专利名称：一种微量进给刀具及其方法
技术领域：
本发明属于机械加工领域，特指一种获取微量进给的方法及其微进给刀具，用于 超精密加工中，可提高机床微量进给的分辨率，实现超精密机床的超薄切削、高精度尺寸加工。
背景技术：
微量进给刀具需要配备一套微进给装置。微进给装置是一种能产生微米、亚微米 级进给的装置，它在精密加工，精密测量中得到广泛的应用。微进给装置按其工作原理大致 有机械传动式、弹性变形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式、电致伸缩式、形状记忆 合金等类型。根据精密加工和精密测量的要求，仅有弹性变形式和电致伸缩式微进给机构 比较适用。一种性能优良的微进给装置应满足下列性能要求(1)微进给行程大、精度高、分辨率高。(2)输入与输出的线性度高。(3)运动部件摩擦力小、稳定性高，重复精度高。(4)刚度高。动态特性好，具有高的频率响应。(5)可以实现自动控制。(6)制造工艺性好成本低。现有的微进给装置与刀具的连接都存在中间的机构，如弹性铰链、特制的刀架等， 使整套装置的结构变得复杂，同时由于部件之间还存在弹性接触，接触变形的非线性特性 会导致微位移的输出特性的不确定性，使位移输出的控制变得困难。代表当今精密机床最 高水平的美国LLL实验室的大型光学金刚石精密车床，它的微进给刀具采用了电致伸缩式 微进给机构，整个刀具由压电伸缩传感器、支承弹性薄膜、差动电容侧微仪、基体和微位移 传动部件组成，其分辨率可以达到2. 5纳米，响应频率很高。但由于不是直接驱动刀具，刀 具与压电伸缩传感器中间传动机构，并且压电晶体本身存在输入电压与微位移的非线性关 系和较大的蠕变，因此需要有高精度的差动电容侧微仪来测量实际的微进给量，这使得微 进给刀具结构比较复杂，成本较高。中国专利CN02110784.X提供了一种基于热位移的微进 给系统，利用材料的热胀冷缩的原理提供微进给量，由热变形体直接驱动执行件，提高了进 给精度，但由于材料的热惯性较大，它的响应速度慢，因此只适用于位置控制，难于在其上 面安装刀具实现切削加工所需要的动作控制。本发明提出了一种具有微量进给功能的刀具，它能够将微进给装置与刀具合为一 体。由于不存在部件之间的接触，位移的输出可靠，重复性好。此外其结构简单可靠，能够直 接安装在现有机床的刀架上，进行精密的切削加工，可大幅度的提高现有机床的加工精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种进给具有微量进给功能的刀具，提高现有机床的加工精
3度。一种具有微量进给功能的刀具，由液压缸缸体、刀片、圆柱刀杆、连接凸台、连接油 管、高精度的侧微仪、调压阀和精密压力表组成。缸体的端面为薄壁端面，所述薄壁端面固 定连接刀片和圆柱刀杆与缸体为一整体，缸体侧面设有连接凸台，所述连接凸台的凸缘与 机床的刀架连接。缸体另一端与连接油管连接，所述连接油管连接精密压力表，精密压力表 与调压阀连接。所述高精度的侧微仪设于缸体的薄壁端面一侧。刀具的微量进给由充满液 压油的圆柱缸体薄壁端面变形直接提供，微量进给量的大小通过调整圆柱缸体内的液压油 的压力大小来实现。实现本发明的技术方案为本发明的刀具微进给量是通过缸体的薄壁端面弹性变形提供的，而产生变形的力 由缸体3内的液压油控制。为了获得一定行程的微进给量和足够的系统刚度，应严格控制 缸体薄壁端面壁厚h。将半径为r圆柱刀杆3直接与壁厚端面合为一体，刀片2通过螺钉1 固定在圆柱刀杆3上，这有利于中间的传动环节，提高了进给精度。为了不影响微进给总行 程，圆柱刀杆3的直径为缸体内径的1/2 1/3，端面壁厚h为缸体内径d的8% 10%。 缸体长度L对微进给总行程没影响，因此可以根据其它需要确定长度大小。在缸体侧面加 工出一个连接凸台4，通过夹紧连接凸台4以方便使其与机床的刀架连接。油压P、壁厚h， 圆柱刀杆半径r，材料弹性模量Ε、泊松比ν与微进给量之间存在下面的近似关系 利用这个近似关系式可以检验所设计薄壁端面缸体结构参数的合理性。本发明的薄壁缸体对材料的强度和稳定性有较高的要求。调质处理中低碳钢具有 价格便宜、强度较高，性能稳定等优点，可以将其作为制造薄壁缸体的材料。为了方便压力 油源的获取和保证薄壁缸体的强度，工作油压范围定为0 20MPa。连接油管6与缸体后端 连接，利用精密压力表，通过调压阀或其它压力控制装置来控制缸体内的油压。由于油压的 作用，端面薄壁将产生轴向微量变形，该微量变形直接传递到与之相连接的刀具上实现微 量进给。改变端面薄壁的结构参数h、d和油压P，可以得到所需的微进给总行程S和微进 给的最小分辨率。微进给量获取与控制方法与过程为(3)标定微进给刀具的灵敏系数C，将油压由0升高到最高油压的70%，利用高精 度的侧微仪(如电感侧微仪)测量出圆柱缸体前端的微进给量S，那么该微进给装置的灵敏 系数c = S/P。灵敏系数只要标定一次。(4)确定缸体内部油压的改变量Δ P，若需要提供的微进给量为Δ，那么只要通过 调压阀或其它装置将油压增加(或减少)ΔΡ = AS/c即可。本发明与其它微量进刀具的结构相比，具有以下优点(1)刚度高，能承受双向载荷。本发明的微进给刀具的刚度比电致伸缩微进给装置 或丝杠螺母式的微进给装置高1 2个数量级，无方向间隙，并且不受载荷方向的限制；(2)输入-输出线性度好。本发明利用了调质碳钢在弹性变形范围内变形与受力 大小成正比的特点，无滞后和蠕变现象，因此输入-输出具有很好的线性度，线性相关系数 高度99. 9999%，而目前常用的电致伸缩微进给装置的线性相关系数低于95% ；
