一种硬脆材料微细切削加工系统的制作方法

本实用新型属于材料加工技术领域，具体涉及一种硬脆材料微细切削加工系统。

背景技术：

随着科学应用技术的快速发展，许多硬脆材料由于具有优于普通材料的优异性能，使其在航空航天等领域得到越来越广泛的应用。

在硬脆材料中，较具代表性的有石英玻璃、碳化硅、硅及陶瓷等，相比于普通材料而言，它们均具有高硬度、高热导率、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化腐蚀及低热膨胀系数的优点。但是，由于硬脆材料自身具有硬脆性的特点，导致常规的切削加工非常困难。

近年来，有学者经研究证实：可以在微小尺度实现这些材料的塑性域切削加工，即当切削深度小于该材料的塑脆转变的临界切削深度时，可实现类似于常规金属材料一样的塑性切削加工，能大大降低表面缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种硬脆材料微细切削加工系统，解决了对硬脆材料塑性域微细切削加工困难的问题，实现了不同的硬脆材料在其塑性域的微细切削加工。

本实用新型所采用的技术方案是，一种硬脆材料微细切削加工系统，由机械-检测一体化系统及控制系统经连接构成；机械-检测一体化系统，包括有机身主体，机身主体由水平设置的机座和垂直连接于机座上表面上的立柱构成；机座的上表面上设置有X轴方向进给单元，X轴方向进给单元上连接有Y轴方向进给单元，Y轴方向进给单元上设置有XY平面微调平单元，XY平面微调平单元的上设置有工作台；立柱上分别设置有Z轴方向进给单元、主轴单元，且Z轴方向进给单元与主轴单元连接；X轴方向进给单元、Y轴方向进给单元及XY平面微调平单元均通过拖链b与控制机构连接，Z轴方向进给单元、主轴单元均通过拖链a与控制机构连接。

本实用新型的特点还在于：

控制机构，包括有计算机，计算机分别通过导线与X轴方向进给单元、Y轴方向进给单元、Z轴方向进给单元连接；计算机还分别通过导线与一维微纳米移动平台用驱动控制电源、机械封装式压电陶瓷驱动电源及电机驱动电源连接；一维微纳米移动平台用驱动控制电源通过导线与Z轴方向进给单元连接，机械封装式压电陶瓷驱动电源通过导线与XY平面微调平单元连接，电机驱动电源分别通过导线与X轴方向进给单元、Y轴方向进给单元、Z轴方向进给单元及主轴单元连接；上述用到所有导线分成两部分：一部分导线设置于拖链a中，作为控制机构与Z轴方向进给单元及主轴单元的连接线，另一部分导线设置于拖链b内，作为控制机构与X轴方向进给单元、Y轴方向进给单元及XY平面微调平单元之间的连接线。

X轴方向进给单元，包括有横向进给托架；横向进给托架，包括有矩形横向支撑板，且矩形横向支撑板在机座的上表面上沿X轴方向固定设置；在矩形横向支撑板的上表面上靠近两相对的长边处各设置一条X轴精密导轨，矩形横向支撑板的一长侧面上设置有X轴方向精密光栅尺内的标尺光栅；矩形横向支撑板上表面上两相对短边上各垂直设置一个轴承座a，两个轴承座a的轴孔之间连接有X轴方向精密滚珠丝杠；X轴方向精密滚珠丝杠的一端通过X轴进给联轴器与X轴伺服电机连接，X轴伺服电机与电机驱动电源连接，X轴伺服电机固定于马达座a上，马达座a固定于机座的上表面，且马达座a与一个轴承座a连为一体；X轴方向精密滚珠丝杠上套接有X轴方向滚珠丝杠螺母，X轴方向滚珠丝杠螺母的螺母座与竖直设置的X轴拖板连为一体，X轴拖板的上部与Y轴方向进给单元连接，X轴拖板的下部与滑块a连接，且滑块a能在两条X轴精密导轨上滑动，X轴拖板上设置有X轴光栅读数头支座a，X轴方向精密光栅尺内的光栅读数头设置于X轴光栅读数头支座a上，且X轴方向精密光栅尺内的光栅读数头与计算机连接；由X轴伺服电机通过X轴进给联轴器把转动传递给X轴方向精密滚珠丝杠一起转动，X轴方向精密滚珠丝杠的转动通过X轴方向滚珠丝杠螺母转变为X轴拖板沿两条X轴精密导轨在X轴方向精密直线进给，X轴方向精密光栅尺内的标尺光栅和光栅读数头相互配合，实现对X轴方向进给量进行检测。

