一种单激励三维振动切削装置及轨迹产生方法

技术领域

本发明属于难切削材料加工领域，特别涉及一种单激励三维振动切削装置及空间抛物线运动轨迹产生方法。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，机械制造业作为工业生产和社会生活的支柱型行业，在不断吸收新技术，开发新工艺的同时，也在航空航天、半导体、电子工程等新兴领域内诞生了大量的难切削材料和特殊结构工件。在加工过程中，传统机械加工工艺容易产生加工缺陷，加工精度难以保证，难以满足实际生产要求，从而限制了它们的应用，因此需要新式加工方法的出现。在各种新式精密加工方法的研究中，超声振动切削技术是一种卓有成效的探索。通过将高频振动(20-40kHz)附加在刀具上，使得刀具在切削加工时与工件产生周期性的分离，因此相较于传统加工方法中刀具与工件始终贴合的不分离状态，超声振动切削可以大大降低刀具在切削过程中受到的摩擦力，减少切削热的产生和刀具的磨损，从而提高被加工工件的表面质量，是目前制造领域中最为重要的特种加工技术之一。

关于超声振动切削装置的众多设计中。根据刀具振动轨迹的维度数目不同，可将其分为一维振动、二维振动和三维振动，一般而言，高维度的振动切削方式在具有低维度振动切削方式的特点基础上，还具有额外的优点，是目前的主要研究方向。其中三维振动切削理论因为提出的时间最晚，相关技术还处于不断发展状态，因此具有很重要的研究意义；根据激励源数目的不同，可将其分为单激励、双激励和三激励等类型，其中激励源数目越多，产生特定的目标轨迹越容易，但是所需的设备成本越贵，控制策略越复杂。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种成本低、控制容易的一种单激励三维振动切削装置及轨迹产生方法。

为达到上述目的，本发明的单激励三维振动切削装置，包括：立板以及与立板平行设置的刀具平板，

在所述的立板与刀具平板之间设置有柔性单铰链支链、柔性双铰链支链和激励支链；其中，所述的单铰链支链、双铰链支链和激励支链不在一条直线上。

进一步地，所述的单铰链支链、双铰链支链和激励支链呈正三角形排列，所述的刀具平板为与其相适配的正三角形。

进一步地，所述的激励支链由压电陶瓷换能器和一体连接变幅杆组成。

进一步地，所述的激励支链包括：在所述的立板背部设置有压电陶瓷换能器；在所述的立板上对应压电陶瓷换能器设置有通孔；

一变幅杆，一端穿过通孔连接在压电陶瓷换能器上；另一端设置在刀具平板上。

进一步地，在所述的立板上和/或刀具平板上对应单铰链支链、双铰链支链和激励支链的端部设置有定位凹槽，单铰链支链、双铰链支链和激励支链的端部通过螺栓固定在定位凹槽内。

进一步地，在所述的刀具平板的中心处设置有刀具卡座。

为达到上述目的，上述的单激励三维振动切削装置产生空间三维振动轨迹的方法，包括：

压电陶瓷换能器通电后，通过逆压电效应将电能转化为机械能，变幅杆产生位移输出，并通过变幅杆凸台传递至刀具平板上，产生的输出位移大小为：

式(1)中，y

定义O-xyz坐标系，原点O位于单铰链支链和双铰链支链连线的中点上，z轴方向垂直于刀具平板向外，与刀具的指向方向平行，y轴方向指向双铰链支链，由笛卡尔坐标系的右手定则可得x轴方向；

设刀尖顶点的初始位置为点p，刀具与刀具平板固定处的初始位置为点o，运动时间t后，刀尖顶点的位置为点p

式(2)中：y

因此刀具运动轨迹的理论方程为：

双铰链支链弯曲时轴向方向上的弯曲位移量y

y

单铰链支链弯曲时轴向方向上的弯曲位移量y

y

式(4)和式(5)中：l

将刀尖形成的运动轨迹方程表达式整理为：

本发明的在激励源数量较少的情况下实现了刀具的空间三维振动，在保证装置高质量、高效率加工的同时，降低了使用成本。调整激励源的输入大小以及单铰链支链、双铰链支链的几何参数，即可产生不同尺寸的三维振动轨迹，控制策略简单的同时，还易于获得优良的切削性能。装置整体各部分之间均采用螺栓连接，结构简单，安装、拆卸方便。