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(5)行程大，分辨率高。通过适当提高油压，提高压力表精度，可以很容易满足微进 给工作行程20 μ m,分辨率0. 005 μ m的要求；(6)结构简单、成本低；(7)与现有机床的连接方便，不需要其它辅助元件。
下面结合附图对本发明进一步详细说明。图1为本发明的结构图。图中，1，螺钉；2，刀片；3，圆柱刀杆；4，连接凸台；5，密封圈；6，连接油管；7，缸体
具体实施例方式具体实施例详细说明如下如图1、2所示，由液压缸缸体7、刀片2、圆柱刀杆3、连接凸台4、连接油管6、高精 度的侧微仪、调压阀和精密压力表组成。缸体7的端面为薄壁端面，所述薄壁端面固定连接 刀片2和圆柱刀杆3与缸体7为一整体，缸体侧面设有连接凸台4，所述连接凸台4的凸缘 与机床的刀架连接。缸体7另一端与连接油管6连接，所述连接油管6连接精密压力表，精 密压力表与调压阀连接。所述高精度的侧微仪设于缸体7的薄壁端面一侧。本实施例的相 关功能参数具体如下缸体材料为45碳钢，调质处理缸体内径为d = 16mm紅体薄壁厚度h = 1. 5mm紅体的长度为L = 42. 5mm工作油压P = 0 20MP刀杆的半径为r = l/2d = 4mm其工作过程为如果需要微量切削的量为Δ，可以通过连接油管6向缸体的空腔中注入一定压力 的液压油使端面薄壁变形，这样与端面相连的刀具2可产生相应的进给量△，从而实现微 量进给。微进给机构的缸体7通过缸体侧面连接凸台4与机床的刀架连接。为了标定微进给刀具的灵敏系数c，将油压由0升高到14MPa，利用高精密的微进 给传感器(如电感微进给传感器)测量出圆柱缸体前端的微进给量为11. 2 μ m，那么该微进 给刀具的灵敏系数c = 11. 2μ /14MPa = 0. 8 μ m/MPa。如果需要提供4 μ m的微进给，只要通过调压阀或其它油压控制装置，将油压调高 5MPa即可。对于配有分辨率为0. 005MPa的精密压力表的系统，则该微进给刀具的分辨率 0. 004 μ m,即分辨率达到0. 005 μ m。
权利要求
一种微量进给刀具，其特征在于由液压缸缸体(7)、刀片(2)、圆柱刀杆(3)、连接油管(6)、高精度的侧微仪、调压阀和精密压力表组成；所述缸体(7)的端面为薄壁端面，所述薄壁端面固定连接刀片(2)和圆柱刀杆(3)与缸体(7)为一整体，缸体(7)另一端与连接油管(6)连接，所述连接油管(6)连接精密压力表，精密压力表与调压阀连接；所述缸体侧面设有连接凸台(4)，所述连接凸台(4)的凸缘与机床的刀架连接；所述高精度的侧微仪设于缸体(7)的薄壁端面一侧。
2.根据权利要求1所述的一种微量进给刀具，其特征在于所述圆柱刀杆(3)的直径 为在缸体内径d的1/2 1/3，薄壁厚度h为缸体内径d的8% 10%。
3.根据权利要求1所述的一种微量进给刀具，其特征在于所述缸体(7)内的液压油 工作油压范围P = 0 20MP ；薄壁缸体材料为中低碳钢，调质处理。
4.一种微量进给的方法，其特征在于微进给量的大小是通过以下两个步骤得到(1)标定微进给刀具的灵敏系数c，将油压由0升高到最高油压的70%，利用高精度的 侧微仪测量出薄壁端面前端的微进给量S，得到该微进给装置的灵敏系数c = S/P ；灵敏系 数只要标定一次。(2)确定缸体内部油压的改变量ΔP，通过调压阀将油压增加或减少ΔΡ= AS/c来提 供的微进给量为AS。
全文摘要
本发明用于超精密加工中，可提高机床微量进给的分辨率，在超精密机床上实现超薄切削、高精度尺寸加工。一种具有微量进给功能的刀具，它是将一个特制的缸体安装在刀架上，利用缸体在油压作用下端面薄壁微量弹性变形来提供所需的微进给量。通过精确控制缸体内的油压，可以得到精确的微进给量，实现相应的精密进给。这种具有微量进给功能的刀具将刀杆与具有微量进给功能的缸体做为一体，无中间传动件，具有结构紧凑，输入-输出线性度好，刚度高，能承受双向载荷，行程大，分辨率高，制造成本低，性能稳定，可实现自动控制等诸多特点，可以很容易满足微进给工作行程20μm，分辨率0.005μm的要求。
文档编号B23B27/00GK101920347SQ20101010767
公开日2010年12月22日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者张兵, 李尊栋, 沈春根, 王树林, 王贵成, 陈兴华 申请人:江苏大学