Y轴方向进给单元，包括有纵向进给托架；纵向进给托架，包括有固定于X轴拖板上部的矩形纵向支撑板，且矩形纵向支撑板与横向进给托架垂直；在矩形纵向支撑板的上表面上靠近两相对的长边处各设置一条Y轴精密导轨，矩形纵向支撑板的一长侧面上设置有Y轴方向精密光栅尺内的标尺光栅；矩形纵向支撑板两相对短边上各垂直设置一个轴承座b，两个轴承座b的轴孔之间连接有Y轴方向精密滚珠丝杠；Y轴方向精密滚珠丝杠的一端通过Y轴进给联轴器与Y轴伺服电机连接，Y轴伺服电机与电机驱动电源连接，且Y轴伺服电机设置于马达座b上，马达座b设置于矩形纵向支撑板上且马达座b与一个轴承座b连为一体；Y轴方向精密滚珠丝杠上套接有Y轴方向滚珠丝杠螺母，Y轴方向滚珠丝杠螺母的螺母座与竖直设置的Y轴拖板连为一体，Y轴拖板的上部设置有XY平面微调平单元，Y轴拖板的下部连接滑块b，滑块b能在两条Y轴精密导轨上滑动；Y轴拖板上设置有光栅读数头支座b，Y轴方向精密光栅尺内的光栅读数头设置于光栅读数头支座b上，Y轴方向精密光栅尺内的光栅读数头与计算机连接；由Y轴伺服电机通过Y轴进给联轴器把转动传递给Y轴方向精密滚珠丝杠一起转动，Y轴方向精密滚珠丝杠的转动通过Y轴方向滚珠丝杠螺母转变为Y轴拖板沿两条Y轴精密导轨在Y轴方向精密直线进给，Y轴方向精密光栅尺内的标尺光栅和光栅读数头相互配合，用于对Y轴方向进给量进行检测。

XY平面微调平单元，包括有调平柔性铰链，工作台设置于调平柔性铰链上；调平柔性铰链内设置有两个机械封装式压电陶瓷，且每个机械封装式压电陶瓷均与机械封装式压电陶瓷驱动电源连接，分别驱动两个机械封装式压电陶瓷能产生微位移，用以实现XY平面相对水平。

