專利名稱：一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲輔助切削機構，特別是關于一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構。
背景技術：
天然單點金剛石刀具被廣泛應用在超精密加工領域里，因為單點金剛石刃口半徑極小，配用相應的超精密數控機床，加工有色金屬可獲得面形精度小于0. 5 μ m，表面光潔度小于5nm的超精密鏡面。但是，當前的單點金剛石切削技術難以加工鐵基材料，因為加工過程中金剛石刀具碳原子和工件鐵原子之間產生劇烈的熱-化學反應，使刀具嚴重磨損，切削無法持續進行，加工表面質量很差。為了解決這個問題，一個有效的方法是采用超聲振動輔助切削。超聲振動輔助切削是指將一個額外的超聲振動引入刀具和工件間的原有相對運動，使原本連續的切削過程變成有規律的間斷切削。超聲輔助切削具有減少平均切削力、 熱，顯著降低刀具磨損、提高工件表面質量等優點。超聲輔助切削中，最關鍵的硬件設備是驅動刀具產生高頻振動的激振機構。較常見的一類超聲激振機構為直線式振動裝置，該裝置具有結構簡單、制造容易等優點；但由于振動方向為直線運動，當刀具和工件分離時，后刀面會摩擦已加工表面，不但會破損工件表面質量，而且使刀具承受交變拉壓應力，導致疲勞崩刃。較新穎的一種是橢圓激振機構，該振動裝置使刀尖上產生橢圓振動軌跡，克服了直線激振機構的缺點。現有的橢圓振動切削裝置，大多采用換能器——變幅桿結構，其工作在結構的諧振頻率，無法改變振動頻率，亦難以調整橢圓軌跡，無法適應切削參數、加工材料和表面形狀的變化。同時，現有諧振式振動切削裝置一般為圓截面棒狀結構或其組合，不容易安裝，需要設計特別的刀架固定切削裝置，且切削裝置結構受力不佳、剛度不高，制約了加工表面質量的提高。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種寬工作頻帶、橢圓軌跡可調整、安裝方便的輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構，其特征在于它包括刀柄，所述刀柄上設置振動單元，所述振動單元上設置刀具；所述刀柄的一端呈階梯狀，其上層臺階的豎向面和水平面上設置一凹槽，其下層臺階的豎向面和水平面上也設置有一凹槽；所述振動單元包括呈“L”型的振動體，所述振動體包括相互垂直的橫向振動桿和縱向振動桿，所述橫向振動桿和縱向振動桿的交接處頂面設置有一凹槽；所述橫向振動桿的端部一體設置有一橫向端面，所述橫向端面的另一側依次設置有橫向激振源和橫向蓋板；所述縱向振動桿的端部一體設置有一縱向端面，所述縱向端面另一側依次設置有縱向激振源和縱向蓋板；所述橫向端面設置在所述刀柄的上層臺階的豎向面上，所述橫向蓋板和橫向激振源位于所述上層臺階的凹槽內；所述縱向端面設置在所述刀柄的下層臺階的水平面上，所述縱向蓋板和縱向激振源位于所述下層臺階的凹槽內；所述刀具設置在所述橫向振動桿與所述縱向振動桿交接處的所述凹槽內。所述橫向振動桿和縱向振動桿上均開設有減應力槽。所述刀具通過預緊螺釘固定在所述振動體上的所述凹槽內，所述預緊螺釘和螺紋孔均為短螺距，且所述刀具與所述振動體接觸的端面設置有銷柱，所述銷柱與所述振動體上設置的銷孔形成過盈配合。所述橫向端面通過預緊螺釘連接在所述刀柄上層臺階的豎向面上，且連接的通孔為滑孔；所述縱向端面通過預緊螺釘連接在所述刀柄下層臺階的水平面上，且連接的通孔也為滑孔。所述橫向激振源和縱向激振源為壓電陶瓷片。本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由于采用相互垂直的橫向振動桿和縱向振動桿做為柔性機構，采用壓電陶瓷片做為橫向激振源和縱向激振源， 利用柔性機構與壓電陶瓷式超聲激振原理，因此，具有良好的振動傳導率、無反射，在諧振頻率外亦能工作(簡稱非諧振式)，并能有效聚焦至刀具刀尖。