一种活轴掘进车削方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种活轴掘进车削方法及装置，属于超精密切削和复杂曲面切削领域。将一个工件装夹在一台超精密数控车床的主轴前端，将一台活轴掘进车削装置安装在所述的X轴溜板或Z轴溜板上，对该活轴掘进车削装置之两个活轴的驱动信号进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动。本发明专利技术优点是具有多元变参数切削特征，从而高效的实现难加工材料复杂曲面的高质量创成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超精密切削和光学零件切削加工等
，涉及一种活轴掘进车削方法及装置，适用于难加工材料自由曲面零件的高效高精密切削创成。
技术介绍
光学自由曲面和仿生微结构曲面等复杂零件在许多重要的工业领域有着广泛的应用需求，在大多数应用场合，这些复杂零件及其模具往往采用超硬刚、钛合金、碳化硅和金属陶瓷等难加工材料，这些复杂零件及模具的高质量加工创成已成为促进这些重要工业领域获得突破性进展的关键之一。单刃金刚石车削被认为是一种能够高效地获得复杂表面形貌和高质量加工表面的超精密加工方法，在此基础上发展出了基于快速刀具伺服(以下简称FTS)的金刚石车削、金刚石飞切、以及椭圆振动切削(以下简称EVC)等方法，具有非常好的发展前景。基于FTS的金刚石车削，在加工黑色金属等铁素类材料和碳化硅等硬脆性材料时，金刚石刀具易于磨损，在加工表面上易出现裂纹和破损等缺陷，难以获得高质量的加工表面特征。EVC已被证明可以有效地延长刀具寿命、减小切削力、改善难加工材料的切削加工性。但是，这些振动辅助切削方法，包括近期提出的三维EVC，还不能实现复杂曲面创成所需的刀具往复进给运动。目前为止见诸报道的实现难加工材料自由曲面创成的是日本学者 E. Shamoto及其合作者，他们于2010年10月在国际杂志《Precision Engineering))上撰文提出，在EVC中改变椭圆运动的幅值以实现难加工材料复杂曲面的切削，但该方法的主要缺陷在于其一，仅仅依靠改变椭圆的长短轴大小，难以创成具有较大“非回转对称性”的自由曲面；其二，改变椭圆长短轴将导致椭圆形状的变化，必将影响加工表面几何及物理特征；其三，在曲率变化不同的加工表面处，椭圆难以包络出残高相同的表面，加工完成的曲面表面质量不均勻，这一点在精密和超精密切削中显得尤为关键。
技术实现思路
本专利技术提供一种活轴掘进车削方法及装置，目的在于实现难加工材料自由曲面零件的超精密切削，本专利技术一种活轴掘进车削方法，包括下列步骤(1)将一个工件装夹在一台超精密数控车床的主轴前端，采用真空吸盘或专用夹具方式进行装夹，该超精密数控车床的运动包括主轴的回转运动、X轴溜板的横向进给运动和 Z轴溜板的纵向进给运动；(2)将一台活轴掘进车削装置安装在所述的Z轴溜板或Z轴溜板上，对该活轴掘进车削装置之两个活轴的驱动信号进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动。本专利技术所述的活轴掘进车削方法，其特征在于(1)所述的活轴掘进车削装置之两个活轴中的运动轴I驱动金刚石刀具在X-Z平面内实现两自由度高频摆动；(2)所述的活轴掘进车削装置之两个活轴中的运动轴II驱动金刚石刀具沿着Z轴进行快速往复运动，以完成创成复杂几何曲面所需的刀具快速往复运动，在该快速往复运动上叠加一个和运动轴I驱动的刀具摆动同频往复运动分量，辅助运动轴I驱动金刚石刀具生成掘进切削运动。