[发明专利]变维振动辅助钻削装置及轨迹产生方法

说明书

本发明公开了一种变维振动辅助钻削装置及其轨迹产生方法，属于数控加工领域。该装置由变幅杆、压电换能器、连接套筒、刀具安装结构、机床安装刀柄、滑环组成；装置通过机床安装刀柄与机床主轴连接，变幅杆采用1/4波长圆锥阶梯型复合变幅形式，压电换能器采用纵弯振动夹心形式，由压电陶瓷片、电极片、后端盖（反射罩）、绝缘垫片和预紧力螺栓组成，通过预紧力螺栓紧固连接。变幅杆和压电换能器通过预紧力螺栓相连接，并通过套筒和刀柄部分相连；滑环部分通过止动螺栓和套筒相连接，从而构成装置的整体结构。刀具固定在刀具安装结构上，通过压电换能器驱动信号的控制在刀尖位置产生一维、二维和三维椭圆轨迹输出；本发明具有装置简单、方便生成稳定的三维椭圆运动轨迹，可与数控加工机床直接集成进行辅助精密钻削加工。

技术领域

本发明属于数控加工领域，特别涉及变维振动辅助钻削装置及轨迹产生方法领域。

背景技术

目前，复合材料广泛应用在航空航天领域，由于复合材料层合结构、各向异性等特性，使其钻削加工过程中产生分层、撕裂、圆度难以控制等问题，此外复合材料的高硬度、高强度和导热性差等特性易导致刀具的磨损严重、加工质量差、加工效率低和加工成本高。振动辅助切削加工在降低切削力、提高加工质量、抑止工件毛刺产生和分层、增加刀具寿命等方面具有明显的优势,已经应用到复合材料钻削加工中。一维振动加工由于加工形式鉴于对复合材料制孔质量要求越来越高,学者们就进一步提高振动切削的加工表面质量设计出了多种振动钻削的方法和配套的振动切削装置。

传统的一维振动形式通常为轴向振动，二维振动形式通常包括纵扭、弯曲振动，这些振动形式在减小轴向力和扭矩、降低材料出口分层、提高孔壁质量、减小钻削热和抑制刀具磨损等上均有一定的作用，然而在复合材料的加工方面仍有一定的局限性。为了满足复合材料加工分段式进给工艺，进一步提高孔的质量，本文提出了一套变维振动辅助钻削装置和轨迹产生方法。

专利(CN103406568B)所设计的一种基于超声振动辅助气钻只能实现轴向振动轨迹的生成，并且振动频率较低，无法满足复合材料加工要求；专利(CN105499626A)设计了一种复合振动钻削装置，虽然可以实现扭转振动和轴向振动轨迹的生成，但也同样有振动频率低、振幅小的缺陷，在复合材料加工上面的适应性较差。专利(CN105478332A)给出了一种纵扭共振超声振动装置，虽然提高了振动频率，并且可以生成扭转振动轨迹，但是其采用的斜槽式变幅杆无法单独调节轴向振动的振幅和扭转振动的振幅，两者之间彼此耦合，无法实现变维钻削。此外多数专利仅提到二维椭圆振动，对三维复合振动涉及较少，变维振动钻削辅助装置鲜有人研究。

为了克服现有技术的不足，解决目前振动辅助钻削装置存在的振动耦合、振动维度较低、无法调整钻削装置的参数等问题，设计一种变维振动辅助钻削装置及轨迹产生方法。该装置通过ER螺母和夹头将刀具固定在变幅杆上，使用预紧力螺栓将压电换能器与变幅杆连接，通过X、Y和Z方向上的压电陶瓷将输入的电能转化成机械能实现位移输出，变幅杆进行位移的放大和叠加后，在刀具前段输出振动轨迹。由于三个方向的压电陶瓷输入信号均可独立控制，且X方向和Y方向压电陶瓷布置在同一个平面上，减少了径向输入信号之间的耦合叠加，改变不同的输入信号，可以获得一维轴向振动、二维椭圆振动、三维复合振动三种形式。此外，改变预紧力、后盖板和中间垫块的尺寸。可以实现装置振动参数的调整。装置具有通用刀具安装结构。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种变维振动辅助钻削装置及轨迹产生方法，可解决变维复合振动振动轨迹的产生问题。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：