2、本發明由于采用相互垂直的橫向振動桿和縱向振動桿組成的振動體做為柔性機構，并且在橫向振動桿和縱向振動桿上設置了減應力槽，使橫向振動桿和縱向振動桿對應的縱向和橫向容易變形，因此，本發明在諧振點之外亦能穩定工作，從而達到非諧振的效果，工作頻率的可調范圍變寬，可穩定工作在IOkHz至50kHz。3、本發明的振動體包括兩個相互垂直的振動桿，兩個振動桿的端部均設置有端面，端面與蓋板之間均壓緊激振源，刀具設置在振動體上，因此，本發明可以根據不同的加工工藝，調整刀具的尺寸和激振源的輸入電壓，進而調整振動頻率和橢圓軌跡， 以更好地適應不同的加工材料和工件形狀，特別適用于加工復雜非球面的工況。4、本發明的刀具安裝在縱向振動桿的頂部端面，同時振動體為“L”形框架結構，因此，本發明的力學特性良好，縱向、橫向剛度大，穩定性好，有效提高了結構受力程度，大幅提高了加工表面的質量。5、本發明的刀具通過螺釘固定在縱向振動桿的頂部端面，且與振動體有過盈配合，因此，振動由橫向振動桿傳達至刀具的效果好，而且在切削過程中，主要受到縱向的切削力， 受力佳、剛度高。6、本發明采取“L”形框架式的柔性結構來傳導振動，該結構在較寬頻帶上均能夠有效地傳導和放大振動，而不是僅僅工作在諧振點，因此，能夠擴展激振源振動輸出的頻率范圍。7、本發明采取橢圓振動軌跡，因此，可使刀具后刀面和工件已加工表面分離， 避免了撞擊已加工表面，并且減少了刀具與工件的接觸時間，降低了切削溫度，有效地減少了刀具磨損，提高了刀具壽命、降低成本、提高表面加工質量。8、本發明的振動體體積小巧， 功率適中，因此，振幅和超精密切削的微米級切削深度匹配良好，溫升和熱膨脹得到嚴格控制。9、本發明由于將振動單元和刀具安裝在常規結構的切削刀柄上，因此，可直接安裝在通用刀架上，無需新設計機架結構。本發明結構設置巧妙，利用柔性機構與壓電陶瓷式超聲激振原理，具有非諧振的效果，工作頻率的可調范圍寬，橢圓軌跡可調整、安裝方便，適用于不同的加工材料和復雜的工件形狀，因此，可廣泛用于切削機構中。


圖1是本發明結構示意2是本發明刀柄的外觀示意3是本發明振動單元的分解示意圖
圖4是本發明振動單元和刀具的剖視示意5是本發明不同的刀具尺寸具有不同的橢圓軌跡示意6是本發明裝置安裝在通用刀架上的結構示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖1所示，本發明主要包括刀柄10、振動單元20和刀具30 ；振動單元20設置在刀柄10上，刀具30設置在振動單元20上。如圖2所示，本發明的刀柄10的一端呈階梯狀，其上層臺階的豎向面101和水平面102上設置一凹槽103，其下層臺階的豎向面104和水平面105上也設置有一凹槽106。 本發明刀柄10的尺寸和形狀與常規切削的刀柄相同，因此，可直接安裝在常規的刀架上。如圖3、圖4所示，本發明的振動單元20主要包括振動體201，振動體201是一呈 “L”型的整體框架，其包括相互垂直的橫向振動桿202和縱向振動桿203，橫向振動桿202和縱向振動桿203的交接處頂面設置有一凹槽204。橫向振動桿202的端部一體設置有一方形橫向端面205，方形橫向端面205的另一側依次設置有橫向激振源206和橫向蓋板207， 即橫向端面205與橫向蓋板207之間夾緊設置橫向激振源206，橫向蓋板207和橫向激振源 206通過預緊螺釘208固定連接在橫向端面205上。縱向振動桿203的端部一體設置有一方形縱向端面209。縱向端面209的另一側依次設置有縱向激振源210和縱向蓋板211，即縱向端面209與縱向蓋板211之間夾緊設置縱向激振源210，縱向蓋板211和縱向激振源 210通過預緊螺釘212固定連接在縱向端面209上。