一种铰链串联式椭圆振动切削柔性装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于微纳与超精密制造以及难切削材料复杂光学零件加工技术领域， 特别是涉及一种铰链串联式椭圆振动切削柔性装置。
【背景技术】
[0002] 随着科技发展，近年来一些精密器械应用中对于精密零件的精度要求也逐渐提 高，但是传统的机械加工方式的局限，导致了零件的精度无法发生质的变化，金刚石刀具的 出现在一定程度上缓解了这种困境，但是金刚石刀具对于一些含铁金属的加工，其优势不 能得到很好的体现，一些特殊的机械加工方式应运而生，振动切削有效利用了机械加工过 程中振动的特点，将缺陷加以利用，其独特的间歇性切削方式有效避免了金刚石刀具的快 速磨损，延长了刀具的使用寿命，增大了难加工材料的临界切削深度，提高了材料加工效率 和零件加工精度。
[0003] 振动切削于1966年成功应用在难加工材料的切削而受到全世界学者的广泛关 注，后称为一维振动切削，因为其刀具只在一个方向上往复运动，从而导致了一维振动切削 中刀具后刀面对已加工工件表面形成熨压，加速了刀具的磨损，古屋大学的社本英二教授 等人于1993年首次提出椭圆振动切削（Elliptical Vibration Cutting)的概念，也称二 维振动切削，刀具的刀尖形成高频的椭圆运动，其间歇的运动方式和摩擦力逆转特点可以 很大程度上延长刀具寿命，社本英二教授对一些难加工材料进行了相关试验，例如硬质合 金等，研究的结果表明，椭圆振动切削可以抑制加工过程中的颤振，很大程度上减小了切削 力，减少刀具磨损，延长刀具寿命，提高零件的表面加工质量，对于脆性材料可以实现延展 性切削等。
[0004] 国内外目前针对椭圆振动切削的研究主要有日本的神户大学和名古屋大学，德国 的Bremen大学，美国North Carolina大学和西北大学，新加坡国立大学，国内的吉林大学， 北京航空航天大学，香港理工大学，厦门大学，河南理工大学等。研究涉及到的主要有椭圆 振动切削装置，椭圆振动切削路径，椭圆振动切削控制，椭圆振动切削难加工材料塑脆转变 性能，椭圆振动切削微沟槽加工性能等。
[0005] 椭圆振动切削装置的研究主要分为压电片换能器超声振动型装置和压电驱动柔 性铰链型非共振型装置。前者属于共振型装置，其主要的特点是在加工的过程中能够实现 较高的频率，根据目前资料统计，椭圆振动切削加工频率最高可达到60KHz，但是共振型的 椭圆振动切削装置也存在一些内在的缺陷，例如在加工过程中需要根据装置本身的固有频 率实现共振，进而进行切削加工，这样一来，加工的频率就不可调整，同时各阶振型之间容 易产生耦合，控制的难度较大，所以在装置的设计方面，非共振型椭圆振动切削装置逐渐受 到研究人员的关注，非共振型椭圆振动切削装置一般是由压电叠堆驱动柔性铰链而成，柔 性铰链的形状、尺寸大小以及分配方式都对椭圆振动切削的效果有所影响。根据柔性铰链 的分配方式来合成金刚石刀尖的椭圆轨迹，目前设计的椭圆振动切削装置可以生成二维的 椭圆运动轨迹和三维的椭圆运动轨迹，不同的轨迹可以加工的范围不同，椭圆振动切削非 共振型装置根据目前的文献记载，由柔性铰链并联式和柔性铰链串联式两种。
[0006] 目前已有的非共振椭圆振动切削装置专利可查的有：专利（CN102078967A)提及 的一种混频三维椭圆振动切削方法，采用的是并联式的柔性铰链，采用压电叠堆进行驱动， 该并联式装置由于其各个运动轴之间呈直角分布，容易产生运动耦合，控制起来很困难。专 利（CN102059575A)提及的椭圆切削装置，采用的是串联式的柔性铰链，但是在设计过程 中，动部件的质量较大，难以实现高频切削，参数调整的范围有限，对于可匹配加工的机床 要求较高，不具有普遍性。专利（CN102371359A)提及的一种三维椭圆振动切削装置也同样 具有上述局限。
[0007] 综上所述，现有的非共振椭圆振动切削装置还存在着一些不足，因此必须针对这 些不足之处，研究并提出一种新的椭圆振动切削装置，以实现金刚石切削各种难加工材料 及不同面型的需求，获得切削加工最佳的性能。
【发明内容】
[0008] 本实用新型提供一种铰链串联式椭圆振动切削柔性装置，从而实现难加工材料的 超精密切削加工。
[0009] 本实用新型采取的技术方案是：金刚石刀具安装在采用一体式加工的串联柔性铰 链中孔一处，Y向压电叠堆由串联柔性铰链中孔十一内的预紧螺钉连接，Z向压电叠堆由装 置底座中孔六内的预紧螺钉连接，位移测量挡板通过紧固螺钉安装在串联柔性铰链中孔二 上，位移传感器夹座通过紧固螺钉与串联柔性铰链中孔五A和孔五B联接，压电叠堆顶板通 过紧固螺钉与串联柔性铰链中孔四A，孔四B，孔四C，孔四D联接，串联柔性铰链由紧固螺 钉通过孔三A，孔三B，孔三C，孔三D分别与装置底座上的孔十A，孔十B，孔十C，孔十D 联接，电容式位移传感器一安装在位移传感器夹座上，电容式位移传感器二安装在装置底 座的孔七上，并由紧固螺钉通过孔八进行固定。
[0010] 本实用新型的串联柔性铰链上的Y向柔性铰链与Z向柔性铰链一和Z向柔性铰链 二采取串联的配置方式，每一部分柔性铰链包含的四个小分支间成平行四边形排列。
[0011] 本实用新型的装置底座上有四个用于与机床连接的孔九。
[0012] 本实用新型的优点的是结新颖，串联式椭圆振动切削柔性装置的串联柔性铰链由 线切割一次加工成型，整体结构相对简单，易于制造，且很大程度上减小了由于装配造成的 误差，柔性装置的体积小，质量小，易于实现柔性装置的高频加工；串联柔性铰链中的柔性 铰链全部采用平行四边形柔性铰链，能够充分保证运动的单向性，柔性装置可以通过装置 底座上四个孔安装在任一机床上，适用性较强；由Z向和Y向压电叠堆驱动，采取的是非共 振的方式，椭圆参数可以由压电叠堆驱动信号来进行调整空间椭圆的位置，该两个压电叠 堆驱动分别驱动独立的柔性铰链，相互之间不存在耦合，能够实现柔性装置较高的控制精 度。
【附图说明】
[0013] 图1是本实用新型的结构示意图；
[0014] 图2是本实用新型的结构示意图；
[0015] 图3是本实用新型串联柔性铰链的结构示意图；
[0016] 图4是本实用新型装置底座的结构不意图；
[0017] 图5是本实用新型压电叠堆顶板的结构示意图；
[0018] 图6是本实用新型椭圆运动轨迹参数调整图；
[0019] 图7是本实用新型的控制原理框图。
【具体实施方式】
[0020] 金刚石刀具3安装在采用一体式加工的串联柔性铰链2中孔一 201处，Y向压电叠 堆5由串联柔性铰