机械封装式压电陶瓷的型号为PST150VS250。

工作台，包括有工作台主体，工作台主体的上表面保持水平，且在工作台主体的上表面上设置有用于夹持待加工工件的夹具。

Z轴方向进给单元，包括有两条Z轴精密导轨，且两条Z轴精密导轨分别固定于立柱一侧面上两相对的侧边处，Z轴方向精密光栅尺内的标尺光栅靠近一条Z轴精密导轨设置；两条Z轴精密导轨之间平行的架设有一根Z轴方向精密滚珠丝杠，Z轴方向精密滚珠丝杠的一端通过Z轴进给联轴器连接Z轴伺服电机，Z轴伺服电机与电机驱动电源连接，Z轴伺服电机设置于马达座c上，马达座c固定于立柱上；Z轴方向精密滚珠丝杠上套接有Z轴方向滚珠丝杠螺母，Z轴方向滚珠丝杠螺母的螺母座与竖直设置的Z轴拖板连接，Z轴拖板的下部连接滑块c，且滑块c能在两条Z轴精密导轨上滑动；Z轴拖板上设置有光栅读数头支座c，Z轴方向精密光栅尺内的光栅读数头设置于光栅读数头支座c上，Z轴方向精密光栅尺内的光栅读数头与计算机连接；Z轴伺服电机通过Z轴进给联轴器把转矩传递给Z轴方向精密滚珠丝杠，Z轴方向精密滚珠丝杠的转动通过Z轴方向滚珠丝杠螺母转变为Z轴拖板沿Z轴精密导轨的Z轴方向精密直线移动进给；Z轴拖板上设置有延伸块，且在延伸块上设置有一维微纳米移动平台，用于实现Z轴方向的微纳米进给，Z轴精密光栅尺内的标尺光栅和光栅读数头相互配合用于实现对Z轴方向进给量进行检测；一维微纳米移动平台分别与主轴单元、一维微纳米移动平台用驱动控制电源连接。

主轴单元，包括有主轴电机安装架，主轴电机安装架的一侧端面与一维微纳米移动平台连接，且主轴电机安装架的上表面上设置有主轴电机，主轴电机安装架的下表面的中央通过刀柄连接刀具，且主轴电机通过驱动轴与刀柄连接，主轴电机能通过刀柄把转矩传递给刀具。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型一种硬脆材料微细切削加工系统，能实现硬脆材料在其微纳米尺度的塑性域切削加工，为硬脆材料的切削加工提供了一种良好的方法。

(2)本实用新型一种硬脆材料微细切削加工系统，能实现传统的微纳米压痕、划痕试验。

(3)本实用新型一种硬脆材料微细切削加工系统，能为高度数控化加工硬脆材料提供良好的理论基础和试验平台。

附图说明

图1是本实用新型一种硬脆材料微细切削加工系统的结构示意图；

图2是本实用新型一种硬脆材料微细切削加工系统内部的电路连接示意图；

图3是本实用新型一种硬脆材料微细切削加工系统内X轴方向进给单元与Y轴方向进给单元的结构示意图；

图4是本实用新型一种硬脆材料微细切削加工系统内Z轴方向进给单元的结构示意图。

图中，1.计算机，2.一维微纳米移动平台用驱动控制电源，3.机械封装式压电陶瓷驱动电源，4.电机驱动电源，5.机座，6.X轴伺服电机，7.X轴进给联轴器，8.横向进给托架，9.Y轴进给联轴器，10.Y轴伺服电机，11.X轴方向精密光栅尺，12.X轴拖板，13.X轴精密导轨，14.X轴方向滚珠丝杠螺母，15.X轴方向精密滚珠丝杠，16.Y轴方向精密滚珠丝杠，17.Y轴精密导轨，18.Y轴方向滚珠丝杠螺母，19.Y轴方向精密光栅尺，20.纵向进给托架，21.Y轴拖板，22.机械封装式压电陶瓷，23.调平柔性铰链，24.工作台主体，25.夹具，26.待加工工件，27.拖链a，28.Z轴精密导轨，29.立柱，30.Z轴伺服电机，31.Z轴进给联轴器，32.Z轴方向精密滚珠丝杠，33.Z轴方向滚珠丝杠螺母，34.Z轴方向精密光栅尺，35.Z轴拖板，36.延伸块，37.一维微纳米移动平台，38.主轴电机，39.主轴安装架，40.刀柄，41.刀具，42.拖链b，43.光栅读数头支座a，44.光栅读数头支座b，45.马达座a，46.马达座b，47.滑块a，48.滑块b，49.轴承座a，50.轴承座b，51.马达座c，52.光栅读数头支座c，53.滑块c。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种硬脆材料微细切削加工系统，其结构如图1所示，由机械-检测一体化系统及控制系统经拖链a27、拖链b42连接构成。