本专利技术所述的活轴掘进车削方法，刀具快速掘进切削运动轨迹的确定及实现如下(1)获得待加工自由曲面的数学描述，生成加工该自由曲面所需的金刚石刀触点路径， 确定用于加工的掘进轨迹，如椭圆运动轨迹，类椭圆运动轨迹或其他复杂闭环运动轨迹；(2)根据所获得的金刚石刀触点路径及掘进轨迹，根据切削过程中刀尖路径轨迹与刀触点路径相切原则，确定金刚石刀具掘进切削运动的轨迹空间参数，以保证金刚石刀具掘进切削的刀尖运动轨迹与工件参与切削的部分包络创成所需的自由曲面；(3)根据所获得的金刚石刀尖路径轨迹及金刚石刀尖圆弧半径，确定金刚石刀位轨迹；(4)通过刀位轨迹检测跟踪伺服系统，获取主轴的回转脉冲，根据所获得的金刚石刀位轨迹、以及金刚石刀具掘进切削运动的轨迹参数，对掘进车削装置的两个运动轴进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动；(5)在超精密数控车床上，主轴作回转运动，溜板作横向进给运动和纵向进给运动，活轴掘进车削装置驱动金刚石刀具并实时跟踪金刚石的刀位轨迹、以及掘进切削运动轨迹， 实现难加工材料自由曲面的高质量车削创成。本专利技术所述的活轴掘进车削方法，刀位轨迹检测跟踪伺服系统包括(1)一个高精密旋转光栅编码器安装在主轴尾端以实时检测主轴转度Φ，两个直线光栅实时检测Z轴溜板和Z轴溜板的坐标位置，分别馈入一个多轴运动控制器；(2)两个高精密的电容位移传感器安装在活轴掘进车削装置上，以实时检测金刚石刀具沿/轴和^轴的位移，分别馈入一个多轴运动控制器；(3)利用闭环控制原理，根据多轴控制器的馈入量、以及期望的金刚石刀位轨迹和掘进切削轨迹，生成控制信号以驱动所述的活轴掘进车削装置的两个运动轴，以使金刚石刀具沿/轴和Z轴产生与X轴溜板和Z轴溜板同步的快速往复运动，实现金刚石刀位轨迹和掘进切削轨迹的高精度跟踪。本专利技术采用的活轴掘进车削装置，其结构是运动部分布置于OFZ平面内，摆动块与压电叠堆I直接接触，摆动块与压电叠堆I接触部后端有柔性铰链二，防止压电叠堆I在运动过程中受剪切力作用而发生破坏，金刚石刀具紧固在摆动块前端的刀座内，往复运动块与压电叠堆II直接接触，往复运动块通过一组平行柔性铰链三与支撑座连接，在一组平行柔性铰链三的导向作用下沿Z轴进行往复运动，压电叠堆II与压电叠堆I采用非同轴平行布置，分别形成FTS运动装置的运动轴I和运动轴II ；柔性铰链一连接往复运动块和摆动块起到旋转轴的作用；传感器支撑架与支撑座通过紧固螺栓七连接，其上的Z向凹槽和/向凹槽分别垂直于摆动块的运动端布置，凹槽用于固定电容传感器检测刀具的运动状态；楔形块预紧机构装置在支撑座的后部导向槽内，实现对压电叠堆II的微调与预紧，上楔块与下楔块采用面接触并具有自锁能力，预紧螺栓与支撑座螺纹连接、前端与下楔块顶接，预紧螺栓沿X向进给推动下楔块沿X向运动从而推动上楔块沿^向的微小移动实现对压电叠堆II的预紧动作，为了保证下楔块的逆向移动能力，采用弹簧对下楔块进行逆向预紧，弹簧一端与下楔块接触另一端安置在挡板的圆形凹槽内，挡板用紧固螺栓五、紧固螺栓六与支撑座固定连接；支撑座通过紧固螺栓一、紧固螺栓二、紧固螺栓三、紧固螺栓四与机床运动台实现连接。