附图说明

图1是单激励三维振动切削装置的结构示意图(前)。

图2是单激励三维振动切削装置的结构示意图(后)。

图3是柔性铰链并联结构去掉固定螺栓及紧固螺钉后的示意图。

图4是固定底座的结构示意图。

图5是固定法兰盘的结构示意图。

图6是0时刻装置结构的简化示意图。

图7是t时刻刀具平面的变化示意图。

图8是0时刻至t时刻，刀具平面运动过程的分解示意图。

图9是t时刻双铰链支链的结构变化示意图。

图10是t时刻单铰链支链的结构变化示意图。

图11是代入具体参数后刀尖运动轨迹的理论结果。

图12是有限元仿真分析后刀尖运动轨迹的仿真结果。

图13是压电陶瓷换能器(BRANSON 2000bdc型功率发生器)的结构示意图。

图14为图13的另一方向的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的单激励三维振动切削装置，包括：立板以及与立板平行设置的刀具平板，

在所述的立板与刀具平板之间设置有柔性单铰链支链、柔性双铰链支链和激励支链；其中，所述的单铰链支链、双铰链支链和激励支链不在一条直线上。在实际使用和设计过程中，可以根据需要设计单铰链支链、双铰链支链和激励支链之间的位置关系以及刀具在刀具平板的上位置。

本发明利用单铰链支链、双铰链支链和激励支链的控制实现了刀具的空间三维振动，在保证装置高质量、高效率加工的同时，降低了使用成本。

同时调整激励源的输入大小以及单铰链支链、双铰链支链的几何参数，即可产生不同尺寸的三维振动轨迹，控制策略简单的同时，还易于获得优良的切削性能。

实施例1

作为本发明实施例，所述的单铰链支链、双铰链支链和激励支链呈正三角形排列，所述的刀具平板为与其相适配的正三角形。刀具平板的形状并无具体限制，但从机构的加工难度高低、固有频率大小以及理论轨迹方程推导的难易等方面考虑，正三角形是最优的选择，故以下本发明均以此方式为例进行说明。

实施例2

在上述实施例基础上，作为本发明实施例进一步地改进，所述的激励支链由压电陶瓷换能器和一体连接变幅杆组成。

实施例3

作为本发明实施例进一步地变形，所述的激励支链包括：在所述的立板背部设置有压电陶瓷换能器；在所述的立板上对应压电陶瓷换能器设置有通孔；

一变幅杆，一端穿过通孔连接在压电陶瓷换能器上；另一端设置在刀具平板上。

这种结构可以应用于压电陶瓷换能器体积较大时所采用。

实施例4

在上述实施例基础上，在所述的立板上和/或刀具平板上对应单铰链支链、双铰链支链和激励支链的端部设置有定位凹槽，单铰链支链、双铰链支链和激励支链的端部通过螺栓固定在定位凹槽内。这种结构方式有利于各支链的装配。