机械-检测一体化系统，包括有机身主体，机身主体由水平设置的机座5和垂直连接于机座5上表面上的立柱29构成；机座5的上表面上设置有X轴方向进给单元，X轴方向进给单元上连接有Y轴方向进给单元，Y轴方向进给单元上设置有XY平面微调平单元，XY平面微调平单元的上设置有工作台；立柱29上分别设置有Z轴方向进给单元、主轴单元，且Z轴方向进给单元与主轴单元连接；X轴方向进给单元、Y轴方向进给单元及XY平面微调平单元均通过拖链b42与控制机构连接，Z轴方向进给单元、主轴单元均通过拖链a27与控制机构连接。

X轴方向进给单元以可拆卸的方式与机座5连接，Y轴方向进给单元以可拆卸的方式与X轴方向进给单元连接。Z轴方向进给单元和主轴单元均以可拆卸的方式与立柱29连接。

其中，机座5和立柱29采用花岗岩加工而成。

控制系统，如图1及图2所示，包括有计算机1，计算机1分别通过导线与X轴方向进给单元、Y轴方向进给单元、Z轴方向进给单元连接；计算机1还分别通过导线与一维微纳米移动平台用驱动控制电源2、机械封装式压电陶瓷驱动电源3及电机驱动电源4连接；一维微纳米移动平台用驱动控制电源2通过导线与Z轴方向进给单元连接，机械封装式压电陶瓷驱动电源3通过导线与XY平面微调平单元连接，电机驱动电源4分别通过导线与X轴方向进给单元、Y轴方向进给单元、Z轴方向进给单元及主轴单元连接；上述用到所有导线分成两部分：一部分导线设置于拖链a27中，作为控制机构与Z轴方向进给单元及主轴单元的连接线，另一部分导线设置于拖链b42内，作为控制机构与X轴方向进给单元、Y轴方向进给单元及XY平面微调平单元之间的连接线。

X轴方向进给单元，如图1及图3所示，包括有横向进给托架8；横向进给托架8，包括有矩形横向支撑板，且矩形横向支撑板在机座5的上表面上沿X轴方向固定设置；在矩形横向支撑板的上表面上靠近两相对的长边处各设置一条X轴精密导轨13，矩形横向支撑板的一长侧面上设置有X轴方向精密光栅尺11内的标尺光栅，矩形横向支撑板上表面上两相对短边上各垂直设置一个轴承座a49，两个轴承座a49的轴孔之间连接有X轴方向精密滚珠丝杠15；X轴方向精密滚珠丝杠15的一端通过X轴进给联轴器7与X轴伺服电机6连接，X轴伺服电机6与电机驱动电源4连接，X轴伺服电机6固定于马达座a45上，马达座a45固定于机座5的上表面，且马达座a45与一个轴承座a49连为一体；X轴方向精密滚珠丝杠15上套接有X轴方向滚珠丝杠螺母14，X轴方向滚珠丝杠螺母14的螺母座与竖直设置的X轴拖板12连为一体，X轴拖板12的上部与Y轴方向进给单元连接，X轴拖板12的下部与滑块a47连接，且滑块a47能在两条X轴精密导轨13上滑动，X轴拖板12上设置有X轴光栅读数头支座a43，X轴方向精密光栅尺11内的光栅读数头设置于X轴光栅读数头支座a43上，且X轴方向精密光栅尺11内的光栅读数头与计算机1连接；由X轴伺服电机6通过X轴进给联轴器7把转动传递给X轴方向精密滚珠丝杠15一起转动，X轴方向精密滚珠丝杠15的转动通过X轴方向滚珠丝杠螺母14转变为X轴拖板12沿两条X轴精密导轨13在X轴方向精密直线进给，X轴方向精密光栅尺11内的标尺光栅和光栅读数头相互配合，实现对X轴方向进给量进行检测。

如图1及图3所示，马达座a45呈立方体状框架状，质量较轻，马达座a45的底部能固定于机座5的上表面上，马达座a45内部用于容纳X轴进给联轴器7并将X轴伺服电机6固定。