本专利技术之优点在于(1)本专利技术之车削方法创成自由曲面时，加工曲面不对称度的能力由刀具的快速往复运动保证，可实现具有较大不对称度的自由曲面创成；(2)本专利技术之车削方法，通过挖掘的方式实现断续切削，以完成难加工材料的延性去除，有效减小加工过程中的切削力，获得高表面质量和加工精度，显著减少刀具磨损，提高刀具寿命；(3)用于实现本专利技术之掘进方法，通过主动改变挖掘的空间轨迹，可以实现具有更为宽泛曲率变化的自由曲面创成及均勻的表面质量，同时在保证表面粗糙度及残高的条件下可以尽可能提高切削加工效率；(4)用于实现本专利技术所述方法之活轴掘进车削装置，可精密调整刀尖在7-Z平面内的位置；(5)用于实现本专利技术所述方法之活轴掘进车削装置，在切削过程中实时改变刀具前角及后角，具有小前角及大后角特征，小前角可进一步辅助脆性材料的延性去除，大后角可进一步避免刀具后刀面与加工表面的干涉，实现大曲率表面的创成；(6)用于实现本专利技术所述方法之活轴掘进车削装置，通过主动控制该装置两个活轴的驱动信本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种活轴掘进车削方法，其特征在于：（１）将一个工件装夹在一台超精密数控车床的主轴前端，采用真空吸盘或专用夹具方式进行装夹，该超精密数控车床的运动包括：主轴的回转运动、Ｘ轴溜板的横向进给运动和Ｚ轴溜板的纵向进给运动；（２）将一台活轴掘进车削装置安装在所述的Ｘ轴溜板或Ｚ轴溜板上，对该活轴掘进车削装置之两个活轴的驱动信号进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动。

【技术特征摘要】
1.一种活轴掘进车削方法，其特征在于(1)将一个工件装夹在一台超精密数控车床的主轴前端，采用真空吸盘或专用夹具方式进行装夹，该超精密数控车床的运动包括主轴的回转运动、X轴溜板的横向进给运动和 Z轴溜板的纵向进给运动；(2)将一台活轴掘进车削装置安装在所述的Z轴溜板或Z轴溜板上，对该活轴掘进车削装置之两个活轴的驱动信号进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及实现难加工材料切削所需的刀具快速掘进切削运动。2.根据权利要求1所述的活轴掘进车削方法，其特征在于(1)所述的活轴掘进车削装置之两个活轴中的运动轴I驱动金刚石刀具在x-z平面内实现两自由度高频摆动；(2)所述的活轴掘进车削装置之两个活轴中的运动轴II驱动金刚石刀具沿着Z轴进行快速往复运动，以完成创成复杂几何曲面所需的刀具快速往复运动，在该快速往复运动上叠加一个和运动轴I驱动的刀具摆动同频往复运动分量，辅助运动轴I驱动金刚石刀具生成掘进切削运动。3.根据权利要求1和2中所述的活轴掘进车削方法，其特征在于刀具快速掘进切削运动轨迹的确定及实现如下(1)获得待加工自由曲面的数学描述，生成加工该自由曲面所需的金刚石刀触点路径， 确定用于加工的掘进轨迹，如椭圆运动轨迹，类椭圆运动轨迹或其他复杂闭环运动轨迹；(2)根据所获得的金刚石刀触点路径及掘进轨迹，根据切削过程中刀尖路径轨迹与刀触点路径相切原则，确定金刚石刀具掘进切削运动的轨迹空间参数，以保证金刚石刀具掘进切削的刀尖运动轨迹与工件参与切削的部分包络创成所需的自由曲面；(3)根据所获得的金刚石刀尖路径轨迹及金刚石刀尖圆弧半径，确定金刚石刀位轨迹；(4)通过刀位轨迹检测跟踪伺服系统，获取主轴的回转脉冲，根据所获得的金刚石刀位轨迹、以及金刚石刀具掘进切削运动的轨迹参数，对掘进车削装置的两个运动轴进行主动控制，同步形成自由曲面车削创成所需的刀具快速往复运动、以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓勤，朱志伟，赵绍昕，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82