[发明专利]一种基于锐角直板型柔性铰链的振动辅助旋转切削装置

说明书

技术领域

本发明属于超精密车削加工以及难加工材料复杂光学零件车削加工技术领域，特别涉及一种基于锐角直板型柔性铰链的振动辅助旋转切削装置。

背景技术

近年来，精密和超精密加工技术的不断发展并成功应用在了很多领域中，例如：微机电系统、航空航天零件加工、生物医学、仿生学等，不同领域加工精度以及应用材料的可加工性，对超精密加工都是一种挑战，特别是难加工材料的复杂面型加工中，传统的切削方法已经不能满足应用的需求，椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting EVC)正是在此基础上发展起来，并受到全世界专家学者的广泛关注，被认为是最具有发展潜力的难加工材料加工方法之一。

EVC方法具有独特的间歇性切削与摩擦力逆转特性，能够在加工过程中有效抑制切削振动、延长刀具使用寿命、降低切削温度，并进一步提高零件的加工质量。EVC装置的研究最早由日本名古屋大学的Shamoto教授等人提出，到刀杆两侧利用压电片激起刀杆的共振模态，然后通过一阶与三阶模态下的运动合成，实现刀尖的椭圆运动，实验表明，EVC能够消除传动振动辅助切削的熨压特性，之后在世界范围内广泛开展了EVC装置的研究，其中主要有美国、日本、新加坡、德国、韩国等国家，装置由共振型发展到非共振型，由二维逐渐扩展到三维，国内关于EVC的研究也较多，主要集中在哈尔滨工业大学、吉林大学、北京航空航天大学、天津大学、大连理工大学、河南理工大学、长春工业大学等高校，除了对EVC装置展开研究外，EVC切削力、切削热、刀具磨损、切削轨迹、过程控制等方面也开展了很多的研究。

EVC的研究在逐渐完善的同时，也遭遇到了技术瓶颈，相邻轨迹间的刀具残留高度无法消除，限制了EVC加工精度的进一步提高，尽管通过提高切削加工频率能够缓解这种局限性，但是频率越高，也带了附生运动，导致控制难度加大，因此研究一种既具有EVC切削优点又能克服EVC局限性的加工方法势在必行。

发明内容

本发明提供一种基于锐角直板型柔性铰链的振动辅助旋转切削装置，从而实现难加工材料高精度的超精密切削加工。

本发明采用的技术方案是：压电叠堆一、压电叠堆二分别用预紧螺钉一、预紧螺钉二安装在柔性装置平台上，电容式位移测量挡板一、电容式位移测量挡板二分别用紧固螺钉与柔性装置平台连接，电容式位移传感器一、电容式位移传感器二分别通过紧固螺钉安装在电容式位移传感器夹座上，电容式位移传感器夹座通过紧固螺钉安装在柔性装置平台上，金刚石刀具与柔性铰链平台通过紧固螺钉固定连接，柔性铰链平台通过固定螺钉与安装基座连接。

本发明所述柔性装置平台是左右对称结构，以其中一侧为例，柔性铰链组由并联直角型柔性铰链一、直角型柔性铰链二、直角型柔性铰链三，直圆型柔性铰链，锐角直板型柔性铰链组成，其中，直角型柔性铰链三与刀具安装平台连接，电容式位移测量挡板座两端与并联直角型柔性铰链一连接，该并联式直角型柔性铰链一采用直角柔性铰链、单个柔性铰链中包含的四个小分支间成平行四边形排列，形成单自由度封闭结构，直角型柔性铰链二安装在并联式直角型柔性铰链对面，电容式位移测量挡板座前面与锐角直板型柔性铰链连接，该锐角直板型柔性铰链内的两个铰链成60°夹角，该锐角直板型柔性铰链对面还有两个直圆型柔性铰链。

本发明所述金刚石刀具的刀尖产生的旋转轨迹方程表达式为：

其中,A₁,A₂分别为两个压电叠堆驱动信号的幅值，t是时间变量,ω为压电叠堆驱动信号的频率，φ₁,φ₂为压电叠堆驱动信号的相位差，经过运动与刀座参数的空间坐标转换；l₀为压电叠堆不施加力时刀位点P₀到刀尖O₀的距离,l₁为压电叠堆不施加力时刀位点P₀到压电叠堆施加力时刀尖O₁的距离。

本发明优点是结构新颖，易于制造，很大程度上减少装配带来的误差，并联直角型柔性铰链一由压电叠堆直接驱动，带动锐角直板型柔性铰链1206和直圆型柔性铰链运动，致此通过直角型柔性铰链三定位刀具绕圆心的稳定旋转，柔性铰链作为导向机构，柔性装置体积小，质量轻，易于实现柔性装置的高频加工；同时，本发明在压电叠堆驱动方向上由一组压电叠堆通过沿各自轴线方向的预紧螺栓进行预紧，预紧过程皆相互独立，简单可靠，易于实现；