X轴方向精密光栅尺11为KA300系列精密光栅尺，主要由标尺光栅和光栅读数头组成，且在光栅读数头内设置有指示光栅。

Y轴方向进给单元，如图1及图3所示，包括有纵向进给托架20；纵向进给托架20，包括有固定于X轴拖板12上部的矩形纵向支撑板，且矩形纵向支撑板与横向进给托架8垂直；在矩形纵向支撑板的上表面上靠近两相对的长边处各设置一条Y轴精密导轨17，矩形纵向支撑板的一长侧面上设置有Y轴方向精密光栅尺19内的标尺光栅；矩形纵向支撑板两相对短边上各垂直设置一个轴承座b50，两个轴承座b50的轴孔之间连接有Y轴方向精密滚珠丝杠16；Y轴方向精密滚珠丝杠16的一端通过Y轴进给联轴器9与Y轴伺服电机10连接，Y轴伺服电机10与电机驱动电源4连接，且Y轴伺服电机10设置于马达座b46上，马达座b46设置于矩形纵向支撑板上且马达座b46与一个轴承座b50连为一体；Y轴方向精密滚珠丝杠16上套接有Y轴方向滚珠丝杠螺母18，Y轴方向滚珠丝杠螺母18的螺母座与竖直设置的Y轴拖板21连为一体，Y轴拖板21的上部设置有XY平面微调平单元，Y轴拖板21的下部连接滑块b48，滑块b48能在两条Y轴精密导轨17上滑动；Y轴拖板21上设置有光栅读数头支座b44，Y轴方向精密光栅尺19内的光栅读数头设置于光栅读数头支座b44上，Y轴方向精密光栅尺19内的光栅读数头与计算机1连接；由Y轴伺服电机10通过Y轴进给联轴器9把转动传递给Y轴方向精密滚珠丝杠16一起转动，Y轴方向精密滚珠丝杠16的转动通过Y轴方向滚珠丝杠螺母18转变为Y轴拖板21沿两条Y轴精密导轨17在Y轴方向精密直线进给，Y轴方向精密光栅尺19内的标尺光栅和光栅读数头相互配合，用于对Y轴方向进给量进行检测。

马达座b46的结构与马达座a45的结构相同，均呈立方体框架状；马达座b46能固定于矩形纵向支撑板的一端上，马达座b46内部用于容纳Y轴进给联轴器9并能将Y轴伺服电机10固定住。

Y轴方向精密光栅尺19为KA300系列精密光栅尺，主要由标尺光栅和光栅读数头组成，且在光栅读数头内设置有指示光栅。

XY平面微调平单元，如图2及图3所示，包括有调平柔性铰链23，工作台设置于调平柔性铰链23上；调平柔性铰链23内设置有两个机械封装式压电陶瓷22，且每个机械封装式压电陶瓷22均与机械封装式压电陶瓷驱动电源3连接，分别驱动两个机械封装式压电陶瓷22能产生微位移，用以实现XY平面相对水平。