橫向振動桿202和縱向振動桿203上均開設有減應力槽213，使橫向振動桿202和縱向振動桿203對應的縱向和橫向容易變形， 因此，在諧振點之外亦能穩定工作，從而達到非諧振的效果。如圖1 4所示，橫向端面205通過預緊螺釘設置在刀柄10的上層臺階的豎向面 101上，橫向蓋板207和橫向激振源206位于上層臺階的凹槽103內；縱向端面209通過預緊螺釘設置在刀柄10的下層臺階的水平面105上，縱向蓋板211和縱向激振源210位于下層臺階的凹槽106內。由于橫向端面205和縱向端面209是互相垂直，故振動體201安裝在刀柄10上會出現過定位問題，因此，為了解決過定位的問題，橫向端面205通過預緊螺釘與刀柄10上層臺階的豎向面101連接的通孔為滑孔，縱向端面209通過預緊螺釘與刀柄10 下層臺階的水平面105連接的通孔也為滑孔。如圖1、圖3、圖4所示，刀具30設置在振動體201橫向振動桿202和縱向振動桿 203交接處的凹槽204內，且通過預緊螺釘301固定連接在振動體201上。預緊螺釘301和螺紋孔均為短螺距，有效提高了縱向振動由縱向振動桿203傳至刀具30的效率。同時在刀具30與振動體201接觸的端面設置有銷柱302，銷柱302與振動體201上設置的銷孔形成過盈配合，使橫向振動由橫向振動桿202傳至刀具30的效果更好。如圖5所示，下面列舉一具體實施例，說明設置不同的刀具尺寸，得到不同的橢圓振動軌跡。圖5(a)和圖5(b)所示的刀具有相同的橫向尺寸I1 = 12，橫向尺寸是指從刀具30 刀尖到銷柱302軸心的距離；前者的縱向尺寸比后者小Ii1 <h2，縱向尺寸是指從刀具30刀尖到刀具30接觸凹槽204端面的距離。圖5 (a)所示的刀尖處于縱向振動位移最大的波腹
5處，而圖5(b)所示的刀尖處于縱向振幅波腹偏上方處，故前者的縱向振幅比后者大，從而得到不同橢圓振動軌跡。上述實施例中，振動單元20的振動來自橫向激振源206和縱向激振源210，橫向端面205與橫向蓋板207之間夾緊設置橫向激振源206的夾緊力，以及縱向端面209與縱向蓋板211之間夾緊設置縱向激振源210的夾緊力，都會直接影響到振動效果，因此，夾緊力需要根據切削實際需求相應調整。上述實施例中，橫向激振源206和縱向激振源210可以選用厚度方向極化的PZT-8 方條形壓電陶瓷片，其長度為14mm，寬度為7mm，厚度為2mm。在裝配激振源時，在壓電陶瓷片和銅片電極之間采用環氧樹脂貼合。橫向激振源206和縱向激振源210產生兩個互相垂直的高頻振動，使刀具30刀尖上形成一個橢圓振動軌跡，在200V的激勵下，振動橢圓軌跡的橫向、縱向長度分別能夠達到4微米、6微米。同時，振動頻率可在IOkHz至50kHz范圍內調整。如圖6所示，本發明裝置適用在超精密車床上進行輔助切削，可以直接安裝在通用刀架40上，而不需要特定改造，工作過程中，其具體的使用操作方法包括以下步驟。1)根據加工工藝要求，確定軌跡形狀，選擇適合尺寸的切削刀具30安裝在振動單元20上，將振動單元20安裝在刀柄10上，將具有刀柄10、振動單元20和刀具30的本發明裝置整體安裝在通用刀架40上。2)進行對刀工作，調整到最適合的安裝位置。3)進行調整橢圓振動軌跡，打開超聲波發生器，供電給橫向激振源206和縱向激振源210，根據振動切削的工藝要求，通過調整兩個激振源的輸入電壓的頻率、相位差和電壓峰峰值來調整振動軌跡。可使用激光測振儀測量刀具30刀尖的位移從而得到刀尖的軌跡。4)根據加工工藝要求，設置切削參數，包括主軸轉速、進給速度、切深等，即可開始進行切削加工。上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
權利要求