实施例5

在上述实施例基础上，在所述的刀具平板的中心处设置有刀具卡座。刀具卡固在刀具卡座内。

实施例6

在上述实施例基础上，本实施例为一最佳实施例，包括柔性铰链并联结构1、压电陶瓷换能器2、固定底座3、固定法兰盘4及固定螺栓、固定螺母、紧固螺钉，如图1和图2所示。

柔性铰链并联结构1包含刀具5、刀具平板6、变幅杆凸台7、单铰链支链8、双铰链支链9，如图3所示。刀具平板6的形状为相邻边之间由圆弧连接的正三角形，刀具5在刀具平板6上的垂直投影点处于该正三角形的中心位置。刀具平板6上还开有成正三角形分布但直径不同的凹槽，以方便与变幅杆凸台7、单铰链支链8、双铰链支链9的嵌合。两条柔性铰链支链的横截面均为大小相同的正方形，且整体几何尺寸与铰链圆半径大小均相同。铰链两端开有圆柱形凸台，用于与刀具平板6上所开的凹槽进行嵌合。圆柱形凸台上开有螺栓孔，通过固定螺栓14、15与刀具平板6相连接，通过固定螺栓22、24与固定底座3相连接。刀具平板6通过紧固螺栓12与压电陶瓷换能器2固连，并固定住变幅杆凸台7。

压电陶瓷换能器的选配可以根据设计需要进行选择。图13和14所示，为BRANSON(必能信)2000bdc型超声波发生器所配套的一款压电陶瓷换能器，用于提供输入激励，如图所示，其包含后盖板、压电陶瓷堆201、前盖板、法兰盘202、变幅杆203、紧固螺栓等。固定底座3包含竖直固定立板10、底板11，如图4所示。底板11的上表面开有带螺钉孔的长方形卡槽，竖直固定立板10放在卡槽中，并通过紧固螺钉与底板11相连。竖直固定立板10上开有直径大于压电陶瓷换能器变幅杆但小于压电陶瓷换能器法兰盘的通孔，同时周围开有成环形分布的螺栓通孔。装置整体通过紧固螺母13、25与机架相连。

固定法兰盘4由半圆形圆环27、28组成，圆环两端均加工出延伸的凸台，凸台上开有螺栓孔，如图5所示。半圆形圆环27、28之间通过紧固螺栓23、26连接，圆环上也开有螺栓孔，固定法兰盘4通过固定螺栓16、17、18、19、20、21将压电陶瓷换能器2固连在固定底座3上。

利用所述的单激励三维振动切削装置产生空间三维振动轨迹的方法：

定义O-xyz坐标系，原点O位于两柔性铰链支链连线的中点上，z轴方向垂直于刀具平板6向外，与刀具5的指向方向平行，y轴方向指向双铰链支链9，由笛卡尔坐标系的右手定则可得x轴方向，初始时刻装置整体可简化为图6所示结构，AA'表示压电陶瓷换能器，BB'表示双铰链支链，CC′表示单铰链支链。

压电陶瓷换能器2通电后，通过逆压电效应将电能转化为机械能，变幅杆振动产生输出位移，并通过变幅杆凸台7传递至刀具平板6上，产生的输出位移大小为：

式(1)中，y

当压电陶瓷驱动器产生输入时，刀具平板受力矩作用倾斜，两柔性铰链支链发生弯曲。设双铰链支链在z轴方向上的弯曲量为y

因为刀具5固连在刀具平板6上且自身视为刚体，所以对点p的轨迹求解可转为对固连点o的轨迹求解。对刀尖运动轨迹进行分解，如图8所示。按ABC-A

刀具平面从ABC变化至A

刀具平面从A

刀具平面从A

根据式(1)整理可得：

（6）

由于θ

将式(7)、式(8)代入式(6)后可得：

即刀尖运动轨迹方程表达式为：

双铰链支链弯曲时，如图9所示。点A

y

单铰链支链弯曲时，如图10所示。点A

y

式(7)、式(8)中：l

将式(11)、式(12)代入式(10)，刀尖形成的运动轨迹方程表达式整理为：

双轴直圆柔性铰链的转角大小与所受弯矩、铰链材料的弹性模量、铰链圆半径及铰链径宽比有关。对于材料、横截面形状、整体尺寸均相同的单铰链支链、双铰链支链而言，只需要改变其铰链半径大小即可实现不同的三维运动轨迹。

将具体参数值代入式(13)，可得刀尖运动轨迹的理论结果，如图11所示。刀尖运动轨迹的有限元仿真结果，如图12所示。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。