机械封装式压电陶瓷22的型号为芯明天PST150VS250。

工作台，如图1所示，包括有工作台主体24，工作台主体24的上表面保持水平，且在工作台主体24的上表面上设置有用于夹持待加工工件26的夹具25。

Z轴方向进给单元，如图1及图4所示，包括有两条Z轴精密导轨28，且两条Z轴精密导轨28分别固定于立柱29一侧面上两相对的侧边处，Z轴方向精密光栅尺34内的标尺光栅靠近一条Z轴精密导轨28设置；两条Z轴精密导轨28之间平行的架设有一根Z轴方向精密滚珠丝杠32，Z轴方向精密滚珠丝杠32的一端通过Z轴进给联轴器31连接Z轴伺服电机30，Z轴伺服电机30与电机驱动电源4连接，Z轴伺服电机30设置于马达座c51上，马达座c51固定于立柱29上；Z轴方向精密滚珠丝杠32上套接有Z轴方向滚珠丝杠螺母33，Z轴方向滚珠丝杠螺母33的螺母座与竖直设置的Z轴拖板35连接，Z轴拖板35的下部连接滑块c53，且滑块c53能在两条Z轴精密导轨28上滑动；Z轴拖板35上设置有光栅读数头支座c52，Z轴方向精密光栅尺34内的光栅读数头设置于光栅读数头支座c52上，Z轴方向精密光栅尺34内的光栅读数头与计算机1连接；Z轴伺服电机30通过Z轴进给联轴器31把转矩传递给Z轴方向精密滚珠丝杠32，Z轴方向精密滚珠丝杠32的转动通过Z轴方向滚珠丝杠螺母33转变为Z轴拖板35沿Z轴精密导轨28的Z轴方向精密直线移动进给；Z轴拖板35上设置有延伸块36，且在延伸块36上设置有一维微纳米移动平台37，用于实现Z轴方向的微纳米进给，Z轴精密光栅尺34内的标尺光栅和光栅读数头相互配合用于实现对Z轴方向进给量进行检测；一维微纳米移动平台37分别与主轴单元、一维微纳米移动平台用驱动控制电源2连接。

设置延伸块36的主要目在于：调整一维微纳米移动平台37的空间位置，以适应工件的加工需求主轴单元。

Z轴方向精密光栅尺34为KA300系列精密光栅尺，主要由标尺光栅和光栅读数头组成，且在光栅读数头内设置有指示光栅。

如图4所示，马达座c51呈板状结构，质量轻，马达座c51固定于立柱29上，用于支撑Z轴伺服电机30。

主轴单元，如图1及图4所示，包括有主轴电机安装架39，主轴电机安装架39的一侧端面与一维微纳米移动平台37连接，且主轴电机安装架39的上表面上设置有主轴电机38，主轴电机安装架39的下表面的中央通过刀柄40连接刀具41，且主轴电机38通过驱动轴与刀柄40连接，主轴电机38能通过刀柄40把转矩传递给刀具41。

X轴精密光栅尺11、Y轴精密光栅尺19、Z轴精密光栅尺34测得的位移均传送至计算机1内，计算机1分别按照加工要求控制电机驱动电源4驱动X轴伺服电机6、Y轴伺服电机10及Z轴伺服电机30，最终实现X轴、Y轴、Z轴三个方向进给，Z轴方向的微纳米进给由计算机1控制一维微纳米移动平台用驱动控制电源2驱动一维微纳米移动平台37实现，主轴电机38的控制根据加工要求由计算机1控制电机驱动电源4实现。

利用一种硬脆材料微细切削加工系统对硬脆材料进行切削加工的方法：分别启动计算机1、电机驱动电源4及一维微纳米移动平台用驱动控制电源2；根据待加工工件26的尺寸及加工尺寸要求编写刀具41相对于待加工工件26的行走进给轨迹加工程序代码，并将该行走进给轨迹加工程序代码输送至计算机1内；将待加工工件26在夹持于夹具25内；利用计算机1控制电机驱动电源4分别驱动X轴伺服电机6、Y轴伺服电机10及Z轴伺服电机30进行工作，并根据工件尺寸加工要求调整待加工工件26相对于刀具41的位置，以实现对刀；利用计算机1内输入的待加工工件26的行走进给轨迹加工程序代码控制电机驱动电源4，利用电机驱动电源4分别驱动X轴伺服电机6、Y轴伺服电机10、Z轴伺服电机30及主轴电机38工作，同时控制一维微纳米移动平台用驱动控制电源2驱动一维微纳米移动平台37实现微纳米进给，最终完成待加工工件26轮廓表面微细切削；关闭计算机1、电机驱动电源4及一维微纳米移动平台用驱动控制电源2，取出夹具25内加工好的工件，清理机床，完成对硬脆材料的切削加工。

本实用新型一种硬脆材料微细切削加工系统，使用起来非常方便，能实现不同的硬脆材料在其塑性域微细切削加工。