[發(fā)明專利]一種非共振三維橢圓金剛石振動切削方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310348795.0
• 申請日: 2013-08-12
• 公開（公告）號: CN103394705A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周曉勤;盧明明;林潔瓊;張旭
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: B23B1/00
• 分類號: B23B1/00;B23B25/00;B23Q15/007;B23Q15/22
• 代理公司: 吉林長春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超精密切削加工以及難加工材料復(fù)雜光學(xué)零件加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種非共振三維橢圓振動切削方法及裝置。

背景技術(shù)

近年來，隨著航空航天和國防等工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對超精密加工的光學(xué)和電子零件的需求也日趨增長，但是由于一些高性能但卻難加工材料自身?xiàng)l件的限制，傳統(tǒng)的金剛石切削方法因刀具磨損過快已難以滿足要求。

在此基礎(chǔ)上一維振動切削One-Dimensional?Ultrasonic?Vibration?Cutting(1D?UVC),也稱傳統(tǒng)振動切削,自1966年成功應(yīng)用于一些難加工材料的切削，但是還存在一些缺陷，例如表面粗糙度小于0.1μm的超精密加工難以實(shí)現(xiàn)，硬質(zhì)合金材料的工件無法加工。

為了克服上述振動切削的缺點(diǎn)，國際上的學(xué)者們相繼提出了一些改進(jìn)的工藝方法，其中被認(rèn)為是目前最有發(fā)展前途的一種加工方法就是1993年提出的橢圓振動切削（Elliptical?Vibration?Cutting，以下簡稱EVC），也就是二維的振動切削，EVC具有抑制顫振、減少切削力、改善加工精度和表面質(zhì)量、減少刀具磨損、提高刀具使用壽命、實(shí)現(xiàn)脆性材料延性切削等諸多優(yōu)點(diǎn)，近幾年來受到國際學(xué)術(shù)界和工程界的高度關(guān)注，例如：日本神戶大學(xué)的森協(xié)俊道教授等人，名古屋大學(xué)的社本英二教授等人，德國Bremen大學(xué)的E.Brinksmeier教授等人，美國北Carolina大學(xué)的Thomas?A.Dow教授等人，美國西北大學(xué)的K.F.Ehmann教授，新加坡國立大學(xué)的C.Nath教授等人。現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，EVC既能獲得光學(xué)質(zhì)量表面、又可以減少金剛石刀具磨損，提高其使用壽命。

目前廣泛使用的EVC驅(qū)動屬于共振型方式，其特點(diǎn)是振動的頻率較高，現(xiàn)有的文獻(xiàn)表明最高可達(dá)到60KHZ，主要是在刀桿的兩側(cè)通過壓電方式施加兩個(gè)分布載荷，根據(jù)非線性超諧共振原理，使刀尖點(diǎn)產(chǎn)生二維的橢圓運(yùn)動軌跡，但是目前所見的二維EVC普遍具有的缺點(diǎn)是：（1）刀桿的非線性超諧共振在橫向彎曲振動和縱向振動上存在耦合，易于產(chǎn)生串?dāng)_。（2）刀桿的固有振型不變導(dǎo)致橢圓振動的頻率不可調(diào)整，難以適應(yīng)不同加工材料的加工需求。（3）通過分析振型得到刀桿裝夾的節(jié)點(diǎn)，刀桿的設(shè)計(jì)難度較大，在實(shí)際加工中可能出現(xiàn)偏差，影響加工精度。北Carolina大學(xué)的Thomas?A.Dow教授等人研究并提出了非共振的驅(qū)動方式來克服共振型驅(qū)動方式的缺點(diǎn)。非共振驅(qū)動主要是基于壓電疊堆平行配置或相互垂直配置的直驅(qū)結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)點(diǎn)在于：可以主動調(diào)整刀尖橢圓運(yùn)動的頻率和幅值等參數(shù)，適于加工不同的材料和表面，但是依然存在一些不足：（1）壓電驅(qū)動器在裝置上的位置固定，形成橢圓所在平面不可調(diào)整。（2）實(shí)際切削時(shí)的橢圓運(yùn)動軌跡開環(huán)控制不可避免地會變形或失真。

為了滿足不同表面形狀的加工需求，二維EVC亟需向三維方向發(fā)展，日本名古屋大學(xué)的社本英二教授等人在共振型二維EVC的基礎(chǔ)上提出了共振型三維EVC。對于共振型三維EVC，刀尖橢圓運(yùn)動的產(chǎn)生仍是基于刀桿的兩個(gè)橫向振動和一個(gè)縱向振動超諧共振合成的。三維EVC相比二維EVC的優(yōu)點(diǎn)在于：可控制刀尖點(diǎn)形成橢圓運(yùn)動的平面方位、使之位于屑流平面。但不足之處仍在于：現(xiàn)有的共振型三維EVC，刀尖點(diǎn)形成橢圓運(yùn)動軌跡參數(shù)（例如橢圓運(yùn)動頻率）依然難以調(diào)整、無法適應(yīng)加工不同材料的需求。

專利（CN102078967A）提及的一種混頻三維橢圓振動切削方法，雖然可以生成金剛石刀具的空間三維橢圓運(yùn)動軌跡，但是該軌跡存在一定的局限性，由于其壓電疊堆位置無法改變，導(dǎo)致生成的三維橢圓運(yùn)動軌跡所在空間存在局限性。

專利（CN102059575A）提及的三維橢圓切削方法和裝置除了上述方法缺陷性外，在裝置中壓電疊堆在安裝位置固定，參數(shù)調(diào)整范圍有限，且裝置不具有金剛石刀尖的高度微調(diào)功能，對于可匹配加工的機(jī)床要求較高，不具有普遍性。

專利（CN102371359A）提及的一種三維橢圓振動切削裝置同樣不具備金剛石刀尖高度微調(diào)部分，壓電疊堆三垂直分布導(dǎo)致的空間三維橢圓局限性沒有改變，壓電疊堆的位置不能對三維橢圓進(jìn)行調(diào)整。

綜上所述，現(xiàn)有的橢圓振動切削加工方法及裝置還存在著許多不足。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種非共振三維橢圓金剛石振動切削方法及裝置，從而實(shí)現(xiàn)難加工材料的超精密切削加工。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：