變幅桿和刀具的回轉(zhuǎn)非對(duì)稱特征結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)橢圓軌 跡的可調(diào)整。
權(quán)利要求
一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝置，它包括換能器、變幅桿、刀具三部分；其特征在于所述換能器由一后蓋板、一帶有絕緣套皮的預(yù)緊螺栓、一半圓環(huán)形墊片、兩半圓環(huán)形壓電陶瓷片、三半圓環(huán)形電極片、一前蓋板組成，自所述前蓋板頂面中心沿軸向開設(shè)有上連接螺紋孔，且在所述前蓋板上端設(shè)置有半圓環(huán)形上凸臺(tái)，所述前蓋板中間部位設(shè)置有法蘭盤，在所述前蓋板的下端、與所述上凸臺(tái)相同的一側(cè)設(shè)置有懸鏈線式變幅結(jié)構(gòu)，所述懸鏈線式變幅結(jié)構(gòu)的下截面圓直徑為上截面圓的0.55～0.65，自所述前蓋板底面中心沿軸向開設(shè)有下連接螺紋孔，所述上連接螺紋孔和下連接螺紋孔的中心線偏離，且所述下連接螺紋孔中心線的延長線與所述半圓環(huán)形電極片圓心至弧頂?shù)倪B線相交；所述前蓋板通過所述預(yù)緊螺栓連接在后蓋板的下部，在所述前蓋板上凸臺(tái)與后蓋板之間夾設(shè)有所述墊片；所述兩半圓環(huán)形壓電陶瓷片和三半圓環(huán)形電極片沿后蓋板軸向間隔設(shè)置在后蓋板下方、與所述上凸臺(tái)對(duì)應(yīng)的低臺(tái)處，其中兩半圓環(huán)形壓電陶瓷片沿軸向極化，且極化方向相反，三半圓環(huán)形電極片間采用并聯(lián)電路，中間的一電極片接正極，其余兩個(gè)接負(fù)極，三半圓環(huán)形電極片的接線柱都設(shè)置在半圓環(huán)形電極片的弧頂處；所述變幅桿為一等截面圓柱體結(jié)構(gòu)，在所述圓柱體頂部開設(shè)有螺柱螺紋孔、底部開設(shè)有U型平底槽，所述變幅桿通過螺柱/墊片組合連接到前蓋板的底部，所述變幅桿的U型平底槽中安裝所述刀具。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝置，其特征在 于所述壓電陶瓷片厚為5mm，所述電極片厚為0. 2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝置，其特征在 于所述變幅桿截面圓與所述前蓋板的底面圓直徑相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝置，其特征在 于所述變幅桿截面圓與所述前蓋板的底面圓直徑相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝 置，其特征在于所述螺柱/墊片組合采用梯形螺紋，配做若干組總長相等、零件長度不等 的螺柱/墊片組合，不同的螺柱/墊片組合使所述刀具刀尖沿徑向在0 360°范圍調(diào)整不 同的回轉(zhuǎn)角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝 置，其特征在于所述刀具頂面和所述變幅桿U型平底槽底面貼緊，所述刀具兩側(cè)面與所述 變幅桿U型平底槽兩側(cè)面釬焊。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝置，其特征在 于所述刀具頂面和所述變幅桿U型平底槽底面貼緊，所述刀具兩側(cè)面與所述變幅桿U型平 底槽兩側(cè)面釬焊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或7所述的一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削 裝置，其特征在于配做若干長度不等的所述變幅桿，使所述刀具刀尖沿變幅桿軸向處于縱 向振動(dòng)振幅不同的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝置，其特征在 于配做若干長度不等的所述變幅桿，使所述刀具刀尖沿變幅桿軸向處于縱向振動(dòng)振幅不 同的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝置，其特征在 于配做若干長度不等的所述變幅桿，使所述刀具刀尖沿變幅桿軸向處于縱向振動(dòng)振幅不 同的位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種軌跡可調(diào)整的橢圓超聲振動(dòng)輔助切削裝置，由換能器、變幅桿、刀具組成。換能器采用縱向振動(dòng)夾心式壓電片的基本結(jié)構(gòu)，具有半圓環(huán)形壓電陶瓷片和電極片的間隔疊加結(jié)構(gòu)，偏軸式懸鏈線變幅結(jié)構(gòu)等回轉(zhuǎn)非對(duì)稱特征結(jié)構(gòu)，在輸出縱向振動(dòng)的同時(shí)激發(fā)、強(qiáng)化彎曲振動(dòng)。變幅桿為等截面圓柱桿，和前蓋板之間相對(duì)角度可調(diào)。刀具在變幅桿末端徑向偏置安裝，且偏置程度可作調(diào)整。本發(fā)明工作頻率高于20kHz，可較好達(dá)到超聲加工效果；橢圓切削軌跡長、短軸比例合理，可充分發(fā)揮橢圓切削優(yōu)勢(shì)；橢圓軌跡可做調(diào)整，可更好地適應(yīng)不同加工材料、不同切削用量的加工，有望將單點(diǎn)金剛石超精密切削拓展至鐵基材料和光學(xué)脆硬材料的加工。
文檔編號(hào)B23Q5/22GK101804575SQ201010120649
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者李勇, 謝曉丹 申請(qǐng)人:清華大學(xué)