1.一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構，其特征在于它包括刀柄， 所述刀柄上設置振動單元，所述振動單元上設置刀具；所述刀柄的一端呈階梯狀，其上層臺階的豎向面和水平面上設置一凹槽，其下層臺階的豎向面和水平面上也設置有一凹槽；所述振動單元包括呈“L”型的振動體，所述振動體包括相互垂直的橫向振動桿和縱向振動桿，所述橫向振動桿和縱向振動桿的交接處頂面設置有一凹槽；所述橫向振動桿的端部一體設置有一橫向端面，所述橫向端面的另一側依次設置有橫向激振源和橫向蓋板；所述縱向振動桿的端部一體設置有一縱向端面，所述縱向端面另一側依次設置有縱向激振源和縱向蓋板；所述橫向端面設置在所述刀柄的上層臺階的豎向面上，所述橫向蓋板和橫向激振源位于所述上層臺階的凹槽內；所述縱向端面設置在所述刀柄的下層臺階的水平面上，所述縱向蓋板和縱向激振源位于所述下層臺階的凹槽內；所述刀具設置在所述橫向振動桿與所述縱向振動桿交接處的所述凹槽內。
2.如權利要求1所述的一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構，其特征在于所述橫向振動桿和縱向振動桿上均開設有減應力槽。
3.如權利要求1所述的一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構，其特征在于所述刀具通過預緊螺釘固定在所述振動體上的所述凹槽內，所述預緊螺釘和螺紋孔均為短螺距，且所述刀具與所述振動體接觸的端面設置有銷柱，所述銷柱與所述振動體上設置的銷孔形成過盈配合。
4.如權利要求2所述的一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構，其特征在于所述刀具通過預緊螺釘固定在所述振動體上的所述凹槽內，所述預緊螺釘和螺紋孔均為短螺距，且所述刀具與所述振動體接觸的端面設置有銷柱，所述銷柱與所述振動體上設置的銷孔形成過盈配合。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構，其特征在于所述橫向端面通過預緊螺釘連接在所述刀柄上層臺階的豎向面上，且連接的通孔為滑孔；所述縱向端面通過預緊螺釘連接在所述刀柄下層臺階的水平面上，且連接的通孔也為滑孔。
6.如權利要求1或2或3或4所述的一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構，其特征在于所述橫向激振源和縱向激振源為壓電陶瓷片。
7.如權利要求5所述的一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構，其特征在于所述橫向激振源和縱向激振源為壓電陶瓷片。
全文摘要
本發明涉及一種輔助金剛石刀具超精密切削的超聲橢圓振動機構，其特征在于它包括刀柄、振動單元和刀具；刀柄的一端呈階梯狀，其上層臺階和下層臺階的豎向面和水平面上均設置一凹槽；振動單元包括由相互垂直的橫向振動桿和縱向振動桿組成的振動體，橫向振動桿和縱向振動桿的交接處頂面設置有一凹槽；橫向振動桿的端部設置有一橫向端面，橫向端面另一側依次設置有橫向激振源和橫向蓋板；縱向振動桿的端部設置有一縱向端面，縱向端面另一側依次設置有縱向激振源和縱向蓋板；橫向端面設置在刀柄上層臺階的豎向面上，橫向蓋板和橫向激振源位于上層臺階的凹槽內；縱向端面設置在刀柄下層臺階的水平面上，縱向蓋板和縱向激振源位于下層臺階的凹槽內；刀具設置在橫向振動桿與縱向振動桿交接處的凹槽內。
文檔編號B23B27/00GK102380626SQ201110240310
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月19日 優先權日2011年8月19日
發明者李勇, 楊錦榮, 謝曉丹 申請人:清華大學